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
Sumber: Theodore Buonicore, 2000
Gambar 2.5 Pengaruh Tinggi h Terhadap Efisiensi
Sumber: Theodore Buonicore, 2000
6
Gambar 2.6 Pengaruh Diameter d Terhadap Efisiensi
Sumber: Theodore Buonicore, 2000
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
Sumber: Theodore Buonicore, 2000
8
Gambar 2.8 Variasi Kecepatan Vertikal Dari Titik yang Berbeda
Sumber: Theodore Buonicore, 2000
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