SIMULASI FLUIDIZED BED DRYER BERBASIS CFD UNTUK BATUBARA KUALITAS RENDAH DISUSUN OLEH : REZA KURNIA ARDANI 2311105005 RENDRA NUGRAHA P. 2311105015 PEMBIMBING : Prof.Dr. Ir. Sugeng Winardi, M.Eng Dr. Tantular Nurtono, S.T., M.Eng LABORATORIUM MEKANIKA FLUIDA DAN PENCAMPURAN
LATAR BELAKANG FLUIDISASI INDUSTRI KIMIA PENGERINGAN BATUBARA INDUSTRI PEMBANGKIT LISTRIK
PERUMUSAN MASALAH Belum diketahuinya mekanisme proses fluidisasi dalam pengeringan batubara
BATASAN MASALAH Pengaruh hidrodinamika terhadap fluidisasi
TUJUAN PENELITIAN Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh adanya internal heater serta variasi propertis-propertis lainya. Upaya pemecahan masalah dalam penelitian ini akan dilakukan melalui study menggunakan metode simulasi berbasis Computational Fluid Dynamic (CFD).
MANFAAT PENELITIAN Dari penelitian ini akan diperoleh pengetahuan secara rinci terhadap proses fluidisasi ditinjau dari proses hidrodinamika.
FAKTOR FAKTOR FLUIDISASI 1. laju alir fluida jenis fluida 2. ukuran partikel dan bentuk partikel 3. jenis dan densitas partikel serta faktor interlok antar partikel 4. porositas unggun 5. distribusi aliran 6. distribusi bentuk ukuran partikel 7. diameter kolom 8. tinggi bed. 9. Internal heater
FLUIDIZED BED Kelebihan dan kekurangan 1. Tingginya laju pengurangan kadar air. 2. Efisiensi panas yang tinggi. 3. Sangat mudah dikontrol 4. Transportasi yang mudah untuk material yang akan dikeringkan 5. Rendahnya biaya perawatan dan perbaikan 1. Tingginya pressure drop 2. Konsumsi daya listrik yang tinggi 3. Kualitas fluidisasi yang buruk untuk beberapa bahan 4. Kualitas produk tidak seragam untuk beberapa tipe fluidized bed 5. Partikel yang halus ikut terbawa udara pengering 6. Terjadinya gesekan antar partikel.
Prinsip Fluidisasi -Pada keadaan ini masing-masing butiran akan terpisahkan satu sama lain sehingga dapat bergerak dengan lebih mudah. - Saat kondisi butiran yang dapat bergerak ini, sifat unggun akan menyerupai suatu cairan dengan viskositas tinggi, misalnya adanya kecenderungan untuk mengalir, mempunyai sifat hidrostatik dan sebagainya.
KARAKTERISTIK FLUIDISASI Kurva fluidisasi ideal Kurva fluidisasi tidak ideal karena terjadi interlock
Model dalam simulasi Dalam simulasi ini digunakan Eularian Multiphase Model. Eularian Multiphase Model One transport eq for momentum Continuity per phase
Modelling Granular Flow Dalam mensimulasikan Fluidized bed dryer dalam Fluent. Digunakan Persamaan Navier stokes untuk menyelesaikan finite volume model. Solver Navier Stokes eq Initial bed Finite volume Method Konservasi persamaan massa, momentum, dan energi Gas flow
Governing Equation Konservasi Persamaan Massa : Dimana : n = jumlah fase v q = kecepatan fase q m = perpindahan massa antar fase S q = jumlah massa tiap fase Dalam simulasi yang dilakukan diasumsikan tidak ada perpindahan maka persamaan diatas menjadi :
Governing Equation Konservasi momentum : - Fase gas : Unsteady acceleration Convective acceleration of flow Lift force Pressure change external body force Stress-strain tensor Interaction force between gas and solids phases Gravitational force Virtual mass force dimana:
Governing Equation - Fase padat Unsteady acceleration Convective acceleration of flow Pressure change Exchange momentum Stress-strain tensor coefficient Gravitational force
Drag force Gidaspow equation Merupakan kombinasi persamaan dari Wen Yu eq dan Ergun Eq. Dimana untuk Wen Yu eq : Dan untuk Ergun eq : Kozeny Carman eq Burke plummer eq gaya kinetik, aliran Re tinggi gaya viscous, aliran Re rendah
continue Sehingga didapatkan persamaan Gidaspow : Dimana α g adalah volume fraksi dari fluid
PENELITIAN TERDAHULU PENELITI Moraveji dan Kajemi (2011) Kai Zhang dan Changfu You (2010) PENELITIAN Penelitian tentang pengeringan menggunakan fluidized bed dryer secara simulasi menggunakan CFD. Dalam penelitian tersebut membahas secara mendetail tentang laju pengeringan di dalam bed serta variasi temperatur dan kecepatan udara pengering. Penelitian secara modeling dan simulasi tentang pengeringan batubara lignit menggunakan packed moving bed. Dalam penelitian ini diperoleh hasil dimana peneliti mampu memprediksi proses pengeringan yang terjadi dan perlu diperhatikannya air yang terkondensasi di dalam bed.
PENELITIAN TERDAHULU PENELITI Mahdi Hamzehi (2011) Amit Kumar dan H.M Jena (2009). PENELITIAN Penelitian tersebut membahas tentang simulasi hidrodinamik dalam proses fluidisasi dan di validasikan dengan eksperimen yang dilakukan. Dengan memvariasi kecepatan fluida didapatkan hasil simulasi dan eksperimen yang mengindikasikan kontak partikel yang baik untuk berbagai macam kondisi operasi. Selain itu fenomena hidrodinamik di dalam simulasi juga terjadi di dalam eksperimen yang dilakukanya. Dalam penelitianya membahas fluidisasi dengan 3 phase yaitu solid, liquid dan gas. Didapatkan hasil bahwa tren bed ekspansi dengan kecepatan air masuk diperoleh pada kecepatan udara masuk yang berbeda menunjukkan bahwa bed mengembang ketika kecepatan air meningkat. Hal ini di ikuti dengan penurunan tekanan yang signifikan ketika tekanan air meningkat.
METODOLOGI Pre-processing Pemodelan Geometri Meshing Post-processing -Profil kecepatan udara -Pola aliran fluida dan partikel - pressure drop Equations solved Pemodelan Solving Material Properties Boundary Condition
Pre-processing Langkah-langkah dalam tahap ini: Pendefinisian geometri yang dianalisa. Grid generation, yaitu pembagian daerah domain menjadi bagian-bagian lebih kecil yang tidak tumpang tindih. Seleksi fenomena fisik dan kimia yang perlu dimodelkan. Pendefinisian properti fluida. Pemilihan boundary condition (kondisi batas) pada kontrol volume atau sel yang berimpit dengan batas domain. Penyelesaian permasalahan aliran (kecepatan, tekanan, temperatur, dan sebagainya) yang didefinisikan pada titik nodal dalam tiap sel. Keakuratan penyelesaian CFD ditentukan oleh jumlah sel dalam grid.
Solver terdiri dari langkah-langkah sebagai berikut : Prediksi variabel aliran yang tidak diketahui dengan menggunakan fungsi sederhana. Diskretisasi terhadap semua persamaan yang terlibat menjadi sistem persamaan aljabar. Penyelesaian persamaan aljabar dengan metode iterasi.
Post-processing merupakan tahap visualisasi dari hasil tahapan sebelumnya.. Alat visualisasi tersebut antara lain Domain geometri dan display Plot vektor. Plot kontur. Plot 2D dan 3D surface. Manipulasi tampilan (translasi, rotasi, skala, dan sebagainya). Animasi display hasil dinamik.
GEOMETRI Simbol Keterangan Dimensi (mm) d Diameter kolom 150 H1 Tinggi total kolom 1422 H2 Tinggi bed heater 400 H3 Tinggi perforated plate 50 Bentuk fluidized bed dryer untuk Simulasi
Dimensi Inlet Dryer untuk Simulasi
SPESIFIKASI BAHAN Batubara Bahan yang digunakan pada penelitian ini berupa pulverized coal dengan jenis batubara Buckheart dimana ukuran partikel di anggap monodispers dengan particle size sebesar 1.43 mm Udara Selain batubara, dalam simulasi ini juga diinjeksikan gas yaitu udara. Densitas = 1.225 kg/m 3 Viskositas = 0.00001789 kg/m.s
BOUNDARY CONDITION 1. Dinding didalam ruang pengering sebagai wall. 2. Saluran inlet udara - batubara sebagai velocity inlet. 3. Saluran outlet sebagai pressure outlet.
VARIABEL PENELITIAN Penggunaan internal heater Tanpa internal heater
0 detik 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 PRESSURE DROP TANPA INTERNAL HEATER 700 600 500 P (Pa) 400 300 200 100 0 0 2 4 6 waktu [detik] 8 10 12
TANPA INTERNAL HEATER simulasi tanpa menggunakan internal heater menunjukan adanya penambahan tinggi bed yang signifikan sesudah dialirkan udara sebesar 1.1 m/s. Dari gambar menunjukan kenaikan statik bed dari mula-mula 0.39 m menjadi 0.454 m.
0 detik 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 800 PRESSURE DROP MENGGUNAKAN INTERNAL HEATER 700 600 P [ Pa ] 500 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 12 waktu [Detik]
MENGGUNAKAN INTERNAL HEATER simulasi menggunakan internal heater menunjukan ekspansi bed tidak terlalu signifikan sebelum dan sesudah dialirkan udara sebesar 1.1 m/s. pada kolom yang menggunakan internal heater, bed berekspansi dari 0.39m menjadi 0.408 m.
PRESSURE DROP Perbedaan hasil tersebut disebabkan oleh perbedaan bentuk partikel serta ukuran partikel, dimana pada eksperimen Wei (2007) menggunakan partikel polydisperse serta sperisitas yang berbeda beda tiap partikel. Sedangkan dalam simulasi digunakan partikel monodisperse serta sperisitas tiap partikel sama.
POLA ALIRAN UDARA TANPA INTERNAL HEATER m/s kecepatan aliran udara di dalam bed mengalami peningkatan kecepatan yang disebabkan oleh pengecilan luas penampang. Pengecilan ini dikarenakan beberapa sisi dalam bed terjadi peningkatan fraksi massa sehingga semakin rapat.
POLA ALIRAN PARTIKEL TANPA INTERNAL HEATER m/s Bagian bawah bed mengalami ekspansi, batubara bergerak ke atas mengikuti pergerakan udara. Untuk bagian atas bed, partikel batubara bergerak turun. Sehingga menyebabkan tertahanya batubara yang berada dibawahnya untuk bergerak keatas karena kecepatan batubara yang turun lebih besar daripada batubara yang bergerak keatas.
POLA ALIRAN UDARA DENGAN INTERNAL HEATER m/s Kecepatan aliran udara di dalam bed mengalami peningkatan kecepatan yang disebabkan oleh pengecilan luas penampang. Pengecilan ini dikarenakan beberapa sisi dalam bed terjadi peningkatan fraksi massa sehingga semakin rapat Selain itu laju udara terhalang oleh internal heater sehingga arah udara tidak selalu lurus ke atas. Setelah udara melewati bed, kecepatan udara berkurang. Hal ini disebabkan luas penampang yang makin membesar serta tidak adanya pengaruh dari partikel batubara.
POLA ALIRAN PARTIKEL DENGAN INTERNAL HEATER m/s Bundle heater mempengaruhi pola aliran partikel batubara, dimana gerakan partikel yang terfluidisasi mengalami gesekan serta benturan oleh bundle heater. Sehingga terbentuk weak region dimana daerah tersebut sedikit sekali dilewati oleh partikel. Untuk bagian atas bed, partikel batubara bergerak turun serta cenderung mengisi di bagian sisi kiri bed sehingga menyebabkan tertahanya batubara yang berada dibawahnya untuk bergerak keatas karena kecepatan batubara yang turun lebih besar daripada batubara yang bergerak ke atas.
PROFIL KECEPATAN UDARA TANPA INTERNAL HEATER
PROFIL KECEPATAN UDARA DENGAN INTERNAL HEATER
KESIMPULAN Pada fluidized bed yang menggunakan internal heater menunjukan tidak ada penambahan tinggi bed yang signifikan sebelum dan sesudah dialirkan udara sebesar 1.1 m/s, sedangkankan fluidized bed tanpa internal heater mengalami ekspansi bed dari 390 mm menjadi 454 mm. Dari hasil simulasi didapatkan bahwa peningkatan pressure drop berbanding lurus dengan kecepatan udara. Sementara itu hasil eksperimen yang didapatkan Wei (2007) peningkatan signifikan pada pressure drop terdapat pada kecepatan sebesar 1.1 m/s dengan pressure drop 1,9 inch water dan setelah itu tidak mengalami kenaikan pressure drop yang signifikan. Faktor yang mempengaruhi adalah bentuk serta ukuran partikel. fluidized bed yang menggunakan internal heater akan terbentuk weak region. Profil kecepatan udara pada outlet fluidized bed akan selalu mendekati kecepatan saat inlet yakni sebesar 1.1 m/s
TERIMAKASIH LABORATORIUM MEKANIKA FLUIDA DAN PENCAMPURAN