KAJIAN POLA ALIRAN FLUIDA PRODUKSI BIODIESEL PADA STATIC MIXING REACTOR TIPE LPD MENGGUNAKAN SIMULASI CFD

(1)

KAJIAN POLA ALIRAN FLUIDA PRODUKSI BIODIESEL PADA STATIC MIXING REACTOR TIPE LPD

MENGGUNAKAN SIMULASI CFD

SKRIPSI

OLEH : HASHIFATUNNISA

160308017/KETEKNIKAN PERTANIAN

PROGRAM STUDI KETEKNIKAN PERTANIAN FAKULTAS PERTANIAN

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2021

Universitas Sumatera Utara

(2)

KAJIAN POLA ALIRAN FLUIDA PRODUKSI BIODIESEL PADA STATIC MIXING REACTOR TIPE LPD

MENGGUNAKAN SIMULASI CFD

SKRIPSI

OLEH : HASHIFATUNNISA

160308017/KETEKNIKAN PERTANIAN

Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana di Program Studi Keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian

Universitas Sumatera Utara

PROGRAM STUDI KETEKNIKAN PERTANIAN FAKULTAS PERTANIAN

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

2021

(3)

Judul Skripsi : Kajian Pola Aliran Fluida Produksi Biodiesel Pada Static MixingReactor Tipe LPD Menggunakan Simulasi CFD

Nama : Hashifatunnisa

NIM : 160308017

Program Studi : Keteknikan Pertanian

Disetujui oleh : Komisi Pembimbing

(Sulastri Panggabean, STP, M.Si) NIP. 198504172019032009

Mengetahui,

(Dr. Taufik Rizaldi, STP, MP) Ketua Program Studi Keteknikan Pertanian

Tanggal Lulus : 01 Oktober 2021

(4)

Panitia Penguji Skripsi

Sulastri Panggabean, STP, M.Si

Riswanti Sigalingging, STP, M.Si, Ph.D Raju, STP, M.Si

Dr. Taufik Rizaldi, STP, MP

(5)

i

ABSTRAK

HASHIFATUNNISA : Kajian Pola Aliran Fluida Produksi Biodiesel Pada Static Mixing Reactor Tipe LPD Menggunakan Simulasi CFD. Dibimbing oleh SULASTRI PANGGABEAN.

Pola aliran dapat dianalisis dengan akurat menggunakan pendekatan model komputasi dinamika fluida atau CFD (Computation Fluid Dynamics). Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengkaji pola aliran fluida, penurunan tekanan, viskositas fluida dan hasil FAME pada produksi biodiesel pada static mixing reactor tipe low pressure drop (LPD). Metode pada CFD memiliki tiga tahapan penting, yaitu pra-pemprosesan (pencarian data eksperimen), pencarian solusi (kondisi batas dan kalkulasi) dan pasca pemprosesan (penyajian data dan validasi). Hasil simulasi didapati pola aliran yang terjadi yaitu aliran turbulen dengan didapat nya nilai bilangan reynold pada masing-masing reaktor di atas 4000 (Re > 4000) pada saluran terbuka. Penelitian ini juga mengahasilkan skenario yang dapat mengurangi penurunan tekanan pada aliran dengan melakukan skenario penambahan lubang yang berhasil mengurangi penurunan tekanan sebesar 5,13% dibandingkan LPD tidak berlubang. Dari hasil pengamatan juga menunjukkan penurunan viskositas pada skenario berlubang dengan penurunan sebesar 9,8% lebih baik dibandingkan LPD tidak berlubang dan peningkatan sebesar 0,33% FAME pada skenario penambahan lubang.

Kata Kunci : Biodiesel, Computation Fluid Dynamics, Low Pressure Drop ABSTRACT

HASHIFATUNNISA : Study of Biodiesel Production Fluid Flow Patterns in LPD Type Static Mixing Reactors Using CFD Simulation. Supervised by SULASTRI PANGGABEAN.

Flow patterns can be analyzed accurately using a computational fluid dynamics model approach or CFD (Computation Fluid Dynamics). The purpose of this study was to examine the pattern of fluid flow, pressure drop, fluid viscosity and FAME results in biodiesel production in a low pressure drop (LPD) static mixing reactor. The CFD method has three important stages, namely pre- processing (experimental data search), solution search (boundary conditions and calculations) and post-processing (data presentation and validation). The simulation results show that the flow pattern that occurs is turbulent flow with the Reynolds number in each reactor above 1000 (Re > 1000) in a closed channel.

This research also produces a scenario that can reduce the pressure drop in the flow by performing a hole addition scenario that successfully reduces the pressure drop by 5.13% compared to LPD without holes. Observations also show a decrease in viscosity in the hollow scenario with a decrease of 9.8% better than LPD without holes and an increase of 0.33% FAME in the scenario of adding holes.

Keywords : Biodiesel, Computation Fluid Dynamics, Low Pressure Drop

(6)

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Medan pada tanggal 29 Desember 1998 dari ayah Amin Rizali dan Almh. ibu Khasanah. Penulis merupakan anak ketiga dari tiga bersaudara.

Pada tahun 2016 penulis lulus dari MAN 2 Model Medan dan di tahun yang sama penulis diterima di Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara melalui jalur Seleksi Nasional Masuk Perguruan Tinggi Negeri (SNMPTN).

Penulis memilih minat Energi di Program Studi Keteknikan Pertanian.

Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif sebagai anggota Ikatan Mahasiswa Teknik Pertanian (IMATETA Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara dan anggota Ikatan Mahasiswa Teknik Pertanian Indonesia (IMATETANI) periode 2019/2020. Selain itu, penulis juga aktif sebagai pengurus Unit Kegiatan Mahasiswa (UKM) Himadita Nursery 2016-2020.

Penulis melaksanakan Kuliah Kerja Nyata (KKN) di Desa Tongging, Merek, Sumatera Utara dari tanggal 16 Juli sampai 21 Agustus 2019. Penulis juga melaksanakan Praktek Kerja Lapangan (PKL) di Pabrik Gula Kwala Madu, Langkat, Sumatera Utara pada tanggal 20 Januari sampai 7 Februari 2020.

(7)

iii

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan

judul “Kajian Pola Aliran Fluida Produksi Biodiesel Pada Static Mixing Reactor Tipe LPD Menggunakan Simulasi CFD” yang merupakan

salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana di Program Studi Keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara, Medan.

Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada orang tua penulis yang telah mendukung secara moril dan meteril. Penulis mengucapkan terima kasih kepada Ibu Sulastri Panggabean, STP, M.Si selaku pembimbing yang telah banyak membimbing dan memberikan berbagai masukan, saran dan kritik yang bermanfaat bagi penulis sehingga penelitian ini dapat diselesaikan dengan baik.

Penulis menyadari bahwa penelitian ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran dari para pembaca yang bersifat membangun untuk kesempurnaan pada masa yang akan datang.

Akhir kata, penulis mengucapkan terima kasih, semoga penelitian ini bermanfaat bagi pihak yang membutuhkan.

Medan, Oktober 2021

Penulis

(8)

DAFTAR ISI

Hal.

ABSTRAK ... i

RIWAYAT HIDUP ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR TABEL ... vi

DAFTAR GAMBAR ... vii

DAFTAR LAMPIRAN ... vii

PENDAHULUAN... 1

Latar Belakang ... 1

Tujuan ... 4

Batasan Masalah... 4

Manfaat ... 4

TINJAUAN PUSTAKA... 5

Biodiesel ... 5

Produksi Biodiesel menggunakan Static Mixing Reactor (SMR) ... 5

Static Mixing Reactor (SMR)... 6

Low Pressure Drop (LPD) ... 7

Mekanika Fluida... 8

Pola aliran Fluida ... 10

CFD (Computation Fluid Dynamics) ... 11

METODOLOGI PENELITIAN ... 20

Waktu dan Tempat Penelitian ... 20

Bahan dan Alat ... 20

Prosedur Penelitian... 20

Parameter Penelitian... 25

HASIL DAN PEMBAHASAN ... 26

Static mixer LPD Konvensional ... 26

Validasi Eksperimen dan Simulasi... 31

Skenario Static Mixer Berlubang ... 35

KESIMPULAN DAN SARAN ... 45

Kesimpulan ... 45

Saran ... 45

DAFTAR PUSTAKA ... 46

LAMPIRAN ... 49

(9)

vi

DAFTAR TABEL

No. Hal.

1. Syarat mutu biodisel ... 6

2. Ukuran geometri... 13

3. Karakteristik material ... 17

4. Hasil eksperimen dan simulasi pressure drop tidak berlubang ... 36

5. Hasil eksperimen dan simulasi viskositas LPD tidak berlubang ... 36

6. Hasil eksperimen dan simulasi FAME LPD tidak berlubang ... 36

7. Selisih penurunan tekanan... 37

8. Selisih viskositas ... 38

9. Selisih konsentrasi FAME... 40

10. Hasil simulasi skenario LPD berlubang ... 40

(10)

DAFTAR GAMBAR

No. Hal.

1. Static mixer tipe LPD (low pressure drop) ... 7

2. Pola aliran fluida LPD (low pressure drop) ... 10

3. Hasil Penggambaran Geometri ... 13

4. Tabel physics dan solver preference ... 13

5. Tabel pilihan metode meshimg... 14

6. Hasil meshing metode tetrahedron ... 14

7. Tabel nilai skewness ... 14

8. Pemberian name selection ... 15

9. Pemberitahuan seluruh gerometri di atur menjadi fluida ... 15

10. Tampilan pengaturan viscous model ... 16

11. Tampilan kotak dialog species model dan senyawa reaksi ... 17

12. Tampilan boundary condition velocity inlet ... 18

13. Tampilan boundary condition outlet ... 18

14. Tampilan solution methods ... 20

15. Kontur pressure static mixer konvensional... 26

16. Grafik viskositas LPD konvensional ... 28

17. Vektor velocity penampang yzx LPD tidak berlubang ... 30

18. Konsentrasi FAME dari simulasi CFD ... 30

19. Perbandingan nilai eksperimen dan simulasi ... 32

20. Grafik perbandingan eksperimen - simulasi ... 33

21. Validasi menggunakan Konsentrasi FAME (%) ... 33

(11)

viii

22. Skenario static mixer belubang tipe LPD... 35

23. Kontur pressure static mixer berlubang ... 36

24. Grafik viskositas LPD berlubang ... 38

25. Vektor velocity penampang yzx LPD berlubang ... 40

26. Konsentrasi FAME dari simulasi CFD ... 41

(12)

vii

DAFTAR LAMPIRAN

No Hal.

1. Flowchart Penelitian ... 49

2. Geometri static mixer LPD tidak berlubang, berlubang dan 9 reaktor ... 50

3. Vektor kecepatan aliran LPD tidak berlubang ... 50

4. Vektor kecepatan aliran LPD berlubang ... 31

5. Kontur viskositas LPD tidak berlubang ... 32

6. Kontur viskositas LPD berlubang ... 32

7. Kontur konsentrasi FAME LPD tidak berlubang... 32

8. Kontur konsentrasi FAME LPD berlubang ... 33

9. Laptop untuk simulasi ... 534

10. Perhitungan boundary condition ... 34

11. Tabel Hasil eksperimen dan simulasi Penurunan Tekanan (pressure drop) .. 55

12. Tabel Hasil eksperimen dan simulasi Viskositas ... 55

13. Tabel Hasil eksperimen dan simulasi Konsentrasi Biodiesel (FAME) ... 55

14. Tabel dan perhitungan error penurunan tekanan (pressure drop) ... 56

15. Tabel dan perhitungan error viskositas... 57

16. Tabel dan perhitungan error konsentrasi biodiesel (FAME) ... 58

17. Hasil simulasi skenario LPD berlubang ... 59

(13)

1

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Saat ini dunia dengan gencar mencari alternatif sumber energi yang dapat diperbaharui, alternatif energi yang sedang diteliti saat ini salah satunya adalah biodiesel sebagai alternatif bahan bakar yang dapat diproduksi dari bahan nabati.

Penggunaan bahan nabati pada penciptaan biodiesel antara lain minyak kedelai, minyak kanola, minyak kelapa sawit serta minyak biji bunga matahari. Indonesia mengunakan kelapa sawit sebagai bahan baku pembuatan biodiesel karena bahan baku dari kelapa sawit memiliki potensi yang besar untuk diolah menjadi biodiesel.

Pemakaian katalis pada produksi biodiesel dapat dikurangi dengan menambahkan pengaduk tambahan untuk mempermudah pencampuran fluida.

Pengadukan yang sesuai pada proses biodiesel ini ialah pengadukan secara statis serta tidak mengaitkan moving part ataupun barang yang bergerak karena dapat menyebabkan kehilangan biodiesel yang dihasilkan. Menurut Panggabean (2011), hal yang dapat dilakukan untuk mengaduk sekaligus menggabungkan dalam keadaan statis ialah dengan memakai static mixing reactor (SMR). Static mixing reactor (SMR) terdiri atas reaktor yang di dalamnya ada static mixer, berperan untuk menggabungkan 2 tipe fluida ataupun lebih tanpa adanya kinerja mekanik, serta hanya menggunakan aliran dan viskositas fluida.

Static mixing reactor (SMR) jenis LPD (low pressure drop) didesain untuk aliran turbulensi. Static mixer jenis LPD kerap digunakan pada bidang industri pangan, farmasi serta kosmetik. Static mixer jenis LPD ini pula sangat mudah dalam pelepasan static mixer dari badan reaktornya untuk pembersihan serta

(14)

2

inspeksi. Di saat fluida bergerak melewati tiap-tiap elemen LPD, aliran secara terus menerus dibagi menjadi beberapa lapisan serta diputar secara searah jarum jam serta bertentangan arah jarum jam. Metode pembagian aliran ini menciptakan

pencampuran yang sangat efektif dengan kehilangan tekanan yang minimun (ROSS, 2014).

Perlunya mengkaji pola aliran fluida ini ialah untuk mengetahui tipe aliran yang terjadi pada pemakaian static mixer tipe LPD. Tumbukan antar partikel- partikel di kala proses pencampuran fluida menentukan keberhasilan dalam proses pencampuran fluida. Semakin banyak tumbukan partikel yang terjadi maka semakin baik hasil pencampuran yang didapat begitu pula kebalikannya.

Pola aliran fluida yang terjadi pada proses produksi biodiesel berhubungan dengan viskositas, kecepatan aliran, dan tekanan. Pola aliran dapat dianalisis dengan akurat menggunakan pendekatan model komputasi dinamika fluida atau CFD (Computation Fluid Dynamics). Menurut Norton dkk. (2007), komputasi dinamika fluida merupakan perangkat lunak menggunakan komputer yang menganalisis simulasi aliran fluida, perpindahan massa dan panas, perubahan fasa, reaksi kimia antar senyawa, gerakan mekanis serta interaksi padatan dan cairan.

Penggunaan CFD dapat mempermudah kita dalam menganalisis suatu keadaan dan dapat mensimulasikan keadaan yang sebenarnya terjadi dilapangan.

CFD (Computation Fluid Dynamics) merupakan cabang dari mekanika fluida yang dalam pengerjaannya memakai metode numerik dan algoritma untuk memecahkan dan mengkaji masalah yang berhubungan dengan aliran fluida.

Dengan menggunakan komputer sebagai perantara untuk melakukan kalkulasi untuk menjalankan simulasi interaksi antara suatu zat fluida dengan fluida lainnya

(15)

yang berinteraksi dengan permukaan dan didefinisikan oleh kondisi batas (Anderson, 1995).

Pensimulasian menggunakan CFD diharap akan mendapatkan nilai yang akurat dengan nilai selisih di bawah atau sama dengan 10% dari keadaan sebenarnya (Triwahyudi dkk., 2016). Dengan dilakukannya simulasi ini memungkinkan peneliti untuk memberikan saran modifikasi alat, perbaikan struktur alat, peremajaan atau maintance alat dan penyaranan pembuatan alat agar performansi alat yang sudah ada dapat meningkat serta dapat mengurangi kerugian biaya dan kerusakan alat dimasa yang akan datang.

Keuntungan dari penggunaan metode CFD adalah mengevaluasi kemungkinan panas dan hidrodinamika untuk menganalisis perubahan geometri, pemilihan kondisi operasi dengan waktu pengerjaan yang lebih cepat. Dapat mengurangi pembiayaan dengan banyak pilihan untuk mengganti parameter tanpa harus mengganti alat yang sudah ada. Keuntungan lain dari CFD adalah menyediakan lebih banyak detail informasi output dari permasalahan yang terjadi dan jauh lebih memahami performa panas dan hidrodinamika (Debtera dkk., 2018).

Pengerjaan penelitian ini menjelaskan tentang simulasi, visualisasi dan analisis sebuah mekanisme pola pencampuran fluida dan pola aliran fluida yang terjadi pada pencampuran yang melibatkan sebuah reaktor yang di dalamnya terdapat static mixer sebagai pengaduk tambahan. Pengerjaan ini dilakukan dengan menggunakan software ansys fluent dengan analisis CFD untuk menganalisis pola aliran, perubahan tekanan, tingkat kekentalan fluida (viskositas), dan hasil produksi FAME yang dihasilkan.

(16)

4

Tujuan

Tujuan penelitian ini adalah mengkaji pola aliran fluida, penurunan tekanan (pressure drop), viskositas fluida, dan konsentrasi FAME pada produksi biodiesel pada static mixing reactor tipe low pressure drop (LPD).

Batasan Masalah

Batasan dari penelitian ini adalah dengan mensimulasi pola aliran fluida yang terjadi di dalam reaktor biodiesel (SMR) menggunakan static mixer tipe LPD dan menganalisis pola aliran fluida tersebut (kecepatan aliran, viskositas, tekanan dan kosentrasi FAME sebagai parameter reaksi pembentukan biodiesel).

Manfaat

1. Bagi penulis, sebagai salah satu syarat untuk dapat menyelesaikan pendidikan di Program Studi Keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian Universitas Sumatera Utara.

2. Bagi mahasiswa, sebagai informasi pendukung untuk melakukan penelitian lebih lanjut mengenai peggunaan static mixing reactor (SMR) yang lebih efisien untuk digunakan dalam pembuatan biodiesel.

3. Bagi masyarakat/perusahaan, sebagai salah satu energi alternatif yang dapat diterapkan dalam dalam pembuatan peningkatan perfomansi alat

(17)

5

TINJAUAN PUSTAKA

Biodiesel

Biodiesel merupakan proses transesterifikasi yang menghasilkan FAME (fatty acid methyl ester) dari proses pencampuran metanol dan trigliserida. Pada proses terjadi reaksi, keseimbangan harus selalu bergerak ke kanan. Untuk mendapatkan keseimbangan tersebut, maka methanol yang direaksikan sebaiknya dalam jumlah yang besar, atau lebih dari besar dari rasio stoikiometri reaksi transesterifikasi pada produksi biodiesel. Pada kondisi 3 mol metanol yang direaksikan dengan 1 mol minyak akan menyebabkan terjadinya kesetimbangan reaksi (Zhao dkk., 2009).

Produksi Biodiesel menggunakan Static Mixing Reactor (SMR)

Pada pembuatan biodiesel pengadukan merupakan peristiwa yang sangat kritis karena fluida akan bercampur dan bereaksi. Penggunaan static mixer bertujuan untuk meningkatkan efektifitas pencampuran dengan menciptakan aliran turbulen dari proses fisika dan kimia. Proses pencampuran fluida yang dilakukan menggunakan static mixer menghasilkan mekanisme yang berupa pembagian (splitting), peregangan (stretching), pembalikan (reordering) dan pencampuran (recombine) (Khandai dkk., 1999).

Mekanisme static mixing reactor (SMR) akan menghasilkan partikel- partikel campuran menjadi lebih kecil agar lebih mudah menyatu pada saat pencampuran dengan memperbesar turbulensi yang terjadi pada aliran pada proses pencampuran methanol dan trigliserida. Semakin besar tumbukan yang terjadi, maka reaksi antar partikel juga semakin besar, dan kontak antar bidang permukaan partikel akan semakin sering (Panggabean, 2011). Penggunaan SMR ini juga dapat

(18)

6

menghasilkan pencampuran dalam waktu yang singkat dan tidak membutuhkan suhu yang tinggi untuk mempercepat reaksi yang terjadi.

Tabel 1. Syarat mutu biodisel

No. Parameter uji Satuan min/maks Persyaratan

1 Massa jenis pada 40˚C kg/

m³

850-890 2 Viskositas kinematik pada suhu 40˚C mm²/s (cSt) 2,3-6,0

3 Angka Setana M

in

51 4 Titik nyala (mangkon tertutup) ˚C,

min

100

5 Titik kabut ˚C, maks 18

6

Korosi lempung tembaga (3jam pada

50˚C nomor 1

7 Residu Karbon

- dalam per contoh asli atau %-massa, maks 0,05

- dalam 10 % ampas distilasi 0,3

8 Air dan sedimen %-vol, maks 0,05

9 Temperatur distilasi 90% ˚C, maks 360

10 Abu Tersulfatkan %-massa, maks 0,02

11 Belerang mg/kg, maks 100

12 Fosfor mg/kg, maks 10

13 Angka Asam mg-KOH/g, maks 0,5

14 Gliserol bebas %-massa, maks 0,02

15 Gliserol total %-massa, maks 0,24

16 Kadar ester metil %-massa, min 96,5

17 Angka iodium

%-massa(g- 12/100),

Ma ks

115

18 Kadar Monogliserida %-massa, maks 0,8

19 Kestabilan oksida

- periode induksi metode

rancimat, atau Me

nit

360 - periode induksi metode petro

Oksi 27

Sumber: SNI 7182:2015 Syarat mutu biodiesel Static Mixing Reactor (SMR)

Pencampuran dua senyawa atau bahan fluida dengan cara statis dapat dilakukan dengan menggunakan alat static mixer dan pada umumnya fluida yang dapat dicampur adalah fluida cair. Namun, tidak hanya fluida cair static mixer juga dapat memcapur fluida gas, mencampur fluida gas dengan cairan atau fluida cairan

(19)

5

dengan cairan yang tidak terlarut. Static mixer terdiri atas sambungan elemen- elemen yang berlokasi pada ruang tabung silinder. Pada umumnya elemen dan tabung static mixer dapat dibuat dari bahan berupa logam-logaman atau sejenis plastik. Static mixer memiliki fungsi untuk mempermudah kinerja katalis dalam memacu terjadinya aksi-reaksi antar senyawa trigliserida dan metanol dengan menggunakan elemen statis pada proses pengadukan dan pencampuran (Aritonang, 2014).

Low Pressure Drop (LPD)

Static mixing reactor (SMR) tipe LPD (Low pressure drop) didesain untuk aliran turbulensi. Static mixer tipe LPD terdiri dari serangkaian baffle atau elemen yang diposisikan secara seri. Setiap elemen terdiri dari sepasang pelat semi-elips yang diatur 90 derajat satu sama lain. Saat fluida bergerak melalui masing-masing elemen LPD, aliran secara terus menerus dibagi menjadi beberapa lapisan dan diputar searah dan berlawanan arah jarum jam. Metode membagi aliran akan menghasilkan pencampuran yang sangat efisien dan berulang dengan kehilangan tekanan minimal (ROSS, 2014).

Gambar 1. Static mixer tipe LPD (low pressure drop) Sumber. (ROSS, 2014)

Static mixing reactor (SMR) tipe LPD (Low pressure drop) didesain untuk aliran turbulensi dan pencampuran bertekanan rendah. Static mixer tipe LPD sering digunakan pada bidang industri pangan, farmasi dan kosmetik. Static mixer tipe LPD ini juga sangat mudah dalam pelepasan static mixer dari badan reaktor nya untuk dilkukan pembersihan dan inspeksi (ROSS, 2014).

7

(20)

6

Penelitian yang dilakukan oleh Filipp dkk. (2019) menyatakan bahwa elemen LPD dengan sudut kemiringan 60° merupakan pilihan terbaik. Mixer LPD dengan tiga elemen pada sudut kemiringan 60° menggambarkan kinerja yang terbaik dalam hal kualitas pencampuran dan laju aliran dengan nilai flow rate 84,7 g/s dalam waktu (t_p) 2,26 s.

Mekanika Fluida

Mekanika fluida adalah bagian ilmu dari mekanika kontiniu yang mempelajari tentang fluida yang dapat berupa cairan dan gas. Mekanika fluida dapat dibagi atas fluida statis dan fluida dinamis. Fluida statis mengamati fluida dalam keadaan diam, sedangkan fluida dinamis mengamati fluida dalam keaadan bergerak (Bruce dan Munson, 2006).

Fluida memiliki sifat dasar dan besaran khusus yang dapat diketahui, antara lain: massa jenis (density), tekanan (pressure), kekentalan (viscosity) dan bilangan Reynolds.

Massa jenis (density)

Massa jenis merupakan jumlah konsentrasi suatu zat yang didefinisikan sebagai massa per satuan volume. Massa jenis dapat dilihat pada Persamaan 1:

𝜌 = ^𝑚_𝑣` ... (1) Dimana :

𝜌 = massa jenis (kg m^-3) 𝑚 = massa fluida (kg) 𝑣 = volume massa (m³)

8

(21)

5 Tekanan (Pressure)

Tekanan adalah besaran gaya yang terjadi dan berkerja tegak lurus pada suatu bidang permukaan. Tekanan fluida dapat dilihat pada Persamaan 2:

𝑝 =^𝐹_𝐴 ... (2) Dimana :

𝑝 = tekanan (N m^-2) 𝐹 = gaya (N)

𝐴 = luas penampang pipa (m²) Kekentalan (Viscosity)

Viskositas merupakan tingkat kekentalan pada suatu bahan atau fluida.

Kekentalan suatu fluida adalah salah satu sifat fluida yang menentukan besarnya perlawanan terhadap gaya gesek. Viskositas dibagi atas 2 yaitu :

1. Viskositas dinamis atau mutlak

Viskositas dinamis merupakan sifat fluida yang menghubungkan tegangan geser dengan gerakan fluida, dapat dilihat pada Persamaan 3 :

𝜇 = _{𝑑𝑢 𝑑𝑦}^𝜏_⁄ ... (3) Dimana :

𝜇 = viskositas dinamis (kg/m.s) 𝜏 = tegangan geser (N/m²)

𝑑𝑢 𝑑𝑦⁄ = gradient kecepatan (m s^-1/m)

9

(22)

6

2. Viskositas kinematik

Viskositas kinematik merupakan perbandingan viskositas dinamik dengan kerapatan fluida, viskositas kinematik dapat dilihat pada Persamaan 4:

𝑣 = ^𝜇_𝜌 ... (4) Dimana :

𝑣 = viskositas kinematik (m²/s) 𝜇 = viskositas dinamis (kg/m.s) 𝜌 = massa jenis (kg/m³)

Pola aliran Fluida

Pada static mixer LPD, kecepatan aliran rata-rata maksimum terjadi antara elemen pertama dan kedua dengan aliran mengikuti pola zig-zag. Berbeda dengan tipe heliks, elemen LPD mengubah arah aliran partikel secara drastis karena penyelarasan bilah persegi panjang. Perubahan arah aliran drastis ini mencegah partikel berakselerasi secara signifikan saat melewati elemen mixer. Partikel- partikel tersebut bertabrakan dengan permukaan elemen kedua dan ketiga secara tegak lurus (≈ 90°), sehingga kehilangan sebagiannya energi kinetik Anomali ini tidak dapat diamati dalam elemen kenics (helix) (Filipp dkk., 2019).

Gambar 2. Pola aliran fluida LPD (low pressure drop)

Fluida yang dicampurkan dalam proses transesterifikasi akan mengalir melewati elemen-elemen static mixer sehingga mengalami pencampuran dan pengadukan seolah-olah telah mengalami pengadukan secara batch konvensional 10

(23)

5

dalam reaktor (Admix, 2012). Beberapa variabel yang dapat mempengaruhi keberhasilan pencampuran adalah sifat aliran fluida, diameter pada selubung reaktor, jumlah elemen pada reaktor dan desain static mixer.

Pola aliran fluida terdiri atas dua jenis yaitu aliran laminar dan aliran turbulen.

Bilangan Reynolds adalah rasio antara gaya inersia terhadap gaya viskos yang mengkuantifikasikan hubungan kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi aliran tertentu. Bilangan ini digunakan untuk mengidentikasikan jenis aliran yang berbeda, misalnya laminar dan turbulen. Bilangan Reynolds dapat dilihat pada Persamaan 5:

𝑅𝑒 = ^𝑉𝑑𝜌_𝜇 = ^𝑉𝑑_𝑣 = _𝜋𝜇𝐷^4𝑞 ... (5) Dimana :

𝑉 = kecepatan rata-rata (m/s) 𝑑 = diameter dalam pipa (m)

𝑣 = viskositas kinematic fluida (m²/s) atau 𝑣 = 𝜇 𝜌⁄ 𝜌 = densitas massa fluida (kg/m³)

𝜇 = viskositas dinamik fluida (kg/m.s) 𝑞 = debit (m³/s)

Ilmuan Osborne Reynold (1842-1912) menyatakan ketika sebuah aliran memiliki bilangan reynold < 2000 dalam saluran terbuka maka aliran tersebut dapat dikatakan aliran laminar dengan didapatinya aliran yang bergerak membentuk lapisan-lapisan atau lamina-lamina. Sedangkan aliran yang memiliki bilangan reynold sebesar > 4000 pada saluran terbuka dengan patikel-partikel yang bergerak bebas tanpa membentuk lapisan-lapisan maka aliran tersebut dapat dikatakan aliran turbulen. Apabila zat cair di dalam pipa tidak memenuhi rongga yang ada pada pipa 11

(24)

6

atau aliran tidak penuh maka aliran tersebut termasuk dalam saluran terbuka atau apabila tekanan di dalam pipa sama dengan tekanan atmosfer. Penggunaan kran pada pipa juga menyebabkan pipa memiliki permukaan yang bebas yang umumnya berupa udara. Pada aliran turbulensi nilai energi kinetik turbulen memiliki nilai yang lebih besar dibandingkan aliran aliran laminar. Energi kinetik turbulen menghasilkan aliran dari perubahan viskositas fluida menjadi energi dalam (Nevers, 1991).

Perlunya mengkaji pola aliran fluida ini untuk mengetahui jenis aliran yang terjadi pada penggunaan static mixer. Tumbukan antar partikel-partikel saat proses pencampuran fluida menentukan keberhasilan dalam proses pencampuran fluida.

Semakin tinggi tumbukan partikel yang terjadi maka semakin baik hasil pencampuran yang didapat begitupula sebaliknya. Pola aliran yang terjadi pada proses pembuatan biodiesel juga dapat menentukan kualitas biodiesel yang dihasilkan.

CFD (Computation Fluid Dynamics)

CFD adalah metode yang menggunakan teknik solusi numerik untuk persamaan difrensial parsial yang mengatur fisika dari aliran fluida untuk menyelesaikan masalah yang dikerjakan. Tujuan utama dari bidang computation fluid dynamics (CFD) ini adalah untuk memahami peristiwa fisika yang terjadi di dalam aliran fluida di sekitarnya dan dalam objek yang dirancang. Peristiwa ini berhubungan dengan aksi dan interaksi dari fenomena seperti kompresibel, difusi,

konveksi, shock-waves, slip permukaan, lapisan batas, dan turbulensi (Lomax dkk., 1999).

12

(25)

5

Dalam dekade terakhir, CFD menjadi alat numerical yang penting dalam memprediksi dinamika fluida, perpindahan panas dan juga perpindahan massa

dalam bedengan padat, yang digunakan di berbagai industri (Nauman dkk., (1983); Fourcade dkk., (2001)). Oleh karena itu, CFD ini dapat

diterapkan sebagai alternatif pada desain dan analisis dari segala jenis perlatan seperti static mixer untuk mendapatkan hasil yang akurat. Model dengan menggunakan CFD mengahasilkan simpangan yang kecil antara pengukuran dengan simulasi sehingga, hasil dari analisi dari CFD dapat digunakan untuk memperbaiki dan dapat menjadi refrensi untuk mengerjakan pekerjaan selanjutnya.

CFD memiliki tiga tahapan penting, yaitu pra-pemprosesan, pencarian solusi dan pasca pemprosesan (Versteeg dan Malalasekera, 1995).

Pra-premprosesan

Pada tahap ini dilakukan pengimputan data fisik dari alat yang akan disimulasikan agar dapat diselesaikan pada tahap pencarian solusi. Hal-hal yang perlu dilakukan pada tahapan pra-pemprosesan yaitu pembuatan geometri, pembentukan grid dan mesh, pemilihan peristiwa kimia dan fisik yang akan digunakan untuk proses pemodelan, menentukan sifat fisik dan kimia fluida yang digunakan, spesifikasi kondisi batas yang sesuai dengan keperluan, dan sumber panas yang dipakai sekaligus jenis fluida yang akan disimulasikan (Izaniyah, 2017).

13

(26)

6

Tabel 2. Ukuran geometri

Parameter geometri

Diameter pipa (mm) 20

Panjang pipa (m) 6,614

Sudut sambungan (derajat) 30

Panjang LPD (mm) 35,8

Tebal LPD (mm) 1.5

Diameter lubang (mm) 4

Banyak elemen 12

Sumber. Fazrina (2020)

Tabel 2 menunjukkan ukuran geometri yang akan dipakai pada simulasi ini.

Data geometri tersebut diambil dari penelitian yang dilakukan oleh Fazrina (2020) yang menggunakan static mixer LPD sebagai alat pencampuran fluida pada proses pembuatan biodiesel.

Gambar 3. Hasil Penggambaran Geometri ; (a) LPD tidak berlubang, (b) LPD berlubang, (c) Geometri 9 reaktor

Hal yang harus dilakukan pada tahap meshing adalah sebagai berikut : 1) Pada tab detail mesh pada section physics dan solver preference pilih CFD dan

Fluent agar proses meshing dijalankan dengan proses pemecahan masalah fluida.

Gambar 4. Tabel physics dan solver preference (a)

(b) (c)

14

(27)

5

2) Lalu pada tab assembly meshing metode yang digunakan adalah Tetrahedrons Method, penggunaan metode ini agar hasil meshing yang didapat lebih akurat dan metode tertrahedron ini dapat menjangkau sudut-sudut tajam yang sulit dicapai oleh metode lain.

Gambar 5. Tabel pilihan metode meshimg Berikut adalah hasil meshing dari metode tetrahedron :

Gambar 6. Hasil meshing metode tetrahedron

3) Setelah memasukkan metode dan pemecahan masalah yang ingin digunakan kemudian langkah selanjutnya tekan tombol generate mesh lalu pastikan nilai skewness yang dihasilkan memiliki rata-rata dibawah < 0,9 . Pada geometri ini memiliki nilai skewness rata-rata sebesar 0,24327 yang berarti proses yang dilakukan memiliki hasil meshing yang baik. Nilai meshing yang baik dapat mempengaruhi keakuratan hasil simulasi yang didapat.

Gambar 7. Tabel nilai skewness

4) Setelah memastikan nilai skewness yang didapat baik kemudian proses selanjutnya adalah pemberian nama pada geometri yang telah di meshing.

Pemberian nama atau name selection berguna untuk menentukan masuk (inlet) dan keluarnya (outlet) fluida.

15

(28)

6

Gambar 8. Pemberian name selection

5) Setelah nama selesai diberikan dilanjutkan dengan mengupdate mesh untuk memperbaharui meshing agar nama yang diberikan menyatu dengan geometri yang sudah ada. Setelah update mesh selesai akan muncul pemberitahuan yang menyatakan bahwa semua cell zone akan tersetting dalam bentuk fluida.

Gambar 9. Pemberitahuan seluruh gerometri di atur menjadi fluida Pencarian solusi

Pada proses ini memiliki dua metode yang biasa digunakan pada teknik pemecahan secara numerik yaitu volume hingga (finite volume) dan metode elemen hingga (finite element). Pada tahap ini proses iterasi atau pengulangan sangat menetukan hasil dari simulasi (Izaniyah, 2017).

Pada proses pencarian solusi ini memiliki beberapa tahapan sebelum melakukan kalkulasi simulasi:

1. Pengaturan umum

Pada tahap ini yang pertama dilakukan adalah memilih mesh model yang digunakan untuk melakukan penskalaan mesh, memilih tipe pencarian solusi dengan tipe solver pressured-based, pada bagian waktu dipilih secara transien 16

(29)

5

untuk melihat perubahan pencampuran pada tiap waktu yang diinginkan, pada bagian kecepatan dipilih solver absolute.

2. Pemilihan model

Pada penelitian ini menggunakan model viscous karena fluida yang dipakai memiliki kekentalan yang tinggi. Pada tab model viscous selanjutnya dipilih k- epsilon standard untuk pilihan aliran tubulen dan standard wall functions. Alasan lain pemakaian model k-epsilon adalah modelnya cukup stabil, memiliki akurasi yang cukup untuk digunakan pada aliran turbulen (Tuakia, 2008).

Gambar 10. Tampilan pengaturan viscous model

Menurut Tuakia (2008) pemilihan reaksi volumetrik (volumetric reaction- species transport) dapat menggambarkan pensimulasian aliran reaksi kimia pada ansys fluent. Pada pensimulasian yang menggunakan aliran tubulen model finite- rate/eddy-dissipation merupakan model yang baik karena model ini memperhitungkan faktor turbulen antara reaksi kimia-turbulen. Pada kotak mixture template dimasukkan senyawa yang akan direaksikan, lalu memasukkan nilai aktivasi dan faktor eksponensial yang didapat dari persamaan Arrhenius.

Penambahan aktivasi energi dapat diartikan suatu reaksi kimia akan terjadi apabila 17

(30)

6

energi minimum yang dibutuhkan dapat terpenuhi sedangkan faktor pre- eksponensial sama dengan faktor tumbukan yang terjadi yang didapat dari persamaan Arrhenius.

Gambar 11. Tampilan kotak dialog species model dan senyawa reaksi 3. Pengaturan dan penambahan material

Sifat kimia dan fisik material yang digunakan dapat dicari melalui database fluent dan dimasukkan secara manual dari literatur. Material yang dibutuhkan pada simulasi ini adalah metanol, gliserol, trigliserida dan FAME. Data sifat fisik dimasukkan pada pilihan mixture-template.

Tabel 3. Karakteristik material

Parameter fluida Trigliserida Metanol FAME Gliserida Berat molekul (g mol^-1) 858^[24] 32^[25] 287^[24] 92^[24]

Densitas (kg m^-3) 870^[28] 785^[25] 850^[5] 1259,9^[24]

Viskositas dinamis (kg m^-

1s^-1) 0,030093^[28] 0,000549^[25] 0,00195^[5] 0,799^[24]

Kapasitas panas (kJ kg^-1 C^-

1) 1920^[29] 2534^[25] 1112^[28] 2427^[24]

Konduktivitas (W m^-1 C^-1) 0,1708^[29] 0,2022^[25] 0,1705^[29] 0,286^[24]

Sumber : [5] BSN (2015); [24] Panggabean (2011); [25] Panggabean, dkk (2020);

[28] Sari (2016); [29] Suryawanshi (2009) 4. Pengaturan kondisi cell zone

Zona dalam reaktor terbagi atas dua bagian, yaitu zona fluida (mixing zone) dan zona padatan (mixer). Proses perhitungan hanya pada zona fluida.

18

(31)

5 5. Pengaturan Boundary Conditions

Zona pada boundary meliputi inlet, outlet, interior dan wall. Simulasi menggunakan velocity-inlet dan pressure-outlet

Gambar 12. Tampilan boundary condition velocity inlet

. Kondisi batas pressure-outlet ini dipakai dengan tujuan agar kondisi di outlet dapat ditentukan, terutama untuk rasio akhir reaksi. Data yang diperlukan antara lain kecepatan massa, temperatur reaksi, dan fraksi mol, sedangkan nilai tekanan gauge untuk inlet dan outlet adalah 0 pascal.

Gambar 13. Tampilan boundary condition outlet 6. Pengaturan Solution Methods dan Solution Controls

Pengaturan metode solusi merupakan proses interpolasi perhitungan pada titik-titik simpul mesh untuk mendapatkan nilai yang kontinu. Skema interpolasi yang digunakan adalah first-order upwind scheme. Skema ini adalah yang paling ringan dan cepat mencapai konvergen. Parameter kontrol solusi berikutnya adalah pressure-velocity coupling untuk menghitung kontinuitas massa. Pengaturan 19

(32)

6

parameter kontrol solusi adalah faktor underrelaxation untuk menstabilkan proses iterasi.

Gambar 14. Tampilan solution methods

Pada model ini menggunakan PISO algoritma pada pressure-velocity coupling. Algoritma ini digunakan berdasarkan pendekatan keakuratan. Skema PRESTO digunakan diskritisasi tekanan terhadap aliran yang memiliki kurva domain yang kuat. Skema second order upwind digunakan untuk menyelesaikan masalah kestabilan dari momentum.

7. Pengaturan Initialization

Proses inisialisasi (tebakan awal) dihitung dari semua kondisi batas (all zones) dengan nilai awal sesuai dengan nilai yang dimasukan pada kondisi batas tersebut.

8. Pengaturan Calculation Activities

Pengaturan perhitungan meliputi penentuan kriteria konvergensi dan banyaknya iterasi yang akan dilakukan. Kriteria konvergensi menggunakan nilai 20

(33)

5

0,001 untuk semua persamaan dan 10^-6 pada persamaan energi. Kriteria konvergensi adalah perbedaan antara tebakan awal dan hasil akhir hasil iterasi.

Iterasi dilakukan sebanyak sepuluh kali untuk data 1 menit.

9. Run Calculation

Perhitungan semua persamaan dari model yang sudah ditentukan dan berhenti sesuai waktu iterasi.

Pasca pemprosesan

Pada tahap adalah menyajikan hasil kalkulasi yang dijalankan pada tahap pencarian solusi akan diperlihatkan pada tahap pasca pemprosesan. Hasil dapat ditampilkan dengan beberapa pilihan yaitu plot kontur, plot vektor, streamline aliran, volume rendering, kecepatan aliran udara, distribusi sebaran parameter pada titik-titik yang diamati, plot permukaan 2D, manipulasi tampilan (translasi, rotasi dan sebagainya) (Izaniyah, 2017).

Pensimulasian menggunakan CFD diharapkan akan mendapatkan nilai yang akurat dengan nilai selisih di bawah <10% (Triwahyudi dkk., 2016) dari keadaan sebenarnya. Dengan melakukan simulasi ini dapat memberikan saran kepada peneliti untuk melakukan modifikasi alat, perbaikan struktur alat, peremajaan atau maintance alat dan penyaranan pembuatan alat agar membuat alat lebih efisien dalam dapat mengurangi kerugian dan kerusakan alat di masa depan.

21

(34)

METODOLOGI PENELITIAN

Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian dilaksanakan di Laboraturium Energi dan Elektrifikasi, Program Studi Keteknikan Pertanian, Fakultas Pertanian, Universitas Sumatera Utara pada.

Penelitian dilaksanakan mulai bulan Juni 2020 – Maret 2021.

Bahan dan Alat

Bahan yang diperlukan berupa data-data fisik dan kimia dari senyawa trigliserida (minyak kelapa sawit), metanol, FAME (fatty acid methyl esther), dan gliserol sebagai data input simulasi.

Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah Software Ansys Fluent Version 16.2 64Bit, Laptop HP 8GB RAM, Prototipe static mixing reactor (SMR) tipe Low Pressure Dynamics (LPD).

Prosedur Penelitian

Penelitian ini melakukan 5 tahapan, yaitu perhitungan, pra-pemprosesan, pencarian solusi, validasi data simulasi dan analisis hasil simulasi.

A. Pengukuran dan Perhitungan

Proses perhitungan dilihat pada Persamaan 6, 7, 8, 9 dan 10:

1. Menghitung fraksi mol reaktan (Panggabean, 2011) 𝑚𝑓₁ = _𝑛^𝑛¹

𝑡𝑜𝑡 ... (6) 𝑚𝑓₂ = _𝑛^𝑛²

𝑡𝑜𝑡 ... (7) Dimana :

𝑚𝑓₁ = mol fraksi metanol 𝑚𝑓₂ = mol fraksi minyak

(35)

n_1,2= mol minyak dan mol metanol (mol) ntot = total n1 + n2

2. Menghitung laju massa aliran (Panggabean, 2011)

ṁ = 𝜌_{𝑐𝑎𝑚𝑝𝑢𝑟𝑎𝑛} . 𝑄_{𝑝𝑜𝑚𝑝𝑎} ... (8) Dimana :

ṁ = Laju aliran massa (kg s^-1) 𝜌_{𝑐𝑎𝑚𝑝𝑢𝑟𝑎𝑛} = Massa jenis campuran (kg m^-3) 𝑄_{𝑝𝑜𝑚𝑝𝑎} = Debit pompa (m³ s^-1)

3. Menghitung bilangan Reynold aliran

𝑅𝑒 = ^𝑣_𝑉^𝑑 ... (9) Dimana :

𝑅𝑒 = Bilangan Reynold (Re) 𝑣 = Kecepatan aliran (m s^-1) 𝑑 = Diameter pipa (m)

𝑉 = Viskositas kinematis (m² s^-1)

4. Menghitung energi aktivasi (Panggabean, 2011)

ln 𝐾 = ln 𝐴 . ^𝐸𝐴_𝑅𝑇 ... (10) Dimana :

k = Konstanta laju reaksi A = Faktor frekuensi tumbukan Ea = Energi Aktivasi

R = Nilai konstanta gas T = Temperatur (k)

23

(36)

6

B. Tahap Pra-pemprosesan

1. Membuat desain geometri 3D dari elemen static mixer dan reaktor sesuai dengan dimensi alat yang sebenarnya dengan panjang plat 35,8 mm, tebal plat 1,5 mm dan tinggi plat 10,5 mm; serta dengan 12 elemen sesuai Tabel 1.

2. Melakukan proses meshing pada geometri yang sudah dibuat dengan menerapkan metode tethrahedron agar menghasilkan hasil meshing yang baik dengan nilai skewness ≤ 0,9 (Tuakia, 2008).

C. Tahap Pencarian Solusi

Sebelum memulai tahapan pencarian solusi, diharuskan membuat asumsi- asumsi untuk mengetahui batasan kondisi (boundary condition) yang akan dipakai pada simulasi :

1. Mengasumsikan sistem pada reaktor static mixer dalam keadaan tertutup.

2.

Mengasumsikan aliran transien pada proses pencampuran. Yang memiliki arti aliran berubah menurut waktu, baik kecepatan dan sifat alirannya.

3.

Mengasumsikan temperatur pada setiap reaktor sama, yaitu 60°C = 333 K.

Penggunaan temperatur 60°C diambil dari penelitian Fazrina (2020) sebagai acuan penelitian.

Setelah membuat asumsi yang dibutuhkan dilanjutkan dengan mengatur beberapa pilihan untuk menjalankan kalkulasi, antara lain sebagai berikut:

1) Melakukan pengaturan umum

 Melakukan penskalaan mesh model

 Mengatur tipe solver pressure-based

24

(37)

 Memilih waktu transien untuk melihat perubahan tiap waktu yang diinginkan

 Memilih kecepatan solver absolute 2) Memilih model simulasi

 Memilih k-epsilon standar dan standard wall functions pada model viscous

 Memilih model reaksi volumetrik (volumetric reaction-Species transport) pada species model

 Memilih finite-rate/eddy-dissipation untuk interaksi kimia-turbulen dengan faktor turbulen diperhitungkan

 Memasukkan senyawa yang akan kita reaksikan pada mixture template

 Memasukkan nilai aktivasi dan faktor eksponensial yang didapat dari

persamaan Arrhenius 3) Menambahkan material

 Memasukkan data sifat fisik material (Tabel. 2) yang akan ditambahkan

pada pilihan mixture-template 4) Mengatur cell zone conditions

 Membagi zona atas dua bagian, yaitu zona fluida dan zona padatan 5) Mengatur boundary conditions

 Mengatur boundary conditions yang meliputi inlet, outlet, interior dan

wall

 Menggunakan velocity inlet dan pressure outlet pada proses kalkulasi

 Memasukkan nilai yang sudah dicari pada proses perhitungan yang meliputi mass flowrate, temperatur 60^oC atau 333 K, dan nilai fraksi mol

25

(38)

6

6) Mengatur solution methods dan solution controls

 Memilih first-order upwind scheme sebagai skema interpolasi

 Memilih pressure-velocity coupling sebagai parameter kontrol solusi

 Menggunakan PISO algoritma pada pressure-velocity coupling sebagai metode solusi

 Menggunakan skema PRESTO dan skema second order upwind pada

kotak spatial discretation sebagai metode solusi 7) Mengatur initialization

 Melakukan tebakan awal dengan menggunakan nilai-nilai yang sudah

dimasukan pada kondisi batas tersebut.

8) Mengaturan calculation activities

 Memasukkan kriteria konvergensi dengan memakai nilai 0,001 untuk

semua persamaan dan 10^-6 pada persamaan energi 9) Menjalankan kalkulasi (run calculation)

 Perhitungan semua persamaan dari model yang sudah ditentukan dan

berhenti sesuai waktu iterasi.

D. Memvalidasi Data

Memvalidasi data dengan membandingkan hasil simulasi terhadap parameter pola aliran, penurunan tekanan (pressure drop), viskositas dan kosentrasi FAME untuk mencari nilai selisih dengan persamaan berikut :

𝑆𝑒𝑙𝑖𝑠𝑖ℎ (%) = |𝐸𝑘𝑠𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛−𝑆𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎𝑠𝑖

𝐸𝑘𝑠𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛 | 𝑥 100% ... (11) Sumber. Jorge dkk. (2019)

26

(39)

E. Menganalisis Data

Menganalisis data dengan memplotkan hasil simulasi dalam bentuk plot kontur tekanan, plot vektor kecepatan, plot kontur viskositas dan plot kontur FAME yang dan dengan mengamati hasil tersebut untuk mengetahui penyebaran distribusi tekanan, penurunan viskositas dan pola aliran yang terjadi didalam pipa yang tidak bisa diamati secara langsung.

Parameter Penelitian 1. Pola Aliran

Pola aliran merupakan aliran yang terbentuk dari pencampuran fluida pada proses produksi biodiesel. Pola aliran yang terbentuk dapat diamati dari hasil simulasi pada variabel kecepatan aliran pada software ansys.

2. Penurunan Tekanan (Pressure Drop)

Penurunan tekanan merupakan tekanan aliran fluida yang mengalami penurunan pada setiap pipa yang dapat diamati dari hasil simulasi pada variabel distribusi tekanan yang dapat dilihat pada tahap pasca-pemprosesan.

3. Viskositas

Viskositas adalah nilai kekentalan fluida yang didapat pada hasil pencampuran yang nilainya didapat dari hasil eksperimen dan hasil simulasi pada variabel viskositas pada tahap pasca-pemprosesan.

4. Konsentrasi Biodiesel (FAME)

Konsentrasi FAME merupakan hasil persenan (yield) biodiesel yang didapat dari hasil simulasi pada tahap pra-pemprosesan.

(40)

6

HASIL DAN PEMBAHASAN

Static mixer LPD Konvensional Pressure Drop

Sesuai dengan namanya static mixer tipe LPD (Low Pressure Drop) memiliki keunggulan yaitu dapat memaksimalkan kehilangan tekanan minimun dan baik digunakan pada penggunaan aliran turbulensi serta fluida yang memilki kekentalan yang tinggi (ROSS, 2014).

Faktor yang dapat mempengaruhi penurunan tekanan pada static mixer LPD ini adalah aliran fluida, faktor gesekan, diameter reaktor, belokan, sambungan antar pipa dan panjang static mixer yang digunakan. Keberadaan static mixer yang berbentuk setengah lingkaran yang menyilang menyebabkan aliran yang melewati elemen akan terbelah, terbagi dan bercampur kembali sehingga tumbukan antara partikel dengan pipa dan elemen static mixer.

Berikut adalah kontur pressure yang terjadi pada penggunaan static mixer tidak berlubang.

Gambar 15. Kontur pressure static mixer tidak berlubang

Gambar 15 menunjukkan distribusi tekanan yang terjadi pada jenis static mixer tipe LPD tidak berlubang. Pada LPD yang tidak berlubang memiliki pressure drop atau penurunan tekanan yang cukup cepat pada setiap modul

(41)

reaktor. Penurunan tekanan pada static mixer LPD tidak berlubang ini dimulai pada awal reaktor 3. Pada proses pembuatan biodiesel menggunakan static mixer tipe LPD penurunan tekanan (pressure drop) didapat dari pengurangan tekanan awal aliran dikurang tekanan akhir atau tekanan pada oulet masing-masing reaktor sesuai dengan penelitian Fazrina (2020). Hasil penurunan tekanan (pressure drop) eksperimen dan simulasi dapat dilihat pada Lampiran 11.

Penurunan tekanan yang cukup besar pada produksi biodiesel menggunakan static mixer ini disebabkan oleh diameter reaktor yang cukup kecil dengan panjang reaktor yang hampir mencapai 6,61 m sehingga partikel fluida mengalami gesekan yang cukup panjang dengan dinding pipa dan elemen static mixer. Gaya gesek ini terjadi akibat adanya hambatan terhadap aliran. Salah satu hambatan terbesar terhadap aliran pada penelitian ini adalah penggunaan static mixer yang menyebabkan kecepatan aliran meningkat diakibatkan tingginya turbulensi partikel pada proses pencampuran ditambah reaktor yang digunakan cukup panjang dan berlangsung lama sehingga terjadi peningkatan faktor gesekan dan menyebabkan penurunan tekanan yang besar pada produksi biodiesel pada penelitian ini.

Viskositas

Salah satu parameter yang paling penting dalam pembuatan biodiesel adalah viskositas. Semakin baik atau rendah nilai viskositas maka semakin meningkat nilai kecepatan suatu aliran fluida dan mengakibatkan tingkat tumbukan partikel juga meningkat. Maka semakin baik nilai viskositas biodiesel semakin baik biodiesel yang dihasilkan.

29

(42)

6

Berikut adalah grafik perbandingan viskositas masing masing modul reaktor 5, 7, dan 9 :

Gambar 16. Grafik viskositas LPD konvensional

Penggunaan static mixer LPD memiliki nilai aktual 3,64 mm²/s (Cst) – 3,793 mm²/s (Cst) nilai ini memenuhi standar maksimum SNI yaitu sebesar 2,3 mm²/s (Cst) – 6,0 mm²/s (Cst) pada kondisi aktual (Fazrina, 2020). Nilai viskositas pada penggunaan static mixer tipe LPD tidak berlubang sebesar 0,0051445 Pas - 0,0053255 Pas atau sebesar 3,623 mm²/s (Cst) – 3,750 mm²/s (Cst) yang didapat dari hasil simulasi. Hasil viskositas eksperimen dan simulasi dapat dilihat pada Lampiran 12.

Hasil simulasi menunjukkan penggunaan static mixer LPD tidak berlubang memiliki viskositas yang rendah pada reaktor 9 dan tertinggi pada reaktor 7 begitu juga pada kondisi aktual dapat disebabkan adanya reaksi bolak - balik yang terjadi pada saat pencampuran, reaksi bolak - balik merupakan kondisi sudah mencapai kesetimbangan namun dengan bertambahnya waktu proses menyebabkan reaksi bergeser kembali kearah reaktan. Akibatnya, rendemen biodiesel yang dihasilkan berkurang (Ramachandran dkk., 2013) dan kurang baiknya pencampuran dan

0.0051 0.00515 0.0052 0.00525 0.0053 0.00535 0.0054 0.00545 0.0055

5 7 9

Viskositas (Pas)

Reaktor

30

(43)

pembelahan yang terjadi dikarenakan static mixer LPD yang lebih sedikit dilalui oleh bahan hal ini sejalan dengan nilai yang didapat pada keadaan yang sebenarnya pada penelitian Fazrina (2020).

Pola Aliran

Pola pencampuran reaktan dapat dikaji dari pola aliran yang terjadi ketika reaktan melalui elemen pengaduk. Paremeter yang dapat menjelaskan pola suatu aliran adalah dengan melihat kecepat aliran. Kecepatan aliran merupakan faktor yang sangat penting pada proses pencampuran diantara reaktan. Dengan meningkatnya kecepatan, proses pencampuran dan tumbukan antar partikel akan semakin baik. Disamping itu, jumlah partikel yang dapat bereaksi menghasilkan FAME juga akan meningkat (Panggabean dkk., 2020).

Gambar 17. Vektor velocity penampang yzx LPD tidak berlubang; (a) vektor kecepatan aliran, (b) tampak dekat vektor kecepatan aliran

Gambar 17 menunjukkan peningkatan kecepatan aliran yang terjadi pada proses biodiesel. Bisa kita lihat perubahan warna yang terjadi pada kecepatan aliran yang ditunjukkan pada Gambar 17a mulai terlihat berbeda pada awal reaktor ketiga hal ini sejalan dengan kontur penurunan tekanan pada Gambar 15 yang menunjukkan penurunan tekanan pada awal reaktor 3. Perubahan warna yang ditunjukkan pada vektor velocity diatas mengindikasikan kecepatan aliran yang meningkat. Perubahan kecepatan aliran dapat mengindikasikan terjadinya

(a) (b)

31

(44)

6

penurunan tekanan dan penurunan viskositas pada aliran fluida yang mengalir dalam pipa.

Peningkatan kecepatan aliran ini juga meningkatkan intensitas tumbukan partikel yang terjadi. Pada Gambar 17b dapat dilihat vektor panah aliran yang melalui elemen static mixer tidak beraturan dan menandakan partikel fluida yang mengalir di dalam pipa saling bertumbukan dan mengakibatkan gesekan pada dinding pipa dan elemen static mixer. Kecepatan aliran tertinggi didapati pada sela-sela sambungan antar elemen dan pada ujung-ujung static mixer yang merupakan awal dan akhir fluida bertemu elemen static mixer.

Pola aliran yang terjadi pada proses pembuatan biodiesel ini dapat dikatakan aliran turbulen dengan didapatnya nilai bilangan reynold masing- masing reaktan di atas 1000 (Re > 1000) pada saluran terbuka. Dengan terjadinya pola aliran turbulen pada proses produksi biodiesel ini diharapkan proses pencampuran yang baik dan menghasilkan nilai metil ester yang tinggi.

Konsentrasi Biodiesel

Gambar 18. Konsentrasi FAME dari simulasi CFD 99

99.2 99.4 99.6 99.8 100

5 7 9

Konsentrasi FAME (%)

Reaktor

32

(45)

Konsentrasi biodiesel yang digunakan pada penelitian ini adalah nilai FAME (fatty acid methyl esther) yang diproduksi pada masing-masing reaktor yaitu reaktor 5,7 dan 9. Hasil perbandingan nilai simulasi static mixer tipe LPD (low pressure drop) tidak berlubang dan berlubang dapat dilihat pada Gambar 21.

Nilai kadar metil ester yang dihasilkan pada penilitian ini memiliki nilai diatas standar SNI yaitu 96,5%-massa. Konsentrasi FAME yang dihasilkan pada simulasi menggunakan static mixer tipe LPD yang tidak berlubang adalah 99,48%

pada reaktor 5, mengalami penurunan pada reaktor 7 dengan nilai 99,37% dan mengalami kenaikan kembali pada reaktor 9 dengan nilai 99,53%. Hasil konsentrasi FAME eksperimen dan simulasi dapat dilihat pada Lampiran 13.

Penurunan pada reaktor 7 sejalan dengan nilai viskositas yang didapat.

Semakin rendah nilai viskositas semakin tinggi kadar metil ester yang didapat.

Penurunan yang terjadi dapat diakibatkan adanya reaksi bolak-balik yang terjadi pada reaksi yang sudah mencapai nilai kesetimbangan namun disebabkan bertambahnya waktu proses menyebabkan reaksi bergerak menjadi reaktan kembali. Dari hasil kadar metil ester yang diperoleh membuktikan bahwa penggunaan static mixer LPD dapat meningkatkan kualitas biodiesel jauh di atas nilai standar SNI yang didapat.

Validasi Eksperimen dan Simulasi

Proses validasi pada penelitian ini menggunakan data aktual dari penggunaan static mixer tipe low pressure drop (LPD). Dengan membandingkan nilai hasil simulasi dengan nilai aktual dari penggunaan static mixer tipe, geometri dan jumlah elemen yang sama pada sebuah reaktor. Parameter yang diambil untuk dibandingkan adalah nilai pressure drop, viskositas dan konsentrasi FAME (fatty 33

(46)

6

acid methyl esther) yang dihasilkan pada reaktor 5, 7, 9. Data penelitian ini menggunakan 9 reaktor yang di isi dengan 12 elemen static mixer tipe LPD (Fazrina, 2020).

Berikut adalah grafik perbandingan nilai eksperimen dan simulasi penurunan tekanan (Pressure Drop) :

Gambar 19. Perbandingan nilai eksperimen dan simulasi

Gambar 19 menunjukkan grafik perbaningan nilai selisih yang didapat dari perbandingan pressure drop antara eksperimen dan simulasi sebesar 7,18 % yang berarti selisih dari hasil masih dalam batas toleransi sebesar <10%. Nilai selisih pada masing-masing reaktor dapat dilihat pada Lampiran 14.

0 1 2 3 4 5 6

0 2 4 6 8 10

Pressure (psi)

Reaktor

Simulasi Eksperimen

34

(47)

Berikut adalah grafik perbandingan Eksperimen dan simulasi :

Gambar 20. Grafik perbandingan eksperimen - simulasi

Gambar 20 menunjukkan grafik nilai selisih yang didapat dari perbandingan viskosits antara eksperimen dan simulasi sebesar 0,86 % yang berarti selisih dari hasil masih dalam batas toleransi sebesar <10%. Nilai selisih pada masing-masing reaktor dapat dilihat pada Lampiran 15.

Perbandingan antara simulasi dan percobaan untuk konsentrasi biodiesel dapat dilihat pada Gambar 21.

Gambar 21. Validasi menggunakan konsentrasi FAME (%)

`Persentasi selisih (menggunakan Persamaan 10) dari konsentrasi FAME yang didapat dari simulasi CFD adalah 0,24 % dengan batas toleransi yang

3.6 3.65 3.7 3.75 3.8 3.85

0 2 4 6 8 10

Viskositas (Cst)

Reaktor

Simulasi Eksperimen

99 99.2 99.4 99.6 99.8 100

0 2 4 6 8 10

Konsentrasi FAME (%)

Reaktor

Simulasi Eksperimen

35

(48)

6

diterima sebesar <10% sebagaimana yang dinyatakan Triwahyudi dkk. (2016).

Nilai selisih pada masing-masing reaktor dapat dilihat pada Lampiran 16.

Dengan didapatnya nilai selisih pada masing-masing parameter dan terpenuhinya nilai toleransi yang dapat digunakan untuk memvalidasi data maka, seluruh kondisi batas operasi yang digunakan pada static mixer tipe LPD dapat digunakan untuk melakukan skenario modifikasi static mixer yang ingin dibuat untuk meningkatkan hasil produk dan performansi alat.

Penggunaan static mixer LPD konvensional menghasilkan nilai yang cukup baik pada masing-masing parameter. Dengan didapatnya nilai konsentrasi biodiesel yang jauh diatas standar nilai SNI yang mengindikasikan performansi alat tersebut sudah baik. Perlunya penambahan lubang pada static mixer LPD tidak berlubang adalah untuk memperbaiki pembelahan dan pencampuran bahan yang terjadi didalam pipa. Reaksi balik pada penelitian yang dilakukan Fazrina (2020) yang terjadi pada reaktor 7 mengindikasikan pembelahan dan pencampuran yang dilewati fluida melalui elemen static mixer tidak cukup baik sehingga terjadinya reaksi balik pada reaktor tersebut. Penambahan lubang bertujuan untuk memperbaiki aliran yang melewati elemen dapat membelah dan bercampur dengan baik. Lubang yang berada ditengah elemen static mixer akan menarik partikel fluida untuk melewati lubang dan akan terjadi pembelahan pada aliran tersebut yang kemudian akan dipertemukan kembali dan bercampur dengan partikel fluida lainnya dan begitu seterusnya. Fenomena ini sesuai percobaan yang dilakukan oleh Panggabean dkk. (2020) pada simulasi menggunakan elemen static mixer tipe heliks yang diberi lubang dan sejalan dengan penelitian yang dilakukan 36

(49)

oleh Varol dkk. (2016) yang menyatakan bahwa dengan penambahan lubang pada elemen memiliki dampak positif dalam meningkatkan kualitas campuran.

Skenario Static Mixer Berlubang

Penambahan lubang dapat menjadi faktor terjadinya peningkatan kecepatan fluida. Peningkatan kecepatan tumbukan partikel ini disebabkan sebagian fluida mengalami atau akan melewati hambatan dan benturan pada permukaan elemen, lalu melewati lubang yang tidak ada hambatan dan ketika akan keluar dari lubang partikel akan berbenturan kembali dengan partikel lain yang memiliki kecepatan yang berbeda-beda sehingga berdampak pada proses pencampuran yang menjadi lebih baik dan mengakibatkan naiknya konsentrasi FAME dari produksi biodiesel.

Gambar 22. Skenario static mixer berlubang tipe LPD

Dalam skenario simulasi yang dilakukan Panggabean dkk. (2020) didapati bahwa penggunaan lubang pada static mixer tipe heliks dapat meningkatkan nilai konsentrasi FAME sebesar 4,06% dibandingkan menggunakan static mixer tipe heliks tidak berlubang. Penambahan lubang pada static mixer tipe LPD diharapkan mendapatkan hasil yang memuaskan dan dapat menurunkan nilai viskositas pada hasil biodiesel yang dihasilkan pada static mixer tipe LPD biasa.

Posisi lubang pada skenario terletak pada satu sisi masing-masing elemen, hal ini dilakukan dengan asumsi partikel fluida yang melewati lubang akan bertabrakan kembali dengan sisi elemen yang tidak berlubang sehingga partikel fluida yang melalui static mixer bertambah. Diameter lubang dibuat dengan 37

(50)

6

ukuran 4 mm dengan dasar penilitian yang sudah dilakukan oleh Panggabean dkk.

(2020) yang menggunakan static mixer heliks sebagai objek penelitian.

Pressure Drop

Pada skenario penambahan lubang diharapkan penuruan tekanan tidak terjadi cepat dan besar dibandingkan pada static mixer LPD tidak berlubang agar pompa tidak memberi tekanan yang besar untuk memompa bahan yang akan dialirkan melewati reaktor untuk bercampur menjadi biodiesel. Selain itu faktor gesekan yang tejadi pada skenario lubang yang dibuat juga menyebabkan gesekan yang terjadi antara aliran fluida, elemen static mixer dan pipa meningkat yang mengakibatkan kehilangan tekanan atau penurunan tekanan.

Berikut adalah gambar kontur pressure dari simulasi skenario static mixer penambahan lubang :

Gambar 23. Kontur pressure static mixer berlubang

Penurunan tekanan pada skenario static mixer yang berlubang cenderung lebih lama dibandingkan static mixer LPD tidak berlubang dapat dilihat dari distribusi tekanan pada Gambar 23 yang menunjukkan penurunan tekanan pada LPD yang berlubang terjadi pada pertengahan reaktor ketiga sedangkan LPD yang 38