PEMBANGUNAN MODEL KINETIKA PROSES DAN

HIDRODINAMIKA UNIT FLOTASI UDARA TERLARUT,

SERTA PENGEMBANGAN KONSEP PEMBANGKIT

GELEMBUNG MIKRO

DISERTASI

Karya tulis sebagi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dari

Institut Teknologi Bandung

Oleh

HERY BUDIANTO NIM : 35302001

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007

PEMBANGUNAN MODEL KINETIKA PROSES DAN

HIDRODINAMIKA UNIT FLOTASI UDARA TERLARUT,

SERTA PENGEMBANGAN KONSEP PEMBANGKIT

GELEMBUNG MIKRO

Oleh

HERY BUDIANTO NIM : 35302001

Institut Teknologi Bandung

Menyetujui

Tim Pembimbing

Tanggal……………………

Ketua

______________________________

(Prof. Dr. Ir. Wisjnuprapto, Dipl. SE.)

Anggota Anggota

_________________________________ _________________________________

(Prof. Dr. Ir. Benjamin Soenarko, MSME.) (Prof. Ir. Suprihanto Notodarmojo, Ph.D.)

PEMBANGUNAN MODEL KINETIKA PROSES DAN

HIDRODINAMIKA UNIT FLOTASI UDARA, SERTA

PENGEMBANGAN KONSEP PEMBANGKIT GELEMBUNG MIKRO

ABSTRAK

Flotasi udara terlarut (dissolved air flotation – DAF) adalah unit operasi yang digunakan untuk pemisahan fasa padat dari fasa cair atau fasa cair dari fasa cair. DAF mempergunakan gelembung udara mikro untuk penyisihannya. Proses penyisihan yang terjadi pada unit DAF diberikan oleh kinetika DAF.

Disertasi ini berhasil membangun model kinetika DAF dengan berdasarkan model keterkaitan dua arah yang dibangun oleh Wang dkk. (1998). Hasil pengujian dan kalibrasi menunjukan model yang dibangun dapat diaplikasikan pada penyisihan partikel tapioka dari air.

Kemajuan CFD (Computational Fluid Dynamics) untuk mensimulasikan hidrodinamika, digunakan untuk menganalisa hidrodinamika yang terjadi pada unit DAF. Simulasi CFD yang dilakukan adalah hidrodinamika pada aliran tiga dimensi (3D) dan tiga fasa. Ketiga fasa yang meliputi fasa cair dengan air sebagai fasa pembawa, fasa padat dengan partikel tapioka serta fasa gas dengan gelembung. Simulasi yang dilakukan adalah dengan memvariasikan tinggi baffle pada tangki DAF yaitu dengan tinggi baffle 12,5; 32,5; 40,0; 60,0 cm dan tanpa baffle.

CFD juga dikaitkan dengan model kinetika yang dibangun untuk mengetahui penyisihan partikel padat dengan mempergunakan besaran kecepatan yang didapatkan dari simulasi CFD pada setiap titik tinjau di dalam ruang tangki flotasi.

Disertasi ini juga meninjau konsep desain pembangkit gelembung mikro sebagai substitusi dari tangki tekan dengan tujuan untuk meningkatkan kinerja unit DAF dan mengurangi biaya operasional unit DAF.

Kata kunci : energi dissipasi, frekuensi tumbukann, kinetika DAF, CFD, pembangkit gelembung mikro

DEVELOPMENT OF PROCESS KINETICS MODEL,

HYDRODYNAMICS OF DISSOLVED AIR FLOTATION UNIT, AND

CONCEPT OF MICRO-BUBBLE GENERATOR

ABSTRACT

Dissolved air flotation (DAF) is an unit operation applied for removal of solid phase from liquid phase or liquid phase from liquid phase. DAF utilizes micro air bubble for its exclusion. Exclusion process that occurred in DAF unit given by DAF kinetics. This dissertation successfully developed DAF kinetic model with based on two-way coupling method developed by Wang et al. (1998). Result of validation and calibration showed that model which have been developed are suitable to be applicated for the removal of tapioca particle from water. Advances CFD (Computational Fluid Dynamics) simulation of hydrodynamics was applied to analyze the hydrodynamics that occurred in DAF unit. Simulation of CFD that have been done is hydrodynamics at three dimensional (3D) flow and three phases. Primary phase is water as carrier phase, solid phase is tapioca particles and gas phase is bubble. Simulation conducted with various height of baffle in the DAF tank with its variation in 12,5; 32,5; 40,0; 60,0 cm and without baffle. CFD also linked to kinetic model developed to calculate the removal of tapioca particles with used velocity and pressure in each point of evaluation in flotation tank. This dissertation also developed the design concept of micro bubble generator for substitution of the pressure tank to increased the performance of DAF unit and reduced the operational cost of DAF unit. Keyword : dissipation energy, collision frequency, kinetics DAF, CFD, micro bubble generator

ii

Everything should be made as simple as possible, but not simpler Albert Einstein (1879-1955)

Teruntuk: MAMAK DARMI & BAPAK MARSONO pada tulus

EMAK AISYAH & BAPAK SOMAD untuk kasihnya EUIS KOMILI untuk cintanya

ADILAH FITRIA NAUFAL SHABRINA MUHAMMAD NAUFAL AQIL FARHAN

atas kedalaman lafaz makna dan ketulusan yang diajarkannya

iii

RINGKASAN

Flotasi udara terlarut (dissolved air flotation – DAF) adalah unit operasi yang

digunakan untuk pemisahan solid-liquid atau liquid-liquid dalam sebuah larutan.

Proses pemisahan ini banyak diaplikasikan pada pengolahan air minum dan air

limbah. Proses DAF dilakukan dengan menjenuhkan air dengan udara terlarut

pada tekanan di atas tekanan atmosfer. Air yang sudah terjenuhkan oleh udara

tersebut kemudian dialirkan ke tangki flotasi melalui lubang yang berukuran jauh

lebih besar dibandingkan gelembung. Akibat dari pengurangan tekanan ke

atmosfer tersebut udara yang terlarut akan membentuk gelembung udara mikro,

yaitu gelembung udara dengan ukuran kurang dari 150 µm. Gelembung udara ini

akan terkoloid dengan partikel di tangki flotasi sehingga membentuk agglomerat

gelembung-partikel (Edzwald, 1995).

Disertasi ini terdiri dari tiga bagian utama, yaitu (1) pembangunan model kinetika

flotasi, (2) pengkaitan model kinetika flotasi dengan hidrodinamika pada tangki

flotasi dengan metode CFD (Computational Fluid Dtnamics) dan (3) pembanguan

konsep pembangkit gelembung mikro.

Pembangunan model kinetika flotasi dimulai dengan model tumbukan partikel

padat dan gelembung (persamaan 4.18) berdasarkan model frekuensi tumbukan

Wang dkk. (1998) yang dibangun untuk tumbukan titik-titik (droplet) air di

atmosfer. Model kinetika yang dikembangkan tersebut merupakan model

frekuensi tumbukan dengan keterkaitan dua arah. Model frekuensi tumbukan dua

arah menunjukkan hasil yang lebih baik dibandingkan model tumbukan dengan

tinjauan keterkaitan satu arah yang selama ini dipakai secara luas pada model-

model kinetika flotasi.

Model frekuensi tumbukan antar partikel menunjukkan bahwa frekuensi

tumbukan tidak hanya dipengaruhi oleh gradien kecepatan dan gravitasi, tetapi

juga dipengaruhi oleh percepatan partikel sebagai tanggapan interaksi antara

percepatan fluida terhadap inersia partikel.

iv

Model frekuensi tumbukan dengan keterkaitan dua arah yang dikembangkan ini

melibatkan besaran energi dissipasi di dalam unit DAF. Dalam kaitan ini telah

berhasil dibangun sebuah model energi dissipasi unit DAF (persamaan 4.27).

Model ini merupakan perbandingan antara tekanan tangki tekan, fraksi volume

udara dan debit input ke tangki tekan terhadap massa jenis campuran dan volume

tangki tekan. Model ini berada dalam bentuk persamaan energi persatuan massa.

Model energi dissipasi unit DAF yang ada selama ini merupakan model energi

dissipasi dalam bentuk persamaan energi persatuan volume (model Fukushi dkk.,

1998). Model energi dissipasi yang dibangun dalam persamaan energi per satuan

massa ini menggantikan fungsi skala panjang Taylor dan percepatan aliran pada

model Wang. Dengan mempergunakan model energi dissipasi yang dibangun

tersebut model frekuensi tumbukan partikel dengan keterkaitan dua arah tersebut

dapat diselesaikan dan diaplikasikan pada unit DAF.

Disertasi ini juga mendapatkan bahwa energi isotermal pada unit model DAF

adalah parameter utama yang menentukan effisiensi penyisihan suatu unit DAF.

Dari hasil perhitungan yang digunakan dalam penelitian ini diperoleh bahwa

energi isotermal maksimum dicapai pada tekanan 60 psi. Namun demikian nilai

maksimum ini masih perlu diverifikasi pada sistem unit DAF yang lain.

Bertitik tolak dari model frekuensi tumbukan yang dikembangkan telah berhasil

dibangun model laju flotasi yang melibatkan model frekuensi tumbukan dan

besaran effisiensi pengumpulan. Besaran effisiensi pengumpulan terdiri dari dari

parameter effisiensi tumbukan, gelinciran, stabilitas dan effisiensi kontak tiga

fasa.

Model laju flotasi yang dibangun diterapkan pada neraca massa proses flotasi per

satuan waktu untuk mendapatkan model kinetika flotasi. Model kinetika flotasi

yang dibangun tersebut menggunakan asumsi bahwa konsentrasi udara dalam

tangki flotasi tetap. Model kinetika flotasi yang digunakan untuk mengevaluasi

kinerja unit flotasi menghasilkan effisiensi penyisihan flotasi.

v

Kalibrasi model effisiensi penyisihan flotasi dengan percobaan flotasi udara

terlarut menggunakan tepung tapioka sebagai partikel model menunjukkan

perbedaan hasil yang sangat kecil yaitu kurang lebih 5 %.

Studi hidrodinamika yang mengkaitkan model kinetika flotasi dengan

hidrodinamika pada tangki DAF dengan metode CFD mempergunakan perangkat

lunak Fluent® berhasil menvisualisasikan perilaku hidrodinamika di dalam tangki

flotasi dan membangun koefisien perubahan antar fasa padat untuk proses flotasi

dengan menggunakan fasiltas UDF (User Defined Functions) dari perangkatt

lunak Fluent®.

Simulasi hidrodinamika pada tangki DAF yang dilakukan meliputi simulasi tiga

fasa dan tiga dimensi (3D). Hasil simulasi dengan CFD mendapatkan bahwa (1)

ketinggian baffle yang berada zone outlet tangki DAF mempengaruhi perilaku

hidrodinamika di atas ambang baffle sehingga effisiensi penyisihan partikel padat

juga akan dipengaruhi oleh ketinggian baffle, (2) kecepatan maksimum setiap fasa

yang berada di atas baffle terjadi pada ketinggian baffle dengan effisiensi

penyisahan paling maksimum; (3) effisiensi maksimum penyisihan partikel padat

dalam DAF terjadi apabila kecepatan naik fasa padat lebih besar dari kecepatan

fasa cair. Pada kondisi percobaan penyisihan partikel padat yang dilakukan

didapatkan penyisihan maksimum terjadi pada tangki DAF dengan tinggi baffle

27,5 cm.

Pengembangan konsep pembangkit gelembung udara mikro dilakukan melalui

turbulensi aliran dengan meningkatkan kecepatan input udara ke dalam fasa cair

tanpa menggunakan unit bergerak. Diameter gelembung rerata yang dihasilkan

oleh pembangkit gelembung mikro skala laboratorium adalah 70 μm.

Aplikasi hasil penelitian unit DAF ini pada proses produksi tapioka skala

laboratorium berhasil meningkatkan effisiensi produksi tapioka dan

meminimalkan volume limbah cair dari proses produksi tapioka serta menurunkan

konsentrasi kontaminan pada effluent.

vi

KATA PENGANTAR

Hanya rahmat dan hidayat Allah SWT yang mengantarkan penulis dapat

menyelesaikan disertasi ini.

Penulis mengucapkan terimakasih kepada semua pihak yang telah membantu dan

mendorong penulis hingga selesainya disertasi ini, terutama kepada : Prof. Dr. Ir.

Wisjnuprapto, Dipl.S.E., selaku promotor dan yang membimbing penulis dengan

penuh kesabaran, pengorbanan dan mendalamkan metode ilmiah penulis dalam

penyelesaian disertasi ini; Prof. Dr. Ir. Benjamin Soenarko, MSME., selaku co-

promotor yang mengajarakan penulis tentang partikel dan cara penyajian yang

baik, Prof. Ir. Suprihanto Notodarmojo, Ph.D., selaku co-promotor dan

membimbing penulis dalam pola pikir yang lebih runut dan lebih effektif; Ir. Agus

Jatnika Efendi, Ph.D., selaku Ketua Program Studi Teknik Lingkungan ITB;

seluruh dosen dan staf di Teknik Lingkungan ITB; pimpinan dan rerekan di

Teknik Sipil UGM.

Penulis juga mengucapkan terima kasih yang mendalam kepada Qomaruddin

Helmy dan Tia yang banyak membantu penulis dengan segenap ketulusan dan

keikhlasannya. Ucapkan terima kasih penulis sampaikan secara khusus pada

Dedek, Abduh, Pak Rudi & Pak Edison, Depe, Haryo, Aan & Emi, Pak Deden &

Pak Erik, Mbak Naning, Pak Mamat, Jeng Susi, Andik, Mbak Siwi dan seluruh

rerekan S2 TL ITB, Pak Dadan dan seluruh rerekan di Gedung Lama TL ITB.

Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada keluarga besar di Tanjungkarang

dan Baturaja serta seluruh pihak yang membantu dalam penyelesaian studi ini.

Kritik dan saran dari pembaca dapat disampaikan kepada penulis melalui e-mail

herybudianto@gmail.com. Semoga laporan penelitian ini bermanfaat.

vii

Bandung, Desember 2007

Penulis

viii

DAFTAR ISI Halaman Pengesahan ................................................................................................i Halaman Persembahan ............................................................................................ ii Ringkasan ............................................................................................................. iii Kata Pengantar .......................................................................................................vi Daftar Isi .............................................................................................................. vii Daftar Gambar ........................................................................................................xi Daftar Tabel ........................................................................................................ xiii Daftar Simbol ......................................................................................................xiv Daftar Lampiran ................................................................................................ xviii Bab I Pendahuluan

1.1 Latar Belakang Penelitian...................................................................1

1.2 Hipotesa ..............................................................................................5

1.3 Identifikasi dan Batasan Masalah .......................................................6 1.3.1 Identifikasi Masalah .................................................................6 1.3.2 Batasan Masalah.....................................................................12

1.4 Maksud, Tujuan dan Manfaat Disertasi ............................................14

1.5 Ruang Lingkup Disertasi ..................................................................14

1.6 Sumbangan untuk Ilmu Pengetahuan ...............................................15

1.7 Sistematika Penulisan Laporan.........................................................15

Bab II Tinjauan Pustaka

2.1 Pendahuluan .....................................................................................16

2.2 Proses Flotasi Udara Terlarut (DAF)................................................17 2.2.1 Teori Pembentukan Gelembung .............................................21 2.2.2 Pembangkitan Gelembung Udara pada DAF .........................23 2.2.3 Kelarutan Udara pada Air.......................................................25 2.2.4 Penentuan Gas Hold Up .........................................................27 2.2.5 Perbandingan Fraksi Udara dan Partikel Padat pada DAF.....28 2.2.6 Turbulensi dan Kavitasi pada Pembangkitan Gelembung......30

2.3 Kecepatan Gelembung dan Agglomerat Gelembung-Partikel.........32 2.3.1 Kecepatan Gelembung Tunggal ..............................................32 2.3.2 Kecepatan Agglomerat Gelembung-Partikel...........................35

2.4 Model Kinetika Unit DAF ................................................................36 2.4.1 Model Kinetika DAF yang Telah Dikembangkan..................39 2.4.2 Model Kinetika Makroflotasi .................................................45

ix

2.5 Aliran Turbulen.................................................................................56 2.5.1 Energi Dissipasi Unit DAF.....................................................56 2.5.2 Laju Tumbukan Partikel pada Kondisi Turbulen ...................57

2.6 Aliran Multifasa ................................................................................61

2.7 Computational Fluid Dynamics (CFD) ............................................65 2.7.1 Pendektan Euler-Lagrange .....................................................67 2.7.2 Pendekatan Euler-Euler ..........................................................68

2.8 Particle Tracking Velocimeter ..........................................................69

Bab III Metodologi Penelitian

3.1 Pendahuluan .....................................................................................73

3.2 Tahapan Penelitian............................................................................74

3.3 Pembangunan dan Pengembangan Persamaan .................................74

3.4 Kalibrasi dan Validasi Model ...........................................................75

Bab IV Pembangunan Model Kinetika DAF pada Aliran Turbulen dengan Keterkaitan Dua Arah

4.1 Pendahuluan .....................................................................................78

4.2 Dasar Teori.......................................................................................80 4.2.1 Aliran Multifasa Tangki DAF..................................................80 4.2.2 Teori Tumbukan Geometri Partikel .........................................81 4.2.3 Model Kinetika DAF ...............................................................84 4.2.4 Energi Dissipasi .......................................................................85

4.3 Metodologi dan Tahapan Penelitian.................................................86 4.3.1 Metodologi Penelitian ..............................................................86 4.3.2 Tahapan Penelitian...................................................................87 4.3.3 Metode Pembangunan Model Kecepatan Flotasi ....................89 4.3.4 Batasan Pembangunan Model Kecepatan Flotasi ....................89 4.3.5 Karakterisasi Air dan Partikel Tapioka....................................90 4.3.6 Perbandingan Model ................................................................90

4.4 Hasil dan Pembahasan ......................................................................91 4.4.1 Pembangunan Persamaan Kinetika Flotasi Unit DAF.............91 4.4.2 Validasi dan Kalibrasi Persamaan Energi Dissipasi ..............101 4.4.3 Validasi dan Kalibrasi Model Effisiensi DAF.......................108 4.4.4 Validasi dan Kibrasi Persamaan Kecepatan Flotasi ..............113

x

Bab V. Simulasi Hidrodinamika dan Kinerja Unit DAF dengan CFD

5.1 Pendahuluan.............................................................................. 134

5.2 Dasar Teori ............................................................................... 136 5.2.1 Hidrodinamika Tangki DAF ....................................... 136 5.2.2 Sistem Multi Fasa ........................................................ 139 5.2.3 Pemodelan Multi Fasa ................................................. 141 5.2.4 Model Eulerian ............................................................ 144 5.2.5 Persamaan Kinetika Flotasi ......................................... 154 5.2.6 Persamaan Turbulensi ................................................. 156

5.3 Metodologi Penelitian............................................................... 157 5.3.1 Pendahuluan ................................................................ 157 5.3.2 Tahapan Penelitian ...................................................... 157 5.3.3 Metodologi Keterkaitan Kinetika DAFdengan

Hidrodinamika............................................................. 157 5.3.4 Perangkat Lunak FLUENT ......................................... 158 5.3.5 Simulasi Hidrodinamika.............................................. 169

5.4 Hasil dan Pembahasan .............................................................. 170 5.4.1 Simulasi Hidrodinamika untuk Penyisihan Partikel Padat

dengan Berbagai Tinggi Baffle .................................... 172 5.4.2 Analisa Kecepatan Aliran di atas Baffle ..................... 178 5.4.3 Validasi dan Kalibrasi Keterkaitan Model Kinetika Flotasi-CFD ................................................................. 183

Bab VI. Pengembangan Unit Pembangkit Gelembung Udara (Bubble Generator) dengan Pemanfaatan Turbulensi Aliran

6.1 Pengantar .................................................................................. 187

6.2 Dasar Teori ............................................................................... 189 6.2.1 Klasifikasi Tangki Tekan Unit DAF ........................... 189 6.2.2 Komposisi dan Konsentrasi Udara pada Kondisi Setimbang .................................................................... 191 6.2.3 Koefisien Transfer Massa pada Aliran Turbulen ........ 203 6.2.4 Aliran Multifasa........................................................... 205 6.2.5 Pemodelan Aliran Multifasa........................................ 206

6.3 Metodologi................................................................................ 210 6.3.1 Alat dan Bahan ............................................................ 211

6.4 Hasil dan Pembahasan .............................................................. 212 6.4.1 Desain Pembangkit Gelembung Mikro ....................... 212 6.4.2 Hubungan DO dengan Fraksi Udara ........................... 213

xi

6.4.3 Transfer Massa Volumetrik (KLa)............................... 215 6.4.4 Hidrodinamika Pembangkit Gelembung ..................... 219

Bab VII Kesimpulan

7.1 Kesimpulan ............................................................................... 224

DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... 226 LAMPIRAN

xii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Pengukuran gas-holdup dengan menggunakan beda tekanan: (a) secara umum; (b) dengan menggunakan manometer air...........29

Gambar 2.3. Skema tingkat keterkaitan pada aliran multi fasa .......................... 63

Gambar 2.4. Skema proses pemodelan CFD...................................................... 67

Gambar 2.5. (a) Hasil foto aliran tinta dalam air oleh kamera CCD

(b) vektor kecepatan hasil foto tersebut dengan DigiFlow ........... 71

Gambar 3.1 Instalasi unit flotasi udara terlarut ................................................. 76

Gambar 5.1 Contoh aliran multi fasa...............................................................139

Gambar 5.2. Struktur pemodelan hidrodinamika dan kinetika flotasi

tangki DAF ..................................................................................142

Gambar 5.3 Flowchart pemodelan dalam Fluent.............................................159

Gambar 5.4 Contoh tampilan setelah proses meshing berhasil dilakukan ......160

Gambar 5.5 Pembagian daerah kondisi batas pada unit DAF .........................161

Gambar 5.6 Tampilan jendela pada proses import data ..................................162

Gambar 5.7 Langkah perhitungan dengan metode segregasi ..........................163

Gambar 5.8 Sel triangular dua dimensi (2D)...................................................164

Gambar 5.9 Grafik residual .............................................................................168

Gambar 5.10 Contoh hasil perhitungan dalam vektors .....................................168

Gambar 5.11 Skema pengambilan gambar dengan kamera CCD

di tangki DAF ..............................................................................170 Gambar 5.12 Pola aliran ketiga fasa untuk simulasi 63 detik tanpa baffle (H = 0,0 cm).................................................................................173 Gambar 5.13 Pola aliran ketiga fasa untuk simulasi 63 detik dengan ketinggian (H ) baffle 12,5 cm.....................................................174 Gambar 5.14 Pola aliran ketiga fasa untuk simulasi 63 detik dengan ketinggian (H ) baffle 27,5 cm.....................................................175 Gambar 5.15 Pola aliran ketiga fasa untuk simulasi 63 detik dengan ketinggian (H ) baffle 45,0 cm.....................................................176 Gambar 5.16 Pola aliran ketiga fasa untuk simulasi 63 detik dengan ketinggian (H ) baffle 60,0 cm.....................................................174 Gambar 5.17 Kecepatan rerata semua fasa di atas baffle pada tinggi baffle dan waktu tinggal berbeda ...........................................................179 Gambar 5.18 Kecepatan rerata setiap fasa di atas baffle pada tinggi baffle dan waktu tinggal berbeda ...........................................................181

Gambar 5.19 Validasi dan kalibrasi simulasi keterkaitan antara model

kinetikaflotasi - CFD ...................................................................184

xiii

Gambar 5.20 Foto tracer pada tangki DAF skala laboratorium........................186 Gambar 5.21 Penjejakan partikel pada simulasi tangki DAF dengan CFD ......186

Gambar 6.1 Geometri nozzle pada percobaan Takahashi dkk. .......................197

Gambar 6.2 Skema alat percobaan pengukuran kinerja pembangkit

gelembung udara..........................................................................211

Gambar 6.3 Unit pembangkit gelembung udara..............................................213

Gambar 6.4 Konsentrasi oksigen terlarut (DO) terhadap waktu dengan variasi fraksi udara ..................................................................................214

Gambar 6.5 Laju konsentrasi (DO) pada 10 menit pertama............................215

Gambar 6.6 Nilai koefisien transfer massa volumetrik ...................................216

Gambar 6.7 Nilai koefisien transfer massa volumetrik pada 15 menit pertama ........................................................................................216

Gambar 6.8 Frekuensi kumulatif ukuran gelembung ......................................217

Gambar 6.9 Jumlah gelembung udara dengan diameter antara 40-200 μm ...217

Gambar 6.10 Proses perhitungan dimensi gelembung dengan ImageTools®....218

Gambar 6.11 Perbandingan kecepatan air maksimum dengan fraksi udara......219

Gambar 6.12 Perbandingan intensitas turbulen dengan fraksi udara ................220

Gambar 6.13 Grafik kecepatan input dan output udara pada ejector ................220

Gambar 6.14 Hubungan kecepatan output ejector dengan intensitas turbulen..221

Gambar 6.15 Intensitas turbulensi pada fraksi udara 0,07 ................................222

Gambar 6.16 Pola aliran yang terjadi pada pembangkit gelembung mikro (BG).....................................................................................................222

Gambar 6.17 Distribusi laju dissipasi turbulen fasa cair ...................................223

xiv

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Karakteristik udara dan kelarutannya................................................... 24

Tabel 2.2 Tekanan optimum tangki penjenuh pada DAF..................................... 25

Tabel 2.3 Parameter numerik a dan b berdasarkan bilangan Archimedes dan Morton gelembung udara ..................................................................... 34

Tabel 5.1 Konsentrasi volume dan jumlah gelembung udara terhadap konsentrasi udara terlarut dalam cairan, dengan diameter rerata gelembung udara 40µm............................................................140

Tabel 5.2 Parameter simulasi CFD yang digunakan ..........................................171

Tabel 6.1 Hasil penelitian sebelumnya untuk tekanan, diameter gelembung pada berbagai variasi nozzle di tangki tekan DAF............................191

Tabel 6.2 Nilai komponen udara pada suhu 20OC..............................................192

Tabel 6.3 Koefisien transfer massa untuk gelembung pada plunging jet dan kolom gelembung ...............................................................................203

Tabel 6.3 Rancangan percobaan dengan variasi fraksi udara dan air.................210

xv

DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG

DAF Dissolved Air Flotation 1 WCE White Water Collector Efficiency 3 PBT Population Balance Turbulence 3 CFD Computational Fluid Dynamic 3 BG Bubble Generator 4 UDF User-Defined Function 6 EL Euler-Lagrange 8 EE Euler-Euler 8 DNS Direct Numerical Simulation 8 PIV Particle Image Velocimetry 9 DO Dissolved Oxygen 11 UASB upflow anaerobic sludge blanket 20 TOC total organic carbon 21 DAFTAR LAMBANG Cs = konsentrasi kejenuhan udara di dalam air (g/m3) 25 kH = koefisien Henry (g/m3.Pa) 25 Pc = tekanan parsial gas (Pa) 25 s = jumlah udara yang dilepaskan pada tekanan atmosfer per satuan volume pada kejenuhan 100%, cm3/liter. 26 sa = kejenuhan udara pada tekanan atmosfer, cm3/liter. 26 Ptt = tekanan absolut tangki tekan 26 Pa = tekanan atmosfer 26 ftt = efisiensi tangki tekan 26 ρsl = massa jenis slurry 27 ϕgA dan ϕgB = gas-holdup di atas A dan B 27 Qin = debit influen aliran limbah, 29 Qrs = debit resirkulasi limbah yang sudah pernah bertekanan dan 29 Sa = influen minyak dan/atau padatan tersuspensi (mg.l-1) 29 A/S = perbandingan udara terhadap padatan, ml.mg-1 29 sa = kelarutan udara, ml.l-1 29 Pf = tekanan terkoreksi, atm 29 Pm = tekanan terukur (lb.in-2 atau kPa) 29 Csat = konsentrasi massa udara terjenuhkan di dalam tangki tekan 30 Ca = konsentrasi udara tersisa di dalam larutan pada tekanan atmosfer 30 Qrsin = perbandingan debit resirkulasi terhadap debit influen (Qrs/Qin) 30

xvi

Cj = faktor kejenuhan aliran influen pada kolom flotasi 30 μl = viskositas dinamik fluida (N.det.m-2) 33 Vb = kecepatan gelembung udara (m. det-1) 33 db = diameter gelembung (m) 33 ρl = massa jenis liquid (kg. m-3) 33 γl = tegangan permukaan liquid 33 dfa dan daf = diameter agglomerate gelembung-flok 35 Ci dan Ct = konsentrasi materi tersisihkan pada inlet dan outlet, 39 α = koefisien adhesi, 39 Vo = kecepatan emulsi di dalam tangki flotasi, 39 Ao = luas potongan melintang tangki flotasi didapatkan, 39 H = tinggi tangki flotasi, 39 db = diameter gelembung udara. 39 ηΤ = efisiensi intersepsi, 39 ηS = intersepsi oleh sedimentasi, 39 ηI = intersepsi oleh intersepsi langsung, 39 ηD = intersepsi oleh difusi. 39 Δρ = perbedaan massa jenis 40 dE = diameter emulsi 40 μl = viskositas dinamik fluida 40 Vo = kecepatan aliran 40 dp = diameter kolektor 40 K = konstanta Boltzman 40 t = suhu mutlak (0K). 40 np = konsentrasi jumlah partikel dan 40 Ab = luas permukaan gelembung. 40 Γ = laju tumbukan 42 Co = konsentrasi awal, 44 Cs = konsentrasi setelah pengolahan, 44 g = gaya gravitasi 44 t = waktu tinggal dalam tangki flotasi unit DAF 44 r1 dan r2 = radius partikel, 45 vt1 dan vt2 = kecepatan terminal setiap partikel 45 E = efisiensi pengumpulan, 45 z = frekuensi tumbukan gelembung-partikel, 46 Πc = probabilitas tumbukan gelembung-partikel 46 Πasl = probabilitas penangkapan gelembung-partikel oleh sliding, 46 Πtpc = probabilitas pembentukan kontak tiga fasa, 46 Πstab = probabilitas kestabilan agregate gelembung-partikel hingga ke

xvii

permukaan tangki flotasi 46

nbf(t) = konsentrasi gelembung bebas tanpa menangkap partikel. 46

nba(t) = konsentrasi gelembung yang menangkap partikel. 46

nb = jumlah gelembung, 47 nb

f = jumlah gelembung bebas, 47 nb

a = jumlah gelembung udara yang menangkap partikel. 47

0pn = konsentrasi awal dari partikel (bebas) dalam tangki flotasi, 49

nb = konsentrasi gelembung di dalam tangki flotasi, 49 epn = konsentrasi partikel yang tertangkap oleh gelembung yang telah

menangkap gelembung sebelumnya 49 Gpb = kecepatan jatuh partikel tanpa dimensi, dengan bpspb vvG = 50

vps = kecepatan jatuh partikel, 50 vb = kecepatan naik gelembung. 50 fl = faktor gesekan fluida 51 Cb = pengukuran dari mobilitas permukaan gelembung. 51 z = frekuensi tumbukan gelembung dan partikel. 53 Ec = efisiensi tumbukan (collision eficiency), 53 Ea = efisiensi penangkapan (attachment eficiency) 53 Es = efisiensi stabilitas (stability eficiency). 53 Vtf = volume tangki flotasi. 54 vb = volume gelembung dengan satu satuan volume, 54 εDAF = laju rerata energi dissipasi per unit volume fluida pada tangki DAF 57

ma = massa dari air bertekanan (dari tangki tekan DAF) yang dimasukkan ke tangki flotasi per satuan waktu 57

v = kecepatan masuk dari air bertekanan (m/detik) 57 V = volume zona kontak (m3) 57 εV = laju rerata energi dissipasi per unit volume fluida (W/m3) 57 fm = faktor gesekan Manning 57 v = kecepatan masuk dari air bertekanan (m/detik) 57 de = diameter ekivalensi pipa (m3) 57 G = gradien kecepatan pada arah tegak lurus gerak partikel. 58 λD = skala mikro Taylor longitudinal dari percepatan fluida. 60

XΔ = pergerakan rata-rata partikel dalam aliran pada interval waktu 60 Pg = daya motor pengaduk, 197 KL = koefisien transfer massa fasa cair, 199 DM = difusivitas gas di dalam cairan dan 200 Sh = bilangan Sherwood 202

xviii

δ = tebal lapis tipis. 202 te = waktu perubahan permukaan. 204 υ = viskositas kinematik 204

xix

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Hasil simulasi CFD....................................................................... 1-1

Lampiran 2 Kecepatan Air Hasil Simulasi CFD pada Pembangkit Gelembung dengan Variasi Fraksi Udara..................................... 2-1

Lampiran 3 Intensitas Turbulensi Hasil Simulasi CFD dengan Variasi Fraksi Udara.................................................................................. 3-1

Lampiran 4 Dokumentasi Alat dan Bahan Penelitian ...................................... 4-1

Lampiran 5 Data Kalibrasi Alat Ukur Debit Air dan Udara ............................ 5-1

Lampiran 6 Hasil Foto Gelembung Udara ....................................................... 6-1