Pengaruh Sudut Masuk Impeller Terhadap Pola Alir Dalam Reaktor Biogas dengan Side Entering Mixer

Transkripsi

1 Pengaruh Sudut Masuk Impeller Terhadap Pola Alir Dalam Reaktor Biogas dengan Side Entering Mixer Mochammad Murtadho 1, Yukh Ihsana 1, Ni am Nisbatul Fathonah 1, Sugeng Winardi 1*, Tantular Nurtono 1 dan Kusdianto 1 1 Departemen Teknik Kimia, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Keputih, Surabaya Indonesia * swinardi@chem-eng.its.ac.id Abstract Side-entering impeller is widely used in the biogas plant. Liquid effluent is processed anaerobically in a huge tank with a relatively small impeller-to-tank diameter ratio.the purpose of this research is to study the side effects of entering angle against the flow characteristics in a stirred tank with side-entering mixers (SEM) using flow visualization techniques. This work was conducted on the tank cylinder with a diameter of 40 cm and 40 cm high liquid. Impeller 3-blade propeller which made from stainless steel with 3 and 4 cm in diameter. Variable speed rotary impeller used is 100 to 400 rpm. Side entry angle used are 5, 10, and 15 right and left side.visualization techniques used in this research, specifically focus on the light liquid layer vertically and horizontally desired then photographed with a DSLR camera and observation in order to characterize the flow pattern. In the type of impeller propeller with an increase in rotational speed, the general layout circulation flow getting to the top is almost half of the liquid level. The changes of side entry angle does not really give much influence over the location of the circulation flow that occurs in the tank. Keywords: Side-entering mixer, stirrer tank, 3-blade propeller, side-entry angle Pendahuluan Operasi pencampuran dengan tangki berpengaduk banyak digunakan di industri kimia, farmasi, makanan dan industri-industri yang terkait. Salah satu aplikasi tangki berpengaduk diantaranya yaitu pada reaktor biogas. Adanya impeler pada tangki berpengaduk memberikan efek pencampuran dan pengadukan yang berguna untuk meningkatkan kontak antara mikro-organisme dengan material substrat baru dalam reaktor biogas karena pada dasarnya setiap limbah cair atau bahan organik yang digunakan untuk pembuatan biogas memiliki kandungan sludge atau kotoran seperti halnya lumpur. Dan hal ini merupakan salah satu hal yang mempengaruhi saat proses pembuatan biogas di dalam bioreaktor (Deublein Dieter dan Angelika Steinhauser, 2008). Terdapat hal penting yang harus diperhatikan dari tangki berpengaduk dalam penggunaannya diantaranya seperti bentuk dan ukuran tangki, baffle yang mempengaruhi aliran dalam tangki, selain itu terdapat saluran inlet yaitu lubang untuk pemasukannya dan outlet untuk pembuangan sludge pada bagian bawah (Bakker dan Fasano, 2000). Begitu juga dengan pengaduk yang digunakan atau yang disebut sebagai agitator umumnya terdiri dari rangkaian motor sebagai penggerak padel dan propeller atau blade, yang disesuaikan dengan jenis limbah atau bahan organik yang digunakan Berdasarkan posisi poros terhadap tangki impeller dapat dibagi menjadi tiga macam. Yakni, pengadukan dari atas (top-entering), pengadukan dari bawah (bottom-entering), dan pengadukan dari samping (sideentering) (Oldshue dan James, 1983). Pada posisi tempat pengaduk, side-entering impeller mixer biasanya digunakan untuk tangki yang besar dimana penggunaan top-entering mixer tidak dapat digunakan karena keterbatasan pemasangan shaft. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Side-entering impeller mixer normalnya digunakan untuk memberikan sirkulasi pada tangki penyimpanan yang berukuran besar agar terhindar dari pengendapan suspensi (Paul, Edward L., dan Arthur William E, 2004). Beberapa kendala aplikasi di industri adalah kondisi proses yang komplek akibat sifat-sifat fisika fluida multifasa dan fenomena instabilitas aliran. Namun demikian, hasil penelitian fundamental dan aplikasi tentang tangki berpengaduk dengan side entering mixer (SEM) belum banyak dipublikasi. Dan lagi penelitian yang ada kebanyakan dilakukan secara simulasi dan ditekankan untuk memperoleh informasi aliran global tanpa dilakukan uji validasi dengan data eksperimen. Oleh karena itu, diperlukan investigasi karakteristik fenomena aliran dalam reaktor biogas dengan side entering mixer (SEM) supaya diperoleh informasi rinci untuk dapat mendesain dan mengoperasikan reaktor biogas dengan side entering mixer (SEM) secara optimum dan efisien B09-1

2 Permukaan Liquid Tangki Silinder Impeller Gambar 1. Tangki berpengaduk dengan side entering mixer (SEM) Metode Penelitian Teknik visualisasi digunakan untuk mengamati karakteristik aliran dengan menggunakan kamera digital single lens reflex (DSLR). Jenis impeler yang digunakan adalah propeller 3-daun dengan diameter 3 dan 4 cm. Fluida kerja yang digunakan yaitu sistem single phase berupa air. Peralatan dan teknik visualisasi aliran yang digunakan akan diuraikan dalam beberapa bagian berikut ini. 1. Tangki berpengaduk dari samping (agitated tank with side-entering mixer) flat bottom 2. Impeler 3-blade propeller diameter 3 cm dan 4 cm 3. Variable motor speed sebagai penggerak impeller dengan variasi kecepatan rpm 4. Digital single-lens reflex (DSLR) camera 5. Penerangan dari 2 lampu LED RGB 50 watt Salah satu peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah tangki silinder yang terbuat dari resin acrylic yang diletakkan di dalam tangki kotak transparan yang juga terisi air. Hal ini dilakukan dengan tujuan untuk menghilangkan pengaruh perbedaan index bias antara fluida kerja yaitu air dan udara. Untuk mengamati fenomena aliran dalam tangki digunakan teknik visualisasi dengan menggunakan digital single-lens reflex (DSLR) camera. Karena secara alami aliran dalam tangki bersifat tiga dimensi, maka untuk penyederhanaan pengamatan dilakukan dari salah satu sisi untuk suatu bidang vertikal dan dari atas untuk suatu bidang horizontal yang melewati poros impeler seperti ditunjukkan pada Gambar 2. dan 3.(digambar menggunakan Google SketchUp versi trial). Untuk itu diperlukan sistem pencahayaan berupa bidang cahaya yang dilewatkan celah cahaya (slit) selebar 1 cm untuk membentuk bidang cahaya vertikal dan horizontal. Sumber cahaya berasal dari dua unit lampu LED yang diletakkan berlawanan pada kedua sisi samping baik untuk bidang cahaya vertikal maupun horizontal. (a) Gambar 2. Sistem pencahayaan untuk tampak samping (a) tanpa slit; (b) dengan slit (b) B09-2

3 Gambar 3. Sistem pencahayaan tampak atas Untuk memudahkan mengamati pola alir yang terjadi ditambahkan tracer particle, yaitu partikel polyvynilchloride (PVC), warna putih, ukuran 68 mesh, densitas rata-rata = kg/m 3 yang dapat mengikuti aliran (flow follower). Penambahan partikel penjejak kedalam fluida dilakukan dengan teknik pulse seeding secara intermiten sampai akumulasi dari partikel yang terdeposisi didasar tangki tidak menghalangi pengamatan gerak partikel mengikuti aliran. Gambar 4. Dimensi tangki side entering mixer, impeller dan variabel speed motor Tabel 1. Ukuran Geometri Sistem Tangki Berpengaduk Side-Entering Mixer (SEM) D [cm] H [cm] H' [cm] d/d [-] s/d [-] β [derajat] 0,075-5 / ,1-10 / +10 0,1-15 / +15 B09-3

4 (a) Gambar 5. Sudut masuk impeller (a) ke arah kiri; (b) ke arah kanan terhadap poros impeller (b) Hasil dan Pembahasan Tangki berpengaduk dengan side-entering mixer yang digunakan berdiameter 40 cm dan tinggi 60 cm, dengan impeller tipe aksial yaitu 3-blade propeller berdiameter 3 cm dan 4 cm diberikan kecepatan putar 100 rpm, 200 rpm, 300 rpm, dan 400 rpm. Propeller dirancang sesuai teori ulir (screw) yang menghasilkan pola aliran aksial, dengan sirkulasi aliran yang beroperasi secara pumping up. Identifikasi Makro Instabilitas (MI) Terhadap Pola Alir Pola alir tersebut dipengaruhi beberapa faktor antara lain kecepatan putar impeller, ukuran diameter impeller, jumlah blade impeller dan pembentukan pusaran/vortex juga berpengaruh. Pola ini menarik diamati karena adanya variasi tersebut menunjukkan ketidakstabilan dalam suatu pengadukan yang dikenal sebagai fenomena makroinstabilitas. Ketidakstabilan aliran yang dimaksud yakni dalam skala besar dan frekuensi rendah. Frekuensi kemunculannya rendah, berpengaruh pada pola alir sehingga mempengaruhi pengadukan secara keseluruhan yang juga berarti life time period pada setiap pola alir lebih besar dari waktu satu kali putaran impeller. Identifikasi MI pada penelitian ini didasarkan pada perubahan pola alir yang terjadi terhadap waktu. Pada penelitian ini dapat diamati aktifitas makro dan pengaruhnya terhadap proses pencampuran yang terjadi. Dibawah ini merupakan streamline pola alir rekontruksi hasil pengamatan selama 20 detik dengan impeller propeller 3-daun. Pola alir yang disajikan merupakan salah satu gambar yang terekam dari sekian banyak gambar, yang mana merupakan pola alir yang dominan. Gambar 6. Perbandingan pola alir propeller d/d=0,1; +β= (A) 0 o, (B) 5 o, (C) 10 o dan (D) 15 o ; N=300 rpm Gambar 7. Perbandingan pola alir propeller d/d=0,1 ; -β= (A) 0 o, (B) 5 o, (C) 10 o dan (D) 15 o ; N=300 rpm B09-4

5 Pengaruh Sudut Masuk Impeller Terhadap Pola Alir Salah satu yang mempengaruhi pola alir dalam tangki side entering mixer adalah sudut masuk impeller. Sudut masuk impeller yang digunakan akan mempengaruhi pola alir yang terjadi didalam tangki, jika didalam tangki daerah stagnan lebih banyak akan mengakibatkan proses pencampuran terjadi dalam waktu yang lama. Oleh karena itu pada proses pencampuran yang baik harus diperhatikan bukan hanya sudut masuk impeller tetapi bentuk dan dimensi pengaduk yang digunakan serta variabel speed motor akan mempenagruhi pola alir yang terjadi didalam tangki side-entering mixer. Pada Gambar 6, pusaran aliran terlihat pada kecepatan putar impeller 300 rpm dengan sudut masuk impeller 10 o dan (D) 15 o arah kanan. pola alir quick return flow dapat dilihat ketika sudut masuk impeller (C) 10 o dimana aliran dari discharge impeller menuju dinding, kemudian sebagian kecil dari aliran menuju ke daerah tengah tangki, sebagian yang lain bersirkulasi dalam tangki yang kemudian dalam waktu singkat menuju ke daerah impeller lagi sehingga pola yang ditunjukkan seragam menuju impeller. Sedangkan untuk sudut masuk impeller (A) 0 o, (B) 5 o dan (D) 15 o adalah one loop circulation. Pada Gambar 7 pada sudut arah kiri kecepatan putar impeller 300 rpm secara keseluruhan pola alir yang terjadi yaitu one loop circulation. Setelah discharge stream bergerak lurus dari impeller menuju dasar tangki kemudian menyebar dan naik menuju permukaan liquid setelah menabrak dinding tangki, aliran yang naik ke permukaan liquid kembali menuju impeller. Secara umum pola aliran impeller propeller menimbulkan aliran aksial, arus aliran meninggalkan impeller secara kontinyu melewati fluida ke satu arah tertentu sampai dibelokkan oleh dinding atau dasar tangki. Kesalahan dalam menentukan arah sudut yang dibentuk akan menghasilkan aliran pusaran tangensial, yang dimana sirkulasinya kurang baik. Dikarenakan hal tersebut meningkatkan waktu pencampuran untuk suatu daya tertentu Hubungan Pola Alir Terhadap Reaktor Biogas Secara keseluruhan aliran yang dihasilkan merupakan aliran yang bergerak secara aksial dari impeller menyusuri dasar tangki, hal ini diperlukan untuk menghilangkan atau mengsirkulasi padatan yang terdapat di dasar tangki (sedimen). Sedimentasi merupakan hal yang perlu dihindari pada proses pengadukan, dikarenakan pentingnya kontak antara padatan dengan liquid akan mempercepat suatu proses pembentukan. Dalam hal ini, akan mempercepat terbentuknya biogas. Beberapa pola aliran yang tidak diharapkan dalam proses pengadukan yang terjadi dalam reaktor biogas seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini. (a) (b) (c) (d) Gambar 8. Pola Alir Propeller d/d = 0.1; +β=10 o ; N=(A) 100 (B) 200 (C) 300 dan (D) 400 rpm (a) (b) (c) (d) Gambar 9. Pola Alir Propeller d/d = 0.1; -β=10 o ; N=(A) 100 (B) 200 (C) 300 dan (D) 400 rpm B09-5

6 Pada kecepatan 100 rpm, masih terlihat daerah stagnan di dekat pemukaan dan dinding tangki juga terbentuk daerah pusaran yang terpusat di tengah tangki seperti yang terlihat pada Gambar 8 (A). Sejumlah fluida yang didorong oleh impeller pada kecepatan tersebut, belum mampu mendistribusikan aliran secara merata keseluruh tangki. Hal ini akan sangat mempengaruhi terhadap homogenitas dari suatu pencampuran yang memberikan sirkulasi yang kurang baik dalam tangki. Sirkulasi yang baik sangat diperlukan dalam reaktor biogar, sirkulasi berguna untuk mengangkat gas yang terdapat di dalam suspensi, sehingga sampai kepermukaan dan keluar dari suspensi. Sedangkan pada peningkatan kecepatan putar rpm, sudah tidak terbentuk daerah stagnan, meskipun aliran cenderung tersebar dengan tidak membentuk pusaran. Akan tetapi pada kecepatan 400 rpm, terlihat aliran dari dekat pemukaan menuju dinding berbelok langsung dan ikut bersirkulasi. Dengan meningkatnya diameter impeller yang dapat meningkatkan pumping capacity menimbulkan aliran dari dinding tangki tidak menuju impeller terlebih dulu akan tetapi langsung ikut bersirkulasi, sehingga menimbulkan daerah yang tidak terjangkau pengadukan di atas impeller. Aliran yang terhindar dari pusaran juga diharapkan agar konsentrasi di dalam tangki agar seragam, karena adanya pusaran tangensial dapat meningkatkan waktu pencampuran yang merugikan dalam proses pembuatan biogas. Terlihat berbeda pada Gambar 9, hampir semua pada kecepatan rpm masih membentuk daerah pusaran yang berada pada tengah tangki. Akan tetapi pada kecepatan 400 rpm sudah terlihat profil dari streamline yang tersebar secara merata diseluruh daerah tangki. Tidak terlihat daerah di atas impeller yang tidak terjangkau pengadukan. Hal ini berbeda pada Gambar 9 (D). Kesimpulan Ketika sudut dan kecepatan putar impeller baik arah kanan maupun kiri yang diberikan bervariasi memperlihatkan stagnan flow dibagian dasar dekat dinding sebelah kiri, tengah, dan atas dekat permukaan. Hal ini akan sangat mempengaruhi terhadap homogenitas dari suatu pencampuran yang memberikan sirkulasi yang kurang baik dalam tangki. Sirkulasi yang baik sangat diperlukan dalam reaktor biogar, sirkulasi berguna untuk mengangkat gas yang terdapat di dalam suspensi, sehingga sampai kepermukaan dan keluar dari suspensi. Sedangkan pada peningkatan kecepatan putar rpm, sudah tidak terbentuk daerah stagnan, meskipun aliran cenderung tersebar dengan tidak membentuk pusaran. Semakin tinggi kecepatan putar impeller dan variasi sudut yang semakin meningkat, serta dengan adanya peningkatan ukuran impeller, letak ciculation flow yang ditimbulkan semakin tinggi mendekati permukaan dan dinding tangki. Perubahan arah sudut masuk impeller tidak terlalu memberikan banyak pengaruh terhadap letak circulation flow yang terjadi dalam tangki. Sudut masuk impeller dengan arah kiri terutama pada sudut 10 o menunjukkan pengadukan yang baik ditandai dengan pola alir yang menyebar secara acak ke seluruh tangki dan daerah stagnan yang semakin berkurang. Ucapan Terima Kasih Dengan terlaksananya penelitian ini, atas dukungan dana dari Direktorat Riset dan Pengabdian Masyarakat, Direktorat Jenderal Penguatan dan Pengembangan Riset, Kementerian Riset, Teknologi dan Pendidikan Tinggi melalui Hibah Penelitian Unggulan Perguruan Tinggi tahun 2016 disampaikan terima kasih. Daftar Notasi D= Diameter Tangki [m] d= Diameter Impeller [m] H= Tinggi Tangki [m] H =Tinggi Fluida dalam Tangki [m] N= Kecepatan putar impeller [rpm] β= Side entering angle o (derajat) Daftar Pustaka Bakker, A., dan Fasano, J.B. The Flow pattern in an Industrial Paper Pulp Chest with a Side Entering Impeller. The Online CFM Book : Deublein, Dieter dan Angelika Steinhauser. Biogas from Waste and Renewable Resources: An Introduction. Wiley- Vch : Oldshue, James Y. Fluid Mixing Technology. New York: McGraw-Hill, in : Paul, Edward L., dan Arthur William E. Advances in Industrial Mixing: A Companion to The Handbook of Industrial Mixing. John Wiley and Sons Ltd : Wessselingh, J. A. Mixing of Liquids in Cylinfrical Storage Tanks with Side-Entering Propeller. Journal of Chemical Engineering Science, 30 (1975) : B09-6

7 Lembar Tanya Jawab Moderator: I Gede Pandega W (Unika Parahyangan, Bandung ) 1. Penanya : Ananda Dwi Utomo (Universitas Padjadjaran) Pertanyaan : 1. Masuk pada bagian bawah reaktor, bagaimana cara agar tetap berputar tanpa mengeluarkan airnya? 2. Kenapa berbeda antara kiri dan kanannya? Seharusnya keduanya sama. Jawaban : 1. Ada bering dimasukan ke dalam bering. Kemungkinan besar karena terlalu lama. 2. Karena ketika ada garis tengah dan dibelokkan ke kanan atau ke kiri, pasti menabrak dinding yang ada didekatnya terlebih dahulu. 2. Penanya : I Gede Pandega W (Unika Parahyangan, Bandung) Pertanyaan : Apakah ada kemungkinan atas bawah sudutnya? Jawaban : Penelitian terbatas ke kiri dan kanan dan terlebih lagi penelitian ini dikhususkan untuk viskositas yang tinggi dan kurangnya penelitian tentang side miter. B09-7