pengembangan model matematik proses pengeringan … · dua faktor yang saling berhubungan pada...

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.