UNJUK KERJA SARINGAN PADA PENGUMPUL DEBU SEBAGAI FUNGSI DIAMETER PARTIKEL Cokorda Prapti Mahandari Laboratorium Fisika Dasar Universitas Gunadarma Kampus H, Gedung I Lantai II, Ciliwung Jl. Akses UI Kelapa Dua Cimanggis Depok e-mail :
[email protected]
ABSTRAK
Pengumpul debu (dust collector) sebagai terminal terakhir sistem ventilasi, menyaring polutan dari udara tercemar sebelum dibuang ke udara bebas. Penyaringan terjadi dalam 2 metode, yaitu : intersepsi dan difusi. Unjuk kerja penyaringan ditentukan oleh unjuk kerja kedua proses tersebut. Dengan menganalisa aliran udara tercemar pada pengumpul debu dari industri barang jadi karet pada tingkat partikelnya, diperoleh karakteristik unjuk kerja intersepsi dan difusi yang dipengaruhi oleh diameter partikel. Unjuk kerja intersepsi saringan sebanding dengan diameter partikel sedangkan unjuk kerja difusi saringan berbanding terbalik dengan diameter partikel. Kata kunci : unjuk kerja, saringan, aliran
PENDAHULUAN
Pencemaran udara adalah salah satu bentuk pencemaran dari kegiatan industri. Pada konsentrasi yang cukup tinggi pencemaran udara akan mengotori udara sekeliling lokasi industri sampai dengan radius tertentu. Salah satu alternatif yang dapat dilakukan adalah dengan memasang sistim ventilasi yang umumnya terdiri dari : kipas angin (fan) yang dipasang pada saluran berbentuk kerucut terpancung sebagai penghisap udara kotor, sistem saluran udara (ducting) untuk mengalirkan udara kotor dan pengumpul debu (dust collector) untuk mengumpulkan polutan. Pada pengumpul debu terdapat saringan (filter) yang berfungsi sebagai penyaring udara. Unjuk kerja saringan akan dianalisa dari aliran udara tercemar yang melewati saringan. Pendekatan yang dilakukan adalah analisa aliran tingkat partikel dari udara tercemar pada 2 metode penyaringan yang terjadi secara simultan yaitu proses intersepsi dan difusi.
1
Analisa unjuk kerja saringan dilakukan pada tingkat partikel untuk memperoleh gambaran tentang aliran partikel, persamaan untuk menentukan unjuk kerja saringan dan karakteristik unjuk kerja saringan sebagai fungsi diameter partikel. Dengan mengetahui unjuk kerja saringan sebagai fungsi diameter partikel maka dapat diperkirakan kesesuaian pemilihan diameter serat saringan dengan partikel polutan yang ingin disaring. Di samping itu dari gambaran tentang alirannya dapat dianalisa lebih lanjut langkah-langkah yang diperlukan untuk meningkatkan unjuk kerja sistem ventilasi secara umum.
TINJAUAN PUSTAKA
Saringan jenis serat (packed bed filter) umumnya digunakan pada penyaringan udara, minyak, maupun air. Saringan jenis ini digunakan pada berbagai macam industri yang melibatkan proses penyaringan seperti pada : alat pembersih udara dalam ruangan, tangki penyaringan pada pembuatan air minum kemasan, cerobong pengolahan baja, kapur, dan berbagai jenis industri kimia. Fluida yang berupa udara kotor saat melewati serat saringan akan membentuk lapisan batas aliran (boundary layer flow) akibat pengaruh gesekan dari fluida terhadap permukaan serat . Konsep Lapisan Batas pertama kali dikemukakan pada tahun 1904 oleh Ludwig Prandtl, seorang ahli aerodinamika Jerman. Konsep Prandtl ini membagi aliran fluida ke dalam 2 (dua) bagian yaitu di dalam lapisan batas aliran, yang besar pengaruh gesekannya dan di luar lapisan batas aliran, yang tidak ada pengaruh gesekannya Proses penyaringan umumnya dibedakan menjadi 2 proses yaitu intersepsi dan difusi. Proses penyaringan intersepsi adalah proses terperangkapnya fluida disela-sela penampang proyeksi dari serat saringan dan proses difusi adalah proses tersaringnya fluida akibat gaya hambat aliran pada penampang serat. Akibat adanya gaya hambat ini, maka proses penyaringan difusi hanya terjadi di dalam lapisan batas aliran. Penelitian tentang unjuk kerja saringan dipengaruhi oleh kecepatan fluida, suhu dan tekanan operasi telah banyak dilakukan dan ditampilkan pada spesifikasi saringan. Sedangkan perkembangan terakhir tentang pengaruh diameter partikel terhadap unjuk kerja saringan adalah studi permodelan matematis penyaringan asap motor diesel dengan menggunakan aerosol sebagai fluida kerja oleh peneliti di New Jersey Institute of Technology. Unjuk kerja proses penyaringan dianalisa sebagai fungsi diameter partikel dan laju aliran volume partikel pada kondisi transien. Pendekatan yang dilakukan adalah dengan menganggap bahwa laju penyaringan partikel sebanding dengan jumlah partikel aerosol yang terkumpul. Parameter yang diubah hanya ketebalan lapisan partikel aerosol di pengumpul (collector) pada kondisi tunak (steady state). Persamaan yang diperoleh
2
kemudian diselesaikan dengan penyelesaian polinomial Chebyshev. Hasil dari permodelan matematis ini dibandingkan dengan hasil dari percobaan. METODE PENELITIAN
Pada penelitian ini aliran udara tercemar yang dibahas adalah udara tercemar yang keluar dari proses pencampuran karet mentah dengan karbon hitam pada industri pembuatan barang jadi dari karet. Aliran partikel udara tercemar tersebut melewati saringan jenis serat dan dianalisa dengan pendekatan aliran tunak, tak mampu mampat bergesekan. Konsep tentang lapisan batas juga dipergunakan terutama untuk menganalisa unjuk kerja proses difusi. Data-data mengenai sistem ventilasi, pengumpul debu, saringan, sifat dan komposisi udara tercemar diperoleh dari PT Fuboru, Sidoarjo Jawa Timur. Sedangkan perhitungan unjuk kerja dilakukan berdasarkan persamaan aliran dari konsep mekanika fluida yang diselesaikan secara matematis. Kecenderungan perubahan unjuk kerja saringan terhadap diameter partikel ditampilkan dengan menggambarkannya dalam bentuk grafik garis dari tabel hasil perhitungan unjuk kerja saringan pada berbagai ukuran diameter partikel.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Aliran udara tercemar melewati serat saringan dapat digambarkan dalam bentuk garis arusnya ( streamline) sebagai berikut :
partikel
aliran fluida serat saringan
Gambar 1. Garis arus aliran fluida melewati serat saringan
Analisa aliran udara pada proses penyaringan intersepsi Laju aliran volume udara yang melalui serat saringan pada jarak rs pada θ = 00 adalah
3
r Q = ∫ V .dA
(1)
A
rs + r f
∫ Rθ .dr
Q = 2C L
(2)
rf
Untuk aliran bergesekan maka CL dan Rθ adalah :
CL =
V∞ 2( 2 − ln Re)
Rθ = 1 −
(3)
⎡r⎤ + 2 ln ⎢ ⎥ r ⎢⎣ rf ⎥⎦ rf
(4)
2
dimana : Q
: laju aliran volume ( m3/dt)
⎯V
: vektor kecepatan yang tegak lurus penampang dA
dA
: luas penampang
V∞
: kecepatan udara tercemar sebelum melewati saringan (m/dt)
Re
: angka Reynold
Re =
ρV∞ D μ
(5)
ρ = massa jenis udara tercemar (kg/m3) D = diameter serat (m) μ = viskositas udara tercemar (kg/m.dt) rf
: jari-jari serat (m)
rs
: jari-jari partikel (m)
Bila persamaan diintegralkan dan disubstitusikan ℜ =ds /Df maka
{
}
Q = C L D f 2(1 + ℜ) ln(1 + ℜ) + (1 + ℜ) − (1 + ℜ) −1
(6)
Laju aliran volume melewati penampang proyeksi serat adalah Qp = 2V∞ rf
(7)
Besarnya unjuk kerja proses intersepsi adalah laju aliran volume melewati penampang proyeksi serat dibagi laju aliran volume melewati serat saringan pada θ = 00.
ηi =
Q Qp
(8)
Sehingga diperoleh :
4
ηi =
{
}
1 −1 2(1 + ℜ) ln(1 + ℜ)(1 + ℜ) − (1 + ℜ) 2(2 − ln Re)
(9)
Analisa aliran udara pada proses penyaringan difusi
Proses difusi terjadi pada bagian aliran di dalam lapisan batas. Tebal lapisan batas pada lokasi terjadinya proses difusi oleh Langmuir adalah :
⎡ 4 Δt ⎤ x=⎢ ⎣ π ⎥⎦
1/ 2
(10)
dimana : x : tebal lapisan batas Δ :koefisien difusi yang besarnya sesuai dengan persamaan
Δ=
RT 3π μ f Nd s
(11)
dimana : R: konstanta gas ( 8,3143 J/gmoleOK) T: suhu (OK) N: Bilangan Avogadro ( 6,022x102 /gmole) Proses difusi berlangsung secara aktif antara sudut 600 dan 1500. Waktu yang diperlukan untuk melintasi sudut ini adalah :
t=
0,139 Df2
(12)
CL x o
dimana : xo : tebal lapisan batas pada θ=00 Menurut Langmuir, proses difusi mulai berlangsung pada θ=00 dan tebal lapisan batasnya ditentukan oleh persamaan :
⎡ xo ⎢ ⎢⎣ D f
3
⎤ 0,14 Δ ⎥ = CL D f ⎥⎦
(13)
Unjuk kerja proses difusi adalah :
C ⎧⎪ ⎛ 2 x ⎞ ⎛ 2 x ⎞ ⎛ 2 x ⎞ η d = L ⎨2⎜⎜ 1 + o ⎟⎟ ln⎜⎜ 1 + o ⎟⎟ + ⎜⎜ 1 + o ⎟⎟ V∞ ⎪ ⎝ Df ⎠ ⎝ Df ⎠ ⎝ Df ⎠ ⎩
5
−1
⎛ 2 x ⎞ ⎫⎪ − ⎜⎜ 1 + o ⎟⎟ ⎬ Df ⎠ ⎪ ⎝ ⎭
(14)
Data untuk udara dan karbon hitam adalah sebagai berikut: : 1900 kg/m3
Karbon hitam : massa jenis (ρ) diameter partikel (d)
: 0,01 - 0,5μm
laju aliran massa (m)
: 5,233x10-4 kg/dt
massa jenis (ρ)
: 1,225 kg/m3) pada T=288 K, P=1 atm
viskositas
: 1,781x10-5 kg/m.dt
Udara :
Untuk perhitungan unjuk kerja saringan maka dipergunakan nilai rata-rata dari masing-masing sifat fluida. Hasil perhitungan unjuk kerja proses penyaringan intersepsi ditabelkan pada tabel 1, sedangkan perhitungan unjuk kerja proses penyaringan difusi ditampilkan pada tabel 2. Untuk memperoleh gambaran tentang kecenderungan perubahan unjuk kerja akibat perubahan diameter partikel maka data dari tiap-tiap tabel digambarkan dalam bentuk grafik yaitu pada Gambar. 2 dan Gambar.3.
Tabel 1. Perhitungan unjuk kerja proses penyaringan intersepsi serat saringan untuk berbagai ukuran diameter partikel d
Df
(μm)
(m)
CL (m/dt)
V
V*Df
R=d/Df
Q
Eff
3
(m /dt)
(m/dt)
0.01 1.20E-06
0.158
1.8 2.16E-06
0.00833 2.62E-11
0.0012
0.05 1.20E-06
0.158
1.8 2.16E-06
0.04167 6.41E-10
0.0297
0.10 1.20E-06
0.158
1.8 2.16E-06
0.08333 2.50E-09
0.1157
0.15 1.20E-06
0.158
1.8 2.16E-06
0.12500 5.48E-09
0.2537
0.20 1.20E-06
0.158
1.8 2.16E-06
0.16667 9.51E-09
0.4403
0.25 1.20E-06
0.158
1.8 2.16E-06
0.20833 1.45E-08
0.6713
0.30 1.20E-06
0.158
1.8 2.16E-06
0.25000 2.05E-08
0.9491
0.35 1.20E-06
0.158
1.8 2.16E-06
0.29167 2.72E-08
1.2593
0.40 1.20E-06
0.158
1.8 2.16E-06
0.33333 3.49E-08
1.6157
0.45 1.20E-06
0.158
1.8 2.16E-06
0.37500 4.32E-08
2.0000
0.50 1.20E-06
0.158
1.8 2.16E-06
0.41667 5.23E-08
2.4213
Dari tabel 1 dan grafik pada gambar 2. terlihat bahwa unjuk kerja proses penyaringan intersepsi dari serat saringan akan semakin tinggi bila yang disaring adalah partikel yang diameternya lebih besar. Nilai unjuk kerja proses penyaringan intersepsi dapat mencapai nilai lebih dari 1 karena pengertian unjuk kerja proses penyaringan intersepsi adalah perbandingan laju aliran yang melewati serat saringan dengan laju
6
aliran yang melalui penampang proyeksi dari serat yang berupa lingkaran. Secara visual hal ini juga dapat dilihat dari kenyataan bahwa penampang sela-sela dari serat saringan memungkinkan tersaringnya laju aliran fluida yang lebih besar.
Unjuk kerja proses penyaringan intersepsi
unjuk kerja proses penyaringan intersepsi
3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
diameter partikel (μ m)
Gambar 2. Grafik unjuk kerja proses penyaringan intersepsi serat saringan untuk berbagai ukuran diameter partikel
Sedangkan dari tabel 2 dan grafik pada gambar 3, unjuk kerja proses penyaringan difusi mempunyai kecenderungan yang berbeda jika dibandingkan dengan unjuk kerja proses penyaringan intersepsi. Karena proses penyaringan difusi didasarkan pada terhambatnya aliran maka tidak akan mungkin tercapai unjuk kerja difusi saringan yang lebih besar dari 1. Semakin kecil diameter partikel justru akan semakin mudah terhambat oleh serat saringan atau pada gaya hambat yang sama maka partikel yang lebih kecil akan lebih mudah dan lebih banyak yang terhambat. Kedua proses penyaringan berlangsung bersamaan sehingga unjuk kerja saringan adalah unjuk kerja gabungan kedua proses penyaringan tersebut. Untuk itu gambar 4. menampilkan penggabungan kedua grafik yang menghasilkan titik perpotongan antara kedua grafik yaitu pada ukuran diameter partikel 0,125 μm dan unjuk kerja
7
Tabel 2. Perhitungan unjuk kerja proses difusi serat saringan untuk berbagai ukuran diameter partikel d
Df
T
(μ m) (μ m) (Κ)
R
N
(J/gmol.K)
(1/gmol)
μ
Δ
Xo
Eff
(m2/dt)
(μ m)
(%)
CL
(kg/m.dt) (m/dt)
0.01
1.2
288
8.3143 6.02E+23 1.78E-05
0.158 2.37E-09 0.145 0.884
0.05
1.2
288
8.3143 6.02E+23 1.78E-05
0.158 4.74E-10 0.085 0.320
0.10
1.2
288
8.3143 6.02E+23 1.78E-05
0.158 2.37E-10 0.067 0.205
0.15
1.2
288
8.3143 6.02E+23 1.78E-05
0.158 1.58E-10 0.059 0.158
0.20
1.2
288
8.3143 6.02E+23 1.78E-05
0.158 1.19E-10 0.053 0.131
0.25
1.2
288
8.3143 6.02E+23 1.78E-05
0.158 9.49E-11 0.049 0.113
0.30
1.2
288
8.3143 6.02E+23 1.78E-05
0.158 7.91E-11 0.047 0.101
0.35
1.2
288
8.3143 6.02E+23 1.78E-05
0.158 6.78E-11 0.044 0.091
0.40
1.2
288
8.3143 6.02E+23 1.78E-05
0.158 5.93E-11 0.042 0.083
0.45
1.2
288
8.3143 6.02E+23 1.78E-05
0.158 5.27E-11 0.041 0.077
0.50
1.2
288
8.3143 6.02E+23 1.78E-05
0.158 4.74E-11 0.039 0.072
Unjuk kerja proses penyaringan difusi 1.0
unjuk kerja proses penyaringan difusi
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.00
0.10
0.20 0.30 diam eter partikel ( μ m )
0.40
Gambar 3. Grafik unjuk kerja proses difusi serat saringan untuk berbagai ukuran diameter partikel
8
0.50
Unjuk kerja gabungan proses penyaringan difusi dan intersepsi 2.0 1.8 1.6
unjuk kerja gabungan
1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
diam eter partikel ( μ m )
Gambar 4. Grafik unjuk kerja gabungan proses difusi dan proses intersepsi serat saringan untuk berbagai ukuran diameter partikel
PENUTUP
Unjuk kerja saringan ditentukan oleh unjuk kerja gabungan dari proses intersepsi dan difusi. Saringan bekerja secara optimal pada diameter partikel polutan dengan ukuran sekitar 0,125 μm yaitu pada perpotongan grafik unjuk kerja kedua proses. Proses penyaringan sangat menarik untuk dianalisa dari segi aliran tingkat partikel dengan menerapkan konsep-konsep dinamika fluida partikel. Sehingga untuk memperoleh hasil yang lebih teliti maka pemakaian perangkat lunak CFD (Computational Fluid Dynamic) dengan ukuran mesh/grid yang kecil, akan sangat membantu pemahaman dan usaha peningkatan unjuk kerja saringan. Di samping itu pengaruh dari ketebalan penumpukan partikel di saringan juga perlu diteliti dengan kondisi transien.
DAFTAR PUSTAKA
Crawford, Martin. 1976, Air Pollution Control Theory. Tata McGraw-Hill Publishing
9
Company Ltd. New Delhi. Dorman, R.G. 1974 Dust Control And Air Cleaning, Pergamon Press, Oxford, NewYork. Ferry, Handbook of Chemistry Fox, Robert W, McDonald, Alan T, 1985. Introduction to Fluid Mechanics, John Wiley & Sons, New York, M. Bragg, Gordon 1987, Air Pollution Control, Part IV, John Wiley & Sons, New York, Ian W. Burdick, Dr. Robert Pfeffer, Dr. Henry Shaw, Dr. John G. Stevens, Modeling Diesel Soot Filtration in a Rotating Granular Bed Filter, http: www.njit.edu, 19 Juli 2001
10
