Static mixer LPD Konvensional Pressure Drop
Sesuai dengan namanya static mixer tipe LPD (Low Pressure Drop) memiliki keunggulan yaitu dapat memaksimalkan kehilangan tekanan minimun dan baik digunakan pada penggunaan aliran turbulensi serta fluida yang memilki kekentalan yang tinggi (ROSS, 2014).
Faktor yang dapat mempengaruhi penurunan tekanan pada static mixer LPD ini adalah aliran fluida, faktor gesekan, diameter reaktor, belokan, sambungan antar pipa dan panjang static mixer yang digunakan. Keberadaan static mixer yang berbentuk setengah lingkaran yang menyilang menyebabkan aliran yang melewati elemen akan terbelah, terbagi dan bercampur kembali sehingga tumbukan antara partikel dengan pipa dan elemen static mixer.
Berikut adalah kontur pressure yang terjadi pada penggunaan static mixer tidak berlubang.
Gambar 15. Kontur pressure static mixer tidak berlubang
Gambar 15 menunjukkan distribusi tekanan yang terjadi pada jenis static mixer tipe LPD tidak berlubang. Pada LPD yang tidak berlubang memiliki pressure drop atau penurunan tekanan yang cukup cepat pada setiap modul
reaktor. Penurunan tekanan pada static mixer LPD tidak berlubang ini dimulai pada awal reaktor 3. Pada proses pembuatan biodiesel menggunakan static mixer tipe LPD penurunan tekanan (pressure drop) didapat dari pengurangan tekanan awal aliran dikurang tekanan akhir atau tekanan pada oulet masing-masing reaktor sesuai dengan penelitian Fazrina (2020). Hasil penurunan tekanan (pressure drop) eksperimen dan simulasi dapat dilihat pada Lampiran 11.
Penurunan tekanan yang cukup besar pada produksi biodiesel menggunakan static mixer ini disebabkan oleh diameter reaktor yang cukup kecil dengan panjang reaktor yang hampir mencapai 6,61 m sehingga partikel fluida mengalami gesekan yang cukup panjang dengan dinding pipa dan elemen static mixer. Gaya gesek ini terjadi akibat adanya hambatan terhadap aliran. Salah satu hambatan terbesar terhadap aliran pada penelitian ini adalah penggunaan static mixer yang menyebabkan kecepatan aliran meningkat diakibatkan tingginya turbulensi partikel pada proses pencampuran ditambah reaktor yang digunakan cukup panjang dan berlangsung lama sehingga terjadi peningkatan faktor gesekan dan menyebabkan penurunan tekanan yang besar pada produksi biodiesel pada penelitian ini.
Viskositas
Salah satu parameter yang paling penting dalam pembuatan biodiesel adalah viskositas. Semakin baik atau rendah nilai viskositas maka semakin meningkat nilai kecepatan suatu aliran fluida dan mengakibatkan tingkat tumbukan partikel juga meningkat. Maka semakin baik nilai viskositas biodiesel semakin baik biodiesel yang dihasilkan.
29
Universitas Sumatera Utara
6
Berikut adalah grafik perbandingan viskositas masing masing modul reaktor 5, 7, dan 9 :
Gambar 16. Grafik viskositas LPD konvensional
Penggunaan static mixer LPD memiliki nilai aktual 3,64 mm2/s (Cst) – 3,793 mm2/s (Cst) nilai ini memenuhi standar maksimum SNI yaitu sebesar 2,3 mm2/s (Cst) – 6,0 mm2/s (Cst) pada kondisi aktual (Fazrina, 2020). Nilai viskositas pada penggunaan static mixer tipe LPD tidak berlubang sebesar 0,0051445 Pas - 0,0053255 Pas atau sebesar 3,623 mm2/s (Cst) – 3,750 mm2/s (Cst) yang didapat dari hasil simulasi. Hasil viskositas eksperimen dan simulasi dapat dilihat pada Lampiran 12.
Hasil simulasi menunjukkan penggunaan static mixer LPD tidak berlubang memiliki viskositas yang rendah pada reaktor 9 dan tertinggi pada reaktor 7 begitu juga pada kondisi aktual dapat disebabkan adanya reaksi bolak - balik yang terjadi pada saat pencampuran, reaksi bolak - balik merupakan kondisi sudah mencapai kesetimbangan namun dengan bertambahnya waktu proses menyebabkan reaksi bergeser kembali kearah reaktan. Akibatnya, rendemen biodiesel yang dihasilkan berkurang (Ramachandran dkk., 2013) dan kurang baiknya pencampuran dan
0.0051
pembelahan yang terjadi dikarenakan static mixer LPD yang lebih sedikit dilalui oleh bahan hal ini sejalan dengan nilai yang didapat pada keadaan yang sebenarnya pada penelitian Fazrina (2020).
Pola Aliran
Pola pencampuran reaktan dapat dikaji dari pola aliran yang terjadi ketika reaktan melalui elemen pengaduk. Paremeter yang dapat menjelaskan pola suatu aliran adalah dengan melihat kecepat aliran. Kecepatan aliran merupakan faktor yang sangat penting pada proses pencampuran diantara reaktan. Dengan meningkatnya kecepatan, proses pencampuran dan tumbukan antar partikel akan semakin baik. Disamping itu, jumlah partikel yang dapat bereaksi menghasilkan FAME juga akan meningkat (Panggabean dkk., 2020).
Gambar 17. Vektor velocity penampang yzx LPD tidak berlubang; (a) vektor kecepatan aliran, (b) tampak dekat vektor kecepatan aliran
Gambar 17 menunjukkan peningkatan kecepatan aliran yang terjadi pada proses biodiesel. Bisa kita lihat perubahan warna yang terjadi pada kecepatan aliran yang ditunjukkan pada Gambar 17a mulai terlihat berbeda pada awal reaktor ketiga hal ini sejalan dengan kontur penurunan tekanan pada Gambar 15 yang menunjukkan penurunan tekanan pada awal reaktor 3. Perubahan warna yang ditunjukkan pada vektor velocity diatas mengindikasikan kecepatan aliran yang meningkat. Perubahan kecepatan aliran dapat mengindikasikan terjadinya
(a) (b)
31
Universitas Sumatera Utara
6
penurunan tekanan dan penurunan viskositas pada aliran fluida yang mengalir dalam pipa.
Peningkatan kecepatan aliran ini juga meningkatkan intensitas tumbukan partikel yang terjadi. Pada Gambar 17b dapat dilihat vektor panah aliran yang melalui elemen static mixer tidak beraturan dan menandakan partikel fluida yang mengalir di dalam pipa saling bertumbukan dan mengakibatkan gesekan pada dinding pipa dan elemen static mixer. Kecepatan aliran tertinggi didapati pada sela-sela sambungan antar elemen dan pada ujung-ujung static mixer yang merupakan awal dan akhir fluida bertemu elemen static mixer.
Pola aliran yang terjadi pada proses pembuatan biodiesel ini dapat dikatakan aliran turbulen dengan didapatnya nilai bilangan reynold masing-masing reaktan di atas 1000 (Re > 1000) pada saluran terbuka. Dengan terjadinya pola aliran turbulen pada proses produksi biodiesel ini diharapkan proses pencampuran yang baik dan menghasilkan nilai metil ester yang tinggi.
Konsentrasi Biodiesel
Gambar 18. Konsentrasi FAME dari simulasi CFD 99
Konsentrasi biodiesel yang digunakan pada penelitian ini adalah nilai FAME (fatty acid methyl esther) yang diproduksi pada masing-masing reaktor yaitu reaktor 5,7 dan 9. Hasil perbandingan nilai simulasi static mixer tipe LPD (low pressure drop) tidak berlubang dan berlubang dapat dilihat pada Gambar 21.
Nilai kadar metil ester yang dihasilkan pada penilitian ini memiliki nilai diatas standar SNI yaitu 96,5%-massa. Konsentrasi FAME yang dihasilkan pada simulasi menggunakan static mixer tipe LPD yang tidak berlubang adalah 99,48%
pada reaktor 5, mengalami penurunan pada reaktor 7 dengan nilai 99,37% dan mengalami kenaikan kembali pada reaktor 9 dengan nilai 99,53%. Hasil konsentrasi FAME eksperimen dan simulasi dapat dilihat pada Lampiran 13.
Penurunan pada reaktor 7 sejalan dengan nilai viskositas yang didapat.
Semakin rendah nilai viskositas semakin tinggi kadar metil ester yang didapat.
Penurunan yang terjadi dapat diakibatkan adanya reaksi bolak-balik yang terjadi pada reaksi yang sudah mencapai nilai kesetimbangan namun disebabkan bertambahnya waktu proses menyebabkan reaksi bergerak menjadi reaktan kembali. Dari hasil kadar metil ester yang diperoleh membuktikan bahwa penggunaan static mixer LPD dapat meningkatkan kualitas biodiesel jauh di atas nilai standar SNI yang didapat.
Validasi Eksperimen dan Simulasi
Proses validasi pada penelitian ini menggunakan data aktual dari penggunaan static mixer tipe low pressure drop (LPD). Dengan membandingkan nilai hasil simulasi dengan nilai aktual dari penggunaan static mixer tipe, geometri dan jumlah elemen yang sama pada sebuah reaktor. Parameter yang diambil untuk dibandingkan adalah nilai pressure drop, viskositas dan konsentrasi FAME (fatty 33
Universitas Sumatera Utara
6
acid methyl esther) yang dihasilkan pada reaktor 5, 7, 9. Data penelitian ini menggunakan 9 reaktor yang di isi dengan 12 elemen static mixer tipe LPD (Fazrina, 2020).
Berikut adalah grafik perbandingan nilai eksperimen dan simulasi penurunan tekanan (Pressure Drop) :
Gambar 19. Perbandingan nilai eksperimen dan simulasi
Gambar 19 menunjukkan grafik perbaningan nilai selisih yang didapat dari perbandingan pressure drop antara eksperimen dan simulasi sebesar 7,18 % yang berarti selisih dari hasil masih dalam batas toleransi sebesar <10%. Nilai selisih pada masing-masing reaktor dapat dilihat pada Lampiran 14.
0 1 2 3 4 5 6
0 2 4 6 8 10
Pressure (psi)
Reaktor
Simulasi Eksperimen
34
Berikut adalah grafik perbandingan Eksperimen dan simulasi :
Gambar 20. Grafik perbandingan eksperimen - simulasi
Gambar 20 menunjukkan grafik nilai selisih yang didapat dari perbandingan viskosits antara eksperimen dan simulasi sebesar 0,86 % yang berarti selisih dari hasil masih dalam batas toleransi sebesar <10%. Nilai selisih pada masing-masing reaktor dapat dilihat pada Lampiran 15.
Perbandingan antara simulasi dan percobaan untuk konsentrasi biodiesel dapat dilihat pada Gambar 21.
Gambar 21. Validasi menggunakan konsentrasi FAME (%)
`Persentasi selisih (menggunakan Persamaan 10) dari konsentrasi FAME yang didapat dari simulasi CFD adalah 0,24 % dengan batas toleransi yang
6
diterima sebesar <10% sebagaimana yang dinyatakan Triwahyudi dkk. (2016).
Nilai selisih pada masing-masing reaktor dapat dilihat pada Lampiran 16.
Dengan didapatnya nilai selisih pada masing-masing parameter dan terpenuhinya nilai toleransi yang dapat digunakan untuk memvalidasi data maka, seluruh kondisi batas operasi yang digunakan pada static mixer tipe LPD dapat digunakan untuk melakukan skenario modifikasi static mixer yang ingin dibuat untuk meningkatkan hasil produk dan performansi alat.
Penggunaan static mixer LPD konvensional menghasilkan nilai yang cukup baik pada masing-masing parameter. Dengan didapatnya nilai konsentrasi biodiesel yang jauh diatas standar nilai SNI yang mengindikasikan performansi alat tersebut sudah baik. Perlunya penambahan lubang pada static mixer LPD tidak berlubang adalah untuk memperbaiki pembelahan dan pencampuran bahan yang terjadi didalam pipa. Reaksi balik pada penelitian yang dilakukan Fazrina (2020) yang terjadi pada reaktor 7 mengindikasikan pembelahan dan pencampuran yang dilewati fluida melalui elemen static mixer tidak cukup baik sehingga terjadinya reaksi balik pada reaktor tersebut. Penambahan lubang bertujuan untuk memperbaiki aliran yang melewati elemen dapat membelah dan bercampur dengan baik. Lubang yang berada ditengah elemen static mixer akan menarik partikel fluida untuk melewati lubang dan akan terjadi pembelahan pada aliran tersebut yang kemudian akan dipertemukan kembali dan bercampur dengan partikel fluida lainnya dan begitu seterusnya. Fenomena ini sesuai percobaan yang dilakukan oleh Panggabean dkk. (2020) pada simulasi menggunakan elemen static mixer tipe heliks yang diberi lubang dan sejalan dengan penelitian yang dilakukan 36
oleh Varol dkk. (2016) yang menyatakan bahwa dengan penambahan lubang pada elemen memiliki dampak positif dalam meningkatkan kualitas campuran.
Skenario Static Mixer Berlubang
Penambahan lubang dapat menjadi faktor terjadinya peningkatan kecepatan fluida. Peningkatan kecepatan tumbukan partikel ini disebabkan sebagian fluida mengalami atau akan melewati hambatan dan benturan pada permukaan elemen, lalu melewati lubang yang tidak ada hambatan dan ketika akan keluar dari lubang partikel akan berbenturan kembali dengan partikel lain yang memiliki kecepatan yang berbeda-beda sehingga berdampak pada proses pencampuran yang menjadi lebih baik dan mengakibatkan naiknya konsentrasi FAME dari produksi biodiesel.
Gambar 22. Skenario static mixer berlubang tipe LPD
Dalam skenario simulasi yang dilakukan Panggabean dkk. (2020) didapati bahwa penggunaan lubang pada static mixer tipe heliks dapat meningkatkan nilai konsentrasi FAME sebesar 4,06% dibandingkan menggunakan static mixer tipe heliks tidak berlubang. Penambahan lubang pada static mixer tipe LPD diharapkan mendapatkan hasil yang memuaskan dan dapat menurunkan nilai viskositas pada hasil biodiesel yang dihasilkan pada static mixer tipe LPD biasa.
Posisi lubang pada skenario terletak pada satu sisi masing-masing elemen, hal ini dilakukan dengan asumsi partikel fluida yang melewati lubang akan bertabrakan kembali dengan sisi elemen yang tidak berlubang sehingga partikel fluida yang melalui static mixer bertambah. Diameter lubang dibuat dengan 37
Universitas Sumatera Utara
6
ukuran 4 mm dengan dasar penilitian yang sudah dilakukan oleh Panggabean dkk.
(2020) yang menggunakan static mixer heliks sebagai objek penelitian.
Pressure Drop
Pada skenario penambahan lubang diharapkan penuruan tekanan tidak terjadi cepat dan besar dibandingkan pada static mixer LPD tidak berlubang agar pompa tidak memberi tekanan yang besar untuk memompa bahan yang akan dialirkan melewati reaktor untuk bercampur menjadi biodiesel. Selain itu faktor gesekan yang tejadi pada skenario lubang yang dibuat juga menyebabkan gesekan yang terjadi antara aliran fluida, elemen static mixer dan pipa meningkat yang mengakibatkan kehilangan tekanan atau penurunan tekanan.
Berikut adalah gambar kontur pressure dari simulasi skenario static mixer penambahan lubang :
Gambar 23. Kontur pressure static mixer berlubang
Penurunan tekanan pada skenario static mixer yang berlubang cenderung lebih lama dibandingkan static mixer LPD tidak berlubang dapat dilihat dari distribusi tekanan pada Gambar 23 yang menunjukkan penurunan tekanan pada LPD yang berlubang terjadi pada pertengahan reaktor ketiga sedangkan LPD yang 38
tidak berlubang terjadi pada awal modul reaktor ketiga. Penurunan tekanan pada LPD berlubang lebih kecil dibandingkan penurunan pada LPD tidak berlubang.
Penurunan tekanan (Pressure drop) ini didapat dari pengurangan nilai awal tekanan aliran yang terdapat pada awal reaktor pertama yang dikurangkan dengan nilai tekanan yang didapat pada reaktor 5, 7 dan 9. Hasil simulasi penurunan tekanan menggunakan LPD berlubang dapat dilihat pada Lampiran 17. Penurunan tekanan pada LPD berlubang lebih kecil 5,13% dibandingkan pada penggunaan LPD tidak berlubang. Penggunaan LPD berlubang dapat membantu pompa agar tidak cepat panas dan kelelahan karena apabila tekanan aliran didalam pipa banyak berkurang akan menyebabkan kinerja pompa untuk menekan aliran menjadi lebih ekstra. Dengan kata lain penggunaan LPD berlubang dapat menjaga kesehatan pompa agar pompa tidak cepat rusak disebabkan kerja yang berlebih.
Perbedaan penurunan tekanan (pressure drop) ini disebabkan oleh perubahan aliran fluida yang terjadi karena penambahan lubang dengan ukuran diameter lubang pada elemen static mixer menyebabkan tekanan semakin tinggi pada fluida yang melewati lubang. Penambahan lubang pada elemen static mixer juga mengurangi hambatan (resistansi) terhadap aliran yang melewati pipa sehingga menyebabkan faktor gesekan tidak setinggi pada static mixer LPD tidak berlubang dan menghasilkan penurunan tekanan yang lebih kecil dibandingkan LPD tidak berlubang. Skenario LPD berlubang juga menghasilkan aliran yang berbeda dari LPD biasa karena partikel fluida tidak hanya melewati sisi elemen static mixer tetapi sebagian partikel akan melewati lubang yang dibuat kemudian keluar lalu bertabrakan kembali dengan sisi elemen yang tidak berlubang dan partikel-partikel lainnya. Penambahan lubang pada elemen static mixer ini dapat 39
Universitas Sumatera Utara
6
menguntungkan selain dapat mengurangi penggunaan bahan juga dapat menjaga kesehatan pompa sehingga pompa dapat dipakai dalam jangka waktu yang lama.
Viskositas
Berikut adalah nilai viskositas pada skenario LPD berlubang :
Gambar 24. Grafik viskositas LPD berlubang
Gambar 24 menunjukkan grafik penurunan viskositas pada skenario static mixer LPD berlubang mendapatkan hasil yang menurun di masing-masing modul reaktor tidak seperti pada LPD yang tidak berlubang yang mendapatkan nilai viskositas yang berfluktuasi atau naik-turun.
Nilai yang didapat pada hasil dari LPD berlubang sebesar 0,004926 Pas – 0,004845 Pas. Penurunan viskositas dari hasil simulasi ini menunjukkan bahwa penggunaan LPD berlubang lebih baik dibandingkan dengan LPD tidak berlubang. Prediksi nilai viskosits LPD berlubang pada kondisi aktual sebesar 3,4572 mm2/s (Cst) – 3,2986 mm2/s (Cst) mengalami penurunan sebanyak 9,8 % dibandingkan LPD yang tidak berlubang. Hasil simulasi skenario LPD berlubang dapat dilihat pada Lampiran 17.
0.00479
Pada penggunaan static mixer LPD yang berlubang didapatkan hasil penurunan yang lebih baik dibandingkan yang tidak berlubang. Hal ini menunjukkan pengaruh penambahan lubang pada elemen static mixer dapat meningkatkan pengadukan dan pencampuran yang terjadi selama reaksi yang menghasilkan hasil pencampuran yang homogen. Turunnya viskositas memiliki dampak terhadap kualitas biodiesel yang dihasilkan.
Penurunan viskositas ini sangat baik karena akan mempengaruhi kecepatan aliran fluida dan meningkatkan tumbukan antar partikel sehingga produksi biodiesel juga ikut meningkat.
Pola Aliran
Pada skenario penambahan lubang pada elemen static mixer peningkatan kecepatan terjadi pada sekitar lubang static mixer karena partikel fluida yang melewati lubang akan saling bertabrakan dengan partikel lain yang tidak melewati lubang dan sebagian partikel juga akan bertabrakan dengan elemen static mixer yang tidak berlubang dan menyebabkan peningkatan kecepatan di sekitarnya ditandai dengan perubahan warna yang pekat pada aliran fluida.
Gambar 25. Vektor velocity penampang yzx LPD berlubang; (a) vektor kecepatan aliran, (b) tampak dekat
(a) (b)
41
Universitas Sumatera Utara
6
Gambar 25 menunjukkan pada beberapa titik pada aliran fluida di kedua static mixer juga mengalami perbedaan kecepatan yang tinggi ditandai dengan warna yang pekat yang disebabkan oleh perbedaan nilai tekanan dan viskositas pada beberapa titik. Kecepatan tercepat cenderung pada aliran fluida yang melewati elemen static mixer sedangkan kecepatan cenderung stabil pada aliran yang tidak melewati static mixer seperti aliran yang melalui bagian tepi static mixer atau bagian-bagian yang tidak tertutupi oleh elemen static mixer.
Gambar 25b menujukkan warna pada sekitar lubang lebih pekat menandakan kecepatan aliran pada sekitar lubang tinggi dikarenakan penambahan lubang menyebabkan aliran fluida yang hanya melewati sisi elemen static mixer tertarik melewati lubang yang memiliki tekanan yang tinggi kemudian saling bertabrakan kembali dengan partikel-partikel fluida dan sisi elemen static mixer LPD yang tidak berlubang. Hal ini menyebabkan kecepatan di sekitar lubang meningkat.
Aliran yang memiliki kecepatan tertinggi didapati di aliran sekitar sisi elemen berlubang dan pada ujung-ujung static mixer yang merupakan inlet dan outlet aliran bertemu dengan static mixer.
Pengkajian pola aliran ini dapat membantu menemukan proses terbaik dalam pencampuran biodiesel. Dengan mengetahui jenis pola aliran juga dapat mengetahui bentuk aliran yang terjadi di dalam pipa sehingga dapat mengantisipasi faktor-faktor yang dapat menurunkan hasil dari biodiesel yang diproduksi.
42
Konsentrasi Biodiesel
Gambar 26. Konsentrasi FAME dari simulasi CFD
Gambar 26 menunjukkan hasil kosentrasi FAME pada static mixer tipe LPD yang tidak berlubang mengalami kenaikan pada masing-masing reaktor.
Konsentrasi FAME yang dihasilkan dari simulasi pada penggunaan static mixer LPD berlubang dapat dilihat pada Lampiran 17. Naiknya nilai kosentrasi FAME pada LPD berlubang membuktikan bahwa penggunaan lubang pada static mixer LPD ini memiliki pengaruh terhadap kenaikkan nilai konsentrasi FAME meskipun tidak besar yaitu sebesar 0,33%.
Secara keseluruhan dapat dilihat bahwa pola aliran yang terbentuk adalah pola aliran turbulensi tergantung kecepatan aliran fluida yang mengalir melewati bentuk elemen pengaduk. Kecepatan aliran mempengaruhi viskositas dan konsentrasi FAME yang dihasilkan. Skenario yang disimulasikan dengan membuat lubang pada permukaan static mixer tipe LPD mendapatkan hasil yang cukup memuaskan dengan turunnya viskositas dan kenaikan kosentrasi FAME pada masing-masing reaktor.
6
Pada dasarnya alat static mixer menggunakan LPD tidak berlubang sudah memiliki nilai yang memuaskan dengan didapatnya kadar metil ester yang jauh di atas nilai standar SNI yang dibutuhkan. Namun, pada hasil simulasi skenario yang didapat dapat meningkatkan performansi alat dengan menghasilkan penurunan (Pressure Drop) yang lebih kecil dibandingkan LPD biasa sebesar 5,13% pada LPD berlubang, penurunan viskositas sebanyak 9,8% dan kenaikan FAME sebesar 0,33%.
44
45