ANALISA ALIRAN FLUIDA PADA HYDROCYCLONE
DENGAN METODE NUMERIK MENGGUNAKAN
PERANGKAT LUNAK CFD
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
ION RISWAN SINAGA NIM. 050401081
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
ANALISA ALIRAN FLUIDA PADA HYDROCYCLONE
DENGAN METODE NUMERIK MENGGUNAKAN
PERANGKAT LUNAK CFD
ION RISWAN SINAGA NIM : 05 0401 081
Diketahui / Disahkan : Disetujui oleh :
Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing,
Fakultas Teknik USU Ketua,
DR. Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri
ANALISA ALIRAN FLUIDA PADA HYDROCYCLONE
DENGAN METODE NUMERIK MENGGUNAKAN
PERANGKAT LUNAK CFD
ION RISWAN SINAGA NIM : 05 0401 081
Telah disetujui dari hasil Seminar Skripsi Periode ke - 581 pada tanggal 31 Juli 2010
Pembanding I, Pembanding II,
Ir.Halim Nasution, MSc
NAMA : ION RISWAN SINAGA
TUGAS SARJANA
NIM : 05 0401 081
MATA PELAJARAN : MEKANIKA FLUIDA
SPESIFIKASI : Analisalah fenomena aliran dan gaya-gaya yang
terjadi pada hydrocyclone dengan mengambil
dimensi geometris hydrocyclone yang digunakan di
Pabrik Kelapa Sawit Adolina PT. Perkebunan
Nusantara IV
DIBERIKAN TANGGAL : 01 / Oktober /2009 SELESAI TANGGAL : 12 / Juli /2010
MEDAN,12 Juli 2010
KETUA DEPT. TEKNIK MESIN DOSEN PEMBIMBING,
Dr.Ing.Ir.IKHWANSYAH ISRANURI
NIP.196412241992111001 NIP. 196803102005011005 TERANG U.S.H.G Manik, ST,MT
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK USU
MEDAN
AGENDA : 900/TS/2009
DITERIMA TGL : / /2009
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa oleh karena rahmat dan penyertaanNya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana dengan baik dan tepat waktu.
Adapun yang menjadi pembahasan dalam tugas sarjana ini adalah mengenai
“Analisa Aliran pada Hydrocyclone dengan Metode Numerik menggunakan Program Komputer CFD” .Berbagai ilmu yang berkaitan dengan sub program
studi konversi energi seperti mesin fluida dan mekanika fluida diaplikasikan dalam menganalisa aliran pada Hydrocyclone.
Dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini, penulis banyak mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini dengan ketulusan hati penulis ingin menghaturkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Kedua orang tua dan keluarga tercinta, (Ayah) Alm. H Sinaga dan (Ibu) N Samosir yang senantiasa memberikan kasih sayang, dukungan, motivasi, dan nasihat yang tak ternilai harganya.
2. Bapak Terang USHG Manik,ST, MT selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya membimbing, memotivasi, dan membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini.
3. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.
4. Rekan satu tim riset, Maycold Manurung , atas kerja sama yang baik untuk menyelesaikan penelitian ini.
5. Seluruh rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin, teristimewa kepada teman-teman seperjuangan Angkatan 2005. Kepada Eben Haezar L Tobing,ST, Fransdolin Hutabarat,ST, Zulfirman,ST, Alfred Telaumbanua, ST, Pandapotan, ST, M Roland, Marthin E Harianja,ST dan lainnya yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah banyak membantu dan memberi masukan, motivasi yang berguna demi kelengkapan Tugas Sarjana ini, "Solidarity Forever".
6. Jenny I P Sagala, Amd dan T Ulina L Tobimg yang juga telah banyak membantu dan memberi perhatian, masukan serta motivasi.
7. Kepada seluruh keluarga dimana pun berada yang telah banyak membantu baik dalam doa maupun dana.
Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan baik dalam penulisan maupun penyajian Tugas Sarjana ini. Untuk itu penulis sangat mengharapkan saran-saran yang membangun dari semua pihak demi kesempurnaan Tugas Sarjana ini dikemudian hari.
Akhir kata, dengan segala kerendahan hati penulis memanjatkan doa kepada Tuhan Yang Maha Esa semoga Tugas Sarjana ini bermanfaat untuk kita semua.
Penulis
ABSTRAK
Hydrocyclone dapat diartikan sebagai suatu alat yang memisahkan material ataupun partikel dari suatu komposisi campuran yang berbentuk padatan dengan cairan ataupun cairan dengan cairan. Prinsip kerja dari hydrocyclone adalah gaya sentrifugal dimana ketika terjadinya aliran yang berputar didalam hydrocyclone menyebabkan partikel ataupun material yang tercampur akan terpisah karena perbedaan densitas. Hydrocyclone pada dunia industri dipakai dalam industri pengolahan minyak kelapa sawit yang berada pada stasiun inti dimana dipakai untuk memisahkan antara cangkang dengan inti.
Adapun tujuan penelitian adalah analisa karateristik aliran dan unjuk kerja hydocyclone dengan melakukan simulasi yang dibantu oleh program komputer. Sehingga diperoleh perilaku distribusi aliran secara umum (General flow behavior) yang terdiri dari aliran tangensial, aliran aksial dan aliran radial.
Kata kunci: hydrocyclone, alat pemisah, gaya sentrifugal, distribusi aliran ABSTRACT
Hydrocyclone can be interpreted as a device that able to separate particles or materials, such as liquid with solid or liquid with liquid, from a mixed composition. The working principal of hydrocyclone is the implementation of centrifugal force when the rotating flow inside hydrocyclone caused a separation between any particles or materials in mixture due to density differences. Hydrocyclone is known used in palm oil processing industries, usually in the main station in order to separate the shell from the nucleus.
The objectives of this research are to analyze both of flow characteristics and performance of hydrocyclone by conducting simulation assisted by a computer program. So that the behavior of flow distribution in general (General Flow Behavior) which consist of tangential flow, axial flow, and radial flow , can be obtained.
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL i
LEMBARAN PENGESAHAN ii
LEMBARAN PERSETUJUAN iii
SPESIFIKASI TUGAS iv
LEMBARAN EVALUASI vi
KATA PENGANTAR ix
ABSTRAK x
DAFTAR ISI xi
DAFTAR TABEL xii
DAFTAR GAMBAR xiii
DAFTAR NOTASI (NOMENKLATUR) xiv
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang 1
1.2 Batasan Masalah 2
1.3 Maksud dan tujuan 2
1.4 Metode Penulisan 3
1.5 Sistematika Penulisan 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Hydrocyclone 5
2.2 Prinsip Kerja Hydrocyclone 5
2.3 Jenis Hydrocyclone 6
2.3.1 Hydrocyclone tipe konvensional 6
2.4. Konstruksi pada multicyclone 7
2.4.1 Round Desilter Hydrocyclone 7
2.4.2 Inline Desilter Hydrocyclone 8
2.4.3 Hydrocyclone aliran aksial 8
2.5 Bagian-bagian dari Hydrocyclone 9
2.5.1 Lubang Masuk 9
2.5.2 Cylindrical Section 10
2.5.3 Vortex Finder 10
2.5.4 Cone Section 11
2.6 Hydrocyclone pada industri kelapa sawit 12
2.6.2 Bagian-bagian unit Hydrocyclone 14
2.7 Kecepatan settling sentrifugal 17
2.8 Aliran Vortex 18
2.8.1. Aliran Vortex Bebas 19
2.8.2 Aliran Vortex Paksa 22
2.8.3 Aliran Vortex Kombinasi 23
2.9 Aliran Berputar dalam Tabung 24
BAB III METODE PENELITIAN
3.1 Tempat dan waktu penelitian 27
3.3 Bahan dan metode penelitian 27
3.2.1 Bahan 28
3.2.2 Metode penelitian 30
3.3 Variabel yang diamati 32
3.4 Pelaksanaan Penelitian 33
3.5 Prosedur Simulasi 34
3.5.1 Pembentukan Model Hydrocyclone 34
3.5.2 Penentuan Meshing scehme 34
3.5.3 Penentuan Kondisi batas 35
3.6 Pelaksanaan Simulasi 36
BAB IV HASIL SIMULASI DAN DISKUSI
4.1. Hasil Simulasi 37
4.1.1 Perilaku Distribusi Aliran Secara Umum 37
DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Prinsip kerja Hydrocyclone 5
Gambar 2.2 Hydrocyclone tipe konvensional 6
Gambar 2.3 Round Desilter Hydrocyclone 7
Gambar 2.4 Inline Desilter Hydrocyclone 7
Gambar 2.5 Hydrocyclone aliran aksial 8
Gamabr 2.6 Bagian-bagian Hydrocyclone 8
Gambar 2.7 Beberapa tipe dari lubang masuk (Inlet area) 9
Gambar 2.8 Beberapa tipe dari cylindrical section 10
Gambar 2.9 Beberapa tipe dari cone section 11
Gambar 2.10
Gambar 2.11
Tahapan proses pengolahan hingga mencapai hydrocyclone
Skema kerja unit hydrocylone
12
13
Gambar 2.12 Proses pemisahan di dalam tabung 14
Gambar 2.13 Jalur distribusi inti dan cangkang 16
Gambar 2.14 Variasi kecepatan tangensial dan kecepatan radial 17
Gambar 2.15 Pola garis arus untuk sebuah vortex 19
Gambar 2.16 Gerakan elemen fluida dari A ke B : vortex bebas 20
Gambar 2.17 Gerakan elemen fluida dari A ke B : Vortex paksa 22
Gambar 2.18 Tipe-tipe Vortex 23
Gambar 3.1 Dimensional Hydrocyclone 27
Gambar 3.2 Hydrocylone pada industri pengolahan kelapa sawit 27
Gambar 3.3.a Instalasi dari hydrocyclone 28
Gambar 3.3.b Instalasi dari hydrocyclone 29
Gambar 3.4 Diagram alir pelaksanaan penelitian 32
Gambar 3.5 Hasil permodelan hydrocyclone 33
Gambar 3.6 Hasil dari meshing pada model hydrocyclone 34
Gambar 4.1 Pola Aliran KecepatanTangensial 38
Gambar 4.2 Predicted Tangential Velocity Profiles pada ketinggian 0.25m,
0.5m, 0.75m, 1m
40
Gambar 4.3
Gambar 4.4
Pola Aliran Kecepatan Aksial
Predicted Axial Velocity Profiles pada ketinggian 0.25m,
0.5m, 0.75m, 1m
40
41
Gamabr 4.5 Pola Aliran Kecepatan Radial 42
Gambar 4.6 Pola Aliran Distribusi Tekanan 43
Gambar 4.7 (a)
Gambar 4.7 (b)
Gambar 4.7 (c)
Predicted Centrifugal Force profile pada ketinggian 1 m
Predicted Centrifugal Force profile pada ketinggian 0.5 m
Predicted Centrifugal Force profile pada ketinggian 0.3 m
44
44
45
Gambar 4.8 Pengaruh Diameter Spigot terhadap Static Pressure 47
Gambar 4.9
Gambar 4.10
Pengaruh Diameter Spigot terhadap Y-Velocity
Pengaruh Diameter Spigot terhadap Kecepatan Tangensial
47
48
Gambar 4.11 Pengaruh Vortex Finder terhadap Static Pressure 49
Gambar 4.12
Gambar 4.13
Pengaruh Diameter Vortex Finder terhadap Y-Velocity
Pengaruh Diameter Vortex Finder terhadap Kecepatan
Tangensial
50
DAFTAR NOTASI
SIMBOL KETERANGAN SATUAN
ac percepatan sentrifugal m/s2
Ain luas penampang masuk m2
CD koefisien gesekan
d diameter m
Fc gaya sentrifugal N
g percepatan gravitasi bumi m/s2
h ketinggian m
l panjang m
m massa kg
p tekanan fluida kg/m2
Q kapasitas aliran kg/s
Re bilangan Reynold
r jari-jari m
S faktor pemisah
Us kecepatan aliran m/s
v kecepatan m/s
t
v kecepatan tangensial m/s
v kecepatan air volumetrik m3/s
vgt gravitational terminal velocity m/s
W berat partikel N
X jarak dari sumbu utama m
ABSTRAK
Hydrocyclone dapat diartikan sebagai suatu alat yang memisahkan material ataupun partikel dari suatu komposisi campuran yang berbentuk padatan dengan cairan ataupun cairan dengan cairan. Prinsip kerja dari hydrocyclone adalah gaya sentrifugal dimana ketika terjadinya aliran yang berputar didalam hydrocyclone menyebabkan partikel ataupun material yang tercampur akan terpisah karena perbedaan densitas. Hydrocyclone pada dunia industri dipakai dalam industri pengolahan minyak kelapa sawit yang berada pada stasiun inti dimana dipakai untuk memisahkan antara cangkang dengan inti.
Adapun tujuan penelitian adalah analisa karateristik aliran dan unjuk kerja hydocyclone dengan melakukan simulasi yang dibantu oleh program komputer. Sehingga diperoleh perilaku distribusi aliran secara umum (General flow behavior) yang terdiri dari aliran tangensial, aliran aksial dan aliran radial.
Kata kunci: hydrocyclone, alat pemisah, gaya sentrifugal, distribusi aliran ABSTRACT
Hydrocyclone can be interpreted as a device that able to separate particles or materials, such as liquid with solid or liquid with liquid, from a mixed composition. The working principal of hydrocyclone is the implementation of centrifugal force when the rotating flow inside hydrocyclone caused a separation between any particles or materials in mixture due to density differences. Hydrocyclone is known used in palm oil processing industries, usually in the main station in order to separate the shell from the nucleus.
The objectives of this research are to analyze both of flow characteristics and performance of hydrocyclone by conducting simulation assisted by a computer program. So that the behavior of flow distribution in general (General Flow Behavior) which consist of tangential flow, axial flow, and radial flow , can be obtained.
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Dalam perekonomian Indonesia komoditas kelapa sawit memegang peranan
yang cukup strategis karena komoditas ini mempunyai prospek yang cerah
sebagai sumber devisa. Di samping itu, minyak sawit merupakan bahan baku
utama minyak goreng yang banyak dipakai di seluruh dunia, sehingga secara
mampu pula menciptakan kesempatan kerja yang luas dan meningkatkan
kesejahteraan masyarakat. Indonesia bukan satu-satu negara yang memiliki
industri pengolahan kelapa sawit. Negara Malasyia juga merupakan negara yang
juga memiliki industri pengolahan kelapa sawit dan juga merupakan saingan dari
Indonesia. Oleh sebab itu perkembangan teknologi pada industri pengolahan
kelapa sawit mutlak harus dilakukan secara berkala di Indonesia untuk dapat
menghasilkan hasil olahan yang lebih baik lagi dan dapat menghasilkan kapasitas
olahan yang lebih banyak lagi. Langkah sederhana yang dapat dilakukan ialah
peningkatan efisiensi kerja dari mesin-mesin produksi yang ada di pabrik-pabrik
pengolahan.
Hydrocyclone merupakan salah satu mesin produksi CPO (Crude Palm Oil)
pada stasiun pengolahan biji. Hydrocyclone berfungsi untuk memisahkan inti
dengan cangkang. Prinsip kerjanya dengan menggunakan gaya sentrifugal,
terjadinya pemisahan berdasarkan atas adanya perbedaan densitas. Hydrocyclone
banyak digunakan sebagai alat pemisah karena konstruksi dari hydrocyclone yang
sederhana, cara pemakaian yang mudah, biaya perawatan yang minim. Seiring
perkembangan teknologi maka diperlukan perbaikan ataupun pengembangan lebih
lanjut mengenai hydrocyclone tersebut.
Pemanfaatan teknologi dalam perancangan alat-alat industri pengolahan
kelapa sawit berupa penggunaan software (peranti lunak) yang aplikatif memiliki
banyak aspek yang menguntungkan diantaranya adalah dengan simulasi (peranti
lunak), dapat dilakukan uji coba terlebih dahulu kegunaannya sebelum membeli
mesin atau membangun sistem baru sehingga efisisensi sistem dapat ditingkatkan,
berbagai aspek. Dalam persoalan-persoalan yang menyangkut geometri yang
rumit, seperti persoalan pembebanan terhadap struktur yang kompleks, pada
umumnya sulit dipecahkan melalui matematis analisis. Hal ini disebabkan karena
matematis analisis memerlukan besaran atau harga yang harus diketahui pada
setiap titik pada struktur yang dikaji.Penyelesaian analisis dari suatu persamaan
diferensial suatu geometri yang kompleks dengan pembebanan yang rumit, tidak
mudah diperoleh. Formulasi dari penggunaan software (peranti lunak) dapat
digunakan untuk mengatasi permasalahan ini.
Dengan melakukan analisa menggunakan simulasi program komputer ini bisa
menampilkan virtual prototype dari hydrocyclone yang ingin dianalisis dengan
menerapkan kondisi nyata di pabrik. Adapun hasil dari simulasi adalah pola aliran
yang terjadi didalam hydrocyclone. Dari gambaran pola aliran tersebut dapat
diperoleh nantinya berbagai pengaruh dari parameter penting pada hydrocyclone.
Sehingga memudahkan untuk mencari tahu variabel apa saja yang menjadi perlu
dicermati sehingga pada nantinya dapat mengembangkan lebih lanjut dengan
memodernisasi desain ataupun bagian-bagiannya dalam hal peningkatan daya
kerja dan efektifitas kerja.
1.2 Batasan Masalah
Hydrocyclone yang menjadi bahan rujukan yang akan dianalisa proses
kerjanya adalah hydrocyclone pada pabrik pengolahan kelapa sawit milik PT.
Pekebunan Nusantara IV Adolina. Adapun yang menjadi batasan masalah dalam
tugas sarjana ini adalah sebagai berikut :
a. Perhitungan mengenai performansi dari hydrocyclone seperti: kecepatan
aliran didalam hydrocyclone, gaya sentrifugal, penurunan tekanan, besar
faktor pemisahan, efektifitas kerja.
b. Pembuatan simulasi aliran yang terjadi pada hydrocyclone dengan kondisi
batas yang menggambarkan kenyataan di lapangan.
1.3 Maksud dan Tujuan
1. Mengetahui pengaruh pola aliran terhadap proses terjadinya pemisahan
2. Mengetahui bagaimana pengaruh dari parameter penting terhadap pola
aliran seperti diameter vortex finder dan diameter spigot kecepatan
tangesial, kecepatan radial dan static pressure.
3. Mengetahui secara jelas distribusi kecepatan tangensial, aksial, radial dan
juga distribusi tekanan.
1.4 Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini nantinya merupakan suatu upaya nyata dari pihak
perguruan tinggi dalam memberikan informasi kepada pihak industri secara
langsung mengenai segala perhitungan berkaitan proses kerja dan segala hal yang
berkaitan di dalamnya dalam upaya penigkatan efisiensi kerja dari alat produksi.
1.5 Metode Penulisan
Metode penulisan yang digunakan dalam penulisan tugas sarjana ini adalah :
1. Survey Lapangan
Survey lapangan telah dilakukan pada Pabrik Kelapa Sawit PT Perkebunan
Nusantara IV, guna mendapatkan spesifikasi dari mesin hydrocyclone. 2. Studi Literatur
Berupa studi kepustakaan dan kajian dari buku-buku yang mendukung dan
membantu dalam menyelesaikan tugas sarjana ini. 3. Diskusi
Berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing,dosen lainya dan teman-teman
mahasiswa yang lain mengenai simulasi yang dibahas.
1.6 Sistematika Penulisan
Adapun sistematika penulisan tugas sarjana adalah sebagai berikut:
1. BAB I : Pendahuluan, berisikan latar belakang, batasan masalah,
maksud penelitian, tujuan penelitian, manfaat penelitian dan
sistematika penulisan.
2. BAB II : Tinjauan Pustaka, berisikan tentang teori - teori yang
mendasari pembahasan mengenai hydrocyclone serta seluruh
3. BAB III : Metode Penelitian, berisikan proses yang dilakukan
dalam pengambilan data, pengolahan data dan diagram alir proses
pengerjaan dari analisa aliran pada hydrocyclone.
4. BAB IV : Hasil penelitian dan pembahasan, berisikan hasil dari
survey yang telah dilaksanakan dan data dianalisis serta
disimulasikan supaya mendapatkan kecepatan aliran yang berputar
disekeliling dinding tabung, penurunan tekanan, kecepatan
tangensial, kecepatan aksial, kecepatan radial, pengaruh berbagai
parameter yang berkaitan dengan kerja hydrocyclone .
5. BAB V : Berisikan tentang kesimpulan dan saran yang ditarik
berdasarkan hasil perhitungan dan simulasi yang telah dilakukan
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Hydrocyclone
Pada dasarnya hydrocyclone merupakan gabungan dari dua kata yaitu hydro
dan cyclone. Hydro dapat diartikan air ataupun cairan, sedangkan cyclone dapat
diartikan sebagai pusaran. Sehingga hydrocyclone diartikan sebagai pusaran air.
Dalam penggunaanya secara nyata hydrocyclone dapat diartikan sebagai suatu
alat yang dapat memisahkan material ataupun partikel dari suatu komposisi
campuran baik berbentuk padatan dengan cairan ataupun cairan dengan cairan.
2.2 Prinsip kerja Hydrocyclone
Prinsip kerja dari hydrocyclone adalah terdapatnya kumpulan partikel dan air
yang masuk dalam arah tangensial ke dalam siklon pada bagian puncaknya.
Kumpulan air dan partikel ditekan ke bawah secara spiral (primary vortex) karena
bentuk dari siklon. Gaya sentrifugal menyebabkan partikel terlempar ke arah luar,
membentur dinding dan kemudian bergerak turun ke dasar hydrocyclone. Dekat
dengan bagian dasar hydrocyclone, air bergerak membalik dan bergerak ke atas
dalam bentuk spiral yang lebih kecil (secondary vortex) partikel yang lebih ringan
bergerak keluar dari bagian puncak hydrocyclone sedangkan partikel yang berat
keluar dari dasar hydrocyclone.
Ada beberapa alasan mengapa hydrocyclone dipakai sebagai alat pemisah,
yaitu:
1. Biaya operaional yang relatif murah
2. Prosesnya dapat dilakukan pada satu tempat
3. Desain ataupun modelnya sederhana, berupa kombinasi konstruksi silinder
dan kerucut
4. Tidak memiliki bagian yang bergerak
5. Minim biaya perawatan
2.2 Jenis Hydrocyclone
2.2.1 Hydrocyclone tipe konvensional
Pada Hydrocyclone tipe konvensional memiliki bagian berbentuk
silinder dan bagian berbentuk kerucut. Memiliki dua jenis tipe yang berbeda
yang berdasarkan sudut kemiringannya. Tipe yang pertama memiliki sudut
kemiringan 20o – 25O
, sedangkan jenis yang lain memiliki sudut > 25o
hingga 180o. Fluida dialirkan melalui dari lubang inlet bagian atas pada
silinder dan aliran tersebut menghasilkan gerakan berbentuk pusaran yang
kuat pada dinding Hydrocyclone.
2.3 Konstruksi pada multicyclone
Pada proses klarifikasi ataupun pada proses klasifikasi untuk ukuran partikel
yang sangat kecil biasanya dipergunakan hydrocylone dalam jumlah yang banyak.
Tetapi ukuran dari hydrocyclone yang digunakan tidak sebesar hydrocyclone pada
umumnya. Hal ini dimaksudkan karena diperlukannya proses pemisahan yang
berulang-ulang dan kualitas hasil pemisahan yang sangat baik sehingga dibuatlah
konstruksi multicyclone.
Secara umum dapat dilihat terdapat 2 jenis konstruksi multicyclone yang dapat
dijumpai, yaitu : konstruksi linear dan konstruksi circular. Kedua jenis konstruksi
tersebut memiliki fungsinya masing-masing, seperti pada konstruksi circular
yang memungkinkan tiap hydrocyclone dapat terhubung dalam jumlah banyak
dimana mengelilingi satu pipa atau lubang utama sehingga panjang pipa
penghubung tiap hydrocyclone tetap sama.
2.3.1 Round Desilter Hydrocyclone
Terdiri dari 10 hingga 20 Hydrocyclone yang digabungkan secara melingkar
menjadi satu bagian. Pada Hydrocyclone ini dilengkapi dengan Shut-off
valves pada setiap konstruksinya. Sehingga memungkinkan untuk
memindahkan atau mengganti salah satu Hydrocyclone jika rusak tanpa
menganggu kinerja Hydrocyclone lainnya dan juga memudahkan operator
untuk mengawasi kinerja disetiap Hydrocyclone.
Gambar 2.3 Round Desilter Hydrocyclone (Krebs
2.3.2 Inline Desilter Hydrocyclone
Terdiri dari 10 – 20 Hydrocyclone yang disusun secara pararel. Inline
Desilter Hydrocyclone biasanya digunakan pada tempat yang tidak
memiliki area yang cukup luas untuk menampung banyak konstruksi
instalasi mesin. Sehingga dapat menghemat pemakaian tempat.
Gambar 2.4 Inline Desilter Hydrocyclone
2.3.3 Hydrocyclone aliran aksial
Pada umumnya digunakan pada industri pengolahan air bersih.
Berfungsi memisahkan sisi minyak dari campuran air kemudian
sisa minyak tersebut ditampung dan dibuang.
Karateristik dari Hydrocyclone aliran aksial :
a.) Konsentrasi penyerapan minyak hingga 10.000 ppm
b.) Besar penurunan tekanan balik 2 - 3,5 bar
c.) Besar penurunan tekanan buang 4 – 7,5 bar
d.) Penurunan tekanan dapat diminimalkan dengan menambah
jumlah pipa didalam Hydrocyclone
2.4 Bagian-bagian dari Hydrocyclone
Secara umum bagian-bagian dari Hydrocyclone dapat dilihat dari gambar
berikut :
Lubang Keluar
Feed Chamber
Lubang Masuk
Vortex Finder
Cone Section (Bagian Kerucut)
Tail Pipe Apex Valve (Katup keluar)
(Pipa bawah)
Lubang Keluar
Gambar 2.6 Bagian-bagian Hydrocyclone
Keterangan:
1. Lubang masuk
2. Cylindrical section
3. Vortex finder
4. Cone section
5. Lubang keluar
2.4.1 Lubang masuk (Inlet area)
Ada beberapa tipe dari lubang masuk (Inlet area), yaitu : lubang masuk
tipe involute, lubang masuk tipe ramp dan lubang masuk tipe scroll.
Berbagai tipe tersebut dimaksudkan untuk lebih memaksimalkan kinerja
dari Hydrocyclone. Dengan konstruksi lubang masuk dengan tipe
involute, lubang masuk tipe ramp dan lubang masuk tipe scroll dapat
mengurangi efek dari turbulensi yang terjadi disekitar dinding lubang
Gambar 2.7 Beberapa tipe dari lubang masuk (Inlet area)
2.4.2 Cylindrical section
Pada dasarnya diameter dari cylindrical section memilki diameter
sebesar diameter dari Hydrocyclone . Konstruksi dari cylindrical section
yang panjang dimaksudkan untuk memperbesar kapasitas dan juga
mengurangi dari kecepatan tangensial. Besar kecilnya dari konstruksi
dari cylindrical section dapat mempengaruhi besarnya tekanan.
2.4.3 Vortex finder
Pada umumnya besar dari vortex finder 20 - 45 % dari diameter
Hydrocyclone. Besar dari vortex finder dapat kualitas pemisahan yang
dihisap.
2.4.4 Cone section
Besar sudut pada cone section didasarkan pada jenis pemakaiannya.
Pada cone section besudut 20° merupakan standar pemakaian pada
industri pertambangan mineral. Sedangkan untuk Hydrocyclone yang
memiliki bagian bawah datar diperuntukan untuk pemisahan
material-material berstruktur kasar.
2.5 Hydrocyclone pada industri kelapa sawit
Digunakan pada stasiun pengolahan inti. Hydrocyclone berfungsi
untuk memisahkan antara inti dengan cangkang. Adapun proses
pengolahan dari kelapa sawit hingga mencapai pada proses pemisahan
menggunakan hydrocyclone terdiri dari beberapa tahapan yaitu:
Gambar 2.10 Tahapan proses pengolahan hingga mencapai hydrocyclone
Fresh Friut Bunch
Sterilization
Digestion
Pressing Depericarper
Silo Drier
Nut Cracker
Cracked Nut Blower
Hydrocyclone
Kernel Drier
2.5.1 Proses kerja unit Hydrocyclone
Campuran cangkang dan inti yang keluar dari separating coloum
dimasukan kedalam bak 1, lalu oleh pompa hydrocyclone (P1)
dipompakan kedalam hydrocyclone (H1), campuran ini akan diputar oleh
gaya sentrifugal, inti yang mempunyai berat jenis lebih kecil berkumpul
ditengah cyclone lalu melalui vortex finder keluar ke sebelah atas.
Inti yang bercampur dengan air ini kemudian masuk ke dewatering
screen untuk memisahkan air, selanjutnya inti secara teratur banyaknya
(atau diatur water lock) masuk ke kernel transport fan untuk dimasukan
ke pemeraman inti (kernel bin) melalui saringan kernel sterilizer.
Sedangkan cangkang yang mempunyai berat jenis besar akan berkumpul
dibagian pinggir cyclone lalu keluar dari bawah bersama air ke bak 2.
Produk pada bak 2 masih terdapat inti bercampur cangkang.
Campuran ini dipompakan oleh pompa hydrocyclone (P2) dipompakan
ke hydrocyclone (H2) proses pemisahan disini sama dengan pada
hydrocyclone (H1). Inti keluar sebelah atas pipa melalui vortex finder
masuk kembali ke bak 3.
Proses pada bak 3 mengandung sedikit inti. Campuran ini
dipompakan oleh pompa hydrocyclone (P3) dipompakan ke
hydrocyclone (H3), proses pemisahan disini sama dengan pada
hydrocyclone (H1) dimana cangkang akan keluar ke shall dewatering
screen, selanjutnya secara teratur (diatur water lock) masuk ke shall
transport fan untuk direbus ke
shall hopper sebagai bahan bakar ketel. Inti akan keluar melalui pipa dari
atas dan masuk ke bak 2. Inti kemudian dibawa ke kernel dryer untuk
dikeringkan dan disimpan di kernel storage[4].
2.5.2 Bagian-bagian unit Hydrocyclone
Alat ini terdiri dari :
a. Tabung pemisah (Hydrocyclone) yang dilengkapi dengan pompa
pengutip (vortex Finder) dan konus dibawahnya.
b. Bak penampung
a. Tabung pemisah (Hydrocyclone)
Alat ini bekerja bersarkan karena gaya senrtifugal yang di timbulkan oleh
aliran air yang membentuk pusaran (vortex). Akibat gaya sentrifugal yang
di timbulkan oleh aliran vortex maka Inti kelapa sawit yang memiliki
massa jenis 1080 kg/ akan berada pada pusat pusaran sedangkan
cangkang kelapa sawit yang memiliki massa jenis 1300 kg/ akan
terlempar hingga ke dinding hydrocyclone.
Gambar 2.12 Proses pemisahan di dalam tabung
Kapasitas aliran masuk pada saluran inlet:
A v
Q= ( 2.5.2-1)
dimana: Q = kapasitas aliran (kg/s)
v = kecepatan aliran (m/s)
Dimana kecepatan aliran dapat diperoleh dari :
sedangkan laju aliran massa dapat ditentukan dari:
Q m = ρ⋅
Gaya-gaya yang terjadi (Coulson,1986):
FC =m⋅aC ( 2.5.2-3)
atau dapat di tulis
FC =m⋅r⋅ω2 (2.5.2-4)
dimana: F = gaya sentrifugal C
m = massa benda yang mengalami gaya sentrifugal
= kecepatan sudut
C
a = percepatan sudut
Jika :
Jika kecepatan rotasi dinyatakan dalam N rpm:
60 2⋅ ⋅N = π
ω (2.5.2-6)
Perbandingan gaya gravitasi dan gaya sentrifugal (Coulson,1986):
Gaya gravitasi: F =m⋅g (2.5.2-7)
Perbandingan: 2
Maka gaya sentrifugal yang di alami oleh inti adalah :
FC1 =m1⋅r1⋅ω2 (2.5.2-8)
dimana : F = gaya sentrifugal yang dialami oleh inti C1
m1= massa dari inti
1
r = jarak terlemparnya inti dari pusat pusaran
Dan gaya yang dialami oleh cangkang adalah :
FC2 =m2⋅r2⋅ω2 (2.5.2-9)
dimana : F = gaya sentrifugal yang dialami oleh cangkang C2
m = massa dari cangkang 2
r = jarak terlemparnya cangkang dari pusat pusaran 2
b. Bak penampung
Bak penampung campuran hasil pemisahan yang dilakukan oleh tabung
pemisah (hydrocylone), yang dilengkapi dengan dewatering drum. Hasil
pemisahan yang dikeluarkan hydrocylone melalui pipa bawah akan masuk
ke dalam bak ini yang selanjutnya akan dibawa keluar oleh shall transport
fan untuk dibawa ke proses selanjutnya untuk direbus ke shall hopper
sebagai bahan bakar ketel[4].
2.6 Kecepatan settling sentrifugal
Kecepatan settling sentrifugal atau kecepatan pengendapan sentrifugal
ditinjau dari sebuah sebuah partikel berdiamater Dp, berotasi pada jari-jari = r,
maka gaya sentrifugal seperti perilaku gerak partikel dalam fluida, tetapi gaya
gravitasi diganti dengan gaya sentrifugal[1]. Adapun kecepatan settling
sentrifugal dapat dilihat pada persamaan 2.6-1 (Coulson,1986).
gr
v = gravitational terminal velocity (m/s)
t
v = kecepatan tangensial (m/s)
Gambar 2.14 Variasi kecepatan tangensial dan kecepatan radial
[Ter linden, Inst.page165.(1949)]
Maka, 2
v = kecepatan air volumetrik [massa/waktu] (m3/s)
v
2.7 Aliran Vortex
Vortex adalah massa fluida yang partikel-partikelnya bergerak berputar
dengan garis arus (streamline) membentuk lingkaran konsentris[7]. Gerakan
vortex berputar disebabkan oleh adanya perbedaan kecepatan antar lapisan
fluida yang berdekatan. Dapat diartikan juga sebagai gerak alamiah fluida
yang diakibatkan oleh parameter kecepatan dan tekanan. Vortex sebagai
pusaran yang merupakan efek dari putaran rotasional dimana viskositas
berpengaruh didalamnya. Sebuah vortex mewakili sebuah aliran yang
garis-garis arusnya adalah lingkaran-lingkaran sepusat (konsentris). Aliran vortex
awalnya dianggap sebagai kerugian dalam suatu aliran fluida. Belakangan ini
prinsip aliran vortex digunakan untuk pengembangan teknologi penegeboran
minyak, pemisahan partikel ataupun material padatan dengan cairan, industri
kimia dan lain sebagainya.
Pergerakan aliran fluida dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu:
1. Translasi murni atau translasi irrotasional
2. Rotasi murni atau translasi rotasional
3. Distorsi atau deformasi murni, baik angular ataupun linier
Aliran irrotasional terjadi apabila elemen fluida di setiap titik tidak
mempunyai kecepatan sudut netto terhadap titik tersebut. Sebaliknya aliran
rotasional terjadi apabila elemen fluida mempunyai kecepatan sudut netto.
Gerak vortex dapat dikategorikan sebagai dalam aliran rotasional. Vortex
digambarkan sebagai aliran yang bergerak dan berputar terhadap sumbu
vertikal sehingga terjadi perbedaan tekanan antara bagian sumbu dan
sekelilingnya.
Tetapi pada beberapa kondisi vortex juga dapat dikategorikan sebagai
aliran irrotasional. Kelihatannya agak mengherankan bahwa gerakan vortex
irrotasional. Namun demikian harus diingat kembali bahwa rotasi mengacu
pada orientasi pada elemen fluida bukan lintasan yang diikuti oleh elemen
ditempatkan di dalam medan aliran pada lokasi A, seperti pada gambar 2.16,
tongkat-tongkat itu kan berotasi selagi bergerak ke lokasi B. Salah satu
tongkat yang sesuai garis-garis akan mengikuti sebuah lintasan yang
melingkar dan berputar dengan arah berlawanan dengan arah jarum jam.
Tongkat yang lain akan berotasi searah putaran jarum jam karena sifat alamiah
dari medan aliran, di mana bagian tongkat yang terdekat dengan titik asal
bergerak cepat dari pada ujung lainya.
Gambar 2.15 Pola garis arus untuk sebuah vortex
Berdasarkan klasifikasi aliran berputar yang terjadi dalam kehidupan
sehari-hari maka aliran vortex dapat dibedakan menjadi tiga bagian, yaitu :
2.7.1 Aliran vortex Bebas
Aliran vortex terjadi walaupun tidak adanya gaya yang dilakukan pada
fluida tersebut. Karateristik dari vortex bebas adalah kecepatan tangensial dari
partikel fluida yang berputar pada jarak tertentu dari pusat vortex . Hubungan
kecepatan partikel fluida v terhadap jaraknya dari pusat putaran r dapat dilihat
pada persamaan 2.7.1-1 (Munson,2003).
v = r π 2
Γ
(2.7.1-1)
v = kecepatan tangensial fluida (m s-1)
r = jari-jari putaran partikel fluida dari titik pusat (m) Γ = sirkulasi
Gambar 2.16 Gerakan elemen fluida dari A ke B : vortex bebas
Pada aliran vortex bebas dengan menganggap elemen air memiliki :
l = panjang elemen air
dr = ketebalan elemen air
v = kecepatan tangensial
dP = beda tekanan dari elemen air
dan aliran bebas mempunyai gaya, tekanan yang sebanding dengan aksi gaya
sentrifugal air.
Dan diketahui energi keseluruhan elemen air :
g
Dalam vortex bebas, tidak ada perubahan energi melintas pada aliran lurus,
jadi persamaan diatas sama dengan nol.
0
Setelah diintegralkan persamaan diatas menjadi:
loge v + loge r = C (2.7.1-5)
vr = C (identik dengan teori kinematik fluida)
Jika digeneralisasikan, maka:
r C
v= (2.7.1-6)
Jika C sama dengan konstan maka dapat diketahui kekuatan dari vortex,
nampak jelas bahwa kecepatan partikel berbanding terbalik dengan jarak dari
pusat vortex.
Apabila suatu gaya diberikan pada suatu fluida dengan maksud membuat
aliran fluida berputar. Hubungan kecepatan partikel fluida v terhadap jaraknya
dari pusat putaran r dapat dilihat pada persamaan 2.7.2-1 (Munson,2003).
r
v=ω⋅ (2.7.2-1)
dimana :
ω= kecepatan sudut r = jari-jari putaran (m)
Gambar 2.17 Gerakan elemen fluida dari A ke B : Vortex paksa
Air dalam tabung diputar dengan gaya torsi, partikel P pada permukaan
air, berjarak x pada sumbu putaran, bekerja gaya-gaya:
1. Berat partikel, arah ke bawah (W)
2. Gaya sentrifugal dengan arah menjauhi pusat putaran (FC)
3. Gaya reaksi zat cair yang mendesak partikel (R)
Bekerjanya gaya selain gaya gravitasi pada air dalam tabung menghasilkan
gaya vortex yang dikenal sebagai aliran vortex paksa. Pada putaran silinder, N
dan kecepatan sudut ψ , partikel P mempunyai sudut tangen ψ , berat partikel
W dan gaya sentrifugal FC.
Gaya sentrifugal didefenisikan sebagai berikut (Ridwan dan Siswantara,2002):
( )
2X g W
FC = ω (2.7.2-2)
ω = kecepatan sudut (rad/s) W = berat partikel (kg)
g = gaya gravitasi (m/s2)
X = jarak dari sumbu (m)
2.7.3 Aliran Vortex Kombinasi
Aliran Vortex Kombinasi adalah vortex dengan vortex paksa pada inti
pusatnya dan distribusi kecepatan yang sesuai dengan vortex bebas pada luar
intinya. Jadi untuk sebuah votex kombinasi dapat dilihat pada persamaan
berikut (Munson,2003)
vθ =ωr r≤r0 (2.7.3-1)
dan
r K
vθ = r>r0 (2.7.3-2)
dimana K dan ωadalah konstanta dan r adalah jari-jari inti pusat. 0
Sebuah konsep matematika yang biasanya berhubungan dengan gerakan
vortex adalah sirkulasi. Sirkulasi didefenisikan sebagai sebuah integral garis
dari komponen tangensial kecepatan yang diambil dari sekeliling kurva
tertutup di medan aliran. Konsep sirkulasi sering digunakan untuk
mengevaluasi gaya-gaya pada terbentuk pada benda-benda yang terendam
dalam fluida yang bergerak.
Gambar 2.18 Tipe-tipe Vortex (Hecker,1987)
Tipe vortex 1 merupakan awal aliran air berputar di permukaan. Tipe 2
putaran air mulai menunjukkan adanya cekungan kedalam di bagian tengah
bergerak menuju oulet. Tipe 4 kekuatan vortex mampu menarik material
apung masuk ke dalam pusaran. Tipe 5 adalah vortex dimana
gelembung-gelembung udara pecah di ujung pusat pusaran yang masuk konstruksi
silinder. Tipe 6 vortex dengan lubang udara penuh menuju outlet.
2.8 Aliran berputar dalam tabung
Sebuah tulisan yang dibuat oleh F.Chang dan V.K Dhir mengemukakan
sebuah penelitian eksperimental untuk memahami karateristik daerah turbulen
pada aliran berpusar secara tangensial dalam tabung. Profil kecepatan aksial
menunjukkan terjadinya aliran balik dibagaian tengah tabung yang mengecil
ukurannya sesuai berkurangnya intensitas putaran, kecepatan aksial minimum
didekat dinding juga berkurang sesuai berkurangnya intensitas pusaran. Profil
kecepatan tangensial menunjukkan bahwa daerah kecepatan tangensial
maksimum akan bergerak secara radial menuju tengah putaran, sesuai denagn
penambahan jarak aksial putaran dari fluida yang masuk. Aliran yang berputar
dapat dibagi dua bagian tengahnya terbentuk vortex paksa dan pada bagian
tepinya merupakan vortex bebas dengan daerah transisi diantaranya. Maka
aliran yang terbentu dalam tabung tersebut merupakan aliran vortex Rankine.
Parameter yang paling penting pada Hydrocyclone sebagai alat pemisah
adalah efisiensi pengumpulannya dan titik tekan antar unit. Efisiensi
pengumpulan Hydrocyclone ditentukan oleh kemampuannya menangkap dan
menyimpan partikel atau material dimana titik tekanan sejumlah dengan
kekuatan yang dibutuhkan unit untuk melakukan hal tersebut.
V = Kecepatan aliran (m/s)
R = Jari-jari rotasi (m)
g = Gaya gravitasi (m/s2)
Distribusi kecepatan tangensial tidak bervariasi secara signifikan terhadap
arah aksial (Xiang and Lee, 2005). Perbedaan antara kecepatan tangensial
dalam silinder bagian atas dan kerucut bagian bawah tidak terjadi. Hal ini
menunjukkan bahwa tidak terjadi percepatan kecepatan dalam kerucut akibat
penurunan luas penampang kerucut. Bagaimanapun, terjadi perbedaan
kecepatan tangensial pada ketinggian yang berbeda. Kecepatan tangensial
secara signifikan turun ketika ketinggian hydrocyclone meningkat dan ini
bertanggung jawab pada rendahnya efisiensi pemisahan. Fenomena ini terjadi
pada kerucut yang panjang. Satu perkecualian adalah bahwa jika
hydrocyclonenya sangat pendek sehingga menyebabkan pipa keluar menonjol
ke bagian kerucut sehingga efisiensi dari siklon akan turun akibat aliran pintas
ke pipa keluar.
Menurut Kim dan Lee lapisan batas kecepatan yang terbentuk pada
permukaan dinding siklon memegang peranan penting sebagai penghalang
deposisi partikel karena terjadinya penurunan gaya sentrifugal yang tajam di
daerah dekat dinding (Kim and Lee, 2001). Pemodelan turbulen perlu
memperhitungkan difusi turbulen dalam daerah inti aliran dan gerakan partikel
di dalam lapisan batas ini.Turbulen merupakan bentuk aliran yang berfluktuasi
terhadap ruang dan waktu. Turbulen merupakan proses yang kompleks.Aliran
turbulen adalah bagian dari disiplin ilmu mekanika fluida. Dalam analisanya,
mekanika fluida selalu menggunakan pendekatan bahwa fluida sebagai
kontinum, suatu ukuran fluida yang jauh lebih besar dari ukuran molekul,
tetapi lebih kecil dari ukuran partikel. Karakter aliran turbulen tidak
ditentukan oleh jenis fluida tetapi oleh karakter aliran itu sendiri. Turbulensi
aliran pada fluida air dengan udara akan memiliki karakter yang sama jika
memiliki bilangan Reynolds yang sama. Tegangan geser yang terjadi pada
lapisan batas turbulen berasal dari viskositas fluida/viskositas molekuler (sifat
Turbulen akan terjadi ketika gaya inersia dalam fluida menjadi sangat
dominan dibandingkan gaya viskos (dicirikan dengan tingginya Reynolds,
(Re). Nilai absolut dari bilangan Reynolds untuk turbulen selalu relatif
terhadap konfigurasi aliran. Misalnya aliran eksternal akan memiliki bilangan
Reynolds yang lebih tinggi daripada aliran internal. Tetapi nilai relatif
bilangan Reynolds aliran turbulen selalu lebih tinggi daripada aliran laminer.
Karena bilangan Reynolds merupakan rasio antara gaya inersia aliran dan
gaya gesek, pengaruh gaya inersi pada aliran turbulen jauh lebih dominan
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Tempat dan waktu penelitian
Penelitian dilakukan di PT Perkebunan Nusantara IV (Persero) Kebun
Adolina, Deli Serdang, Sumatera Utara. Penelitian ini dilaksanakan sejak tanggal
pengesahan sampai dinyatakan selesai,yang direncanakan berlangsung selama ± 6
bulan yaitu pada bulan Oktober 2009 sampai dengan April 2010.
3.2 Bahan dan Metode penelitian 3.2.1 Bahan
Dalam penelitian ini, subjek penelitian adalah hydrocyclone beserta
instalasinya seperti Gambar 3.1. Adapun spesifikasi hydrocyclone sebagai berikut:
Tabel 3.1 Dimensi dari bagian-bagian Hydrocyclone
Hydrocyclone
No. Item Simbol Dimensi (mm)
1. Diameter Hydrocyclone Dc 600
2. Diameter inlet Di 152
3. Diameter vortex finder Do 152
4. Tinggi vortex finder l 256
5. Tinggi tabung silinder lt 1000
6. Tinggi kerucut lk 355
7. Diameter spigot Du 148
Gambar 3.1 Dimensional Hydrocyclone
Gambar 3.2 Hydrocylone pada industri pengolahan kelapa sawit
Adapun bahan dari hydrocyclone menggunakan carbon steel, C8531ST pada
Ada beberapa alat yang digunakan pada stasiun pemisahan inti, yaitu pompa yang
mengalirkan campuran inti,cangkang dan air masuk kedalam silinder.
Adapun spesifikasi dari pompa yang dipergunakan adalah:
Pompa :
- Merk : Warmen
- Tipe : RC 150
- Kapasitas : 50 m3/h
- Putaran : 1263
- Hub.penggerak : Fan belt
- Diameter puli : 190 mm
Motor penggerak :
- Merk : NEC
- Tipe : DPI 180 L/4
- Daya : 30 KW
- Volt/amp : 380/41,7
- Putaran : 1455 rpm
Gambar 3.3 Instalasi dari hydrocyclone
Keterangan gambar :
1. Hydrocyclone
2. Pipa saluran masuk
3. Pipa saluran keluar
4. Pompa
5. Dewatering Drum
6. Pipa saluran dari vortex finder
3.2.2 Metode penelitian
Ada beberapa tahapan yang dilakukan dalam melakukan penelitian, yaitu:
a. Tahap pertama, pengumpulan literatur
Tahapan pertama dalam memulai penelitian adalah pengumpulan literatur
yang berkenaan dengan bahan yang akan diteliti. Pengumpulan literatur dilakukan
sebagai awal pengenalanan seluruh variabel yang berkaitan. Alat yang diteliti
adalah Hydrocyclone. Literatur yang diperoleh berasal dari buku-buku, literatur
pencarian melalui internet. Literatur yang didapat kemudian dikumpulkan lalu
dipelajari sebagai teori analisa pada tahapan selanjutnya.
b. Tahap kedua, survey di pabrik
Setelah didapatkan literatur dari berbagai sumber maka tahap selanjutnya
adalah survey langsung di pabrik. Selama survey berlangsung sebisa mungkin
mengambil data-data yang diperlukan, seperti : foto, spesifikasi teknik, gambar
mesin Hydrocyclone lengkap dengan dimensinya dan gambar instalasinya,
data-data inspeksi rutin perawatan dan perbaikan dari hydrocyclone. Data-data-data tersebut
sangat diperlukan untuk melakukan analisa data dan perhitungan dari segala
proses kerja yang terjadi pada hydrocyclone seperti analisa aliran vortex, kerja
proses pemisahan (separation process), besar gaya angkat yang diperlukan
terhadap material yang akan dipisahkan (inti dan cangkang) dan juga efisiensi
kerja dari hydrocyclone.
c. Tahap ketiga, pengolahan data dan analisa data
Pada tahap pengolahan data adalah mensimulasi bentuk geometri yang
diperoleh dari penelitian di lapangan berikt dengan data-data tambahan yang
menyangkut kinerja dari hydrocyclone tersebut. Data-data yang diperoleh
3.3 Variabel yang diamati
Adapun variabel yang diamati dalam penelitian ini adalah:
1. Kecepatan Tangensial, Kecepatan Aksial, Kecepatan Radial dan
Tekanan
2. Gaya Sentrifugal yang terjadi di berbagai level ketinggian dari
hydrocyclone
3. Parametric studies, berbagai pengaruh yang terjadi terhadap parameter
penting yang terjadi pada hydrocyclone seperti pengaruh diameter
3.4 Pelaksanaan Penelitian
Secara garis besar pelaksanaan penelitian ini dilaksanakan berurutan dan
sistematis,seperti ditunjukkan pada gambar 3.3.
Gambar 3.4 Diagram alir pelaksanaan penelitian
START
Indentifikasi masalah dan menetapkan tujuan penelitian
STUDI AWAL: Studi literatur
SURVEY: - Kunjungan langsung ke pabrik - Pencarian data-data yang dibutuhkan
PENGUMPULAN DATA: - Spesifikasi teknik
- Kapasitas aliran yang masuk (m3/s) - Tekanan pada lubang masuk (kgf/cm2) - Besar penurunan tekanan (pressure drop) - Besar faktor pemisahan
- Perbandingan antara inti,cangkang dan air.
ANALISA DATA
KESIMPULAN
SELESAI
Proses Diskritisasi
3.5 Prosedur Simulasi
3.5.1 Pembentukan model hydrocyclone
Merupakan tahap awal dimana benda kerja sebenarnya dimodelkan dengan
ukuran yang sama dengan ukuran aslinya.
Gambar 3.5 Hasil permodelan hydrocyclone
3.5.2 Penentuan Meshing scheme
Setelah terbentuk pemodelan hydrocyclone dalam bentuk tiga dimensi maka tahap
selanjutnya adalah melakukan meshing scheme pada pemodelan tersebut.
Pembuatan mesh dilaksanakan dengan bantuan perangkat lunak yang sudah
terdapat dalam paket simulasi yang digunakan. Sementara itu, pemilihan jumlah
grid dilakukan dengan pertimbangan ketelitian, kecepatan perhitungan dan
efisiensi pemakaian memori komputer.Ukuran mesh yang ditentukan adalah 10
mm. Ukuran tersebut dipilih dikarenakan dari berbagai ukuran meshing yang telah
dicoba berulang kali, ukuran meshing 10 mm dapat menampilkan hasil pemodelan
dengan jelas dan presisi tanpa membebani waktu selama proses interasi
berlangsung dalam penentuan aliran pada hydrocyclone. Adapun hasil meshing
Gambar 3.6 Hasil dari meshing pada model hydrocyclone
3.5.3 Penentuan Kondisi batas
Setelah grid selesai dibuat maka selanjutnya perangkat simulasi akan
mendefinisikan material, tekanan kerja acuan dan kondisi batas yang diterapkan
pada model. Kemudian dilakukan pengendalian solusi, inisialisasi, pemantauan
proses dan iterasi. Dalam perhitungan ini diterapkan kriteria konvergensi untuk
persamaan kontinuitas dan komponen kecepatan dalam arah x, y dan z.
Kondisi batas yang ditentukan pada proses simulasi adalah sebagai berikut:
1.) Jenis fluida yang ditentukan adalah water-liquid dengan densitas 998 kg/m3
nilai viskositas 1,003 x 10-6 kg/m.s
2.) Kecepatan fluida yang mengalir adalah 0,897 m/s, kecepatan rotasi 3,05rads
dan tekanan sebesar 161,12 Pa
3.) Dinding solid didefenisikan v = 0
Gambar 3.7 Penentuan kondisi batas pada model hydrocyclone
Pada penelitian sebelumnya diketahui bahwa pemodelan dari hydrocyclone dalam
bentuk 3 dimensi memiliki hasil analisa yang mendekati dengan hasil pengujian
secara eksperimental. Mesh yang berbentuk hexahedral, cocok dengan
bagian-bagian dari hydrocyclone yang memilki sudut-sudut kecil digunakan untuk
melakukan meshing scheme disebagian besar dari permukaan hydrocylone. Mesh
yang berbentuk hexahedral juga memilki kemampuan untuk menyebar ke seluruh
3.7 Pelaksanaan Simulasi
Tidak
Ya
Gambar 3.8 Diagram alir pelaksanaan simulasi
Pembuatan Geometri dan Meshing
Penentuan kondisi batas
Proses Numerik
Iterasi Eror?
Plot distribusi kecepatan dan
tekanan S
T A R T
Mesh baik?
Pendefinisian bidang batas pada geometri
Data sifat fisik
BAB IV
HASIL SIMULASI DAN DISKUSI
4.1 Hasil Simulasi
4.1.1 Perilaku Distribusi Aliran Secara Umum (General flow behavior)
4.1.1.a Kecepatan Tangensial
Dari gambar 4.1 dapat dilihat pola aliran yang terjadi di dalam
Hydrocyclone. Dapat dilihat pula pola perubahan kecepatan aliran mulai dari
lubang masuk (inlet) ,area silinder (cylinder section), area kurucut (conical
section), lubang vortex finder hingga pada lubang keluar (spigot). Secara
keseluruhan analisa terhadap kecepatan aliran difokuskan pada tiga area
utama, yaitu lubang masuk, disekitar silinder dan vortex finder.
Gambar 4.1 Profil Kecepatan Tangensial
Peningkatan kecepatan tangensial terjadi pada daerah yang menuju inti
dari pusaran. Secara perlahan semakin menjauhi daerah pusaran maka
disebabkan adanya gesekan antara material dengan dinding hydrocyclone dan
juga pengaruh dari gaya gravitasi.
Gambar 4.2 Predicted tangential velocity profiles pada ketinggian 0.25m,
0.5m, 0.75m dan 1m
4.1.1.b Kecepatan Aksial
Aliran aksial merupakan aliran yang pergerakannya sejajar dengan sumbu
poros. Pada hydrocyclone aliran aksial berpengaruh terhadap proses
pembuangan melalui spigot.
Pada posisi makin mendekati dinding maka kecenderungan nilai kecepatan
aksial mendekati nol, karena adanya gesekan antara lapisan fluida dengan
Gambar 4.4 Predicted axial velocity profiles pada ketinggian 0.25m, 0.5m, 0.75m
dan 1m
4.1.1.c Kecepatan Radial
Kecepatan radial hanya sedikit saja terlihat tidak seperti kecepatan
tangensial ataupun kecepatan aksial. Hal ini diakibatkan karena sulitnya
menganalisa secara akurat. Dapat dilihat posisi dari kecepatan radial berada di
sisi dalam dinding dan besarnya akan menghilang seiring dengan
berkurangnya diameter dari pusaran[2].
Pada penelitian yang sudah dilakukan sebelumnya oleh para peneliti diketahui
bahwa nilai kecepatan tangensial maupun aksial dapat diukur berdasarkan
hasil eksperimen sedangkan nilai kecepatan radial hanya ditampilkan dalam
bentuk persamaan. Profil kecepatan menunjukan bahwa besarnya komponen
kecepatan radial lebih kecil dari pada komponen tangensial ataupun aksial.
4.1.1.d Distribusi tekanan
Selain pengamatan terhadap distribusi kecepatan yang terdiri dari
kecepatan tangensial, aksial dan radial pada penelitian kali ini juga akan
dibahas juga mengenai distribusi tekanan secara umum. Dapat dilihat secara
jelas bagaimana terjadinya pola aliran distribusi tekanan yang terjadi pada
hydrocyclone. Perubahan tekanan tidak terlalu signifikan. Konsentrasi
perubahan tekanan terjadi pada dua area yaitu pada area cylindrical area dan
juga pada vortex finder.
Untuk melihat penurunan tekanan yang terjadi secara signifikan dapat
dilakukan dengan melakukan perubahan kecepatan aliran masuk. Adapun
penurunan tekanan dimaksudkan untuk memaksimalkan nilai efisiensi dari
kerja hydrocyclone[9].
4.1.1.e Gaya Sentrifugal
Dari gambar berbagai pola aliran yang telah dijelaskan maka dapat pula
ditentukan gaya sentrifugal yang terjadi pada hydrocyclone. Mengingat bahwa
proses pemisahan pada hydrocyclone tersebut memanfaatkan gaya sentrifugal.
Berdasarkan persamaan 2.7.2-2 diketahui besaran gaya sentifugal yang terjadi
pada hydrocyclone dapat dilihat pada gambar 4.7 (a) dan (b).
Dari kedua gambar diatas terlihat pola distribusi gaya sentrifugal pada
hydrocyclone. Gaya sentrifugal terbesar terjadi pada bagian disekitar sumbu
poros kemudian gaya sentrifugal menurun ketika radiusnya semakin besar.
Pola dari kedua gambar tersebut tidak terlalu berbeda karena gaya sentrifugal
yang terjadi pada ketinggian 0.5 m dan 1 m masih berada dalam bagian
cylindrical section dari hydrocyclone.
(c)
Gambar 4.7 (a),(b) dan (c) Predicted Centrifugal Force profile pada
ketinggian 1 m, 0.5 m dan 0.3 m
Pada gambar 4.7 (c) masih menunjukan pola distribusi dari gaya
sentrifugal. Hanya saja pola ditribusi gaya sentrifugal yang berbeda dari
gambar 4.7 (a) dan (b). Penurunan gaya sentrifugal terjadi akibat perbedaan
luasan di mana pengamatan yang dilakukan pada ketinggian 0.3 m ini berada
pada daerah conical section (kerucut). Bagian dimana semakin ke bawah
maka diameternya semakin kecil. Sehingga menyebabkan penurunan gaya
sentrifugal yang cukup besar pada daerah ini.
Sedangkan untuk tingkat efektivitas pemisahan dapat dilihat berdasarkan
besar faktor pemisahannya. Dari persamaan 2.8-2 diketahui bahwa besar
faktor pemisahan berbanding lurus dengan Gaya Sentrifugal (FC) sehingga
jika dilihat pada gambar 4.7 diketahui bahwa pemisahan efektif terjadi pada
bagian kerucut dari hydrocyclone. Hal inilah yang menyebabkan konstruksi
hydrocyclone terdiri dari 2 bagian yaitu silinder dan kerucut. Material yang
terlempar kemudian berputar mengelilingi silinder dan akan bergerak turun
akibat dari gaya gravitasi dan gesekan dengan dinding hydrocyclone hingga ke
bagian bawah dari hydocyclone kemudian keluar dari lubang discharge.
4.1.2 Parametric Studies
Berbagai pengaruh yang terjadi pada parameter penting pada konstruksi
dan proses kerja dari hasil simulasi dapat dilihat dari beberapa grafik berikut ini
dimana pengamatan dilakukan pada hanya pada satu level ketinggian yaitu 0,75
m dari puncak tabung silinder dari hydrocyclone. Hal ini dikarenakan pada
pengamatan sebelumnya yaitu gambar 4.2 Predicted tangential velocity profiles
dan gambar 4.4 Predicted axial velocity profiles memiliki bentuk keseragaman
garfik yang tidak terlalu jauh berbeda pada berbegai level ketinggian.
4.1.2.1 Pengaruh dari Diameter Spigot terhadap Parametric Studies
Pengaruh dari Diameter Spigot terhadap Static Pressure tanpa adanya
perubahan dari ketinggian Vortex Finder dapat dilihat dari gambar 4.8. Dapat
diamati pada bagian pusat pusaran (swrilling flow) ketika bagian Spigot
terbuka berada pada area bertekanan rendah mengindikasikan aliran balik
yang terjadi pada pusat pusaran. Bagaimanapun, kenaikan dari Static Pressure
sejalan dengan perubahan kenaikan diameter pusaran hingga mencapai nilai
0
Radial poisiton (m )
S
Diameter Spigot 60 mm Diameter Spigot 85 mm Diameter Spigot 50 mm
Gambar 4.8 Pengaruh dari Diameter Spigot terhadap Static Pressure
Pengaruh Diameter Spigot terhadap Y-Velocity dapat dilihat dari gambar
4.9. Peningkatan terlihat dari kecepatan tangensial yang terjadi bersamaan
dengan pertambahan jarak dari 0,03 m hingga 0,08 m. Kecepatan maksimum
aksial menandakan adanya aliran yang naik didaerah dekat dinding dan
setelahnya bergerak turun kembali.
-0.5
-0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015
Radial Position (m)
Diameter Spigot 60 mm Diameter Spigot 85 mm
Diameter Spigot 50 mm
Gambar 4.9 Pengaruh Diameter Spigot terhadap Y-Velocity
Ketinggian 0.75 m
Pengaruh dari Diameter Spigot terhadap Kecepatan Tangensial dapat
dilihat dari gambar 4.10. Kenaikan kecepatan tagensial sejalan dengan
kenaikan perubahan jarak radial. Angka-angka menunjukkan bahwa kecepatan
tangensial meningkat seiring dengan meningkatnya jarak radial dari sumbu
sampai kecepatan tangensial maksimum. Namun pada kenaikan lebih lanjut
dalam jarak radial mendekat ke arah dinding, terjadi penurunan nilai
kecepatan dari Y-Velocity.
-1
-0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015
Radial Position (m)
Diameter Spigot 85 mm Diameter Spigot 60 mm Diameter Spigot 50 mm
Gambar 4.10 Pengaruh Diameter Spigot terhadap Kecepatan Tangensial
Dari gambar juga diketahui bahwa peningkatan kecepatan tangensial dengan
radius di kawasan inti pusat dan selanjutnya menurun. Lebih lanjut, dapat
diamati bahwa kecepatan tangensial mempunyai nilai maksimum pada Vortex
Finder dan nilai minimum yang diamati pada daerah Spigot (lubang keluar).
Dari ketiga hydrocyclone tersebut memiliki diameter lubang discharge
(spigot) yang berbeda yaitu 85 mm, 60 mm dan 50 mm. Pada hydrocyclone I
memiliki diameter lebih besar karena material campuran masih banyak dan
belum sepenuhnya terpisah. Pada hydrocyclone II campuran sudah banyak
terpisah hingga pada hydrocyclone III pemisahan hanya menyisakan sedikit
sisa campuran dan akan habis terpisah semuanya pada bagian ini.
4.1.2.2 Pengaruh Vortex Finder terhadap Parametric Studies
Pengaruh Vortex Finder terhadap Static Pressure dapat dilihat dari gambar
4.11. Akan terlihat bagian yang merata pada bagian bawah dan nilai dari Static
Pressure akan berangsur-angsur meningkat ketika bergerak dari tengah ke
arah dinding. Tekanan pada bagian tengah rendah menandakan terjadinya
pusaran air. Untuk pengamatan lebih lanjut pada radius diberikan nilai tekanan
lebih tinggi untuk diameter Vortex Finder yang lebih kecil.
0
Diameter Vortex Finder 270 mm Diameter Vortex Finder 152 mm
Diameter Vortex Finder 120 mm
Gambar 4.11 Pengaruh Vortex Finder terhadap Static Pressure
Pengaruh dari Diameter Vortex Finder terhadap Y-Velocity dapat dilihat
dari gambar 4.12. Dimana ketika mulai bergerak dari bagian tengah hingga ke
daerah dinding maka akan terjadi kenaikan kecepatan pada awalnya dan
kemudian bergerak turun. Semakin menjauhi pusaran maka kecepatannya
akan perlahan berkurang. Hal ini diakibatkan karena material yang terlempar
keluar ataupun material yang bergerak menjauhi pusaran lebih banyak
kuantitasnya dan massanya lebih berat dibandingkan dengan material yang
berkumpul didaerah pusaran.
0
Diameter Vortex Finder 120 mm Diameter Vortex Finder 152 mm
Diameter Vortex Finder 270 mm
Gambar 4.12 Pengaruh dari Diameter Vortex Finder terhadap Y-Velocity
Pengaruh Diameter Vortex Finder terhadap Kecepatan Tangensial dari
gambar 4.13. Nilai dari kecepatan tangensial pada diameter Vortex Finder
meningkat sejalan dengan perubahan jarak dari posisi radial hingga mencapai
nilai maksimum.
-2
Diameter Vortex Finder120 mm
Diameter Vortex Finder152 mm Diameter Vortex Finder 270 mm
Gambar 4.13 Pengaruh Diameter Vortex Finder terhadap Kecepatan Tangensial
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
1. Dari hasil simulasi dapat dilihat bagaimana pola dari aliran yang terbentuk,
perubahan kecepatan aliran baik itu kecepatan aliran tangensial ataupun
kecepatan aliran aksial dan daerah konsentrasi perubahannya.
2. Dapat dilihat proses terjadinya vortex dimana adanya pusaran yang
merupakan efek dari putaran rotasional. Sebuah vortex mewakili sebuah
aliran yang garis-garis arusnya adalah lingkaran-lingkaran sepusat
(konsentris).
3. Terjadi perbedaan besar dari gaya sentrifugal di setiap level ketinggian pada
hydrocyclone. Dimana pada ketinggian 1 m besar gaya sentrifugal 17 N,
pada ketinggian 0.5 m sebesar 12 N dan terendah pada ketinggian 0.3 m
sebesar 8.7 N. Namun efektivitas pemisahan paling baik terjadi pada daerah
kerucut (conical section) di ketinggian 0.3 m karena pada bagian ini terjadi
penurunan gaya sentrifugal yang cukup besar hingga 3 N.
4. Static Pressure terbesar terjadi pada hydrocyclone yang memiliki diameter
spigot paling besar hingga 1,8 kPa karena pada bagian ini kuantitas dan
massa material paling besar dipisahkan di hydrocyclone I. Dan sebaliknya
static pressure terkecil hanya 1,02 kPa berada pada hydrocyclone terakhir
yang berdiameter spigot terkecil.
5. Kecepatan tangensial terbesar 2.78 m/s terjadi pada hydrocyclone
berdiameter vortex finder paling kecil yaitu pada hydrocyclone III karena
jumlah material dan massa material yang akan dipisahkan tidak terlalu
5.2 Saran
1. Untuk mendapatkan penjelasan secara lebih mendetail mengenai analisa
aliran pada hydrocyclone, ada baiknya untuk penelitian berikutnya dilakukan
percobaan langsung di laboratorium sehingga diperoleh bentuk virtual dari
aliran yang terjadi pada hydrocyclone sehingga dapat diamati bagaimana
proses terjadinya aliran pada hydrocyclone pada saat keadaan aktual dan
DAFTAR PUSTAKA
1. Coulson.1986.Particle Technology and Separation Process.New York:
Foust and Perry
2. Dalamini, MF.,Powell, MS., Meyer CJ.2005. A CFD simulation of a
single phase hydrocyclone flow field. The Journal of The South African
Institute of Mining and Metallurgy (November 2005) p.711-717
3. Jones, A.G.2002.Criztallization Process System. Oxford: Butterworth
Heinemann
4. Pengenalan Alat Produksi Industri Pengolahan Kelapa Sawit.2002.
Lembaga Pelatihan Perkebunan Medan hal 52 - 53
5. Munson, Bruce R.1982.Fundamental of Fluid Mechanics.New York: John
Wiley & Sons Inc.
6. Ricci,Larry.1985.Separation theqniques 2 gas/liquid/solid systems.New
York:Mc Graw Hill Publications
7. Ridwan, Ikhwan Nasution.2005.Pemodelan Turbulensi.e-Universitas
Sumatera Utara Repository(2005) hal 95-98
8. Ridwan, Indra Siswantara A., Suprianto.2002.Kajian Model Cyclone
Separator.KOMMIT Universitas Gunadarma (Juli 2004) hal 484 - 493
9. Svarovsky, Ladislav.2000.Solid-Liquid Separation.Oxford: Butterworth
Heinemann
10. Streeter, Victor L.1995.Mekanika Fluida (terjemahan).Jakarta: Erlangga
11. Suyitno.2005.Analisis CFD Unjuk Kerja Siklon dengan Menggunakan
Model Turbulen Spalart-Allmaras dan Rng K-e.Jurnal Media Mesin
