ANALISA ALIRAN FLUIDA PADA MIXING CRUDE OIL...

1

ANALISA ALIRAN FLUIDA PADA MIXING CRUDE OIL STORAGE TANK DENGAN CFD

Fachruddin Ali 1) , Irfan Syarif Arief ST, MT 2) , Ir. Toni Bambang M, PGD 2)

1)Mahasiswa Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan ITS 2)Dosen Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan ITS

ABSTRACT

This study relates to the influence of fluid flow on the mixing crude oil in a stirred tank is so influential in the time required in mixing to avoid precipitation ( mixing time ). The complexity of the flow to be part of global change flow patterns from one type to another type, alternately in a large scale. Because of this, can provide a significant effect on the performance of mixing. In this study using simulations based on Computational Fluid Dynamics (CFD) using the model of Large Eddy Simulation (LES) with multiphase flow modeling using mixture models. The study was conducted in a cylindrical tank with flat bottom (flat bottomed cylindrical tanks) with a diameter of 10 m and a Pitch Blade Turbine ( PBT ) with a diameter of 3 m which is equipped with a baffle width of each - each baffle of 1 / 12 H wall-mounted symmetrically in the vertical direction. Simulations performed by the method of unsteady with 27 variations (3 variable blade angle 30 ᴼ, 45 ᴼ and 60 ᴼ, 3 variable number of baffles with the use of 0, 2 and 4 and 3 variable speed rotating impeller 150.200 and 250 rpm) and used the number of iterations as much as 60 times for every 10 time step. From the simulation results, to get the mixing time with achieve homogenity, then the approach contained in the Use of Number of Baffle as much as 4 to 60 ᴼ Angle impeller (150 rpm). Keywords: Pitch Blade Turbine ( PBT ), Large Eddy Simulation ( LES ), Mixture Model, Fluid flow, Mixing Time. PENDAHULUAN Industri Minyak merupakan suatu industri yang sangat vital untuk menyokong industri-industri yang lain baik secara langsung maupun tidak langsung. Secara umum, proses yang berlangsung dalam pengolahan minyak dapat digolongkan menjadi 5 bagian, salah satunya adalah proses mixing. Minyak mentah yang baru dipompa, memiliki karakteristik fluida yang berbeda-beda ( misalnya : densitas, viskositas, titik didih rata-rata, dll ) dari tiap sumur pengeboran. Agar dapat dimanfaatkan secara optimal, minyak mentah tersebut harus diproses terlebih dahulu. Karena minyak mentah merupakan campuran yang amat kompleks yang tersusun dari berbagai senyawa hidrokarbon. Di dalam proses mixing terjadi percepatan perpindahan panas, baik yang disertai atau tidak disertai reaksi kimia yang telah banyak diteliti oleh para peneliti terdahulu , Zwietering ( 1958 )[12]. Hal ini dapat terjadi karena pengaruh pengaduk yang mengubah energi mekanis tersebut menjadi energi kinetik. Selanjutnya, energi kinetik ini menimbulkan sirkulasi aliran fluida dan pusaran aliran di ujung blade yang mengakibatkan terjadinya proses pencampuran. Adapun tujuan dari proses mixing ini adalah untuk menghasilkan keseragaman statis ataupun dinamis pada sistem multi fase, memfasilitasi perpindahan massa atau energi di antara bagian – bagian dari sistem yang tidak seragam, menunjukkan perubahan fasa pada sistem multi komponen

dengan atau tanpa perubahan komposisi. Sedangkan Faktor - faktor yang mempengaruhi proses pengadukan dan pencampuran (proses mixing) diantaranya ialah jenis pengaduk, kecepatan putar pengaduk, ukuran serta perbandingan ( proporsi ) tangki, sekat dan agitator serta karakteistik fluida. Pada penelitian – penelitian sebelumnya masih banyak permasalahan yang belum terselesaikan yang berhubungan dengan apa yang terjadi pada skala partikel. Contohnya dalam hal perpindahan massa dan panas, beban mekanis pada partikel hasil dari benturan partikel – partikel dan partikel dengan pengaduk dan bagaimana adanya partikel dapat mempengaruhi pola aliran secara local dan global pada tangki seperti struktur pusaran disekitar pengaduk, kebutuhan tenaga, sirkulasi dan waktu pencampuran makro ( macro – mxing time ) dan distribusi kuantitas turbulen ( Derkesen, 1999 )[2]. Pilpala dan Mukhlas ( 2007 )[10] menunjukkan adanya perubahan pola aliran fluida menyebabkan distribusi konsentrasi padatan tidak merata dan akan menambah lama waktu pengadukan jadi hasilnya tidak optimal. Dengan diketahuinya aliran dan kecenderungan hidrodinamika dalam tangki berpengaduk diharapkan dapat diprediksi mixing time yang selanjutnya dapat digunakan untuk mendesain peralatan mixing. TINJAUAN PUSTAKA Pola Alir Liquid Impeller Pitch Blade Turbine ( PBT ) adalah tipe impeller dengan aliran aksial, sirkulasi aliran beroperasi secara pumping down dan pumping up yang mana seringkali digunakan. Menurut Nurtono,et,al ( 2009 )[9]. Aliran yang dihasilkan oleh pumping down PBT terdapat tiga pola aliran yang dikenali yaitu: 1. Double Circulation ( DC )

Pada Pola DC terdapat dua circulation loops, yang utama melalui daerah dintara blades dan yang kedua dekat dengan dasar tangki. Pola ini dipertimbangkan sebagai aliran rata – rata dari impeller PBT. Dua loops dihasilkan dari jet yang diinduksi oleh impeller, mengenai dinding yangki dibawah ketinggian impeller sebelum akhirnya terpisah menjadi dua aliran. Satu langsung turun dan dipantulkan oleh dasar tangki, menjadi loop kedua. Aliran lain bergerak secara aksial mendekati dinding samping dari tangki, dan kemudian kembali pada impeller shaft, mengalir turun menuju impeller menjadi loop utama.

2. Full Circulation Discharge ( FC ) Pada Pola FC menggambarkan dimana impeller menghasilkan pumping down circulation loop yang hampir terjadi diseluruh tangki.

3. Main Circulation Interaction ( IP ) Pada Pola IP menggambarkan aliran yang berpotongan melalui sumbu axis dari tangki. Bagian dari loop kedua yang mengalir diatas dasar tangki berpotongan terhadap boundary diantara loop utama dan kedua pada sisi yang berseberangan.

2

Parameter Hidrodinamika dalam Tangki Berpengaduk Menurut Geankoplis ( 2003 )[8], dalam suatu peningkatan skala pada tangki berpengaduk, jika kesamaan geometrik peralatan skala kecil ke skala besar dipertahankan pada kondisi yang sama , maka bagian – bagian yang relevan dengan perilaku cairan dalam tangki berpengaduk adalah tenaga yang digunakan untuk agitasi ( P ) dan kecepatan putar pengaduk ( N ). Konsumsi energi oleh tangki berpengaduk digambarkan dengan Bilangan Power ( Power Number ). Bilangan Power merupakan bilangan yang tak berdimensi yang diperoleh dengan persamaan:

Np = P /ρ N3 Dt5 ( 1 )

Dimana :

Np = Bilangan Power (Power Number)

P = Tenaga eksternal dari agitator ( J/detik )

Ρ = Densitas cairan dalam tangki (kg/m3)

N = Kecepatan agitasi (Rpm)

Dt = Diameter pengaduk (m )

Pergerakan cairan di dalam tangki berpengaduk dapat digambarkan dengan bilangan tak berdimensi lain, yaitu bilangan reynolds ( N Re ). Bilangan Reynolds merupakan rasio antara inersia dengan kekentalan. Bilangan Reynolds ( N Re ) didefinisikan sebagai berikut : N Re = ρ N D2 /η ( 2 ) Dimana : N Re = Bilangan Reynolds η = Kekentalan ( kg/m.detik) Ρ = Densitas cairan dalam tangki ( kg/m3) N = Putaran Pengaduk (Rpm) Dt = Diameter pengaduk ( m ) Angka Aliran merupakan Fungsi dari ukuran relatif impeller dan tangki. Angka Aliran dapat didefinisikan dengan persamaan berikut : 𝑁𝑄 = 𝑞

𝑛𝐷𝑎3 ( 3 )

Untuk rancangan bejana aduk bersekat, disarankan nilai – nilai berikut: • Untuk Propeller Kapal 13 b ( jarak – bagi bujur sangar )

NQ = 0,5 • Untuk Turbin 4- daun 45ᴼ 13 b ( W/Dt = 1/6 )

NQ = 0,87 • Untuk Turbin rata 6-daun 16 ( W/Dt = 1/5)

NQ = 1,3 Dimana : NQ = Angka Aliran Q = Laju Aliran Volumetrik Dt = Diameter Pengaduk W = Lebar Daun Pengaduk N = Putaran Pengaduk (Rpm)

Bilangan tak berdimensi ini menunjukkan perbandingan antara gaya inersia dengan gaya gravitasi. Bilangan Fraude dapat dihitung dengan persamaan berikut : 𝐹𝑟 = 𝑉2

𝐷.𝑔= ( 𝑁𝐷)2

𝐷.𝑔= 𝑁

2𝐷𝑔

( 4 ) Dimana: Fr = Bilangan Fraude N = Kecepatan putaran pengaduk (Rpm) D = Diameter pengaduk G = Percepatan gravitasi (m/s2) Bilangan Fraude bukan merupakan variabel yang signifikan. Bilangan ini hanya diperhitungkan pada sistem pengadukan dalam tangki tidak bersekat. Pada sistem ini bentuk permukaan cairan dalam tangki akan dipengaruhi gravitasi sehingga

membentuk pusaran ( vortex ). Vorteks menunjukkan keseimbangan antara gaya gravitasi dengan gaya inersia. Menurut Galletti et al. (2004)[3] hubungan antara Bilangan Power ( Np ) dengan Bilangan Reynolds ( N Re ) biasanya digunakan untuk menggambarkan hubungan antara konsumsi energi dengan kecepatan pengadukan. Hubungan ini digambarkan dalam bentuk kurva tenaga ( power – curve ). Kurva ini diperoleh dengan cara memplotkan nilai – nilai Np dan N Re berdasarkan data hasil percobaan yang meragamkan nilai kecepatan pengaduk ( N ), diameter pengaduk ( D ), densitas (Ρ ), dan viskositas (η ) cairan pada tiap – tiap pengaduk yang mempunyai kesamaan geometrik tertentu. Berdasarkan nilai Bilangan Reynolds diperoleh tiga pola aliran, yaitu : 1) Aliran Laminer ( viscous flow ), pada N Re < 10 ( aliran

didominasi oleh tingginya kekentalan cairan ). 2) Aliran transisi ( transient ) pada N Re 10 - 104 3) Aliran turbulen ( turbulent flow ) pada N Re > 104 (

pencampuran terjadi lebih cepat )

Kurva hubungan antara Bilangan Power ( Np ) dan bilangan Reynolds ( N Re ) untuk berbagai jenis pengaduk dapat dilihat pada gambar dibawah ini

Gambar 1. Kurva hubungan Bilangan Power ( Np ) dan

Bilangan reynolds ( N Re ) untuk beberapa jenis pengaduk pada tangki berbaffle (a) Propeller, (b) Flat-blade turbines, (c) Disk Flat – blade, (d) Curved – blade turbines, (e) Pitched –Blade

turbines, (f) Flat-blade turbines tidak berbaffle ( Treybal, 1985 )

Waktu pencampuran (mixing time) adalah waktu yang dibutuhkan sehingga diperoleh keadaan yang homogen untuk menghasilkan campuran atau produk dengan kualitas yang telah ditentukan.Sedangkan laju pencampuran (rate of mixing) adalah laju dimana proses pencampuran berlangsung hingga mencapai kondisi akhir. Pada operasi pencampuran dalam tangki berpengaduk, waktu pencampuran ini dipengaruhi oleh beberapa hal : 1. Yang berkaitan dengan alat, seperti :

• Ada tidaknya baffle atau cruciform vaffle. • Bentuk atau jenis pengaduk (turbin, propele,

padel). • Ukuran pengaduk (diameter, tinggi). • Laju putaran pengaduk. • Kedudukan pengaduk pada tangki, seperti :

a. Jarak pengaduk terhadap dasar tangki. b. Pola pemasangan :

- Center, vertikal. - Miring (inclined) dari atas. - Horizontal.

c. Jumlah daun pengaduk. d. Jumlah pengaduk yang terpasang pada poros

pengaduk.

3

2. Yang berhubungan dengan cairan yang diaduk : • Perbandingan kerapatan atau densitas cairan yang

diaduk. • Perbandingan viskositas cairan yang diaduk. • Jumlah kedua cairan yang diaduk. • Jenis cairan yang diaduk (miscible, immiscible).

Waktu pencampuran dapat diperkirakan dari korelasi mengenai aliran total yang dihasilkan dari berbagai jenis impeller. Untuk turbin

𝑞 = 0,92 𝑛𝐷𝑎 3 (𝐷𝑡𝐷𝑎

) ( 5 )

tT≈5𝑉𝑞

= 5 𝜋 𝐷𝑡2𝐻4

10,92 𝑛𝐷𝑎2𝐷𝑡

( 6 )

atau 𝑛𝑡𝑇( 𝐷𝑎𝐷𝑡

)2 �𝐷𝑡𝐻� = konstan = 4,3 ( 7 )

Waktu pencampuran akan jauh lebih besar bila angka Reynolds berkisar antara 10 sampai 1.000 walaupun konsumsi daya tidak banyak berbeda daripada keadaan turbulen. Faktor waktu pencampuran dapat disusun kembali untuk menunjukkan bagaimana perbedaannya dari yang diramalkan untuk rejim turbulen

𝑓𝑡 =𝑡𝑇(𝑛𝐷𝑎2)2/3𝑔1/6

𝐻1/2𝐷𝑡= 𝑛𝑡𝑇(

𝐷𝑎𝐷𝑡)3/2(

𝐷𝑡𝐻 )1/2(

𝑔𝑛2𝐷𝑎)3/2

( 8 )

Gambar 2. Korelasi waktu untuk zat cair mampu campur

didalam bejana dengan pengaduk turbin ( Menurut Norwood dan Metzner ).

Menurut André Bakker dalam “ Blend Times in Stirred Tanks ( Reacting Flows - Lecture 9 )”. Evaluasi kinerja pencampuran: 1. Metode untuk mengevaluasi kinerja pencampuran:

− Karakterisasi homogenitas. − Blending time.

2. Metode umum untuk mengkarakterisasi homogenitas: − Keseragaman Visual. − Kuantitatif perubahan dalam konsentrasi lokal sebagai

fungsi waktu. − Kajian statistik seketika tentang distribusi spasial dari

spesies. • Rata-rata konsentrasi. • Minimum dan maksimum. • Standar deviasi dalam konsentrasi. • Koefisien variasi CoV = standar deviasi /

rata-rata.

CFD ( Computational Fluid Dynamic ) CFD merupakan analisa sistem yang melibatkan aliran fluida, perpindahan panas, dan fenomena yang terkait lainya 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 sesua, 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. Large Eddy Simulation ( LES ) LES merupakan metode komputasi dimana pusaran besar dihitung dan yang kecil dimodelkan dengan subgrid scale (SGS). Yang perlu digaris bawahi adalah pusaran besar secara langsung dipengaruhi oleh kondisi batas, sebagian besar mempengaruhi Reynolds stress dan harus diselesaikan. Turbulensi skala kecil adalah yang terlemah, kurang mempunyai kontribusi terhadap Reynold stress. Selain itu lebih mendekati isotropic dan mempunyai karakteristik universal, sehingga lebih cocok dimodelkan.Karena LES meliputi permodelan smallest eddy ( pusaran terkecil ), finite – difference cell yang terkecil dapat lebih besar dari pada kolmogorov length, dan dapat mencapai time step yang jauh lebih besar dari pada yang bisa dicapai Direct Numerical Simulation ( DVS ). Oleh karena itu, untuk biaya komputasional yang diberikan, akan lebih mudah untuk mencapai bilangan Reynolds yang lebih tinggi bila digunakan LES dibandingkan dengan DNS, dengan kata lain untuk bilangan Reynolds yang dapat diselesaikan dengan biaya yang lebih murah. Permodelan Pengaduk 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 dibatai oleh sebuah “ slipping plane “. Untuk suatu tangki pencampur yang dilengakapi impeller, dapat didefinisikan suatu kerangka acuan yang berputar ( rotating reference frame ) yang melibatkan impeller dan aliran di sekitarnya, dan menggunakan kerangka diam ( stationary frame ) untuk aliran di luar impeller. Contoh dari konfigurasi ini dapat diilustrasikan pada gambar dibawah ini ( garis putus – putus menunjukkan interface antara dua kerangka acuan METODOLOGI Sistem yang Dipelajari Pembuatan sistem dalam penelitian ini, menggunakan peranti lunak ANSYS 13. Untuk permodelan geometri menggunakan Design Modeler dengan penentuan grid dan jumlah node menggunakan Meshing dan perhitungan iterasi simulasi CFD menggunakan FLUENT.

Gambar 3. Bentuk Tangki Berpengaduk

4

Tabel 1. Rincian Dimensi Tangki

Tabel 2. Karakteristik Fluida

Material Density Spesific Heat

Thermal Conductivity

Viscosity

kg/m³ j/Kg.K w/m.K Kg/m.s

Fluid

CO 1.1233 0.025 1.75E-05

C3H8 1.91 0.0177 7.95E-06

C3H6 1.7 0.0168 8.70E-06

O2 1.2999 0.0246 1.92E-05

CH4 0.6679 0.0332 1.09E-05

H2S 1.46 0.0134 1.20E-05

C2H4 1.137 0.0214 1.03E-05

C2H6 1.263 0.0207 9.29E-06

N2 1.138 0.0242 1.66E-05

Material Density Spesific Heat

Thermal Conductivity

Electrical Conductivity

kg/m³ j/Kg.K w/m.K 1/Ohm.m

Solid

Steel 8030 502.48 16.27 8330000

Kondisi Batas Kondisi batas yang digunakan untuk sistem yang dipelajari antara lain : 1. Dinding Tangki dan dasar tangki dianggap sebagai wall

dimana Interfacenya dengan liquid didekati dengan no slip condition.

2. Shear stress pada dinding didekati dengan model standart wall function.

3. Poros pengaduk ( Shaft ) dianggap sebagai impermeable moving wall.

4. Pengaduk digambarkan seperti bentuk aslinya, dianggap sebagai moving wall dimana interfacenya dengan liquid didekati dengan no slip condition.

5. Interface antara permukaan liquid dengan udara luar didekati dengan kondisi no shear dan dianggap datar.

6. Pergerakan pengaduk dimodelkan dengan sliding mesh. 7. Fluida dibagi menjadi dua bagian yaitu zona diam (

stationary zone ) dan zona bergerak ( moving zone )

Gambar 4.Penentuan Kondisi Batas pada tangki

Bidang Pengamatan

Bidang yang diamati pada Tugas Akhir ini adalah 2 posisi kemiringan

Gambar 5. Bidang Pengamatan Tangki ( Tampak Atas )

ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN Identifikasi Aliran Fluida

( a ) ( b )

( c ) ( d )

Variabel Tetap 1 Tangki

Diameter ( Dt ) 10 m Tinggi Fluida ( H ) 10 m Lebar Baffle ( J ) 0.83 m

Jarak Propeller dari dasar tangki ( C ) 3 m

2 Pengaduk Berjenis Pitch Blade Turbine Jumlah Blade 4 daun Tebal Blade 5 cm Lebar Balde ( W ) 0.75 m Diameter Blade ( D ) 3 m Posisi Blade Center Vertikal Diameter Shaft ( B ) 0.3 m

Variabel berubah

1 Sudut Blade (α ) 30ᴼ, 45ᴼ dan 60ᴼ

2 Kecepatan Putar Pengaduk ( N ) 150,200 dan 250 Rpm

3 Baffle 0, 2 dan 4

Shaft sebagai Impermeable moving wall

Interface Dinding dan Dasar tangki

dianggap sebagai Wall

( No slip Condition )

Interface

Shaft sebagai Impermeable moving wall

Bidang Pengamatan 1

Bidang Pengamatan 2

5

( e ) ( f )

Gambar 6. Pola Aliran Fluida pada bidang pengamatan 1 (Baffle 2, Sudut Impeller 30ᴼ dan kecepatan Putar 150 Rpm)

(a) Pada Detik 10, (b) Pada Detik 20, (c) Pada Detik 30, (d) Pada Detik 40, (e) Pada Detik 50, (f) Pada Detik 60.

Pada Baffle 0

Gambar 7. Arah Aliran Fluida pada Baffle 0

( Tampak Samping )

Dari gambar diatas dapat terlihat pola aliran pada Baffle 0 ialah Pola aliran berjenis Lain. Hal ini disebabkan karena aliran fluida tidak merata diseluruh tangki dan banyak terjadi di sekitar shaft dan impeller. Sehingga pada Baffle 0 dapat menimbulkan pusaran ( vortex ) yang menghambat laju homogenisasi.

Pada Baffle 2


(Tampak Samping)

Dari gambar diatas dapat terlihat pola aliran pada Baffle 2 ialah Pola aliran berjenis Main Circulation Interaction ( IP ). Aliran bergerak dari impeller menuju ke bagian dasar tangki yang kemudian melalui sumbu axis dari tangki. Bagian dari loop kedua yang mengalir diatas dasar tangki berpotongan terhadap boundary diantara loop utama dan kedua pada sisi yang berseberangan.. Pada sisi yang tidak terdapat sekat terjadi pusaran aliran yang saling berpotongan.

Pada Baffle 4


(Tampak Samping)

Dari gambar diatas dapat terlihat pola aliran pada Baffle 4 ialah Pola aliran berjenis Full Circulation ( FC ). Hal ini disebabkan karena aliran fluida hampir merata diseluruh tangki. Aliran fluida bergerak dari bawah ke atas secara teratur di celah sekat. Sehingga dalam hal pencampuran, zat didalamnya tercampur dengan baik. Identifikasi Nilai Densitas

( a ) ( b )

( c ) ( d )

( e ) ( f )

Gambar 10. Contour Densitas pada bidang pengamatan 1 (Baffle 2, Sudut Impeller 30ᴼ dan kecepatan Putar 150 Rpm)

(a) Pada Detik 10, (b) Pada Detik 20, (c) Pada Detik 30, (d) Pada Detik 40, (e) Pada Detik 50, (f) Pada Detik 60.

6

Pada Baffle 0

Gambar 11. Iso Surface Densitas pada Baffle 0

Gambar 12. Grafik Perbandingan Time dengan Densitas

( Statiz Zone pada Baffle 0 )

Gambar 13 Grafik Perbandingan Time dengan Densitas

( Moving Zone pada Baffle 0 )

Dari Gambar diatas dapat dilihat bahwa Nilai Densitas tidak memenuhi dari nilai yang ditentukan. Hal ini dikarenakan pada Baffle 0, terjadi vortex yang dipengaruhi oleh aliran fluida yang terjadi. Sehingga pada Baffle 0 membutuhkan waktu yang lama untuk mencapai homogenitas dari campuran tersebut.

Pada Baffle 2






Dari Gambar diatas dapat dilihat bahwa Nilai Densitas tidak memenuhi dari nilai yang ditentukan. Sehingga pada Baffle 2 perlu membutuhkan waktu yang lama untuk mencapai homogenitas campuran tersebut

7

Pada Baffle 4




Gambar 19 Grafik Perbandingan Time dengan Densitas


Dari Gambar diatas dilihat bahwa memiliki nilai Densitas yang sama pada Moving Zone dan Static Zone. Dengan nilai densitas 1.2367 kg/m³, maka yang mendekati terdapat pada Penggunaan Jumlah Baffle sebanyak 4 dengan Sudut impeller 30° ( 150 Rpm ), Sudut impeller 45° ( 250 Rpm ), dan Sudut impeller 60° ( 150 Rpm ). Hal ini disebabkan karena pada Baffle 4 dapat menghindari pusaran aliran. Selain itu dengan inovasi berupa lubang pada bagian sekatnya dapat menjangkau zat yang terletak pada bagian tepi sekat sehingga dapat tercampur dengan baik. ( b )

Dilhat dari Pressure

( a ) ( b )

Gambar 20. (a ) Iso Surface Pressure pada Baffle 0 ( b ) Pressure pada Bidang Pengamatan 1 pada Baffle 0

( a ) ( b )


( a ) ( b )


Gambar 23 Grafik Perbandingan Rpm dengan Pressure

( Static Zone pada detik ke - 60 )

8

Gambar 24 Grafik Perbandingan Rpm dengan Pressure

(Moving Zone pada detik ke - 60 )

Dari Gambar diatas dapat dilihat bahwa terdapat kesamaan pressure pada Moving Zone dan Static Zone. Jika dilihat nilai pressure dari beberapa variasi, maka ditemukan bahwa pada Baffle 0 nilai tekanan lebih besar dibandingkan dengan Baffle 4. Pada Baffle 0 tekanan terjadi di bagian tepi tangki berpengaduk. Hal ini dikarenakan pada bagian tersebut tanpa adanya sekat terjadi pusaran aliran yang menyebabkan tekanan membesar. Dibandingkan dengan Baffle 4 yang mana dengan sekat tekanan hampir terjadi di bagian yang bersekat dan saling berpotongan. Sehingga hampir terjadi di seluruh area tangki berpengaduk. Dilihat dari Reaksi

( a ) ( b )

Gambar 25. (a ) Iso Surface Reaksi pada Baffle 0 ( b ) Reaksi pada Bidang Pengamatan 1 pada Baffle 0

( a ) ( b )

Gambar 26 (a ) Iso Surface Reaksi pada Baffle 2 ( b ) Reaksi pada Bidang Pengamatan 1 pada Baffle 2

( a ) ( b )

Gambar 27 (a ) Iso Surface Reaksi pada Baffle 4 ( b ) Reaksi pada Bidang Pengamatan 1 pada Baffle 4

Gambar 28. Grafik Perbandingan Rpm dengan Reaksi

(Static Zone pada detik ke - 60 )

Gambar 29. Grafik Perbandingan Rpm dengan Reaksi

(Moving Zone pada detik ke - 60 )

Dari Gambar diatas dapat dilihat bahwa nilai phase 1 pada static zone lebih besar dibandingkan dengan moving zone. Static zone pada Rpm 150 lebih merata dibandingkan dengan putaran lainnya. Sedangkan pada moving zone tidak merata. Terlihat pada detik 60, pada baffle 4 fase lebih merapat dibandingkan dengan Baffle 0 serta memiliki kesamaan nilai didaerah static dan moving zone berkisar 9.40E+14 kgmol/m3-s. Dilihat dari Volume Fraction

( a ) ( b )

9

( c )

Gambar 30. Iso Surface Volume Fraction (a ) Pada Baffle 0 ( b ) Pada Baffle 2 ( b ) Pada Baffle 4

Dari Gambar diatas dapat disimpulkan bahwa pada Gambar (a ) Masih belum terjadi pencampuran. Hal ini dapat dilihat pada iso surface pada Baffle 0 detik ke 60, contur yang dihasilkan masih sama. Pada Gambar ( b ) terjadi pencampuran atau dikatakan mengalami disperse dengan baik. Hal ini dapat dilihat pada iso surface pada Baffle 2 detik ke 60, muncul gumpalan – gumpalan fraksi yang saling menyerap antar molekul. Sedangkan Pada Gambar ( c ) terjadi pencampuran atau dikatakan mengalami disperse dengan baik dibandingkan yang tanpa menggunakan Baffle dan dengan Baffle 0 . Hal ini dapat dilihat pada iso surface pada Baffle 4 detik ke 60, lebih banyak muncul gumpalan – gumpalan fraksi yang saling menyerap antar molekul. Karena dengan demikian, merupakan salah satu faktor yang perlu diamati dalam mencapai homogenitas.

Dilihat dari Molecular Viscocity

( a ) ( b )

( c )

Gambar 31. Iso Surface Molecular Viscocity (a ) Pada Baffle 0 ( b ) Pada Baffle 2 ( b ) Pada Baffle 4

Dari Gambar diatas dapat disimpulkan bahwa pada Gambar (a) Nilai Viscocity yang dihasilkan masih besar yaitu berkisar 0.00001268 kg.m/s. Pada Gambar ( b ) Nilai Viscocity yang dihasilkan 0.00001247 kg.m/s. Sedangkan Pada Gambar ( c ) Nilai Viscocity yang dihasilkan 0.00001233 kg.m/s. Hal ini diakibatkan dalam proses mixing terjadi percepatan perpindahan panas, yang disertai reaksi kimia Hal ini dapat terjadi karena pengaruh pengaduk yang mengubah energi mekanis tersebut menjadi energi kinetik. Sehingga dalam hal ini perpindahan panas pada Baffle 4 lebih besar dibandingkan dengan yang tanpa Baffle dan yang menggunakan Baffle 2.

PENUTUP Kesimpulan Berdasarkan hasil simulasi dan pembahasan yang telah dilakukan, dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : • Kompleksitas aliran dari pola alir satu ke tipe yang lain

secara bergantian dalam skala yang besar, dapat memberikan efek yang signifikan pada kinerja pengadukan. Hal ini terlihat pada pemakaian Baffle 0 : Pola FC=19%, Pola IP=28%, Pola DC=9%, dan Pola Lain=44% , Baffle 2 : Pola FC=31%, Pola IP=32%, Pola DC=11% dan Pola Lain=25% sedangkan pada pemakaian Baffle 4: Pola FC=69%, Pola IP=1%, Pola DC=5% dan Pola Lain=26%.

• Dari variasi – variasi yang telah dilakukan, untuk mendapatkan nilai homogenitas dengan mixing time yang cepat, maka digunakan Baffle 4 dengan sudut Impeller 60ᴼ dan Kecepatan Putar 150 Rpm. Dikarenakan pada aliran fluida cenderung hampir terjadi diseluruh tangki dengan pola FC. Sehingga mempengaruhi tekanan dalam tangki berpengaduk yang menyebabkan tekanan yang dhasilkan lebih merata dan tidak terlalu besar dari pada pada Baffle 0 dan 2. Pada reaksi fase 1 dan fase 2 di static dan moving zone memiliki nilai kesamaan pada detik ke-60 berkisar 9.40E+14 kgmol/m3-s, serta lebih banyak muncul gumpalan – gumpalan fraksi yang saling menyerap antar molekul. Karena dengan demikian, merupakan salah satu faktor yang perlu diamati dalam mencapai homogenitas.

Saran Adapun saran yang ingin penulis berikan melalui penulisan tugas akhir ini antara lain : • Untuk meneliti secara mendalam tentang tangki

berpengaduk yang berkaitan dengan mixing time, diperlukan analisa lebih lanjut dari beberapa aspek lainnya seperti : membandingkan beberapa model tipe impeller dan off bottom clereance ( C ).

• Untuk mendapatkan data yang akurat diperlukan time step yang lebih banyak dan iterasi yang lebih kecil.

• Perlu penambahan dalam memperhitungkan dari segi biaya produksi dan operasional. Kerena dengan demikian, maka akan didapatkan model tangki berpengaduk yang efektif dan efisien.

DAFTAR PUSTAKA 1.Bakker, A,Fasano, J.B,Myers, K.J, Effects of flow Pattern on

the Solids Distribution in a Stirred Tanks, The Online CFM Book at http://www.bakker.org/cfm,1998.

2.Derkesen, J. J., Doelman, M. S., and Van den Akker, H. E.A., 1999, “ Three - Dimensional LDA Measurements in the Impeller Region of a Turbulently Stirred Tank,” Exp. Fluids, 27, pp. 522–532.

3.Galletti, C., Paglianti, A. Lee, K.C. Yianneskis, M., 2004, “ Reynolds Number and Impeller Diameter Effect on Instabilities in Stirred Vessles, AlChe Journal, 50, pp.2050 – 2063.

4.Ika Putri W., Cahyanto Mufti, 2008, “ Makroinstabilitas (MI) dalam Tangki Berpengaduk Single Fan Turbine Multifasa ( Solid – Liquid )”, Teknik Kimia - ITS, Surabaya.

5.Inra Sumahamijaya, Achmad Dzakil Fikri, 2010, “Makroinstabilitas (MI) dalam Tangki Berpengaduk dengan 6 Blade 45ᴼ Pitch Blade Turbine untuk

http://www.bakker.org/cfm,1998�

10

suspense ( Solid - Liquid ) ”, Teknik Kimia - ITS, Surabaya.

6.Kresta, S.M., Wood, P.E., 1993, “ The Flow Field Produced by Pitched Blade Turbine : Characterization of The Dissipation Rate, Chem. Eng. Sci 48, p 1761 – 1774.

7.Marshall, E.M.Bakker, A. Computational Fluid Mixing, Fluent Inc. Lebanon, New Hampshire, USA Reprinted, with changes, from the Handbook of Industrial Mixing, sponsored by the North American Mixing Forum, edited by Edward L.Paul, Victor Atiemo-Obeng, and Suzanne m. Kresta, to be published by Joh Wiley and Sons in Spring of 2003, copyright © 2003 john Wiley and Sons, Inc.

8.McCabe L. Warren, Smith C Julian, dan Harriot Peter, 1991,“ Operasi Teknik Kimia ”, Erlangga, Jakarta.

9.Nurtono. T, H. Setyawan, A. Altway, S. Winardi, 2009, “Macroinstability Characteristic in Agitated Tank Based On Flow Visualization Eksperiment and Large Eddy Simulations “, Chemichal Engineering Research and Design, Accepted for Publication.

10.Pilpala, R.S., Mukhlas A.N., 2007, “Analisa MI dalam Tangki Berpengaduk untuk Suspensi Padat – Cair “, Teknik Kimia – ITS, Surabaya.

11.Rizhkov D. Annisa, Renita Permata Sari, 2008, “Makroinstabilitas (MI) dalam Tangki Berpengaduk Double Impeller Fan Turbine Multifasa ( Solid – Liquid ) ”, Teknik Kimia - ITS, Surabaya.

12.Zwietering, Th.N., 1958. “ Suspending of Solids Particles in Liquid by Agitators “, Chemical Engineering Science.,8, pp. 244-253.

ANALISA ALIRAN FLUIDA PADA MIXING CRUDE OIL...

Documents

Transcript of ANALISA ALIRAN FLUIDA PADA MIXING CRUDE OIL...