SKRIPSI MESIN FLUIDA ANALISA SIMULASI PERFORMANSI WET SCRUBBER TERHADAP FILTRASI PARTIKEL 1-10μm PADA INSTALASI INSINERATOR LIMBAH RUMAH SAKIT OLEH : DAULAT ALI SATRIA PURBA NIM : 050421005 PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009
SKRIPSI MESIN FLUIDA ANALISA SIMULASI PERFORMANSI WET SCRUBBER TERHADAP FILTRASI PARTIKEL 1-10μm PADA INSTALASI INSINERATOR LIMBAH RUMAH SAKIT OLEH : DAULAT ALI SATRIA PURBA NIM : 050421005 PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT, berkat kasih dan hikmat yang diberikan-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini dengan baik. Skripsi ini adalah salah satu syarat yang harus dipenuhi untuk menyelesaikan Program Studi Strata-1 (S1), di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun Skripsi ini diambil dari mata kuliah Mesin Fluida dengan judul Analisa Simulasi Performansi Wet Scrubber Terhadap Filtrasi Partikel 1-10μm pada Instalasi Insinerator Limbah Rumah Sakit. Dalam menyelesaikan Skripsi ini, Penulis banyak mendapatkan bantuan dari berbagai pihak, untuk itu Penulis patut mengucapkan terima kasih kepada : 1. Teristimewa kepada kedua orang tua penulis, Ayahanda Zainuddin Syam P, SP. dan Ibunda Maeka S yang telah membesarkan, memberi kasih sayang, perhatian, serta dukungan baik materil serta spiritual. 2. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc. yang telah meluangkan waktu dan fikiran serta kesabaran dalam membimbing dan mengajar penulis untuk menyelesaikan Skripsi ini. 3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikwansyah Isranuri sebagai Ketua Departemen Teknik Mesin USU, Bapak Tulus Burhanuddin S, ST. MT., sebagai Sekertaris Departemen Teknik Mesin USU. 4. Bapak Ir. Isril Amir sebagai Koordinator Program Pendidikan Sarjana Ekstensi Teknik Mesin USU. i
5. Bapak Ir. Isril Amir dan Bapak Tulus Burhanuddin S, ST. MT. sebagai Dosen Pembanding I dan II, yang telah banyak memberikan arahan dalam penyusunan Skripsi ini. 6. Kedua Kakanda penulis, Parlindungan Ali Sentosa P, ST. dan Monang Ali Wijaya P, ST. serta Adinda Alyani Fadhli P atas dukungan serta motivasinya. 7. Keluarga besar Bapak H. M. Noor. El Husein D, MT atas doa, saran, serta dukungannya. 8. Seluruh Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU, yang telah mengajar, membimbing, serta membantu penulis dalam menyelesaikan administrasi selama diperkuliahan. 9. Seluruh rekan mahasiswa Teknik Mesin USU, khususnya angkatan 2005 PPSE. 10. Terlebih kepada Pimpinan dan Staff IPAL RSU. Pirngadi Medan, yang telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk melakukan survey lapangan dalam menyelesaikan Skripsi ini. Penulis menyadari sepenuhnya bahwa Skripsi ini masih belum sempurna, untuk itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun untuk perbaikan Skripsi ini. Medan, Desember 2009 Daulat Ali Satria P NIM : 050421005 ii
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i DAFTAR ISI... iii DAFTAR GAMBAR... v DAFTAR TABEL... vii DAFTAR GRAFIK... viii DAFTAR NOTASI... ix BAB I PENDAHULUAN 1.1 Tinjauan Umum... 1 1.2 Tujuan Penulisan... 2 1.3 Pembatasan Masalah... 2 1.4 Metodologi Penulisan... 3 BAB II T1NJAUAN PUSTAKA 2.1 Polusi Udara... 4 2.2 Sumber Polusi Udara... 6 2.3 Fasilitas Penanganan Gas Buang... 7 2.3.1 Scrurbber... 7 2.3.2 Instalasi Scrubber... 8 2.3.3 Klasifikasi Scrubber... 10 2.3.3.1 Dry Scrubber... 11 2.3.3.2 Wet Scrubber... 13 2.3.4 Prinsip Kerja Scrubber... 19 2.3.5 Komponen yang Berhubungan dengan Scrubber... 21 2.3.6 Performansi Wet Scrubber... 23
BAB 3 TINJAUAN THERMODINAMIKA 3.1 Analisa Siklus Wet Scrubber... 26 3.1.1 Gas Buang Insinerator... 27 3.1.2 Excess Air Blower... 32 3.1.3 Air Distribusi... 35 BAB 4 ANALISA PERFORMANSI 4.1 Analisa Temperatur... 44 4.2 Analisa Butiran Air dan Partikel... 45 4.2.1 Kecepatan Rata-rata Butiran Air dan Patikel... 49 4.2.1.1 Kecepatan Rata-rata Butiran Air... 49 4.2.1.2 Kecepatan Rata-rata Partikel... 50 4.2.2 Massa Air Evaporasi... 52 4.2.3 Analisa Gaya-gaya pada Butian Air dan Partikel... 55 4.2.3.1 Analisa Gaya-gaya pada Partikel... 57 4.2.3.2 Analisa Gaya-gaya pada Butian Air... 58 4.3 Analisa Absobsi Gas... 62 4.4 Analisa Performansi Filtrasi Partikel... 67 BAB 5 TINJAUAN PENINGKATAN PERFORMANSI BAB 6 KESIMPULAN DAN SARAN 6.1 Kesimpulan... 80 6.2 Saran... 80 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Instalasi Insinerator... 7 Gambar 2.2 Skema Instalasi Insinerator... 8 Gambar 2.3 Skema Proses Insinerasi... 9 Gambar 2.4 Cyclone Separator... 11 Gambar 2.5 Knockout Box... 11 Gambar 2.6 Baghouse... 12 Gambar 2.7 Electrostatic Precipitators (ESPs)... 12 Gambar 2.8 Spray Tower... 13 Gambar 2.9 Irrigate Cyclone Scrubber dan Cyclonic Spray Scrubber... 14 Gambar 2.10 Mechanically Induced Spray Scrubber... 15 Gambar 2.11 Centrifugal-Fan Scrubber... 15 Gambar 2.12 Tray Tower... 16 Gambar 2.13 Venturi Scrubber... 17 Gambar 2.14 Orifice Scrubber... 18 Gambar 2.15 Prinsip Kerja Dry Scrubber... 19 Gambar 2.16 Prinsip Kerja Wet Scrubber... 20 Gambar 2.17 Sentrifugal Fans... 21 Gambar 2.18 Spray Nozzle... 23 Gambar 3.1 Skema Kesetimbangan Sistem... 26 Gambar 3.2 Bagian Sisi Masuk Udara dari Excess Air Blower... 33 Gambar 3.3 Skema Aliran Air Distribusi... 35 Gambar 3.4 Nozzle Air Distribusi... 36 v
Gambar 3.5 Tangki Air Distribusi... 37 Gambar 3.6 Kondisi pada Nozzle... 40 Gambar 4.1 Proses Impaksi Partikel dengan Butiran Air... 43 Gambar 4.2 Proses Diffusi Partikel pada Butiran Air... 43 Gambar 4.3 Skema Kesetimbangan Sistem / Mixing Chamber... 44 Gambar 4.4 Partikel pada Aliran Fluida... 46 Gambar 4.5 Gaya-gaya pada Patikel dan Butiran Air... 56 Gambar 4.6 Total Gaya pada Partikel... 58 Gambar 4.7 Total Gaya pada Butiran Air... 60 Gambar 4.8 Kesetimbangan zat pada proses absorbsi... 63
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Kondisi fluida-fluida yang bersiklus pada scrubber... 41 Tabel 4.1 Re d, C D, dan v butiran air 150-500μm... 50 Tabel 4.2 Re d, C D, dan v partikel 1-10μm... 51 Tabel 4.3 Kecepatan rata-rata pasangan acak butiran air dengan partikel... 52 Tabel 4.4 Massa Air Evaporasi... 55 Tabel 4.5 Gaya total pasangan acak butiran air dengan partikel... 62 Tabel 4.6 Persentase dan Massa Emisi Gas Buang Insinberator... 63 Tabel 4.7 Henry s Law Constant Emisi Gas Buang Insinerator... 66 Tabel 4.8 Efisiensi Absorbsi Emisi Gas Buang Insinerator... 66 Tabel 4.9 Kecepatan Relatif (v td )... 71 Tabel 4.10 Renold Number (Re)... 71 Tabel 4.11 Schmidt Number (Sc)... 71 Tabel 4.12 Rasio Diameter partikel dengan butiran air (κ)... 72 Tabel 4.13 S * untuk Nilai Stoke Number (St)... 72 Tabel 4.14 Stoke Number (St)... 72 Tabel 4.15 Efisiensi Difusi untuk Pasangan Acak Partikel dengan Butiran Air... 73 Tabel 4.16 Efisiensi Intersepsi untuk Pasangan Acak Partikel dengan Butiran Air. 73 Tabel 4.17 Efisiensi Impaksi untuk Pasangan Acak Partikel dengan Butiran Air... 73 Tabel 4.18 Total Efisiensi untuk Pasangan Acak Partikel dengan Butiran Air... 74 Tabel 5.1 Kecepatan Relatif (v td ) untuk peningkatan v g 50%... 77 Tabel 5.2 Renold Number (Re) untuk peningkatan v g 50%... 77 Tabel 5.3 Stoke Number (St) untuk peningkatan v g 50%... 78 Tabel 5.3 Total efisiensi (η d ) untuk peningkatan v g 50%... 78
DAFTAR GRAFIK Grafik 3.1 Faktor Kelebihan Udara... 28 Grafik 4.1 Fungsi efisiensi berdasarkan ukuran partikel 1-10μm... 74 Grafik 4.2 Fungsi efisiensi berdasarkan ukuran butiran air 150-500μm... 75 Grafik 5.1 Fungsi efisiensi berdasarkan ukuran partikel 1-10μm untuk v g 50%... 78 Grafik 5.2 Fungsi efisiensi berdasarkan ukuran butiran air 150-500μm untuk v g 50% 79
DAFTAR NOTASI Simbol Keterangan Satuan A Luas Penampang m 2 AFR Rasio Bahan Bakar dengan udara a Kecepatan suara m/s C c C D Cunningham Slip Correction Faktor Drag koefisien c p Kalor spesifik tekanan konstan kj/kg o K c v Kalor spesifik volume konstan kj/kg o K D Koefisien diffusivitas m 2 /s d d Diameter butiran air m d p Diameter partikel m F D Drag Force N F f Frictional Drag N F p Form Drag N g Gaya grafitasi m/s 2 HV Heating Value kj/kg M Massa Molar kg/kmol o m Laju aliran massa kg/s P Tekanan kpa R Konstanta Gas Universal kj/kg o K Re Sc Renold number Schmidt Number
St T Stoke Number Temperatur o K T Temperatur rata-rata o K U sd kecepatan relatif butiran air terhadap aliran gas m/s U si kecepatan rata-rata partikel pada aliran gas m/s v Kecepatan aliran fluida m/s v td Kecepatan relatif burtiran air pada gas m/s v Kecepatan rata-rata m/s v Viskositas kinematik m 2 /s o V Laju aliran volume m 3 /s W Gaya Berat N y λ η Fraksi massa Faktor udara lebih Efisiensi γ Berat spesifik kn/m 3 ρ Densitas kg/m 3 μ Viscositas absolut Pa.s η Efisiensi % η d Single Drop Eficiency % κ ω Rasio Densitas Rasio Viscositas