Pengaruh Rancang Bangun Hydrocyclones 3j3g23

PENGARUH RANCANG BANGUN HYDROCYCLONE TERHADAP PERFORMA PEMISAHAN PARTIKEL PENGOTOR DALAM CAMPURAN Agil Yudawan, Sudarwanto, Raswan Rudiadi, Ignatius Andriyanto. Universitas Mercubuana, Jakarta 2013.

Abstrak Hydrocyclones digunakan dalam banyak tugas dan berbagai flowsheets pengolahan mineral. Ada berbagai macam ukuran, gaya dan alat kelengkapan untuk memenuhi perbandingan rancangan dari hydrocyclone, fokus dari makalah ini adalah analisa ukuran dan bentuk hydrocyclone untuk aplikasi tertentu. Penjelasan umum tentang bagaimana bekerja ahydrocyclone disertakan untuk memberikan latar belakang pembahasan variabel geometri proses andhydrocyclone. Mekanisme untuk memilih hydrocyclone untuk penggunaannya mencakup perhitungan berbagai macam gaya yang mempengaruhi laju aliran dari pemisah partikel ini. Pemilihan desain sangat penting untuk proyek-proyek baru dan pemeliharaan hydrocyclone dan pertimbangan bahan areidentified, sehingga memudahkan pengguna dalam memilih ukuran desain yang sesuai dengan kebutuhan.

Pendahuluan Hydrocyclone adalah perangkat untuk mengklasifikasikan atau memisahkan partikel dalam suspensi cair berdasarkan pada kepadatan atau ukuran partikel. Hydrocyclones banyak digunakan dalam industri, terutama dalam pengolahan mineral dan kimia, karena kesederhanaan mereka dalam desain, kapasitas tinggi, pemeliharaan rendah dan biaya operasional, dan ukuran fisik kecil (Bradley, 1965). Hydrocyclones terdiri dari bagian berbentuk kerucut, yang melekat pada sebuah silinder dengan pembukaan tangensial untuk suspensi pemasukan. Bagian atas dari hydrocyclone memiliki tabung keluar untuk bahan dilusian (overflow) dan di bagian bawah, ada lubang untuk pembuangan substansi cair (underflow). cairan dipompa oleh sebuah tabung di dalam hydrocyclone, dan digerakkan oleh rotasi ke bawah, kemudian keluar melalui lubang buang. Ketika pembukaan lubang buang ukuran pada lubang ini relatif kecil, sehingga hanya cairan dapat keluar, dan menahan partikel yang lebih besar. Cairan menyebabkan

pusaran ke bawah yang lolos melalui tabung dimana ada suspensi diencerkan, bersama dengan partikel halus (Flintoff, 1987). Mayoritas suspensi daun ( patikel halus) hydrocyclone melalui tabung pengenceran. Gambar 1 menunjukkan lintasan cairan.

Gambar 1. Visual dari fungsi hydrocyclone (Allen, 1990).

Pemisahan sentrifugal telah diterapkan untuk memisahkan partikel halus di berbagai bidang seperti pasokan air dan air limbah rekayasa, pengolahan mineral, teknik kimia dan kilang batubara. Meskipun perangkat digunakan berbeda dari satu bidang ke bidang lainnya, percepatan sentrifugal digunakan untuk pemisahan partikel di semua perangkat. Sebuah aliran kecepatan tinggi bergerak tangensial ke dalam tubuh kerucut yang memiliki lubang di pusat dari kedua ujungnya. Hal ini menimbulkan pusaran air kecepatan tinggi atau disebut vortex, dengan vortex paksa terbentuk dekat pusat dan vortex bebas terbentuk di luar daerah menuju pinggiran. Sebagai hasilnya, gradien konsentrasi sedimen menumpuk di pusaran dan fluks difusif proporsional namun berlawanan dengan fluks sentrifugal diinduksi (Julien, 1986). Meskipun efisiensi removal yang sangat baik, hydrocyclones sering dikritik karena mereka membutuhkan sejumlah besar energi untuk memproses aliran. Selain itu, ide yang tersedia untuk tujuan semacam itu sering mengalami keterbatasan dalam banyak proyek air. Arus pendek aliran dekat dengan saluran inlet mengakibatkan air langsung melewati partikel kasar dan mengakibatkan air langsung meluap, belum kritik lain. Kerugian energi yang signifikan terjadi dalam hydrocyclone telah diamati dekat inlet dan outlet (Boadway, 1984). Selama beberapa tahun terakhir telah ada kemajuan yang signifikan dalam teknik untuk mensimulasikan aliran mampat. Namun, simulasi numerik aliran dalam hidrocyclones masih belum digunakan untuk merancang tujuan. salah satu alasannya adalah kurangnya

kemampuan keluarnya metode untuk menerima geometri yang kompleks secara terpadu. Filosofi yang mendasari pekerjaan ini adalah untuk menghindari pengenalan tentang teknik numerik, yang akan membatasi fleksibilitas geometris. Metode volume Afinite tidak cocok untuk menangani jerat terstruktur, yang diperlukan untuk geometri pemodelan inlet hydrocyclones. Perlu ditekankan bahwa mayoritas algoritma numerik terutama terbatas pada kasus axi-simetris dan, untuk kasus seperti teknik volume terbatas perlu diterapkan (Dyakowski, dan Williams. 1993). Berdasarkan permasalahan – permasalahan diatas penulis ingin meneliti pengaruh rancang bangun hydrocyclone terhadap perfoma pemisahan partikel pengotor dalam campuran.

Dasar Teori A. Pengertian Hydrocyclone Pada dasarnya hydrocyclone merupakan gabungan dari dua kata yaitu hydro dan cyclone. Hydro dapat diartikan air ataupun cairan, sedangkan cyclone dapat diartikan sebagai pusaran. Sehingga hydrocyclone diartikan sebagai pusaran air. Dalam penggunaanya secara nyata hydrocyclone dapat diartikan sebagai suatu alat yang dapat memisahkan material ataupun partikel dari suatu komposisi campuran baik berbentuk padatan dengan cairan ataupun cairan dengan cairan. (Bradley, 1965).

B. Bagian-bagian dari Hydrocyclone Secara umum bagian-bagian dari Hydrocyclone dapat dilihat dari gambar berikut :

Gambar 7. Bagian Hydrocyclone (Allen,1990) 1) Lubang masuk (Inlet area) Ada beberapa tipe dari lubang masuk (Inlet area), yaitu : lubang masuk tipe involute, lubang masuk tipe ramp dan lubang masuk tipe scroll. Berbagai tipe tersebut dimaksudkan untuk lebih memaksimalkan kinerja dari Hydrocyclone. Dengan konstruksi lubang masuk dengan tipe involute, lubang masuk tipe ramp dan lubang masuk tipe scroll dapat mengurangi efek dari turbulensi yang terjadi disekitar dinding lubang masuk dan daerah antara lubang masuk dengan cylinder section.

2) Cylindrical section Pada dasarnya diameter dari cylindrical section memilki diameter sebesar diameter dari Hydrocyclone . Konstruksi dari cylindrical section yang panjang dimaksudkan untuk memperbesar kapasitas dan juga mengurangi dari kecepatan tangensial. Besar kecilnya dari konstruksi dari cylindrical section dapat mempengaruhi besarnya tekanan.

Gambar 8. Cylindrical section (Allen,1990)

3) Vortex finder

Pada umumnya besar dari vortex finder 20 - 45 % dari diameter Hydrocyclone. Besar dari vortex finder dapat kualitas pemisahan yang dihisap. 4) Cone section Besar sudut pada cone section didasarkan pada jenis pemakaiannya. Pada cone section besudut 20° merupakan standar pemakaian pada industri pertambangan mineral. Sedangkan untuk Hydrocyclone yang memiliki bagian bawah datar diperuntukan untuk pemisahan material-material berstruktur kasar.

Gambar 9. Beberapa tipe dari cone section (Allen,1990)

C. Prinsip kerja Hydrocyclone.

Hydrocyclones terdiri dari bagian berbentuk kerucut, yang melekat pada sebuah silinder dengan pembukaan tangensial untuk suspensi pemasukan. Bagian atas dari hydrocyclone memiliki tabung keluar untuk bahan dilusian (overflow) dan di bagian bawah, ada lubang di mana substansi terkonsentrasi daun dikeluarkan (underflow). Prinsip kerja dari hydrocyclone adalah terdapatnya kumpulan partikel dan air yang masuk dalam arah tangensial ke dalam siklon pada bagian puncaknya. Kumpulan air dan partikel ditekan ke bawah secara spiral (primary vortex) karena bentuk dari siklon. Gaya sentrifugal menyebabkan partikel terlempar ke arah luar, membentur dinding dan kemudian bergerak turun ke dasar hydrocyclone. Dekat dengan bagian dasar hydrocyclone, air bergerak membalik dan bergerak ke atas dalam bentuk spiral yang lebih kecil (secondary vortex) partikel yang lebih ringan bergerak keluar dari bagian puncak hydrocyclone sedangkan partikel yang berat keluar dari dasar hydrocyclone (Julien, 1986).

Gambar 2. Prinsip kerja hydrocyclone (Allen, 1990).

Ada beberapa alasan mengapa hydrocyclone dipakai sebagai alat pemisah, yaitu: 1. Biaya operaional yang relatif murah 2. Prosesnya dapat dilakukan pada satu tempat 3. Desain ataupun modelnya sederhana, berupa kombinasi konstruksi silinder dan kerucut 4. Tidak memiliki bagian yang bergerak 5. Minim biaya perawatan

D. Gaya yang bekerja pada Hydrocyclone 1. Kapasitas Aliran dan kecepatan aliran Proses pemisahan partikel dalam Hydrocyclone sangat dipengaruhi oleh sumber energi masukan yang dimiliki oleh fluida yaitu Kapasitas aliran dan kecepatan aliran. Kapasitas aliran masuk pada saluran inlet dapat dihitung dengan persamaan: Q= A.v

........(1.1)

dimana: Q = kapasitas aliran (kg/s) v = kecepatan aliran pada saluran inlet (m/s) A = luas penampang saluran inlet (m2) Dimana kecepatan aliran dapat diperoleh dari : v= d= diameter pipa inlet (m)

........(1.2)

Sedangkan laju aliran massa dapat ditentukan dari: m= ρ = massa jenis partikel (kg/

........(1.3)

)

2. Kecepatan tangensial atau vortex ( ) Vortex adalah massa fluida yang partikel-partikelnya bergerak berputar dengan garis arus (streamline) bergerak membentuk lingkaran-lingkaran sepusat (konsentris). Kecepatan tangensial dapat dihitung dengan persamaan: v=ω/r

........(2.1)

dimana : v = kecepatan tangensial (m/s) ω : kecepatan sudut r : Jari-jari hydrocyclone (m)

3. Gaya Sentrifugal Karena Hydrocyclone bekerja berdasarkan gaya senrtifugal yang di timbulkan oleh aliran air yang membentuk pusaran (vortex). Maka gaya sentrifugal ini akan menyebabkan partikel dengan massa jenis berat terlempar ke sisi paling luar daripada dinding hydrocyclone dan partikel yang lebih ringan akan berada dipusat hydrocyclone. Dalam hal ini akan dicontohkan dalam pemisahan inti kelapa sawit yang lebih ringan dengan cangkangnya yang lebih berat pada industri kelapa sawit.

Gambar 3. Proses Pemisahan dalam hydrocyclone Gaya sentrifugal yang terjadi (Coulson,1986): Fc = m.r. Dimana : Fc : Gaya sentrifugal

........(3.1)

m : Massa partikel yang mengalami gaya sentrifugal ω : kecepatan sudut r : Jari-jari hydrocyclone ω=

jika :

.........(3.2)

v = kecepatan tangensial (m/s) Jika kecepatan rotasi dinyatakan dalam N rpm: ω=

..........(3.3)

Perbandingan gaya gravitasi dan gaya sentrifugal (Coulson,1986): Gaya gravitasi:

Perbandingan:

Fg = m.g

=

= (

...........(3.4)

) = 0,001118 r

= 0,001118 r Maka gaya sentrifugal yang di alami oleh inti adalah : Fc1 = m1.r1. dimana :Fc = gaya sentrifugal yang dialami oleh inti m = massa dari inti (kg) ω = jarak terlemparnya inti dari pusat pusaran r = jari-jari hydrocyclone (m) Dan gaya yang dialami oleh cangkang adalah : Fc2 = m2.r2. dimana :Fc = gaya sentrifugal yang dialami oleh cangkang m= massa dari cangkang (kg) ω = jarak terlemparnya cangkang dari pusat pusaran r = jari-jari hydrocyclone (m) Metodologi Penelitian

I.

Lingkup penelitian

Untuk menghindari penyimpangan pembahasan, maka penulis memberikan batasan atau ruang lingkup penelitian mengenai perbandingan desain hydrocyclonetype standar dan modern yang memberikan pengaruh terhadap kinerja pemisahan partikel pada hydrocyclone. Faktor yang membedakan hydrocyclone type standar dan modern antara lain adalah luas penampang hydrocyclone , besar sudut kerucut dan tinggi kerucut .

II.

Desain Penelitian Menurut metode yang digunakan, penelitian ini merupakan penelitian survei. Penelitian survei pada umumnya dilakukan untuk mengambil suatu generalisasi dari pengamatan yang tidak mendalam Desain dalam penelitian ini adalah menggunakan kajian pustaka , yaitu suatu teknik pengumpulan data yang bertujuan untuk memperoleh keterangan lebih lanjut dengan menggunakan kajian pustaka sebagai alat pengumpul data yang utama.

III.

Teknik Pengumpulan Data Teknik pengumpulan data dalam penelitian ini menggunakan kajian pustaka dari beberapa jurnal ilmiah yang digunakan sebagai dasar penelitian.

IV.

Sumber Pengumpulan Data a) Data Primer Dari hasil perhitungan peneliti terhadap beberapa objek yang diteliti b) Data Sekunder Dari kajian beberapa sumber yang berasal dari jurnal-jurnal internasional mengenai hydrocyclone

Analisis Data

i.

Batasan Penelitian Yang dimaksud dengan hydrocyclone type standar adalah hydrocyclone yang memiliki perbandingan ukuran penampang hydroclone, lubang masukan , vortex finder dan panjang penampang kerucut yang mempengaruhi kecepatan putar sebuah hydrocyclone.



Batasan utama dalam desain sebuah hydrocyclone adalah diameter penampang hydrocyclone yang menjadi awal mula pembentukan pusaran larutan yang akan dipisahkan.



Batasan lain yang digunakan dalam sebuah desain hydrocyclone adalah luas penampang lubang masukan yang letaknya sejajar mengelilingi sumbu hydrocyclone yang besarnya 0,005 kali dari luas penampang hydrocyclone .



Batasan berikutnya adalah vortex finder yang fungsinya adalah mengatur alur pembuangan partikel halus dalam proses pemisahan dan selain itu juga mencegah terjadinya larutan campuran yang baru masuk untuk bercampur partikel halus yang telah dipisahkan. Ukuran vortex finder adalah 0,35 kali dari luas penampang hydrocyclone.



Penampang silindris merupakan ukuran dasar selanjutnya yang digunakan sebagai sebuah batasan dimana penampang silindris ini membantu dalam memperpanjang waktu pemisahan sehingga dapat terbentuk pusaran air dengan kecepatan sentrifugal yang cepat untuk memisahkan partikel sebelum larutan keluar dari hydrocylone. Panjang dari penampang silindris ini adalah sama dengan besarnya diameter penampang hydrocyclone itu sendiri.



Penampang selanjutnya adalah penampang kerucut yang letaknya dibawah dari penampang silindris. Besarnya sudut yang disarankan adalah 10-20o fungsinya adadalah memperpanjang waktu yerbentuknya pusaran.



Bagian yang terletak paling bawah adalah lubang pembuangan yang berfungsi sebagai tempat keluarnya partikel yang lebih besar. Ukuran yang disarankan adalah 10% -35 % dari ukuran diameter hydrocyclone.

Dalam menentukan ukuran hydrocyclone sesuai fungsi yang diinginkan maka ada dua objektif yang harus ditentukan , yaitu kemampuan pemisahan partikel dan daya tampung dari hydrocyclone itu sendiri. Dalam hal ini harus ditentukan kondisi dasar dalam perhitungan sebuah hydrocyclone yaitu : 1. Masukan berupa larutan dengan suhu rata-rata 20o 2. Masukan berupa padatan dengan ukuran 2,65 sp.gr 3. Pressure drop kurang dari 10 psi Secara historis, klasifikasi telah didefinisikan sebagai ukuran partikel yang 1% menjadi 3% laporan kepada melimpah siklon dengan partikel kasar pelaporan kepada topan

underflow. Penyelidikan baru-baru memiliki didefinisikan sebagai klasifikasi ukuran partikel yang 50% laporan meluap dan 50% ke underflow, atau titik yang disebut D50C. menunjukkan hubungan yang khas antara diameter partikel dan persen pulih underflow. Bagian dari kurva dekat tingkat pemulihan 50% cukup curam dan cocok mudah untuk menentukan diameter partikel yang akurat. Pemeriksaan dari kurva pemulihan dekat 97% hingga 99% tingkat pemulihan menunjukkan bahwa kurva hampir horisontal dan diferensial kecil bisa mengubah diameter mikron jauh. [Catatan: Ukuran partikel ditampilkan pada Gambar 3 dan juga digunakan untuk perhitungan dalam makalah ini didefinisikan sebagai diameter partikel minimum dari sebuah band ukuran tertentu. Misalnya, partikel yang melewati layar mesh 150 (105 mikron) tetapi dipertahankan pada 200 mesh Layar (74 mikron) akan benar-benar memiliki diameter antara 74 dan 105 mikron mikron. Untuk makalah ini, ukuran 74 mikron akan digunakan untuk partikel dalam berbagai ukuran. Gambar 3 juga menunjukkan bahwa sebenarnya kurva pemulihan tidak menurun di bawah tertentu tingkat. Hal ini menunjukkan bahwa tertentu jumlah bahan selalu pulih endonan dan byes klasifikasi. Jika perbandingan dibuat antara pemulihan minimal tingkat padatan ke Cairan yang pulih, mereka ditemukan untuk menjadi sama. Oleh karena itu diasumsikan bahwa persen dari semua fraksi ukuran bertanggung jawab langsung kepada endonan sebagai padatan dilewati sama sebanding dengan perpecahan cair. Kemudian ukuran masing-masing sebagian kecil dari kurva pemulihan yang sebenarnya adalah disesuaikan dengan jumlah yang sama dengan cairan recovery untuk menghasilkan "pemulihan dikoreksi" kurva yang ditunjukkan pada Gambar 3. Sebagai perubahan titik D50C dari satu aplikasi ke aplikasi lainnya, kurva pemulihan bergeser, sepanjang sumbu horisontal. Agar menentukan grafik tunggal yang mewakili kurva pemulihan dikoreksi, partikel Ukuran masing-masing fraksi ukuran dibagi oleh D50C nilai dan "pemulihan berkurang" kurva dapat diplot, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Penyelidikan telah menunjukkan bahwa kurva ini tetap konstan selama berbagai siklon diameter dan kondisi operasi bila diterapkan pada bubur yang mengandung padatan berat jenis tunggal dan khas atau ukuran normal distribusi seperti yang ditemui dalam sirkuit grinding kebanyakan. Persamaan 1 memberikan matematika hubungan yang dapat digunakan untuk menghitung pemulihan berkurang. Ini pemulihan, bersama dengan padatan dilewati, digunakan untuk memprediksi distribusi ukuran lengkap untuk underflow produk.

Dalam sirkuit kominusi merancang Tujuan adalah untuk menghasilkan limpahan dari siklon yang memiliki distribusi ukuran tertentu, biasanya didefinisikan sebagai persen diberikan lewat ukuran yang ditentukan mikron. Empiris Hubungan ditunjukkan pada Tabel 1 digunakan untuk berhubungan distribusi ukuran meluap ke D50C diperlukan untuk menghasilkan ditentukan pemisahan. Hubungan tabel ini adalah untuk ukuran grinding khas atau rata-rata distribusi dan mungkin sedikit berbeda tergantung pada karakteristik grinding dari bijih itu sendiri. Pemisahan siklon dapat mencapai dapat didekati dengan menggunakan Persamaan 2. Itu D50C (base) untuk siklon diameter diberikan dikalikan kali serangkaian faktor koreksi ditunjuk oleh C1, C2, dan C3. (Persamaan 2) D50C (aplikasi) = D50C (basa) xC1xC2xC3

Diameter hydrocyclone, bersama dengan tiga koreksi padatan persen, penurunan tekanan, dan berat jenis, adalah variabel utama diperlukan untuk ukuran awal dan pemilihan siklon. Variabel-variabel lain, seperti sebagai ukuran vortex finder dan inlet, juga memiliki efek pada pemisahan. Misalnya, lebih besar pusaran vortex finder akan cenderung mengasarkan pemisahan, sedangkan yang lebih kecil Ukuran akan cenderung mencapai lebih

halus pemisahan. Karena fakta ini, sebagian besar siklon memiliki finder vortex diganti dengan yang berbeda ukuran yang tersedia. Vortex finder diameter bervariasi dari minimal sekitar 25% dari diameter cyclone untuk maksimal dari sekitar 45%. Daerah inlet juga menunjukkan Efek yang sama sebagai finder vortex, tapi diabaikan. Ukuran puncak juga memiliki efek pada Pemisahan tetapi efeknya kecil kecuali ukuran puncak terlalu kecil dan menjadi kendala fisik,larutan masuk dengan sulit dan kemudian meluap. Waktu terjadinya pusaran atau vortex juga mempengaruhi performa pemisahan karena jika efek putaran terjadi cukup lama maka akan semakin bagus pemisahan partikel dalam larutan. Efek putaran ini dapat dicapai dengan merubah panjang penampang silinder hydrocyclone ataupun panjang dari penampang kerucut hydrocyclone.

Kesimpulan Kinerja pemisahan dari sebuah hydrocyclone sangat dipengaruhi oleh perubahan ukuran dari penampang bagian hydrocyclone tersebut , dengan kata lain perubahan ukuran sedikit saja akan berpengaruh banyak pada kinerja hydrocyclone . Sehingga dapat diambil kesimpulan semakin mengecil dan memanjangnya penampang hydrocyclone akan membantu pembentukan vortex atau efek pusaran yang lebih kuat sehingga akan membuat kinerja pemisahan lebih baik lagi, walaupun besarnya debit air dan kecepatan aliran zat cair relatif sama.

Saran Apabila ingin menggunakan hydrocyclone sebagai alat pemisah partikel sebaiknya disesuaikan dengan besar partikel yang ingin dipisahkan sehingga dapat dibuat ukuran hydrocyclone yang sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan dan dapat dihasilkan performa yang bagus. Daftar Pustaka 1. Arterburn, R.A., 1976, “The Sizing of Hydrocyclones, Krebs Engineers, Menlo Park, CA. 2. Bradley, D. 1965, The Hydrocyclone, Pergamon Press, Oxford.

3. Chen, W., N. Zydek and F. Parma, (2000). Evaluation of hydrocyclone models for practical applications, Chemical Engineering Journal, 80, pp. 295-303. 4. Finch, J.A. and R.R. Plitt, (1975). Introduction toModelling the Comminution Circuit and Analysing the Concentrator Circuit, Ch. II Modelling the Classifier, In: Professional Development Seminars in Mineral Engineering, McGill Univ., Nov.Dec. pp. II 5. Heiskanen, K. & Vesanto, A., A New type of Hydrocyclone for Fine Separation. &th European Symposium in Communition, Preprints, Part 2,( June 1990) 6. Hill, L.N., “Installation of 0.84 M (33 IN) Cyclones on the Primary Grinding Circuit at Cyprus Sierrita Corporation”, SME Annual Meeting, February 14-17, 1994 7. Lynch, A.J. & Rao, TC.,Modelling and Scale-up of hydrocyclones Classifiers.. !!th. Int. Min. Proc. Congress, Cagliari, (1975). 8. Plitt, L.R., 1976, “A Mathematical Model of the Hydrocyclone Classifier,” CIM Bull. 69, 114