SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA PROSES FLUIDISASI UNTUK PELAPISAN KERNEL HTR BERBASIS CFD: VARIASI TINGGI FRUSTRUM DAN KECEPATAN ALIR

R. Sukarsono., dkk.

ISSN 0216 - 3128

35

SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA PROSES FLUIDISASI UNTUK PELAPISAN KERNEL HTR BERBASIS CFD: VARIASI TINGGI FRUSTRUM DAN KECEPATAN ALIR R. Sukarsono1, Deni Swantomo2, Miftah El Fauzi2 1)

Pusat Teknologi Akselerator danProses Bahan - BATAN SekolahTinggi Teknologi Nuklir – BATAN Jl. Babarsari Kotak Pos 6101 YKBB Yogyakarta 55281 Email :[email protected]

2)

ABSTRAK SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA PROSES FLUIDISASI UNTUK PELAPISAN KERNEL HTR BERBASIS CFD: VARIASI TINGGI FRUSTRUM DAN KECEPATAN ALIR. Penelitian simulasi aliran fluida pada proses fluidisasi untuk pelapisan kernel HTR berbasis Computational Fluid Dynamic (CFD) telah dilakukan. Reaktor fluidisasi adalah tempat bereaksinya proses pelapisan kernel bahan bakar HTR. Dengan melakukan variasi kecepatan masuk dan desain model reaktor fluidisasi dapat diperoleh pola aliran yang paling baik untuk pelapisan kernel HTR. Hasil simulasi menunjukkan bahwa model reaktor dengan Ø inlet 5 mm dan tinggi frustum bawah 1,7 cm berdiameter 2 cm dengan kecepatan 128 m/s dan 3 cm dengan kecepatan 64 m/s adalah yang paling baik pola aliran fluidanya. Selanjutnya dilakukan variasi tinggi frustum dari kedua model tersebut sehingga diketahui bahwa model dengan tinggi frustum 2,4 cm mempunyai aliran fluida yang paling baik. Hasil simulasi yang divalidasi menggunakan prototype menunjukkan similaritas yang cukup. Kata kunci : simulasi, CFD, aliran fluida, validasi.

ABSTRACT THE FLUID FLOW SIMULATION OF FLUIDIZATION FOR HTR KERNEL COATING BASED ON CFD: HIGH OF FRUSTRUM AND FLOWRATE VARIATION. The simulation research of HTR kernel coating by fluidization process, high trustrum and flowrate variation, based on CFD has been conducted. Fluidization reactor is the place where HTR kernel coating process occurs. So that by varying the inlet velocity and fluidization reactor model design was expected to gain the best flow pattern for HTR kernel coating. The simulation results showed that the reactor models which had Ø inlet 5 mm, frustum height of 1.7 cm, reactor diameter of both 2 cm with inlet velocity 128 m/s and 3 cm with inlet velocity 64 m/s were the best of fluid flow pattern. Afterwards, both models were varied on frustum height thus the result showed that the models by height frustum of 2.4 cm were the bests. The simulation results were then validated by prototype designed which showed an adequate similarities. Keywords : simulation, CFD, fluid flow, fluidization, kernel, HTR

PENDAHULUAN

R

eaktor High Temperature Reactor (HTR) dioperasikan pada temperatur yang tinggi menggunakan bahan bakar anti meleleh dalam bentuk bola maupun prisma. Pengoperasian HTR disamping menghasilkan listrik juga dihasilkan panas berlebih dalam jumlah yang cukup besar yang dapat dimanfaatkan lebih lanjut untuk proses panas dalam pabrik kimia atau pemanfaatan panas yang lain. Reaktor HTR menggunakan bahan bakar berupa kernel yang diproduksi melalui beberapa tahap, menjadi elemen bahan bakar dengan inti bahan bakar berupa partikel terlapis atau biasa dikenal dengan nama kernel TRISO (Triisotropic). Salah satu tahapan dalam produksi kernel TRISO adalah proses pelapisan kernel UO2 menggunakan metoda chemical vapour deposition (CVD). Proses pelapisan dijalankan pada reaktor fluidisasi

menggunakan aliran fluida berupa gas. Pada proses pelapisan, terjadi deposisi padatan pada permukaan kernel. Perilaku aliran fluida pada fluidized bed menjadi faktor yang sangat penting dalam menentukan keberhasilan pelapisan. Dengan mempelajari dinamika fluida yang terjadi saat proses fluidisasi ini dapat diketahui hubungan antara kondisi operasi proses deposisi dan efektifitas fluidisasi.(1) Proses coating dijalankan pada suhu tinggi sehingga terjadi dekomposisi gas pereaksi dan yang akan terdeposisi pada permukaan. Beberapa tahun belakangan ini telah dikembangkan suatu program untuk analisis perilaku fluida dalam suatu ruang dengan menggunakan kondisi operasi dan batas operasi. Dengan menggunakan modeling tersebut dapat diketahui dinamika fluida baik secara fisik maupun kimia. Salah satu software modeling yang paling

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah - Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2012 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 4 Juli 2012

ISSN 0216 - 3128

36

terkenal adalah CFD (Computational Fluid Dynamics). Simulasi aliran fluida dalam reaktor fluidisasi menggunakan software CFD (Computational Fluid dynamics) dapat diperoleh suatu hasil berupa prediksi dalam bentuk tampilan visual dinamika fluida yang terjadi selama proses pelapisan kernel HTR. Hasil dari modeling menggunakan CFD dapat menambah bahan pertimbangan untuk meningkatkan efisiensi dan efektivitas proses coating.

Pelapisan Fluidisasi

Kernel

dengan

R. Sukarsono., dkk.

kerusakan selama fabrikasi.(2,3) Adapun struktur lapisan bahan bakar TRISO dapat dilihat pada Gambar 1.

Metoda

Reaktor nuklir suhu tinggi atau High temperature Reactor (HTR) adalah reaktor yang beroperasi pada suhu tinggi dan pada masa awal dioperasikan memakai pendingin CO2. Dengan perkembangan ilm pengetahuan, gas pendingin untuk HTR diganti dengan helium. Bahan bakar yang digunakan untuk pembangkitan energi pada HTR adalah kernel UO2 terlapis dengan 4 lapisan yaitu secara berurutan dengan : Pyrocarbon densitas rendah, Pyrocarbon berdensitas tinggi (internal PyC), Silika karbida/zirkonium karbida dan terakhir dengan Pyrocarbon luar (OPyC). Semua proses pelapisan tersebut menggunakan metoda fluidisasi oleh gas.

(a). Rangkaian alat pelapisan

(b). Reaktor fluidisasi Gambar 2. (a) dan (b) Reaktor Fluidisasi

Reaktor Fluidisasi Yogyakarta

Gambar 1. Coated particle-kernel UO2 (TRISO).(4) Pyrocarbon berdensitas rendah (buffer) menyediakan void (ruang kosong) untuk produk fisi gas dan untuk mengakomodasi terjadinya swelling karena reaksi fisi. Lapisan ini juga mengakomodasi perubahan dimensi kernel dan berperan sebagai lapisan penstabil terhadap terjadinya amoeba.(2) Lapisan internal Pyrocarbon melindungi lapisan SiC/ZrC dari reaksi yang dapat merusak bahan bakar dan menahan produk fisi tetap dalam buffer. Pelapis ini membentuk lapisan Impermeable untuk melindungi buffer dan kernel dari masuknya senyawa klorin selama pelapisan SiC/ZrC, dan juga memberikan kekuatan mekanik terhadap partikel. Lapisan SiC berperan sebagai container produk gas atau padat dari reaksi fisi dan memberikan kekerasan struktur dan stabilitas dimensi. Lapisan terakhir OPyC memberikan kekuatan mekanik terhadap SiC/ZrC dan juga sebagai pengungkung terakhir yang melindungi lapisan SiC/ZrC dari

PTAPB-BATAN

Reaktor fluidisasi di Pusat Teknologi Akselerator Proses dan Bahan (PTAPB-BATAN) merupakan reaktor hasil disain sendiri. Reaktor fluidisasi dilengkapi dengan beberapa instrumen penunjang untuk berlangsungnya proses fluidisasi diantaranya: absorber, tabung argon, tabung gas pelapis (asetilen, propilen atau trimetilklorosilan), pompa, penyerap gas dan flare (pembakar gas). Gas yang keluar dari reaktor fluidisasi akan melewati absorber dalam bentuk cair (dipakai air) sehingga gas dapat larut akan terserap, kemudian gas yang masih tersisa dilewatkan ke pembakar gas (flare) untuk dibakar bersama LPG sehingga tidak ada gas berbahaya yang lepas ke lingkungan. Reaktor fluidisasi adalah reaktor sederhana yang berdimensi 3 x 3 x 20 cm3 dengan dua kolom yang terbuat dari alumina dan berbahan pemanas grafit. Panas yang dihasilkan pada reaktor merupakan akibat adanya medan magnet di dalam koil dan menimbulkan arus Eddy pada bahan yang mempunyai sifat magnet yaitu grafit(5). Grafit berfungsi sebagai reactor fluidisasi dengan bentuk silinder dan di bagian nawah berbentuk cone tempat gas pereaksi masuk ke dalam reactor.


R. Sukarsono., dkk.

ISSN 0216 - 3128

Sedang medan magnet terjadi karena adanya arus induksi yang mengalir pada coil dengan kapasitan tertentu. Arus induksi dihasilkan oleh generator arus yang menghasilkan arus bolak-balik dengan tegangan rendah dan arus besar. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.

Computational Fluid Dynamics (CFD) Computational Fluid Dynamics atau bisa disebut CFD merupakan suatu software yang dapat mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, benda-benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dengan struktur dan sistem akustik. Pada dasarnya persamaan-persamaan pada interaksi fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan-persamaan diferensial parsial (PDE = partial differential equation) yang merepresentasikan hukum-hukum konservasi massa, momentum, dan energy.(6) CFD merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga) sehingga sebagai hasil akan didapat data-data, gambargambar visual atau kurva-kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan sistem yang didisain. Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan simulasi CFD, yaitu: preprocessing, solving dan postprocessing. Preprocessing merupakan langkah awal dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat model yang berupa reaktor fluidisasi 2 D dalam paket CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang cocok/sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat-sifat fluidanya. Kedua, solving berguna sebagai solver (pencari solusi) CFD dengan cara menghitung kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing. Ketiga, postprocessing, adalah langkah terakhir dalam analisis CFD, pada langkah ini dilakukan organisasi dan interpretasi data hasil simulasi CFD dalam bentuk gambar, kurva, dan animasi.(7) Secara umum simulasi model reaktor fluidisasi oleh CFD menggunakan model Eulerian yang menganggap bahwa fasa-fasa fluida dapat saling fully interpenetrate.(8)

Fluidisasi Fluidisasi adalah suatu proses pencairan dengan cara mengubah material granular (butiran) dari bentuk padat menjadi bentuk seperti-fluida yang dinamis. Proses ini terjadi ketika fluida (cair atau gas) dilewatkan melalui material granular. Fluidisasi adalah metoda pengontakan butiranbutiran padat dengan fluida baik cair maupun gas. Dalam metoda ini dianggap butiran padat memiliki sifat seperti fluida dengan viskositas tinggi. Fluidisasi sangat dipengaruhi oleh faktor-faktor:

37

1. Laju alir fluida dan jenis fluida 2. Ukuran partikel dan bentuk partikel 3. Jenis dan densitas partikel serta faktor interlock antar partikel 4. Porositas bed 5. Distribusi aliran 6. Distribusi bentuk ukuran fluida 7. Diameter kolom 8. Tinggi bed. Di dalam program CFD, diperlukan masukan yang berupa keadaan batas dan sifat-sifat bahan. Sifat-sifat fisik dan kimia bahan yang akan disimulasikan dapat dilihat pada Tabel 1 berikut: Tabel 1. Sifat-sifat gas dan fasa solid(2,8) Parameter Tinggi bed H0 (cm) 1,0;1,7;2,4 Diameter partikel dp (m) 730 x 10-6 Densitas partikel ρs (kg/m3) 4411 kg/m3 Sphericity partikel ψ (tak berdimensi) 1,1 Media fluidisasi (tak berdimensi) Argon Konduktivitas panas kernel (W/moK) 2,294 Standard state enthalpy kernel 1085 (J/Kgmol) Densitas gas ρgas,in (kg/m3) 1,6228 kg/m3

Gambit GAMBIT merupakan singkatan dari Geometry And Mesh Building Intelligent Toolkit. GAMBIT diproduksi oleh Fluent Inc. salah satu produsen perangkat lunak analisis komputasi fluida dinamik (computational fluid dynamics/CFD). Software GAMBIT merupakan salah satu preprocessor yang didisain untuk membantu membuat model dan melakukan diskritisasi (meshing) pada model untuk analisis CFD.

Fluent FLUENT adalah salah satu jenis program CFD yang menggunakan metode volume hingga. FLUENT menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh (grid) yang tidak terstruktur sekalipun dengan cara yang relatif mudah. Adapun secara keseluruhan proses simulasi menggunakan CFD Fluent disajikan pada Gambar 3 berikut:

Gambar 3. Skema proses pemodelan dengan CFD Fluent menggunakan gambar dari GAMBIT


R. Sukarsono., dkk.

ISSN 0216 - 3128

38

Persamaan-persamaan dasar FLUENT Aliran multifasa yang sarat dengan saling interaksi antara partikel termasuk ke dalam konsep fraksi volume fase, dengan jumlah fraksi volum adalah 1.

∑

n

αq = 1

q =1

(1)

Persamaan kekekalan massa yang disolving oleh FLUENT dapat dihitung dengan menggunakan persamaan navier-stokes untuk partikel yang saling berinteraksi. Persamaan kekekalan untuk fase q adalah: n r ∂ α q ρ q + ∇ α q ρ q vq = m& (2) p =1 pq ∂t

(

) (

) ∑

dengan : α q = fraksi volume

ρ q = densitas partikel r v q = kecepatan fase q m& pq

= transfer massa antar fasa Dan neraca momentum untuk fase q

adalah:

(

r Pada Persamaan (3) gaya R pq tergantung

pada friksi, tekanan, gaya kohesi, dan efek lainnya. FLUENT menggunakan kasus interaksi yang sederhana sebagai berikut: r n n (5) R pq = K pq (v p − v q )

∑

∑

p =1

dengan :

K pq

p =1

=

koefisien

pertukaran

momentum antarfasa

Persamaan-persamaan pertukaran

koefisien

Model Gidaspow yang merupakan model kombinasi antara model Wen dan yu dengan persamaan Ergun digunakan dalam simulasi ini. Untuk konsentrasi partikel rendah ( α g > 0,8), Kgs dihitung sebagai berikut : r r α sα g ρ g v s − v g 3 α g−2,65 K gs = C D 4 ds

(6)

Dan C D adalah

) (

)

≡

r r r ∂ α q ρ q v q + ∇ α q ρ q v q v q = −α q ∇p + ∇ τ ∂t r r r r n r + ( R pq + m& pq v pq ) + α q ρ q ( Fq + Flift ,q + Fvm,q )

∑

λ q = viskositas bulk fasa q

p =1

(3)

CD =

24

α g Rε s

[1 + 0,15(α

g Rε s )

0, 687

]

(7)

Untuk konsentrasi partikel tinggi ( α g ≤

r dengan : Fq = gaya terhadap dinding reaktor r Flift ,q = gaya angkat r Fvm,q = gaya momentum partikel r v pq = kecepatan gelincir antara fasa

0,8), koefisien pertukaran momentum dihitung dengan persamaan Ergun berdasarkan data eksperimen untuk pressure drop lewat jenuh, bed tebal dari partikel monodispersi : r r α s ρ g vs − v g α s (1 − α g ) μ g + 1,75 (8) K gs = 150 ds α g d s2

m& pq = transfer massa dari fase p ke fase q

Pressure Drop

( m& pq > 0) () r R pq = gaya interaksi antara fasa yang bergantung

Pressure drop bed dalam reaktor dapat memberikan indikasi tentang kelakuan bed selama operasi berlangsung, dapat dihitung dengan persamaan:

pada Friksi, tekanan, gaya kohesi dan efek lainnya. p = tekanan terhadap seluruh fasa =

τ = penguat tegangan-regangan =

τ merupakan penguat tegangan-regangan dapat dihitung sebagai berikut: =

r

r

=

τ = α q μ q (∇v pq + ∇v qT ) + α q (λ q − 2 / 3μ q )∇v q l (4) dengan : μ q = viskositas fasa q

ΔP k .μ .s 2 μ gc = L ε3

(11)

dengan : ΔP/L : kehilangan tekanan per satuan panjang atau tinggi ukuran gc : faktor konversi gravitasi µ : viskositas fluida ε : porositas bed yang didefinisikan sebagai perbandingan volume ruang kosong di dalam bed dengan volume bednya


R. Sukarsono., dkk.

ISSN 0216 - 3128

v : kecepatan alir superfisial fluida s : luas permukaan spesifik partikel

Kecepatan minimum fluidisasi (Umf) Kecepatan minimum fluidisasi (Umf) adalah kecepatan saat bed mulai berubah dari keadaan fixed bed menjadi fluidized bed. Oleh karena itu, Umf dapat juga disebut kecepatan kritis

39

fluidisasi. Nilai Umf ini perlu dihitung untuk memverifikasi prediksi menggunakan CFD dengan rumus sebagai berikut [Fu, 2003]: U mf =

d p ρ g (ρ s − ρ g ) g μ {( 33,7 2 + 0,0408 ) d pρg μ2

2

–33.7}

(21)

Gambar 4. Diagram alir pemodelan dan simulasi aliran fluida pada reaktor fluidisasi

TATA KERJA Secara umum metode penelitian yang dilakukan adalah sebagai berikut: Pembuatan gambar geometri reaktor fluidisasi dengan beberapa variasi model 1. Setiap model gambar di-meshing dengan menggunakan pola elemen dan scheme tertentu. 2. Setiap model yang telah di-meshing ditentukan type boundary-nya.

3. Geometri gambar yang telah di-meshing dan ditentukan type boundary-nya kemudian dieksport ke Fluent. 4. Dimasukkan semua sifat fisika dan kimia bahan yang digunakan berdasarkan literatur maupun perhitungan beserta asumsi-asumsi yang dipakai. 5. Simulasi dengan Fluent dilakukan pada kondisi unsteady state berorde satu. 6. Analisis dan pembahasan hasil simulasi Langkah-langkah dalam pelaksanaan penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 4.


ISSN 0216 - 3128

40

Desain reaktor fluidisasi PTAPBBATAN menggunakan GAMBIT Parameter desain geometri model Reaktor seperti tampak pada Gambar 5:

R. Sukarsono., dkk.

menyelesaikan persamaan drag coefficient dan juga mengatur kondisi gravitasi sebesar -9.81 m/s terhadap sumbu Y. Setelah semua tahapan tersebut barulah ditentukan region yang merupakan kernel terfluidisasi dengan cara menentukan input coordinates pada region adaption. Selanjutnya setelah di-patch barulah dilakukan iterasi sampai konvergen. Nilai konvergensi yang digunakan (ditentukan secara default oleh Fluent) adalah 10-3 untuk tiap residual monitor yaitu continuity, uargon, u-kernel, v-argon dan v-kernel dengan storage iteration dan plotting iteration sebesar 1000.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Diameter 2 cm : a 4.2 cm b 1.7 cm c 9.9 cm d 2.4 cm e 5.0 cm f 2.0 cm g 0.5 cm

Diameter 3 cm : a 4.2 cm b 1.7 cm c 9.9 cm d 2.4 cm e 5.0 cm f 3.0 cm g 0.5 cm

Gambar 5. Desain reaktor fluidisasi Batasan-batasan yang ditentukan pada pemodelan reaktor fluidisasi adalah inlet, outlet, dan dinding. Penentuan Boundary Types dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Boundary Types reaktor fluidisasi Nama batasan Type Inlet Velocity inlet Outlet Pressure outlet Dinding Wall

Solving menggunakan Fluent Model yang telah dibuat, di-meshing dan ditentukan boundary types-nya diimpor ke dalam Fluent, model Fluent yang digunakan adalah 2D. Solver Eulerian digunakan sebagai model simulasi. Untuk menghitung efek dari perpindahan panas yang terjadi maka perlu diaktifkan energy equation. Selanjutnya pada penentuan material digunakan argon yang secara default sudah tersedia di Fluent dan aluminium solid yang diganti properties-nya sehingga menjadi kernel UO2. Dilakukan variasi kecepatan tiap diameter. Lalu diambil pola aliran fluida yang paling baik, kemudian dilakukan variasi tinggi frustum reaktor. Wall temperature ditentukan pada suhu 1773 oK dengan tanpa adanya heat generation. Dipakai model Gidaspow untuk

Proses pelapisan kernel menggunakan internal pyrocarbon sebenarnya merupakan proses pelapisan yang menggunakan propilen yang dicampur argon sebagai carrier agent-nya, akan tetapi untuk mempermudah perhitungan dilakukan pendekatan dengan cara mengasumsikan semua zat pelapis adalah argon. Dari perhitungan didapat densitas kernel yang mula-mula (secara teori) 10960 Kg/m3 menjadi 4411 Kg/m3. Nilai ini merupakan pendekatan dengan basis rata-rata sebelum dan sesudah pelapisan karena densitas kernel mula-mula secara teori merupakan nilai densitas kernel setelah dilapisi buffer, pyrocarbon dalam, SiC, dan pyrocarbon luar. Kecepatan yang dipakai sebagai nilai parameter simulasi adalah nilai pada ujung reaktor sedangkan Umf (kecepatan minimum fluidisasi) berdasarkan kecepatan pada reaktor sehingga sebagai pendekatan dipakai azas Bernoulli untuk menyesuaikan kecepatan pada inlet reaktor (ujung reaktor) sehingga kecepatan Umf pada reaktor tercapai. Setelah melakukan solving menggunakan Fluent didapat tampilan hasil simulasi seperti tampak pada Gambar 7 yang menunjukkan pola aliran fluida yang bervariasi sesuai dengan kecepatannya. Berdasarkan kedelapan variasi tersebut dapat diketahui bahwa model reaktor dengan kecepatan 128 m/s (g) memiliki pola aliran fluida yang paling baik. Secara visual simulasi empat dari delapan variasi dapat dilihat pada gambar validasi (1,2,3,4). Tampak bahwa pada kecepatan 32 m/s (e) masih ada sebagian kernel yang jatuh ke bawah dan semakin dinaikkannya kecepatan inlet semakin bagus pola alirannya dan pada kecepatan 256 m/s (h) kernel sudah keluar dari reaktor karena tekanan berlebihan (gambar diambil sebelum semua kernel keluar reaktor fluidisasi).


R. Sukarsono., dkk.

ISSN 0216 - 3128

Gambar 6. Kontur fasa kernel berdasarkan variasi kecepatan aliran argon (inlet velocity) pada reaktor berdiameter 2 cm dengan Ø inlet 5 mm dan tinggi frustum 1,7 cm. Harga a, b, c, d, e, f, g, h berturutturut adalah (m/s) : 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256; serta validasi empat model terakhir 1, 2, 3, 4 berurutan.

Gambar 7. Kontur fasa kernel berdasarkan variasi kecepatan aliran argon (inlet velocity) pada reaktor berdiameter 3 cm dengan Ø inlet 5 mm dan tinggi frustum 1,7 cm serta kecepatan a, b, c, d, e, f, g, h berturut-turut adalah (m/s) : 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512. Sementara itu pola aliran fluida kelompok model reaktor dengan diameter 3 cm menunjukkan pola aliran fluida yang cukup bervariasi berdasarkan peningkatan kecepatan aliran argon seperti tampak pada Gambar 7 bahwa semakin besar kecepatan aliran argon maka semakin besar driving force yang mendesak fluidized bed pada reaktor fluidisasi sehingga terjadi turbulensi antara argon dan kernel. Secara teori ada beberapa gaya dan interaksi yang terjadi selain faktor drag coefficient dan pressure drop selama proses coating kernel HTR, seperti gaya sentrifugal dan kecenderungan kernel dan fluida dalam bereaksi. Akan tetapi, karena penelitian ini bertujuan untuk mengetahui

41

pola aliran fluida pada Reaktor fluidisasi dengan berbagai asumsi maka hal tersebut tidak dimasukkan ke dalam parameter solving dan tentunya tidak dibahas lebih lanjut. Gambar 8 menunjukkan bahwa model yang memiliki aliran fluida yang paling baik adalah model reaktor dengan kecepatan 64 m/s (e). Nilai ini berbeda jauh dibandingkan dengan kelompok model reaktor berdiameter 2 cm yang mempunyai nilai kecepatan ideal lebih kecil, hal ini mungkin terjadi karena interval yang panjang dan gap antara variasi yang jauh sehingga kecepatan 64 m/s pada kelompok model reaktor berdiameter 3 cm sebenarnya adalah batas bawah dari range kecepatan ideal fluidisasi sedangkan pada kelompok model reaktor berdiameter 2 cm merupakan batas atas dari range kecepatan ideal fluidisasi walaupun secara ilmiah belum dipastikan lewat percobaan karena kondisi batas dalam penelitian ini. Selanjutnya, untuk melihat seberapa besar pengaruh geometri reaktor terhadap aliran fluida pada proses fluidisasi dilakukan variasi tinggi frustum seperti tampak pada Gambar 8 yang menunjukkan bahwa semakin tinggi frustum semakin bagus distribusi aliran argon yang masuk ke dalam reaktor fluidisasi. Hal ini menunjukkan bahwa geometri reaktor secara langsung mempengaruhi pola aliran fluida pada Reaktor fluidisasi. Berdasarkan Gambar 8 dapat diketahui bahwa model reaktor dengan tinggi frustum 2,4 cm adalah model yang memiliki pola aliran fluida yang paling baik. Hal ini dapat disimpulkan demikian karena fraksi kernel (tampak merah) terkonsentrasi di tengah-tengah reaktor yang dapat diartikan bahwa terjadi distribusi kernel yang tinggi pada region tersebut. Karena berbagai macam faktor yang menghambat, validasi terhadap model ini tidak dilakukan. Bila dibandingkan dengan variasi frustum kelompok model reaktor dengan diameter 2 cm, hasil variasi frustum dengan reaktor berdiameter 3 cm juga menunjukkan hasil yang sama. Semakin tinggi frustum reaktor fluidisasi semakin baik aliran fluidanya. Hasil ini dapat dibuktikan dengan adanya pola distribusi kernel yang merata (lihat Gambar 8). Gambar 8 menunjukkan bahwa model reaktor dengan tinggi frustum 2,4 cm (c) merupakan model dengan distribusi kernel yang tinggi (kelihatan merata) daripada kedua model lainnya. Fraksi kernel (warna merah pada gambar) pada model ini tampak menyebar di tiga region yang berjauhan sehingga dapat diartikan bahwa terjadi distribusi yang lebih kompleks dan dalam jarak yang relatif jauh dan terkonsentrasi sehingga hal ini memungkinkan proses pelapisan yang optimum.


42

ISSN 0216 - 3128

reaktor yang baik untuk menggunakan metoda CVD.

Gambar 8. Kontur fasa kernel variasi tinggi frustum pada reaktor berdiameter 2 cm Dengan Ø inlet 5 mm dan kecepatan alir argon (inlet velocity) 128 m/s. a, b, c berturut-turut adalah (cm) : 1.0, 1.7, 2.4.

Gambar 9. Kontur fasa kernel variasi tinggi frustum pada reaktor berdiameter 3 cm dengan Ø inlet 5 mm dan kecepatan alir argon (inlet velocity) 64 m/s. Dari kiri ke Kanan (cm) : 1.0, 1.7, 2.4. Aliran fluida yang masuk ke dalam reaktor fluidisasi yang disimulasikan tidak memiliki arus searah yang bergerak lurus ke atas saja. Seperti telah dijelaskan sebelumnya terjadi interaksi antara kedua fasa (kernel-fluida) akibat driving force oleh fluida terhadap tumpukan kernel (fluidized bed) sehingga ada sebagian fluida yang terpental balik dan menyebabkan turbulensi di beberapa region dalam reaktor, seperti tampak pada Gambar 10 yang menunjukkan vector masing-masing fraksi pada kecepatan alir argon 128 m/s. Selain itu juga dapat diketahui bahwa semakin besar diameter reaktor fluidisasi maka semakin kecil driving forcenya yang dibuktikan dengan kecilnya nilai kecepatan argon pada beberapa region dalam reaktor fluidisasi (lihat Gambar 11). Gambar 19 menunjukkan bahwa aliran argon dan kernel menuju ke atas dengan adanya turbulensi begitu juga aliran argon sehingga ada perputaran dan penyebaran yang efektif dalam

R. Sukarsono., dkk.

pelapisan

kernel

Gambar 10. Vektor kecepatan alir argon (a) dan kernel (b) pada reaktor fluidisasi (model reaktor berdiameter 3 cm, tinggi frustum 2,4 cm dan kecepatan inlet 128 m/s).

Gambar 11. Line 1(a) dan line 2 (b)

Gambar 12 Plotting velocity argon vs posisi pada model reaktor 2 cm (a,b) dan 3 cm (c,d) pada line 1 dan 2 dengan absis (0,015-0,035) m dan ordinat berturutturut adalah (m) : 0,05 dan 0,06).


R. Sukarsono., dkk.

ISSN 0216 - 3128

43

untuk model reaktor dengan diameter 3 cm. Hasil percobaan ini juga divalidasi menggunakan prototype yang terbuat dari fiberglass yang menunjukkan similaritas yang cukup.

DAFTAR PUSTAKA 1.

2.

3. Gambar 13. Plotting velocity kernel vs posisi pada model reaktor 2 cm (a,b) dan 3 cm (c,d) pada line 1 dan 2 dengan absis (0,015-0,035) m dan ordinat berturutturut adalah (m) 0,05 dan 0,06). Untuk dapat melihat distribusi kecepatan pada garis radial reaktor dapat dibuat garis (line) pada titik yang akan diamati, misalnya digambarkan line 1 dan line 2 (Gambar 11) Kecepatan argon dan kernel pada garis tersebut dapat dilihat dalam Gambar 12 dan Gambar 13. Gambar 12 menunjukkan bahwa terjadi turbulensi di dalam reaktor yang dibuktikan dengan perbedaan kecepatan yang signifikan terutama pada model reaktor berdiameter 3 cm yang menampilkan selisih kecepatan yang besar antara dua titik yang berdekatan. Pada Gambar 13 dapat dilihat bahwa perbedaan kecepatan antara dua titik yang berdekatan sangat jauh dan hal ini menguatkan pembuktian bahwa terjadi turbulensi yang cukup signifikan di dalam reaktor fluidisasi. Simulasi menggunakan software CFD Fluent ini divalidasi menggunakan prototype yang terbuat dari fiberglass. Validasi menunjukkan parameter hasil yang mirip (similaritas) dengan adanya turbulensi dan pola aliran yang relatif mirip sehingga bisa dikatakan bahwa simulasi aliran fluida pada reaktor fluidisasi mempunyai hasil yang valid.

4. 5. 6. 7. 8.

LOPEZ, E., et al., Fluidized bed chemical vapor deposition of pyrolytic carbon –I, Effect of deposition conditions on microstructure, 2010. CHAROLLAIS, F., FONQUERNIE, S., PERRAIS, C., PEREZ, M., CELLIER, F., HARBONNIER, G., CEA and AREVA R&D on HTR fuel fabrication & presentation of the GAIA experimental manufacturing line, Beijing, China, 2004. ANONYMOUS, Development Plan forAdvanced High Temperature Coated Particle Fuels, General Atomics, Department of Energy General Atomics, USA, 2004. MATZIE, R.A., Overview of HTR Technology, Westinghouse Electric Company LLC, 2006. SUKARSONO, R., Perhitungan fluidisasi pada pelapisan kernel Bahan Bakar Nuklir, PTAPBBATAN, Yogykarta, 2009. ANONYMOUS, Fluent User’s Guide, Centerra Resource Park 10 Cavendish Court, Lebanon, 2006. TUAKIA, F., Dasar-dasar CFD menggunakan FLUENT, Penerbit Informatika, Bandung, 2008. GRYCZKA, O., et al., Characterization and CFD-modeling of the hydrodynamics of a prismatic spouted bed apparatus, Hamburg University of Technology, Germany, 2009.

TANYAJAWAB Bambang Galung S. − Berapa suhu fluidisasiyang digunakan pada tabung gelas yang dipakai? Apakah suhu kamar atau suhu tinggi? − Kalau suhu tinggi sebaiknya digunakan gelas jenis quarth

KESIMPULAN

Sukarsono

Berdasarkan percobaan yang dilakukan dapat diketahui bahwa tinggi frustum Reaktor fluidisasi dan kecepatan alir argon secara langsung mempengaruhi pola aliran fluida pada proses fluidisasi. Diperoleh tinggi frustum ideal adalah 2,4 cm untuk kedua variasi diameter reaktor dan kecepatan alir argon ideal adalah sebesar 128 m/s untuk reaktor dengan diameter 2 cm dan 64 m/s

• Untuk validasi dengan gelas masuk digunakan suhu kamar yang bertujuan untuk membangdingkan hasil hitungan dan fluidisasi sesungguhnya. • Pada penelitian lain akan diusahakan.


ISSN 0216 - 3128

44

R. Sukarsono., dkk.

Tri Mardji A.

Sukarsono

harus digunakan RF − Mengapa untukmembangkitkan arus eddy? − Berapa frekuensi dan daya RF yang digunakan? − Apakah hasil-hasil yang telah diperoleh telah memenuhi kriteria pelapisan kernel untuk HTR?

• Karena suhu yang digunakan sekitar 1500 oC yang tidak bisa digunakan pemanas seperti nikelin • Frekuensiyang digunakan 32 kHz dan input arus listrik maksimal 1,5 kW • Hitungan ini digunakan untukmenentukan kondisi operasi pada pelapisan kernelyang sesungguhnya.


SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA PROSES FLUIDISASI UNTUK PELAPISAN KERNEL HTR BERBASIS CFD: VARIASI TINGGI FRUSTRUM DAN KECEPATAN ALIR

Recommend Documents