Perancangan Tangki Pengaduk untuk Proses Pencampuran Bubur Kertas pada Proses Daur Ulang Kertas

Perancangan Tangki Pengaduk untuk Proses Pencampuran Bubur Kertas pada Proses Daur Ulang

Kertas

Nur Afifah

^1*

, Sugeng Mulyono

¹

, Isnanda Nuriskasari

¹

1Program Studi Teknik Mesin, Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Jakarta, Jl. Prof. G. A. Siwabessy, Kampus UI, Depok, 16425

Abstrak

Tujuan utama dari perancangan tangki pengaduk bubur kertas ini adalah untuk memenuhi kebutuhan UMKM daur ulang kertas dalam memproduksi bubur kertas dari limbah kertas. Dengan dirancangnya tangki pengaduk bubur kertas ini, diharapkan dapat digunakan dalam proses pembentukan bubur kertas (pulp) dalam jumlah yang banyak dan memiliki kualitas bubur kertas yang baik. Adapun metodologi yang digunakan dalam perancangan tangki pengaduk bubur kertas ini antara lain identifikasi masalah dengan menggunakan metode kuisioner dan root cause analysis dengan fishbone diagram, studi literatur, analisis kebutuhan konsumen, menentukan spesifikasi alat, pembuatan konsep desain rancangan, perhitungan, membuat gambar kerja dan membuat kesimpulan. Spesifikasi dari tangki pengaduk bubur kertas ini antara lain mampu memproduksi bubur kertas sebanyak 1000 liter/jam, memiliki ukuran diameter dalam shell 950 mm; tinggi shell 800 mm dan tinggi head 209,485 mm, menggunakan motor listrik AC 1 phasa dengan tegangan 220 V; daya 0,5 HP dan putaran 1400 rpm, menggunakan transmisi sabuk-v tipe A nomor 77 dan puli yang berdiameter 65 mm dan 325 mm, menggunakan poros berdiameter 16 mm; propeller berjumlah dua buah dengan diameter 317 mm dan set screw ukuran M12, menggunakan leg support profil L dengan ukuran 80x80x8 mm, dan menggunakan material Stainless steel tipe 316-L.

Kata-kata kunci: Perancangan, Tangki pengaduk bubur kertas, Kertas, Solidworks 2020 Abstract

The main purpose of the design of pulp mixing tank is to meet the needs of paper recycling SMEs in producing pulp from waste paper. With the design of this pulp mixing tank, it’s hoped that it can be used in the process of forming large amounts of pulp and has good pulp quality. The methodology used in this design includes problem identification using the questionnaire and root cause analysis with fishbone diagrams, literature studies, needs analysis, determining specifications, drafting design concepts, calculations, making work drawings and making conclusion. The specifications of this pulp mixing tank are capable of producing 1000 liters of pulp per hour, having an inside shell diameter of 950 mm; shell height 800 mm and head height 209,485 mm, using a single phase AC electric motor with a voltage of 220 V; power of 0,5 HP and 1400 rpm rotation, using a v-belt transmission A-77 and pulleys with a diameter of 65 and 325 mm, using a shaft diameter of 16 mm; two propellers with a diameter of 317 mm and a set screw size of M12, using a L profile support leg with a size of 80x80x8 mm, and using 316-L type Stainless steel material.

Keywords: Design, Pulp mixing tank, Paper, Solidworks 2020

* Corresponding author E-mail address: nurafifah1509@gmail.com

1. PENDAHULUAN

Latar Belakang

Meningkatnya kebutuhan kertas di Indonesia menjadi perhatian kita bersama, hal ini disebabkan oleh rendahnya ketersediaan bahan baku yang digunakan untuk memproduksi kertas. Produksi kertas di Indonesia mencapai 12,98 juta ton per tahun dan menjadikan Indonesia sebagai negara produsen pulp terbesar kesembilan di dunia. Sebanyak 60% hasil produksi digunakan untuk memenuhi kebutuhan dunia dan sisanya digunakan untuk pasar dalam negeri. Penggunaan kertas di Indonesia diperkirakan akan mengalami peningkatan 4%-5% pertahun (BPPK, 2020).

Semakin meningkatnya penggunaan kertas oleh masyarakat, akan semakin tinggi juga jumlah sampah kertas yang dihasilkan. Badan Pusat Statistik (2018) menyebutkan bahwa pada tahun 2016, Indonesia memiliki timbunan sampah mencapai 65,2 juta ton per tahun dan 8,75% dari timbunan sampah tersebut merupakan jenis sampah kertas (BPS, 2018). Untuk mengatasi masalah produksi dan sampah kertas, kita dapat menggunakan kertas bekas untuk proses daur ulang kertas.

Daur ulang kertas sudah mulai banyak digunakan sebagai usaha oleh golongan UMKM (Usaha Mikro Kecil dan Menengah). Pada proses daur ulang kertas diperlukan tangki pengaduk untuk mencampurkan sampah kertas dengan air yang kemudian nanti akan dihasilkan bubur kertas (pulp) yang dapat digunakan kembali sebagai bahan baku pembuatan kertas. Oleh karena itu, dalam artikel ini dirancang tangki pengaduk yang memiliki kapasitas yang besar dengan konstruksi yang kuat agar mampu mencampur bubur kertas dengan optimal. Dalam rancangan ini, tangki diharapkan dapat digunakan dalam proses pembentukan pulp (bubur kertas) dalam jumlah yang banyak dan memiliki kualitas bubur kertas yang baik.

Rumusan Masalah

Permasalahan utama dalam perancangan tangki pengaduk untuk proses pencampuran bubur kertas pada proses daur ulang kertas ini adalah bagaimana rancangan dan spesifikasi dari tangka pengaduk bubur kertas agar mampu mencampur bubur kertas dengan optimal.

Batasan Masalah

Agar perancangan ini menjadi terarah dan memberikan kejelasan mengenai analisis permasalahan, maka dilakukan pembatasan permasalahan sebagai berikut :

a. Pada artikel ini hanya difokuskan pada perancangan tangki pengaduk untuk pembuatan bubur kertas pada proses daur ulang kertas HVS.

b. Proses pembuatan gambar kerja, desain, dan simulasi rangka menggunakan software Solidworks 2020.

c. Pada rancangan tangki pengaduk untuk pembuatan bubur kertas ini hanya difokuskan sebagai alat pencampur bubur kertas yang sebelumnya sudah direndam dengan air terlebih dahulu.

Tujuan

Tujuan dalam perancangan tangki pengaduk untuk proses pencampuran bubur kertas pada proses daur ulang kertas ini adalah untuk mendapatkan rancangan dan spesifikasi dari tangka pengaduk bubur kertas agar mampu mencampur bubur kertas dengan optimal.

Manfaat

Manfaat dari perancangan tangka pengaduk untuk proses pencampuran bubur kertas pada proses daur ulang kertas adalah :

a. Agar bubur kertas dapat tercampur dengan baik dan dapat menghasilkan bubur kertas yang berkualitas baik.

b. Membantu UMKM untuk meningkatkan keefektifan dan keefisienan dalam proses daur ulang kertas.

c. Berperan dalam upaya penanganan limbah kertas bekas dengan mendaur ulang dan dihasilkan produk kertas baru yang dapat digunakan kembali.

2. METODOLOGI PERANCANGAN

Diagram alir

Berikut diagram alir perancangan yang menjelaskan tentang urutan yang dilakukan dalam proses perancangan tangki pengaduk untuk proses pencampuran bubur kertas.

Gambar 1. Diagram Alir Perancangan Identifikasi Masalah

Berdasarkan hasil observasi, maka kebutuhan konsumen terdiri dari beberapa hal sebagai berikut:

a. Bubur kertas yang diproduksi sebanyak 1000 liter/jam dengan daya motor sebesar 0,5 HP.

b. Alat harus mampu mengaduk dan menghasilkan bubur kertas dengan cepat.

c. Alat harus memiliki konstruksi yang kuat dan tahan lama.

d. Mudah dalam perakitan dan perawatan.

e. Alat tidak bising pada saat dioperasikan.

f. Alat mudah untuk dioperasikan.

g. Mudah dalam pengambilan hasil produksi.

Desain Rancangan

Gambar 2. Desain Rancangan Tangki Pengaduk Bubur Kertas

3. PEMBAHASAN

Perhitungan Diameter dan Tinggi Shell

Karena ingin dirancang tangki pengaduk yang mampu menampung dan memproduksi bubur kertas sebanyak 500 liter dengan komposisi air sebanyak 60% dan kertas sebanyak 40% dan memiliki ukuran yang sesuai dengan operator, maka penulis menentukan diameter dalam shell, 𝐼𝐷_𝑆= 950 𝑚𝑚 dan tinggi shell, 𝐻_𝑆= 800 𝑚𝑚.

Perhitungan Dimensi Bottom Head

Gambar 3. Dimensi Bottom Head a. 𝐷_𝑒𝑥𝑡= 950 𝑚𝑚 + 5 𝑚𝑚 + 5 𝑚𝑚 = 960 𝑚𝑚

b. 𝑅_𝑖= 𝐷_𝑒𝑥𝑡= 960 𝑚𝑚

c. 𝑟_𝑐= 0,1 × 𝐷_𝑒𝑥𝑡= 0,1 × 960 𝑚𝑚 = 96 𝑚𝑚 d. ℎ₁= 26 𝑚𝑚

e. ℎ₂= 0,1935𝐷_𝑒𝑥𝑡− 0,455𝐸 = 0,1935 × 960 𝑚𝑚 − 0,455 × 5 𝑚𝑚 = 183,485 𝑚𝑚 f. 𝐻_𝑖𝑛𝑡= ℎ₁+ ℎ₂= 26 𝑚𝑚 + 183,485 𝑚𝑚 = 209,485 𝑚𝑚

Perhitungan Dimensi Pengaduk

Gambar 4. Dimensi Pengaduk

Pengaduk yang digunakan adalah tipe propeller dengan perhitungan sebagai berikut : a. Diameter propeller, 𝐷_𝑖=¹

3× 𝐼𝐷_𝑆=¹

3× 950 𝑚𝑚 = 317 𝑚𝑚 b. Lebar blade, 𝑤_𝑖= 0,1 × 𝐷_𝑖= 0,1 × 317 𝑚𝑚 = 31,7 𝑚𝑚

c. Tinggi Baffle, 𝑍_𝐵= 𝐻_𝑆− 𝐻_𝐻= 800 𝑚𝑚 − 214,485 𝑚𝑚 = 585,515 𝑚𝑚 d. Jumlah Baffle = 4

e. Lebar Baffle, 𝑊_𝐵= ¹

12× 𝐼𝐷_𝑆= ¹

12× 950 𝑚𝑚 = 79,2 𝑚𝑚 Perhitungan Daya Motor

Massa jenis (𝜌) dari bubur kertas adalah 865 kg/m³, luas propeller (𝐴) yang bekerja saat proses pengadukan adalah 0,001775 m², drag coefficient (𝐶_𝐷) sebesar 1,17 dan kecepatan pengaduk (𝑣) adalah 2,733 m/s, sehingga :

𝐹 = 𝐶_𝐷×1

2× 𝑣²× 𝐴 × 𝜌 = 1,17 ×1

2× 2,733²× 0,001775 × 865 = 6,709 𝑁

Setelah diperoleh gaya propeller (𝐹) sebesar 6,709 N, lalu jumlah daun pada propeller yang digunakan sebanyak 6 buah, jadi gaya propeller total (𝐹_𝑡𝑜𝑡) dapat dihitung sebagai berikut :

𝐹_𝑡𝑜𝑡= 𝐹 × 𝑛 = 6,709 𝑁 × 6 = 40,254 𝑁

Kemudian dilanjutkan dengan perhitungan daya propeller dengan perhitungan sebagai berikut : 𝑃_𝑃= 𝐹_𝐷× 𝑣 = 40,254 𝑁 × 2,733 𝑚/𝑠 = 110,014 𝑊

Kemudian dilanjutkan dengan perhitungan daya motor listrik (𝑃) dengan perhitungan sebagai berikut :

𝑃_𝑀= 𝑃_𝑃

𝑒𝑓𝑖𝑠𝑖𝑒𝑛𝑠𝑖 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 × 𝑒𝑓𝑖𝑠𝑖𝑒𝑛𝑠𝑖 𝑏𝑒𝑙𝑡= 110,014 𝑊

0,85 × 0,85= 152,268 𝑊 Karena 1 HP = 735,75 Watt, maka :

𝑃_𝑀= 152,268 𝑊 × 1

735,75= 0,2 𝐻𝑃

Motor listrik yang terdapat di pasaran adalah motor listrik dengan daya 0,5 HP. Oleh karena itu, dipilih motor listrik dengan daya 0,5 HP.

Perhitungan Sabuk-V

Menghitung Panjang Sabuk

Diameter puli pada motor listrik (𝐷₁) sebesar 65 mm dan diameter puli pada poros (𝐷₂) sebesar 325 mm.

Lalu, jarak antara titik pusat puli (𝑥) sebesar 670 mm dan sudut alur (2𝛽) sebesar 40°, maka :

𝐿 = 𝜋(𝑟₂+ 𝑟₁) + 2𝑥 +(𝑟₂− 𝑟₁)² 𝑥

𝐿 = 𝜋(162,5 𝑚𝑚 + 32,5 𝑚𝑚) + 2 × 670 𝑚𝑚 +(162,5 𝑚𝑚 − 32,5 𝑚𝑚)²

670 𝑚𝑚 = 1952,805 𝑚𝑚

Untuk panjang sabuk yang akan digunakan adalah 1956 mm atau 77 inch. Jadi, dipilih tipe sabuk A dengan nomor sabuk 77.

Menghitung Sudut Kemiringan Sabuk (𝛼) 𝑠𝑖𝑛 𝛼 =𝑟₂− 𝑟₁

𝑥 =162,5 𝑚𝑚 − 32,5 𝑚𝑚

670 𝑚𝑚 = 0,194 𝑟𝑎𝑑 𝛼 = 𝑎𝑟𝑐 𝑠𝑖𝑛 0,191 = 11,186°

Menghitung Luas Permukaan Sabuk-V (𝐴)

Sabuk-V yang digunakan adalah sabuk-v tipe A yang mempunyai lebar sisi bagian atas (𝑎) sebesar 12,5 mm, tebal sabuk (𝑡) sebesar 9 mm dan sudut kontak sabuk (𝛽) sebesar 20°. Berikut adalah perhitungannya :

Gambar 5. Skema Penampang Sabuk-V a. Menghitung nilai (𝑦)

𝑦 = 𝑡𝑎𝑛 𝛽 × 𝑡 = 𝑡𝑎𝑛 20° × 9 𝑚𝑚 = 3,276 𝑚𝑚 b. Menghitung nilai (𝑏)

𝑏 = 𝑎 − 2𝑦 = 12,5 𝑚𝑚 − 2 × 3,276 𝑚𝑚 = 5,948 𝑚𝑚 c. Menghitung luas penampang (𝐴)

𝐴 =(𝑎 + 𝑏) × 𝑡

2 =(12,5 𝑚𝑚 + 5,948 𝑚𝑚) × 9 𝑚𝑚

2 = 83,016 𝑚𝑚²

Menghitung Kecepatan Sabuk-V (𝑉)

Diameter puli yang digunakan pada poros (𝐷₂) memiliki diameter 325 mm dan putaran (𝑁₂) sebesar 280 rpm. Berikut perhitungan untuk mencari nilai dari kecepatan sabuk :

𝑉 =𝜋 × 𝐷₂× 𝑁₂

60 =𝜋 × 0,325 𝑚 × 280 𝑟𝑝𝑚

60 = 4,765 𝑚/𝑠

Jadi, diperoleh nilai kecepatan linier sabuk-v sebesar 4,765 m/s di mana nilai tersebut masih di bawah 10 m/s. Maka, kecepatan linier sabuk-v AMAN.

Menghitung Sudut Kontak (𝜃) 𝜃 = (180° − 2𝛼) × 𝜋

180= (180° − 2 × 11,186°) × 𝜋

180= 2,757 𝑟𝑎𝑑 Menghitung Gaya Sentrifugal (𝑇_𝐶)

Luas permukaan sabuk-v (𝐴) adalah 83,016 mm². Material sabuk-v yang digunakan adalah rubber dengan massa jenis (𝜌) adalah 1140 kg/m³ dan koefisien gesek (𝜇) sebesar 0,3. Berikut adalah perhitungannya:

a. Menghitung massa per satuan panjang sabuk

𝑚 = 𝐴 × 𝐿 × 𝜌 = 83,016 × 10⁻⁶ 𝑚²× 1 × 1140 𝑘𝑔/𝑚³= 0,095 𝑘𝑔/𝑚 b. Menghitung gaya sentrifugal

𝑇_𝑐 = 𝑚 × 𝑣²= 0,095 𝑘𝑔/𝑚 × (4,765 𝑚/𝑠)²= 2,157 𝑁 Jadi, nilai dari gaya sentrifugal pada sabuk-v adalah 2,157 N.

Menghitung Gaya Tegang Sisi Kencang dan Kendur Sabuk-V 𝑇₁

𝑇₂= 𝑒𝜇×𝜃×𝑐𝑜𝑠𝑒𝑐×𝛽

𝑇₁

𝑇₂= 𝑒0,3×2,757 ×𝑐𝑜𝑠𝑒𝑐×20

𝑇₁

𝑇₂= 11,226 𝑇₁= 𝑇₂× 11,226

Kemudian persamaan di atas disubstitusikan ke persamaan di bawah ini :

𝑃 = (𝑇₁− 𝑇₂) × 𝑣

1138,64 = [(11,226 × 𝑇₂) − 𝑇₂] × 4,765 238,959 = 10,226 × 𝑇₂

𝑇₂= 23,368 𝑁

Jadi, nilai tegangan sisi kendur (𝑇₂) sabuk-v adalah sebesar 23,368 N.

𝑇₁= 𝑇₂× 11,226 𝑁 𝑇₁= 23,368 𝑁 × 11,226 𝑁 𝑇₁= 262,329 𝑁

Jadi, nilai tegangan sisi kencang (𝑇₁) sabuk-v adalah sebesar 262,329 N.

Perhitungan Poros

Menghitung Torsi pada Poros (𝑇)

𝑇 =𝑃 × 𝑓_𝑐

𝜔 = 𝑃 × 𝑓_𝑐

2 × 𝜋 × 𝑁× 60 =367,875 𝑊 × 1,2

2 × 𝜋 × 280 𝑟𝑝𝑚× 60 = 15,055 𝑁𝑚 Menghitung Diameter Poros

Poros menggunakan material Stainless Steel 316L yang memiliki tegangan tarik material 483 MPa, angka keamanan yang digunakan adalah 8, sehingga :

a. Tegangan tarik ijin material (𝜎̅_𝑏) 𝜎̅_𝑏 =𝜎_𝑏

𝑣 =483 𝑀𝑃𝑎

8 = 60,375 𝑀𝑃𝑎 b. Tegangan puntir ijin material (𝜏̅_𝑝)

𝜏̅_𝑝= 𝜎̅_𝑏× 0,45 = 60,375 × 0,45 = 27,169 𝑀𝑃𝑎 c. Diameter poros

𝜏̅_𝑝= 𝑇 𝑍_𝑃= 𝑇

𝜋 × 𝑑³ 16

27,169 𝑁/𝑚𝑚²= 15055 𝑁𝑚𝑚 𝜋 × 𝑑³

16 27,169 𝑁/𝑚𝑚²=76674,5 𝑁𝑚𝑚

𝑑³ 𝑑 = √2882,132 𝑚𝑚³ 𝑑 = 14,231 𝑚𝑚 ≈ 16 𝑚𝑚 Jadi, diameter poros yang digunakan adalah 16 mm.

Perhitungan Set Screw

a. Gaya yang terjadi pada set screw 𝐹 =𝑇

𝑟 =15055 𝑁𝑚𝑚

8 𝑚𝑚 = 1881,875 𝑁 b. Diameter minor set screw

𝐹 =𝜋

4𝑑_𝑐²× 𝜏_𝑝 1881,875 𝑁 =𝜋

4𝑑_𝑐²× 27,169 𝑁 𝑚𝑚² 1881,875 𝑁 = 21,338 𝑁

𝑚𝑚²× 𝑑_𝑐² 𝑑_𝑐²= 88,194 𝑚𝑚²

𝑑_𝑐 = 9,391 𝑚𝑚 c. Diameter utama set screw

𝑑_𝑜= 𝑑_𝑐

0,84=9,391 𝑚𝑚

0,84 = 11,18 𝑚𝑚 Jadi, dipilih set screw dengan ukuran M12.

Perhitungan Leg Support

Profil leg support yang digunakan adalah profil L atau siku dengan ukuran 80×80×8 mm. Berikut perhitungan untuk mengitung luas permukaannya :

𝐴 = (80 × 8) + (72 × 8) = 1216 𝑚𝑚²

Jika massa total komponen tangki pengaduk = 274,58 kg ; massa leg support = 29,08 kg ; massa bubur kertas = 432,5 kg, maka :

𝑚_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙}= 𝑚𝑡𝑎𝑛𝑔𝑘𝑖 𝑝𝑒𝑛𝑔𝑎𝑑𝑢𝑘− 𝑚𝑙𝑒𝑔 𝑠𝑢𝑝𝑝𝑜𝑟𝑡+ 𝑚_{𝑝𝑢𝑙𝑝}= 274,58 𝑘𝑔 − 29,08 𝑘𝑔 + 432,5 𝑘𝑔 = 678 𝑘𝑔 Sehingga dapat dihitung gaya berat sebagai berikut :

𝐹 = 𝑚 × 𝑔 = 678 𝑘𝑔 × 9,81 𝑚/𝑠²= 6651,18 𝑁 Lalu, dihitung tegangan geser yang terjadi :

𝜎_𝑡=𝐹/4

𝐴 =6651,18 𝑘𝑔 / 4

1216 𝑚𝑚² = 1,367 𝑀𝑃𝑎

Pada leg support digunakan material Stainless Steel 316L dengan yield strength, 𝜎_𝑦= 173 𝑀𝑃𝑎

𝜎̅ = 𝜎_𝑦

𝐴𝑛𝑔𝑘𝑎 𝑎𝑚𝑎𝑛=173 𝑀𝑃𝑎

8 = 21,625 𝑀𝑃𝑎 Jadi, konstruksi leg support dinyatakan aman karena 𝜎_𝑡< 𝜎̅.

4. KESIMPULAN

1. Kapasitas kerja tangki pengaduk bubur kertas adalah 1000 liter/jam.

2. Tangki pengaduk bubur kertas memiliki ukuran diameter dalam shell 950 mm; tinggi shell 800 mm;

dan tinggi head 209,485 mm.

3. Motor listrik yang digunakan adalah motor listrik AC 1 phasa dengan tegangan 220 V; daya 0,5 HP dan putaran 1400 rpm.

4. Untuk transmisi menggunakan dua buah puli dengan diameter 65 mm dan 325 mm, serta sabuk-v tipe A nomor 77 dengan material rubber.

5. Untuk pengaduk menggunakan poros berdiameter 16 mm, propeller berjumlah 2 buah dengan diameter 317 mm dan set screw ukuran M12.

6. Untuk leg support menggunakan profil L atau siku dengan ukuran 80x80x8 mm.

7. Material yang digunakan adalah stainless steel tipe 316-L.

REFERENSI

1. Khurmi, R. S. & Gupta, J. K. (2005). Textbook of Machine Design. New Dehli: Eurasia Publising House 2. Sularso, Kiyokatsu Suga. (2004). Dasar Perencanaan Dan Pemilihan Elemen Mesin. Jakarta: Pradnya

Paramita

3. Fox, R. W., Mcdonald, A. T., & Pritchard, P. J. (2002). Fluid Mechanic.

4. Jami, A., & Prayitno. (2014). Perekayasaan Tangki Proses Pelarutan Parsial Pada Preliminary Design Pilot Plant ThO2 dari Pasir Monasit Kapasitas 100 kg/hari. Jurnal Prima, 11(November), 4.