The16th Indonesian Scientific Conference 2007 in Japan
Numerical study of gas-particle flow in a parallel cyclone separator M. Ilham Maulana 1), Prihadi Setyo Darmanto2) 1
Syiah Kuala University Bandung Institute of Technology Name of University, Nara, Japan E-mail:
[email protected] 2
Abstract— This paper presents the result of numerical simulation of flow pattern in three parallel cyclones and duct, which used in finish mill system. The resulting pressure and cyclone efficiency are verified by comparing those observed experimentally. Some factors which affect the performance of cyclone were identified. It is shown that the collision between gas stream and wall after running about a circle and particle that entering at different position gave different separation efficiency. The analysis and result of this study will support increasing yield rate of cement product and reduce heaping of product in the outlet duct. The research gave an increase of cyclone efficiency i.e. from 61.5% to 70%. This is significant to increase cyclone product and reduce heaping of material in outlet duct. Category: Applied Sciences/Engineering Keywords: CFD, Cyclone, Collection efficiency, Gas-particle flow
I.
INTRODUCTION
Gas cyclone separator is widely used in industries to separate dust from gas because of its geometrical simplicity, relative economic in power and flexibility. The conventional method for predicting the flow field and the collection efficiency of a cyclone is empirical. Although the empirical methods was success for these duty, some of restriction of this method makes incompletely understanding about the real flow mechanism inside a cyclone. The application of computational fluid dynamic (CFD) for simulation fluid flow in cyclone give us more complete information and yield better prediction that cannot be done easily find by empirical model. In the past decade, application of computational fluid dynamics (CFD) for numerical calculation of gas-solid flow becomes more popular. Theoretical study for predicting the cyclone performance was developed by Stairmand [1] at 1951. This approach had counted the effect of particle size, particle density, gas velocity and kinematics viscosity, as well as of the effects of dimensions and geometry of the cyclone. Stairmand work had examined almost all of practical problem about cyclone application The further study of cyclone parameter was based on experimental approach that was derived by Barth and continued by Muschelknautz. From experimental result by Barth- Muschelknautz we can predict particle size range that can be separated and energy needs as a result of pressure
loss. This calculation method was succeeded to apply in the application of practical industries as reported by AngloSaxon literature [2]. The application of computational fluid dynamics (CFD) software for calculating the cyclone flow in industry was first done by Boysan[3]. An important issue that needs to be addressed for this calculation is the effect of turbulence on the gas flow field. He also found that the standard k-e model is inadequate to simulate flows with swirl because it leads to excessive turbulence viscosities and unrealistic tangential velocities. Recent studies suggest that Reynolds stress model (RSM) [4-7] can increase the accuracy of numerical solution. In this paper we use the RSM model in commercial software package “FLUENT 5.5” to study solid-gas flow in cyclone separator with several modification of cyclone inlet and duct. The effect of inlet and duct modification is examined to find the best modification for increasing cyclone efficiency with minimum pressure lost. Detail of numerical method refer is to FLUENT user ‘s guide [8-9]. II.
PERMODELAN DAN FORMULASI NUMERIK
A.
Data Awal Permodelan Data awal yang diperlukan dalam pemodelan meliputi data kesetimbangan massa, data dimensi siklon, data partikel injeksi dan data fluida yang meliputi laju aliran massa, temperatur kerja dan sifat-sifat (properties). Data utama mengenai kondisi operasi pada siklon separator finish mill pabrik semen, merupakan data riil yang sesuai dengan kondisi operasi di lapangan. Sumber data diperoleh dari data yang ada di control room, hasil pemeriksaan laboratorium dan hasil diskusi dengan penanggung jawab operasi di pabrik. Pada pengukuran kecepatan aliran yang dilakukan di lapangan, alat ukur yang digunakan adalah tabung pitot yang telah dikalibrasi. Pengukuran kecepatan aliran pada saluran menuju fan dilakukan pada beberapa titik pengukuran sepanjang penampang dalam arah melintang sebagaimana ditunjukkan pada Gb. (2). Selanjutnya data hasil pengukuran dirata-ratakan dan dipergunakan sebagai dasar dalam perhitungan debit aliran. Temperatur udara yang mengalir bersirkulasi di dalam sistem separator juga diukur untuk koreksi massa jenis. Data partikel yang diinjeksikan ke dalam siklon diperoleh dari hasil test laboratorium. Pada penelitian yang dilakukan, 243
The16th Indonesian Scientific Conference 2007 in Japan fasa partikel yang masuk dianggap seragam berbentuk bola dan mempunyai distribusi ukuran memenuhi persamaan Rosin Rammler [8]. Distribusi ukuran partikel didekati dengan menggunakan fungsi yang didasarkan atas anggapan bahwa adanya hubungan eksponensial antara diameter yang terpisahkan, D, dan fraksi massa diameter yang terpisahkan MD dengan partikel yang berukuran lebih besar dari D. Persamaan untuk menyatakan fungsi distribusi RosinRammler adalah : n· § (1) M D exp¨¨ §¨ D ·¸ ¸¸ © © D¹ ¹ D merupakan diameter rata-rata partikel yang diperoleh dari kurva D terhadap MD, pada nila D = D sehingga nilai MD = exp (-1) = 0,638. Nilai numerik spread parameter n diperoleh dari persamaan: ln ln M D (2) n ln D D Fluida di asumsikan sebagai udara yang bekerja pada suhu 116 °C, dengan sifat-sifat fluida diperoleh dari tabel properties udara. Data material yang dinnjrksikan ke dalam siklon separator pada simulasi ini diberikan pada Tabel 1
B.
Permodelan Numerik Pemodelan untuk simulasi proses dalam saluran keluar siklon separator dibagi menjadi dua tahapan yang meliputi tahapan di Gambit dan tahapan di Fluent. Gambar 1. menunjukkan domain simulasi yang meliputi tiga buah siklon dan salurannya. Jumlah cell yang dibentuk dalam diskretisasi adalah 61166 buah, sedangkan tipe mesh yang digunakan adalah tipe map (elemen: hexahedral) dan tipe cooper (elemen: hexahedral dan wedge). Pada aplikasi model turbulen, rezim aliran dicirikan dengan gerakan fluida yang tak teratur karena adanya fluktuasi medan kecepatan. Fluktuasi ini mengacaukan besaran-besaran yang diangkut sehingga besaran-besaran tersebut juga berfluktuasi. Pemodelan turbulensi untuk mengkuantifikasi derajat fluktuasi aliran atau turbulensi dalam bentuk besaran tertentu pada analisis ini menggunakan salah satu formulasi yang disediakan oleh FLUENT 5.5 yakni The Full Reynolds Sress Model (RSM). Tabel 1 Data material Tipe Material Fluida : Udara inert-particle: Ash
Properties Densitas (Kg/m3 ) : 0,8984 Viskositas (Kg/m-s) : 2,2528e-5 Densitas (Kg/m3 ) : 2300 Distribusi Rosin-Rammler : 5e-6 Dmin : 120e-6 Dmax : 23,9174e-6 Dmean : 1,06625 Spread Parameter
Gambar 1. Hasil diskretisasi siklon dan saluran eksisting
Reynolds Stess Model meliputi perhitungan dari individual Reynolds streeses u i' u 'j . Persamaan transport untuk individual Reynolds stresses diturunkan dari persamaan-persamaan Navier-Stokes. Persamaan di sisi kanan terdiri dari korelasi kecepatan, korelasi kecepatan regangan, korelasi tegangan regangan. '
wu i' wu j 2 (3) w ijH wx l wx l 3 Bentuk transpor difusi dimodelkan sebagai bentuk tipe gradien difusi sederhana. Bentuk tegangan tekanan adalah: 2v
' p' ª wu i' wu j º « » U « wx j wx i » ¬ ¼ (4) Hª ' ' 2 2 º ª º C3 «u i u j Gijk » C 4 «Pij GijP » k¬ 3 3 ¼ ¬ ¼ C3 dan C4 adalah konstanta tambahan dan P = 0,5 Pkk. Pemodelan RSM membutuhkan tujuh persamaan transpor (yakni enam untuk masing-masing komponen tegangan dan satu untuk H). Persamaan numerik di atas dikembang berdasarkan dimodelkan menurut hukum kekekalan massa dan momentum. Persamaan kontinuitas diformulasikan dari hukum kekekalan massa dan apabila ditulis dalam bentuk diferensial dapat dinyatakan sebagai: wU w Uu i Sm (5) wt wx i Persamaan tersebut dapat diterapkan pada aliran compressible maupun incompressible. Source Sm adalah massa yang ditambahkan ke fase pertama dari fase kedua yang terdispersi. Persamaan kekekalan momentum diformulasikan dengan menerapkan hukum Newton II tentang kesetimbangan gaya pada suatu elemen kecil partikel fluida, dimana tinjauan sifat-sifat fisik fluida pada setiap titik dalam medan aliran memanfaatkan pengabaian setelah suku kedua deret Taylor. Untuk fluida viskos dan incompressible, persamaan kekekalan momentum dalam arah i dapat dituliskan :
Iij {
w Uu i w Uu i u j wt wx j
wP wWij U g i Fi wx j wx j
(6)
dimana tensor tegangan geser Wij dinyatakan :
244
The16th Indonesian Scientific Conference 2007 in Japan § · Wij P¨ wu i wu j ¸ 2 P§¨ wu k ·¸ G i j ¨ ¸ ¨ ¸ © wx j
wx i ¹
3
© wx k ¹
(7)
Suku kedua sisi tegangan viscous normal V i untuk fluida Newtonian adalah : wu (8) Vi 2P i wx i Sedangkan Ugi dan Fi berturut-turut adalah gaya gravitasi dan gaya luar yang dialami fluida hasil interaksi dengan massa fase kedua yang terdispersi di dalamnya. Persamaan tersebut dapat dimanfaatkan untuk mengetahui distribusi kecepatan fluida dalam suatu medan aliran. III.
HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN
Analisis Hasil Simulasi pada kondisi exixting Variable utama yang sangat menentukan dalam menganalisa karakteristik aliran pada siklan meliputi analisa pola aliran, kerugian tekanan dan efisiensi siklon. Analisis pola aliran diwakili oleh vektor kecepatan dan lintasan aliran fluida untuk mengetahui distribusi dan pola kecepatan aerosol yang terjadi. Distribusi dan pola aliran aerosol ini erat kaitannya dengan mekanisme pengendapan material yang umumnya terjadi pada saluran. Kecepatan aliran gas dan padatan di dalam siklon terdiri atas tiga komponen kecepatan, yakni kecepatan aksial, kecepatan radial dan kecepatan tangensial. Gambar 3.4 a, b dan c menunjukkan distribusi ketiga komponen kecepatan tersebut. Distribusi nilai kecepatan aksial pada Gambar 2a memperlihatkan bahwa kecepatan aksial maksimum terjadi pada daerah vortex finder. Pada dinding siklon terdapat nilai kecepatan aksial minimum sama dengan nol. Gambar 2b menunjukkan distribusi kecepatan radial. Kecepatan radial hanya efektif pada sisi saluran masuk dan memiliki nilai yang rendah pada bagian siklon yang lain. Oleh karena itu, kecepatan radial tidak terlalu berpengaruh terhadap kinerja siklon Kecepatan tangensial merupakan komponen kecepatan yang paling besar dan paling mempengaruhi mekanisme kerja dalam siklon separator. Distribusi kecepatan tangensial pada Gambar 2c menunjukkan nilai kecepatan yang besar hanya terjadi pada waktu separuh putaran awal setelah memasuki saluran masuk dan paruh berikutnya kecepatan tangensial terlihat semakin mengecil. Hal ini menyebabkan pemisahan partikel lebih efektif pada separuh putaran awal. Pada putaran berikutnya kecepatan tangensial yang rendah tidak begitu mempengaruhi efek pemisahan Gambar 3 menampilkan lintasan partikel yang dilepaskan dari salah satu volume kecil permukaan saluran masuk siklon (track single particle stream). Partikel berputar mengikuti pola aliran udara yang membentuk pusaran (vortex) menuju bagian bawah siklon. Kecepatan partikel pada saluran masuk siklon sebesar 18 m/s dan berkurang seiring dengan turunnya partikel menuju sisi bawah siklon. Ketika mendekati bagian bawah siklon aliran berbalik arah membentuk vortex dalam menuju outlet siklon sambil membawa sebahagian gas yang belum terpisahkan
(a)
A.
(b)
Keterangan: (a) Kontur kecepatan aksial (b) Kontur kecepatan radial (c) Kontur kecepatan tangansial
(c) (c) Gambar 2. Kontur kecepatan di dalam siklon
Gambar 3 Lintasan partikel di dalam siklon
Dari Gambar 3 juga terlihat fenomena terpisahkannya partikel pada daerah pusaran luar (outer vortex) yang ditandai dengan kecepatan tangensial yang rendah, terutama pada sisi outlet material. Kondisi batas permukaan outlet material siklon didefinisikan lolos (escape) sehingga partikel yang mengenai permukaan tersebut langsung terpisahkan dan mengalir menuju suatu pengumpul debu (dust hopper). Hasil simulasi numerik profil kecepatan pada tiga buah siklon separator yang terpasang parallel dan salurannya diberikan pada Gambar 4 dan Gambar 5. Analisis distribusi dan pola aliran aerosol pada siklon parallel ini sangat penting karena terkait erat dengan hubungan antara pola pemisahan yang terjadi di dalam siklon dan mekanisme pengendapan material di saluran.
245
The16th Indonesian Scientific Conference 2007 in Japan
Gambar 4 Vektor kecepatan dalam siklon separator
ditunjukkan pada hasil simulasi numerik pathline kecepatan udara pada Gambar 6. Pada hasil simulasi ini terlihat bahwa vektor kecepatan dalam siklon dan saluran pada daerah-daerah kecepatan rendah tersebut hanya dilewati sedikit vektor kecepatan dan nilainya mendekati nol. Kenyataan ini membuktikan fenomena terjadinya tumpukan pada saluran sebagaimana yang ditemukan pada kasus di lapangan. Endapan material pada permukaan saluran ini akan mengalami menumpukan sehingga dapat mengakibatkan penurunan debit aliran udara sirkulasi. Turunnya debit aliran udara berarti akan menurunkan pula efisiensi pemisahan siklon dan menyebabkan penurunan kapasitas produksi sistem secara keseluruhan. Selain itu adanya tumpukan menyebabkan terjadinya pencekikan (throttling) pada saluran sehingga menyebabkan naiknya pressure drop pada sistem yang pada akhirnya akan meningkatkan naiknya beban yang harus diatasi oleh fan. Data yang diperoleh dari hasil pengamatan lapangan, menunjukkan adanya penumpukan hingga setinggi 70 cm 80 cm pada daerah yang mempunyai kecepatan aliran rendah. Tabel 2 menunjukkan kondisi kapasitas siklon sebelum dan sesudah adanya tumpukan.
B.
Gambar 5 Kontur kecepatan dalam siklon separator
Gambar 6 Pola aliran fluida pada siklon dan saluran
Pada Gambar 4 dan Gambar 5 terlihat bahwa kecepatan tertinggi sisi masuk berkisar antara 18 sampai dengan 29 m/s. Pola kecepatan yang terjadi pada siklon sejak memasuki sisi saluran masuk sampai sisi pada siklon paralel menunjukkan kecenderungan yang serupa. Ketika campuran udara dan debu tak tersaring keluar melalui saluran keluar pada sisi atas siklon, terjadi pembelokan arah aliran akibat bentuk saluran keluar dan pertemuan ketiga aliran keluar dari masing-masing siklon. Pada kedua gambar juga terlihat bahwa pada beberapa bagian dari saluran terdapat daerah dengan kecepatan yang sangat rendah, yakni setelah keluaran siklon pertama dan kedua. Akibat masih cukup tingginya konsentrasi debu yang terbawa dalam udara keluar siklon, maka akan terjadi tumpukan material halus pada dasar saluran yang memiliki kecepatan rendah tersebut. Fenomena serupa juga
Analisis Hasil Simulasi setelam modifikasi Modifikasi siklon yang dilakukan adalah penyempitan permukaan saluran masuk siklon dengan pemasangan castable plat pada penampang saluran masuk siklon sehingga mengurangi luas penampang dari 0,6 m2 menjadi 0,5 m2. Tiga jenis modifikasi yang dilakukan pada saluran masuk diberikan pada gambar 7. Modifikasi pada saluran dilakukan dengan memasang 2 buah baffle pada saluran setelah keluaran siklon 1 dan 2 dengan kemiringan tertentu. Pemilihan model ini didasarkan pada kriteria efisiensi, rugi tekanan dan tingkat kesulitan proses pengerjaannya di lapangan. Hasil modifikasi ini di uji secara numerik untuk melihat efektifitasnya sebelum dilakukan modifikasi sesungguhnya di lapangan. Hasil simulasi pola kecepatan aliran pada ketiga siklon modifikasi setelah dipasangi baffle 0,5 dan 0,3 meter untuk keseluruhan model modifikasi yang dilakukan ditunjukkan pada Gambar 8 dan Gambar 9. Gambar 8 menunjukkan adanya kenaikan kecepatan maksimum pada saluran masuk siklon yang dilukiskan oleh gradasi warna merah terang pada gambar. Hasil simulasi menunjukkan adanya kenaikan kecepatan pada saluran masuk siklon setelah modifikasi 18 m/s menjadi 34 m/s. Tabel 2 Kecepatan awal dan kapasitas aliran sebelum dan setelah terjadinya tumpukan pada saluran siklon Kondisi
Kec. awal
Material keluar
Udara keluar
Sebelum tumpukan
18.34 m/s
17.1 kg
10 kg
Sesudah tumpukan
6.7
16
8
246
The16th Indonesian Scientific Conference 2007 in Japan Tabel 3 Perbandingan Hasil Karakteristik Operasi setelah modifikasi pada saluran masuk siklon
(a)
(b)
(c)
Karakteristik Efisiensi (Ș, % )
Rugi Tekanan (ǻP, Pa)
Model 1
67
930
Modifikasi inlet tipel a
Model 2
70
891
Modifikasi inlet tipel b
Model 3
62
989
Modifikasi inlet tipel c
Tabel 4 Perbandingan Hasil Karakteristik Operasi setelah modifikasi pada saluran keluar siklon paralel
Gambar 7 Modifikasi saluran masuk siklon
Gambar 8 Vektor kecepatan pada siklan dan saluran modifikasi
Keterangan
Model
Karakteristik
Keterangan
Model
Efisiensi (Ș, % )
Rugi Tekanan (ǻP, Pa)
Model 1
67
930
Baffle 0,5 dan 0,3 m dengan sudut pemasangan 10 º
Model 2
68
937
Baffle 0,5 dan 0,3 m dengan sudut pemasangan 15 º
Model 3
68
932
Dua buah baffle 0,5 dan satu buah baffle 0,3 m dengan sudut pemasangan 10 º
Tabel 3 dan Tabel 4 membuktikan bahwa pengaruh pemasangan baffle tidak banyak pengaruhnya terhadap efisiensi siklon. Fakta ini membuktikan teori siklon bahwa efisiensi sangat tergantung kepada debit aliran masuk siklon, distribusi partikel dan geometri siklon. Sedangkan kondisi saluran setelah outlet siklon tidak lagi berpengaruh terhadap efek pemisahan. IV. CONCLUSIONS
Gambar 9 Pola aliran fluida pada siklon dan saluran modifikasi
Gambar 8 dan Gambar 9 juga menunjukkan terjadi kenaikan kecepatan pada dasar saluran, sehingga kecepatan pada daerah saluran lebih merata dan berkisar antara 10 sampai dengan 20 m/s.Selain itu, setelah dilakukan modifikasi terdapat lintasan aliran udara yang melewati permukaan dasar saluran dengan kecepatan sekitar 14 m/s. Tabel 3 dan table 4 menunjukkan pengaruh metoda penyempitan aliran dan sudut pemasangan buffle pada saluran yang diperoleh dari hasil simulasi numerik.
A two phase CFD method with Reynolds stress model has been used to simulate the turbulent flow in a parallel cyclone. The following conclusions could be drawn based on the present study: i Inlet velocity that entered and collision with the wall after running about cycle is the main reasons that increase particle release from the flow. How to increase the collision is one of the key to design new cyclones with high separation efficiency and low pressure drop i Particle enters the cyclone at different inlet position gives different separation efficiency. Generally, entering particles from the right side of the cyclone inlet has a higher separation efficiency than another part of inlet. In this study, installing the baffle at left side of the inlet is an alternative that selected to increase inlet velocity of the cyclone. i The installing obstacle plate with angle 10 form horizontal line in the zone when the velocity is lowest produced the minimum pressure loss than the larger
247
The16th Indonesian Scientific Conference 2007 in Japan
i
angle. These angles didn’t give a significant effect to the separation efficiency. The simulation result shows that combination of inlet and duct produces an optimum result to the separation efficiency and pressure drop in the cyclone. ACKNOWLEDGMENT
The work carried out in Bandung Institute of Technology and was supported by Indonesian Cement and Concrete Institute. The authors are grateful for all of ICCI member for all of support. REFERENCES [1] Stairmand, J.C., The Design and Performance of Cyclone Separator, Trans. Inst. Chemical Engineering Vol. 29, 1951. [2] Burkholtz, A., Droplet Separation, VCH VmbH, 1989 [3] F. Boysan, W.H. Ayer, J.A. Swithennbank, Fundamental mathematical-modelling approach to cyclone design, Trans. Inst. Chem. Eng. 60(4), 1982 [4] A.J. Hoekstra, J.J. Derksen, H.E.A. Van Den Akker, An experimental and numerical study of turbulrnt swirling flow an gas cyclones, Chem. Eng. Sci. 54, 1999 [5] K. Pant. C.T. Crowe, P. Irving, On design of miniature cyclone for the collection of bioaerosols, Powder Technol. (125), 2002 [6] B. Wang, D.L. Xu, K.W. Chu, A.B. Yu, Numerical study of gas-solid flow in a cyclone separator, Applied Math. Modelling (30), 2006 [7] M. Ilham Maulana. Prihadi Setyo, D., Development of cyclone separators performance in cement industries, Regional Seminar on Computational Mechanics and Numerical Analysis Proceeding, Syiah Kuala University, 2004 [8] Fluent Incorporate, Fluent/UNS & Rampant 4.2, User’s
Guide, Volume I, 2, 3 dan 4, Fluent Inc., Lebanon, 1998 [9] Fluent Incorporated, Gambit, Modelling Guide, Fluent
Inc., Lebanon, 1998.
248
