pengembangan model matematik proses pengeringan … · dua faktor yang saling berhubungan pada...
TRANSCRIPT
PENGEMBANGAN MODEL MATEMATIK PROSES PENGERINGAN DALAM ROTARY DRYER UNTUK POLA ALIR NON IDEAL DAN
UKURAN PARTIKEL TIDAK SERAGAM
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
Oleh :Margono
Sidang Terbuka Promosi DoktorJurusan Teknik Kimia ITS 2010
PembimbingProf. Dr.Ir. Ali Altway, MS
Dr.Ir. Kuswandi, DEADr.Ir. Susianto, DEA
PENDAHULUANRotary Dryer
Merupakan peralatan pengering yang digunakan secara luas dalam industri.Terdiri dari silinder berputar yang membentuk sudut tertentu terhadap horizontal. Aplikasi untuk mengeringkan bahan padat yang tidak mudah pecah dan tidak peka terhadap panas.Menghasilkan perpindahan panas dan massa yang efektif
Rotary Dryer
Roadmap penelitian
Ryoso et al(1994)
Friedman &Marshall (1949)
Okazaki et al(1995)
Naon et al(1995)
Yliniemi(1999)
Cao et al(2007)
Mujumdar et al(2009)
Eksperimen• Koef. Perpindahan panas• Waktu tinggal padatan• Pola alir padatan
Pemodelan•Model matematik•PF, Mixed flow, Fuzi•Ukuran Partikel seragam•Bentuk bola
Fernandez et al(2009)
Originalitas penelitian
Tujuan Penelitian
Mengembangkan model matematik rotary dryer untuk mengeringkan pupuk ammonium sulfat dengan anggapan :
Aliran padat plug flow back-mixing (PFBM) dan;Ukuran partikel tidak seragam.
Pengembangan model perpindahan panas dan massa dalam rotary dryer
Penyelesaian secara numerik
Validasi Data operasi RD skala pilot
Pola alir(literatur)
Distribusiukuran partikel(eksperimen &
simulasi)
Model koefisienperpindahan
pans volumetrik(literatur)
Model waktutinggal
(literatur)
Karakteristikpengeringanpartikel padat(eksperimen &
simulasi)
Model proses
pengeringan(simulasi)
METODOLOGIBagan Alir Rancangan Penelitian
Pengaruh bentuk partikelDua faktor yang saling berhubungan pada bentuk partikel,1.permukaan spesifik partikel sphericity Wadell
2. panjang difusi moisture sphericity berbasisdifusi
Metode analisa: Model difusi pengeringan isothermal partikel solid dengan kondisi batas Neuman (penguapan di permukaan partikel)
Dipelajari partikel bola dan silindris dengan berbagai rasio tinggi-diameter
Karakteristik Pengeringan Partikel Padat
TC TdTw
Fan Heater
Balance
Sampel
Thermocouple
Rangkaian Peralatan Tray Dryer
Model waktu tinggal
Harga k dievaluasi menggunakan data RD pilot pada kondisi :
GBL0.6
DNSLkθ 0.9 ±= 0.5
P )5(DB −=
Persamaan Perry and Chilton
Parameter NilaiTekanan, P (atm) 1Suhu, T (oC) 110Konstanta, R (m3.atm/kmol) K 0,08205BM Udara (kg/kmol) 28,84Diameter partikel, Dp (μm) 185Mass rate udara, G (kg/jam.m2) 1999,6
Parameter NilaiPanjang Dryer , L (m) 12,2Diameter, D (m) 2,418Slope, S (%) 4,5Putaran, N (rpm) 3,5
Kondisi Operasi RD Dimensi RD
Model koefisien perpindahan panas volumetrik (Uv)
nv G
DkU = n = 0.67
Friedman &Marshall (1949):
0.46fv G
21n
Di0.477U ⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ −
= Nf = 20
Yliniemi (1999) :
k
Koefisien dispersi aksial
ez P
VLD /1=
( ) 287.0,1046.202.2
12 <⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
−
−
SNDF
SNDFx
VLD
ss
z
( ) 287.0,1079.1415.1
10 >⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= −
SNDF
SNDFx
VLD
ss
z
(Fan dan Ahn, 1961)
dimana :
Penentuan Laju Pengeringan
( ) XBtBBKdtXdR
tX
rrXDr
r
w
eff
=−=−=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛∂∂
=∂
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
∂∂
∂
exp
12
2
( )βρ AsatAGeffs PPk
rXDRrt
rXrt
XXRrt
−=∂∂
−=>
=∂∂
=>
=≤≤=
0
000
00 0
X=X(r,t)
( )tXX =
( )BtKX −= exp
fp
edc DTHvgB =
( ) XBtBBKdtXdRw =−=−= exp
∫=R
drrXR
X0
23
3
Model proses pengeringan pupuk ZA didalam rotary dryer (ukuran partikelseragam)
1. Model Plug Flow (model PF) 2. Model Dispersed Plug Flow atau model
Plug Flow dengan Back Mixing (model PFBM)
Model proses pengeringan pupuk ZA didalam rotary dryer (ukuran partikeltidak seragam)
Model distribusi ukuran partikel:Rosin-Rammler dan fungsi Gamma
Anggapan:kondisi suhu dan humidity udara disepanjang dryer sama dengan kondisi pada saat masuk dryer
16
Rotary dryer skala pilotDimensi:panjang : 12,2 m ; diamter : 2,418 mslope : 4,5 % ; rpm : 3,5Jumlah flight : 20 ; Tebal silinder : 1 cm
Feed basah
Screw conveyor
Rotary dryer
Produk
Udara
Steam
Kondensat
17
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Waktu pengeringan tak berdimensi
Kada
r air t
akbe
rdim
ensi,
FBi=1,AnalitikBi=1,PendekatanBi=0.5 AnalitikBi=0.5 Pendekatani
Hasil dan pembahasanPerbandingan penyelesaian analitik dan pendekatan partikel silinder
dengan H/D = 0.25 dan bilangan Biot 0.5 atau 1.
θ
4D
18
1
Perbandingan penyelesaian analitik dan pendekatan untuk partikel silinder dengan H/D =4 dan bilangan Biot 0.5 atau 1.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Waktu pengeringan tak berdimensi,
Kada
r air t
akbe
rdim
ensi,
FBi=1,AnalitikBi=1,PendekatanBi=0.5, AnalitikBi=0.5, Pendekatan
θ
H
D
19
Kada
r air t
akbe
rdim
ensi,
F
Waktu pengeringan tak berdimensi,
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1Bi=1,AnaliticBi=1,PendekatanBi=0.5, AnaliticBi=0.5, Pendekatan
Perbandingan penyelesaian analitik dan pendekatan untuk partikel bola dengan bilangan Biot 0.5 atau 1.
θ
20
Kada
r air t
akbe
rdim
ensi,
F
Kadar air rata-rata tak berdimensi versus waktu pengeringan tak berdimensi. Pengaruh bentuk partikel untuk bilangan Biot = 1.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Waktu tak berdimensi,
silinder H/D=0.25silinder H/D=4bola
θ
21
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
2
4
6
8
10
12
Kadar air tak berdimensi,F
Laju
peng
erin
gan
tak
berd
imen
si,R
Dsilinder H/D=0.25silinder H/D=4bola
Laju pengeringan tak berdimensi versus kadar air rata-rata takberdimensi. Pengaruh bentuk partikel untuk bilangan Biot =1.
22
KarakteristikKarakteristik pengeringan pupuk ZApengeringan pupuk ZA
Koefisien difusi efektif, Deff
Model matematik proses pengeringan ZA di dalam tray dryer
2
2
xMD
tM
eff ∂∂
=∂∂
( )βAAGeff PPkxMD −=∂∂
− 0
0=∂∂
xM
t = 0 M = M0 0 ≤ x ≤ L
t > 0 x = 0
t > 0 x = L( )
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −−
= 0
0
MtMM
eβ
didapat dengan cara fitting model matematik yang dikembangkan terhadap data percobaan.
effD
BC Neuman yang dimodifikasikan dengan faktor partisi.
23
Nilai koefisien difusi efektif
Deff = 9.7 x 10-18 T2.702
No. Temperatur solid, TS0C Koefisien difusivitas efektif,
Deff x 10-11 m2/s12345
42.252.3687780
5.4566.757.257.45
24
Laju pengeringan.
XDpTHvxRW27485.187650.401773.075719.0121067184.1 −−−=
25
Pemodelan persamaan perpindahan panas dan massa di dalam rotary dryer partikel seragam.
Model matematik dengan variasi kadar air solid dalam rotary dryer
12
21 φξξ
=∂∂
+∂∂
−X
PX
eLz
=ξz
se D
LVP =
s
w
VLR
=1φ
Model matematik dengan variasi suhu solid dalam rotary dryer
s
seHs
LVPα
=2111
21
21 φψξξ
=−∂∂
−∂∂ FFF
PeHs
Model matematik untuk variasi suhu udara pengering dalam rotary dryer
3222
22
21 φψξξ
=+∂∂
−∂∂ FFF
PeHu00
02
sg
sg
TTTT
F−
−=
ud
geHu
LVP
α= ( ) ⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
−Δ
=g
s
ggsg
w
FF
VL
TTh
CR
03φ
Model matematik untuk variasi kelembaban udara pengering di dalam rotary dryer
0112
2
=+∂∂
+∂∂
wek
RYYP
βξξ dt
gek N
LVP =
dc
gdt D
VLN
48
22
=
Ndt adalah koefisien dispersi Taylor Ddc merupakan koefisien difusi
26
Profil kadar air dalam solid dengan sistem PF dan PFBM
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
1
2
3
4
5
6
7
8
Panjang RD tak berdimensi, ζ
Kg ai
r /kg
solid
kerin
g, x
103
PF BMUmpan 20 ton/j
PF BMUmpan 32 ton/j
PFUmpan 32 ton/j
PFUmpan 20 ton/j
27
Suhu
solid
ZA
(C)
Profil suhu solid ZA dengan system PF dan PF BM
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 135
40
45
50
55
60
65
70
75
80
Panjang RD tak berdimensi, ζ
PFUmpan 20 ton/j
PF BMUmpan 32 ton/j
PF BMUmpan 20 ton/j
PFUmpan 32 ton/j
28
Profil suhu udara pengering dengan sistemPF dan PFBM.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.950
60
70
80
90
100
110
Panjang RD tak berdimensi, ζ
Suhu
udar
apen
gerin
g(C)
PFBMUmpan 20 ton/j
PF BMUmpan 32 ton/j
PFUmpan 32 ton/j
PFUmpan 20 ton/j
29
Panjang RD tak berdimensi,
Profil suhu udara pengering dan suhusolid ZA di sepanjang rotary dryer dengan laju umpan 20 ton/j
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.930
40
50
60
70
80
90
100
110
ζ
Suhu
solid
/ uda
ra pe
nger
ing (C
)
Suhu udara pengeringumpan 20 ton/j
Suhu solid ZAUmpan 20 ton/j
30
Profil kelembaban udara dengan sistemPF dan PFBM
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
0.055
0.06
Panjang RD tak berdimensi, ζ
Kelem
baba
nuda
ra
PFBMUmpan 20 ton/j
PFUmpan 20 ton/j
PFBMUmpan 32 ton/j
PF32 ton/j
No Xin,% Ts,in, C
Fs,ton/h
Tg,in, C
Xin – X out, % Error, %PF PFBM Pilot PFBMPF
12345678910
0.510.510.6151.1750.360.6550.6750.9750.940.51
65657070606570657064
24333633363633302630
115115114113113117115112109109
0.490.490.591.120.340.610.630.930.900.49
0.460.430.531.060.300.570.590.860.820.42
0.430.450.571.080.280.580.600.860.970.45
6.984.447.021.857.141.721.67
05.756.67
13.958.893.513.7021.435.175.008.143.458.89
Validasi hasil prediksi simulasi dengan data operasi rotary dryer pilot.
32
Distribusi ukuran partikel
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
150 180 212 250 300 355 425 500 600
Diameter, D(μ m)
Frak
sima
ssad
iamete
r >D,
MD
Rata-rata ukuran partikel (μ), standard deviation (σ), dan coefficient of variance (CV) dapat dihubungkan dengan parameter model sebagai berikut
βαμ = βασ 5.0= 5.0
1αμ
σ==CV
Plot distribusi ukuran partikel
33
Model matematik proses pengeringan dalam rotary dryer ukuran partikel tidak seragam
Profil kadar air padatan:
Model distribusi ukuran partikel:Rosin-Rammler Gamma Funtion
( )⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−= −
nn
n DDD
DnDp exp1 ( ) ( )
βα
α
αβ
DeDDp−−
Γ=
11
( ) ( ) ( )[ ] ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−−−−== ξφξ
φ1
10 exp1exp1, ee
e
PPP
XzDfX
Profil kadar air rata-rata:
( ) ( )dDDpzDfzX ∫∞
=0
,)(
Dapat dipilih Dmax sehingga kita peroleh
999.0exp1
0
max
≥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−−∫ dD
DDD
Dn n
nD
n
34
Pengaruh distribusi ukuran partikel terhadap profil kandunganair dalam solid pada Rotary Dryer (model Rosin Ramller).
35
Perbandingan modell distribusi Rosin Rammler dan fungsiGamma terhadap profil kandungan air dalam solid pada Rotary
Dryer
36
Kesimpulan dan saran5.1 Kesimpulan
1. Hubungan antara koefisien difusi efektifmoisture di dalam partikel ZA dan suhu adalah
702.218107.9 TxDeff−=
37
2 Penelitian ini memperkenalkan faktor bentuk baru yaitu faktor bentuk berbasis difusi yang didefinisikan sebagai perbandingan antara diameter ekivalen patikel dengan jarak lintasan difusi rata-rata didalam partikel. Faktor bentuk baru ini lebih sesuai untuk dijadikan acuan untuk memperkirakan pengaruh bentuk partikel terhadap laju pengeringan dari pada faktor bentuk Wadell yang berbasis luas spesifik partikel.
3. Persamaan laju pengeringan yang dikembangkan pada penelitian ini adalah:
XDpTHvxRW27484598.1876500958.401772984.0757192736.0121034368.3 −−−=
39
4. Telah dikembangkan model matematik untuk proses pengeringan pupuk ZA didalam rotary dryer dengan dua model yaitu model Plug Flow (model PF) dan model Dispersed Plug Flow atau model Plug Flow dengan Back Mixing (model PFBM) dengan asumsi ukuran partikel seragam. Model ini telah divalidasimenggunakan data operasi rotary dryer skala pilot yang terdapat di PT Petrokimia Gresik. Ternyata model PFBM memberikan prediksi dengan penyimpangan yang lebih kecil ( %) dibandingkan model PF( %)..
40
5. Telah dikembangkan model matematik proses pengeringan pupuk ZA dalam rotary dryer dengan ukuran partikel bervariasi menggunakan model distribusi Rosin-Rammler dan model distribusi Gamma. Penggunaan model Rosin Rammler memberikan prediksi kandungan air dalam padatan keluar dryer yang lebih kecil dari pada penggunaan model distribusi fungsi Gamma.
6. Hasil simulasi menggunakan model Gamma diperoleh bahwa distribusi ukuran partikel tidakberpengaruh terhadap kinerja rotary dryer untuk CV lebih kecil dari 0,5. Sebaliknya untuk CV lebih besar dari 0,5, kenaikan CV meningkatkan kinerja dryer atau menurunkan kadar air dalam padatan yang keluar dari dryer.
41
5.2 SARAN
1. Perlu diteliti lebih lanjut korelasi laju pengeringan dengan memperhitungkan faktor bentuk
2. Dikembangkan model matematik RD dengan memperhitungkan back mixing aliran solid maupun gas, ketidak seragaman ukuran partikel dan variasi kondisi udara pengering di sepanjang RD
42
TERIMA KASIH
43
Lampiran jurnal
1. International Review of Chemical Engineering (Rapid Communications) –Papers
Effect of Particle Shape on the Drying Rate of Solid Particles (IReChE)by Margono, Ali Altway, Susianto, Kuswandi
Accepted January 2010. International journal.
2. Effects of Feed Rate and Residence Time on Environment of RotaryDryer ProcessesMargono, M.Taufik H., Ali Altway, Kuswandi, Susianto
Journal of Applied Sciences in Environmental Sanitation” Volume 4,Number 1, January-April 2009, pp. 11 – 20. International journal.
3. Heat Transfer in a Rotary DryerMargono,Ali Altway, Susianto, Kuswandi
Jurnal Teknik Mesin,Volume 9, Nomor 1, Januari 2009, hal. 69 - 76
Journal Nasional terakreditasi.
44
Pembawa makalah dan publikasi pada prosiding seminar:
1. Margono, Ali Altway, Susianto, Kuswndi,” The Effects of Various Shape and Size and Axial Dispersion of solids Particles on Mass and Heat transfer in a rotary Dryer”, Sriwijaya International Seminar on Energy Science and Technology, Universitas Sriwijaya, Palembang, 5-6 Nopember 2008
2. Margono, Ali Altway, Susianto, Kuswndi,” Mathematical Modeling of Drying Process in Rotary dryer”, Regional Symposium on Chemical Engineering (RSCE),Universitas Gajah Mada, Yogyakarta, 4-5 Desember 2007
3. Margono, Ali Altway, Susianto, Kuswndi, “Mass and Heat Transfer in a Rotary Dryer”, Fundamental dan Aplikasi Teknik Kimia 2008, JurusanTeknik Kimia, ITS, Surabaya, 5 November 2008
4. Margono, Ali Altway, Susianto, Kuswndi“Effect of Distribusi ukuran partikelon Ammonium Sulphate Drying on a Rutary Dryer”, International Symposium on Sustainable Energy & Environmental Protection (ISSEEP}, Gajah Mada University, Dept. of Chemical, Mechanical & Industrial Emgineering, Yogyakarta, November 23 – 26, 2009.
45
5. Margono, Ali Altway, Susianto, Kuswandi,“Drying Rate and Moisture Content of Cylindrical particles of Ammonium sulphate in Rotary dryer”, Seminar Nasional Pengolahan Sumber Daya Alam dan Energy Terbarukan, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, UPN “Veteran” Surabaya, 18 Juni 2008
6. Margono, Ali Altway, Susianto, Kuswandi ,”Eksperimen dan SimulasiKarakteristik Pengeringan Pupuk Ammonium Sulfat”, 1stAPTECS 2009 NATIONAL SEMINAR ON APPLIED TECHNOLOGY, SCIENCE, AND ARTS, Lembaga Pengabdian Pada Masyarakat (LPPM) InstitutTeknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 22 Desember 2009.