Simulasi Dispersi Gas Polutan So2, H2s, Dan Co Dengan Menggunakan Program Computational Fluid Dynamics (Cfd)

SIMULASI DISPERSI GAS POLUTAN SO2, H2S, DAN CO DENGAN

MENGGUNAKAN PROGRAM COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

(CFD)

Oleh :

AGUS GHAUTSUN NI’AM F 14104013

2009

DEPARTEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

SIMULASI DISPERSI GAS POLUTAN SO2, H2S, DAN CO DENGAN

MENGGUNAKAN PROGRAM COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

(CFD)

SKRIPSI

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN

Pada Departemen Teknik Pertanian,

Fakultas Teknologi Pertanian,

Institut Pertanian Bogor

Oleh :

AGUS GHAUTSUN NI’AM F 14104013

2009

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR

INSTITUT PERTANIAN BOGOR FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

SIMULASI DISPERSI GAS POLUTAN SO2, H2S, DAN CO DENGAN

MENGGUNAKAN PROGRAM COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

(CFD)

SKRIPSI

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN

Pada Departemen Teknik Pertanian,

Fakultas Teknologi Pertanian,

Institut Pertanian Bogor

Oleh :

AGUS GHAUTSUN NI’AM F14104013

Dilahirkan pada tanggal 11 Juni 1985 di Kuningan

Tanggal lulus:………..

Menyetujui,

Bogor, Januari 2009

Prof.Dr.Ir. Kudang B Seminar,M.Sc Dr. Ir. Arief Sabdo Yuwono, MSc

Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II

Mengetahui,

Dr. Ir. Desrial, M.Eng

Agus Ghautsun Ni’am. F14104013. Simulasi Dispersi Gas Polutan SO2, H2S, dan CO dengan Menggunakan Program Computational Fluid Dynamics (CFD). Di bawah bimbingan Prof. Dr. Ir. Kudang Boro Semina, M.Sc. dan Dr. Ir. Arief Sabdo Yuwono, M.Sc.

RINGKASAN

Studi simulasi dispersi gas polutan dari sebuah cerobong merupakan upaya pengembangan sektor industri yang ramah lingkungan. Prediksi sebaran emisi gas polutan terhadap udara ambien dilakukan untuk mengantisipasi dampak negatif yang ditimbulkan dari suatu kegiatan industri. Studi simulasi dispersi gas polutan dilakukan dengan menggunakan program Computational Fluid Dynamics (CFD).

Studi simulasi ini dilakukan untuk melihat simulasi dispersi dan sebaran konsentrasi gas polutan (SO2, H2S, dan CO) dari cerobong ke lingkungan dengan menggunakan program CFD yang akan dibandingkan dengan model Gaussian. Model simulasi yang digunakan untuk menentukan nilai konsentrasi gas polutan di suatu titik tertentu adalah model persamaan dispersi Gaussian dengan menggunakan program visual basic dan model Navier-Stokes yang direpresentasikan oleh software Solidworks Office 2007 dengan menggunakan metode finite volume. Parameter input simulasi yaitu laju emisi gas yang diemisikan dari cerobong, kecepatan udara di sekitar sumber emisi atau ambien, faktor stabilitas atmosfer hingga titik acuan, dan sifat karakteristik kimia gas polutan. Sedangkan parameter output yang diharapkan adalah visualisasi sebaran konsentrasi gas polutan berupa bidang 2 dimensi yang dilengkapi dengan nilai persamaan konsentrasinya terhadap jarak dari sumber emisi.

Program CFD digunakan sebagai support simulator atau tools untuk mendapatkan visualisasi sebaran gas terdispersi dari hasil perhitungan. Sotfware

yang digunakan adalah sotfware Solidworks Office 2007 yang memiliki kemampuan untuk membuat model geometri, batasan lingkungan simulasi atau domain, meshing model geometri yang akan disimulasikan, solver atau pencarían solusi dengan menyediakan fleksibilitas mesh automatis berbentuk tetahedral

yang dapat diatur mudah kerapatan meshnya. Software ini menghitung persamaan fluida dinamik dengan menggunakan metode finite volume, sehingga dapat mempresentasikan data dan memvisualisasikan berbagai kasus aplikasi dinamika fluida secara detail.

Representasi hasil visualisasi simulasi dengan program CFD memberikan gambaran bahwa gas polutan yang paling besar memberikan dampak pencemaran terhadap permukaan tanah di lingkungan sekitar adalah gas SO2, dimana nilai konsentrasi yang paling tinggi terdapat pada jarak 60 m dari ceobong, yaitu sebesar 10721,6 ppm. Sedangkan gas CO mencemari permukaan tanah pada jarak di atas 300 m dari cerobong dan gas H2S dari hasil simulasi tidak mencemari permukaan tanah karena bergerak ke atmosfer.

RIWAYAT HIDUP

Penulis merupakan putra Sunda yang dilahirkan di Kuningan Jawa Barat

pada tanggal 11 Juni 1985. Anak kedelapan dari Sembilan bersaudara, buah kasih

sayang pasangan ibu Juhro dan bapak Hasbullah (alm). Menamatkan pendidikan

dasar pada tahun 1998 di Madrasah Ibtidaiyah (MI) Mandirancan, kemudian pada

tahun 2001 penulis berhasil menyelesaikan studinya di Madrasah Tsanawiyah

(MTs) Mandirancan. Setelah lulus dari MTs Mandirancan, penulis diterima di

SMU Plus Yayasan Darmaloka Propinsi Jabar sebagai delegasi dari Kabupaten

Kuningan untuk dibina, diasramakan dan dibiaya selama studi di SMU Negeri 1

Cisarua Bandung. Tahun 2004 penulis lulus dari SMU Negeri 1 Cisarua Bandung

dan diterima di IPB melalui jalur USMI di Departemen Teknik Pertanian,

Fakultas Teknologi Pertanian.

Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif sebagai asisten kuliah

Matematika Teknik dan asisten Praktikum Terpadu Mekanika dan Bahan Teknik.

Selain itu, selama 3 tahun masa perkuliahan penulis mendapatkan beasiswa dan

pembinaan dari Beastudi Etos yayasan Dompet Dhuafa Republika serta aktif di

Himpunan Mahasiswa Teknik Pertanian (HIMATETA) dan Organisasi

Mahasiswa Daerah (OMDA) pada Himpunan Mahasiswa Aria Kamuning

(HIMARIKA) Kabupaten Kuningan.

Penulis pernah melakukan praktek lapangan di PT. Sido Muncul dengan

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, syukur dan pujian penulis panjatkan kehadirat Allah SWT

yang Maha Menggenggam segala ke-Agungan. Dengan Rahmat, Hidayah serta

Kasih Sayang-Nya skripsi penelitian ini dapat tersusun. Harapan besar penulis

semoga skripsi yang berjudul Simulasi Dispersi Gas Polutan SO2, H2S, dan CO

dengan Menggunakan Program Computational Fluid Dynamics (CFD) ini dapat bermanfaat dalam menambah hasanah keilmuan bagi penulis maupun para

akademisi lainnya. Dengan segenap kerendahan hati, penulis ingin mengucapkan

terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Prof. Dr. Ir. Kudang Boro Seminar, M.Sc selaku pembimbing tercinta

yang tak henti-hentinya membimbing dan mengarahkan penulis.

2. Dr. Ir. Arief Sabdo Yuwono, M.Sc selaku pembimbing skripsi II yang

telah memberikan kontribusi, inspirasi serta ilmunya terhadap penulis.

3. Dr. Ir. Ahmad Indra Siswantara, Pak Dodi beserta segenap karyawan

CCIT, yang telah memberikan saran, ilmu dan memfasilitasi penulis

dalam melakukan penelitian.

4. Dr. Ir. Leopold O. Nelwan, MS selaku dosen penguji skripsi.

5. Ummi, Teteh dan segenap keluarga penulis, terima kasih atas doa dan

dukungannya yang tiada henti kepada penulis.

6. Ibu Hanni dan bapak Fadhil (LAGG PUSPIPTEK), ibu Dyah, atas ilmu

dan kesempatan diskusinya dalam mendukung kegiatan penelitian.

7. Teman-teman seperjuangan : Harritz Rizaldi, Adhi N, Aris Setyawan,

Ferdian, M Ali Maksum, Gunawan, Yudik, Eko, Arip Sonjaya, terima

kasih atas bantuannya serta kepada segenap teman-teman TEP 41

sebagai tempat berbagi dan saling mengingatkan.

8. Lembaga CCIT yang telah memberikan kesempatan penulis

menggunakan fasilitas software resmi EFD untuk penelitian

Penulis sadar betul kesempurnaan skripsi ini masih jauh. Untuk itu, kritik

dan saran yang bersifat membangun sangatlah diperlukan demi menunjang

kesempurnaan skripsi ini.

Bogor, Desember 2008

DAFTAR ISI

Halaman

RINGKASAN ... i

RIWAYAT HIDUP... ii

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR TABEL ... vii

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR LAMPIRAN ... xii

BAB I. PENDAHULUAN ... 1

A. Latar Belakang ... 1

B. Tujuan ... 2

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA... 3

A. Pencemaran Udara ... 3

1. Definisi Pencemaran Udara ... 3

2. Sumber Pencemaran Udara ... 4

B. Jenis Pencemaran Udara ... 5

1. Karbon Monoksida (CO) ... 6

2. Sulfur Dioksida (SO2) ... 6

3. Hidrogen Sulfida (H2S) ... 7

4. Oksida Nitrogen (NOx) ... 8

5. Partikel Tersuspensi (TSP) ... 9

6. Ozon (O3) ... 10

C. Mekanika Fluida ... 11

1. Dasar Mekanika Fluida ... 11

2. Aliran di Sekitar Permukaan Silinder ... 13

3. Ketebalan boundary layer pada permukaan ground dan tegangan geser pada boundary layer ... 17

4. Fenomena Pemisahan Aliran ... 18

D. Dispersi Udara ... 20

1. Model Dispersi ... 21

b. Model Eulerian ... 24

c. Model Lagrangian ... 25

2. Stabilitas Atmosfer ... 26

3. Kecepatan Angin ... 27

E. Dasar-dasar Simulasi ... 29

F. Pemodelan Matematik ... 30

G. Metode Komputasi Dinamika Fluida ... 30

1. Prapemrosesan (Pre-Processing) ... 31

2. Pencarian Solusi (Solving) ... 32

3. Pasca Pemrosesan (Post-processing) ... 33

H. Penelitian Terdahulu yang Terkait ... 33

BAB III. METODOLOGI ... 34

A. Pendekatan Permasalahan ... 34

1. Kekekalan Massa 3 Dimensi ... 35

2. Persamaan Momentum 3 Dimensi ... 36

3. Persamaan Energi 3 Dimensi ... 36

4. Persamaan Spesies Transport Material Fluida ... 36

B. Bahan dan Alat ... 37

C. Parameter Input ... 38

D. Data Input ... 39

E. Tahapan Kegiatan Penelitian ... 43

F. Asumsi dalam Simulasi CFD ... 45

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 46

A. Kecepatan Angin (wind speed) ... 47

B. Model Gaussian ... 48

C. Model EFD ... 53

1. Kondisi Awal Udara Ambien ... 53

2. Pendefinisian Domain ... 54

3. Tahap Penentuan Kondisi Batas ... 55

4. Analisis Aliran ... 56

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN... 80

B. Saran ... 81

DAFTAR PUSTAKA ... 82

DAFTAR TABEL

Tabel 1. Standard kualitas udara ambien ... 4

Tabel 2. Baku tingkat kebauan udara ambien ... 4

Tabel 3. Stabilitas atmosfer Turner berdasarkan kecepatan angin, radiasi matahari dan penutupan awan ... 26

Tabel 4. Nilai konstanta a, c, d, dan f untuk menghitung y dan z sebagai fungsi dari jarak ... 27

Tabel 5. Aturan nilai eksponen n untuk pedesaan dan kota ... 28

Tabel 6. Data input fiktif ... 39

Tabel 7. Input aliran gas polutan (mass flow rate) dari cerobong... 40

Tabel 8. Nilai spesifik sifat kimia masing-masing senyawa fluida... 40

Tabel 9. Nilai densitas dan koefisien difusivitas massa masing-masing spesies 41

SIMULASI DISPERSI GAS POLUTAN SO2, H2S, DAN CO DENGAN

MENGGUNAKAN PROGRAM COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

(CFD)

Oleh :

AGUS GHAUTSUN NI’AM F 14104013

2009

DEPARTEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

SIMULASI DISPERSI GAS POLUTAN SO2, H2S, DAN CO DENGAN

MENGGUNAKAN PROGRAM COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

(CFD)

SKRIPSI

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN

Pada Departemen Teknik Pertanian,

Fakultas Teknologi Pertanian,

Institut Pertanian Bogor

Oleh :

AGUS GHAUTSUN NI’AM F 14104013

2009

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR

INSTITUT PERTANIAN BOGOR FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

SIMULASI DISPERSI GAS POLUTAN SO2, H2S, DAN CO DENGAN

MENGGUNAKAN PROGRAM COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

(CFD)

SKRIPSI

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN

Pada Departemen Teknik Pertanian,

Fakultas Teknologi Pertanian,

Institut Pertanian Bogor

Oleh :

AGUS GHAUTSUN NI’AM F14104013

Dilahirkan pada tanggal 11 Juni 1985 di Kuningan

Tanggal lulus:………..

Menyetujui,

Bogor, Januari 2009

Prof.Dr.Ir. Kudang B Seminar,M.Sc Dr. Ir. Arief Sabdo Yuwono, MSc

Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II

Mengetahui,

Dr. Ir. Desrial, M.Eng

Agus Ghautsun Ni’am. F14104013. Simulasi Dispersi Gas Polutan SO2, H2S, dan CO dengan Menggunakan Program Computational Fluid Dynamics (CFD). Di bawah bimbingan Prof. Dr. Ir. Kudang Boro Semina, M.Sc. dan Dr. Ir. Arief Sabdo Yuwono, M.Sc.

RINGKASAN

Studi simulasi dispersi gas polutan dari sebuah cerobong merupakan upaya pengembangan sektor industri yang ramah lingkungan. Prediksi sebaran emisi gas polutan terhadap udara ambien dilakukan untuk mengantisipasi dampak negatif yang ditimbulkan dari suatu kegiatan industri. Studi simulasi dispersi gas polutan dilakukan dengan menggunakan program Computational Fluid Dynamics (CFD).

Studi simulasi ini dilakukan untuk melihat simulasi dispersi dan sebaran konsentrasi gas polutan (SO2, H2S, dan CO) dari cerobong ke lingkungan dengan menggunakan program CFD yang akan dibandingkan dengan model Gaussian. Model simulasi yang digunakan untuk menentukan nilai konsentrasi gas polutan di suatu titik tertentu adalah model persamaan dispersi Gaussian dengan menggunakan program visual basic dan model Navier-Stokes yang direpresentasikan oleh software Solidworks Office 2007 dengan menggunakan metode finite volume. Parameter input simulasi yaitu laju emisi gas yang diemisikan dari cerobong, kecepatan udara di sekitar sumber emisi atau ambien, faktor stabilitas atmosfer hingga titik acuan, dan sifat karakteristik kimia gas polutan. Sedangkan parameter output yang diharapkan adalah visualisasi sebaran konsentrasi gas polutan berupa bidang 2 dimensi yang dilengkapi dengan nilai persamaan konsentrasinya terhadap jarak dari sumber emisi.

Program CFD digunakan sebagai support simulator atau tools untuk mendapatkan visualisasi sebaran gas terdispersi dari hasil perhitungan. Sotfware

yang digunakan adalah sotfware Solidworks Office 2007 yang memiliki kemampuan untuk membuat model geometri, batasan lingkungan simulasi atau domain, meshing model geometri yang akan disimulasikan, solver atau pencarían solusi dengan menyediakan fleksibilitas mesh automatis berbentuk tetahedral

yang dapat diatur mudah kerapatan meshnya. Software ini menghitung persamaan fluida dinamik dengan menggunakan metode finite volume, sehingga dapat mempresentasikan data dan memvisualisasikan berbagai kasus aplikasi dinamika fluida secara detail.

Representasi hasil visualisasi simulasi dengan program CFD memberikan gambaran bahwa gas polutan yang paling besar memberikan dampak pencemaran terhadap permukaan tanah di lingkungan sekitar adalah gas SO2, dimana nilai konsentrasi yang paling tinggi terdapat pada jarak 60 m dari ceobong, yaitu sebesar 10721,6 ppm. Sedangkan gas CO mencemari permukaan tanah pada jarak di atas 300 m dari cerobong dan gas H2S dari hasil simulasi tidak mencemari permukaan tanah karena bergerak ke atmosfer.

RIWAYAT HIDUP

Penulis merupakan putra Sunda yang dilahirkan di Kuningan Jawa Barat

pada tanggal 11 Juni 1985. Anak kedelapan dari Sembilan bersaudara, buah kasih

sayang pasangan ibu Juhro dan bapak Hasbullah (alm). Menamatkan pendidikan

dasar pada tahun 1998 di Madrasah Ibtidaiyah (MI) Mandirancan, kemudian pada

tahun 2001 penulis berhasil menyelesaikan studinya di Madrasah Tsanawiyah

(MTs) Mandirancan. Setelah lulus dari MTs Mandirancan, penulis diterima di

SMU Plus Yayasan Darmaloka Propinsi Jabar sebagai delegasi dari Kabupaten

Kuningan untuk dibina, diasramakan dan dibiaya selama studi di SMU Negeri 1

Cisarua Bandung. Tahun 2004 penulis lulus dari SMU Negeri 1 Cisarua Bandung

dan diterima di IPB melalui jalur USMI di Departemen Teknik Pertanian,

Fakultas Teknologi Pertanian.

Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif sebagai asisten kuliah

Matematika Teknik dan asisten Praktikum Terpadu Mekanika dan Bahan Teknik.

Selain itu, selama 3 tahun masa perkuliahan penulis mendapatkan beasiswa dan

pembinaan dari Beastudi Etos yayasan Dompet Dhuafa Republika serta aktif di

Himpunan Mahasiswa Teknik Pertanian (HIMATETA) dan Organisasi

Mahasiswa Daerah (OMDA) pada Himpunan Mahasiswa Aria Kamuning

(HIMARIKA) Kabupaten Kuningan.

Penulis pernah melakukan praktek lapangan di PT. Sido Muncul dengan

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, syukur dan pujian penulis panjatkan kehadirat Allah SWT

yang Maha Menggenggam segala ke-Agungan. Dengan Rahmat, Hidayah serta

Kasih Sayang-Nya skripsi penelitian ini dapat tersusun. Harapan besar penulis

semoga skripsi yang berjudul Simulasi Dispersi Gas Polutan SO2, H2S, dan CO

dengan Menggunakan Program Computational Fluid Dynamics (CFD) ini dapat bermanfaat dalam menambah hasanah keilmuan bagi penulis maupun para

akademisi lainnya. Dengan segenap kerendahan hati, penulis ingin mengucapkan

terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Prof. Dr. Ir. Kudang Boro Seminar, M.Sc selaku pembimbing tercinta

yang tak henti-hentinya membimbing dan mengarahkan penulis.

2. Dr. Ir. Arief Sabdo Yuwono, M.Sc selaku pembimbing skripsi II yang

telah memberikan kontribusi, inspirasi serta ilmunya terhadap penulis.

3. Dr. Ir. Ahmad Indra Siswantara, Pak Dodi beserta segenap karyawan

CCIT, yang telah memberikan saran, ilmu dan memfasilitasi penulis

dalam melakukan penelitian.

4. Dr. Ir. Leopold O. Nelwan, MS selaku dosen penguji skripsi.

5. Ummi, Teteh dan segenap keluarga penulis, terima kasih atas doa dan

dukungannya yang tiada henti kepada penulis.

6. Ibu Hanni dan bapak Fadhil (LAGG PUSPIPTEK), ibu Dyah, atas ilmu

dan kesempatan diskusinya dalam mendukung kegiatan penelitian.

7. Teman-teman seperjuangan : Harritz Rizaldi, Adhi N, Aris Setyawan,

Ferdian, M Ali Maksum, Gunawan, Yudik, Eko, Arip Sonjaya, terima

kasih atas bantuannya serta kepada segenap teman-teman TEP 41

sebagai tempat berbagi dan saling mengingatkan.

8. Lembaga CCIT yang telah memberikan kesempatan penulis

menggunakan fasilitas software resmi EFD untuk penelitian

Penulis sadar betul kesempurnaan skripsi ini masih jauh. Untuk itu, kritik

dan saran yang bersifat membangun sangatlah diperlukan demi menunjang

kesempurnaan skripsi ini.

Bogor, Desember 2008

DAFTAR ISI

Halaman

RINGKASAN ... i

RIWAYAT HIDUP... ii

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR TABEL ... vii

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR LAMPIRAN ... xii

BAB I. PENDAHULUAN ... 1

A. Latar Belakang ... 1

B. Tujuan ... 2

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA... 3

A. Pencemaran Udara ... 3

1. Definisi Pencemaran Udara ... 3

2. Sumber Pencemaran Udara ... 4

B. Jenis Pencemaran Udara ... 5

1. Karbon Monoksida (CO) ... 6

2. Sulfur Dioksida (SO2) ... 6

3. Hidrogen Sulfida (H2S) ... 7

4. Oksida Nitrogen (NOx) ... 8

5. Partikel Tersuspensi (TSP) ... 9

6. Ozon (O3) ... 10

C. Mekanika Fluida ... 11

1. Dasar Mekanika Fluida ... 11

2. Aliran di Sekitar Permukaan Silinder ... 13

3. Ketebalan boundary layer pada permukaan ground dan tegangan geser pada boundary layer ... 17

4. Fenomena Pemisahan Aliran ... 18

D. Dispersi Udara ... 20

1. Model Dispersi ... 21

b. Model Eulerian ... 24

c. Model Lagrangian ... 25

2. Stabilitas Atmosfer ... 26

3. Kecepatan Angin ... 27

E. Dasar-dasar Simulasi ... 29

F. Pemodelan Matematik ... 30

G. Metode Komputasi Dinamika Fluida ... 30

1. Prapemrosesan (Pre-Processing) ... 31

2. Pencarian Solusi (Solving) ... 32

3. Pasca Pemrosesan (Post-processing) ... 33

H. Penelitian Terdahulu yang Terkait ... 33

BAB III. METODOLOGI ... 34

A. Pendekatan Permasalahan ... 34

1. Kekekalan Massa 3 Dimensi ... 35

2. Persamaan Momentum 3 Dimensi ... 36

3. Persamaan Energi 3 Dimensi ... 36

4. Persamaan Spesies Transport Material Fluida ... 36

B. Bahan dan Alat ... 37

C. Parameter Input ... 38

D. Data Input ... 39

E. Tahapan Kegiatan Penelitian ... 43

F. Asumsi dalam Simulasi CFD ... 45

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 46

A. Kecepatan Angin (wind speed) ... 47

B. Model Gaussian ... 48

C. Model EFD ... 53

1. Kondisi Awal Udara Ambien ... 53

2. Pendefinisian Domain ... 54

3. Tahap Penentuan Kondisi Batas ... 55

4. Analisis Aliran ... 56

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN... 80

B. Saran ... 81

DAFTAR PUSTAKA ... 82

DAFTAR TABEL

Tabel 1. Standard kualitas udara ambien ... 4

Tabel 2. Baku tingkat kebauan udara ambien ... 4

Tabel 3. Stabilitas atmosfer Turner berdasarkan kecepatan angin, radiasi matahari dan penutupan awan ... 26

Tabel 4. Nilai konstanta a, c, d, dan f untuk menghitung y dan z sebagai fungsi dari jarak ... 27

Tabel 5. Aturan nilai eksponen n untuk pedesaan dan kota ... 28

Tabel 6. Data input fiktif ... 39

Tabel 7. Input aliran gas polutan (mass flow rate) dari cerobong... 40

Tabel 8. Nilai spesifik sifat kimia masing-masing senyawa fluida... 40

Tabel 9. Nilai densitas dan koefisien difusivitas massa masing-masing spesies 41

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Ilustrasi aliran di sekitar silinder ... 14

Gambar 2. Ilustrasi faktor tekanan dan tegangan geser pada permukaan silinder tampak atas ... 15

Gambar 3. Aliran pada boundary layer ... 17

Gambar 4. Skema terbentuknya lapisan geser (shear layer) yang selanjutnya akan membentuk vortex ... 19

Gambar 5. Ilustrasi aliran vortex di atas permukaan solid pada silinder bagian bawah ... 19

Gambar 6. Model dispersi Gaussian ... 21

Gambar 7. Ilustrasi pengambilan data temperatur aliran fluida pada lagrangian dan eulerian ... 25

Gambar 8. Bentuk geometri cerobong dan area permukaan tanah ... 41

Gambar 9. Dimensi geometri tampak atas dalam satuan meter ... 42

Gambar 10. Diagram alir pembuatan program ... 43

Gambar 11. Diagram alir prosedur simulasi pada EFD ... 44

Gambar 12. Koreksi kecepatan angin terhadap ketinggian elevasi ... 47

Gambar 13. Form penghitungan sebaran konsentrasi setiap titik (x, y, z) ... 49

Gambar 14. Grafik sebaran konsentrasi gas polutan sepanjang centerline a). SO2, b). H2S, dan c). CO, pada bidang permukaan tanah ... 51

Gambar 15. Profil sebaran gas polutan sepanjang crosswind pada jarak x 10 m, a).SO2, b).H2S, dan c).CO ... 52

Gambar 16. Ilustrasi grid hasil meshing domain dari geometri cerobong ... 54

Gambar 17. Ilustrasi pendefinisian kondisi batas ... 55

Gambar 18. Kontur dan vektor aliran kecepatan udara dengan melewati silinder cerobong tampak atas ... 57

Gambar 19. Sebaran kecepatan udara dan tekanan dinamik aliran udara di sekitar permukaan silinder ... 58

Gambar 20. Sebaran tegangan geser dan koefisien gesek di sepanjang permukaan silinder ... 59

Gambar 22. Grafik tekanan dan kecepatan udara hasil iterasi ... 61

Gambar 23. Kontur kecepatan tampak samping ... 62

Gambar 24. Ilustrasi gerakan partikel terhadap satuan waktu kecepatan ... 64

Gambar 25. Sebaran temperatur berbagai gas polutan ... 66

Gambar 26. Sebaran konsentrasi SO2 pada berbagai bidang tampak samping ... 68

Gambar 27. Sebaran konsentrasi SO2 dipermukaan tanah tampak atas ditunjukan

dengan kurva isoline dan kontur... 69 Gambar 28. Grafik konsentrasi SO2 disepanjang centerline ... 70 Gambar 29. Profil iterasi sebaran konsentrasi gas SO2 ... 71 Gambar 30. Sebaran konsentrasi gas H2S di atmosfer pada berbagai jarak bidang

tampak samping dari centerface ... 72 Gambar 31. Sebaran konsentrasi gas H2S tampak atas pada berbagai jarak bidang

dari permukaan tanah ... 73

Gambar 32. Ilustrasi garis plot data nilai sebaran gas konsentrasi H2S ... 74 Gambar 33. Grafik sebaran gas H2S sepanjang centerline ... 75 Gambar 34. Profil iterasi sebaran konsentrasi gas H2S ... 75 Gambar 35. Sebaran gas polutan CO pada berbagai jarak bidang ... 77

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1. Gambar struktur cerobong ...85

Lampiran 2. Hubungan antara tekanan gas polutan dan temperatur. ... 86

Lampiran 3. Algoritma program VB untuk penghitungan dispersi gas polutan

dengan model Gaussian ... 88

Lampiran 4. Data nilai sebaran konsentrasi gas polutan sepanjang sumbu x.……91 Lampiran 5. Data sebaran tegangan geser dan koefisien gesek pada permukaan

silinder. ………92

Lampiran 6. Hasil iterasi kecepatan rata-rata dan tekanan udara dinamik. ... 94

BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang

Industri merupakan salah satu sektor yang dominan mempengaruhi stabilitas

perekonomian suatu negara. Perkembangan di sektor industri, telah

mengakibatkan regulasi pemerintah dalam hal pemberdayaan sumber daya alam

(SDA) dan lingkungan semakin ketat. Hal ini dilakukan untuk mengarahkan para

pelaku industri agar berorientasi pada industri yang berteknologi ramah

lingkungan dan dapat meningkatkan efisiensi penggunaan SDA yang dikelolanya.

Untuk mewujudkan hal tersebut, maka dikenal istilah Produksi Bersih

(Cleaner Production) sebagai pola berpikir dan konsep global dalam perancangan proses suatu industri secara keseluruhan. Produksi Bersih merupakan salah satu

pendekatan untuk merancang ulang industri yang bertujuan untuk mencari solusi

pengurangan produk-produk samping yang berbahaya, mengurangi polusi secara

keseluruhan, dan menciptakan produk yang aman terhadap resiko pada manusia

dan lingkungan. Strategi ini berfungsi untuk mengarahkan para pelaku industri

memiliki orientasi pada pengembangan industri yang berpola ekoefisiensi dengan

memanfaatkan SDA secara optimal dan mengurangi dampak resiko terhadap

lingkungan.

Salah satu masalah yang terjadi di lingkungan industri adalah penurunan

kualitas udara ambien yang diakibatkan oleh emisi gas polutan dari cerobong

(stack). Tingginya konsentrasi polutan di udara ambien akan berdampak terhadap penerima khususnya manusia, hewan, tumbuhan dan material atau benda yang ada

di lingkungan sumber pencemar.

Udara mempunyai arti yang sangat penting di dalam kehidupan makhluk

hidup dan keberadaan benda-benda lainnya. Sehingga udara merupakan sumber

daya alam yang harus dijaga untuk kehidupan manusia dan makhluk hidup

lainnya. Hal ini berarti bahwa pemanfaatannya harus dilakukan secara bijaksana

dengan memperhitungkan kepentingan generasi sekarang dan yang akan datang.

Untuk mendapatkan udara sesuai dengan tingkat kualitas yang diinginkan maka

Salah satu upaya agar pengembangan industri dapat sejalan dengan upaya

pengelolaan lingkungan adalah dengan studi simulasi dispersi gas polutan dari

sebuah cerobong. Studi simulasi tersebut dapat memprediksi sebaran emisi gas

polutan di udara ambien. Prediksi sebaran emisi gas polutan perlu dipelajari dalam

upaya pengelolaan lingkungan hidup untuk mengantisipasi dampak negatif yang

ditimbulkan dari suatu kegiatan industri. Analisis studi simulasi dispersi gas

polutan dapat dilakukan dengan menggunakan program Computational Fluid Dynamics (CFD).

B. Tujuan Penelitian

Beberapa tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Melakukan simulasi dispersi gas polutan (SO2, H2S dan CO) dari cerobong ke lingkungan dengan menggunakan program CFD.

2. Mempelajari perbedaan model dispersi gas polutan pada udara

ambien menggunakan model Gaussian dengan model CFD.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA A. Pencemaran Udara

1. Definisi Pencemaran Udara

Menurut Peraturan Pemerintah Nomor 41 Tahun 1999 tentang

Pengendalian Pencemaran Udara, pencemaran udara adalah masuknya atau

dimasukkannya zat, energi, dan atau komponen lain ke dalam udara oleh

kegiatan manusia, sehingga mutu udara turun sampai ke tingkat tertentu

yang menyebabkan atau mempengaruhi kesehatan manusia. Sedangkan

pencemaran lingkungan hidup memiliki pengertian masuknya atau

dimasukkannya makhluk hidup, zat, energi, dan atau komponen lain ke

dalam lingkungan hidup oleh kegiatan manusia sehingga kualitasnya turun

sampai ke tingkat tertentu yang menyebabkan lingkungan hidup tidak dapat

berfungsi sebagaimana mestinya.

Menurut Soenarmo (1999), pencemaran merupakan hasil sampingan

dari industrialisasi penghasil barang, dapat berupa padat, cair maupun gas,

dan pencemaran udara adalah masuknya zat pencemar berupa

partikel-partikel halus (debu, partikel-partikel halus, gas beracun atau toksit) ke dalam udara

(atmosfer). Sedangkan menurut Supriyono (1999), pencemaran udara

diartikan terdapatnya bahan kontaminan dalam udara ambien yang

diakibatkan dari aktivitas manusia.

Sementara itu, udara ambien adalah udara bebas dipermukaan bumi

pada lapisan troposfer yang berada di dalam wilayah yurisdiksi Republik

Indonesia yang dibutuhkan dan mempengaruhi kesehatan manusia, makhluk

hidup dan unsur lingkungan hidup lainnya (PP No. 41 Tahun 1999).

Kualitas udara ambien dipengaruhi oleh kandungan atau kadar zat, energi

dan komponen lain yang terdapat di udara bebas (Syahputra, 2005).

Beberapa parameter kualitas udara yang dianalisis meliputi sulfur dioksida,

karbon monoksida, dan hidrogen sulfida. Standar kualitas udara ambien

Tabel 1. Standard kualitas udara ambien.

No. Parameter Satuan Nilai Batas Waktu rata-rata

1 Carbon Monoxide (CO)

ppm 9

8 jam mg/m³ 10

ppm 35

1 jam mg/m³ 40

2 Nitrogen Dioxide (NO2) ppm 0,053 per tahun µg/m³ 100

3 Sulfur Dioxide (SO2)

ppm 0,03 per tahun

ppm 0,14 24 jam

ppm 0,5 3 jam

4 Partikel PM10 µg/m³ 150 24 jam

5 Partikel PM2,5 µg/m³ 15 per tahun

µg/m³ 35 24 jam

6 Ozon (O3) ppm 0,075 8 jam

ppm 0,12 1 jam

Sumber : The EPA Office of Air Quality Planning and Standards (OAQPS) 2008

Salah satu akibat dari tercemarnya lingkungan udara adalah timbulnya

bau dari sumber bau atau zat odoran yang dapat menimbulkan rangsangan

bau pada keadaan tertentu sehingga sangat mengganggu kesehatan manusia.

Pemerintah telah menetapkan regulasi mengenai tingkat atau kadar kebauan

di udara ambien untuk menciptakan lingkungan yang nyaman dan sehat

dengan KEPMEN Negara Lingkungan Hidup No 50 Tahun 1996 tentang

Baku Tingkat Kebauan yang terdapat pada Tabel 2.

Tabel 2. Baku tingkat kebauan udara ambien.

No. Parameter Satuan Nilai Batas

1 Amoniak (NH3) ppm 2

2 Metil Merkaptan (CH3SH) ppm 0,002 3 Hidrogen sulfida (H2S) ppm 0,02 4 Metil Sulfida ((CH3)2S) ppm 0,01 5 Stirena (C6H8CHCH2) ppm 0,1 Sumber : KEPMEN Negara LH No. 50 Tahun 1996

2. Sumber Pencemaran Udara

Sumber pencemaran udara dapat berasal dari kegiatan yang bersifat

alamiah, yang terjadi di alam seperti polusi akibat letusan gunung berapi,

juga yang bersifat antropogenik atau akibat dari kegiatan manusia, seperti

aktivitas transportasi, industri dan domestik atau rumah tangga (Soedomo,

2001).

Berdasarkan pola atau model pancaran emisinya sumber pencemar

dibagi menjadi (Tjasjono, 1999 dalam Soenarmo, 1999) :

a. Sumber titik (point source), dihasilkan oleh pabrik-pabrik atau industri yang mengeluarkan zat pencemar (polutan) ke udara

melalui cerobong-cerobong pembuangan.

b. Sumber garis (line source), sumber pencemar ini mengeluarkan pancaran zat pencemar berupa garis yang memanjang, seperti

jalan raya akibat aktivitas transportasi.

c. Sumber area (area source), merupakan sumber pancaran zat pencemar berupa area atau bidang di suatu wilayah, seperti

kawasan industri atau areal kebakaran hutan.

Sumber pencemar dapat pula dikelompokan ke dalam sumber tidak

bergerak atau diam (stationary source), seperti industri dan sumber bergerak (mobile source), seperti kendaraan bermotor (Septiyanzar, 2008).

B. Jenis Pencemar Udara

Secara umum jenis pencemar dapat dikelompokkan menjadi pencemar

primer dan pencemar sekunder. Pencemar primer adalah substansi pencemar yang

ditimbulkan langsung dari sumber pencemaran udara. Karbon monoksida (CO)

merupakan contoh dari pencemar udara primer karena merupakan hasil langsung

dari pembakaran. Pencemar sekunder adalah substansi pencemar yang terbentuk

dari reaksi pencemar-pencemar primer di atmosfer (Septiyanzar, 2008).

Berdasarkan ciri fisiknya pencemaran udara dibagi menjadi tiga jenis, yaitu

(Geiger, 2000 dalam Septiyanzar, 2008) :

a. Partikulat, yaitu campuran berbagai senyawa organik dan anorganik yang

tersebar di udara dengan diameter 1- 500 mikron.

b. Gas, meliputi semua jenis pencemar udara yang berbentuk gas dan

berukuran molekular seperti CO, SO2, dan H2S.

Karakteristik beberapa gas polutan yang tersebar di atmosfer adalah

sebagai berikut :

1. Karbon Monoksida (CO)

Menurut Syahputra (2005), karbon monoksida (CO) timbul karena

adanya proses pembakaran yang tidak sempurna. Sedangkan menurut

Godish (2004), senyawa CO mempunyai potensi bersifat racun yang

berbahaya karena mampu membentuk ikatan yang kuat dengan pigmen

darah yaitu hemoglobin Senyawa CO memiliki daya distribusi yang luas

dan merupakan jenis senyawa polutan yang jumlah emisinya terbesar

diantara nilai emisi jenis senyawa polutan lainnya. Karbon dan oksigen

dapat bergabung membentuk senyawa CO sebagai hasil pembakaran yang

tidak sempurna, seperti tergambar dalam reaksi berikut (Sax, 1974 dalam

Septiyanzar, 2008).

2C + O2 2CO

Konsentrasi gas CO sampai dengan 100 ppm masih dianggap aman

jika waktu kontak hanya sebentar. Gas CO sebanyak 30 ppm apabila dihisap

oleh manusia selama 8 jam akan menimbulkan rasa pusing dan mual.

Konsentrasi CO sebanyak 1000 ppm dan waktu paparan (kontak) selama 1

jam menyebabkan pusing dan kulit berubah menjadi kemerahan. Untuk

paparan yang sama dengan konsentrasi CO 1300 ppm, kulit akan langsung

berubah menjadi merah tua dan disertasi rasa pusing yang hebat. Untuk

keadaan yang lebih tinggi, akibatnya akan lebih fatal, yaitu kematian

(Syahputra, 2005).

2. Sulfur Dioksida (SO2)

Gas sulfur dioksida (SO2) merupakan gas yang berasal dari bahan

bakar fosil, terutama batubara. SO2 merupakan komponen gas yang tidak

berwarna dengan karakteristik bau yang tajam dan tidak terbakar di udara

(BAPEDAL, 2005).

Menurut Syahputra (2005), sulfur dioksida merupakan hasil emisi

sulfur trioksida (SO3) ketika bereaksi dengan uap air (H2O) di atmosfer akan

menyebabkan terjadinya hujan asam, seperti tergambar dalam reaksi

kimiawi berikut :

SO2 + O SO3

SO3 + H2O H2SO4

Udara yang tercemar SOX menyebabkan manusia akan mengalami

gangguan pada sistem pernapasan. Hal ini karena gas SOX yang mudah

menjadi asam tersebut menyerang selaput lendir pada hidung, tenggorokan

dan saluran napas lain sampai ke paru-paru. Serangan tersebut juga dapat

menyebabkan iritasi pada bagian tubuh lain.

Gas SO2 merupakan bahan pencemar yang berbahaya bagi anak-anak, orang tua dan orang penderita penyakit pernapasan kronis dan penyakit

kardiovaskuler. Otot saluran pernapasan dapat mengalami kejang (spasme) bila teriritasi oleh SO2 lebih tinggi dari temperatur udara rendah. Apabila waktu paparan gas dengan gas SO2 cukup lama maka akan terjadi peradangan yang hebat pada selaput lendir yang diikuti oleh kelumpuhan

sistem pernapasan (paralysis cilia), kerusakan lapisan epthilium yang pada akhirnya diikuti oleh kematian (Soeratmo, 1990).

3. Hidrogen Sulfida (H2S)

Hidrogen sulfida merupakan gas yang tidak berwarna dan

menimbulkan bau busuk. Dalam KEPMEN LH No. 50 Tahun 1996 gas ini

disebut sebagai zat odoran tunggal. Sekalipun gas ini bersifat iritan bagi

paru-paru, tetapi ia digalongkan ke dalam asphyxiant karena efek utamanya adalah melumpuhkan pusat pernafasan, sehingga kematian disebabkan oleh

terhentinya pernapasan. Hidrogen sulfida juga bersifat sangat korosif

terhadap metal, dan dapat menghitamkan berbagai material. Karena H2S

lebih berat daripada udara, maka H2S ini sering didapat disumur-sumur,

saluran air buangan, dan biasanya ditemukan bersama-sama gas beracun

lainnya seperti metan, karbon dioxide dan bersifat sangat mudah terbakar.

Gas H2S mudah didapat secara alamiah pada gunung-gunung berapi, dan

kimia, industri minyak bumi, kilamg minyak, dan terutama pada industri

yang memproduksi gas sebagai bahan bakar (Soemirat., 1994).

4. Oksida Nitrogen (NOx)

Menurut Supriyono (1999), oksida nitrogen merupakan salah satu

komponen kimia pokok dalam reaksi fotokimia yang dapat mengakibatkan

pembentukan oksidan fotokimia. Sebagian besar emisi gas oksida nitrogen

berasal dari pembakaran bahan bakar pada kendaraan bermotor. Dampak

negatif yang ditimbulkan jika seseorang menghisap gas oksida nitrogen di

luar standar baku mutu kualitas udara dapat mengakibatkan gangguan

kesehatan pada pernapasan dan bronkhitis.

Nitrogen oksida terbentuk dalam reaksi temperatur yang tinggi dari

pembakaran bahan bakar kendaraan bermotor, dimana komponen nitrogen

yang bereaksi dengan oksigen membentuk senyawa nitrogen oksida (NO)

sebagai hasil emisi dari kendaraan bermotor seperti tergambar dalam reaksi

kimia berikut (Wellburn, 1990 dalam Septiyanzar, 2008). N2 + O2 2 NO

NO + O3 NO2 + O2

NO2 + O3 NO3 + O2 NO3 + NO2 N2O5

N2O5 + H2O 2HNO3

Emisi gas buang berupa oksida nitrogen (NO

x) adalah senyawa-senyawa pemicu pembentukan ozon. Senyawa ozon di lapisan atmosfer

bawah (troposfer bawah, pada ketinggian 0 – 2000 meter) terbentuk akibat

adanya reaksi fotokimia senyawa NO

x dengan bantuan sinar matahari. Oleh karena itu potensi produksi ozon troposfer di daerah beriklim tropis seperti

Indonesia sangat tinggi. Karena merupakan pencemar sekunder, konsentrasi

ozon di luar kota – di mana tingkat emisi senyawa pemicu umumnya lebih

rendah dibanding di pusat kota – seringkali ditemukan lebih tinggi daripada

5. Partikulat (PM)

Partikulat adalah padatan atau cairan di udara dalam bentuk asap, debu

dan uap, yang dapat berada di atmosfer dalam waktu yang lama. Selain

mengganggu estetika, partikel berukuran kecil di udara dapat terhisap ke

dalam sistem pernapasan dan menyebabkan penyakit gangguan pernapasan

serta kerusakan paru-paru. Partikulat juga merupakan sumber utama haze

(kabut asap) yang menurunkan jarak pandang. Partikel yang terhisap ke

dalam sistem pernapasan akan di sisihkan tergantung dari diameternya.

Partikel berukuran besar akan tertahan pada saluran pernapasan atas,

sedangkan partikel kecil (inhalable) akan masuk ke paru-paru dan bertahan di dalam tubuh dalam waktu yang lama (Anonim, 2006).

Partikel yang terhirup (inhalable) juga dapat merupakan partikulat sekunder, yaitu partikel yang terbentuk di atmosfer dari gas-gas hasil

pembakaran yang mengalami reaksi fisik-kimia di atmosfer, misalnya

partikel sulfat dan nitrat yang terbentuk dari gas SO

2 dan NOx. Umumnya partikel sekunder berukuran 2,5 mikron atau kurang. Partikel PM

2,5 bersifat

respirable karena dapat memasuki saluran pernapasan yang lebih bawah dan menimbulkan risiko yang lebih tinggi. Proporsi cukup besar dari PM

2,5 adalah amonium nitrat, amonium sulfat, natrium nitrat, dan karbon organik

sekunder. Partikel-partikel ini terbentuk di atmosfer dengan reaksi yang

lambat sehingga sering ditemukan sebagai pencemar udara lintas batas yang

ditransportasikan oleh pergerakan angin ke tempat yang jauh dari

sumbernya (Harrop, 2002, dalam Anonim, 2006). Partikel sekunder PM 2,5 dapat menyebabkan dampak yang lebih berbahaya terhadap kesehatan

bukan saja karena ukurannya yang memungkinkan untuk terhisap dan

masuk lebih dalam ke dalam sistem pernapasan tetapi juga karena sifat

kimiawinya. Partikel sulfat dan nitrat yang inhalable dan bersifat asam akan bereaksi langsung di dalam sistem pernapasan, menimbulkan dampak yang

lebih berbahaya daripada partikel kecil yang tidak bersifat asam. Partikel

logam berat dan yang mengandung senyawa karbon dapat mempunyai efek

partikel inhalable adalah partikel timbel (Pb) yang diemisikan dari gas buang kendaraan bermotor yang menggunakan bahan bakar mengandung

Pb. Partikel ini berukuran lebih kecil dari 10 dan 2,5 mikrometer (Anonim,

2006).

Partikulat diemisikan dari berbagai sumber, termasuk pembakaran

bahan bakar minyak, pencampuran dan penggunaan pupuk dan pestisida,

konstruksi, proses-proses industri seperti pembuatan besi dan baja,

pertambangan, pembakaran sisa pertanian (jerami), dan kebakaran hutan.

Partikel debu yang berasal dari proses peleburan, telah terjadi akumulasi

beberapa unsur kimia, sehingga akan sangat berbahaya sekali apabila tidak

ditanggulangi. Gangguan partikel ini sangat berbahaya kepada kesehatan

terutama dapat menimbulkan sesak napas, dan menimbulkan iritasi pada

kulit (Syahputra, 2005).

6. Ozon (O 3)

Ozon termasuk pencemar sekunder yang terbentuk di atmosfer dari

reaksi fotokimia NO

x dan HC. Ozon bersifat oksidator kuat, karena itu pencemaran oleh ozon troposferik dapat menyebabkan dampak yang

merugikan bagi kesehatan manusia. Laporan Badan Kesehatan Dunia

menyatakan konsentrasi ozon yang tinggi (>120 µg/m3) selama 8 jam atau lebih dapat menyebabkan serangan jantung dan kematian atau kunjungan ke

rumah sakit karena gangguan pada sistem pernapasan. Konsumsi pada

konsentrasi 160 µg/m3 selama 6,6 jam dapat menyebabkan gangguan fungsi paru-paru akut pada orang dewasa yang sehat dan pada populasi yang

sensitive (Anonim, 2006).

Percepatan produksi ozon dibantu dengan kehadiran senyawa lain

selain NO

x yaitu hidrokarbon, CO, dan senyawa-senyawa radikal yang juga diemisikan dari pembakaran bahan bakar fosil. Puncak pola fluktuasi harian

ozon umumnya terjadi setelah terjadinya puncak konsentrasi NO

kombinasi pencemar NO

x dan ozon yang menyebabkan penurunan fungsi paru-paru (Hazucha, 1996, dalam Anonim 2006).

Selain menyebabkan dampak yang merugikan pada kesehatan

manusia, pencemar ozon dapat menyebabkan kerugian ekonomi akibat

ausnya bahan atau material (tekstil, karet, kayu, logam, cat, dan lain-lain),

penurunan hasil pertanian, dan kerusakan ekosistem seperti berkurangnya

keanekaragaman hayati. (Agrawal et al., 1999, dalam Anonim, 2006).

C. Mekanika Fluida

1. Dasar Mekanika Fluida

Mekanika adalah suatu studi yang mempelajari tentang cairan dan gas

baik pada saat diam maupun saat bergerak (Okiishi et al., 2006). Dalam fluida bergerak, kemampuan untuk menyalurkan gaya geser suatu fluida

dapat dikenali dengan adanya nilai viskositas dinamik µ, dimana fluida yang berada pada suatu bidang permukaan dianggap bergerak dengan kecepatan

U paralel terhadap bidang permukaan yang diam stasioner.

Selain itu, viskositas dinamik µ juga digunakan dalam menentukan bilangan Reynolds yang dapat dilihat pada Persamaan 1.

... (1)

dimana L adalah jarak sepanjang permukaan x untuk aliran eksternal dan L

adalah Dh = (4 x luas penampang) / (keliling terbasahi) untuk aliran pada saluran bukan silinder, serta L adalah diameter D untuk aliran internal dalam pipa silinder. Nilai bilangan Reynolds digunakan untuk menentukan jenis

aliran fluida apakah aliran tersebut termasuk jenis aliran laminar atau aliran

turbulen. Untuk aliran eksternal, aliran turbulen memiliki nilai ReL ≥ 5 x 105 disepanjang bidang permukaan tempat fluida itu mengalir dan ReL ≥ 2 x 104 jika fluida tersebut mengalir diseputar benda. Sedangkan untuk aliran

internal aliran turbulen memiliki nilai ReDh ≥ 2300 (Tuakia, 2008).

Aliran turbulen dapat dikenali dengan adanya medan kecepatan yang

berfluktuasi. Fluktuasi kecepatan tersebut membawa berbagai besaran m

rUL

seperti momentum, energi, konsentrasi partikel, sehingga besaran tersebut

juga ikut berfluktuasi (Tuakia, 2008).

Fluida yang bergerak dengan kecepatan U pada suatu bidang permukaan solid dipengaruhi oleh tekanan terhadap permukaan solid

tersebut yaitu τ .A, dimana τ adalah tegangan geser dan A adalah luas

permukaan solid yang dialiri fluida (Fletcher, 2006). Besarnya nilai

tegangan geser τ dapat diketahui secara empirik dengan dipengaruhi oleh

gradien kecepatan fluida ∂u/∂y, sebagaimana terlihat pada Persamaan (2)

y u ¶ ¶ = m

t ………. ... ……..(2)

dimana : τ : Tegangan geser ,N/m2 µ : Viskositas dinamik, kg/m.s u : Kecepatan parsial fluida, m/s

y : Jarak terhadap permukaan solid, m

Nilai viskositas dinamik µ dan konduktivitas panas k dapat mempengaruhi besarnya nilai momentum dan energi, maka dari itu nilai

viskositas kinematik ν dan difusivitas panas α juga dapat dihitung dengan

Persamaan (3) dan (4)

………(3)

dan,

……….(4)

dimana, ν : viskositas kinematik, m2/s

ρ : density, kg/m3

k : konduktivitas panas, W/m.K

α : difusivitas panas, m2/s

Cp : panas jenis pada tekanan konstan, J/kg.K

Difusivitas α dan viskositas kinematik ν pada fluida jenis gas seperti r

m = v

p C k

untuk fluida jenis cair seperti air, viskositas akan menurun secara signifikan

dengan peningkatan temperatur namun difusivitas panas akan meningkat

secara perlahan (Fletcher, 2006).

Difusivitas masa didefinisikan oleh hukum Fick’s I yang merupakan

rasio fluks terhadap perubahan konsentrasi. Hal ini dapat dianalogikan

seperti difusivitas panas dalam hukum Fourier’s dan viskositas kinematik

dalam hukum Newton. Hubungan nilai difusivitas masa dengan nilai

viskositas kinematik pada kondisi tekanan konstan dipengaruhi oleh nilai

angka Schmith (Sc) sebagaimana dirumuskan pada Persamaan (5) (Kreith, 1998).

……….(5)

dimana, Di : koefisien difusivitas masa, m2/s Sc : angka Schmith

2. Aliran di sekitar permukaan silinder

Fluida yang mengalir dengan kecepatan seragam jika berbenturan

dengan suatu bidang permukaan solid akan mengakibatkan terjadinya

perubahan pola aliran sehingga beberapa besaran seperti kecepatan, tekanan,

momentum dan energi juga akan terbawa berubah atau berfluktuasi.

Perubahan pola aliran fluida yang terjadi akan mengikuti karakteristik

bentuk bidang permukaan solid tersebut (Okiishi et al., 2006). Untuk bidang permukaan yang berbentuk silinder, pola aliran fluidanya dapat dilihat pada

ilustrasi Gambar 1.

Fungsi aliran stream ψ di sekitar permukaan silinder dapat ditentukan dengan Persamaan (6)

………(6)

Dan potensial kecepatan ϕdirumuskan oleh Persamaan (7)

……….(7)

dimana : ψ : fungsi aliran stream, m2/s q

y 1 ₂ sin

2 ÷÷ ø ö çç è æ -= r a Ur q

f 1 ₂ cos

2 ÷÷ ø ö çç è æ + = r a Ur c c i S v S

D = =

. r

ϕ _: kec

U : kec

r : jara

a : radi

θ : sudut

Gambar 1. Ilustr

Komponen ke

diidentifikasi dari besa

terhadap jarak r, seba

Tepat pada perm

fluida di titik jarak r

komponen kecepatan l

Sebaran tekana

persamaan Bernoulli, se

f 1 = ¶ ¶ = r r v_r

q 2U s

v _s =

-0 2 1 + = p p_s q f q 1 = ¶ ¶ = r v

kecepatan potensial, m2/s

kecepatan fluida seragam, m/s

rak titik aliran terhadap titik pusat silinder, m

adius atau jari-jari silinder, m

sudut kemiringan jarak r terhadap arah aliran fluida

ustrasi aliran di sekitar silinder (Okiishi et al., 2006) kecepatan aliran fluida di sekitar silinde

besarnya perubahan kecepatan potensial dan fung

bagaimana dirumuskan oleh Persamaan (8).

…..………

……..………(

rmukaan silinder dimana (r = a), maka nilai ke

r dan fungsi aliran ψ adalah (vr = ψ = 0), se an lainnya akan menjadi :

………..………

nan yang terjadi di permukaan silinder diturunka

noulli, sehingga dapat dirumuskan dengan Persamaa

.……….. q q y cos 1 ₂ 2 ÷÷ ø ö çç è æ -= ¶ ¶ r a U q sin

(

q

)

r 2 2

sin 4 1 -U q y sin 1 ₂ 2 ÷÷ ø ö çç è æ + -= ¶ ¶ -= r a U r uida 2006).

nder dapat

ungsi aliran ………..(8.a) ……(8.b) kecepatan sedangkan ………….(9)

unkan dari

aan (10)

dimana, ps : tekanan pada permukaan silinder, N/m2

po : tekanan atmosfer, N/m2

Besaran gaya yang terjadi pada permukaan silinder dipengaruhi oleh

faktor tekanan dan gaya gesek. Komponen gaya (Fx dan Fy) tersebut dapat

dianalisis dari resultan tegangan geser dan distribusi tekanan yang

diintegrasikan terhadap luasan elemen permukaan silinder yang terlintasi

[image:38.595.138.429.259.350.2]

aliran fluida (Okiishi et al., 2006), seperti diilustrasikan oleh Gambar 2.

Gambar 2. Ilustrasi faktor tekanan dan tegangan geser pada permukaan silinder tampak atas (Okiishi et al., 2006).

Komponen gaya yang terjadi pada permukaan silinder dituliskan pada

Persamaan 11.

……….(11.a)

………(11.b)

Besaran gaya yang berpengaruh terhadap objek secara aksial atau

horizontal disebut drag yang dinotasikan D, _{sedangkan besaran gaya yang} berpengaruh terhadap objek secara vertikal disebut sebagai lift yang dinotasikan L_{. Drag dan lift diperoleh dari integral Persamaan 10, yaitu} dituliskan pada Persamaan 12.

D _{………..(12.a)}

L _{……….(12.b)}

dimana, Re : Reynolds number

ρ : densitas fluida, kg/m3 x

y

(

p.dA

)

cos

q

(

t

dA

)

sin

q

dFx = + w

(

p

.

dA

)

sin

q

(

t

dA

)

cos

q

dF

_y

=

-

+

_w

ò

ò

ò

= +

= dF_x pcos qdA t_w sin qdA

ò

ò

ò

= - +

U : kecepatan aliran fluida, m/s

D : diameter silinder, m

µ : viskositas dinamik, kg/m.s

θ : sudut kemiringan dari searah aliran fluida, deg p : tekanan, Pa

w : tegangan geser pada dinding, N/m2 b : panjang permukaan silinder, m

dA : perubahan luasan elemen permukaan silinder, m2

dθ : perubahan sudut kemiringan, deg

dFx , dFy : komponen perubahan gaya yang terjadi sepanjang permukaan silinder, N

Selain itu, komponen gaya yang timbul pada permukaan silinder

adalah gaya tekan dan gaya gesek. Gaya tekan adalah gaya normal yang

tegak lurus terhadap bidang permukaan objek dan dipengaruhi oleh gradient

kecepatan fluida dan separasi aliran fluida, sedangkan gaya gesek

merupakan gaya yang sejajar bidang permukaan atau dinding objek dan

dipengaruhi oleh besaran tegangan geser (Okishii et al., 2006). Sebagaimana diilustrasikan pada Gambar 2, kedua gaya tersebut merupakan besaran gaya

yang membentuk resultan gaya pada bidang koordinat x dan y, yaitu dinotasikan dengan Persamaan 13.

Gaya normal :

……….(13.a)

Gaya gesek :

……….(13.b)

Sehingga drag dari gaya normal (drag pressure), D_{p, dan drag dari} gaya gesek (drag friction), D_{f, dapat dituliskan :}

D_{p ………..(14.a)}

D_{f ………(14.b)}

dA p

N = cos q

dA F_f = t_w sin q

ò

÷

ò

ø ö ç è æ = =

p

q q q

0

cos 2

2

cos dA D b p d

p

ò

= çæ ÷ö

ò

=

p

q q t

q

fungsi drag f

tegangan geser, namun

objek yang menerima

Nilai koefisien

dengan kecepatan rat

Persamaan 15.

………

Dimana, N :

Ff : D_p:

D_{f :}

CD:

3. Ketebalan boundary pada boundary layer Menurut Okiishi

suatu aliran merupaka

Gambar 3.

Gambar 3. Al

Momentum fluks

kecepatan fluida ser

Persamaan 16 dan Pe D

A U

C_{D 2}

2 1 r = = Q 2 bU r r

friction tidak hanya besaran yang dipengaruhi mun dalam hal ini juga berorientasi terhadap pe

a aksi dari peristiwa fisika fluida yang mengalir

sien drag pada permukaan silinder berbanding ata-rata dan densitas fluida, sebagaimana ditulisk

………

: gaya normal, N

: gaya gesek, N

: drag pressure

: drag friction

: koefisien drag

dary layer pada permukaan ground dan tegangan er

ishi et al. (2006), ketebalan momentum boundary

akan pusat momentum fluks. Hal ini diilustrasika

3. Aliran pada boundary layer (Okiishi et al., 2006) fluks yang terjadi di dalam lapisan layer

seragam U dan ketebalan Ө, direpresentasika n Persamaan 17.

……..………

ò

¥ -0 )

(U u dy

u b r

garuhi oleh

permukaan

lir.

ng terbalik

iskan pada

………..(15)

gan geser

boundary layer

sikan pada

., 2006).

er dengan

sikan pada

atau

……….(17)

Besarnya nilai tegangan geser pada permukaan ground, secara empirik dapat diturunkan dari persamaan integral momentum untuk aliran boundary layer pada permukaan ground tersebut.

………(18)

dimana τw adalah tegangan geser pada permukaan tanah (N/m2), dan dӨ/dx

adalah perubahan ketebalan lapisan layer terhadap perubahan jarak yang

searah dengan kecepatan udara. Sehingga tegangan geser pada permukaan

tanah sangat dipengaruhi oleh besarnya perubahan ketebalan lapisan layer

terhadap arah sumbu x. Tegangan geser pada permukaan tanah akan berbanding lurus terhadap peningkatan boundary layer (Okiishi et al., 2006)

4. Fenomena Pemisahan Aliran

Perubahan pola aliran terjadi jika medan aliran fluida terhalang oleh

suatu benda, sehingga merubah kondisi stasioner fluida tersebut. Hal ini

timbul akibat sifat fluida yang selalu mencari kondisi kesetimbangan baru

ketika kondisi stasioner fluida tersebut tergangggu (Anonimous, 2003).

Dalam kondisi aliran udara steady yang terhalang oleh sebuah silinder cerobong, akan terbentuk suatu pola aliran baru akibat adanya integral

momentum volume udara yang melewati permukaan silinder cerobong.

Kecepatan udara seragam yang dihembuskan searah dengan sumbu x pola alirannya akan terpecah atau terpisah pada saat melewati silinder cerobong

dikenal dengan istilah creeping flow. Besarnya jarak pemisahan aliran fluida sangat dipengaruhi oleh nilai angka Reynold yang dimiliki aliran tersebut.

Ketika terjadi pemisahan aliran, maka terjadi pula pusaran-pusaran lokal

fluida yang disebut vortex. Vortex akan terbentuk pada rentang nilai Re

tertentu, dimana semakin bertambah nilai Re yang dimiliki aliran fluida maka semakin banyak vortex yang terbentuk. Namun pada nilai Re tertentu

ò

¥

-=

Q 0

) 1

( dy

U u U

u

dx d U

w

bertambahnya nilai R

dari pada yang lainny

pada suatu titik akan

kemudian akan terbent

Potensi pembent

sebagaimana diilustra

Gambar 4. Skema ter akan m

Fenomena terle

istilah vortex shedding

kemudian terhalang ol

Gambar 5.

Gambar 5. Ilustrasi ba

Re, sehingga salah satu vortex akan tumbuh lebi nnya dan memiliki kekuatan yang semakin besar se

kan terlepas bebas tanpa terikat terhadap silinde

bentuk lagi vortex baru (Okishii et al., 2006). bentukan vortex dalam aliran dinamakan sebagai ustrasikan pada Gambar 4.

(a).

(b).

terbentuknya lapisan geser (shear layer) yang sela n membentuk vortex (Okiishi et al., 2006). rlepasnya vortex dari permukaan silinder dikena

dding. Bagi fluida yang mengalir di atas permuka g oleh sebuah silinder secara ilustrasi dapat dili

rasi aliran vortex di atas permukaan solid pada sil bagian bawah (Okiishi et al., 2006).

lebih besar

r sehingga

inder yang

vorticity,

selanjutnya

nal dengan

ukaan solid

dilihat pada

D. Dispersi Udara

Secara umum tingkat kadar pencemaran udara dominan dipengaruhi oleh

faktor kondisi yang terjadi di atmosfer. Parameter meteorologi akan

mempengaruhi penyebaran (dispersi), pengenceran (dilusi), perubahan

(transformasi) fisik dan kimia dari zat-zat pencemar udara yang diemisikan, serta

proses transportasi atau perpindahan dan deposisi basah dan kering yang terjadi.

Dalam Soedomo (2001), dijelaskan bahwa kondisi atmosfer sangat dinamik yang

secara alami mampu melakukan dispersi, dilusi dan transformasi baik melalui

proses fisika maupun kimia serta mekanismekinetik atmosfer terhadap zat-zat

pencemar.

Menurut Davis et al. (2004), faktor pengaruh transportasi, dilusi dan dispersi gas polutan umumnya ditentukan oleh karakteristik titik emisi, bahan

(material) polutan alam, kondisi meteorologi, dan struktur antropogenik wilayah

tercemar. Dispersi pencemar terjadi karena ada tenaga yang membawa pencemar

tersebut dari sumbernya ke udara ambien, sedangkan difusi terjadi karena adanya

perbedaan konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah.

Menurut Vesilind et al. (1994), dispersi udara merupakan suatu proses pergerakan udara yang terkontaminasi dari sumber emisi (source of emission) menyebar melalui suatu luas area wilayah tertentu untuk mereduksi konsentrasi

gas polutan yang terkandung dalam udara terkontaminasi tersebut. Pergerakan

atau penyebaran udara terkontaminasi terjadi secara vertikal maupun horizontal.

Proses dispersi dan difusi akan menghasilkan dilusi (pengenceran) zat

pencemar dari suatu sumber yang konsentrasinya sangat kental di udara ambien

dengan hasil konsentrasi yang lebih rendah. Transformasi zat pencemar di

atmosfer merubah zat tersebut menjadi zat lain yang berbeda sifatnya baik secara

fisika maupun kimia dan juga kadar toksisitasnya. Proses transformasi yang

dimaksudkan disini adalah proses transformasi zat-zat pencemar selama berada di

udara yang mengalami perubahan fisik dan kimia yang dipengaruhi oleh difusi

molekuler dan turbulen, terdapatnya uap air dan adanya radiasi matahari

(Soedomo, 2001).

terhadap radiasi surya terse

ini menimbulkan adanya si

dinamika panas atmosfer

barometrik (Vesilind et al., 1994

1. Model Dispersi

Pemodelan dispe

yang berdasarkan

dikembangkan diveri

konsentrasi pencemar

a. Model Gaussian

Model dispersi

Gaussian yang terliha

untuk point sourc

konsentrasi polutan ke

normal (Sugiyono, 1995)

mengikuti asumsi :

- sumber emisi me

- medan angin homo

- perubahan bentuk

tidak diperhitung

- semua variabel di

Penyebaran be

penyebaran dengan norGambar 6. Mode

rsebut berbeda dengan daya serap panas di atmos

sistem pergerakan (dynamic sistem). Kemudian, er bumi juga menghasilkan perbedaan dalam

., 1994).

dispersi udara berasal dari model analitik semi

n pada persamaan difusi. Persamaan difusi

rifikasi dengan data koefisien difusi di atmosfer

aran udara yang diambil langsung lokasi penguku

an

rsi yang popular digunakan adalah model

ihat pada Gambar 6. Model Extended Gaussian source, dibuat berdasarkan kenyataan bahwa di

n ke arah vertikal dan horisontal sesuai dengan di

ono, 1995). Dalam model ini penyebaran polutan di

engeluarkan material secara kontinu.

n homogen baik ke arah vertikal maupun horisontal

ntuk polutan secara fisik dan kimiawi selama

ungkan.

l dianggap stasioner.

berdasarkan metoda difusi Gauss ganda,

n normal (distribusi Gauss) arah-y dan arah-z, se Ket :

Δh : tinggi kepulan (plume) h : tinggi stack actual

H : tinggi stack effectiv ū : arah sebaran angin

6. Model dispersi Gaussian (Vesilind et al.,1994)

osfer. Hal

udian, sistem

m tekanan

mi empiris

fusi yang

er dan data

ukuran.

l dispersi

ian Plume

distribusi

n distribusi

n dianggap

sontal.

a di udara

nda, adalah

sedangkan Δh : tinggi kepulan (plume)

al tive

[image:44.595.156.492.546.735.2]

arah-x didominasi oleh kecepatan angin. Beberapa model Gauss dibangun

sesuai dengan macam sumber emisinya, salah satunya adalah persamaan

difusi Gauss ganda untuk sumber tunggal kontinyu. Persamaan dasar untuk

sumber tunggal kontinyu dalam keadaan steady (Soenarmo, 1999).

ò ò

¥

¥

-= Cudydz

Q ... (19)

kemudian dikembangkan menjadi persamaan Gauss untuk sumber tunggal

kontinyu ( Soenarmo, 1999), sebagai :

(

)

(

)

ïþ ï ý ü ïî ï í ì ú ú û ù ê ê ë é ÷÷ ø ö çç è æ + + ÷÷ ø ö çç è æ -ïþ ï ý ü ïî ï í ì ú ú û ù ê ê ë é -= 2 2 2 2 1 . exp 2 1 . exp 2 ) , , ( z z y z y H z H z y u Q z y x C s s s s s

p ……..(20)

dimana, C : Konsentrasi Pencemaran udara pada titik (x,y,z), µg/m

3

Q : Laju emisi / laju pancaran, g/det

u : Kecepatan angin rata-rata (wind speed), m/det x : Jarak ke arah-x (downwind), m

y : Jarak ke arah-y (crosswind), m z : Jarak ke arah-z (vertikal), m H : Tinggi emisi efektif (h + ∆h), m

h : Tinggi cerobong fisik, m

∆h : Penambahan tinggi kepulan (plume rise) oleh pengaruh angin dan kecepatan keluaran / emisi, m

σy : Koefisien dispersi arah sumbu-y

σz : Koefisien dispersi arah sumbu-z

Notasi C menyatakan konsentrasi parameter kualitas udara di ambien dengan satuan masa per meter kubik (µg/m

3

). Notasi

y dalam literatur adalah konstanta deviasi standar dispersi horizontal dan

z untuk konstanta deviasi standar dispersi vertikal yang keduanya dinyatakan dalam satuan

pengukuran konsentrasi polutan dilakukan pada ground level yang berarti bahwa z = 0, maka persamaannya menjadi :

ïþ ï ý ü ïî ï í ì ú û ù ê ë é -ïþ ï ý ü ïî ï í ì ú ú û ù ê ê ë é -= 2 2 2 1 . exp 2 1 . exp ) 0 , , ( z y z y H y u Q y x C s s s s

p ... (21)

Untuk mengetahui konsentrasi gas polutan di sepanjang garis pusat

kepulan (plume centerline), yang berarti bahwa nilai y = 0, maka Persamaan (21) berubah menjadi :

ïþ ï ý ü ïî ï í ì ú û ù ê ë é -= 2 2 1 . exp ) 0 , , ( z z y H u Q y x C s s s

p ... (22)

Terakhir, untuk sumber emisi pada ground level dimana H = 0 ,maka Persamaan (22) menjadi :

z y u Q x C s s p = ) 0 , 0 ,

( ... (23)

Persamaan ini digunakan untuk tingkat dasar (ground level), yang mana konsentrasi garis pusat (center line concentration) dari sumber titik berada pada tingkat dasar.

Penentuan laju emisi Q untuk sumber tunggal kontinyu diperoleh dari data langsung yang diperoleh dari pengukuran emisi di lubang keluaran

(stack) atau dihitung dari kapasitas produksi berdasarkan prosesnya. Sedangkan penentuan kecepatan udara rata-rata (wind speed<