SIMULASI PROSES FLOKULASI DALAM STIRRED TANK DENGAN INCLINED FAN TURBINE Nita Setyaningrum P, Dony Aries S, Widiyastuti dan S.Winardi Laboratorium Mekanika Fluida dan Pencampuran Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111 Telp : (031)-5924448; Fax : (0310-5999282; email :
[email protected]
Abstrak Tujuan flokulasi adalah mentransformasi secara fisis partikel sangat kecil menjadi flok dengan mengikat suspensi solid dengan penambahan flokulan. Karena itu, flokulasi sangat ditentukan oleh derajat pencampuran flokulan yang ditambahkan dengan air baku supaya terjadi kontak yang lebih baik akibat gradient velocity yang dihasilkan oleh adanya pengadukan. Gradient velocity ini akan mempengaruhi laju pertumbuhan flok yang terbentuk. Oleh karena itu tujuan penelitian ini adalah akan mempelajari derajat pencampuran (atau kecepatan putar impeller) yang memberikan flokulasi optimal berdasarkan prediksi disipasi energi dan gradient velocity secara lokal dan global bak flokulator menggunakan computational fluid dynamic (CFD). Bak flokulator berpenampang segi empat yang diaduk dengan inclined fan turbine. Dari hasil simulasi didapatkan kecepatan putar impeller yang memberikan flokulasi optimal (gradient velocity=20-65 s-1) adalah 35-70 rpm dengan disipasi energi sebesar 0.0017 m2/s3. Kata Kunci : flokulasi, tangki berpengaduk, disipasi energi, gradient velocity, simulasi. 1. Pendahuluan Proses pengolahan air yang digunakan sebagai air industri sangatlah sederhana tetapi sangat berpengaruh pada proses produksi suatu industri. Pada dasarnya proses pengolahan air industri bertujuan untuk menghilangkan partikel suspended solid yang terdapat dalam raw water air tersebut. Partikel suspended solid mempunyai rasio luas permukaan terhadap massa yang sangat besar. Massa suspended solid yang sangat kecil menimbulkan efek gaya gravitasi yang sangat kecil pula. Meskipun demikian partikel suspended solid memiliki muatan listrik. Dimana partikel yang mempunyai muatan listrik disebut partikel yang stabil. Flokulasi adalah proses pengikatan partikel-partikel primer yang terbentuk pada proses koagulasi dengan bantuan flokulan yang ditambahkan. Penambahan flokulan berfungsi sebagai jembatan/rantai untuk mengikat partikel-partikel primer sehingga membentuk flok. Pengadukan adalah faktor yang sangat penting untuk mendapatkan efisiensi proses koagulasi-flokulasi. Flok yang terbentuk dari kondisi pengadukan yang berbeda akan menghasilkan sifat fisik yang berbeda pula (Camp-Stein, 1943) dimana ukuran flok yang dihasilkan akan berbanding terbalik secara proporsional terhadap harga gradien kecepatan (G) (Lagvankar, 1943). Analisa Camp-Stein (1943) menunjukkan bahwa proses flokulasi optimal pada harga G 20-70 s-1, dimana flok terbentuk secara cepat dan meninggalkan sisa partikel primer yang sedikit. Harga G yang terlalu tinggi akan menyebabkan flok yang telah terbentuk pecah. Bila harga G terlalu kecil akan menyebabkan kontak antara flokulan dan partikel primer kurang sehingga flok yang terbentuk juga sedikit. Camp-Stein merumuskan persamaan untuk harga gradien kecepatan (G) sebagai berikut: P ……………………………………………………………………………………..(1) G = V .µ Harga P menurut Clark dan Ducoste (1997) diperoleh dari korelasi harga energi dissipasi rata-rata (ε) yang diperoleh dari hasil simulasi setelah perhitungan mencapai tingkat konvergensi, dimana :
P = ∈.ρ .V ……………….....…………………………………………………………………(2) Beberapa peneliti memperoleh korelasi antara kecepatan pembentukan flok dengan gradient kecepatan, diantaranya adalah Henze (1995) memberikan korelasi sebagai berikut: rv, p = −rv, f = K T .n p .θ .G ……………………………………………………………...…(3)
dimana np adalah jumlah partikel primer per unit volume air, sedangkan untuk koagulan Al3+ dan flokulan polimer dengan perbandingan dosis 1.8 harga KT.Φ.104 = 2.68 ± 0.11. Sedangkan Svarovsky (1990) mengemukakan korelasi sebagai berikut:
− rv, f =
2 Gd 3 n 2 .....................................................................................................................(4) 3
Penelitian secara eksperiment telah dilakukan untuk meneliti turbulensi proses flokulasi dalam square tank berpengaduk (Clark dan Ducoste, 1997). Metode-metode eksperiment telah dilakukan untuk memperoleh informasi proses flokulasi, akan tetapi berbagai macam informasi yang diperoleh dari metodemetode eksperimen tersebut digambarkan dalam bentuk parameter global, padahal diperlukan informasi lokal yang lebih mendetail mengenai proses flokulasi dan berbagai faktor yang mempengaruhinya. Salah satu faktor tersebut adalah gradien kecepatan (G). Secara komputasional, belum ada literatur yang mengemukakan hubungan gradien kecepatan terhadap proses flokulasi dalam tangki berpengaduk. Untuk itu diperlukan penelitian mengenai hubungan antara gradien kecepatan terhadap proses flokulasi dalam tangki berpengaduk dengan menggunakan metode CFD. 2. Metodologi Sistem geometri yang dipelajari berupa tangki kubus (square tank) dengan volume 0.557 m3, menggunakan pengaduk inclined fan turbine 4 blade dengan diameter 0,274 m dan tinggi 0.91 m. Jumlah pengaduk yang digunakan 1 buah dengan clearence 0,274 m. Variabel penelitian didasarkan pada kecepatan putar pengaduk sebesar 35, 40, 50, 55, 60, 65, dan 70 rpm. Jenis liquida yang digunakan adalah air dengan densitas 995,68 kg/m3 dan viscositas 0.0008007 kg/m.s. Langkah pertama penelitian ini adalah pembuatan geometri tangki pengaduk yang akan dipelajari dengan sistem tiga dimensi, sedangkan pembuatan grid yang merupakan domain perhitungan dengan menggunakan software GAMBIT 2.1.16. Pengaduk dimodelkan dengan menggunakan pendekatan Multiple Reference Frame (MRF), dimana pemodelan ini merupakan bentuk sederhana yang dapat menyelesaikan permasalahan-permasalahan dimana seluruh domain atau sebagian domain bergerak. Grid yang digunakan untuk pemodelan ini adalah Non Uniform Structured Grid tipe Hexahedral Grid dengan grid size sebagai berikut: cells = 33244, faces = 102140 dan nodes = 35595. Langkah kedua mengimport grid ke FLUENT 6.1.18 dan memeriksa gridnya. Langkah ketiga adalah memilih formulasi solver dan persamaan dasar yang akan diselesaikan, memasukkan spesifikasi sifat material yang digunakan dan menentukan kondisi batas dari sistem. Dilanjutkan dengan langkah terakhir yaitu mengatur penyelesaian parameter-parameter yang mengontrol dan menyelesaikan dengan cara iterasi.
T = 0.83 m
hi = Di/3 Di = T/3
C=T/3
L=T
Gambar 1 Dimensi tangki dan Grid yang digunakan untuk simulasi
Hasil dan Diskusi Energi Dissipasi Gambar 2 menggambarkan bahwa semakin besar kecepatan impeller semakin besar harga ε ratarata, begitu pula untuk ε koreksi dengan faktor koreksi sebesar 0.38 (Bakker, 1994). Hal tersebut sesuai dengan eksperimen yang telah dilakukan Clark dkk (1997), dimana pada energi dissipasi yang dibuat konstan pada 0.0016 m2/s3 didapatkan kecepatan putar impeller 55.02 rpm untuk proses flokulasi yang optimal. Dalam simulasi dengan menggunakan FLUENT ini pada kecepatan putar impeller 55.02 rpm didapatkan energi dissipasi aktual sebesar 0.001605. Jadi antara percobaan yang dilakukan Clark dkk (1997) dan dikoreksi dengan simulasi yang dilakukan Bakker dkk (1994), terdapat korelasi sehingga didapatkan adanya kesesuaian antara eksperimen dan perhitungan yang dilakukan dengan menggunakan CFD.
0.006
εave εact
0.005
ε (m 2 /s 3 )
0.004
0.003
0.002
0.001
0 0
20
40
60
80
100
N (rpm)
Gambar 2 Hubungan energi dissipasi rata-rata dan energi dissipasi aktual untuk berbagi kecepatan impeller
Aliran pada Fasa Tunggal (Single Phase) Gambar 3 menunjukkan pola aliran fase liquid. Aliran yang terbentuk dalam tangki berpengaduk dengan tipe impeller inclined turbine 45o type down flow menunjukkan pola aliran axial. Aliran fluida mengalir dengan kecepatan tinggi dari impeller dengan arah axial kebawah. Aliran ini kemudian membentur dasar tangki dan aliran berbelok arah ke atas, kemudian aliran menuju ke permukaan tangki dengan kecepatan yang semakin lama semakin mengecil. Karena perputaran impeller aliran fluida seakanakan tersedot kearah impeller, sehingga fluida yang berada diatas akan kebawah menuju arah impeller, lalu oleh impeller aliran diperkuat menuju kedasar, begitu seterusnya. Karena pergerakan fluida tersebut terjadi suatu pusaran di tangki bagian bawah. Hal tersebut terlihat jelas pada bidang r-z (Gambar 3.a). Pola alir yang sama juga diperlihatkan oleh percobaan Bakker (1994). Aliran fluida pada bidang r-φ (Gambar 3.b) terlihat berputar searah jarum jam. Aliran pada daerah dekat dinding tangki lebih cepat dan menuju ke dinding tangki. Semakin mendekati impeller aliran fluida semakin cepat dan menuju ke bagian impeller.
m/s
(b)
(a)
Gambar 3 Plot vektor medan kecepatan aliran fluida untuk kecepatan putar impeller 55.02 rpm (a) bidang r-z, (b) bidang r-φ Kecepatan Putar Impeller untuk Proses Flokulasi Optimal Putaran impeller yang memenuhi persyaratan G pada 20-70 s-1 adalah antara 35-70 rpm seperti ditunjukkan Tabel 1. Seperti yang telah diuraikan sebelumnya bahwa proses flokulasi membutuhkan kondisi operasi yang tepat untuk mendapatkan flokulasi yang optimal. Salah satunya adalah kecepatan putar impeller. Proses flokulasi tidak membutuhkan putaran impeller yang cepat (rapid mixing) karena akan menyebabkan flok yang terbentuk pecah (break-up). Tabel 1. Hasil perhitungan gradien kecepatan, daya dan energi disipasi berdasar kecepatan impeller Kecepatan Impeller
εave
εcaorr.
P
G
35
0.000171
0.00045
0.2496
23.655
40
0.000255
0.00067
0.3722
28.887
50
0.000496
0.00131
0.7239
40.288
60
0.000856
0.00225
1.2493
52.926
65
0.001087
0.00286
1.5861
59.635
70
0.001358
0.00357
1.9799
66.628
55.02
0.000612
0.001605
0.9632
46.473
Plot kontur energi dissipasi ditunjukkan pada Gambar 4. Dari gambar jelas sekali menunjukkan bahwa semakin tinggi putaran kecepatan impeller energi dissipasi akan semakin tinggi, terutama pada daerah sekitar pengaduk. Energi dissipasi tertinggi yang ada pada daerah sekitar pengaduk untuk kecepatan putar impeller 40, 60 dan 70 rpm berturut-turut adalah 0.08, 0.24 dan 0.36 m2/s3.
(a)
(b)
(c)
m2/s3 Gambar 4
Plot kontur energi dissipasi pada berbagai kecepatan putar pengaduk (a) 40 rpm, (b) 60 rpm, (c) 70 rpm
Kesimpulan Berdasarkan uraian tersebut diatas dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Semakin besar harga G semakin besar kecepatan putar pengaduk. 2. Kecepatan putar pengaduk yang memenuhi harga G (gradient kecepatan) 20-70 s-1 adalah 35-70 rpm. 3. Pada kecepatan putar pengaduk 55.02 rpm didapatkan energi dissipasi sebesar 0.001605 m2/s3, dimana hal ini sesuai dengan eksperimen yaitu 0.0016 m2/s3 Ucapan Terima Kasih Kami sampaikan terima kasih kepada Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS yang telah memberikan dana penelitian dan dana untuk berpartisipasi dalam seminar ini. Daftar Notasi dp Diameter partikel G Gradien kecepatan P Power yang dibutuhkan rv,p Kecepatan pembentukaan partikel primer rv,f Kecepatan pembentukan flok V Volume tangki ε Energi dissipasi rata-rata µ Viscositas ρ Densitas Liquida N Kecepatan putar pengaduk
[m] [s-1] [Watt] [Σ susp.solid pembentuk partikel primer/(m3air.s)] [Σ partikel primer pembentuk flok/(m3air.s)] [m3] [m2/s3] [kg/m2.s] [kg/m3] [rpm]
Daftar Pustaka 1. 2.
Bakker, A and H.E.A. Van den Akker, “A Computational Model for The Gas Liquid Flow in Stirred Reactors”, Trans IChemE Part A, 72: 583-593 (1994). Draste,R.L., Theory and Practice of Water and Waste Water Treatment, John Willey & Sons, USA (1990).
3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Ducoste, J.J., M.M.Clark and R.J.Weetman., “Turbulence in Flocculators: Effects of Tank Size and Impeller Type”, AIChE J., 43, 328-338 (1997). Henze, M., P.Harremoes, J.C. Jansen, and E.Arvin., Waste Water Treatment, 2nd ed., Springer, Germany (1990) Malalasekera,V., An Introduction to Computational Fluid Dynamics, Longman Group, India (1995). Mc Ketta,J.J., Unit Operation Handbook, Mechanical Separation & Material Handling, Vol. 2 Chemical Engineering McGraw Hill Pub., New York (1993). Oldshue, J.Y., Fluid Mixing Technology, Chemical Engineering McGraw Hill Pub., New York (1983). Reynolds, T.D., Unit Operation & Processes in Environment Engineering, Texas A&M University (1988). Svarovsky, L, Solid-Liquid Separation, Part A, 4th Ed.., Butterworth, Heinemann (1990).
