Tugas Besar Fuad Abrar

Sinopsis

Pada tugas besar ini dilakukan simulasi aliran multifasa, yaitu pada fasa gas-solid. Simulasi aliran gas-solid dilakukan pada Circumfluent Cyclone Separator.

Numerous studies have shown that many factors can affect the separation performance of separators. The separation performance improvement could be achieved by optimizing cyclone structural or dimensions, or by a new structure design.

circumfluent cyclone (CFC) has been developed, which has two differences in configuration compared with a conventional cyclone: (1) a concentric internal cylinder is installed in the main cylinder, and (2) the inlet duct is located at the bottom of the shell in the CFC rather than at the upper section in the conventional one.

Pada tugas besar ini dilakukan simulasi aliran pada CFC untuk mengetahui efek geometri terhadap medan aliran yang terjadi di dalam CFC.

Introduction

Melalui cyclone separator dapat dilakukan pemisahan partikel solid yang terdispersi di dalam suatu aliran fluida. Dengan kemampuan ini cyclone separator telah banyak digunakan oleh industri. Cyclone separator bekerja dengan memanfaatkan gaya sentrifugal dan vortex. Pada cyclone separator collection efficiency dan pressure losses merupaka karakteristik utama untuk mengetahui performa dari cyclone separator.

Beberapa studi menunjukkan terdapat banyak faktor yang dapat mempengaruhi performa dari separator. Di antaranya struktur geometri dan dimensi dari cyclone separator, ukuran dan distribusi partikel. Gimbum et al. (2005) and Chuah et al. (2006) mengevaluasi efek dari cone tip diameter terhadap collection efficiency dan pressure drop dari gas cyclone. efek dari tpe inlet terhadap karakteristik performa cyclone separator telah diinvestigasi, termasuk single dan double inlets (Lim et al., 2003; Zhao et al.,2004), tangential inlet dan spiral inlets (Zhao et al., 2004), dimensi inlet (Yang et al., 2013).

Studi ini menunjukkan baik dimensi dan bentuk dari cyclone separator dapat mempengaruhi performa separasi. Dengan kata lain performa separasi cyclone separator dapat ditingkatkan dengan mengoptimasi dimensi atau struktur dari cyclone separator, atau dengan desain struktur yang baru dari cyclone separator.

Dari konsep ini Zhang et al. (2019) membuat sebuah desain baru dari cyclone separator yang dinamakan circumfluent cyclone (CFC). Dimana memiliki dua perbedaan konfigurasi dibandingkan dengan cyclone konvensional: (1) Sebuah concentric internal cylinder diinstal di dalam cylinder utama, dan (2) Inlet duct ditempatkan pada bagian bawah shell CFC, sementara pada cyclone konvensional ditempatkan di bagian atas.

Fig 1. Perbandingan konfigurasi CFC dan konvensional cyclone (DIII-type). (a) CFC; (b) DIII-type cyclone. 1. Vortex finder; 2. gap space; 3. inner chamber; 4. annular chamber; 5. conechamber; 6. dust hopper.

Simulasi numerik telah digunakan secara luas untuk memprediksi karakteristik medan aliran di dalam cyclone. Kunci suksesnya simulasi numerik terletak pada ketepatan pendeskripsian turbulence behaviour dari suatu aliran. Reynold Stress Model (RSM) dan Large Eddy Simulation (LES) merupakan turbulence model yang efektif untuk mensimulasikan aliran vortex di dalam cyclone.

Pada studi ini dilakukan simulasi numerik untuk mengetahui efek dimensi dari struktur circumfluent cyclone (CFC) terhadap pressure drop dan medan aliran yang dihasilkan.

Objektif

Mengetahui efek dari perubahan diameter cone terhadap performa circumfluent cyclone separator dengan memperhatikan parameter pressure drop serta medan aliran yang dihasilkan

Metodologi

Geometri CFC dibuat menggunakan software Autodesk Fusion 360. Kemudian simulasi aliran dilakukan menggunakan software CFDSOF v1.6 (developed by CCIT group, Indonesia). Mesh generation juga dilakukan melalui software CFDSOF v1.6. Sementara hasil yang diperoleh dilakukan post-processing dan divisualisasikan melalui software open source ParaView 5.9.0-RC1.

Model Komputasi dan Simulasi

Berikut dimensi beserta base mesh yang digunakan

Berikut visualisasi mesh yang digunakan

Akan tetapi mesh yang digunakan belum dilakukan surface refinement sehingga di beberapa lokasi terutama di bagian pinggir cyclone terdapat sedikit error, sehingga dapat memberikan hasil yang kurang akurat.

Model Simulasi

Aliran yang melalui separator dalam bentuk flue gas, dimana mengandung partikel solid dan gas. Sehingga aliran dimodelkan dalam bentuk aliran multifasa dan pada simulasi ini digunakan model multiphase eulerian-lagrangian. Sumulasi aliran dimodelkan dalam bentuk turbulen. Model turbulen yang digunakan adalah Large Eddy Simulation (LES). Aliran dimodelkan incompressible, transient, dan dengan percepatan gravitasi 9.8 m/s^2. Domain dari simulasi terdiri dari 3 boundary area: Wall, inlet, dan outlet.

Properties gas (udara):

- density: 1.225 kg/m^3

- dynamic viscosity: 1.79E-5 Pa.s

Oleh karena terdapatnya partikel padat maka dibutuhkan boundary condition tambahan untuk fasa partikel tersebut.

Properties partikel:

- density: 2800 kg/m^3

- particle size: 1-100 micrometer

Boundary Condition:

- sisi inlet: velocity inlet = 18 m/s; velocity inlet partikel diinjeksi sebesar 0.1 m/s; partikel diinjeksi mulai dari detik ke-0 hingga detik ke-5; jumah parcel per detik = 30000 dengan massa total 1.225 kg

- Wall: wall dimodelkan sebagai no-slip condition

- Sisi outlet: dimodelkan dengan tipe outflow, dengan nilai tekanan total sebeasr 0 Pa (atmospheric)

Simulation time:

- Simulasi diset dengan time increment sebesar 1e-3 sekon dengan mengaktifkan adjust time step; simulasi dilakukan untuk durasi 7 detik.

Hasil dan Pembahasan

1. Percobaan I

Percobaan pertama dilakukan pada CFC dengan dimensi sebagai berikut:

a= 25 mm; b= 50 mm; D= 138 mm; H= 240 mm; Do= 50 mm; Di= 90 mm; Hc= 365 mm; Dc= 50 mm.

Pada simulasi ini diperoleh hasil yang konvergen, yang terlihat melalui nilai residu, dimana nilai residu tersebut lebih kecil dari 0.0001.

Gambar 4. Distribusi Tekanan

Gambar 5. Distribusi Kecepatan

Gambar 6. Distribusi Ukuran Partikel

Dari hasil simulasi aliran flue gas pada CFC diperoleh medan aliran yang terjadi di dalam CFC. Distribusi tekanan seperti terlihat pada gambar 4. Distribusi kecepatan seperti terlihat pada gambar 5.

Analisis lebih lanjut dapaat dilihat melalui medan aliran pada potongan CFC seperti pada gambar berikut untuk medan tekanan dan kecepatan

Gambar 7. distribusi kecepatan

Gambar 8. distribusi tekanan

Dari gambar 7 dapat dilihat distribusi kecepatan di dalam cyclone separator. Dari sini terlihat kecepatan tertinggi terdapat pada lokasi inlet dan kemudian berkurang akibat terjadinya tubrukan dengan dinding cyclone. Kemudian kembali meningkat saat memasuki outlet, akibat tekanan pada outlet gas yang lebih rendah dibanding tekanan di dalam CFC yaitu pada tekanan atmosfer.

Sementara tekanan tertinggi terdapat pada bagian dinding yang pertama kali menerima impuls dari flue gas. Karena kecepatan teritnggi terdapat pada bagian inlet dan ketika menubruk dinding inner cylinder mengakibatkan terjadinya perubahan momentum yang besar, sehingga menyebabkan daerah ini mengalami tekanan terbesar.

Pola aliran di dalam CFC juga dapat ditinjau melalui garis streamline partikel yang terbentuk seperti pada gambar 9. Dari garis ini dapat terlihat pola vortex yang terbentuk akibat efek dari geometri cyclone, sehingga dapat meseparasi partikel yang berukuran lebih kecil dari partikel berukuran besar. Distribusi dari ukuran partikel yang terseparasi di dalam CFC seperti terlihat pada gambar 6.

Gambar 9. Garis streamline partikel

Partikel pada CFC diseparasi melalui tiga tahap. Separasi pertama terjadi pada inner cylinder. Saat flue gas memasuki inner cylinder, aliran flue gas akan mengikuti geometri dari CFC. Partikel berukuran besar akan berada di bagian luar lintasan. Akibat efek dari inersia menyebabkan terjadinya tubrukan antara partikel berukuran besar dengan dinding cyclone. Tubrukan awal pada inner cylinder ini meseparasi sebagian besar dari partikel berukuran besar dari flue gas. Sementara itu semakin ke arah pusat dari lintasan, ukuran partikel semakin halus akibat efek inersia dan gaya sentrifugal. Seperti terlihat pada gambar 9 sebagian aliran pada bagian tengah flue gas langsung menuju outlet. Sementara sebagian lainnya di sisi luar lintasan bergerak ke bagian gap antara inner cylinder dan main cylinder, yang disebut annular space.

Pada annular space ini akibat efek inersia dan gaya sentrifugal, partikel yang berukuran lebih besar berada pada bagian luar dan menubruk bagian main cylinder, sehingga kembali meseparasi partikel berukuran besar dan kecil. Kemudian aliran selanjutnya menuju bagian cone. Geometri dari cone menyebabkan terjadinya vortex dan separasi terhadap partikel yang berukuran lebih kecil. Gas yang sudah lebih bersih kemudian terbawa oleh aliran vortex keluar menuju outlet. Pola aliran di dalam CFC dapat disketsakan seperti pada gambar 10.

Gambar 10. Sketsa pola aliran pada CFC

2. Percobaan II

Percobaan kedua dilakukan dengan mengubah diameter cone pada CFC sebesar setengah dari nilai sebelumnya, yaitu Dc = 25 mm. Sementara parameter lain dijaga konstan untuk melihat pengaruh perubahan diameter cone terhadap medan aliran yang dihasilkan oleh CFC

Gambar 7. Distribusi Tekanan

Gambar 8. Distribusi Kecepatan

Gambar 9. Distribusi Ukuran Partikel

distribusi kecepatan

distribusi tekanan

Kesimpulan

Perubahan baik dimensi maupun struktur dari cyclone separator dapat mengubah medan aliran yang ditimbulkan dan mempengaruhi performa separasi. Oleh karena itu dikembangkan circumfluent cyclone separator (CFC) dimana yang membedakan CFC dengan cyclone separator konvensional yaitu terdapatnya inner cilinder di dalam main cylinder. Pada studi ini dilakukan simulasi aliran pada CFC dengan diameter cone yang berbeda untuk mengetahui efek perubahan diameter cone tersebut terhadap medan aliran yang ditimbulkan.

References

Back to Fuad Abrar