Hasil simulasi dalam bentuk plot kontur kecepatan, plot vektor kecepatan, dan streamline kecepatan dianalisis untuk mendapatkan pola aliran dan distribusi kecepatan di dalam reaktor. Plot berdasarkan kontur laju reaksi dan viskositas molekular dianalisis dan dibandingkan dengan data hasil perhitungan, khususnya nilai viskositas. Streamline kecepatan merupakan garis-garis yang menunjukkan nilai distribusi kecepatan sebagai nilai pelengkap dari nilai kecepatan yang tidak dapat ditunjukkan oleh kontur kecepatan. Garis-garis tersebut dapat dianimasikan sehingga dapat dilihat pergerakkan dari partikel saat melewati reaktor.
Gambar 12 TampilanPengaturan Run Calculation
Gambar 13 Contoh Tampilan Wireframe Reaktor dan Static Mixer Garis Pengambilan Data O ut le t 0. 45 m 0. 4 m 0. 2805 m 0. 1895 m 0. 0985 m 0. 07 m 0. 03 m Inl et
14
Secara keseluruhan tahapan penelitian dapat dilihat pada diagram alir pene-litian di Gambar 14.
Gambar 14 Diagram Alir Penelitian Ya
Tidak
Tidak
Ya
Mulai
Pengukuran dimensi reaktor dan static mixer
Pembuatan model geometri reaktor dan static mixer berdasarkan ukuran protipe SMR (Sulastri Panggabean 2011) dan elemen static mixer dengan
sudut puntiran 120° dan 240°. Pembuatan mesh/grid dari model geometri.
Pendefinisian bidang boundary condition pada model geometri
Proses iterasi Pengecekan mesh Mesh baik (skewness≤ 0.9)? Iterasi eror ?
Plot data hasil simulasi
Selesai
Penentuan model solver
15
HASIL DAN PEMBAHASAN
Kecepatan
Pola pencampuran reaktan dapat dikaji dari pola aliran yang terjadi ketika reaktan melalui elemen pengaduk. Salah satu parameter yang dapat menjelaskan pola suatu aliran adalah dengan melihat kecepatan aliran. Adanya kecepatan dapat meningkatkan terjadinya interaksi antar partikel. Pada penelitian ini didapatkan hasil simulasi kecepatan di dalam static mixing reactor pada saat t=1 detik dalam bentuk grafik. Grafik kecepatan pada Gambar 15 merupakan hasil rataan kontur kecepatan di bidang sampel di sepanjang sumbu-z (panjang reaktor) dengan jarak 0.03 m, 0.07 m, 0.0985 m, 0.1895 m, 0.2805 m, 0.4 m dan 0.45 m dari inlet untuk semua reaktor (sudut puntiran 120°, 180° dan 240°).
Gambar 15 menunjukkan bahwa sebaran kecepatan ketiga reaktor memiliki pola yang sama. Kecepatan aliran sebelum mengenai elemen static mixer lebih besar mencapai 5 m s-1, kemudian mengalami penurunan hingga di bawah 1 m s-1 . Hal ini dapat menjadi salah satu indikator terjadi mekanisme pengadukan. Bentuk dari elemen static mixer yang dipuntir dan dirangkai menyerupai heliks dapat menggerakan aliran ke berbagai arah dengan nilai kecepatan tertentu. Gerak aliran tersebut menyebabkan partikel-partikel reaktan dapat saling bertumbukan dan bereaksi. Tumbukan antar partikel yang memiliki arah vektor berbeda akan menghasilkan resultan yang lebih rendah dan penurunan kecepatan. Selanjutnya kecepatan aliran meningkat kembali ketika melalui outlet. Saluran outlet memiliki diameter lebih kecil sehingga aliran terdorong keluar melalui lubang lebih kecil dan menghasilkan kecepatan yang lebih tinggi. Dari ketiga grafik, reaktor dengan
Gambar 15 Grafik Kecepatan Di Dalam SMR
0 1 2 3 4 5 6 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 K e c e p a ta n ( m s -1) Sumbu-z (m) 120 180 240 Ket : Inlet Outlet
16
sudut puntiran elemen 240° memiliki rataan kecepatan yang lebih besar dibandingkan 180° dan 120°. Sudut puntiran yang semakin besar membentuk lengkungan yang lebih banyak sehingga pada mekanisme pembalikan, aliran juga mendapatkan gaya dorong lebih besar.
Berdasarkan grafik pada Gambar 15 perbedaan kecepatan aliran terjadi ketika aliran melewati elemen static mixer, yaitu pada jarak 0.1895 m dan 0.2805 m dari inlet. Secara detail profil kecepatan aliran pada sumbu-x (diameter reaktor) dapat dilihat pada Gambar 16 dan 17.
Gambar 16 Grafik Kecepatan Pada Jarak 0.1895 m
Gambar 17 Grafik Kecepatan Pada Jarak 0.2805 m
Kedua grafik menunjukkan perbedaan kecepatan yang terjadi di dalam masing-masing reaktor. Kecepatan aliran tertinggi terjadi pada bagian tengah reaktor dan terendah pada bagian terdekat dengan dinding. Aliran yang mengenai dinding akan bergesekan yang mengurangi kecepatan aliran. Namun, kecepatan aliran dengan sudut puntiran 240° lebih tinggi disebabkan bentuk lengkungan elemen pengaduk yang dapat memberikan gaya pembalikan terhadap aliran. Grafik kecepatan aliran dengan sudut puntiran 120° cenderung lebih datar dan
0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,2 -0,02 -0,01 0 0,01 0,02 K e c e p atan (m s -1) Sumbu-x (m) 120 180 240 0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,2 -0,02 -0,01 0 0,01 0,02 K e c e p atan (m s -1) Sumbu-x (m) 120 180 240 Ket : Ket :
17 rendah karena aliran melewati elemen pengaduk tanpa mendapat mekanisme pencampuran, terutama pembalikan. Tumbukan yang terjadi juga menjadi lebih sedikit.
Gambar 19 Kontur Kecepatan Pada Sumbu-x Sudut Puntiran 180° Gambar 18 Kontur Kecepatan Pada Sumbu-x Sudut Puntiran 120°
18
Bentuk elemen static mixer juga menyebabkan distribusi kecepatan di dalam reaktor menjadi berbeda. Pada kontur kecepatan aliran di dalam reaktor dengan sudut puntiran elemen 120° (Gambar 18) terlihat kecepatan aliran sebelum mengenai static mixer sama dengan pola aliran yang terjadi pada reaktor dengan sudut puntiran static mixer 180°. Namun, ketika melewati elemen pengaduk aliran tidak mengalami mekanisme pembagian dan pembalikan yang sempurna akibatnya kecepatan aliran menjadi lebih kecil dengan selang 0 sampai dengan 0.6231 m s-1 . Bentuk puntiran 120° memiliki belokan yang landai atau sedikit mengakibatkan mekanisme pembalikan lebih kecil dibandingkan sudut puntiran 180°, ditambah lagi dengan panjang lintasan (panjang reaktor) yang sama maka aliran menjadi berkurang kecepatannya.
Gambar 19 merupakan kontur kecepatan aliran di dalam reaktor dengan sudut puntiran elemen 180°. Pada gambar terlihat kecepatan aliran mengalami penurunan dari selang 4.985 - 5.608 m s-1 menjadi 0 - 0.6231 m s-1. Selain mengalami reaksi, hal ini juga terjadi akibat adanya hambatan berupa mekanisme pembagian kecepatan dari elemen static mixer. Rangkaian elemen yang saling tegak lurus dapat membagi aliran menjadi hampir sama, dilihat dari sebaran warna kontur pada gambar bidang kontur. Kecepatan yang rendah berpengaruh pada reaksi yang kemungkinan tidak berlangsung dengan baik karena frekuensi tumbukan menjadi rendah.
Selanjutnya pada Gambar 20 menunjukkan pola kecepatan yang terjadi pada sudut puntiran 240°. Pola kecepatan awal aliran sebelum melewati static mixer
juga sama dengan kedua sudut puntiran sebelumnya, yaitu lebih tinggi dengan selang 4.985-5.608 m s-1. Namun, saat melewati static mixer dengan sudut puntiran 240° kecepatan yang terjadi lebih tinggi dan seragam dibandingkan sudut puntiran 120° dan 180°, terlihat dari banyaknya kontur dengan selang 0.6231 sampai dengan 1.246 m s-1 dibagian sisi elemen static mixer. Hal ini terjadi karena
19 dengan sudut puntiran elemen 240° memiliki lengkungan lebih banyak sehingga aliran mendapat pembalikan lebih banyak dan kecepatan aliran dapat dipertahankan tinggi dan seragam.
Berdasarkan plot vektor kecepatan (Gambar 21) dapat dilihat arah aliran minyak dan metanol dari inlet mengalir menuju ke dalam reaktor dengan kecepatan tinggi, terlihat dari warna kontur merah di bagian inlet dengan kecepatan aliran dibagian tengah aliran lebih tinggi dibandingkan bagian lain reaktor. Hal ini sesuai dengan sifat fluida ketika melewati saluran tertutup pada bagian tengah saluran aliran tidak mengalami kontak dengan dinding saluran. Kontak aliran dengan dinding akan menjadi gaya gesekan dan akan mengurangi kecepatan aliran. Ketika aliran fluida mengenai elemen static mixer maka aliran akan menyebar dan mengalami aliran balik (backflow) di beberapa titik, terlihat dari arah garis-garis panah pada Gambar 21.
Secara keseluruhan kecepatan aliran yang masuk dari inlet akan lebih besar dibandingkan ketika aliran melewati elemen static mixer. Perubahan kecepatan aliran tersebut dipengaruhi oleh perubahan luas penampang inlet yang membesar secara tiba-tiba. Bentuk elemen static mixer yang berupa heliks di dalam pipa reaktor menyebabkan aliran mengalami tumbukan sehingga kecepatan aliran pun berkurang. Hal ini sesuai jika dikaitkan dengan mekanisme pengadukan static mixer yang bertujuan agar aliran fluida yang melewati elemen statik mixer
mengalami pembagian, pembelokan, dan pembalikan agar reaksi terjadi. Bentuk helikal elemen static mixer yang semakin besar dapat membagi aliran dan kecepatan aliran menjadi seragam. Kecepatan aliran yang lebih seragam dihasilkan oleh sudut puntiran 240° kemudian 180° dan 120°. Pola aliran yang semakin seragam dapat menimbulkan pencampuran yang lebih baik karena aliran
20
bergerak secara merata di seluruh reaktor sehingga mekanisme pengadukan dapat terjadi dengan lebih baik.
Analisis Laju Reaksi
Berdasarkan pola aliran yang terjadi diharapkan reaksi transesterifikasi berlangsung lebih baik dengan meningkatnya laju reaksi. Analisis laju reaksi pencampuran minyak dan metanol dilihat dari laju reaksi dan viskositas molekular. 1. Laju Reaksi
Parameter ini ditampilkan dalam kontur yang menunjukkan besaran kgmol reaktan yang bereaksi per m3 dalam satuan waktu (s). Laju reaksi yang terjadi dapat dilihat pada gambar kontur dibawah ini :
Gambar 22 Kontur Laju Reaksi Sudut Puntiran 120°
21
Gambar 24 Kontur Laju Reaksi Sudut Puntiran 240°
Kontur laju reaksi yang terjadi pada semua reaktor mengalami peningkatan ketika melewati static mixer dan penurunan saat memasuki outlet. Hal ini terjadi karena jumlah reaktan (minyak dan metanol) dibagian awal masih tinggi sehingga laju reaksi masih tinggi, kemudian setelah terjadi pencampuran jumlah reaktan yang bereaksi menjadi berkurang karena sudah dikonversi menjadi produk (FAME dan gliserol). Perbandingan warna dari ketiga kontur laju reaksi menunjukkan reaktor dengan sudut puntiran elemen 240° (Gambar 24) memiliki laju reaksi yang lebih lama karena berlangsung hingga bagian outlet, sedangkan sudut puntiran 120° (Gambar 22) laju reaksi lebih cepat menurun terutama pada bagian outlet. Nilai laju reaksi terkecil adalah 5 x 10-20 kgmol m-3 s-1 yaitu pada reaktor static mixer 180° di bagian inlet.
2. Viskositas Molekul
Parameter berikutnya adalah sifat bahan dari nilai viskositas molekular. Berikut ini merupakan kontur viskositas molekul hasil untuk setiap sudut puntiran.
Gambar 25 Kontur Viskositas Molekular (kg m-1 s-1) Sudut Puntiran 120° (a), 180° (b) dan 240° (c)
c b a
22
Gambar 25 menunjukkan kontur viskositas molekular pada aliran di dalam reaktor. Hasil kontur menunjukkan reaksi sudah berlangsung ketika aliran memasuki bagian inlet karena terdapat fraksi viskositas molekular yang saling bercampur. Berdasarkan hasil perhitungan (Persamaan 5) didapatkan nilai viskositas campuran sebesar 0.019714 kg m-1 s-1 dan nilai tersebut belum dapat tercapai dari hasil simulasi. Selang nilai kontur viskositas molekular hasil simulasi, yaitu 0.019699987 sampai dengan 0.019700011 kg m-1 s-1. Hal ini menunjukkan aliran yang melewati elemen static mixer selama satu detik belum menghasilkan pencampuran yang sama persis dengan hasil perhitungan. Hasil perhitungan adalah nilai viskositas campuran yang diharapkan terjadi.
Nilai viskositas molekular bergantung pada proses pencampuran karena semakin baik pencampuran maka semakin didapatkan viskositas molekular yang seragam. Pada Gambar 25a dan 25b terlihat viskositas molekular dengan nilai lebih rendah (0.019699993 - 0.019699998 kg m-1 s-1) dan Gambar 25c menunjukkan bagian dengan nilai viskositas molekular lebih tinggi yang nilainya hampir mendekati hasil perhitungan (0.019699998 - 0.019700008 kg m-1 s-1). Hal ini dapat dikaitkan dengan proses pencampuran pada Gambar 25c lebih baik dengan hasil kontur yang seragam, sedangkan pada Gambar 25a dan 25b menunjukkan kontur tidak seragam karena pencampuran yang terjadi belum merata.
Secara keseluruhan dapat dilihat bahwa kecepatan aliran yang terbentuk bergantung pada bentuk elemen pengaduk. Kecepatan aliran mempengaruhi reaksi yang berlangsung di dalam reaktor, yaitu terhadap laju reaksi dan viskositas molekular karena dengan aliran yang seragam reaksi berlangsung lebih lama dengan hasil viskositas molekular yang seragam pula.