PEMBANGUNAN MODEL KINETIKA PROSES DAN HIDRODINAMIKA UNIT FLOTASI UDARA TERLARUT, SERTA PENGEMBANGAN KONSEP PEMBANGKIT GELEMBUNG MIKRO
DISERTASI Karya tulis sebagi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dari Institut Teknologi Bandung
Oleh
HERY BUDIANTO NIM : 35302001
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
PEMBANGUNAN MODEL KINETIKA PROSES DAN HIDRODINAMIKA UNIT FLOTASI UDARA TERLARUT, SERTA PENGEMBANGAN KONSEP PEMBANGKIT GELEMBUNG MIKRO
Oleh
HERY BUDIANTO NIM : 35302001 Institut Teknologi Bandung
Menyetujui Tim Pembimbing
Tanggal……………………
Ketua
______________________________ (Prof. Dr. Ir. Wisjnuprapto, Dipl. SE.)
Anggota
Anggota
_________________________________
_________________________________
(Prof. Dr. Ir. Benjamin Soenarko, MSME.) (Prof. Ir. Suprihanto Notodarmojo, Ph.D.)
PEMBANGUNAN MODEL KINETIKA PROSES DAN HIDRODINAMIKA UNIT FLOTASI UDARA, SERTA PENGEMBANGAN KONSEP PEMBANGKIT GELEMBUNG MIKRO
ABSTRAK Flotasi udara terlarut (dissolved air flotation – DAF) adalah unit operasi yang digunakan untuk pemisahan fasa padat dari fasa cair atau fasa cair dari fasa cair. DAF mempergunakan gelembung udara mikro untuk penyisihannya. Proses penyisihan yang terjadi pada unit DAF diberikan oleh kinetika DAF. Disertasi ini berhasil membangun model kinetika DAF dengan berdasarkan model keterkaitan dua arah yang dibangun oleh Wang dkk. (1998). Hasil pengujian dan kalibrasi menunjukan model yang dibangun dapat diaplikasikan pada penyisihan partikel tapioka dari air. Kemajuan CFD (Computational Fluid Dynamics) untuk mensimulasikan hidrodinamika, digunakan untuk menganalisa hidrodinamika yang terjadi pada unit DAF. Simulasi CFD yang dilakukan adalah hidrodinamika pada aliran tiga dimensi (3D) dan tiga fasa. Ketiga fasa yang meliputi fasa cair dengan air sebagai fasa pembawa, fasa padat dengan partikel tapioka serta fasa gas dengan gelembung. Simulasi yang dilakukan adalah dengan memvariasikan tinggi baffle pada tangki DAF yaitu dengan tinggi baffle 12,5; 32,5; 40,0; 60,0 cm dan tanpa baffle. CFD juga dikaitkan dengan model kinetika yang dibangun untuk mengetahui penyisihan partikel padat dengan mempergunakan besaran kecepatan yang didapatkan dari simulasi CFD pada setiap titik tinjau di dalam ruang tangki flotasi. Disertasi ini juga meninjau konsep desain pembangkit gelembung mikro sebagai substitusi dari tangki tekan dengan tujuan untuk meningkatkan kinerja unit DAF dan mengurangi biaya operasional unit DAF. Kata kunci : energi dissipasi, frekuensi tumbukann, kinetika DAF, CFD, pembangkit gelembung mikro
DEVELOPMENT OF PROCESS KINETICS MODEL, HYDRODYNAMICS OF DISSOLVED AIR FLOTATION UNIT, AND CONCEPT OF MICRO-BUBBLE GENERATOR
ABSTRACT Dissolved air flotation (DAF) is an unit operation applied for removal of solid phase from liquid phase or liquid phase from liquid phase. DAF utilizes micro air bubble for its exclusion. Exclusion process that occurred in DAF unit given by DAF kinetics. This dissertation successfully developed DAF kinetic model with based on twoway coupling method developed by Wang et al. (1998). Result of validation and calibration showed that model which have been developed are suitable to be applicated for the removal of tapioca particle from water. Advances CFD (Computational Fluid Dynamics) simulation of hydrodynamics was applied to analyze the hydrodynamics that occurred in DAF unit. Simulation of CFD that have been done is hydrodynamics at three dimensional (3D) flow and three phases. Primary phase is water as carrier phase, solid phase is tapioca particles and gas phase is bubble. Simulation conducted with various height of baffle in the DAF tank with its variation in 12,5; 32,5; 40,0; 60,0 cm and without baffle. CFD also linked to kinetic model developed to calculate the removal of tapioca particles with used velocity and pressure in each point of evaluation in flotation tank. This dissertation also developed the design concept of micro bubble generator for substitution of the pressure tank to increased the performance of DAF unit and reduced the operational cost of DAF unit. Keyword : dissipation energy, collision frequency, kinetics DAF, CFD, micro bubble generator
Everything should be made as simple as possible, but not simpler Albert Einstein (1879-1955)
Teruntuk: MAMAK DARMI & BAPAK MARSONO pada tulus EMAK AISYAH & BAPAK SOMAD untuk kasihnya EUIS KOMILI untuk cintanya ADILAH FITRIA NAUFAL SHABRINA MUHAMMAD NAUFAL AQIL FARHAN atas kedalaman lafaz makna dan ketulusan yang diajarkannya
ii
RINGKASAN Flotasi udara terlarut (dissolved air flotation – DAF) adalah unit operasi yang digunakan untuk pemisahan solid-liquid atau liquid-liquid dalam sebuah larutan. Proses pemisahan ini banyak diaplikasikan pada pengolahan air minum dan air limbah. Proses DAF dilakukan dengan menjenuhkan air dengan udara terlarut pada tekanan di atas tekanan atmosfer. Air yang sudah terjenuhkan oleh udara tersebut kemudian dialirkan ke tangki flotasi melalui lubang yang berukuran jauh lebih besar dibandingkan gelembung. Akibat dari pengurangan tekanan ke atmosfer tersebut udara yang terlarut akan membentuk gelembung udara mikro, yaitu gelembung udara dengan ukuran kurang dari 150 µm. Gelembung udara ini akan terkoloid dengan partikel di tangki flotasi sehingga membentuk agglomerat gelembung-partikel (Edzwald, 1995). Disertasi ini terdiri dari tiga bagian utama, yaitu (1) pembangunan model kinetika flotasi, (2) pengkaitan model kinetika flotasi dengan hidrodinamika pada tangki flotasi dengan metode CFD (Computational Fluid Dtnamics) dan (3) pembanguan konsep pembangkit gelembung mikro. Pembangunan model kinetika flotasi dimulai dengan model tumbukan partikel padat dan gelembung (persamaan 4.18) berdasarkan model frekuensi tumbukan Wang dkk. (1998) yang dibangun untuk tumbukan titik-titik (droplet) air di atmosfer. Model kinetika yang dikembangkan tersebut merupakan model frekuensi tumbukan dengan keterkaitan dua arah. Model frekuensi tumbukan dua arah menunjukkan hasil yang lebih baik dibandingkan model tumbukan dengan tinjauan keterkaitan satu arah yang selama ini dipakai secara luas pada modelmodel kinetika flotasi. Model frekuensi tumbukan antar partikel menunjukkan bahwa frekuensi tumbukan tidak hanya dipengaruhi oleh gradien kecepatan dan gravitasi, tetapi juga dipengaruhi oleh percepatan partikel sebagai tanggapan interaksi antara percepatan fluida terhadap inersia partikel.
iii
Model frekuensi tumbukan dengan keterkaitan dua arah yang dikembangkan ini melibatkan besaran energi dissipasi di dalam unit DAF. Dalam kaitan ini telah berhasil dibangun sebuah model energi dissipasi unit DAF (persamaan 4.27). Model ini merupakan perbandingan antara tekanan tangki tekan, fraksi volume udara dan debit input ke tangki tekan terhadap massa jenis campuran dan volume tangki tekan. Model ini berada dalam bentuk persamaan energi persatuan massa. Model energi dissipasi unit DAF yang ada selama ini merupakan model energi dissipasi dalam bentuk persamaan energi persatuan volume (model Fukushi dkk., 1998). Model energi dissipasi yang dibangun dalam persamaan energi per satuan massa ini menggantikan fungsi skala panjang Taylor dan percepatan aliran pada model Wang. Dengan mempergunakan model energi dissipasi yang dibangun tersebut model frekuensi tumbukan partikel dengan keterkaitan dua arah tersebut dapat diselesaikan dan diaplikasikan pada unit DAF. Disertasi ini juga mendapatkan bahwa energi isotermal pada unit model DAF adalah parameter utama yang menentukan effisiensi penyisihan suatu unit DAF. Dari hasil perhitungan yang digunakan dalam penelitian ini diperoleh bahwa energi isotermal maksimum dicapai pada tekanan 60 psi. Namun demikian nilai maksimum ini masih perlu diverifikasi pada sistem unit DAF yang lain. Bertitik tolak dari model frekuensi tumbukan yang dikembangkan telah berhasil dibangun model laju flotasi yang melibatkan model frekuensi tumbukan dan besaran effisiensi pengumpulan. Besaran effisiensi pengumpulan terdiri dari dari parameter effisiensi tumbukan, gelinciran, stabilitas dan effisiensi kontak tiga fasa. Model laju flotasi yang dibangun diterapkan pada neraca massa proses flotasi per satuan waktu untuk mendapatkan model kinetika flotasi. Model kinetika flotasi yang dibangun tersebut menggunakan asumsi bahwa konsentrasi udara dalam tangki flotasi tetap. Model kinetika flotasi yang digunakan untuk mengevaluasi kinerja unit flotasi menghasilkan effisiensi penyisihan flotasi.
iv
Kalibrasi model effisiensi penyisihan flotasi dengan percobaan flotasi udara terlarut menggunakan tepung tapioka sebagai partikel model menunjukkan perbedaan hasil yang sangat kecil yaitu kurang lebih 5 %. Studi hidrodinamika yang mengkaitkan model kinetika flotasi dengan hidrodinamika pada tangki DAF dengan metode CFD mempergunakan perangkat lunak Fluent® berhasil menvisualisasikan perilaku hidrodinamika di dalam tangki flotasi dan membangun koefisien perubahan antar fasa padat untuk proses flotasi dengan menggunakan fasiltas UDF (User Defined Functions) dari perangkatt lunak Fluent®. Simulasi hidrodinamika pada tangki DAF yang dilakukan meliputi simulasi tiga fasa dan tiga dimensi (3D). Hasil simulasi dengan CFD mendapatkan bahwa (1) ketinggian baffle yang berada zone outlet tangki DAF mempengaruhi perilaku hidrodinamika di atas ambang baffle sehingga effisiensi penyisihan partikel padat juga akan dipengaruhi oleh ketinggian baffle, (2) kecepatan maksimum setiap fasa yang berada di atas baffle terjadi pada ketinggian baffle dengan effisiensi penyisahan paling maksimum; (3) effisiensi maksimum penyisihan partikel padat dalam DAF terjadi apabila kecepatan naik fasa padat lebih besar dari kecepatan fasa cair. Pada kondisi percobaan penyisihan partikel padat yang dilakukan didapatkan penyisihan maksimum terjadi pada tangki DAF dengan tinggi baffle 27,5 cm. Pengembangan konsep pembangkit gelembung udara mikro dilakukan melalui turbulensi aliran dengan meningkatkan kecepatan input udara ke dalam fasa cair tanpa menggunakan unit bergerak. Diameter gelembung rerata yang dihasilkan oleh pembangkit gelembung mikro skala laboratorium adalah 70 μm. Aplikasi hasil penelitian unit DAF ini pada proses produksi tapioka skala laboratorium
berhasil
meningkatkan
effisiensi
produksi
tapioka
dan
meminimalkan volume limbah cair dari proses produksi tapioka serta menurunkan konsentrasi kontaminan pada effluent.
v
KATA PENGANTAR
Hanya rahmat dan hidayat Allah SWT yang mengantarkan penulis dapat menyelesaikan disertasi ini. Penulis mengucapkan terimakasih kepada semua pihak yang telah membantu dan mendorong penulis hingga selesainya disertasi ini, terutama kepada : Prof. Dr. Ir. Wisjnuprapto, Dipl.S.E., selaku promotor dan yang membimbing penulis dengan penuh kesabaran, pengorbanan dan mendalamkan metode ilmiah penulis dalam penyelesaian disertasi ini; Prof. Dr. Ir. Benjamin Soenarko, MSME., selaku copromotor yang mengajarakan penulis tentang partikel dan cara penyajian yang baik, Prof. Ir. Suprihanto Notodarmojo, Ph.D., selaku co-promotor dan membimbing penulis dalam pola pikir yang lebih runut dan lebih effektif; Ir. Agus Jatnika Efendi, Ph.D., selaku Ketua Program Studi Teknik Lingkungan ITB; seluruh dosen dan staf di Teknik Lingkungan ITB; pimpinan dan rerekan di Teknik Sipil UGM. Penulis juga mengucapkan terima kasih yang mendalam kepada Qomaruddin Helmy dan Tia yang banyak membantu penulis dengan segenap ketulusan dan keikhlasannya. Ucapkan terima kasih penulis sampaikan secara khusus pada Dedek, Abduh, Pak Rudi & Pak Edison, Depe, Haryo, Aan & Emi, Pak Deden & Pak Erik, Mbak Naning, Pak Mamat, Jeng Susi, Andik, Mbak Siwi dan seluruh rerekan S2 TL ITB, Pak Dadan dan seluruh rerekan di Gedung Lama TL ITB. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada keluarga besar di Tanjungkarang dan Baturaja serta seluruh pihak yang membantu dalam penyelesaian studi ini. Kritik dan saran dari pembaca dapat disampaikan kepada penulis melalui e-mail
[email protected]. Semoga laporan penelitian ini bermanfaat.
vi
Bandung, Desember 2007 Penulis
vii
DAFTAR ISI Halaman Pengesahan ................................................................................................i Halaman Persembahan ............................................................................................ ii Ringkasan ............................................................................................................. iii Kata Pengantar .......................................................................................................vi Daftar Isi .............................................................................................................. vii Daftar Gambar ........................................................................................................xi Daftar Tabel ........................................................................................................ xiii Daftar Simbol ......................................................................................................xiv Daftar Lampiran ................................................................................................ xviii Bab I
Pendahuluan 1.1 Latar Belakang Penelitian...................................................................1 1.2 Hipotesa ..............................................................................................5 1.3 Identifikasi dan Batasan Masalah .......................................................6 1.3.1 Identifikasi Masalah .................................................................6 1.3.2 Batasan Masalah.....................................................................12 1.4 Maksud, Tujuan dan Manfaat Disertasi ............................................14 1.5 Ruang Lingkup Disertasi ..................................................................14 1.6 Sumbangan untuk Ilmu Pengetahuan ...............................................15 1.7 Sistematika Penulisan Laporan .........................................................15
Bab II Tinjauan Pustaka 2.1 Pendahuluan .....................................................................................16 2.2 Proses Flotasi Udara Terlarut (DAF)................................................17 2.2.1 Teori Pembentukan Gelembung .............................................21 2.2.2 Pembangkitan Gelembung Udara pada DAF .........................23 2.2.3 Kelarutan Udara pada Air.......................................................25 2.2.4 Penentuan Gas Hold Up .........................................................27 2.2.5 Perbandingan Fraksi Udara dan Partikel Padat pada DAF.....28 2.2.6 Turbulensi dan Kavitasi pada Pembangkitan Gelembung......30 2.3 Kecepatan Gelembung dan Agglomerat Gelembung-Partikel.........32 2.3.1 Kecepatan Gelembung Tunggal ..............................................32 2.3.2 Kecepatan Agglomerat Gelembung-Partikel...........................35 2.4 Model Kinetika Unit DAF ................................................................36 2.4.1 Model Kinetika DAF yang Telah Dikembangkan..................39 2.4.2 Model Kinetika Makroflotasi .................................................45
viii
2.5 Aliran Turbulen.................................................................................56 2.5.1 Energi Dissipasi Unit DAF.....................................................56 2.5.2 Laju Tumbukan Partikel pada Kondisi Turbulen ...................57 2.6 Aliran Multifasa ................................................................................61 2.7 Computational Fluid Dynamics (CFD) ............................................65 2.7.1 Pendektan Euler-Lagrange .....................................................67 2.7.2 Pendekatan Euler-Euler ..........................................................68 2.8 Particle Tracking Velocimeter..........................................................69 Bab III Metodologi Penelitian 3.1 Pendahuluan .....................................................................................73 3.2 Tahapan Penelitian............................................................................74 3.3 Pembangunan dan Pengembangan Persamaan .................................74 3.4 Kalibrasi dan Validasi Model ...........................................................75 Bab IV Pembangunan Model Kinetika DAF pada Aliran Turbulen dengan Keterkaitan Dua Arah 4.1 Pendahuluan .....................................................................................78 4.2 Dasar Teori.......................................................................................80 4.2.1 Aliran Multifasa Tangki DAF..................................................80 4.2.2 Teori Tumbukan Geometri Partikel .........................................81 4.2.3 Model Kinetika DAF ...............................................................84 4.2.4 Energi Dissipasi .......................................................................85 4.3 Metodologi dan Tahapan Penelitian.................................................86 4.3.1 Metodologi Penelitian ..............................................................86 4.3.2 Tahapan Penelitian...................................................................87 4.3.3 Metode Pembangunan Model Kecepatan Flotasi ....................89 4.3.4 Batasan Pembangunan Model Kecepatan Flotasi ....................89 4.3.5 Karakterisasi Air dan Partikel Tapioka....................................90 4.3.6 Perbandingan Model ................................................................90 4.4 Hasil dan Pembahasan ......................................................................91 4.4.1 Pembangunan Persamaan Kinetika Flotasi Unit DAF.............91 4.4.2 Validasi dan Kalibrasi Persamaan Energi Dissipasi ..............101 4.4.3 Validasi dan Kalibrasi Model Effisiensi DAF.......................108 4.4.4 Validasi dan Kibrasi Persamaan Kecepatan Flotasi ..............113
ix
Bab V. Simulasi Hidrodinamika dan Kinerja Unit DAF dengan CFD 5.1
Pendahuluan..............................................................................
134
5.2
Dasar Teori ............................................................................... 5.2.1 Hidrodinamika Tangki DAF ....................................... 5.2.2 Sistem Multi Fasa ........................................................ 5.2.3 Pemodelan Multi Fasa ................................................. 5.2.4 Model Eulerian ............................................................ 5.2.5 Persamaan Kinetika Flotasi ......................................... 5.2.6 Persamaan Turbulensi .................................................
136 136 139 141 144 154 156
5.3
Metodologi Penelitian............................................................... 5.3.1 Pendahuluan ................................................................ 5.3.2 Tahapan Penelitian ...................................................... 5.3.3 Metodologi Keterkaitan Kinetika DAFdengan Hidrodinamika............................................................. 5.3.4 Perangkat Lunak FLUENT ......................................... 5.3.5 Simulasi Hidrodinamika..............................................
157 157 157
5.4
157 158 169
Hasil dan Pembahasan .............................................................. 170 5.4.1 Simulasi Hidrodinamika untuk Penyisihan Partikel Padat dengan Berbagai Tinggi Baffle .................................... 172 5.4.2 Analisa Kecepatan Aliran di atas Baffle ..................... 178 5.4.3 Validasi dan Kalibrasi Keterkaitan Model Kinetika Flotasi-CFD ................................................................. 183
Bab VI. Pengembangan Unit Pembangkit Gelembung Udara (Bubble Generator) dengan Pemanfaatan Turbulensi Aliran 6.1
Pengantar ..................................................................................
187
6.2
Dasar Teori ............................................................................... 6.2.1 Klasifikasi Tangki Tekan Unit DAF ........................... 6.2.2 Komposisi dan Konsentrasi Udara pada Kondisi Setimbang .................................................................... 6.2.3 Koefisien Transfer Massa pada Aliran Turbulen ........ 6.2.4 Aliran Multifasa........................................................... 6.2.5 Pemodelan Aliran Multifasa........................................
189 189
6.3
Metodologi................................................................................ 6.3.1 Alat dan Bahan ............................................................
210 211
6.4
Hasil dan Pembahasan .............................................................. 6.4.1 Desain Pembangkit Gelembung Mikro ....................... 6.4.2 Hubungan DO dengan Fraksi Udara ...........................
212 212 213
x
191 203 205 206
Transfer Massa Volumetrik (KLa)............................... Hidrodinamika Pembangkit Gelembung .....................
215 219
Kesimpulan ...............................................................................
224
DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... LAMPIRAN
226
6.4.3 6.4.4
Bab VII Kesimpulan 7.1
xi
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1
Pengukuran gas-holdup dengan menggunakan beda tekanan: (a) secara umum; (b) dengan menggunakan manometer air...........29
Gambar 2.3. Skema tingkat keterkaitan pada aliran multi fasa .......................... 63 Gambar 2.4. Skema proses pemodelan CFD ...................................................... 67 Gambar 2.5. (a) Hasil foto aliran tinta dalam air oleh kamera CCD (b) vektor kecepatan hasil foto tersebut dengan DigiFlow ........... 71 Gambar 3.1
Instalasi unit flotasi udara terlarut ................................................. 76
Gambar 5.1
Contoh aliran multi fasa............................................................... 139
Gambar 5.2. Struktur pemodelan hidrodinamika dan kinetika flotasi tangki DAF .................................................................................. 142 Gambar 5.3
Flowchart pemodelan dalam Fluent............................................. 159
Gambar 5.4
Contoh tampilan setelah proses meshing berhasil dilakukan ...... 160
Gambar 5.5
Pembagian daerah kondisi batas pada unit DAF ......................... 161
Gambar 5.6
Tampilan jendela pada proses import data .................................. 162
Gambar 5.7
Langkah perhitungan dengan metode segregasi .......................... 163
Gambar 5.8
Sel triangular dua dimensi (2D)................................................... 164
Gambar 5.9
Grafik residual ............................................................................. 168
Gambar 5.10 Contoh hasil perhitungan dalam vektors ..................................... 168 Gambar 5.11 Skema pengambilan gambar dengan kamera CCD Gambar 5.12 Gambar 5.13 Gambar 5.14 Gambar 5.15 Gambar 5.16 Gambar 5.17 Gambar 5.18
di tangki DAF .............................................................................. 170 Pola aliran ketiga fasa untuk simulasi 63 detik tanpa baffle (H = 0,0 cm)................................................................................. 173 Pola aliran ketiga fasa untuk simulasi 63 detik dengan ketinggian (H ) baffle 12,5 cm..................................................... 174 Pola aliran ketiga fasa untuk simulasi 63 detik dengan ketinggian (H ) baffle 27,5 cm..................................................... 175 Pola aliran ketiga fasa untuk simulasi 63 detik dengan ketinggian (H ) baffle 45,0 cm..................................................... 176 Pola aliran ketiga fasa untuk simulasi 63 detik dengan ketinggian (H ) baffle 60,0 cm..................................................... 174 Kecepatan rerata semua fasa di atas baffle pada tinggi baffle dan waktu tinggal berbeda ........................................................... 179 Kecepatan rerata setiap fasa di atas baffle pada tinggi baffle dan waktu tinggal berbeda ........................................................... 181
Gambar 5.19 Validasi dan kalibrasi simulasi keterkaitan antara model kinetikaflotasi - CFD ................................................................... 184
xii
Gambar 5.20 Foto tracer pada tangki DAF skala laboratorium........................ 186 Gambar 5.21 Penjejakan partikel pada simulasi tangki DAF dengan CFD ...... 186 Gambar 6.1
Geometri nozzle pada percobaan Takahashi dkk. ....................... 197
Gambar 6.2
Skema alat percobaan pengukuran kinerja pembangkit gelembung udara.......................................................................... 211
Gambar 6.3
Unit pembangkit gelembung udara.............................................. 213
Gambar 6.4
Konsentrasi oksigen terlarut (DO) terhadap waktu dengan variasi fraksi udara .................................................................................. 214
Gambar 6.5
Laju konsentrasi (DO) pada 10 menit pertama............................ 215
Gambar 6.6
Nilai koefisien transfer massa volumetrik ................................... 216
Gambar 6.7
Nilai koefisien transfer massa volumetrik pada 15 menit pertama ........................................................................................ 216
Gambar 6.8
Frekuensi kumulatif ukuran gelembung ...................................... 217
Gambar 6.9
Jumlah gelembung udara dengan diameter antara 40-200 μm ... 217
Gambar 6.10 Proses perhitungan dimensi gelembung dengan ImageTools® .... 218 Gambar 6.11 Perbandingan kecepatan air maksimum dengan fraksi udara...... 219 Gambar 6.12 Perbandingan intensitas turbulen dengan fraksi udara ................ 220 Gambar 6.13 Grafik kecepatan input dan output udara pada ejector ................ 220 Gambar 6.14 Hubungan kecepatan output ejector dengan intensitas turbulen.. 221 Gambar 6.15 Intensitas turbulensi pada fraksi udara 0,07 ................................ 222 Gambar 6.16 Pola aliran yang terjadi pada pembangkit gelembung mikro (BG) ..................................................................................................... 222 Gambar 6.17 Distribusi laju dissipasi turbulen fasa cair ................................... 223
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Karakteristik udara dan kelarutannya................................................... 24 Tabel 2.2 Tekanan optimum tangki penjenuh pada DAF..................................... 25 Tabel 2.3 Parameter numerik a dan b berdasarkan bilangan Archimedes dan Morton gelembung udara ..................................................................... 34 Tabel 5.1 Konsentrasi volume dan jumlah gelembung udara terhadap konsentrasi udara terlarut dalam cairan, dengan diameter rerata gelembung udara 40µm............................................................ 140 Tabel 5.2 Parameter simulasi CFD yang digunakan .......................................... 171 Tabel 6.1 Hasil penelitian sebelumnya untuk tekanan, diameter gelembung pada berbagai variasi nozzle di tangki tekan DAF............................ 191 Tabel 6.2 Nilai komponen udara pada suhu 20OC.............................................. 192 Tabel 6.3 Koefisien transfer massa untuk gelembung pada plunging jet dan kolom gelembung ............................................................................... 203 Tabel 6.3 Rancangan percobaan dengan variasi fraksi udara dan air................. 210
xiv
DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG
DAF WCE PBT CFD BG UDF EL EE DNS PIV DO UASB TOC
Dissolved Air Flotation White Water Collector Efficiency Population Balance Turbulence Computational Fluid Dynamic Bubble Generator User-Defined Function Euler-Lagrange Euler-Euler Direct Numerical Simulation Particle Image Velocimetry Dissolved Oxygen upflow anaerobic sludge blanket total organic carbon
1 3 3 3 4 6 8 8 8 9 11 20 21
DAFTAR LAMBANG Cs kH Pc s sa Ptt Pa ftt
ρsl ϕgA dan ϕgB Qin Qrs Sa A/S sa Pf Pm Csat Ca Qrsin
= = = = = = = = = = = = = = = = = = = =
konsentrasi kejenuhan udara di dalam air (g/m3) koefisien Henry (g/m3.Pa) tekanan parsial gas (Pa) jumlah udara yang dilepaskan pada tekanan atmosfer per satuan volume pada kejenuhan 100%, cm3/liter. kejenuhan udara pada tekanan atmosfer, cm3/liter. tekanan absolut tangki tekan tekanan atmosfer efisiensi tangki tekan massa jenis slurry gas-holdup di atas A dan B debit influen aliran limbah, debit resirkulasi limbah yang sudah pernah bertekanan dan influen minyak dan/atau padatan tersuspensi (mg.l-1) perbandingan udara terhadap padatan, ml.mg-1 kelarutan udara, ml.l-1 tekanan terkoreksi, atm tekanan terukur (lb.in-2 atau kPa) konsentrasi massa udara terjenuhkan di dalam tangki tekan konsentrasi udara tersisa di dalam larutan pada tekanan atmosfer perbandingan debit resirkulasi terhadap debit influen (Qrs/Qin)
xv
25 25 25 26 26 26 26 26 27 27 29 29 29 29 29 29 29 30 30 30
Cj
μl Vb db
ρl γl dfa dan daf Ci dan Ct α Vo Ao H db
ηΤ ηS ηI ηD Δρ dE
μl Vo dp K t np Ab
Γ Co Cs g t r1 dan r2 vt1 dan vt2 E z
Πc Πasl Πtpc Πstab
= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =
faktor kejenuhan aliran influen pada kolom flotasi viskositas dinamik fluida (N.det.m-2) kecepatan gelembung udara (m. det-1) diameter gelembung (m) massa jenis liquid (kg. m-3) tegangan permukaan liquid diameter agglomerate gelembung-flok konsentrasi materi tersisihkan pada inlet dan outlet, koefisien adhesi, kecepatan emulsi di dalam tangki flotasi, luas potongan melintang tangki flotasi didapatkan, tinggi tangki flotasi, diameter gelembung udara. efisiensi intersepsi, intersepsi oleh sedimentasi, intersepsi oleh intersepsi langsung, intersepsi oleh difusi. perbedaan massa jenis diameter emulsi viskositas dinamik fluida kecepatan aliran diameter kolektor konstanta Boltzman suhu mutlak (0K). konsentrasi jumlah partikel dan luas permukaan gelembung. laju tumbukan konsentrasi awal, konsentrasi setelah pengolahan, gaya gravitasi waktu tinggal dalam tangki flotasi unit DAF radius partikel, kecepatan terminal setiap partikel efisiensi pengumpulan, frekuensi tumbukan gelembung-partikel, probabilitas tumbukan gelembung-partikel probabilitas penangkapan gelembung-partikel oleh sliding, probabilitas pembentukan kontak tiga fasa, probabilitas kestabilan agregate gelembung-partikel hingga ke xvi
30 33 33 33 33 33 35 39 39 39 39 39 39 39 39 39 39 40 40 40 40 40 40 40 40 40 42 44 44 44 44 45 45 45 46 46 46 46
f
permukaan tangki flotasi
46
konsentrasi gelembung bebas tanpa menangkap partikel. konsentrasi gelembung yang menangkap partikel. jumlah gelembung, jumlah gelembung bebas, jumlah gelembung udara yang menangkap partikel. konsentrasi awal dari partikel (bebas) dalam tangki flotasi,
46 46 47 47 47 49
nb (t) nba(t) nb nbf nba n p0
= = = = = =
nb
= konsentrasi gelembung di dalam tangki flotasi,
n
e p
49
= konsentrasi partikel yang tertangkap oleh gelembung yang telah
Gpb
menangkap gelembung sebelumnya = kecepatan jatuh partikel tanpa dimensi, dengan G pb = v ps vb
49 50
vps vb fl Cb z Ec Ea Es Vtf vb εDAF
= = = = = = = = = = =
50 50 51 51 53 53 53 53 54 54
ma v V εV fm v de G λD ΔX Pg KL DM Sh
kecepatan jatuh partikel, kecepatan naik gelembung. faktor gesekan fluida pengukuran dari mobilitas permukaan gelembung. frekuensi tumbukan gelembung dan partikel. efisiensi tumbukan (collision eficiency), efisiensi penangkapan (attachment eficiency) efisiensi stabilitas (stability eficiency). volume tangki flotasi. volume gelembung dengan satu satuan volume, laju rerata energi dissipasi per unit volume fluida pada tangki DAF
= massa dari air bertekanan (dari tangki tekan DAF) yang dimasukkan ke tangki flotasi per satuan waktu = = = = = = = = = = = = =
57 57
kecepatan masuk dari air bertekanan (m/detik) 57 3 volume zona kontak (m ) 57 3 laju rerata energi dissipasi per unit volume fluida (W/m ) 57 faktor gesekan Manning 57 kecepatan masuk dari air bertekanan (m/detik) 57 3 diameter ekivalensi pipa (m ) 57 gradien kecepatan pada arah tegak lurus gerak partikel. 58 skala mikro Taylor longitudinal dari percepatan fluida. 60 pergerakan rata-rata partikel dalam aliran pada interval waktu 60 daya motor pengaduk, 197 koefisien transfer massa fasa cair, 199 difusivitas gas di dalam cairan dan 200 bilangan Sherwood 202
xvii
δ te υ
= tebal lapis tipis. = waktu perubahan permukaan. = viskositas kinematik
xviii
202 204 204
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1
Hasil simulasi CFD....................................................................... 1-1
Lampiran 2
Kecepatan Air Hasil Simulasi CFD pada Pembangkit Gelembung dengan Variasi Fraksi Udara..................................... 2-1
Lampiran 3
Intensitas Turbulensi Hasil Simulasi CFD dengan Variasi Fraksi Udara.................................................................................. 3-1
Lampiran 4
Dokumentasi Alat dan Bahan Penelitian ...................................... 4-1
Lampiran 5
Data Kalibrasi Alat Ukur Debit Air dan Udara ............................ 5-1
Lampiran 6
Hasil Foto Gelembung Udara ....................................................... 6-1
xix
