SIMULASI PENYEBARAN GAS SO 2 DENGAN MODEL FLUENT DAN MODEL DIFUSI GAUSS GANDA (Studi Kasus di PLTU PT. INDORAMA SYNTHETICS tbk.) TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Syarat Kurikuler Program Sarjana di Program Studi Meteorologi Oleh : BUDI SETIO PRASANTO 12802014 PROGRAM STUDI METEOROLOGI FAKULTAS ILMU DAN TEKNOLOGI KEBUMIAN INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
SIMULASI PENYEBARAN GAS SO 2 DENGAN MODEL FLUENT DAN MODEL DIFUSI GAUSS GANDA (STUDI KASUS PLTU PT. INDORAMA SYNTHETICS TBK.) TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Syarat Kurikuler Program Sarjana Program Studi Meteorologi Fakultas Ilmu dan Teknologi Kebumian Institut Teknologi Bandung Oleh : BUDI SETIO PRASANTO NIM 12802014 Bandung, Juni 2008 Telah diperiksa dan disetujui: Pembimbing Dra. Sri Hartati Soenarmo, MSP.
SIMULASI PENYEBARAN GAS SO 2 DENGAN MODEL FLUENT DAN MODEL DIFUSI GAUSS GANDA (Studi kasus di PLTU PT. INDORAMA SYNTHETICS tbk.) ABSTRAK Dalam konsep dasar mekanika fluida, emisi gas SO 2 dari cerobong merupakan fluida bergerak dan berubah bentuk secara terus menerus. Gas SO 2 Setiap zat yang dipancarkan ke dalam udara akan mengalami pengangkutan, percampuran dan penyebaran (dispersi) sesuai dengan dinamika udara. Hingga saat ini, banyak sekali model yang dikembangkan untuk mensimulasikan pola penyebaran gas atau zat kimia yang dipancarkan ke udara. Salah satunya adalah Computational Fluent Dynamic (CFD) atau Model Fluent. Pendekatan model Fluent dalam penelitian ini menggunakan pemecahan pada kondisi steady dengan menggunakan persamaan konservasi massa dan momentum Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS). Persamaan turbulensi menggunakan perhitungan dari persamaan standar k ε. Perhitungan fluks difusi gas SO 2 menggunakan persamaan transpor kimia (Chemical Species transport) yang dikembangkan oleh Fluent. Pada penelitian ini juga digunakan pendekatan dengan menggunakan model difusi Gauss Ganda untuk membandingkan hasil simulasi yang dilakukan dengan menggunakan model Fluent. Pada model difusi Gauss Ganda, perhitungan fluks difusi menggunakan perhitungan yang dikembangkan oleh Pasquill-Grifford. Dengan menggunakan data meteorologi dan data pengukuran pada 31 oktober 2003 di cerobong PLTU PT. Indorama Synthetic tbk. yang berlokasi di kecamatan Jatiluhur, kabupaten Purwakarta. Model Fluent memberikan akurasi lebih baik terhadap data sampling pengukuran yaitu sebesar 66.3 % dibandingkan dengan model difusi Gauss Ganda yang hanya memberikan nilai akurasi sebesar 2.6 %. Kata kunci : Computational Fluent Dynamic (CFD), Difusi Gauss Ganda, gas SO 2 i
SIMULATION OF SO 2 DISPERSION USING FLUENT MODEL AND DOUBLE GAUSS DIFUSSION MODEL (Case Study at PLTU PT. INDORAMA SYNTHETICS ltd.) ABSTRACT Based on concept of fluids mechanical plume emission of sulfur dioxide which is released to atmosphere and its form of fluid flow and can changes continuously. Every substance of chemical that releases to atmosphere, will be transported, diffused and dispersed with dynamical fluid process. At present, there is many simulation tool that has been developed for simulation of gas dispersion or substance dismissal that is released to the atmosphere, and Computational Fluent Dynamic (CFD) or Fluent model is one of them. Fluent model approach has been taken, by solving steady-state, with conservation mass and momentum of Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS). Turbulence modeling is based upon the standard k ε model. And calculation of diffusion flux based on chemical species transport that contain in Fluent. Beside it, in this research also use a Gauss diffusion model to compare the results from Fluent model. On Gauss diffusion model, calculation of diffusion flux use equation that has been developed by Pasquill-Grifford. By used a measured meteorological and field sampling data from 31st of October 2003 at PLTU PT. Indorama Synthetic ltd. that located in Jatiluhur, Purwakarta for the simulation. The results of Fluent model provide higher in accuracy toward sampling data, with 66.3 % than double Gauss diffusion model that provide 2.6 % toward sampling data. Keywords: Computational Fluent Dynamic (CFD), Gauss Diffusion Model, SO 2 ii
DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK... i ABSTRACT... ii KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... x DAFTAR LAMPIRAN... xi BAB I PENDAHULUAN... I - 1 1.1 Latar Belakang... I - 1 1.2 Tinjauan Pustaka... I - 4 1.3 Tujuan Penelitian... I - 4 1.4 Batasan Masalah... I - 5 1.5 Sistematika Pembahasan... I 6 BAB II TEORI DASAR... II - 1 2.1 Pencemaran Udara... II - 1 2.2 Sulfur Dioksida... II - 2 2.3 Faktor-faktor yang Berpengaruh terhadap Pencemaran Udara II - 3 2.3.1 Proses Pencemaran Udara... II - 3 2.3.2 Pengaruh Meteorologi... II - 4 2.4 Model Fluent... II - 9 2.4.1 Struktur Program... II - 9 2.4.2 Kemampuan Program... II - 10 2.4.3 Teori Dasar dan Pendekatan Model... II - 10 2.5 Model Difusi Gauss Ganda... II - 14 2.5.1 Koefisien Difusi... II - 15 v
2.5.2 Ketinggian Cerobong Efektif... II - 15 BAB III METODOLOGI DAN PENGOLAHAN DATA... III - 1 3.1 Data... III - 1 3.1.1 Data penggunaan dan kandungan Sulfur dalam Batubara... III - 1 3.1.2 Data Fisik Cerobong... III - 1 3.1.3 Data Klimatologi... III - 1 3.1.4 Data Verifikasi... III - 1 3.2 Perhitungan Kadar Emisi... III - 2 3.3 Langkah Pengerjaan dengan Model Fluent... III - 2 3.3.1 Membuat Geometri atau Grid Model... III - 2 3.3.2 Kondisi Batas... III - 3 3.3.3 Kondisi Operasional... III - 4 3.3.4 Penetapan Model Fisika... III - 4 3.3.5 Material (Senyawa Kimia)... III - 5 3.3.6 Proses Iterasi (Running Model)... III - 5 3.3.7 Output... III - 6 3.4 Langkah Pengerjaan dengan Model Difusi Gauss Ganda... III - 6 3.4.1 Perhitungan Ketinggian Cerobong Efektif... III - 7 3.4.2 Perhitungan Koefisien Difusi... III - 8 3.4.3 Hasil Simulasi dengan Model Difusi Gauss Ganda... III - 9 3.5 Diagram Alir Pengolahan Data... III - 10 3.6 Metode Verifikasi Hasil Model... III - 11 BAB IV HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN... IV - 1 4.1 Hasil Simulasi Penyebaran Gas SO2 dengan Model Fluent dan Model Difusi Gauss Ganda terhadap Skenario kelas Stabilitas... IV - 1 4.1.1 Kelas Stabilitas A... IV - 2 4.1.2 Kelas Stabilitas B... IV - 3 4.1.3 Kelas Stabilitas C... IV - 5 vi
4.1.4 Kelas Stabilitas D... IV - 6 4.1.5 Kelas Stabilitas E... IV - 8 4.1.6 Kelas Stabilitas F... IV - 10 4.2 Pembahasan Umum Hasil Simulasi dengan Model Fluent dan Model Difusi Gauss Ganda... IV 11 4.3 Hasil Simulasi untuk y = 0 dan z = 1 pada Model Fluent dan Model Difusi Gauss Ganda.... IV - 14 4.4 Pembahasan Tinggi Cerobong Efektif dengan Model Fluent dan Model Difusi Gauss Ganda.... IV - 14 4.5 Verifikasi... IV 15 BAB V KESIMPULAN... V - 1 5.1 Kesimpulan... V - 1 DAFTAR PUSTAKA... DP-1 LAMPIRAN vii
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1.1 PLTU berbahan batubara milik PT. INDORAMA SYNTHETICS di Jatiluhur, Purwakarta (Sumber : Dokumentasi UKL dan UPL, 2003)... I - 2 Gambar 1.2 Lokasi PLTU PT. INDORAMA SYNTHETICS di Jatiluhur, Purwakarta... I - 5 Gambar 2.1 Pengaruh kekasaran permukaan pada profil kecepatan angin (Sumber : Work dan Warneri, 1981)... II -8 Gambar 2.2 Struktur Dasar Program Model Fluent (Sumber : Manual Fluent, 1996)... II - 9 Gambar 3.1 Geometri simulasi sebagai inputan untuk model Fluent... III - 3 Gambar 3.2 Kondisi operasional simulasi dispersi SO 2 yang digunakan dalam model Fluent... III - 4 Gambar 3.3 Keterangan thermophysical dari senyawa SO 2 dalam model Fluent... III - 5 Gambar 3.4 Inisialisasi solusi model Fluent untuk simulasi dispersi SO 2... III - 6 Gambar 3.7 Diagram Alir Pengolahan Data Tugas Akhir... III - 10 Gambar 4.1 Hasil simulasi untuk kelas stabilitas A dengan model Fluent (kiri) dan dengan Metode Gauss Ganda (Kanan) dengan penampang x,y,z (atas); x,y (tengah) dan x,z (bawah)... IV - 2 Gambar 4.2 Hasil simulasi untuk kelas stabilitas B dengan model Fluent (kiri) dan dengan Metode Gauss Ganda (Kanan) dengan penampang x,y,z (atas); x,y (tengah) dan x,z (bawah)... IV - 3 Gambar 4.3 Hasil simulasi untuk kelas stabilitas C dengan model Fluent (kiri) dan dengan Metode Gauss Ganda (Kanan) dengan penampang x,y,z (atas); x,y (tengah) dan x,z (bawah)... IV - 5 viii
Gambar 4.4 Hasil simulasi untuk kelas stabilitas D dengan model Fluent (kiri) dan dengan Metode Gauss Ganda (Kanan) dengan penampang x,y,z (atas); x,y (tengah) dan x,z (bawah)... IV - 6 Gambar 4.5 Hasil simulasi untuk kelas stabilitas E dengan model Fluent (kiri) dan dengan Metode Gauss Ganda (Kanan) dengan penampang x,y,z (atas); x,y (tengah) dan x,z (bawah)... IV - 8 Gambar 4.6 Hasil simulasi untuk kelas stabilitas F dengan model Fluent (kiri) dan dengan Metode Gauss Ganda (Kanan) dengan penampang x,y,z (atas); x,y (tengah) dan x,z (bawah)... IV - 10 Gambar 4.7 Perbandingan konsentrasi SO2 antara model Fluent dan model difusi gauus ganda... IV - 14 Gambar 4.8 Perbandingan ketinggian cerobong efektif antara model Fluent dan model difusi gauus ganda... IV - 15 ix
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Baku mutu emisi polutan SO 2 yang bersumber dari PLTU Batubara (Sumber : Dokumentasi UKL dan UPL PT. Indorama Synthetics tbk., 2003)... II - 2 Tabel 2.2 Pengaruh konsentrasi Sulfur Dioksida terhadap kesehatan manusia (Sumber : Dokumentasi UKL dan UPL PT. Indorama Synthetics tbk., 2003)... II - 3 Tabel 2.3 Kelas stabilitas udara Berdasarkan gradien temperatur terhadap ketinggian (Sumber : Soenarmo, 1999)... II - 7 Tabel 2.4 Nilai p untuk persamaan profil angin (Sumber : Cooper dan Alley, 1994)... II - 8 Tabel 2.5 Harga konstanta a, c, d dan f untuk menghitung koefisien difusi σ y,σ z sebagai fungsi jarak downwind dan kondisi stabilitas (Sumber : Soenarmo, 1999)..... II - 15 Tabel 4.1 Hasil Verifikasi data simulasi dari model Fluent dan model difusi Gauss Ganda dengan data pengukuran lapangan... IV - 16 x
DAFTAR LAMPIRAN Halaman Gambar L.1.1 Daerah simulasi di sekitar lokasi kegiatan PLTU PT. Indorama Synthetics Tbk.... L.I - 1 Tabel L.1.1 Data Fisik Cerobong PLTU PT. Indorama Synthetics... L.I - 2 Tabel L.1.2 Data Pemakaian Bahan Bakar dan Kadar Sulfur PLTU PT. Indorama Synthetics n... L.I - 2 Tabel L.1.3 Data Temperatur Udara dan Angin (Arah dan Kecepatan) untuk tanggal 31 Oktober 2003 di Lokasi PLTU PT. Indorama Synthetics... L.I - 2 Tabel L.1.4 Data pengukuran lapangan (sumber : Dokumentasi UKL dan UPL PT. Indorama Synthetics tbk., 2003)..... L.I - 2 Tabel L.2.1 Hasil Perhitungan Tinggi Cerobong Efektif (meter)... L.II 1 Tabel L.2.2 Hasil Perhitungan Konsentrasi SO2 untuk y=0 dan z=1 dengan Model Fluent... L.II - 1 Tabel L.2.3 Hasil Perhitungan Konsentrasi SO2 untuk y=0 dan z=1 dengan Model Gauss Ganda... L.II - 1 Tabel L.2.4 Perbedaan hasil simulasi model Fluent dan model difusi Gauss Ganda... L.II - 1 xi
KATA PENGANTAR Alhamdulillah atas rahmat Allah SWT penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir dengan judul Simulasi Penyebaran Gas SO 2 Dengan Model Fluent dan Model Difusi Gauss Ganda (Studi kasus PLTU PT. INDORAMA SYNTHETICS tbk.). Penulisan Tugas Akhir ini bertujuan untuk memenuhi persyaratan dalam menempuh tingkat sarjana di Program Studi Meteorologi ITB. Berkat bimbingan, pengarahan, dan bantuan semua pihak kendala yang penulis hadapi dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini dapat diatasi dengan baik. Maka sudah sepantasnya penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Dra. Sri Hartati Soenarmo, MSP., selaku pembimbing yang telah meluangkan waktu, bantuan, dan dukungan yang begitu besar kepada penulis. 2. Dr. rer. nat. Armi Susandi, MT., selaku Ketua Program Studi Meteorologi ITB. 3. (Alm) Drs. Saryono, MS., selaku wali penulis selama menempuh pendidikan di Program Studi Meteorologi ITB. 4. Orang tua penulis, yang selalu memberikan kasih sayang yang tiada terhingga kepada penulis. Semoga Allah SWT membalas semua kebaikan mereka. 5. Seluruh dosen yang telah memberikan bantuan, bimbingan, saran, dan masukan terhadap penelitian Tugas Akhir ini kepada penulis. 6. Dan semua pihak yang telah membantu penulis selama pengerjaan tugas akhir dan penyusunan laporan tugas akhir yang tidak dapat disebutkan satu persatu. Tulisan ini tentunya tidak luput dari kekurangan dan kekeliruan. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang diajukan oleh pembaca iii
sekalian. Penulis berharap tugas akhir ini dapat berguna untuk pengembangan ilmu pengetahuan khususnya bidang ilmu kebumian. Akhir kata semoga tulisan ini dapat bermanfaat untuk para pembaca umumnya dan penulis khususnya. Bandung, Juni 2008 Penulis iv