No title

PENGARUH ADITIF BIOPOLIMER CARBOXYMETHYL CELLULOSE (CMC) TERHADAP KARAKTERISTIK DRAG REDUCTION PADA ALIRAN AIR DALAM PIPA BULAT DENGAN VARIASI DIAMETER Vaul Brian Hutauruk 1, Yanuar 2

1

Mahasiswa Program Sarjana Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 2 Dosen Pembimbing, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok E-mail: [email protected]

Abstrak: Banyak permasalahan yang sering terjadi didalam proses transfer aliran suatu fluida, baik itu pada suatu industri pabrik, perminyakan maupun yang lainnya. Dimana masalah yang paling sering muncul adalah pemakaian daya pompa yang sangat besar karena adanya penurunan tekanan friksional dalam aliran turbulen, sehingga dibutuhkan sesuatu terobosan yang dapat mengurangi beban daya dari masalah tersebut. Salah satu solusi dari permasalahan tersebut adalah dengan menambahkan Drag Reduction Agent (DRA) ke dalam aliran itu sendiri. Biopilomer merupakan salah satu jenis DRA yang paling sering digunakan karena murah dan ramah lingkungan. Penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki pengaruh aditif carboxymethyl cellulose (CMC) ke dalam aliran air pada pipa bulat dengan variasi diameter pada sistem perpipaan tertutup. Hasil pengujian penambahan 250 ppm, 500 ppm, dan 750 ppm CMC pada aliran fluida air dalam pipa bulat menghasilkan 47 % DR. Pengaruh dari konsentrasi penambahan, bilangan Reynolds, dan variasi diameter pada aliran air dalam pipa bulat menjadi varibel utama yang akan diteliti Kata kunci : biopolimer, drag reduction, CMC

1. Pendahuluan Penelitian tentang pengurangan hambatan aliran dalam pipa sampai saat ini banyak sekali dilakukan untuk mengetahui efisiensi penambahan laju aliran sehingga meningkatkan debit. Sampai saat ini telah dikembangkan beberapa metode untuk mengurangi hambatan aliran baik dalam saluran air tertutup maupun aliran disekitar benda. Aliran fluida pasti akan mengalami penurunan tekanan seiring dengan panjang pipa yang dilalui aliran fluida tersebut. Sehingga dengan penurunan tekanan tersebut akan makin banyak energi yang dibutuhkan untuk proses penyaluran fluida. Dalam mekanika fluida, penurunan tekanan tersebut dikarenakan fluida yang mengalir mengalami berbagai macam kerugian sepanjang aliran fluida seperti panjang pipa, besar kecilnya diameter pipa, kekasaran permukaan dan viskositas dari fluida tersebut. Untuk mengurangi hambatan dalam aliran terdapat teknik pasif dan teknik aktif. Teknik pasif tidak yaitu dengan melakukan variasi geometri pipa. Sedangkan teknik aktif dapat dilakukan dengan menambahkan larutan aditif seperti surfaktan, serat alami dan polimer ke dalam aliran turbulen fluida yang dapat mengurangi hambatan gesek pada bilangan Reynolds tertentu. Diantara semua teknik untuk mengurangi hambatan dalam aliran pipa penambahan jumlah sedikit surfaktan dan polimer menjadi bagian penelitian yang sangat aktif sejak Tom’s[1] menemukan efek reduksi hambatan (drag reduction) yang terjadi dalam larutan polimer. Larutan polimer adalah yang paling potensial sebagai agen pengurang drag dari semua aditif terutama karena pengurangan drag hingga 80% dapat diperoleh dengan penambahan beberapa ppm berat dalam pelarut tertentu. Meskipun peran ekstensi viskositas dalam menyebabkan penekanan turbulen atau pengurangan drag masih diperdebatkan sampai saat ini, terdapat pandangan yang

tetap bahwa ekstensi viskositas yang kemungkinan berkombinasi dengan viskoelastisitas berperan penting dalam pengurangan drag. Gadd [2] adalah yang pertama menunjukkan bahwa redaman turbulensi oleh aditif polimer terjadi karena perlawanan terhadap regangan elongasi, yang menekan formasi geseran dan meledak di wilayah dekat-dinding. Lumley [3,4] mengemukakan bahwa uncoiling molekul polimer di bawah laju geser yang berfluktuasi dalam daerah penyangga aliran turbulen menyebabkan pengurangan drag karena kenaikan ekstensi viskositas. Selain surfaktan dan polimer sintetis pengujian dengan menggunakan biopolimer juga telah dilakukan dan terbukti memiliki efek yang sama. Kekurangannya, biopolimer memiliki degradasi mekanik yang tinggi jika dibandingkan dengan surfaktan dan polimer sintetik, namun biopolimer tentu lebih ramah lingkungan karena berasal dari ekstraksi bahan-bahan alami. Pengujian menggunakan larutan biopolimer ini telah diuji oleh (Yanuar, 2005). Penelitian tersebut menunjukkan larutan biopolimer dapat mengurangi pressure drop hingga 30%, namun dengan degradasi mekanis yang sangat cepat (Yanuar et all., 2012). Penelitian-penelitian tersebut tidak hanya diharapkan berperan dalam pengembangan studi dasar aliran turbulen namun diharapkan juga dapat memberikan dampak yang baik dalam upaya pelestarian lingkungan dan penghematan energi. Sebagai contoh, hasil dari penelitian drag reduction dapat menghemat pengeluaran Trans Alaskan Oil pada tahun 1979. Perusahaan ini memperoleh target 2 juta barrel per hari hanya dengan penambahan polimer tanpa harus menambah konstruksi stasiun pemompaan. Dalam penulisan ini, pengujian menggunakan larutan carboxymethyl cellulose (CMC). Carboxymethyl cellulose (CMC) adalah eter asam karboksilat turunan selulosa yang berwarna putih, tidak berbau, padat, digunakan sebagai

Pengaruh aditif..., Vaul Brian Hutauruk, FT UI, 2014

bahan penstabil (Fennema, 1996). Carboxymethyl cellulose (CMC) dalam industri makanan sering disebut gum selulosa. Berdasarkan penelitian (Wijayani et all., 2005) CMC dapat diperoleh dari hasil ekstraksi eceng gondok yang ternyata setelah diteliti mengandung serat selulosa, sehingga penggunaan CMC ini relatif lebih ramah lingkungan karena biopolimer ini berasal dari tumbuhan yang dapat terurai lebih baik jika dibandingkan dengan surfaktan dan polimer sintetis. Lebih lanjut gulungan polimer hanya sebagian yang dapat ditarik dalam bidang acak laju regangan. Sreenivasan dan White [6] menunjukkan bahwa teori elastisitas yang diusulkan oleh de Gennes [5] sesuai dengan setidaknya dua observasi eksperimental, yaitu, ketergantungan timbulnya drag reduction pada konsentrasi polimer dan Maximum Drag Reduction Asymptote (MDRA). Beberapa upaya telah dilakukan untuk meningkatkan DRE dan kestabilan mekanis polimer drag reduction. Secara umum, homopolimer, kopolimer alternatif, polimer cangkok, polielektrolit dan polisakarida dari alam dan sumber mikroba adalah pengurang drag yang efisien dalam air, pelarut organik, dan minyak mentah [7,8,9]. Besarnya pengurangan hambatan meningkat dengan pertambahan berat molekul, panjang polimer, dan juga kerentanannya terhadap munculnya degradasi aliran. Dalam penelitian ini penyalur yang digunakan adalah pipa bulat dengan beberapa variasi diameter. Dan harapannya hasil dari pengujian yang dilakukan pada fluida berupa air ini nantinya dapat diterapkan untuk pemanfaatan yang potensial dalam berbagai proses industri dan operasi, seperti transportasi cairan jarak jauh, operasi sumur minyak, pembuangan air limbah banjir, pemadam kebakaran, transportasi suspensi dan lumpur, irigasi, pemanasan air (aliran pendingin, jet cutting, operasi biomedis dan kelautan. CMC ini akan diuji pengaruhnya terhadap pengurangan laju aliran turbulen fluida air pada pipa bulat dengan empat variasi diameter. Pemanfaatan polimer drag reduction telah dikaji pada 1990-an oleh Singh [10], Morgan dan McCormick [11], Den Toonder [12], Gyr dan Bewersdorff [13], Moussa [14], dan Gad ElHak [8].

2. Reologi Model Hubungan friction coefficient dengan Reynolds number ditunjukkan dalam diagram Moody. Persamaan friction coefficient untuk aliran laminar dinyatakan sebagai garis lurus dari Hagen-Pouiseuille dan Blasius untuk aliran turbulen dan juga rasio kekasaran permukaan pipa. Hubungan tersebut merubah nilai viskositas pada nonNewtonian fluid dikarenakan terjadinya shear rate, Reynolds kemudian digantikan dengan Generalisasi Reynolds number Re’, dimana viskositas nyata (apparent viscosity) berhubungan dengan nilai mutlak shear stress, pada fluida Non-Newtonian secara umum hubungan tegangan geser (shear stress) dan gradient kecepatan (shear rate) dapat dituliskan sebagai Power Law Model berikut : n

⎛ ∂u ⎞ n τ = K ⎜ ⎟ = K (γ ) ...................... (1) ⎝ ∂y ⎠

Dimana : K adalah konstanta fluida viskositas nyata (apparent viscosity) dimana semakin besar nilai K fluida semakin viskos, τ adalah tegangan geser, n adalah indeks perilaku aliran (power law index), ∂u / ∂y = γ adalah laju

geseran (shear rate). Untuk n=1 adalah fluida Newtonian dimana K=µ untuk viskositas Newtonian. n<1 untuk fluida Pseudoplastic, dan n>1 untuk fluida dilatant. dengan :

τ=

DΔP ................................................ (2) 4L

8V ................................................... (3) D dengan D adalah diameter pipa, ΔP adalah pressure drop, L adalah panjang pipa, V adalah kecepatan aliran. Dari nilai tegangan geser (shear stress) dan laju aliran dari fluida tersebut maka power law index (n) dapat diketahui dengan persamaan sebagai berikut :

γ=

τ DΔP Log 1 τ 2 .... (4) 4 L atau n = n= 8V γ d ln Log 1 D γ2 d ln

Dengan mengetahui besar tegangan geser yang terjadi, profil kecepatannya, dan power law index (n) maka nilai K (η) dapat diketahui dengan menggunakan persamaan (1). jika nilai K sudah diketahui maka Generalisasi Reynolds number dapat diketahui dengan menggunakan persamaan berikut :

Re' =

8nn ρ D nV 2−n 2n (3n + 1)n K

........................ (5)

friction coefficient ( f ) dapat diketahui jika nilai tegangan geser, kecepatan aliran dan densitas fluida kerja sudah diketahui, maka digunakan persamaan fanning sebagai berikut :

f =

τ 1/ 2 ρV 2

atau

f =

DΔP 2 L ρV 2

.. (6)

Persamaan fanning umumnya digunakan untuk menghitung faktor gesekan dimana zat kimia penyusunnya lebih diperhatikan (untuk fluida lebih dari satu phase). Nilai friction factor dapat dikonversi ke formula Darcy menjadi sebagai berikut :

⎡⎣ f Darcy = 4 × f fanning ⎤⎦ ................

(7)

64 ............................................... Re

(8)

Persamaan Hagen Pouisuelle untuk menyatakan friction factor pipa mulus dalam aliran laminar berkembang penuh adalah :

f =

Persamaan Blasius untuk menyatakan friction factor ( f ) pipa mulus dalam aliran turbulen berkembang penuh adalah :

f =

0.079 .......................................... (9) Re0.25

dan daerah Virk’s asymptote yang diperkenalkan Virk untuk menyatakan kemungkinan terbesar pengurangan pressure drop yang mana hubungan diantara friction factor ( f ) dan Re tidak tergantung pada aditif atau diameter pipa. Persamaan Virk adalah (Virk dkk, 1970)

f =

0.59 .......................................... (10) Re0.58


Persamaan keseluruhan daerah aliran turbulen dapat dinyatakan dalam persamaan Prandtl-Karman sebagai berikut :

1 = 4.0log Re f − 0.4 ............ f

(

)

(11)

Kehilangan energi dalam aliran pipa yang disebabkan gesekan dinyatakan sebagai pressure drop atau dapat juga dinyatakan dalam head loss sebagai berikut : 2 ⎛ L ⎞ ρV ....................... ΔP = 4 f ⎜ ⎟ ⎝ D ⎠ 2 2 ⎛ L ⎞ V ............................. hL = 4 f ⎜ ⎟ ⎝ D ⎠ 2 g

dimana

hL adalah

head loss,

factor. Persentase drag reduction formulasi berikut :

DR% =

f

(12)

(13)

adalah fanning friction

dapat

dihitung

dengan Gambar 1 Rancangan alat uji pressure drop [17]

| ΔPf − ΔPfdrag | ΔPf

× 100

..... (14)

dimana ΔPf adalah pressure drop tanpa penambahan dan ΔPfdrag adalah pressure drop dengan

DRA,

penambahan DRA.

3. Rancangan Alat Uji Alat uji yang digunakan adalah sistem perpipaan tertutup dengan menggunakan pipa bulat berdiameter 2 mm, 6 mm, 11 mm dan 17 mm. Jenis biopolimer yang digunakan adalah CMC. Fluida kerja yang digunakan adalah air. Panjang daerah masuk 1200 mm cukup untuk mencapai aliran turbulen berkembang penuh. Tabel 1 Dimensi Pipa Bulat

Pipa Bulat P. Bulat I P. Bulat II P. Bulat III P. Bulat IV

d (mm) 2 6 11 17

keterangan : 1. Tangki reservoir 2. Pompa air 3. Rangka penyangga 4. Katup 5. Pipa uji 6. Manometer; a) Manometer I; b) Manometer II; c) Manometer III

4. Hasil pengujian penambahan CMC dalam air pada pipa bulat Berikut ini adalah grafik yang menunjukkan hubungan laju geseran (shear rate) terhadap viskositas sesaat (apparent viscosity) penambahan konsentrasi 250 ppm, 500 ppm, dan 750 ppm CMC dalam aliran air. Hubungan laju geseran air terhadap viskositas sesaat adalah konstan karena power law index (n) air tanpa penambahan CMC adalah satu. Penambahan konsentrasi ppm CMC yang makin besar menyebabkan kondisi awal viskositas sesaatnya tinggi kemudian semakin menurun terhadap waktu, hal ini karena power law index (n) kurang dari satu yang mengakibatkan perubahan sifat cairan menjadi nonNewtonian jenis pseudoplastis dan terjadi pengenceran pada laju geseran. Grafik berikut ini menunjukkan hubungan Reynolds number terhadap koefisien gesek penambahan konsentrasi CMC dalam aliran air. Peningkatan konsentrasi CMC yang ditambahkan akan menurunkan koefisien gesek aliran air sehingga menyebabkan drag reduction. kurva blasius menunjukkan karakteristik koefisien gesek pada pipa mulus untuk aliran turbulen sebagai fungsi dari Reynolds number. Kurva asymptote Virk menunjukkan maksimum drag reduction yang dapat dicapai dalam usaha pengurangan drag aliran.


C irc ula r P ipe D i = 6 m m H a g en P ouis elle E q. P ra ndtl-‐K a rma n E q. V irk E q. W a ter 250 ppm 500 ppm 750 ppm

-‐2

10

-‐3

f

10

10

3

10

4

R e'

Gambar 2 Grafik hubungan Reynolds number terhadap friction coefficient dengan penambahan CMC serta perbandingan dengan kurva blasius dan Asymptote Virk

Grafik berikut ini menunjukkan hubungan Reynolds number terhadap persentase drag reduction. Peningkatan Reynolds number memberikan nilai drag reduction yang semakin besar. Semakin besar konsentrasi aditif polimer memberikan nilai drag reduction yang makin tinggi dikarenakan terjadinya penurunan koefisien gesekan.

zone, mereka akan mulai berosilasi atau bergerak membentuk pusaran (vortex) yang makin lama gerakannya semakin cepat ketika mendekati lapisan turbulent core. Akhirnya partikel-partikel tersebut menjadi tidak stabil dan pecah dengan melepaskan sejumlah fluida dan energi ke bagian tengah aliran. Peristiwa ini disebut dengan “burst”. Burst inilah yang menciptakan turbulensi dalam aliran. Energi yang terjadi terbuang dan dilepaskan ke segala arah. Polimer dari drag reducer berinteraksi dengan proses “burst” ini dan mencegah terjadinya turbulensi atau setidaknya mengurangi tingkat atau derajat turbulensi yang terjadi. Molekul polimer drag reducer di dalam fluida, membentuk suatu rantai polimer yang panjang dan kontinyu (polymer long-chain state). Rantai polimer ini berfungsi untuk mencegah terjadinya turbulensi atau mengurangi turbulence level dengan cara menyerap energi atau memantulkan kembali partikel-partikel “streak” yang bergerak menuju buffer zone dan turbulent core. Dengan demikian proses terjadinya “burst” dapat dihindari dan dengan sendirinya mengurangi tingkat atau derajat turbulensi yang terjadi. Dari gambaran diatas, maka dapat disimpulkan bahwa molekul-molekul polimer drag reducer bekerja paling efektif pada lapisan buffer zone dan sedikit pada lapisan laminar sublayer.

7 5 0 ppm C MC 50

D R (% )

40

30

20

2 m m 6 m m 1 1 m m 1 7 m m

10

Gambar 4 Penampang aliran turbulen dalam pipa

0 0

10000

20000

30000

40000

50000

R e'

Gambar 3 Grafik hubungan Reynolds number terhadap persentase drag reduction pada penambahan CMC dalam air

4.1

Mekanisme Drag Reduction

Aliran turbulen pada dasarnya terdiri dari tiga zona atau lapisan yang berbeda yaitu laminar sublayer, buffer zone, dan turbulent core. Pada bagian tepi atau bagian yang terdekat dengan dinding pipa terdapat lapisan laminar sublayer. Pada lapisan ini aliran fluida berada dalam regime laminar. Friction loss yang terjadi pada bagian ini sangat kecil. Pada lapisan kedua setelah laminar sublayer adalah lapisan buffer zone. Pada lapisan buffer zone inilah aliran turbulen pertama kali terbentuk. Pada bagian tengah dari aliran turbulen terdapat lapisan turbulent core. Lapisan ini merupakan lapisan yang terbesar dalam aliran turbulen. Gambar diatas juga sedikit menggambarkan bagaimana turbulensi itu terjadi. Pada lapisan laminar sublayer, terdapat partikel atau molekul-molekul kecil yang disebut dengan “streak”, yang mana molekul-molekul ini bergerak dari lapisan laminar sublayer menuju ke tengah ke lapisan buffer zone dan turbulent core. Pada saat partikel atau molekul ini masuk ke dalam lapisan buffer

5

Studi Penelitian yang dilakukan

5.1 Aditif Polimer Pada Pipa Bulat Semakin besar konsentrasi biopolimer CMC yang ditambahkan ke dalam air maka makin besar pengurangan gesek yang terjadi dalam aliran fluida. Semakin banyak konsentrasi CMC yang dicampurkan ke dalam fluida uji pada bilangan Reynolds yang sama maka makin besar pula drag reduction yang terjadi. Seiring meningkatnya bilangan Reynolds maka persentase drag reduction juga semakin meningkat

5.1.1 Pengaruh diameter terhadap drag reduction aditif polimer jenis CMC pada aliran turbulen air dalam pipa bulat. [27], [31] Diameter pipa juga ikut berpengaruh dalam besarnya drag reduction yang terjadi di dalam aliran pipa. Pada pipa diameter 2 mm memiliki persentasi DR maksimal pada konsentrasi CMC 750 ppm sebesar 47%. Sedangkan untuk konsentrasi CMC yang sama pipa berdiameter 6 mm, 11 mm dan 17 mm memiliki DR sebesar 44 %,39 % dan 35%. Perbedaannya terletak pada variasi dari diameter pipa yang digunakan. Sehingga variasi pada pipa bulat


memberikan pengaruh terhadap penurunan koefisien gesek aliran fluida uji. Makin kecil diameter pada pipa, maka makin besar pula penurunan koefisien gesek yang terjadi.

6. Kesimpulan Pengujian awal menggunakan rancangan alat uji pipa bulat memberikan hasil plot kurva berada sedikit diatas kurva blasius pada aliran air tanpa penambahan CMC, hal ini menunjukkan rancangan alat uji telah sesuai standar pengujian. Hasil aditif biopolimer CMC kedalam aliran air pada beberapa tingkat konsentrasi memberikan hasil terjadi peningkatan persentase drag reduction dengan semakin bertambahnya konsentrasi, hal ini menunjukkan tingkat keefektifan penggunaan aditif CMC dalam pengurangan pressure drop aliran. Diameter pipa juga ikut berpengaruh dalam besarnya drag reduction yang terjadi di dalam aliran pipa. Metodologi penelitian dan analisa hasil telah sesuai dan dapat digunakan untuk penelitian-penelitian lanjutan.

7. Referensi [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]

[16]

[17]

B. A. Toms, Proceedings of the 1st International Rheological Congress, Part 2, North Holland Publishing Co., the Netherlands, 1949, pp. 135–142. G. E. Gadd, Encyclopedia of Polymer Science and Technology, Vol. 15, Wiley- Interscience, New York, 1971, pp. 224–253. J. L. Lumley, Phys. Fluids 20, S64–S71 (1977). J. L. Lumley, J. Polym. Sci. Macromol. Rev. 7, 283–290 (1973). P. G. de Gennes, Introduction to Polymer Dynamics, Cambridge University Press, New York, 1990, pp. 1–16. K. R. Sreenivasan and C. M. White, J. Fluid Mech. 409, 149–164 (2000). A. Gyr and H. W. Bewersdorff, Drag reduction of Turbulent Flows by Additives, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, the Netherlands, 1995. M. Gad-El-Hak, Flow Control, Cambridge University Press, Cambridge, U.K., 2000. T. Mousa and C. Tiu, Chem. Eng. Sci. 49, 1681–1692 (1994). R. P. Singh, Encyclopedia of Fluid Mechanics, Vol. 9, Gulf Publishing Co., Houston, Tex., 1990, Chapt. 14, pp. 425–480. S. E. Morgan and C. L. McCormick, Prog. Polym. Sci. 15, 103–145 (1990). J. M. J. Den Toonder, Ph.D. dissertation, Technische Universiteit Delft, the Netherlands, 1995. A. Gyr and H. W. Bewersdorff, Drag reduction of Turbulent Flows by Additives, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, the Netherlands, 1995. T. Moussa, Ph.D. dissertation, Monash University, Melbourne, Australia, 1992. Rassoul, G.A.R and Ali A.A. Hadi. Drag Reduction of Crude Oil Flow in Pipelines Using Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate Surfactant. Iraqi Journal of Chemical and Petroleum Engineering Vol.8 No.2, 29-34. (2007). K.Gasljevic, G.Aguilar. E.F. Matthys. 2001. On two distinct of drag reducing fluids, diameter scaling, and turbulent profiles. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. Yanuar, Gunawan, Baqi. Characteristics of Drag Reduction by Guar Gum in Spiral Pipes.Jurnal Teknologi.58 (2012) 95-99.


No title

Recommend Documents