JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4
1
Simulasi Pola Aliran dalam d alam Tangki Tangki Berpengaduk menggunakan Side-Entering Impeller untuk Suspensi Padat-Cair Brilliant Gustiayu S., Ayu Ratna S, Tantular Nurtono, Sugeng Winardi. Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected]
Abstrak— Tujuan penelitian ini untuk mempelajari pengaruh kecepatan impeller dan properti fluida terhadap pola aliran dalam side entering tangki berpengaduk. Pengadukan dilihat dari letak pengadukannya dapat dibagi menjadi dua macam, yaitu pengadukan dari atas (Top Entering) dan pengadukan dari samping (Side Entering). Selama ini penelitian menggunakan side-entering impeller sangat jarang diteliti menggunakan simulasi dan lebih sering berdasarkan eksperimen yang membutuhkan banyak biaya dan instrumen analisis. Fenomena yang terjadi seperti pola aliran belum dapat diketahui. Dengan menggunakan CFD yang merupakan analisis sistem yang melibatkan aliran fluida, perpindahan panas, dan fenomena yang terkait seperti reaksi kimia dengan menggunakan menggunakan simulasi komputer dapat telihat vector, kontur dan pola aliran yang terbentuk dari distribusi partikel padat dalam campuran. Dalam penelitian ini fluida yang digunakan adalah air dan larutan garam sebagai single phase. Sedangkan sebagai larutan multiphase digunakan air dan partikel PVC dengan diameter partikel sebesar 94 µm. Dari simulasi yang dilakukan didapatkan bahwa pola alir yang terjadi dalam tangki berisi air (single phase), tangki yang berisi larutan garam, dan tangki yang berisi air dan partikel PVC cenderung tidak seragam, hal ini disebabkan karena perbedaan densitas dan viskositas pada air dan larutan garam dan adanya solid pada air dan partikel PVC, sehingga menyebabkan menyebabkan bedanya arah aliran yang terjadi dan juga distribusi solid pada tangki yang berisi air dan partikel PVC yang berada pada dasar tangki . Kata Kunci —
Side-Entering, Side-Entering, Tangki Pengaduk, CFD, Impeller .
I. PENDAHULUAN IDE – ENTERING TANK adalah tangki dengan impeller yang dipasang dari sisi samping dinding dengan posisi poros impeller yang relatif horisontal. Diamater untuk Diamater untuk sideentering tank yang digunakan mempunyai ukuran yang besar untuk memaksimalkan pencampuran. Untuk jenis-jenis impeller yang digunakan dapat berupa propeller, inclined fan turbin ataupun hydrofoil. Jumlah impeller yang digunakan tergantung pada diameter tangki yang digunakan. digunakan. Untuk aplikasi side-entering tank biasa digunakan dalam tangki minyak pelumas yang digunakan untuk mempertahankan keseragaman konsentrasi bahan aditif. Selain itu juga digunakan untuk Paper Pulp Chest yang berfungsi untuk mempertahankan konsistensi suspensi dalam tangki. Sedangkan dalam tangki penyimpanan Crude-Oil digunakan untuk mengontrol Sludge dalam tangki penyimpanan (storage). Kinerja side-entering tank ditentukan oleh profil aliran (velocity vector) yang dihasilkan, yang mana velocity vector ini
S
dipengaruhi oleh distribusi konsentrasi dan deadzone (zona mati). Deadzone (zona mati) adalah daerah yang tidak terpengaruhi oleh efek dari pengadukan itu sendiri. Deadzone yang dihasilkan biasanya tidak lebih dari 1%. Pengadukan bertujuan untuk mempercepat proses pencampuran fluida karena dapat mempercepat terjadinya perpindahan massa dan energi yang berupa panas, baik yang disertai reaksi kimia maupun tidak. Biasanya dalam alat tangki berpengaduk yang merupakan satu sistem pencampuran dapat dilengkapi dengan impeller dan baffle. Prinsip kerja tangki pengaduk sendiri adalah mengubah energi mekanis motor yang memutar shaft impeller menjadi energi kinetik aliran fluida dalam tangki berpengaduk. Energi kinetik tersebut menimbulkan sirkulasi aliran fluida di ujung blade impeller sehingga terjadi proses pencampuran. Faktor-faktor yang mempengaruhi pengadukan dalam side-entering tank meliputi kecepatan putar impeller, geometri tangki, jenis fluida, sifat fluida, jenis impeller, jumlah impeller, dan letak atau posisi poros impeller. Dilihat dari jenis fluidanya, pencampuran dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu yaitu pencampuran single phase dan pencampuran multi phase. Dimana untuk pencampuran single phase meliputi fasa cair-cair, padat-padat, atau gas-gas. Untuk pencampuran multiphase meliputi fasa cair-padat, cair-gas, cairgas-solid, ataupun cair-gas-gas. Suspensi padat-cair yang diaduk secara turbulent banyak ditemukan secara luas pada proses industri. Contohnya pada reaktor slurry katalis dimana partikel solid yang membawa material katalis disuspensikan pada aliran turbulen yang dihasilkan oleh impeller. Aliran fluida turbulen menjaga partikel tetap tersuspensi, dan meningkatkan transfer massa dan panas antara solid dan liquid, liq uid, dengan demikian memungkinkan memungkinkan terjadi reaksi pada zat kimia yang terkandung dalam fase liquid. Tangki berpengaduk untuk aplikasi suspensi solid telah dikembangkan secara tradisional dengan menggunakan justsuspended impeller rotational speed (Njs). Just-suspended speed merupakan kecepatan putar impeller minimal yang dibutuhkan untuk mengangkat semua partikel solid dari dasr [6] tangki minimal 1 detik . Penelitian kami menggunakan simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD) karena Computational Fluid Dynamics (CFD) merupakan analisis sistem yang melibatkan aliran fluida, perpindahan panas, dan fenomena yang terkait lainnya seperti reaksi kimia dengan menggunakan simulasi komputer. Kode
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4
2
CFD tersusun atas algoritma-algoritma numerik yang dapat menyelesaikan permasalahan aliran fluida. Disamping itu, kemajuan yang cepat telah dicapai dalam penyelesaian numerik menggunakan CFD daripada persoalan aliran turbulen di dalam tangki berpengaduk satu fasa tanpa reaksi dengan berbagai [1] impeller . Dari kajian diatas maka tujuan penelitian kami adalah Untuk mempelajari pengaruh kecepatan impeller dan properti fluida terhadap pola aliran dalam side entering tangki berpengaduk. II. METODE PENELITIAN A. Permodelan
1. Permodelan Aliran Fluida Fenomena aliran dapat dimodelkan dengan persamaan matematis yaitu persamaan kontinuitas (hukum kekekalan massa) dan persamaan momentum (hukum kekekalan momentum). Persamaan kontinuitas untuk suatu fluida compressible pada aliran dapat ditulis sebagai berikut : ∂ ρ ∂t
+
∂ ( ρ u )
+
∂ ( ρ v )
∂ x
∂ y
+
∂ ( ρ w)
=
0
∂ z
( 2.1 )
Persamaan momentum dalam arah sumbu x, y dan z (persamaan gerak) dimana untuk fluida Newtonian incompressible dan µ konstan dapat ditulis dalam bentuk bentuk persamaan Navier-Stokes sebagai berikut : Komponen x : ( 2.2 ) ∂ V x ∂ V x ∂ V x ∂V x ∂V x ∂V x ∂V x ∂P ∂t + V x ∂ x + V y ∂ y + V z ∂ z = − ∂ x + µ ∂ x + ∂ y + ∂ z + ρ G x
ρ
2
2
2
2
2
Sliding mesh merupakan permodelan yang cocok untuk permasalahan yang melibatkan interaksi rotor/stator dan melibatkan 2 daerah mesh yaitu daerah yang berdekatan dengan rotor sebagai zona bergerak dan daerah yang berdekatan dengan stator sebagai zona diam, dimana kedua daerah tersebut dibatasi oleh sebuah “slipping plane ”. Selain metode Sliding Mesh , dapat digunakan metode Moving Reference Frame (MRF). Metode ini tidak jauh beda dengan metode sliding mesh, sama-sama membagi daerah menjadi dua bagian yaitu moving zone dan static zone . Namun yang membedakan kedua metode ini adalah pada sliding mesh mengalami deformasi meshing, sedangkan pada metode MFR tidak mengalami deformasi meshing.
4. Permodelan Aliran Multifase Permodelan aliran multifase yang terdapat dalam FLUENT adalah mixture model, Volume Of Fluid (VOF) model, Eularian model dan Cavitation model. Dari keempat model ini yang digunakan untuk sistem ini adalah Mixture model. Mixture model mengasumsikan tidak ada interface antara dua fase yang immiscible dan memungkinkan kedua fase untuk saling mempengaruhi. Fraksi volume untuk fase sekunder (α p) dan fase primer (αq ) untuk suatu kontrol volume mempunyai nilai antara 0 dan 1, tergantung pada ruang yang ditempati oleh fase primer dan fase sekunder. Model ini juga memungkinkan kedua fase untuk bergerak pada kecepatan berbeda. Persamaan kontinuitas untuk mixture ( 2.7 ) Persamaan momentum dapat diekspresikan sebagai berikut :
2
Komponen y : ( ∂ 2V y ∂ 2V y ∂ 2V y ∂V y ∂V y ∂V y ∂V y ∂P =− V x V y V z µ + + + + + 2 + 2 + ρ G y 2 ∂t ∂ x ∂ y ∂ z ∂ y ∂ y ∂ z ∂ x
2.3 )
ρ
Komponen z : ( ∂ V ∂ V ∂ V ∂V z ∂V ∂V ∂V ∂P + V x z + V y z + V z z = − + µ 2 z + 2 z + 2 z + ρ G z ∂ x ∂ y ∂ z ∂ z ∂ y ∂ z ∂t ∂ x
ρ
2
2
2
2.4 )
2. Model turbulensi Model k - ε standar (Launder & Spalding,1974) mempunyai dua model persamaan yaitu persamaan untuk k dan ɛ. k dan ɛ digunakan untuk mendefinisikan velocity scale. pendekatan mixing length model kita dapat menyatakan viscositas eddy sebagai : ( 2.5 ) Dimana Cµ adalah konstanta tak berdimensi Persamaan transport pada model k - ε standart adalah :
( 2.8 ) 5. Computational Fluid Dynamics (CFD) CFD merupakan analisa sistem yang melibatkan aliran fluida, perpindahan panas, dan fenomena yang terkait lainnya seperti reaksi kimia dengan menggunakan simulasi komputer. Metode ini meliputi fenomena yang berhubungan dengan aliran fluida seperti sistem liquid dua fase, perpindahan massa dan panas, reaksi kimia, dispersi gas atau pergerakan partikel tersuspensi. Secara umum kerangka kerja CFD meliputi formulasi persamaan-persamaan transport yang berlaku, formulasi kondisi batas yang sesuai, pemilihan atau pengembangan kode-kode komputasi untuk mengimplementasikan teknik numerik yang digunakan. Suatu kode CFD terdiri dari tiga elemen utama yaitu pre-processor , solver dan post processor . B. Geometri dan Dimensi Tangki
1. Gambar dan Tabel ( 2.6 ) 3. Permodelan Impeller
Geometri tangki berbentuk silinder dengan dasar datar ( flat bottomed cylindrical tank ) dengan single 3 - blade propeller seperti ditunjukkan pada Gambar 3.1 dan 3.2 dengan dimensi seperti ditunjukkan pada Tabel 3.1.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4
3
Fluida yang digunakan adalah: a. Air (single phase) b. Air + garam c. Air + partikel PVC (konsentrasi 10% volume Tabel 2.1 Rincian dimensi tangki Ratio H/D d/D s/D h/D
420 rpm
Tangki Besar 0,402 0,026 0,025 0,032
Tabel 2.2 Rincian Liquida dan Solid Liquid
Jenis suhu (°C) densitas (kg/m3) viskositas (kg/m.s) Diameter Partikel
Gambar 3.1 Pola aliran dalam tangki berisi fluida air
Air
air garam
29
-
Solid Partikel PVC (Polyvinyl Chloride) -
998,2
1.250
2500
0,001003
0,000974
0,001003
-
-
94 µm
280 rpm
420 rpm
Gambar 3.2 Pola aliran dalam tangki berisi air garam
Gambar 1. Bentuk dan dimensi t angki
III. HASIL DAN DISKUSI Dalam penelitian ini simulasi digunakan untuk menyelidiki variasi pola aliran dan deadzone yang terjadi dengan lebih detail dibandingkan menggunakan teknik eksperimen. Berdasarkan simulasi yang dilakukan yang sesuai dengan metode komputasional dengan sistem yang telah diuraikan sebelumnya. Hasil simulasi didapatkan setelah perhitungan -4 komputasional mencapai tingkat konvergensi yaitu 10 untuk semua persamaan, dengan jumlah grid kurang lebih 60000 dengan ukuran yang beragam. Hasil-hasil simulasi tersebut ditampilkan berupa contour dan vector dari velocity dari sistem secara total. Pada penelitian ini menggunakan tangki silindris dasar datar sebagai bentuk desain tangki yang disimulasikan. Digunakan beberapa konfigurasi ukuran geometri tangki dan kecepatan putar impeller, diantaranya ukuran geometri tangki besar meliputi diameter tangki (D) = 0,55 m; H = 0,25 m; dan diameter propeller = 0,029 m. A. Identifikasi Pola Alir
Pola alir dalam side entering impeller berisi material air dan air garam untuk geometri tangki besar dengan ratio H/D = 0,45. 280 rpm
Profil pada gambar diambil dari sudut pengamatan tegak lurus dengan pola aliran axial. Pola aliran yang terbentuk sama, aliran bergerak dari propeller melalui dasar tangki menuju dinding, naik keatas dan kembali ke propeller. Pada geometri tangki dapat dilihat terjadinya stagnant flow yang cukup besar. Stagnant flow mempengaruhi homogenisasi larutan di dalamnya. Semakin kecil stagnant flow, maka semakin homogen larutan yang didalamnya. Pola aliran yang dihasilkan cenderung stabil. Pada fluida air terlihat bahwa pola aliran cenderung bergerak kesamping kemudian keatas dan kembali ke propeller sedangkan untuk fluida air garam, pola aliran cenderung bergerak ke atas kemudian kembali kebawah dan kembali kearah propeller Deadzone merupakan daerah yang tidak mengalami efek pengadukan. Daerah deadzone dapat dilihat dari gambar dari vector velocity dimana daerah dilihat dari factor warna yang rendah. Daerah ini diukur jumalahnya dengan menggunakan perbandingan rasio antara daerah yang mengalami efek pengadukan yang sangat rendah dengan volume tangki. Satuan dari daerah ini berupa persen (%) volume. B. Suspensi Solid-Liquid
Suspensi solid-liquid diawali dengan mekanisme terangkatnya partikel tersebut dari dasar tangki selama 1 detik oleh aliran sirkulasi liquida. Mekanisme ini menjadi parameter operasional tangki berpengaduk yang dinamakan critical impeller speed for just suspended solid atau disingkat N JS. Sistem yg dipelajari adalah campuran polydisperse padatcair dengan ukuran diameter partikel 0,00094 m dengan
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4 konsentrasi 10%. Korelasi zwietering digunakan untuk menentukan nilai kecepatan just suspended (NJS). Kontur dan vector konsentrasi solid pada diameter tangki adalah sebagai berikut: 280 rpm
4 Hal ini karena kecepatan putar impeller pada semua kecepatan putar impeller belum mencapai kecepatan N JS untuk partikel solid pada tangki besar. Tangki membutuhkan kecepatan putar yang lebih besar untuk mengangkat dan mendistribusikan partikel solid keseluruh bagian tangki. IV. KESIMPULAN/RINGKASAN
420 rpm
Gambar 3.3 Kontur distribusi partikel pada kecepatan putar impeller secara horizontal 280 rpm
Penelitian ini berdasarkan simulasi berbasis CFD dengan hasil menunjukkan bahwa Perbedaan densitas dan viskositas antara air dan garam menyebabkan pola aliran didalam tangki berbeda dan cenderung random dengan stagnant flow yang makin kecil saat kecepatan putar impeller semakin besar. Kecepatan putar yang besar menyebabkan distribusi solid jauh lebih merata. Rasio volume deadzone yang dihasilkan cenderung kecil dibawah 1%.
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang membantu dalam penyelesaian penelitian dan artikel ilmiah ini. Penulis mengucapkan terima kasih kepada penguji Prof. Dr. Ir. H. M. Rachimoellah, Dipl Est, Dr Widiyastuti, ST.MT ; Suci Mahda Nia ST, MT ; rekan-rekan dan laboran pada laboratorium Mekanika Fluida dan Pencampuran Teknik Kimia ITS dan teman-teman teknik Kimia 2008 yang telah banyak membantu. DAFTAR PUSTAKA
420 rpm
[1]
[2]
Gambar 3.4 vektor kecepatan fluida pada kecepatan putar impeller secara horizontal
[3] [4]
Kecepatan putar impeller yang berada jauh dibawah kecepatan NJS akan menyebabkan distribusi solid terbatas pada bagian dasar tangki terutama dibawah impeller . Solid terlihat terkonsentrasi di bagian dasar tangki dengan konsentrasi lokal yang tinggi, sedangkan pada bagian yang dekat permukaan tangki konsentrasi solid sangat rendah bahkan mendekati nol. Pada kondisi ini campuran disebut dengan incomplete suspension atau off bottom suspension . Untuk sistem dengan kecepatan putar impeller berada disekitar kecepatan N JS akan didapatkan solid yang mulai tersuspensi atau terangkat dan tersebar ke tangki tetapi belum merata. Konsentrasi lokal solid didasar tangki lebih rendah. Sedangkan sistem dengan kecepatan putar impeller jauh melebihi kecepatan NJS dapat disimpulkan bahwa partikel yang ada didalam tangki sudah tersuspensi sempurna. Pada kondisi ini campuran disebut dengan complete suspension atau complete uniformity. Dari gambar 3.3 terlihat bahwa solid terdistribusi di bagian bawah tangki dan disekitar impeller. Solid sudah terangkat dan menyebar, tetapi penyebaran belum maksimal.
[5] [6]
Bakker, A., Fasano, J.B., Myers, K.J., Effects of Flow Pattern on the Solids Distribution in a Stirred Tank, The Online CFM Book at http://www.bakker.org/cfm, 1996. Cheremisinoff, Nicholas P, Handbook of Chemical Processing Equipment, Copyright 2000 by Butterworth-Heinemann. pp 467. Raju, K. S. Fluid Mechanic s, Heat Transfer, and Mass Transfer: Chemical Engineering Practice Oldshue J. Y., Hirschland H. E. and Gretton A. T., Side-Entering Mixer, Chem. Eng. Prog. 52, 1956 481. Wesselingh, J. A., Mixing of Liquids in Cylinfrical Storage Tanks with Side-Entering Propeller. February,15 1975. Zwitering,Th.N., Suspending of Solid Particle in Liquid by Agitators, Chemical Engineering Science, 1958,8,pp. 244-253.
