Makalah Cyclone

BAB I

PENDAHULUAN

Cyclone merupakan alat pengendalian partikulat yang sangat umum dan

banyak digunakan untuk berbagai aplikasi. Partikel yang dapat disisihkan adalah

partikel yang berukuran besar. Alat ini sangat tidak efisien jika digunakan untuk

menyisihkan partikel kecil karena partikel-partikel kecil mempunyai massa yang

kecil dan dapat menghasilkan gaya sentrifugal. Cyclone adalah alat sederhana

yang menggunakan gaya sentrifugal untuk memisahkan partikel dari aliran gas.

Pada umumnya cyclone terbentuk dari pelat logam, dan ada juga dari bahan lain.

Kelebihan cyclone dengan alat lainnya yaitu mempunyai biaya modal yang

rendah, ruang yang dibutuhkan kecil, dan tidak adanya bagian-bagian yang

bergerak. Tentu saja alat tambahan juga dibutuhkan, sebuah blower atau sumber

tekanan lain untuk menggerakkan aliran gas.

BAB II

PEMBAHASAN

Cyclone mampu mengendalikan beban debu yang sangat besar, dan dapat

juga digunakan pada aliran gas yang sangat tinggi. Kadang-kadang

penggunaannya digabungkan dengan material tahan panas untuk mencegah abrasi

dan untuk mengisolasi material logam dari temperatur gas yang sangat tinggi.

2.1 Komponen dan Desain Cyclone

Cyclone terdiri dari beberapa komponen penting sebagai berikut:

1. Inlet dan outlet;

2. Vortex finder;

3. Body;

4. Cone atau Hopper.

Contoh dimensi cyclone didesain sebagai berikut:

D = 5,000 m

De = 1,600 m

Dd = 0,500 m

H = 2,240 m

W = 1,250 m

S = 5,400 m

Lb = 5,500 m

Lb = 5,250 m

Gambar 2.1 Desain Cyclone

2.2 Sistem Operasi Cyclone

Sebuah cyclone dapat dilihat pada Gambar 2.2 mempunyai satu inlet

tangensial menuju badan silinder, yang menyebabkan aliran gas menjadi berputar-

putar. Partikel-partikel kemudian terlempar menuju dinding pada badan cyclone.

Ketika partikel mencapai lapisan batas yang stagnan pada dinding, kemudian

partikel-partikel tersebut meninggalkan arus aliran gas dan akhirnya jatuh dari

dinding. Walaupun beberapa partikel dapat kembali lagi kedalam aliran gas

2

dengan tiba-tiba. Seiring dengan kehilangan energi pada gas di pusat pusaran, gas

mulai berputar di dalam vortex dan keluar pada bagian atas.

Gambar 2.2 Skema Cara Kerja Cyclone

Sumber: Karl B. Schenelle, 2002

Tabung vortex finder tidak menciptakan aliran pusaran gas. Fungsinya

adalah untuk mencegah hubungan singkat dari inlet secara langsung ke outlet.

Cyclone akan tetap bekerja tanpa vortex finder, walaupun efisiensi yang

dihasilkan akan rendah.

Variabel operasi untuk melihat performa cyclone adalah temperatur gas,

tekanan, komposisi, karakteristik debu, termasuk ukuran dan distribusi, bentuk,

densitas serta konsentrasi. Peningkatan temperatur gas akan menurunkan densitas

dan meningkatkan viskositas.

Dampak langsung efisiensi dengan merubah densitas gas dapat diabaikan

jika densitas gas dibandingkan dengan densitas debu. Jika tekanan pengumpul

dipertahankan konstan, kapasitas tabung akan meningkat akibat densitas gas yang

rendah. Temperatur yang tinggi dapat meningkatkan kecepatan gas pada inlet, dan

ini meningkatkan kecepatan partikel menuju dinding. Seiring dengan kenaikan

temperatur, kenaikan viskositas cenderung menurunkan kecepatan partikel

menuju dinding. Efek bersih dari faktor-faktor ini yang disebabkan oleh

peningkatan temperatur dapat diabaikan pada waktu beroperasi normal antara 4o

sampai 371o C. Dengan demikian, pada kehilangan tekanan konstan, efisiensi

akan konstan dengan temperatur. Seiring dengan peningkatan temperatur diatas

538o C, dampak viskositas menjadi lebih utama dan mengakibatkan efisiensi

3

secara berangsur akan menurun. Komposisi gas dapat juga berdampak pada

viskositas gas dan juga densitas.

Tipikal performa dari konvensional dan high efficiency cyclones

ditunjukkan pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Performa Cyclone Konvensional dan High Efficiency

Sumber: Karl B. Schenelle, 2002

Beberapa cara dapat dipakai untuk meningkatkan efisiensi. Bagaimanapun,

beberapa tes menunjukkan usaha untuk meningkatkan efisiensi ini dengan blade,

spiral duct, atau apapun peralatan dengan tujuan membuat perputaran gas secara

langsung menjadi sia-sia, ini hanya menghasilkan perputaran bebas gas pada

badan cyclone. Perputaran ini menyebabkan pemisahan debu, kemudian menuju

hopper atau dust bunker.

Sebuah cyclone dengan dust bunker atau hopper yang besar akan memiliki

efisiensi yang lebih tinggi daripada cyclone yang dust outlet-nya ditutup dengan

4

rotating valve. Dengan cara yang sama, penempatan vanes pada pipa gas keluar

dengan tujuan untuk menurunkan kehilangan tekanan pada cyclone akan

mempengaruhi efisiensi (menurunkannya). Ini sangat diperlukan, oleh karena itu

cyclone dilengkapi dengan dust hopper, dan outlet vortex tube dimana gas dapat

meneruskan perputarannya.

Gambar 2.3 Dimensi Cyclone: (a) End Elevation; (b) Side Elevation

Sumber: Theodore Buonicore, 2000

Bentuk sebuah cyclone ditentukan oleh dimensi-dimensi utama berikut

(lihat Gambar 2.3). (1) sudut masuknya gas; (2) diameter cyclone, D; (3) diameter

exhaust gas; (4) panjang pipa vortex, S; (5) tinggi badan cyclone, h; (6) tinggi

cyclone keseluruhan, H; dan (7) area inlet gas, A x B. Dengan merubah dimensi-

dimensi tadi akan berpengaruh terhadap efisiensi cyclone. Contoh, memasukkan

sedikit gas ke bagian yang rumit pada cyclone sangat penting untuk

mempertahankan efisiensi yang sesuai. Hasil yang paling baik akan dipertahankan

ketika sudut 1800. Peningkatan lebih lanjut dari sudut inlet tidak akan

meningkatkan efisiensi dan biasanya membuat harganya menjadi lebih mahal.

5

Pengaruh dari panjang pipa outlet vortex, S, efisiensi yang ditunjukkan

pada Gambar 2.4. Efisiensi menurun dengan cepat ketika panjang pipa vortex

terlalu pendek, efisiensi maksimum akan tercapai ketika S mendekati nilai d, atau

S mendekati B ketika B lebih besar dari d. Peningkatan tinggi keseluruhan

cyclone meningkatkan efisiensi. Hasil tes menunjukkan tinggi cyclone besar dari

3D dianjurkan (lihat Gambar 2.5). Mengurangi ukuran diameter d pipa vortex

berhubungan dengan diameter badan cyclone dan akan meningkatkan tekanan

yang pada akhirnya akan meningkatkan efisiensi (lihat Gambar 2.6). Untuk

membuat cyclone yang praktis, diameter vortex harus 1,4 kali diameter badan

cyclone dan panjang 1/6 atau 1/7 kali tinggi cyclone keseluruhan.

Gambar 2.4 Pengaruh Panjang Vortex Finder Terhadap Efisiensi


Gambar 2.5 Pengaruh Tinggi h Terhadap Efisiensi


6

Gambar 2.6 Pengaruh Diameter d Terhadap Efisiensi


Entry area cyclone akan mempengaruhi efisiensi sampai tingkat tertentu.

Secara umum, tinggi lebih besar dari lebar dimana A > B akan meningkatkan

efisiensi, tetapi bentuk yang lebih praktis adalah inlet persegi, dimana A = B.

Untuk menurunkan kehilangan tekanan pada cyclone, ini yang diinginkan untuk

membuat cross section area dari saluran inlet A x B, tidak lebih kecil dari saluran

keluarnya.

Standar dimensi cyclone berdasarkan perbandingan antara diameter badan

cyclone dengan bagian lainnya dapat dilihat pada tabel 2.2 berikut:

Tabel 2.2 Standar Dimensi Cyclone

Sumber: David Cooper and Alley, 1994

Pengaruh gravitasi pada penyisihan debu pada sebuah cyclone sangat

kecil, oleh karena itu, dapat dikatakan efisiensi cyclone tidak ada pengaruh dari

7

luar sistem. Percobaan telah menunjukkan bahwa penyisihan memperlihatkan

hasil yang bagus baik pada posisi horizontal maupun susunan secara vertikal.

Sebuah cyclone yang baik dapat menyisihkan debu dalam posisi apa saja.

Kesulitan dapat saja muncul tetapi dengan partikel kasar dari debu akan terus

berputar pada bagian kerucut dan tidak akan dapat mencapai outlet. Kesulitan ini

dapat terjadi pada posisi vertikal normal, tetapi ini sangat jarang terjadi.

Untuk dapat memahami operasi cyclone, sangat penting untuk mencari

kecepatan dan tekanan serta hubungannya dengan efisiensi. Aliran gas terjadi

secara tiga dimensi, oleh sebab itu pada posisi bagaimanapun kecepatan dapat

dirubah menjadi tiga komponen: komponen tangensial, radial, dan vertikal.

Gambar 2.7 dan 2.8 menujukkan variasi dari kecepatan tangensial, radial dan

kecepatan gas vertikal di dalam cyclone. Dengan pengecualian pada area turbulen

yang tinggi pada bagian tengah, kecepatan tangensial (vt) adalah yang lebih

dominan, sehingga kecepatan total dari gas nilainya mendekati nilai v t. Dari

lingkaran menuju ke tengah, kecepatan tangensial meningkat dan mencapai nilai

maksimal pada jarak 2/3 dari jari-jari cyclone.

Gambar 2.7 Variasi Kecepatan Tangensial vt dan Kecepatan Radial vr


8

Gambar 2.8 Variasi Kecepatan Vertikal Dari Titik yang Berbeda


Pada bagian silinder cyclone, fluktuasi nilai vt secara umum disebabkan

oleh kecepatan di lingkaran dan jari-jari dari titik dimana kecepatan v t

diperkirakan. Pada bagian kerucut nilai vt meningkat menuju ke bagian bawah,

dan dengan jarak yang sama jika dihitung dari atas nilai Vt lebih besar daripada di

bagian silinder.

Pada bagian tengah cyclone, kecepatan total nilainya menyimpang jika

dibandingkan dengan kecepatan tangensial. Seperti yang ditunjukkan pada

Gambar 2.8, kecepatan vertikal diarahkan ke bawah pada luar dinding cyclone.

Kecepatan radial vr diarahkan menuju pusat pada kebanyakan cyclone, kecepatan

ini membawa partikel menuju ke pusat melawan dari gaya sentifugal. Dibagian

tengah kecepatan diarahkan keluar.

Dari variasi kecepatan menunjukkan bahwa daerah pada pusat cyclone

tidak memberikan kontribusi dalam pemisahan partikel. Partikel pada daerah ini

akan terbawa oleh arus kecepatan vertikal ke gas outlet dan tidak akan jatuh ke

dust outlet. Untuk mencapai efisiensi yang tinggi sangat penting menjaga partikel

agar partikel keluar dari bagian tengah cyclone dan meningkatkan kecepatan

9

tangensial sebanyak mungkin, ini juga akan sebanding dengan peningkatan

kecepatan vertikal dan radial.

Efisiensi pengumpul cyclone tergantung pada distribusi ukuran partikel,

efisiensi hanya dapat dijamin jika laju pengendapan atau distribusi ukuran partikel

diketahui. Efisiensi dapat dipertahankan jika komposisi debu konstan dan hanya

sebagian kecil saja partikel yang berukuran kecil dari 10 mikron.

Faktor utama yang dapat digunakan untuk mengontrol efisiensi

pengumpulan debu adalah dengan memperhatikan diameter cyclone. Efisiensi

pengumpulan debu yang lebih besar dapat diperoleh dengan menggunakan

cyclone yang berdiameter kecil. Kecepatan aliran gas yang tinggi juga dapat

meningkatkan efisiensi cyclone, caranya dapat dilakukan dengan dengan

memodifikasi inlet agar menghasilkan kecepatan aliran yang lebih besar. Cyclone

dapat disusun secara paralel untuk menciptakan aliran gas yang lebih besar.

Susunan cyclone ini disebut multicyclone. Multicyclone biasanya diletakkan

sebelum pemisahan dengan Electrostatic Precipitator (EP). Hal ini dilakukan

karena:

1. Cyclone memiliki ketahanan terhadap suhu yang tinggi sehingga tidak

mempengaruhi kinerja dan tetap dapat berjalan secara optimal, sedangkan

ESP sangat rentan terhadap kenaikan temperatur gas dan jika terjadi kenaikan

suhu yang cukup signifikan dapat mengakibatkan EP meledak.

2. Cyclone lebih efektif digunakan untuk menyisihkan partikel yang berukuran

relatif besar sedangkan EP lebih efektif untuk menyisihkan partikel yang

lebih kecil, sehingga untuk menghasilkan efisiensi yang lebih besar cyclone

dipasang sebelum EP, agar dapat mengurangi beban penyisihan yang

dilakukan oleh EP.

3. Untuk menjaga agar umur alat dapat bertahan lama, sehingga dapat

menghemat biaya untuk pemeliharaan maupun pergantian alat.

2.3 Sistem Pemeliharaan Cyclone

Program pemeliharaan terjadwal untuk cyclone akan mengurangi kerugian

yang diakibatkan oleh pemotongan waktu produksi dan penambahan biaya yang

10

besar untuk pekerjaan pembetulan. Pemeliharaan efektif akan mudah terpenuhi

jika ketentuan dasar berikut ini diikuti:

1. Pada instalasi awal telah disediakan akses yang mudah untuk membersihkan

atau memindahkan bagian-bagian dari sistem tersebut.

2. Menyediakan satu file informasi untuk sejarah dari cyclone tersebut selama

pengoperasiannya. File ini meliputi volume gas, temperatur operasi,

kecepatan pada inlet dan outlet, perbedaan tekanan, debu yang dimuat, serta

data lainnya yang berhubungan dengan proses operasi cyclone.

3. Memelihara data, yaitu dengan mencantumkannya pada papan nama alat yang

bersangkutan.

4. Membuat salinan gambar konstruksi serta daftar nama-nama bagian termasuk

suku cadang, dengan membuat gambar detail, misalnya gambar baut.

Untuk mempertahankan keandalan kerja cyclone, maka perlu dilakukan

program pemeliharaan, perawatan dan pendeteksian adanya gangguan-ganguan

yang mungkin terjadi (preventive maintenance control /PMC). Adapun tujuan

program pemeliharaan dan perawatan cyclone di Indarung II/III PT Semen Padang

dapat diklasifikasikan menjadi tiga kelompok, sesuai dengan jangka waktu

keandalannya, yaitu:

1. Keandalan jangka pendek

Tidak ada kerusakan mekanis yang dapat mengakibatkan berkurangnya

produksi secara tidak terjadwal.

2. Keandalan jangka menengah

Tidak ada pengurangan yang kontinu terhadap efisiensi penangkapan

debunya.

3. Keandalan jangka panjang

Tidak terjadi keausan (wear) dan corrosion pada komponen-komponen

cyclone.

Problem-problem jangka pendek yang paling sering timbul dan harus

mendapatkan perhatian lebih dalam pemeliharaan cyclone adalah korosi. Korosi

merupakan problem jangka panjang dan juga jangka pendek dan dapat

mempengaruhi kerja cyclone serta keselamatan kerja. Korosi secara umum

disebabkan oleh kebocoran (udara ambien masuk ke dalam cyclone) sehingga

11

menimbulkan kondensasi uap, asam, dan elemen-elemen yang bersifat korosif

lainnya yang terdapat dalam aliran gas. Korosi biasanya dihasilkan dari insulasi

yang buruk atau bahkan tanpa insulasi. Pencegahan yang paling baik dengan

menjamin bahwa cyclone telah memiliki insulasi yang benar dan juga dengan

mencegah adanya kebocoran udara dari luar.

Untuk menjaga agar kondisi cyclone tetap berjalan dengan baik, maka

dilakukan pemeliharaan dan perawatan secara rutin atau berdasarkan situasi

cyclone saat itu. Adapun prosedur pemeliharaan dan perawatan yang harus

dilakukan secara periodik, yaitu:

1. Perawatan harian

a. Pencatatan pembacaan elektrikal dan data di Central Control Room

(CCR);

b. Pengecekan operasi transport udara dan debu.

2. Perawatan mingguan

a. Pemeriksaan interior sistem control.

3. Perawatan bulanan

a. Pengecekan sensor temperatur;

b. Pengecekan korosi pada bagian luar cyclone, kebocoran dan isolasi yang

lepas, pintu-pintu dan sambungan-sambungan.

4. Perawatan tahunan

a. Pemeriksaan yang cermat pada bagian dalam cyclone;

b. Penelitian dan pencatatan area yang berkarat.

Erosi atau penggerusan merupakan permasalahan lain pada dinding

cyclone. Penggerusan akan meningkat bergantung pada muatan debu yang

ditampung, specific gravity, kekerasan partikel debu, dan kecepatan gas. Pada

debu ringan, penggerusan cenderung terjadi pada pusat kerucut atau cone.

Penggerusan dapat diminimalisir dengan pemilihan ukuran diameter yang

tepat pada konstruksi cyclone. Pemeliharaan terhadap penggerusan dapat

dilakukan dengan menggunakan bahan metal yang bersifat heavier-gauge pada

bagian cone dan penggunaan bahan metal yang tahan terhadap abrasi untuk

menyepuh bagian dinding cyclone dimana sering terjadi tumbukan.

12

2.4 Efisiensi Penyisihan Partikel

Ketika sebuah partikel bergerak dengan kecepatan konstan dengan arah

yang berputar, vektor kecepatan berubah terus sesuai dengan arah putarnya.

Walaupun tidak begitu besar hal ini menciptakan percepatan hasil dari perubahan

arah kecepatan. Artinya percepatan adalah jumlah waktu yang dibutuhkan untuk

perubahan kecepatan sehingga kecepatan menjadi sebuah vektor yang dapat

berubah arah. Gaya dirumuskan oleh hukum kedua Newton (F = m.a), gaya

sentrifugal dirumuskan sebagai berikut:

Dimana: F = gaya sentrifugal

m = massa partikel

v = kecepatan partikel, diasumsikan sama dengan kecepatan gas

r = jari-jari badan cyclone

Prinsip kerja cyclone berdasarkan penggunaan gaya sentrifugal untuk

menggerakkan partikel menuju dinding cyclone, sebuah kesalahan kecil dalam

pemasangan pipa akan mengurangi efisiensi, jadi sebaiknya digunakan cara yang

ditunjukkan pada gambar yang benar.

2.4.1 Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Efisiensi

Beberapa faktor yang mempengaruhi efisiensi pengumpulan dapat

ditentukan. Meningkatkan kecepatan di inlet akan meningkatkan gaya sentrifugal

dan juga efisiensi. Tetapi ini juga akan meningkatkan kehilangan tekanan.

Mengurangi diameter cyclone juga akan meningkatkan gaya sentrifugal, efisiensi,

dan kehilangan tekanan. Meningkatkan laju aliran gas terhadap cyclone yang

diberikan mempunyai dampak efisiensi seperti yang ditunjukkan pada persamaan

berikut:

Dimana: Pt = penetration (Pt = 1 -η )

η = efisiensi penyisihan partikel

Q = volume aliran gas

13

2.4.2 Persamaan yang Digunakan dalam Perhitungan Efisiensi

Efisiensi penggunaan cyclone dapat ditentukan dengan beberapa

persamaaan, diantaranya Lapple’s efficiency correlation.

Langkah–langkah yang digunakan untuk mendapatkan besarnya efisiensi

cyclone adalah:

1. Penentuan jumlah efektif penyisihan (Ne)

Persamaannya :

Dimana : Ne = jumlah efektif penyisihan

H = tinggi inlet tangensial

Lb = panjang badan cyclone

Lc = panjang kerucut cyclone

2. Penentuan diameter partikel dengan efisensi penyisihan x %

Persamaannya :

Dimana : dpx = diameter partikel dengan penyisihan x %

ηgas = viskositas gas

W = lebar inlet

Ne = jumlah efektif penyisihan

vi = kecepatan inlet

ρsolid = densitas partikel

ρgas = densitas gas

3. Persamaan Lapple’s

Persamaannya :

Dimana : ηj = efisiensi penyisihan partikel dengan diameter j

dp50 = diameter partikel dengan 50 % efisiensi penyisihan

dpj = diameter partikel j

2.5 Contoh Perhitungan Efisiensi Penyisihan Partikel pada Cyclone

14

Diketahui:

Lb = 5,500 m

Lc = 5,250 m

H = 2,240 m

W = 1,250 m

vin = 20 m/s

ρsolid = 1231 kg/m3

T = 650 C

2.5.1 Contoh Perhitungan Efisiensi Penyisihan Partikel pada Cyclone

berdasarkan Teori

1. Menentukan viskositas gas (ηgas)

2. Menentukan densitas gas (ρgas)

3. Menentukan nilai Ne

15

4. Menentukan d50

5. Menentukan dp

6. Menentukan effisiensi cyclone

16

Dari kurfa diperoleh:

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

1. Cyclone adalah alat sederhana yang menggunakan gaya sentrifugal untuk

memisahkan partikel dari aliran gas.

17

2. Kelebihan cyclone dengan alat lainnya yaitu mempunyai biaya modal yang

rendah, ruang yang dibutuhkan kecil, dan tidak adanya bagian-bagian yang

bergerak.

3. Cyclone mampu mengendalikan beban debu yang sangat besar, dan dapat

juga digunakan pada aliran gas yang sangat tinggi.

4. Efisiensi pengumpul cyclone tergantung pada distribusi ukuran partikel,

efisiensi hanya dapat dijamin jika laju pengendapan atau distribusi ukuran

partikel diketahui. Efisiensi dapat dipertahankan jika komposisi debu

konstan dan hanya sebagian kecil saja partikel yang berukuran kecil dari

10 mikron sebesar 90%.

3.2 Saran

Diharapkan perusahaan yang menggunakan alat pengendali partikulat debu

(Cyclone) untuk lebih memperhatikan serta memelihara kondisi alat agar tetap

prima sehingga alat dapat bekerja secara efektif dan efisien.

18

Documents

Makalah Cyclone