ANALISA ALIRAN FLUIDA PADA HYDROCYCLONE DENGAN METODE NUMERIK MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CFD

Transkripsi

1 ANALISA ALIRAN FLUIDA PADA HYDROCYCLONE DENGAN METODE NUMERIK MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CFD SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik ION RISWAN SINAGA NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

2 ANALISA ALIRAN FLUIDA PADA HYDROCYCLONE DENGAN METODE NUMERIK MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CFD ION RISWAN SINAGA NIM : Diketahui / Disahkan : Disetujui oleh : Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing, Fakultas Teknik USU Ketua, DR. Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri Terang USHG Manik,ST,MT NIP NIP

3 ANALISA ALIRAN FLUIDA PADA HYDROCYCLONE DENGAN METODE NUMERIK MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CFD ION RISWAN SINAGA NIM : Telah disetujui dari hasil Seminar Skripsi Periode ke pada tanggal 31 Juli 2010 Pembanding I, Pembanding II, Ir.Halim Nasution, MSc Ir. Mulfi Hazwi, MSc NIP NIP

4 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK USU MEDAN AGENDA : 900/TS/2009 DITERIMA TGL : / /2009 PARAF : TUGAS SARJANA NAMA : ION RISWAN SINAGA NIM : MATA PELAJARAN SPESIFIKASI : MEKANIKA FLUIDA : Analisalah fenomena aliran dan gaya-gaya yang terjadi pada hydrocyclone dengan mengambil dimensi geometris hydrocyclone yang digunakan di Pabrik Kelapa Sawit Adolina PT. Perkebunan Nusantara IV DIBERIKAN TANGGAL : 01 / Oktober /2009 SELESAI TANGGAL : 12 / Juli /2010 MEDAN,12 Juli 2010 KETUA DEPT. TEKNIK MESIN DOSEN PEMBIMBING, Dr.Ing.Ir.IKHWANSYAH ISRANURI TERANG U.S.H.G Manik, ST,MT NIP NIP

5 KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa oleh karena rahmat dan penyertaannya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana dengan baik dan tepat waktu. Adapun yang menjadi pembahasan dalam tugas sarjana ini adalah mengenai Analisa Aliran pada Hydrocyclone dengan Metode Numerik menggunakan Program Komputer CFD.Berbagai ilmu yang berkaitan dengan sub program studi konversi energi seperti mesin fluida dan mekanika fluida diaplikasikan dalam menganalisa aliran pada Hydrocyclone. Dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini, penulis banyak mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini dengan ketulusan hati penulis ingin menghaturkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Kedua orang tua dan keluarga tercinta, (Ayah) Alm. H Sinaga dan (Ibu) N Samosir yang senantiasa memberikan kasih sayang, dukungan, motivasi, dan nasihat yang tak ternilai harganya. 2. Bapak Terang USHG Manik,ST, MT selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya membimbing, memotivasi, dan membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini. 3. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 4. Rekan satu tim riset, Maycold Manurung, atas kerja sama yang baik untuk menyelesaikan penelitian ini. 5. Seluruh rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin, teristimewa kepada teman-teman seperjuangan Angkatan Kepada Eben Haezar L Tobing,ST, Fransdolin Hutabarat,ST, Zulfirman,ST, Alfred Telaumbanua, ST, Pandapotan, ST, M Roland, Marthin E Harianja,ST dan lainnya yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah banyak membantu dan memberi masukan, motivasi yang berguna demi kelengkapan Tugas Sarjana ini, "Solidarity Forever". 6. Jenny I P Sagala, Amd dan T Ulina L Tobimg yang juga telah banyak membantu dan memberi perhatian, masukan serta motivasi. 7. Kepada seluruh keluarga dimana pun berada yang telah banyak membantu baik dalam doa maupun dana. Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan baik dalam penulisan maupun penyajian Tugas Sarjana ini. Untuk itu penulis sangat mengharapkan saran-saran yang membangun dari semua pihak demi kesempurnaan Tugas Sarjana ini dikemudian hari. Akhir kata, dengan segala kerendahan hati penulis memanjatkan doa kepada Tuhan Yang Maha Esa semoga Tugas Sarjana ini bermanfaat untuk kita semua. Penulis Ion Riswan Sinaga

6 ABSTRAK Hydrocyclone dapat diartikan sebagai suatu alat yang memisahkan material ataupun partikel dari suatu komposisi campuran yang berbentuk padatan dengan cairan ataupun cairan dengan cairan. Prinsip kerja dari hydrocyclone adalah gaya sentrifugal dimana ketika terjadinya aliran yang berputar didalam hydrocyclone menyebabkan partikel ataupun material yang tercampur akan terpisah karena perbedaan densitas. Hydrocyclone pada dunia industri dipakai dalam industri pengolahan minyak kelapa sawit yang berada pada stasiun inti dimana dipakai untuk memisahkan antara cangkang dengan inti. Adapun tujuan penelitian adalah analisa karateristik aliran dan unjuk kerja hydocyclone dengan melakukan simulasi yang dibantu oleh program komputer. Sehingga diperoleh perilaku distribusi aliran secara umum (General flow behavior) yang terdiri dari aliran tangensial, aliran aksial dan aliran radial. Kata kunci: hydrocyclone, alat pemisah, gaya sentrifugal, distribusi aliran ABSTRACT Hydrocyclone can be interpreted as a device that able to separate particles or materials, such as liquid with solid or liquid with liquid, from a mixed composition. The working principal of hydrocyclone is the implementation of centrifugal force when the rotating flow inside hydrocyclone caused a separation between any particles or materials in mixture due to density differences. Hydrocyclone is known used in palm oil processing industries, usually in the main station in order to separate the shell from the nucleus. The objectives of this research are to analyze both of flow characteristics and performance of hydrocyclone by conducting simulation assisted by a computer program. So that the behavior of flow distribution in general (General Flow Behavior) which consist of tangential flow, axial flow, and radial flow, can be obtained. Keywords: hydrocyclone, separator, centrifugal force, the flow distribution

7 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL LEMBARAN PENGESAHAN LEMBARAN PERSETUJUAN SPESIFIKASI TUGAS LEMBARAN EVALUASI KATA PENGANTAR ABSTRAK DAFTAR ISI DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR DAFTAR NOTASI (NOMENKLATUR) i ii iii iv vi ix x xi xii xiii xiv BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Batasan Masalah Maksud dan tujuan Metode Penulisan Sistematika Penulisan 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Hydrocyclone Prinsip Kerja Hydrocyclone Jenis Hydrocyclone Hydrocyclone tipe konvensional Konstruksi pada multicyclone Round Desilter Hydrocyclone Inline Desilter Hydrocyclone Hydrocyclone aliran aksial Bagian-bagian dari Hydrocyclone Lubang Masuk Cylindrical Section Vortex Finder Cone Section Hydrocyclone pada industri kelapa sawit Prinsip kerja unit Hydrocyclone 13

8 2.6.2 Bagian-bagian unit Hydrocyclone Kecepatan settling sentrifugal Aliran Vortex Aliran Vortex Bebas Aliran Vortex Paksa Aliran Vortex Kombinasi Aliran Berputar dalam Tabung 24 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Tempat dan waktu penelitian Bahan dan metode penelitian Bahan Metode penelitian Variabel yang diamati Pelaksanaan Penelitian Prosedur Simulasi Pembentukan Model Hydrocyclone Penentuan Meshing scehme Penentuan Kondisi batas Pelaksanaan Simulasi 36 BAB IV HASIL SIMULASI DAN DISKUSI 4.1. Hasil Simulasi Perilaku Distribusi Aliran Secara Umum a Kecepatan Tangensial b Kecepatan Aksial c Kecepatan Radial d Disrtibusi Tekanan e Gaya Sentrifugal Parametric Studies a Pengaruh dari Diameter Spigot terhadap 46 Parametric Studies b Pengaruh dari Vortex Finder terhadap 48 Parametric Studies BAB V KESIMPULAN & SARAN 5.1. Kesimpulan Saran 50 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

9 DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Dimensi dari bagian-bagian Hydrocyclone 27

10 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Prinsip kerja Hydrocyclone 5 Gambar 2.2 Hydrocyclone tipe konvensional 6 Gambar 2.3 Round Desilter Hydrocyclone 7 Gambar 2.4 Inline Desilter Hydrocyclone 7 Gambar 2.5 Hydrocyclone aliran aksial 8 Gamabr 2.6 Bagian-bagian Hydrocyclone 8 Gambar 2.7 Beberapa tipe dari lubang masuk (Inlet area) 9 Gambar 2.8 Beberapa tipe dari cylindrical section 10 Gambar 2.9 Beberapa tipe dari cone section 11 Gambar 2.10 Gambar 2.11 Tahapan proses pengolahan hingga mencapai hydrocyclone Skema kerja unit hydrocylone Gambar 2.12 Proses pemisahan di dalam tabung 14 Gambar 2.13 Jalur distribusi inti dan cangkang 16 Gambar 2.14 Variasi kecepatan tangensial dan kecepatan radial 17 Gambar 2.15 Pola garis arus untuk sebuah vortex 19 Gambar 2.16 Gerakan elemen fluida dari A ke B : vortex bebas 20 Gambar 2.17 Gerakan elemen fluida dari A ke B : Vortex paksa 22 Gambar 2.18 Tipe-tipe Vortex 23 Gambar 3.1 Dimensional Hydrocyclone 27 Gambar 3.2 Hydrocylone pada industri pengolahan kelapa sawit 27 Gambar 3.3.a Instalasi dari hydrocyclone 28 Gambar 3.3.b Instalasi dari hydrocyclone 29 Gambar 3.4 Diagram alir pelaksanaan penelitian 32 Gambar 3.5 Hasil permodelan hydrocyclone 33 Gambar 3.6 Hasil dari meshing pada model hydrocyclone 34 Gambar 3.7 Penentuan kondisi batas pada model hydrocyclone 35

11 Gambar 4.1 Pola Aliran KecepatanTangensial 38 Gambar 4.2 Predicted Tangential Velocity Profiles pada ketinggian 0.25m, m, 0.75m, 1m Gambar 4.3 Gambar 4.4 Pola Aliran Kecepatan Aksial Predicted Axial Velocity Profiles pada ketinggian 0.25m, m, 0.75m, 1m Gamabr 4.5 Pola Aliran Kecepatan Radial 42 Gambar 4.6 Pola Aliran Distribusi Tekanan 43 Gambar 4.7 (a) Predicted Centrifugal Force profile pada ketinggian 1 m Gambar 4.7 (b) Predicted Centrifugal Force profile pada ketinggian 0.5 m Gambar 4.7 (c) Predicted Centrifugal Force profile pada ketinggian 0.3 m Gambar 4.8 Pengaruh Diameter Spigot terhadap Static Pressure 47 Gambar 4.9 Gambar 4.10 Pengaruh Diameter Spigot terhadap Y-Velocity Pengaruh Diameter Spigot terhadap Kecepatan Tangensial Gambar 4.11 Pengaruh Vortex Finder terhadap Static Pressure 49 Gambar 4.12 Gambar 4.13 Pengaruh Diameter Vortex Finder terhadap Y-Velocity Pengaruh Diameter Vortex Finder terhadap Kecepatan Tangensial 50 50

12 DAFTAR NOTASI SIMBOL KETERANGAN SATUAN a c percepatan sentrifugal m/s 2 A in luas penampang masuk m 2 C D koefisien gesekan d diameter m Fc gaya sentrifugal N g percepatan gravitasi bumi m/s 2 h ketinggian m l panjang m m massa kg p tekanan fluida kg/m 2 Q kapasitas aliran kg/s Re bilangan Reynold r jari-jari m S faktor pemisah Us kecepatan aliran m/s v kecepatan m/s v t kecepatan tangensial m/s v kecepatan air volumetrik m 3 /s v gt gravitational terminal velocity m/s W berat partikel N X jarak dari sumbu utama m