H i".t
ffi :iiiii
&
:ttjtti
* runuinru
!::
, t,,.:fi
ffir,r;'';tlr"'r1"';'.1
,
TTKNTK MEsrN DAN rNDUsrRr
FAKULTAS TEKNIK UN IVE RSITAS GADJAF1'|UAgA',,',"ri:
:;'
:.r,'
1.''
:,,
1
*i').
o
;l'-,A."-"ti,
;ffi4
;$ffif"*l
.EL
*FOHOOF-EI,8f.-r NO;,,Oly''VOl-;, 01, lThl'N,;:' 2012
Cfi+won
w
M.*rd W
,
Adjar Pratoto & Syamsul Huda
{KE -
161}
..............801
EfekVariasi Warna Lapisan Film pada Panel Solar+ermalterhadap Proses Perpindahan Kalor Edi Marzuki, lndra Resmana, Yogi Sirodz G, Mulya Juarsa, Januar Akbar (KE - 152) ...'..'.805
Penlngkatan t{llai Tambah l(otoran Sapi Penglrasll Arang Dengan Slow Pirolisis Mega Nur Sasongko, Wdya Wiiayanti, Abraham, Aris Wiiaya (l(E -
1631
.....811
Variasi Rasio Carbon-Nitrogen Bahan KedngTerhadap Produksi Dan l{ilai }(alor Biogas Kotoran Sapi Sukadana, Tenaya, Awing W. (KE - 1641
........
."'...'.815
Penentuan Komposisi Gas Keluar Wcter-Cnled Hot 6as line Menggunalen Perangkat lunak Computatlonal Fluid Bynamics ....,....,.'821 Catunivati NK, Yusvardi Y, Firmansyah {KE - 166}
....,..,..
Karakteristik Fluida MagnetorheologicalMr41:2 EgSaatTe*ena Beban lmpctPada Kondisi Medan MagnGt Berkekuatan Rendah
lntan P. Purwanto, Danang P, M. Khoif Billah, M. Agung Bramantya
{KE - 167} ..............825
KArl El(SPERlMtilTAt PEMISAHAN AURAI{ KER(FEN-AIR {Variasi Sudut Kemiringan Side
Arm Pada Fario Diameter = 1l DewiPuspitasari, lndarto, Purnomo, dan Khasani(lG -
168)
....828
Penguranpn l(eru$an Jatuh Tekanan Menggunakan Biopolimer Serbuk Lendir Belut dan lele pada Pipa Saluran Tanglcl Air Harian Kapal Marcus A. Talahatu, Gunawan dan lndah Puspitasari {KE -
169}
..................840
Studl Numerlk Pengaruh Putaran lmpeler dan Bukaan Damper lnduca Dreft (lDl Fan pada
hbrikSemen Nur lkhwan, Suwarmin, Is Bunyamin Srrryo (KE -
170)
Pengembangan Slstem Filter Pntar Berbasis Aliren Couette-Taylor Prajitno {KE -
171}
.........844
.............849
Studi Eksperimental Karakteriritik Aliran Melintnsi Silinder lhriris Tipe-D dengan sudut Pengirisan (0c) = 530 Tersugun Seeara Side by Side di Dekat Dinding Datar. Suprapto,Eka Daryanto, TriyogiYuwono, Wawan Aries Widodo (KE - t72l ....................853 Karakterirtik Drag pada Lapis Batas Turbulen diatas Pelat Datar Beralur
KE
.
Proceedlng Seminar Nasional 'llahunan Teknik Meein Xl (SNTTM Xl) & Thermofluid lV Univenitas Gadiah lilada (UGM)- Yogyakarta, t6-17 Oktober 2012
1?1
Pengembangsn Si$em Filter Putar Berbasis
Alir*n Couette-Taylor
Prajitno Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Fahrltas Teknik, Universitas Gadah Mada
Jl. Grafika 2 Kanpus UGM Bulaksumur, Yoryakarta 55281 E-mail :
[email protected]
Abstract: The main hinder in the crossflow filtration is the increase of the cake formation on the filter surface during the operation therefore resulfing in declining the performance until the next back-washing. This research was
conducted in order tc take the advaatage of the Couette-Taylor flow instabilities to con&ol of the flux decline relating to concentration polarization and fouling in watpr treatmcnt. The vortex-Taylor patt€m flow in annulus can bJan effective the mixing and separation in filtration process. Due to tbe vortex-Taylor also move axially it have an cleaning effect on the filter surface then the cake formation is retcded and the filter have a longer ruming psriod- In the present experiment study the rotating filter was a filtrr catridge with thc outer diametcr of 65 m, the inner diameter of 28 mq and the length of 508 mm. The inner diameter of the outer cylinder was 90 mrn therefue tlre annulus gap was 12.5 mm. The working fluid was an solution of the plastic powder with the city water with the concentration of 2 gram per liter of water. The rotation speeds of the filtcr were varied from 0 to 58.25 rpm, and the trans-membrane pres$ure were varied from 0.494 to 4.29 kPa. The influent flow rate was constanl at 2 ggtm, and every running time test was 45 minute. From the studies, it was concluded that the rotation havc an incrcasing effect on the flrx of the permeatc in comparison to without no rotation. It was also found that the flux increases wift the rotation and the trans-membrane pressure. Key words: Rotating Filteq Couette-To-vlor
Abstrak Gangguan utama dalam filtrasi aliran melintang adalah peningkatan pembentukan cake pada permulcaan frlter selama opfrasi, sehingga menurunkan kinerja saqpai masa pembcrsihan berilutnya. Penelitian id dilakukatr unfuk memanfaartran keuntuagan imtabilitas alirao Couette-Thylor untuk mengafur pwuruffin fluks akibat potarisasi konsentrasi dan fouling dalam system pengolahan air. Pola aliran C,ouette-Taylor di dalam annulus dapat rnengakibatkan percampuran dan pemisahan menjadi efektif dalam proses filtasi. Karana pola aliran
ia memberikan efek membersibkan pada perm*aan filter sehingga pembentulcan cakc dapxtdihambat dan umur pakai filter menjadi lcbih paqiang. Dalam penelitim ini filter putar yang digunakan adalahfrltnr ca*idge yang mempunyai uluran diameter luar 65 mm, diameter dalam 28 mm, dan penjang 508 mm. Filter berada di dalam silinder dari bahan acrylic berdiameter dalam 90 mm, sehingga membentuk annulus dengan jrak celah 12,5 mrn Fluida kerja ymg digunakan adalah carnpur:m antara serbuk plastik dan air dengan konseneasi 2 grarn per liter air. Filter diputr dengan variasi inrtare 0 * 58,25 rpm, dan tekanan transmembran divariasi 0,494 - 4,299 1rJ.a. Laju aliran umpan dibuat konstan sebesar 2 gpttt, dan setiap vortex-Taylor juga bergerak a*sial,
pengujian berlangsung 45 menit. Hasil penelitian menunjukkan bahwa filter yang diputar menghasilkan fluks yang lebih besar daripada yang tidak diputar. Selain ihr, fluks juga meningkat dengm bertambahnya putarm dan tekanan tan$nembran. Keywords: Filter Putat Cauette-Taylor
Pendrhulusn
dalam arurulus dengan silinder dalam berpori yang berputar sedangkan silinder lunr diam. Filtrat atau
filhasi aliran melintang adelah psningkaan pembentulcan eake pada permukaan filter selama operasi, sehingga
psnneat mengalir menembus filter yang berputar dan dikeluarkan melalui poros berlubang. Konsentrat dikeluarkan dari celah annulus pada ujung filter yang berlawanan dcngan ujung sisi masuk umpan. Jika
Gangguan utama dalam
menurunkan
kinoja
sanrpai InaEe pembersihan
berikubrya. Filter putar adalah sebuah inovasi system filtrasi yang mernanfaatkan insabilitas aliran di
filter silin&is diputar hingga
melanryaui putaran
KE -
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin Xl (SNfiM X) & Thermofluid lV Universitas Gadjah Mada {UGM} Yogyakarta, 16-17 Oktober 2012
171
Metodr Ekrperimen & Faeifttar Yang Digunaken
dikeluarkan tertentu maka akan terjadi instabilitas aliran" karena gaya sentriflrgal l$ih besar dari@ gaya viskos fluida. Pola aliran di dalam annulus yang sernula berupa alimn Cuefie melingkar dan bersifat laminarberubah marjadi aliran transisi yang ditandai dengan tertsntuknya pola aliran vofiex Uerpsffigdl dan bergerak melingkar yang disebut juga aliran vqrtex Taylor atau aliran Couette-Taylor. Jika putaran makin tinggi maka pola aliran benrbah menjadi aliran vor0ex'Taylor bergelon#ang dan selanjutnya aliran menjadi turbulen. Dalam filtrasi putar yang berbasis aliran Couette-Taylor, gorakan partikel di dalam
Skema alat panelitian dapat dilihat pada Garnbar 1 di
bawah
ini. Fluida runpan dialirkan dari tangki
penampung menujuke seksi
qii
pompa
torak D*it aliran umpan diukur menggunakan flometer FMl, dan debit permeat diukm manggunakan flowmetcf, FM2. Variasi putaran filter diperoleh dengm cara mengubah frekuensi lisrik yang mernutar tnotor pengg€rak menggunakan inverter.
suspensi tergantung pada sedimentasi sentrifugal dan perpindahan akibat gerakan vortex-Taylor. Gsrakan partikel yang densitasnya lebih besar daripada cairan ditentukan oleh kompetisi antara sedimentasi sentrifugal yang berkaitan dengan aliran Couette
melingkar, dan gerakan aksial dan radial dari aliran vortex-Taylor. Partikel yang berada di sisi luar vortex bergerak spiral masut sedangkan partikel yang berada di dekat pusat vortsx bergerak spiral ke arah luar vortex. Walaupun terdapat aliran radial melalui filter, pmtikel masih dapat bsrada di zona yang jauh dari perrnukaan filter. Dangan demikian, dinarnika medan aliran mengakibatkan partikel cendenrng terlenryat meqjauh dad permukaan, sehingga filter
terhindar
dari
penyumbatan
oleh
partikel.
Vortex-Taylor juga menimbulkan geseran yang *uat pada pennukaan filter sehingga terjadi penunrnan
fouling yang sangat signifikan
,
dan kinerja filter
meningkat. Suspensi yang bergerak aksial di dalam annulus menimbulkan geseran aksial sehingga juga mempunyai efek membersihkan permukaan filter. Hasil penelitian Schwille dkk. (2001) menuujukkan bahwa putaran menrpunyai efek anti fouling yang paling dominan dibandingkan dangan sedimentasi sentrifugal, geseran aksial mauprm vortex-Taylor. Kajian teoritis terhadap kinerja Reverse-Osmoses (RO) putar berbasis aliran Couette-Taylor yang
dilakukan
Gambar 1. Skema alat penelitian
oleh Lee dan Lueptow (2004)
menuqiukkan
Tekanan transmernbran adalah rata-rata tekanan PGI
bahrva
parameter-param€ter operasional yaitu tekanan transmembrag kecepatan putr, dan debit konsenhat berpengaruh terhadap
dan PG2 dikurangi dengan tekanan PG3. Dalam penelitian ini filter puttr ]tang digunakan adalah ftlW cetridge yang mcnrpunyai pcri I mikro*r dengan ukurm diameter luar 65 mm, diailrct€tr dalam 28 m4 dan panjang 508 mm, sehinga mempunyai luas permukam 0,104 m2. Filter berada di datam silinder dari hhan acrylic berdiameter dalam 90 mrr, sehingga memberrtuk annulus dengan jarak celah l2J mm. Fluida kerja yang digunakan adalah campuran antara seltuk plastik dar air dengan konsentrasi 2 gram pcr liter air. Filter diputr dengan variasi pufaran 0 - 58,25 rpe, dzn tekanan transmembran divariasi A,494 - 4,299 Wa. Lay aliran umpan dibuat konstan sebesar 2 gpq dan
kinerja RO putar yang dinyatakm deirgan fluks, rejelrsi, recovery, dm konsuursi energi. tlasil kajian menuqiuft&an bahwa fluks dan rejelsi nrcninglrat dengan, tekanan tansmembran dan kecepatan putar.
Debit konsentr?t yang lebih tinggi meningkatkan fluks, tetapi menrJnrnlren recwery. Dalam penelitian ini, filter prltar diftngsikan sebagai milaofiltrasi pada ponyaringan awal dalam tahapan pengolahan air menggunakan fflter jenis caridge yang banyak dijual di pasaran. Dalam janglra panjang filter putat akan dikembangkan sebagai ultrafilrrasi untuk memperoleh air benih yang berasal dari air limbah atau air kotor.
setiap pengujian berlangzung 45 menit
850
KE
.
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin Xl (SNfiM Xl) & Thermofluid lV Universitas Gadiah Mada (UGM), Yogyakarta, 16'17 Oktder 201?
1?I
:
Aprur adalah tekanan transmembran, p viskositas dhrrmis, J?, adalah hambatan filtEr, adalah ,R" addah hanrbaan filhasi melalui cake. Hanfutan dengaa
filfasi melalui cake
dipengaruhi oleh tekaffin
transmembran (Belfort dkk. (1999) dan tegangan geser metingftar pada prnnrkaan filter (Choi, dkk. (1999). Penurunan fluks (/?nrs drop) dihitung dengan p€rsruluran:
aJ
= (1 -f) x
roovo
(3)
dengan J7 adalah fluks umpan.
Gambar
3
menunjul&an pengaruh kecepatan putar
terhadap fluks prmeat untuk debit umpan 0,2 pm dan tekanan transmeflrbran 2-245 lrFa. Pada Gambar
3 tampak bahwa ketika filter diputar menglrasilkan fluks yang lebih basar daripada jika fdak diputar Hal
ini
mcnu4iukkan bahwa putaran mernpunyai cfek msningkatkan terhadap fluks permeat. Fluks juga meningkat dengan bertarnbahnya kecepalan putar, karena laju geseran {shear ratS alabat putaran filter makin besar, dan guakan melingkar dari vortex nakin kuat sehingga mekanisme anti fouling makin baik" Pada putaran 11,65 rpm dm 5&25 tpry shear late yang teradi rnasing masing 13 St dan 143 St. Cambar 3 juga marunjukkan bahwa fluks permeat
ntenurun scla-, o'perasi filter, kar€na t€rjadi peningkatan pembentukan lapisan cake pada permukaan filter. 7.50
Gambar 2. Seksi
uji
Ilssil drn Pembehasrn
=0-
Putaran iilter (0
Tayloq Ta
58,25) rpm menghasilkan bilangan
1402. Bilangan
Talor dihitung
dengan persamaan:
IA=+
rpm
r
23.30 rym iTe=581)
€
roo
, 34.95 rpm {Ta=841}
E
b75
'
I
oso
46.60
$rnfra-1124
L
6.25
po,nd I
'0
r 1 l 85 rpm (Ta:280)
7.m
fTT
l-
e.00
(1)
{Rr+Rz
Putaran terrendah sebesar 11,65 rpm mengbasilkan bilangan Taylor, Ta = 280 yang telah melampaui bilangan Talor kritisnya sEbesar Ta" = 48, sehilgga filter bercperasi dengan pola alimn vortex-Taylor
llme{min}
Gambar 3. Pengaruh kece,patan putar telhadap fluts sclama opcrasi 45 mfiit. Debit umpan 0,2 glrm d"r tekanan transmembran 2,245 k?a
Gambar
4
menun$ukkan pengaruh putaran filt€r
bergelombang. Fluks permeat adalah debit aliran permeat per satuan luas permukaan filter, dengan satuan liter(menit.m2;. Berdasa*an model cake fltration, fluks permeat
terbadap penurur!fln fluks selama operasi filtrasi. Laju penunman fluks cukup besar pada awal operasi, kemudian berkurang dengan berjalannya waktu. Hal ini terjadi karena laju pertumbuhan cate lebih besar pada awal operasi kemudian berkurang ketika lapisan
(1ee3)
cake makin tebal. Satu menit set€lah operasi flults berkrrang sebesm 7,4yo den setelah beroperasi sslama 45 menit fluks nrrun sebesar 13,97o ketika filter tidak diputar. Pada putaran 5815 rp4 satu
dapat dihitung dengan persamaan (Belfort dHc . Arrrc /P = iRJEi
(2)
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin Xl (SNTTM Xl) &_Thermofluid lV Universitas Gadiah Mada (UGM), Yogyakarta' 16'17 Oktober 2012
KE - l7l
menit setelah operasi fluks bsrkurang sebesar 3,17o dan setelah berop€rasi selama 45 nsnit fluks tuntn sebesar l7,4Yo,
3. Fhills meningkat dongan pertambahnya tekanan traasmemhan @a pubran konstan" karena tekanan transmembran hampir tidak tergantung pada hambatm alirm
15.0
^
1S.0
co
__
-
5.9
3
UcrpenTerima krcih Penelitian ini dilatsanakan dengan biaya Hibah Penelitian Program 52 Jurusan Teknik Mesin dan
/.)
r}
0
I
11,65 tgrn
Industri Fatultas Teknik UGM tahm 201 1.
rptn
fta:3ofi
r. 2SiCrtB {T!-612i a 3493
:
rrn
{Ta=9191
Nomcnklahrr
aG60rym {l*12?51
jarak celah annulus (m)
d
?-5
c.0
J
nuks permeat
R
juri-jari
Ta
hmbatan filtrasi (m') bilangan Taylor
p
tekanan (Pa
Time{mini
4. Pengaruh keccpatan putar terhadap pcntrnrnan fluks selama operasi 45 menit- flebit nmpan 0,2 gpm rlnn tekanan tran$nembran 2,245kPa Gambar
AJ 1,23
I r
tE'*
DP = 1.5.+6 DP = 2.{50
lda
lfr
ri OF 3 3.617 Hta
p Fl
o
! o,zs
ailauNn')
Greek letters
Ap
7,50
(litcrmini mt)
atau rudius (m)
penffrman tekanan (Pa atau N m-t) penurunan fluks (%) densitas (kg m viscositas dinamis (Pa.s)
)
kecepatan sudut (rad s'i)
I
5
L
s,so
Subsripts
€35 6,00
Timr{ntn)
5.
Pengaruh tekanan fransmembran terhadap fluks selarna operasi 45 menit. Debit umpan 0,2 glnn dan putaran 58,25 rpm
Garnbar
TMP
silinder bagian dalam
silindsrbagianluar cake
membrane/filter permeat
Umpan Transmembranepressufrg
5
menunj'rkkan pengaruh tekanan transmembran tahadap fluks selama operasi 45 menit.
Gambar
I 2 c m p f
Debit umpan 0,2 gpm dan putaran 58,25 rpm. Tampak bahwa fluks permeat meningkat dengan bertambahnya tekanan ffansmembran. Karena fluks permeat sebanding dengan tekanan transmetnbram, maka dengan tekanan tansmembran yang makin besar berarti p€rmeat mempunyai kemapuan yang makin besar untuk menembus filter dengan hambatan aliran yang terjadi.
Kesimpulen
Dari hasil
Refcrensi Belfort,G., Pimbley, J.M., Greiner,A.o Chung K.Y., Diagnosisi of membrane fouling using a rotating
annular
filter.l. Cell culfirs media, Joumal of 1 - 22 (1993)
Membrane Science,'7'7,
Choi, CX., Park, J.Y., Par*, W.C." Kim, JJ., A study on dynamic separatiol of silica slurry using a rotating membrane filter: 2. Modelling of cake formation, Jounral ofMernbrane Science, 157,177 - 187 (1999)
eksperimen dapat diambil beberapa
Lee, S. and Lueptow, R.M., Rotating reverse osmoses
kesimpulan sebagai berikut. 1. Fluks mentrmn selama beroperasi akibat fouling.
for water recov€ry in space: influence ofoperational
Cake tnbenhrk lebih cepat pada awal operasi,
parameters on RO performance, Desalination, Vol.
rcg,ta9-l20Qaa4)
kennrdian melambat
2. Flux untuk filter yang berputar lebih besar daripada rmtuk filter yang diam. Fluks meningftat dengan bertambahnya putaran, karena tegangan
geser pada permukaan
filter makin besar, dan
vortex yang terbentuk makin l(trat
Sohwille, J.A., Mitra, f)., and Lu@tow, R.M., Anti-Fouling Mechanisms in Rotating Filhation, 12'h Irnational Couetbe-Taylor Workshop, Evansion IL., U$A,
Septrembsr 6-8 (2001)
