BAB IIIPERTIMBANGAN DESAIN

1. 2. 3. 3.1. Pertimbangan Desain1. 2. 3. 3.1. 3.1.1. Kecepatan FiltrasiKecepatan filtrasi atau filter rasio didefinisikan sebagai rasio dari gas yang terfiltrasi (ft3/menit) pada suatu area filter media (ft2) tertentu. Unit dari filter rasio adalah cfm/ft2. Secara fisik kecepatan filtrasi atau filter rasio, menggambarkan kecepatan rata-rata dimana gas melewati bahan tanpa mempertimbangkan berapa area yang dibutuhkan oleh serat dan bahan apa yang digunakan. Berdasarkan alasan ini, bentuk superficial face velocity sering digunakan.

Kecepatan filtrasi merupakan faktor penting dalam proses filtrasi. Apabila filter rasio terlalu besar akan menyebabkan kehilangan tekan yang berlebihan, mengurangi efisiensi pengumpulan, penyumbatan.

Clement (1961) menekankan bahwa filter rasio tidak boleh terlalu rendah dari sudut pandang operasional. Hal ini dinyatakan berdasarkan pertimbangan ekonomis dimana sangat dihindari desain yang terlalu berlebihan. Berikut ini pada Tabel 2.7 yang menyatakan filter rasio maksimum pada jenis debu tertentu. Nilai ini dapat menggambarkan hasil yang telah disetujui oleh para ahli yang menunjukkan nilai optimum untuk meminimalisasi biaya, baik pada perawatan, dan juga pada pertimbangan pembiayaan awal.

Tabel 3.1 Nilai Kecepatan Filtrasi Maksimum dan Kecepatan Minimum Pada Debu dan AsapDebu dan asapKecepatan filtrasi maksimum, (cfm/ft2 cloth area)Kecepatan pada cabang pipa (fpm)

Alumina2.254500(c,f)

Asbestos2.753500-4000

Carbon24000-4500

Charcoal2.254500 (a,g,h)

Cocoa2.254000 (a,e,g,h)

Chocolate2.254000 (a,e,g,h)

Ceramics2.54000-4500

Clay2.254000-4500

Cotton3.53500 (a,b,c,f)

Cosmetics24000

Flour2.53500 (a,h)

Glass2.54000-4500

Gypsum2.54000

Rock3.254500

Soap2.253500 (a,b)

Sugar2.254000 (a)

Keterangan: a.Pressure relief. b. Flame-retardant cloth, c. Cyclone type cleaner, d. Spark arrester, e. Sprinklers, f. Special hoppers, gates and valves, g. Grounded bags, h. special electrical, i. Insulate casing (Sumber: Danielson,1967)

Filter rasio yang direkomendasikan diatas digunakan hanya sebagai panduan saja. Nilai desain aktual mungkin membutuhkan beberapa penyesuaian seperti, nilai perlu dikecilkan bila ukuran partikel yang dominan akan disisihkan memiliki ukuran yang kecil.

3.1.2. Media FiltrasiMedia filter yang digunakan padabaghouse filterharus disesuaikan dengan temperatur dan pH dari gas buang (Tabel 3.1). Setiap tipe dari serat memiliki spesifikasi tersendiri.

Tabel. 3.2 Ketahanan bahan terhadap temperatur dan zat kimiaBahan

Temperatur Maksimum(F)Ketahanan terhadap bahan kimia

AsamBasa

Dynel160BaikBaik

Cotton180BurukBaik

Wool200BaikBuruk

Nylon200BurukBaik

Polypropylene200Sangat BaikSangat Baik

Orlon260BaikCukup

Dacron275BaikCukup

Nomex400CukupBaik

Teflon400Sangat BaikSangat Baik

Glass550BaikBaik

3.1.3. Jenis Serat KatunKatun merupakan bahan yang telah digunakan sejak lama sebagai bahan standar untuk debu yang umum. Harga katun cenderung tidak mahal, mudah untuk ditemukan, dan merupakan media filtrasi yang baik, selain itu bahan ini juga tahan lama selama dalam pengaplikasiannya temperatur operasi tidak berlebihan dan tidak terdapat basa dan/atau asam kuat dalam debu. Katun bisa diaplikasikan sebagai media kolektor yang baik pada proses grinding dan conveying.

WoolSebelum terjadi perkembangan bahan sintetik, wool merupakan satu-satunya bahan yang ada, bahan ini biasa digunakan pada proses yang memiliki temperatur operasi sekitar 200 F atau ketika terdapat kehadiran asam pada debu yang akan difiltrasi. Wool atau campuran wool asbes masih sering digunakan pada operasi metalurgi seperti pada peleburan timah tingkat dua, walaupun kini telah tergantikan dengan Dacron.

NylonNylon merupakan bahan sintetis, bahan ini umunya tersedia dalam bentuk serabut ataupun filamen. Nylon cenderung memiliki harga yang tinggi, tetapi memiliki ciri-ciri fisik yang sangat dibutuhkan bagi beberapa kegiatan, karena bahan ini memiliki ketahanan yang tinggi pada abrasi dan pengenduran, kuat dan elastis, dan juga tahan pada beberapa jenis bahan kimia.

DynelSerat acrylic pada umumnya memiliki kelembaban absorpsi yang rendah, kekuatan yang baik, kenyal, dan tahan terhadap zat kimia, dan tahan terhadap degradasi oleh jamur dan bakteri. Jenis bahan acrylic yang digunakan pertama kali sebagai baghouse filter adalah union carbid yang merupakan rajutan filamen. Jenis serat acrylic yang memiliki bentuk serabut adalah dynel, Dynel memiliki ketahanan kimia yang tinggi, khususnya untuk asam dan basa kuat, tetapi tidak cocok pada uap pembakaran.

Orlon dan DacronOrlon dan Dacron merupakan serat pertama yang 100% berasal dari acrylic, diproduksi hanya dalam bentuk serabut pada saat ini (11). Orlon memiliki sifat yang ringan, kuat, dan kenyal; memiliki ketahanan terhadap panas, dan tahan terhadap zat kimia, khususnya asam (11). Perbedaan antara Orlon dan Dacron adalah dalam bentuk produksi, dimana Dacron diproduksi dalam bentuk filamen sedangkan Orlon dalam bentuk serabut. Bentuk filamen dirasakan oleh beberapa pihak lebih menguntungkan dalam hal pembersihan dibandingkan dalam bentuk serabut. Selain itu Dacron cenderung lebih memiliki harga yang cukup rendah bila dibandingkan dengan Orlon.

Teflon.Merupakan serat hasil penelitian dari tetraluoroethylene. Teflon jarang digunakan karena memiliki beberapa batasan. Bahan ini tidak terlalu tahan terhadap panas, begitu juga dengan zat kimia. Campuran serat Teflon-Orlon hanya digunakan bila terdapat fluoride pada gas buang, itupun hanya untuk konsentrasi tertentu.

GelasDari seluruh media filtrasi yang ada, serat gelas merupakan serat yang paling kuat terhadap panas, dan hampir seluruh bahan kimia kecuali fluorin. Kekurangan fisik dari bahan ini adalah memiliki ketahanan yang rendah terhadap abrasi, membutuhkan penanganan yang khusus, dan juga memiliki ciri-ciri desain khusus. Kecepatan filtrasi yang direkomendasikan biasanya lebih rendah dibandingkan dengan bahan yang lain, karena membutuhkan proses pembersihan dengan kecepatan rendah.

3.1.4. Mekanisme PembersihanDebu yang terakumulasi di media filter, akan menyebabkan meningkatnya kehilangan tekan sampai batas tertentu. Setelah batas tersebut tercapai maka perlu dilakukan pembersihan untuk mengurangi kehilangan tekan yang ada. Siklus pembersihan ini bisa dilakukan secara manual, semi otomatis, ataupun sepenuhnya otomatis. Siklus secara otomatis dapat dilakukan berdasarkan waktu tertentu atau ketika tekanan tertentu telah tercapai. Pada beberapa alat pengendali seperti reverse-jet baghouse , alat ini beroperasi dengan pembersihan yang kontinu. Ketika proses pembersihan telah dimulai, harus dilakukan sampai selesai dengan intensitas pembersihan yang cukup dan durasi waktu yang cukup untuk memastikan pembersihan yang menyeluruh. Ketika pembersihan berlangsung direkomendasikan blower dihentikan (11).

Dari seluruh metode yang ada terdapat dua metode pembersihan pada baghouse filter yang telah digunakan secara luas yaitu reverse air, dan shaker baghouse filter. Pada kedua alat ini terdapat kriteria dalam mendesain yaitu kecepatan maksimum filtrasi yang sangat berhubungan dengan jenis industri apa yang akan ditangani.

Tabel 3.3 Kecepatan maksimum filtrasi pada jenis debu tertentu padashaker baghouse ataureverse air baghouse.

DustsMaximum filtering velocity ft/min or cfm/ft2

Activated charcoal, Carbon black, Detergents, Metal fumes1.5

Alumunium Oxide, Carbon, Fertilizer, Graphite, Iron Ore, Lime, Paint, Pigments, Fly Ash, Dyes2

Alumunium, Caly, Coke, Charcoal, Cocoa, Lead Oxides, Mica, Soap, Sugar, Talc2.25

Bauxite, Ceramics, Chrome Ore, Feldspar, Flour, Flint, Glass, Gypsum, Plastics, Cement.2.5

Asbestos, Limestone, Quartz, Silica,2.75

Cork, Feeds and Grains, Marble, Oyster Shell, Salt3.0-3.25

Leather, Paper, Tobacco, Wood3.5

(Sumber: Danielson,1973; Turner et al.,1987)

Namun nilai V (kecepatan maksimum) sangat bergantung pada muatan dari debu, kehalusan dari debu, dan faktor lainnya. Sebagai contoh, pada beberapa keadaan perlu dilakukan pengurang nilai yang ada di tabel dari V antara 10-15% untuk muatan debu yang lebih besar dari 40gr/ft3, dan beberapa perlu ditingkatkan sebesar 20% untuk muatan debu yang kurang dari 5gr/ft3. Hal ini juga terjadi pada partikulat dengan ukuran kurang dari 3m (atau lebih besar dari 50m), nilai yang ada di tabel menunjukkan bahwa nilai dar V harus dikurangi (atau dinaikkan) sebesar lebih kurang 20% (11). Nilai V yang terlalu besar dapat menyebabkan penetrasi partikel yang berlebihan, menutup pori-pori bahan dan bahkan dapat menurunkan umur bahan (11).

Bahan yang dipilih (termasuk jenis rajutan) merupakan salah satu pertimbangan yang penting berdasarkan pada kemampuan melepaskan diri partikel dari bahan. Bahan yang digunakan harus benar-benar cocok dengan karakteristik dari aliran gas, dan juga dengan tipe partikulat. Bahan yang biasa untuk digunakan memiliki kemampuan yang berbeda, hal ini berhubungan dengan temperatur operasi dan kandungan zat kimia yang ada pada aliran gas. Hal ini dapat terlihat pada Tabel 3.3

Reverse air baghousedanshaker baghousememiliki konstruksi dengan beberapa kompartemen. Pada saatnya untuk membersihkan kantung, salah satu kompartemen akan terisolasi dari aliran udara yang mengandung debu. Shaker BaghouseMetodeshaker baghouseini memiliki dua metode yaitumechanical shakerdanpneumatic shaker.Mechanical shakeradalah metode pembersihan kantung dengan menggunakan alat motor elektrik yang berguna untuk mengguncang kantung. Terdapateccentric translatesyang memiliki gerakan memutar dari motor menjadi osilasi. Kantung dapat berguncang secara vertikal maupun horizontal. Merupakan hal yang penting untuk mempertahankan agar tidak ada tekanan didalam tabung filter selama kegiatan pengguncangan dilakukan. Tekanan yang sangat kecil untuk dideteksi oleh manometer masih dapat mengganggu proses pengguncangan.Pneumatic shakeradalah salah satu metode yang memanfaatkan udara untuk mengoperasikan motor udara yang dapat menghasilkan getaran dengan frekuensi tinggi pada kerangka suspensi dari kantung. Walaupun frekuensinya tinggi, namun amplitudonya rendah. Metode ini kurang efektif untuk materi yang sukar lepas dari kantung, karena jumlah total energi yang diberikan terhadap kantung cukup rendah.

Gambar 3.1Shaker Baghouse (U.S Army Corps of Engineer) Reverse Air BaghousePada sistemreverse air, udara bersih akan dialirkan melalui kantung pada kompartemen yang terisolasi dengan arah aliran yang berlawanan dengan aliran yang biasa. Dalam kedua keadaan tersebut, debu yang telah teraglomerasi di bahan akan meluruh dan jatuh ke hopper yang berada dibawah kompartemen. Debu akan secara periodik dikeluarkan darihopperdan dibuang atau digunakan kembali sesuai dengan kebutuhan.Secara umum, debit aliran pembersihan berukuran sedang tetapi terkadang kurang efektif dalam membersihkan kantung filter. Namun pada beberapa bahan, terutama bahanfiber glass, peregangan akibat debit pembersihan yang disertai dengan guncangan dapat mengakibatkan kerusakan pada bahan.

Gambar 3.2Reverse Air Baghouse (U.S. Army Corps of Engineer) Pulse-jet baghousePulse-jet baghouse, merupakan jenisbaghouse filteryang penggunaanya telah berkembang dalam 20-25 tahun terakhir. Metode operasipulse-jet baghouse dapat dilihat secara skematis pada Gambar 3.3. Metode operasional pada jenispulse-jet baghouseadalah metode filtrasi eksterior dimana udara yang akan difiltrasi dialirkan melewati kantung-kantung, dimana aliran udara bergerak dari bagian luar kantung menuju ke dalam. Sehingga debu yang akan disisihkan tertahan pada permukaan bahan. Padapulse-jet baghouseterdapat kerangka yang berada didalam kantung yang berguna untuk mempertahankan kantung agar tidak jatuh.Metode pembersihan pada kantung-kantung filter menggunakan udara yang memiliki aliran udara cepat (30-100 millisecond), dengan tekanan udara yang besar (90-100 psi). Getaran udara ini dialirkan melaluisolenoid valvesehingga membentuk gelombang udara yang tiba-tiba, yang membuat kantung menjadi meregang sehingga partikel yang tertahan di permukaan kantung akan meluruh. Waktu pembersihan kantung cenderung lebih singkat dari metode-metode lainnya dan baghouse tidak terbagi-bagi ketika pembersihan denganpulse jetberlangsung.

Gambar 3.3 Pulse-jet baghouse (U.S. Army Corps of Engineer)

Gambar 3.4Mekanisme Pembersihan Kantung padaPulse Jet Baghouse

Gambar 3.5Peluruhan Debu padaPulse-Jet BaghouseKeuntungan utama dari metodepulse jetini adalah pada metode ini diperbolehkan kegiatan pembersihan dilakukan selama udara yang mengandung debu terus mengalir kedalambaghouse. Selain itu keuntungan utamanya yang lain adalah bahan media dapat digunakan pada rasioair-to-clothyang lebih besar, biasanya sekitar dua atau tiga kali lebih besar daripada yang digunakan pada metode konvensional. Walaupun begitu, dalam pengaplikasianpulse-jet baghouse,dibutuhkan sistem pembersihan udara otomatis, yang memiliki pengaturan aliran padasolenoid valvedalam setiap rentang waktu tertentu.Pertimbangan yang penting dalam desainpulse-jet baghouseadalah kecepatan filtrasi (Tabel 2.4). Kecepatan filtrasi merupakan hal yang penting karena pada kecepatan filtrasi yang tinggi dapat menguranginet cloth areayang dibutuhkan, dan selanjutnya dapat mengurangi ukuran serta biaya kapital.Tabel 3.4 Kecepatan filtrasi pada variasi debu atau asap pada pulse-jet baghouseDusts or fumesMaximum filtering velocity ft/min or cfm/ft2

Carbon, Graphite, Metallurgical,Fumes, Soap, Detergents, Zinc Oxide5-6

Cement(Raw), Clay(Green), Plastics, Paint Pigments, Starch, Sugar, Wood Flour, Zinc(Metallic)7-8

Alumunium Oxide, Cement(Finished), Clay(Vitrified), Lime, Limestone, Gypsum, Mica, Quartz, Soybean, Talc9-11

Cocoa, Chocolate, Flour, Grains, Leather Dust, Sawdust, Tobacco12-14

(Sumber: Danielson,1973;Theodore and Buonicore, 1976)

Pulse-jet baghouse secara umum hanya membutuhkan ukuran setengah dari ukuran reverse-air baghouse, yang merupakan pertimbangan yang cukup penting bagi area yang terbatas. Luas area yang tidak terlalu besar disebabkan karena pada sistem pulse-jet baghouse tidak terdapat kompartemen dan juga tidak terdapat kantung ekstra yang dibutuhkan oleh sistem-sistem lainnya.

Berdasarkan percobaan, sistem pembersihan pada pulse-jet baghouse dapat menyisihkan debu hingga hanya meninggalkan konsentrasi debu 1% di permukaan kantung (11). Namun dalam sistem pembersihan kantung pulse-jet baghouse, yang berlangsung ketika proses filtrasi terus berlanjut, dapat menyebabkan kantung yang digunakan menjadi mengkerut yang dalam hal ini dapat mengurangi efisiensi dari filtrasi itu sendiri.

Dalam pengoperasian baghouse filter hal lain yang penting adalah adanya kompresso untuk mengalirkan udara balik pada kantung. Pada umumnya dalam pengoperasian pulse-jet baghouse , aliran volumetrik dari udara kompresor setara dengan 0.2% 0.8% dari aliran udara filtrasi dimana keduanya memiliki hubungan yang erat terhadap temperatur dan tekanan

3.1.5. Susunan Kantung Filter

Kantung filter perlu disusun dengan baik sehingga terdapat ruangan yang cukup antara kantung filter yang memungkinkan aliran udara dapat secara bebas masuk kedalam filter dan meminimalkan berbagai hambatan aliran udara yang menyebabkan kehilangan tekanan yang besar selama proses filtrasi berlangsung.

Penyusunan kantung filter ini juga penting agar antara kantung filter itu sendiri tidak saling bergesekan satu sama lain, terutama pada saat pembersihan. Apabila terlalu sering terjadi gesekan hal ini dapat menyebabkan peningkatan frekuensi penggantian kain filter, yang menyebabkan biaya operasi dan pemeliharaannya meningkat.

Untuk berbagai variasi panjang filter, ruangan minimum antara kantung filter adalah 2 inchi atau 5 cm. Namun khusus untuk panjang filter yang memiliki panjang lebih dari 10 12 ft maka ruangan antara filter harus lebih dari 2 inch. Selain ruangan antara kantung filter, ruangan antara kantung dengancasingjuga perlu diperhitungkan.

Gambar 3.6 usunan Kantung SejajarGambar 3.7 Susunan Kantung Zig-zag

1. 2. 3. 3.1. 3.2. Efisiensi Penyisihan Debu pada Baghouse FilterPenyisihan debu dengan menggunakan baghouse filter terdapat dua mekanisme yang memiliki peranan penting, yaitu mekanisme difusi dan intersepsi. Kedua mekanisme ini memiliki peran yang dominan dalam menentukan efisiensi penyisihan debu pada baghouse filter terutama pada debu yang memiliki ukuran relatif kecil. Model matematis telah dikembangkan untuk masing-masing mekanisme proses pengumpulan tersebut, sehingga efisiensi pengumpulan melalui dua mekanisme ini dinyatakan sebagai berikut:

DC = 1 (1 D)(1 C).(1)

Dimana :

D = Efisiensi pengumpulan melalui difusi

C = Efisiensi pengumpulan melalui intersepsi

Friedlander (1977) telah mengembangkan persamaan diatas menjadi suatu persamaan yang mudah diterapkan untuk mendesain filter, yang dinyatakan sebagai berikut :DC = 6Sc-2/3 Re-1/2 + 3R2 Re1/2..(2)

imana :

Dengan

dan

= viskositas fluida

= densitas fluida

k = konstanta Boltzmann = 1,4.10-6

T = temperatur (K)

dp = diameter partikel

n = kecepatan gas dalam filter

Df = diameter fiber

Pada hakikatnya kolektor pada baghouse filter dapat diasumsikan sebagai kumpulan serat (fiber) tunggal yang terintegrasi satu sama lain. Sehingga jika efisiensi total baghouse filter hT, dapat dinyatakan sebagai berikut,

T = 1 (1 DC)n(3)

(4)

(5)

Dimana :

T = effisiensi total fabric

N = Konsentrasi akhir (mg/m3)

NO = Konsentrasi awal (mg/m3)

H = tebal fiber (mm)

Df = diameter fiber (mm)

= densitas fiber

n = jumlah lapisan fiber

Perhitungan hT sangat penting dalam pemilihan jenis fabric. Untuk menghitung hT diperlukan spesifikasi jenis fabric yang akan dipilih dalam desain baghouse filter. Seperti terlihat dalam Tabel 2.11 berikut ini,Tabel 3.5 Karakteristik bahanKodeFabricKarakteristikDiameter fiber (m)aH (m)

AFiberglass80.296635

Filamen

Bulk Wrap

BPolyester12.50.3442092

All-spun

Nomex-Needled

CFelt150.0832553

Polyester

DFilamen(Knitted)130.355559

Polyester

EFilamen250.393381

Warspun

FPolyester250.58228

Filamen

(Sumber :Buonicore, 1992)

III-19