Fluidisasi Awal Pasca Injeksi Waterjet Pada Material Granular

SEMINAR NASIONAL TEKNOLOGI 2015 Institut Teknologi Nasional Malang ISSN: 2407 – 7534

Fluidisasi Awal Pasca Injeksi Waterjet Pada Material Granular Eko Yudiyanto1, ING Wardana 2, Nurkholis Hamidi2, Denny Widhiyanuriawan2 1 Mahasiswa

PDTM, Univ. Brawijaya, 2 Dosen PDTM, Universitas Brawijaya e-mail: [email protected]

ABSTRAK Injeksi fluida cair dalam media granular akan mengakibatkan terjadinya daerah fluidisasi dengan luasan awal tertentu. Selanjutnya fluidisasi tersebut akan bergerak karena adanya fenomena instabilitas. Pada saat awal fluida masuk kedalam media granular, fluida akan mendesak partikel granular dan melepaskan partikel satu terhadap partikel yang lain. Namun proses desakan tersebut tidak secara terus menerus. Sifat shear thickening akan menghambat gerakan fluidisasi awal. Penelitian eksperimental dilakukan untuk mengetahui gambaran fluidisasi awal yang terjadi pada media granular. Dari hasil kesimpulan diperoleh bahwa gerakan fluidisasi awal dipengarui oleh tekanan injeksi jet yang diberikan pada media granular. Dari hasil percobaan injeksi matrial granular dalam hele shaw cell diketahui bahwa kondisi shear thickening akan terjadi setelah tekanan proses injeksi diatas 1,5kg/cm2, ditandai dengan ketinggian fluidisasi yang sama seiring dengan penambahan tekanan pada proses injeksi. Kata kunci: fluidisasi, waterjet, matrial granular.

Pendahuluan Material granular-fluida sangat banyak digunakan dalam aplikasi industri. Diperkirakan produksi material dalam bentuk granular di seluruh dunia hampir 10 miliar metrik ton setiap tahun dari dalam berbagai ukuran. Dalam penanganan material granular diperkirakan 10% dari seluruh energi yang dihasilkan di bumi digunakan untuk transportasi dan penanganan bahan granular, seperti penjelasan Neiblig (2009). Material granular merupakan bentuk matrial yang paling banyak digunakan setelah bentuk bentuk cair. Contoh umum dalam aplikasi industri yang menangani bahan granular adalah proses pengolahan bubuk dan produksi pil industri pada farmasi, konsentrat logam pada industri pertambangan, produksi tepung dan pengolahan makanan pada industri pertanian dan makanan. Aplikasi lain yang sering melibatkan material granular adalah pengelolaan lingkungan dan geofisika. Aplikasi praktis fluidisasi digunakan dalam transportasi partikel padat, transportasi pneumatik, atau sebagai perangkat untuk proses mixing, perpindahan panas dan massa, dan reaktor kimia, seperti yang disampaikan Zoueshtiagh, at al.(2007). Pada bidang teknik lingkungan, aplikasi fluidisasi digunakan untuk pengolahan air limbah, pembakaran bahan limbah. Dalam studi geofisika, fluidisasi diamati pada peran aliran bawah permukaan dalam proses erosi tanah karena aliran air. Penanganan material granular dalam industri yang sangat penting adalah proses mixing. Proses mixing dilakukan untuk menghasilkan campuran antara dua atau lebih suatu bahan yang tecampur dengan sebaran yang sama. Dalam industri proses mixing banyak mendapat kajian untuk menghasilkan pencampuran yang baik dengan energi yang sekecil mungkin. Salah satu usaha untuk mengurangi energi adalah dengan cara menggunkan metode instabilitas gerakan granular. Untuk mengetahui perilaku instabilitas pada ujung gerakan aliran franular, Pouliquen dan Wallance (1999) melakukan eksperimen dengan mengalirkan granular berbagai ukuran yang bergerak. Dari pengamatan diketahui bentuk parikel yang tidak teratur menyebabkan ketidakstabilan fingering di dalam gerakan merambat. Bentuk percampuran yang terjadi pada saat kondisi instabilitas granular diamati juga oleh Vinningland (2007). Untuk menalkukan pengamatan tentang instabilitas, Vinningland melakukan eksperimen dengan SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015

93


menggunakan hele shaw cell. Material granular ditempatkan diatas, dan bagian bawah berisi fluida. Ketika material granular bergerak ke bawah, maka gerakan akan membentuk fingering dan terjadi instabilitas. Dalam proses gerakan tersebut, material granular akan terfluidisasi dan bergerak secara acak serta akan mengalami proses mixing. Sejalan dengan penelitian itu, Voltz, et al (2001) dan Michioka et al (2005), melakukan pengamatan pada hubungan proses instabilitas gerakan fluidisasi material granular dengan fluida cair. Instabilitas gerakan tersebut akan mempengaruhi bagaimana gerak dan pola fingering yang terjadi. Pola fluidisasi yang diamati oleh Alsaydalani et al (2014) dan Zoueshtiagh, at al (2007) menggunakan aliran secara terus menerus. Kondisi ini akan berbeda jika aliran fluida yang dialirkan dengan volume tertentu. Ketika suatu fluida dengan volume dan tekanan tertentu diinjeksikan kedalam media granular yang jenuh, maka akan terbentuk daerah fluidisasi. Saat proses injeksi dilakukan, terjadi pembentukan daerah fluidisasi awal, selanjutnya daerah fluidisasi tersebut akan bergerak sebagaimana penelitian yang dilakukan Yudiyanto et al (2014). Besarnya daerah fluidisasi awal akan dipengaruhi oleh tekanan dan besar volume yang diinjeksikan. Penelitian ini adalah penelitian pendahuluan dalam suatu rangkaian penelitian instabilitas granular. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk pengaruh tekanan pancaran air terhadap inisiasi fluidisasi yang terjadi. Tulisan ini adalah hasil penelitian awal yang dilakukan untuk mendapatkan gambaran lebih detail dalam penelitian yang lebih lanjut proses mixing dengan proses fluidisasi. Manfaat dari penelitian ini adalah untuk digunakan sebagai dasar penelitian lanjutan untuk mengetahui karakteristik waterjet yang ditembakkan dalam media butiran atau granular media. Dengan mengetahui karakteristik yang lebih dalam, maka diharapkan dalam proses mixing akan diperoleh suatu pola pengadukan yang lebih baik dalam dan lebih hemat energi.

Proses Fluidisasi Fluidisasi merupakan interaksi antara fluida dengan material granular, sehingga campuran tersebut berkelakuan seperti fluida cair. Fenomena fluidisasi biasa terjadi pada media fluidized bed. Fluidized bed merupakan bed yang berisi butiran partikel padat yang dialiri fluida. Proses fluidisasi terjadi ketika gaya drag dari butiran partikel sebagai akibat dari aliran fluida yang mengalir ke atas melebihi gaya gravitasi dan gaya antar butir partikel. Proses fluidisasi dapat diamati ketika cairan diinjeksikan dalam bed granular dengan kecepatan tertentu. Pada kecepatan yang rendah, fluidisasi tidak terjadi. Proses perubahan bentuk fluidisasi telah diamati oleh Zoueshtiagh (2007), Thaha et al. (2013) Philippe et al (2013) dengan tahapan sebagai berikut: 1. Pada saat kecepatan aliran fluida rendah, susunan partikel tidak bergerak, yang berarti tidak terjadi perubahan susunan granular. Pada kondisi ini fluida hanya mengalir diantara partikel material granular. 2. Ketika kecepatan aliran fluida ditingkatkan, atau tekanan fluida dinaikkan, maka akan terjadi pola fluidisasi yang tertutup. Fluidisasi yang terjadi hanya didalam badan bed. Sedangkan pada permukaa bed tidak terjadi fluidisasi. 3. Saat tekanan dinaikan, atau kecepatan aliran di tingkatkan, fenomena selanjutnya adalah pertumbuhan fluidisasi. pertumbuhan fluidisasi akan bergerak sampai permukaan bed. Disamping dari tiga model yang dijelaskan oleh Zoueshtiagh dan Thaha et al., tersebut, fenomena fluidisasi dapat terjadi ketika sebuah fluida diijneksikan kedalam bed. Fluida yang di injeksikan kedalam bed dengan jumlah tertentu akan membentuk suatu rongga fluidisasi didalam bed. Ketika proses injeksi berhenti, maka pross fluidisasi akan terus berlangsung. Adanya perbedaan massa jenis yang terjadi antara fluida dengan fluidisasi akan mengakibatkan terjadinya instabilitas. Fluidisasi akan bergerak keatas dan membentuk gerakan acak yang dimilai dengan proses fingering. Instabilitas yang terjadi karena akibat perbedaan massa jenis dikenal dengan Rayleigh Taylor Instability. Gambar 1. Menunjukkan fenomena instabilitas pada gerakan fluidisasi akibat injeksi fluida dalam badan granular. SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015

94


Gambar 1. Hasil eksperimen injeksi fluida (air) kedalam granular bed dengan 5 ml air. Pada kecepatan injeksi 22 ml/detik A. 0.02s, B. 5s, C. 10s, D 15s. (Yudiyanto et. al. 2014)

Monentum Fluida Pada saat awal injeksi fluida kedalam badan granular bed, fluida yang masuk memiliki momentum sebesar aliran massa dikalikan dengan massa fluida tersebut. Momentum Fluida dapat dihitung dengan prinsip konservasi momentum untuk volume control. Ketika material mengalir, aliran akan membawa massa dan momentum. Aliran momentum dapat digambarkan sebagai: (1) dimana aliran massa didefinisikan sebagai jumlah masa yang mengalir dalam sistem, dan momentum / massa adalah vektor kecepatan V. Besaran massa adalah skalar, aliran massa adalah vektor. Vektor fluks momentum didefinisikan hanya sebagai aliran momentum per area.

Dinamika Partikel Dinamika partikel yang bekerja dalam proses fluidisasi digunakan pendekatan dengan Hukum Newton II dapat di dekati dengan persamaan berikut: (2) dimana m adalah densitas masa partikel dan f adalah densitas fluida, sehingga total massa partikel dinyatakan m s dV dan total masa fluida dinyatakan dengan f  dV . eff adalah efektif densitas massa, yang dinyatakan dengan eff = m - f. Sedangkan FI adalah gaya kontak antar partikel. t tegangan tangensial antara fluida dengan plat. Ilustrasi dari komponen-komponen yang mempengaruhi dinamika fluida ditunjukkan pada gambar 2.

Gambar 2.

Dinamika partikel dan komponen-komponen partikel yang mempengaruhi gerakan partikel, Neibling (2009)

Fluida Non Newtonian Fluida non Newtonian adalah fluida yang berperilaku menyimpang dari Hukum Newton. Penyimpangan yang pertama adalah perilaku shear thinning, di mana viskositas sistem menurun sebagai laju geser meningkat. Penyimpangan kedua adalah perilaku shear thickening di mana, karena laju geser meningkat, viskositas sistem juga meningkat. Perilaku ini terjadi karena sistem saling mengikat di bawah tekanan dan berperilaku lebih seperti padat dari pada solusi. Karena sifat tersebut, maka viskositas fluida shear thickening tergantung pada laju geser. Kehadiran partikel sering mempengaruhi viskositas solusi. Dengan adanya partikel-partikel dapat menyebabkan perilaku fluida Newtonian berubah menjadi perilaku fluida non-Newtonian. Fluidisasi adalah solusi yang terdiri dari fluida cair dan SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015

95


partikel granular yang dibawanya. Kehadiran partikel dalam fluida sering merubah sifat fisik fluida induknya. Kondisi ini juga terjadi pada fluidisasi. Parameter yang mengontrol perilaku shear thickening adalah bentuk partikel, fraksi volume partikel, ukuran partikel dan distribusi ukuran partikel, interaksi partikel-partikel, viskositas fase kontinyu, dan jenis, tingkat, dan waktu deformasi.

Metode Penelitian Untuk mengetahui perilaku fluidisasi hasil injeksi water jet pada matrial granular, maka dilakukan eksperimen. Bahan bahan yang digunakan untuk mengamati perliaku fluidisasi dalam media granular adalah butiran kaca dengan ukuran butir 135 µ dengan fluida air. Butiran partikel yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 3. Gambar partikel diambil menggunakan mikroskup digital dino lite basic dengan perbesaran 200x Untuk melakukan injeksi fluida kecepatan tinggi dilakukan dengan pompa dengan tekanan yang dapat diatur mulai dari 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 kg/cm2. Untuk mengamati perilaku fluidisasi digunakan metode visual dengan kamera Casio Q-VR 100 dan untuk melihat kecepatan jet dilakukan dengan Nikon S1. dengan kemampuan rekam gambar sampai 400 fps. Media pengamatan digunakan hele shaw cell dengan dimensi 200mm x 250mm denga ketebalan 3 mm. untuk mengatur membuka dan menutup katup injeksi jet digunakan control valve yang dikendalikan secara dengan timer. Rangkaian alat eksperimen dapat dilihat pada Gambar 3, sedangkan material butiran partikel yang digunakan dalam eksperimen dapat dilihat pada Gambar 4.

Gambar 3. Susunan peralatan dalam eksperimen

Gambar 4. Butiran partikel kaca yang digunakan di dalam eksperimen ukuran butiran 135 µ. Gambar diambil menggunakan mikoskup digital dinolite dengan perbesaran 200x.

Hasil dan Pembahasan Fenomena fluidisasi merupakan peristiwa yang terjadi jika laju aliran fluida yang memasuki ruang butiran partikel mampu melepaskan ikatan antar permukaan partikel. Pada saat fluida diinjeksikan ke dalam media granular momentum fluida akan menumbuk media granular. Besarnya momentum yang

SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015

96


terjadi adalah laju aliran fluida dikalikan dengan massa fluida. Dalam eksperimen yang dilakukan, dapat diketahui bahwa besar massa fluida ditentukan oleh tekanan yang diberikan dalam proses injeksi. Dalam Gambar 5 ditunjukkan grafik perubahan massa fluida yang masuk kedalam badan media granular terhadap perubahan tekanan. Dari hasil eksperimen tersebut diperoleh fenomena bahwa peningkatan tekanan yang diberikan pada proses injeksi akan meninggatkan jumlah massa aliran fluida. Ketika pengujian dilakukan pada berbagai lama injeksi, peningkatan besar masa aliran fluida memiliki konsistensi, yaitu semakin besar tekanan yang diberikan maka akan semakin besar massa aliran fluida yang terjadi.

Gambar 5. Perubahan massa fluida yang masuk kedalam badan media granular terhadap perubahan tekanan

Adanya momentum yang terjadi akibat aliran massa fluida yang menumbuk material granular, maka susunan material granular yang berada di depan lubang nozel injector akan mengalami desakan dan membentuk fluidisasi. Luasan fluidisasi akan bergerak dengan cepat sampai luasan tertentu. Ada dua hal yang mempengaruhi berhentinya luasan fluidisasi. Pada proses injeksi dengan kecepatan aliran rendah, berhentinya proses fluidisasi disebabkan karena massa sudah masuk semua. Aliran fluida dapat menerobos celah celah partikel selanjutnya akan mengalir keluar badan material granular. Pada proses injeksi fluida kedalam material granular memiliki kecepatan aliran massa yang tinggi, momentum akan mendesak material granular dan menyebabkan terbentuknya fluidisasi. Luasan fluidisasi akan bergerak secara sepontan sampai luasan tertentu. Selanjutnya fluidisasi akan bergerak keatas.

Gambar 6. Visualisasi fluidisasi awal yang terjadi akibat injeksi waterjet kedalam media granular sebelum daerah fluidisasi bergerak sendiri akibat kondisi instabilitas fluidisasi. Ukuran partikel granular adalah 135µ

Gambar 6 menunjukkan perilaku fluidisasi yang terjadi pada media granular setelah mendapatkan injeksi waterjet. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa luasan fluidisasi pada tekanan yang rendah kurang dari 1,5 kg/cm2 maka akan luasan fluidisasi akan cenderung meningkat. Setelah tekanan yang digunakan dalam proses injeksi adalah diatas 1,5 kg/cm2 ketinggian fluidisasi awal akan konstan. Kondisi konstan dapat diamati pada gambar 6. D; E; F. Dari gambar tersebut dengan ditarik garis lurus pada permukaan ujung fluidisasi akan tampak memiliki ketinggian yang sama. SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015

97


Gambar 7. Perubahan luasan fluidisasi setelah proses injeksi waterjet ke dalam media granular.

Untuk menguatkan pengamatan pada Gambar 6, maka ketinggian fluidisasi awal dapat diamati dalam grafik Gambar 7. Dari Grafik tersebut dapat diamati bahwa pada tekanan 0,5 kg/cm2 fenomena shear thickening belum berpengaruh. Hal itu dapat dilihat dengan semakin meningkat tekanan yang diberikan dapam proses injeksi waterjet, maka akan semakin tinggi daerah fluidisasi yang terbentuk. Namun ketika tekana injeksi dinaikkan sampai 1,5 kg/cm 2 akan terjadi kondisi ketinggian hasil fluidisasi tidak mengalami perubahan ketinggian secara cepat sesuai dengan peningkatan tekanan injeksi.

Kesimpulan Dari hasil penelitian dapat di simpulkan bahwa pada proses injeksi waterjet dalam suatu media granular akan terjadi proses tumbukan antara massa aliran fluida terhadap partikel granular. Fenomena tumbuka tersebut akan menyebabkan terjadinya fluidisasi. Fluidisasi yang terjadi akibat adanya momentum fluida akan bergerak dengan luasan tertentu. Berhetinya luasan fluidisasi akibat fenomena shear thickening. Dari pengamatan diperoleh bahwa gerakan fluidisasi awal dipengarui oleh tekanan injeksi jet yang diberikan pada media granular. Dari hasil percobaan injeksi material granular dalam hele shaw cell diketahui bahwa kondisi shear thickening akan terjadi setelah tekanan proses injeksi diatas 1,5kg/cm2, ditandai dengan ketinggian fluidisasi yang sama seiring dengan penambahan tekanan pada proses injeksi.

Daftar Pustaka 1. Alsaydalani, M. & Clayton, C., 2014, Internal Fluidization in Granular Soils, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering , March 2014, Vol. 140, No. 3 2. Badr, Sarah Georges Gauthier, Philippe Gondret, 2012, Errosion Threshold of Water Immersed Granular Bed By A Normal Water Jet. ICSE-6 Paris Agustus 27-31. 3. Cui, Xilin; 2012, Numerical Simulation Of Internal Fluidisation And Cavity Evolution Due To A Leaking Pipe Using The Coupled Dem-Lbm Technique, A Thesis Of Doctor Of Philosophy The University Of Birmingham 4. Michioka, Hiroki and Ikuro Sumita, 2005, Rayleigh-Taylor instability of a particle packed viscous fluid: Implications for a solidifying magma, Geophysical Research Letters, Vol. 32, L03309, doi:10.1029/2004GL021827, 5. Niebling, Michael, Sedimentation instability, 2009, A numerical and experimental study, Thesis Philosophiae Doctor, Department of Physics University of Oslo, Norway 6. Philippe P. , M. Badiane, 2013, Localized Fuidization in a granular medium, in Physical Review E, 2013, 87, 4 7. Vinningland, Jan Ludvig; Johnsen, Øistein; Flekkøy, Eirik Grude; Toussaint, R & Måløy, Knut Jørgen (2007). Granular rayleigh-taylor instability: Experiments and simulations. Physical Review Letters. ISSN 0031-9007. 99 . doi: 10.1103/PhysRevLett.99.048001 SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015

98


8. Vinningland Jan Ludvig, 2007, Granular rayleigh taylor instability: numerical and experimental study, Thesis of Doctor Scientarium, University of oslo Norway 9. Vinningland Jan Ludvig; Øistein Johnsen,1 Eirik G. Flekkøy, Renaud Toussaint, and Knut Jørgen Måløy1, 2010, Size invariance of the granular Rayleigh-Taylor instability, Physical Review E 81, 041308 10. Voltz C., W. Pesch, and I. Rehberg, 2001, Rayleigh-Taylor Instability In A Sedimenting Suspension, Physical Review E, Volume 65, 011404 11. Thaha, M. Arsyad, & Radianta Triatmadja, & A. Ildha Dwipuspita, The Hydraulic Behavior of Vertical Jet Sediment Bed Fluidization from the Vortex Growth Point of View, International Journal of Hydraulic Engineering 2013, 2(5): 85-92 DOI: 10.5923/j.ijhe.20130205.02, 2013 12. Pouliquena, O dan J. W. Vallanceb, Segregation induced instabilities of granular fronts, Chaos American Institute of Physics, Volume 9, Number 3 September 1999 13. Yudiyanto, E., Wardana, ING., Hamidi, N, Widhiyanuriawan, Perilaku Media Berpori Pasca Penembakan Dengan Water Jet, Seminar Nasional Sentia Politeknik Negeri Malang, 2014 14. Zoueshtiagh F. dan A. Merlen, 2007, Effect of a vertically flowing water jet underneath a granular bed, Physical Review E 75, 056313

SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015

99

Fluidisasi Awal Pasca Injeksi Waterjet Pada Material Granular

Recommend Documents