## SIMULASI PENCAMPURAN REAKTAN UNTUK PRODUKSI BIODIESEL PADA REAKTOR BERPENGADUK STATIK

## SIMULATION OF REACTANT MIXING IN BIODIESEL PRODUCTION USING STATIC MIXING REACTOR
Ni Putu Dian Nitamiwati 1) , Armansyah Halomoan Tambunan 2)* , dan Lilik Pujiantoro Eko Nugroho 2)
1) Program Studi Magister Teknik Mesin Pertanian dan Pangan, Institut Pertanian Bogor
2) Program Studi Teknik Mesin dan Biosistem, Institut Pertanian Bogor PO Box 220, Kampus IPB Darmaga, Bogor, Jawa Barat 16680 E-mail: ahtambun@apps.ipb.ac.id
Makalah: Diterima 6 Mei 2018; Diperbaiki 15 Oktober 2018; Disetujui 25 Oktober 2018

## ABSTRACT
Application  of  static  mixer  is  expected  to  enhance  yield  of  biodiesel  production  and  reduce  catalyst requirement. Static mixer could increase the mixing effectiveness of oil and methanol, so that FAME yielded at the  reactor  would  increase  and  could  reach  the  desired  level  of  conversion  with  lower  catalyst  requirement.A more  in-depth  study  of  the  mixing  and  its  relation  to  the  effectiveness  of  transesterification  reactions  is indispensable  to  obtain  important  parameters  which  is  necessary  in  process  improvement  and  reactor  design. The objective of this study was to examine the flow profile and its relation on mixing of oil and methanol in a continuous  type  reactor  using  computational  fluid  dynamics  (CFD).  Simulation  was  conducted  using  five scenarios of mass flow rate in the range of 5-20 L/min for oil and 0.6-2.4 L/min for methanol. It was observed that the static mixer elements can increase the uniformity of vorticity, which indicates that the flow is not only moved on the mainstream (axial direction) but also moves toward the y-axis and the z-axis randomly as well as rotational motion. The uniformity of vorticity along the static mixing reactor provided a better chance of mixing and increase the possibility of reactions between molecules of reactant.
Keywords : biodiesel, transesterification, static mixer, computational fluid dynamics (CFD), vorticity

## ABSTRAK
Penggunaan pengaduk statik untuk produksi biodiesel mampu memberikan hasil yang baik,  serta dapat mengurangi  penggunaan  katalis.  Pengaduk  statik  dapat  meningkatkan  ketercampuran  minyak  dan  metanol sehingga FAME yang dihasilkan pada modul kelima meningkat dan diharapkan dapat mencapai tingkat konversi yang  diinginkan  dengan  penggunaan  katalis  yang  lebih  sedikit.  Kajian  lebih  mendalam  mengenai  tingkat ketercampuran  serta  kaitannya  dengan  efektivitas  reaksi  transesterifikasi  yang  terjadi  perlu  dilakukan  untuk mendapatkan parameter penting dalam perbaikan proses maupun rancangan reaktor. Tujuan penelitian ini adalah melakukan kajian terhadap profil aliran di dalam reaktor berpengaduk statik tipe kontinu dan kaitannya dengan ketercampuran  minyak  dan  metanol  di  dalam  reaktor  menggunakan  metode computational  fluid  dynamics (CFD). Simulasi dilakukan dengan lima skenario laju aliran massa pada kisaran 5-20 L/menit untuk minyak dan 0,6-2,4 L/menit untuk metanol. Hasil simulasi menunjukkan bahwa keberadaan elemen pengaduk di dalam pipa reaktor berpengaduk statis dapat meningkatkan keseragaman vortisitas aliran fluida, sehingga aliran fluida tidak hanya  terjadi  ke  arah  arus  utama  (arah  aksial)  tetapi  juga  terjadi  gerakan  acak  ke  arah  sumbu  y  dan  z,  serta gerakan  rotasi.  Keseragaman  vortisitas  di  sepanjang  reaktor  pengaduk  statik  memberi  peluang  ketercampuran molekul-molekul reaktan yang lebih baik, dan meningkatkan peluang terjadinya reaksi antar molekul reaktan.
Kata kunci: biodiesel, transesterfikasi, pengaduk statik, computational fluid dynamics (CFD), vortisitas

## PENDAHULUAN
Produksi biodiesel melalui reaksi transesterifikasi  melibatkan  dua  reaktan,  yaitu trigliserida  dan  alkohol,  untuk  menghasilkan senyawa  alkil  ester  dan  gliserol  (Knothe et  al., 2005). Senyawa alkohol yang sering digunakan pada reaksi  transesterifikasi  adalah  metanol.  Trigliserida merupakan  fraksi  terbesar  dari  minyak  atau  lemak, sedangkan  metanol  merupakan  senyawa  alkohol dengan  rantai  atom  karbon  paling  pendek  yang bersifat  reaktif.  Metanol  memiliki  sifat  kepolaran
yang  tinggi  sehingga  memiliki  kemampuan  yang baik untuk melarutkan, khususnya untuk melarutkan katalis  basa  (Ma  dan  Hanna,  1999).  Akan  tetapi, metanol  dan  minyak  mempunyai  sifat immiscible yaitu  sulit  bercampur  dan  akan  membentuk  dua lapisan.  Terbentuknya  lapisan  tidak  bercampur  ini akan  menghambat  terjadinya  reaksi  antar  molekul minyak dan metanol.
Beberapa  penelitian  telah  dilakukan  untuk meningkatkan  ketercampuran  minyak  dan  metanol, antara  lain  dengan  melakukan  pengadukan  yang lebih kuat. Pengadukan yang kuat akan
*Penulis Korespodensi
Jurnal Teknologi Industri Pertanian 28 (3):252-261 (2018)
Nomor DOI: 10.24961/j.tek.ind.pert.2018.28.3.252 ISSN: 0216-3160    EISSN: 2252-3901
mempermudah difusi  metanol dalam  minyak  karena hambatan  transfer  massa  dalam  minyak  menjadi berkurang  (Budiman et  al. ,  2017).  Pengadukan  juga dapat meningkatkan energi kinetik reaktan, sehingga peluang  terjadinya  tumbukan  antar  reaktan  semakin besar (Ma dan Hanna, 1999; Darnoko dan  Cheryan, 2000; Garpen, 2005). Untuk itu, pemilihan jenis atau metoda  pengadukan  menjadi  penting,  seperti penerapan jenis pengaduk statik.
Pengaduk  statik  adalah  salah  satu  jenis pengaduk yang sudah banyak digunakan pada proses pencampuran  bahan  pangan,  akan  tetapi  belum diterapkan untuk produksi biodiesel. Pengaduk statik tipe helikal tersusun dari beberapa buah elemen dari plat logam yang dipuntir dengan sudut 180°. Elemen pengaduk  tersebut  disusun  secara  aksial  dengan masing-masing  ujung  elemen  dipasang  tegak  lurus satu  sama  lain  kemudian  dimasukkan  ke  dalam sebuah  pipa  (Kumar et  al., 2008).  Bahan  yang dilewatkan di dalam pengaduk statik akan mengalami proses pembagian, peregangan, pembalikan,  dan  pencampuran.  Proses  inilah  yang mengakibatkan  bahan-bahan    bercampur  lebih  baik. Jika  dibandingkan  dengan  pengaduk  mekanis, pengaduk  statik  memerlukan  biaya  pengoperasian dan  perawatan  yang  rendah.  Hal  ini  dikarenakan pada pengoperasian pengaduk statik, fluida dialirkan hanya  memerlukan pompa dan  ketiadaan  komponen bergerak.
Penggunaan pengaduk statik untuk produksi  biodiesel  mampu  memberikan  hasil  yang baik.  Panggabean  (2011)  menunjukkan  produksi biodiesel  dengan  reaktor  pengaduk  statik  tipe  semi kontinu  dapat  menghasilkan  nilai  konversi  sebesar 95,82% (b/b) dengan katalis KOH 0,5% (b/b) selama 30  menit.  Berikutnya,  Soolany et  al. (2015) melakukan  penambahan  jumlah  elemen  pengaduk statik  dan  memperoleh yield sebesar  97,04%  (b/b) dengan katalis KOH 0,5% (b/b) dan waktu reaksi 37 menit. Perbandingan jumlah FAME antara pengaduk mekanik dan statik yang dilakukan oleh Sungwornpatansakul et  al. (2013)  menunjukkan dengan  katalis  KOH  0,6%  (b/b), yield FAME sebesar  90%  dapat  dicapai  dalam  waktu  reaksi kurang 5 menit, sedangkan pengaduk mekanik hanya mencapai  70%  dalam  waktu  yang  sama.Hasil penelitian  tersebut  menunjukkan  bahwa  pengaduk statik  dapat  meningkatkan  ketercampuran  minyak dan metanol yang ditunjukkan dengan meningkatnya yield produksi  biodiesel,  serta  dapat  mengurangi penggunaan katalis.
Berdasarkan  hasil-hasil  tersebut,  telah dirancang  sebuah  reaktor  produksi  biodiesel  tipe kontinu  dengan  menggunakan  pengaduk  statik. Reaktor  tersebut  memiliki  lima  buah  modul pengaduk  statik.  Modul  pengaduk  statik  merupakan pipa  dengan  panjang  tertentu  yang  di  dalamnya terdapat  susunan  beberapa  buah  elemen  pengaduk statik.  Penambahan  jumlah  modul  pengaduk  statik bertujuan untuk mendapatkan ketercampuran
minyak  dan  metanol  yang  lebih  baik  sehingga FAME  yang  dihasilkan  pada  modul  terakhir meningkat dan diharapkan mencapai tingkat konversi  yang  diinginkan.  Kajian  lebih  mendalam mengenai  tingkat  ketercampuran  serta  kaitannya dengan  efektivitas  reaksi  transesterifikasi  yang terjadi perlu dilakukan untuk mendapatkan parameter  penting  dalam  perbaikan  proses  maupun rancangan reaktor berpengaduk statik.
Analisis  parameter  ketercampuran  antar molekul  reaktan  di  dalam  reaktor  dapat  dilakukan secara  eksperimental  atau  analitik.  Akan  tetapi, metoda  eksperimental  cukup  sulit  dilakukan  karena membutuhkan  waktu  dan  biaya  yang  cukup  besar, sedangkan  metoda  analitik  menjadi  rumit  karena melibatkan  teori  pencampuran  dan  reaksi  kimia secara  simultan.  Alat  bantu  yang  banyak  digunakan untuk melakukan kajian analitik dan simulasi adalah computational  fluid  dynamics (CFD).  CFD  juga banyak diterapkan pada proses perancangan ataupun perbaikan rancangan. Beberapa peneliti menggunakan  metoda  CFD  untuk  menyimulasikan pencampuran  reaktan  dengan  melibatkan  reaksi kimia pada reaktor tipe batch berpengaduk  mekanik (Adeyemi et  al., 2013;  Wen  dan  Petera,  2015). Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mempelajari  profil aliran  di  dalam  reaktor  berpengaduk  statik  tipe kontinu  dan  kaitannya  dengan  ketercampuran minyak  dan  metanol  di  dalam  reaktor  berdasarkan simulasi CFD .

## BAHAN DAN METODE
Bahan  yang  digunakan  pada  penelitian  ini adalah  minyak  sawit,  metanol,  dan  katalis  kalium hidroksida (KOH) pro analysis.

## Deskripsi Reaksi Transesterifikasi
Reaksi  transesterifikasi  pada  penelitian  ini menggunakan  reaktan  minyak  sawit  dan  metanol dengan  rasio  molar  1  :  3,  seperti  ditunjukkan  pada Gambar  1.  Komponen  penyusun  dari  minyak  sawit adalah  44,4%  asam  oleat,  43,4%  asam  palmitat  dan 12,2%  asam  linoleat  yang  diasumsikan  berdasarkan tiga  komponen  utama  hasil  pengukuran  Sari et  al. (2016).  Suhu  awal  minyak  dan  metanol  masing- masing adalah 65°C dan 28°C. Reaksi menggunakan jenis  katalis  basa  KOH  sebesar  0,5%  dari  berat minyak.  Pompa  digunakan  untuk  mengalirkan reaktan  dari  masing-masing  tabung  yang  terpisah melalui  dua inlet yang  berbeda  dan  bercampur  di dalam modul pengaduk static.

## Metode Komputasi

## Model Geometri
Pembuatan  model  fisik  dalam  simulasi didasarkan pada prototipe reaktor berpengaduk statik tipe  kontinu  untuk  produksi  biodiesel  yang digunakan pada penelitian Sari et al., 2016.
Gambar 1. Persamaan kimia reaksi transesterifikasi (Sivasamy et al., 2009)
Elemen  pengaduk  statik  yang  digunakan berukuran 0,07 m x 0,036 m x 0,002 m. Sebanyak 12 buah  elemen  disusun  ke  dalam  pipa  berukuran panjang  (L)  0,84  m  dan  diameter  0,036  m.  Pada penelitian  ini  simulasi  hanya  dilakukan  pada rangkaian modul pengaduk statik, yaitu sejak reaktan masuk  melalui inlet minyak  dan inlet metanol, hingga keluar dari modul ( outlet ) . Diagram skematik dan ukuran modul pengaduk statik ditunjukkan pada Tabel 1 dan Gambar 2.

## Tabel 1. Dimensi Modul Berpengaduk Statik
Parameter Ukuran Panjang modul (mm) 1510 Lebar modul (mm) 305 Tinggimodul (mm) 360 Diameter pipa modul (mm) 36 Panjang elemen (mm) 70 Lebar elemen (mm) 36 Tebal elemen (mm) 2 Sudut puntiran (°) 180
Tahapan  pertama  dari  penelitian  ini  adalah pembuatan  model  geometri  3  dimensi  dari  modul pengaduk  statik  menggunakan  perangkat  lunak SolidWorks  2011 berdasarkan  ukuran  dan  bentuk reaktor yang sesungguhnya, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.a. Langkah selanjutnya adalah pembuatan grid dengan menggunakan perangkat lunak Meshing ( ANSYS  Academic  Meshing,  Release  18.1 ).  Bentuk grid yang digunakan adalah tetrahedral (Gambar 3.b) untuk menyesuaikan dengan model geometri elemen pengaduk  statik  yang  cukup  kompleks.  Bentuk tetrahedral  ini  juga  sudah  digunakan  oleh  beberapa peneliti  untuk  model  geometrik  pengaduk  statik seperti Kumar et al. (2008) dan Meng et al. (2013). Hasil  pembuatan grid dinilai  kualitasnya dengan menggunakan uji  independensi grid. Tahapan uji dilakukan dengan membandingkan nilai skewness, jumlah node, jumlah  elemen,  dan  hasil iterasi.  Nilai skewness merupakan  salah  satu  ukuran kualitas grid yang  menjelaskan  seberapa  ideal grid yang dihasilkan. Berdasarkan Fluent Guide, kualitas grid yang  baik  diperoleh  jika  nilai skewness maksimum semakin kecil.
Metode penyelesaian Simulasi aliran minyak dan metanol menggunakan metoda volume hingga dengan asumsi kondisi tunak dan tak-termampatkan
( incompressible ).  Secara  umum  metode  CFD  yang digunakan  oleh  perangkat  lunak Fluent ( ANSYS Academic
Fluent, Release 18.1 ) melibatkan persamaan kekekalan massa, momentum, dan energi untuk  aliran  fluida  yang  dapat  dituliskan  pada Persamaan 1,2 dan 3, secara berurutan.
  m v S t        (1)     v vv p g F t            (2)       j j h j
E v E p h J S t                  (3)
dimana :
ρ
= densitas (kg/m 3 ) t
= waktu (detik)
v = kecepatan (m/detik) S m
=  laju  aliran  massa  volumetrik  dari  sumber
(kg/m 3 s)
 = tensor stres g = gravitasi (m/s 2 ) F = gaya (N)
h = entalpi (J/kgmol) S h
=  laju  aliran  panas  volumetrik  dari  sumber (W/m 3 )
Simulasi  aliran  minyak  dan  metanol menggunakan  model  transfort  spesies- finite  rate untuk pencampuran dengan melibatkan reaksi kimia. Pada  model  ini  keberlangsungan  reaksi  kimia  yang terjadi  ditunjukkan  dengan  perubahan  nilai  fraksi massa  dari  spesies  ( 𝑌 𝑖 ) ,  reaktan  dan  produk,  yang diprediksi dengan  menggunakan Persamaan 4.
    i i i i i Y vY J R S t           dengan R i adalah  laju  produksi  dari  species i akibat reaksi  kimia, S i adalah  laju  pembentukan  akibat sumber-sumber  lain,  dan J i adalah  difusi  massa. Perubahan  konsentrasi  reaktan  akan  meningkatkan difusi massa yang dihitung menggunakan Persamaan 5.
, , t i i m i T i t T J D Y D Sc T   
          
dengan Sc t adalah bilangan Schmidt aliran, 𝜇 t adalah viskositas  turbulen,  dan D t adalah  difusivitas turbulen.
……………………………     (1) ……………….   (2) ..….   (3) ..……….   (4) ..……………..   (5)
Gambar 2. Diagram skematik reaktor berpengaduk statik tipe kontinu
(a)
(b)
Gambar 3. (a) Model geometri modul pengaduk statik dan (b) tampilan hasil pembuatan grid
Perangkat  lunak  ini  menyediakan  tiga pendekatan untuk menghitung laju reaksi kimia yang dikembangkan  untuk  reaksi  pembakaran,  salah satunya  adalah  model finite  rate. Pada  model inireaksi  kimia  atau  fraksi  produk  yang  terbentuk bergantung pada laju kinetik reaksi. Perhitungan laju kinetik  reaksi  pada  model finite  rate mengikuti persamaan  reaksi  Arrhenius  sehingga  penerapan model finite  rate untuk  reaksi  kimia  selain  reaksi pembakaran  dapat  dilakukan  dengan  memasukkan nilai  parameter  reaksi  yang  spesifik  sesuai  dengan reaksi  kimia  yang  akan  disimulasikan.  Parameter reaksi  yang  perlu  ditentukan  pada  model finite  rate adalah  nilai third  body  efficiency (γ),  koefisien stoikiometri,  energi  aktivasi  (Ea)  dan  faktor  pre- ekponensial  (A).  Model finite  rate untuk  reaksi transesterifikasi sudah dilakukan oleh Adeyemi et al. (2013) menggunakan reaktor berpengaduk  mekanik. Laju  reaksipada  model finite  rate mengikuti Persamaan 6.
, , 1 R N i r i w i r R M R   
dengan M w,i merupakan  berat  molekul  spesies  dan R i,r adalah laju  molar pembentukan  spesies (produk) i pada  reaksi  transesterifikasi.  Jika  reaksi  terjadi hanya  satu  arah  maka  laju  molar  pembentukan spesies produk akan mengikuti Persamaan 7.
, '
, , , , 1 ' j r N n i r i r f r j r j R v k C 
   
                 
Laju pembentukan spesies produk dipengaruhi  oleh  koefisien  stoikiometri  species reaktan i pada reaksi transesterifikasi 𝜈 ′ 𝑖,𝑟 , koefisien laju  reaksi k f,r ,konsentrasi  molar  reaktan C j, r ,  laju eksponen  reaktan η ’ j,r dan  adanya  pengaruh  total efisiensi third bodies dalam reaksi 𝛤 . Koefisien laju reaksi didefinisikan pada Persamaan 8
, Ea RT f r k AT e   
dengan T adalah suhu reaksi dan β adalah konstanta yang  pada  penelitian  ini  diasumsikan  bernilai  nol untuk  menyesuaikan  dengan  persamaan  Arrhenius yang umumnya diterapkan pada reaksi transesterifikasi.  Selanjutnya  dengan  memasukkan Persamaan 7 dan 8  ke dalam Persamaan 6 diperoleh laju molar pembentukan produk pada Persamaan 9
, , , , 1 j r Ea N n RT i w i i r j r j R M v Ae C                                    

## Kondisi Batas
Pada  tahap  ini  diperlukan  properti  dari reaktan  dan  produk  yang  dirangkum  pada  Tabel  2. Selain  properti  bahan,  kondisi  awal  reaksi  seperti laju  aliran  massa  reaktan,  intensitas  turbulensi  pada inlet, dan  suhu  awal  reaktan,  juga  ditentukan  pada tahap  ini.  Nilai  parameter  yang  digunakan  kondisi awal  reaksi  akan  dijelaskan  pada  bagian  hasil  dan pembahasan.
y x z
..………………………….....   (6) …….............    (7) …….......................................    (8) ..........    (9)

## Tabel 2. Properti bahan pada reaksi transesterifikasi
Bahan Berat molekul (kg kmol -1 ) Densitas (kg m -3 ) Kapasitas panas (J kg -1 K -1 ) Konduktivitas (W m -1 K -1 ) Viskositas (kg m -1 s -1 ) Minyak 850.76 870 a 1861 b 0.17 b 0.03a Metanol 32.03 785 2534 0.20 5.5x10 -4 FAME 284.94 852 c 2020d 0.14 e 4.5x10 -3a Gliserol 92.06 1259.9 2437 0.29 0.799 Sumber: a Sari et al. (2016); b Chempro (2017); c Sigma aldrich (2017); d Anand et al. (2011) e An et al. (2013)

## Tabel 3. Skenario laju aliran reaktan untuk simulasi
1 2 3 4 5 Unit Minyak 5 8 13 15 20 L/menit Metanol 0,6 0,96 1,6 1,8 2,4 L/menit
Hasil  perhitungan  menggunakan  model pada  metode  penyelesaian  dibandingkan  data eksperimen  sebagai  langkah  validasi.  Selanjutnya digunakan  pada  simulasi  dengan  menggunakan  5 skenario laju aliran massa untuk melihat pengaruhnya terhadap profil aliran dan ketercampuran  reaktan,  minyak  dan  metanol,  di sepanjang  modul.  Skenario  yang  digunakan  pada penelitian  ini  ditunjukkan  pada  Tabel  3.  Laju  aliran massa  kedua  bahan  diperbesar  bertujuan  agar semakin besar pergolakan aliran fluida di dalam pipa reaktor  sehingga  pencampuran  dapat  dicapai  lebih cepat.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Uji Independensi Griddan Validasi Model
Simulasi  dengan  menggunakan  metode volume  hingga,  seperti  yang  dipakai  pada  CFD, sangat  bergantung  pada  ukuran  dan  jenis grid yang dibuat  karena  akan  mempengaruhi  ketepatan  hasil simulasi. Untuk menentukan kualitas grid diperlukan pengujian dengan membandingkan parameter simulasi  yang  dihasilkan.  Dalam  penelitian  ini digunakan  jenis grid tetrahedral  dengan  interval ukuran 5-7 mm. dan dihitung berdasarkan Persamaan  10.  Berdasarkan  nilai skewness yang diperoleh pada Tabel 4, ukuran grid 6 mm memiliki nilai skewness paling kecil. Selain nilai skewness, uji independesi grid juga dilakukan dengan membandingkan  fraksi  FAME  yang  dihasilkan. Berdasarkan  nilai skewness dan  fraksi  FAME  pada Gambar  4,  ukuran  6  mm  memiliki  parameter grid yang  cukup  baik  untuk  digunakan  dalam  validasi model.
Ukuran grid optimal - ukuran grid
Skewness= ukuran grid optimal Validasi model dilakukan dengan membandingkan data simulasi dengan data eksperimen.  Nilai  parameter  reaksi  yang  digunakan pada  simulasi  ditunjukkan  pada  Tabel  5.  Nilai parameter reaksi ini merupakan nilai parameter pada kondisi  awal  reaksi.  Data  eksperimen  produksi
biodiesel  menggunakan  reaktan  minyak  sawit  dan metanol  dengan  rasio  molar  1:6,  katalis  KOH  0,5% dari  berat  minyak,  suhu  minyak  dan  metanol masing-masing  65°C  dan  28°C.  Penggunaan  rasio molar  yang  lebih  besar  pada  eksperimen  adalah untuk  memastikan  tidak  terjadi  reaksi  balik, sementara  pada  simulasi  hal  ini  dapat  dilakukan dengan pemilihan opsi reaksi tak-balik yang tersedia pada perangkat lunak.
Tabel 4. Uji independensi grid
Parameter 1 2 3 Ukuran (m) 0,005 0,006 0,007 Skewness maksimum 0,9887 0,7329 0,7837 Skewness rata-rata 0,2510 0,2510 0,2560 Jumlah node (buah) 62237 52733 37606 Jumlah elemen (buah) 254628  209734  142851
Gambar 4.Perbandingan kadar FAME menggunakan ukuran grid 1, 2, dan 3

## Tabel 5. Parameter Simulasi
Parameter simulasi Nilai Laju aliran massa (L/menit) Minyak Metanol 10 1,2 A 15,997 Ea (J/kmol) 1,4E+07
γ 0,4 40 50 60 70 80 90 1 2 3 4 5 F A M E (%) Modul 1 2 …........   (10)
Sampel  produk  hasil  eksperimen  berupa biodiesel  mentah  di  kelima  modul  diambil  secara bersamaan.  Lima  sampel  biodiesel  mentah  yang telah  diperoleh  kemudian  diendapkan  dan  dicuci untuk  menghilangkan  produk  sampingan  dan pengotor seperti gliserol dan sisa metanol yang tidak bereaksi  serta  katalis.  Biodiesel  hasil  pemurnian selanjutnya diuji pada laboratorium untuk mendapatkan  kadar  FAME.  Kajian  eksperimental dan prosedur pengambilan data eksperimen diuraikan dengan lebih rinci  pada Sari et al . (2016). Data  kadar  FAME  hasil  eksperimental  selanjutnya dibandingkan  dengan  data  FAME  hasil  simulasi yang ditampilkan pada Gambar 5. Hasil perbandingan  tersebut  menunjukkan  bahwa  model simulasi  yang  digunakan  dapat  menggambarkan keadaan nyata dengan cukup baik.
Gambar 5. Validasi model

## Profil Aliran di Dalam Reaktor

## Kecepatan
Kecepatan  merupakan  salah  satu  parameter yang  berpengaruh  terhadap  profil  suatu  aliran sehingga  dapat  digunakan  untuk  mempelajari karakteristik  pencampuran  fluida  (Hobbs et  al., 1998).  Hasil  simulasi  lima  skenario  laju  aliran  yang dilakukan  pada  penelitian  ini  ditunjukkan  dalam bentuk  kontur  kecepatan  pada  Gambar  6.  Data kontur  diambil  dari  penampang  melintang  reaktor berupa  bidang sampling setelah  aliran  fluida (campuran  minyak  dan  reaktan)  melewati  elemen ketiga  dari  12  elemen  pada  modul  1,  3,  dan  5. Berdasarkan  gradasi  warna  pada  kontur  yang diperoleh  dari  simulasi  terlihat  bahwa  peningkatan laju  aliran massa  berbanding  lurus  dengan peningkatan  kecepatan  aliran  fluida.  Selanjutnya, nilai  kecepatan  aliran  fluida,  yang  diperoleh  dari garis sampling di  sepanjang  diameter  pipa  reaktor yang dibuat pada bidang sampling yang ditampilkan pada Gambar 7.
Pada  skenario  yang  sama  besaran  kecepatan aliran  fluida  tidak  menunjukkan  perubahan  yang signifikan di sepanjang modul. Hal ini sesuai dengan penelitian  yang  dilakukan  oleh  Kumar et  al. (2008) yang menyebutkan bahwa laju aliran pada inlet tidak berbeda  dengan  laju  aliran  fluida  di  bagian outlet . Transisi  antar  elemen  memberi  pengaruh  terhadap kecepatan  aliran  fluida  di  dalam  pipa  berpengaduk hingga  25%  (Hobbs et  al., 1998).  Kecepatan  aliran
hanya  mengalami  perubahan  pada  daerah  yang berdekatan  dengan  elemen  pengaduk  statik.  Laju aliran  fluida  yang  bersentuhan  dengan  dinding  pipa dan  badan  elemen  pengaduk  mempunyai  nilai  yang lebih  kecil.  Hal  ini  terjadi  akibat  adanya  gesekan antara fluida dengan dinding, sedangkan aliran akan berkembang  lebih  baik  pada  daerah  bebas.  Elemen pengaduk  yang  berbentuk  helikal  mengakibatkan fluida  mengalami  proses  pembagian,  peregangan, pembalikan,  dan  pencampuran  selama  mengalir  di sepanjang elemen pengaduk.
Pada pipa tanpa adanya pengaduk, Gambar 8, menunjukan bahwa kecepatan paling besar berada pada  tengah  pipa  dan  daerah  yang  berdekatan dengan  dinding  pipa  mempunyai  nilai  lebih  kecil. Hal  ini  terjadi  akibat  adanya  gesekan  antara  fluida dan  dinding  yang  lebih  besar  dibandingkan  pada daerah  jauh  dari  dinding  pipa.  Aliran  fluida  dapat berkembang  disepanjang  pipa,  namun  kedua  bahan pada sisi.
Gambar  6.  Kontur  kecepatan  setelah  aliran  fluida melewati elemen ketiga di modul 1, 3, 5 untuk masing-masing skenario
50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 F A M E (%) Modul Eksperimen Simulasi Skenario 1 Skenario 2 Skenario 3 Skenario 4 Skenario 5
Kecepatan (m/s)
Gambar  7.  Grafik  kecepatan  di  sepanjang  jari-jari pipa reaktor
Gambar  8.  Kecepatan  aliran  pada  pipa  tanpa pengaduk
Pergerakan  aliran  fluida  di  sepanjang elemen dapat jelaskan dengan melacak jejak partikel pada  sumbu  x,  y,  dan  z  seperti  ditunjukkan  pada Gambar  9.  Jejak  partikel  diambil  pada  saat  aliran fluida  melewati  elemen  pertama  pada  skenario  5 dengan kecepatan aliran pada sumbu x (arah aksial) pada  kisaran  0,4-0,5  m/s.  Nilai  kecepatan  pada sumbu  x  dipengaruhi  oleh  kecepatan  aliran  minyak pada inlet . Aliran fluida juga mengalami pergerakan
ke  arah  kiri-kanan  yang  dinyatakan  dengan  nilai kecepatan  pada  sumbu  z  dan  pergerakan  ke  arah atas-bawah  pada  sumbu  y.  Profil  pergerakan  pada sumbu  y  dan  z  menunjukkan  terjadinya  perubahan arah  gerakan  partikel  selama  mengalir  di  sepanjang reaktor. Setelah aliran fluida mengalami pembalikan sebesar  90°,  aliran  fluida  memasuki  elemen selanjutnya  dan  mengalami  pembagian  aliran  akibat sisi  elemen.  Menurut  Hobbs et  al. 1998,  pola  aliran fluida  di  dalam  pipa  berpengaduk  statik  akan berulang  secara  periodikal  di  setiap  elemen pengaduk  akibat  bentuk  geometri  dari  elemen pengaduk  yang  sama.  Peningkatan  laju  aliran  pada inlet yang diikuti dengan peningkatan kecepatan dan pola  aliran  yang  terus  dipertahankan  di  sepanjang pengaduk, maka peluang pencampuran reaktan akan semakin besar.
Gambar  9.  Profil  kecepatan  sumbu  x,  y,  z  partikel ketika  melewat  elemen  pertama  di modul 1 (Skenario 5)
Pergerakkan  aliran  fluida  di  setiap  elemen dapat diketahui dengan mengikuti jejak partikel pada pathline, seperti ditunjukkan pada Gambar 10. Jejak partikel  diambil  pada  saat  aliran  fluida  melewati elemen  1  hingga  elemen  ke  3  di  modul  1 . Aliran fluida  mengalami  pergerakan  ke  arah  atas-bawah yang dinyatakan dengan nilai kecepatan pada sumbu y  dan  pergerakan  ke  arah  kiri-kanan  pada  sumbu  z. Profil pergerakan pada sumbu y dan z menunjukkan terjadinya  perubahan  arah  gerakan  partikel  selama mengalir  di  sepanjang  reaktor.  Setelah  aliran  fluida mengalami  pembalikan  sebesar  90°,  aliran  fluida memasuki  elemen  selanjutnya  dan  mengalami pembagian aliran akibat sisi elemen.
Gambar 10. Pergerakan aliran fluida antar elemen pengaduk pada modul 1
-0.1 6E-16 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 K ec ep at an ( m/ s) Modul 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 K ec ep at an ( m/ s) Modul 3 -0.1 6E-16 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 K ec ep at an ( m/ s) Jari-jari pipa (m) Modul 5 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 K ec epa ta n ( m /s ) Panjang elemen (m) Sb X Sb Y Sb z Elemen ke- 1 Elemen ke- 2 Elemen ke- 3 Kecepat an (m s -1 )

## Vortisitas
Pergerakan  molekul  reaktan  ke  berbagai arah  di  dalam  pipa  reaktor  menunjukkan  terjadinya pola  aliran  yang  berbentuk  seperti  putaran. Keberadaan  elemen  pengaduk  statik  di  dalam  pipa sebetulnya adalah sebuah hambatan yang mempengaruhi gerakan molekul (Meng et al., 2015) yang  berfungsi  sebagai  pemacu  pergolakan  aliran fluida  sehingga  dapat  meningkatkan  efektivitas pencampuran.  Hal  ini  dapat  dikaitkan  dengan vortisitas yang merupakan ukuran untuk menyatakan pergerakan  berputar  dari  suatu  molekul  di  dalam sebuah  aliran.  Pada  jenis  pengaduk  statik,  vortisitas yang  terjadi  adalah  tipe  longitundinal,  yaitu perputaran  aliran  berlangsung  mengikuti  aliran fluida  di  dalam  pipa.  Adanya  vortisitas  aliran  akan mengakibatkan  lapisan  aliran  laminar  di  daerah dekat  dinding  pipa  berkurang  akibat  terbentuknya turbulensi  yang  mampu  meningkatkan  transfer secara  konvektif  (Kaci et  al., 2010).  Nilai  vortisitas (ζ)  dihitung  berdasarkan  Persamaan  11,  yaitu  hasil perkalian  vektor  nilai  derivasi  kecepatan  terhadap masing-masing sumbu x, y, dan z.
V

##   
Berdasarkan hasil derivasi besaran kecepatan  terhadap  masing-masing  sumbu  x,  y  dan z, maka diperoleh nilai gradien kecepatan di modul 1 yang  ditunjukkan  pada  Gambar  11.  Kelengkungan profil kecepatan yang terbentuk pada masing-masing sumbu  x,  y,  dan  z  menunjukkan  gradien  kecepatan aliran  yang  terjadi  di  sepanjang  diameter  pipa. Semakin  besar  kelengkungan  dari  profil  kecepatan, maka  semakin  besar  gradien  kecepatan  aliran  yang nantinya  mempengaruhi  keseragaman  vortisitas. Sebagaimana penjelasan di atas, vortisitas merupakanperkalian vektordari gradien kecepatan di masing-masing sumbu x, y, dan z.
Gambar 11. Profil gradien kecepatan masing-masing sumbu  x,  y,  z  pada  elemen  ketiga  di modul 1 (Skenario 3)
Pada  penelitian  ini,  simulasi  dengan  lima skenario  laju  aliran  massa  menghasilkan  kontur vortisitas yang bervariasi di sepanjang diameter pipa (Gambar 12). Teraan profil tersebut ke dalam grafik vortisitas  terhadap  jari-jari  pipa  ditunjukkan  pada Gambar  13.  Peningkatan  laju  aliran  reaktan
menyebabkan  profil  kecepatan  yang  semakin melengkung sehingga menyebabkan vortisitas semakin  tidak  seragam  di  sepanjang  jari-jari  pipa, seperti  ditunjukkan  oleh  perbedaan  skenario  pada masing-masing  modul.  Perbandingan  antar  modul pada  skenario  yang  sama  menunjukkan  adanya peningkatan  keseragaman  vortisitas  pada  modul terjauh dari inlet.

## Gambar12.  Kontur  vortisitas  di  modul  1,  3,  dan  5 untuk setiap skenario
Kondisi  aliran  yang  memiliki  vortisitas seragam  menunjukkan  bahwa  aliran  tidak  hanya terjadi  ke  arah  arus  utama  (arah  aksial)  tetapi  juga terjadi  gerakan  acak  ke  arah  sumbu  y  dan  z,  serta terjadinya  gerakan  rotasi  sebagai  akibat  dari keberadaan elemen pengaduk di dalam pipa. Kondisi vortisitas  di  sepanjang  pengaduk  diperkirakan berpengaruh  terhadap  ketercampuran  molekul- molekul  reaktan,  yang  pada  akhirnya  akan meningkatkan  peluang  terjadinya  reaksi  antar molekul reaktan tersebut. Dengan demikian, vortisitas  dapat  digunakan  sebagai  parameter kuantifikasi  ketercampuran  fluida  di  dalam  reaktor
0 50 100 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 Gr adi en ke ce pa tan ( 1/det) Jari-jari pipa (m) x
Skenario 1 Skenario 5 Skenario 4 Skenario 3 Skenario 2 Vortisi tas (1/s)
…...................................................   (11)
berpengaduk  statik,  meskipun  pengaruh  vortisitas terhadap  laju  reaksi  yang  dihasilkan  perlu  dikaji lebih lanjut.
Gambar  13.Perbandingan  vortisitas  antar  modul disepanjang jari-jari pipa

## KESIMPULAN DAN SARAN

## Kesimpulan
Keberadaan  elemen  pengaduk  di  dalam  pipa reaktor  berpengaduk  statis  (mempengaruhi  profil aliran  fluida  di  dalam  reaktor).  Aliran  fluida  tidak hanya terjadi ke arah arus utama (arah aksial) tetapi juga  terjadi  gerakan  acak  ke  arah  sumbu  y  dan  z, serta  gerakan  rotasi.  Terjadinya  gerakan  acak tersebut  mempengaruhi  ketercampuran  fluida,  dan dapat dikuantifikasi dengan nilai vortisitas.

## Saran
Pengaruh pengaduk statik terhadap laju reaksi perlu dikaji lebih lanjut, terutama terhadap parameter
pencampuran (vortisitas)yang dihasilkan disepanjang pipa  reaktor  berpengaduk  statik  untuk  memperoleh konversi reaksi yang maksimal.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan  terima  kasih  disampaikan  kepada Direktorat Jenderal Penguatan Riset dan Pengembangan  Kementrian  Riset,  Teknologi,  dan Perguruan  Tinggi  Republik  Indonesia  yang  sudah mendukung penelitian ini dalam Penelitian Magister Doktor  Sarjana  Unggulan  (PMDSU)  Tahun  2016, Nomor  :  2200/IT3.11/LT/2016  tanggal  8  September 2016.

## DAFTAR PUSTAKA
Adeyemi  NA,  Mohiuddin  AKM,  Nor  MIM.  2013. CFD  modeling  of  waste  cooking  oil transesterification  in  stirred  tank  reactor. World  Applied  Science  Journal 21:  151-
158.
An H, Yang WM, Maghbouli A, Chou SK, Chua KJ.
2013. Detailed physical properties prediction  of  pure  methyl  esters  for biodiesel  combustion  modeling. Applied Energy. 102: 647-656. Anand  K,  Sharma  RP,  dan  Mehta  PS . 2011.  A comprehensive  approach  for  estimating thermo-physical  properties  of  biodiesel fuels. Applied  Thermal  Eng. 31:  235-242. Budiman  A,  Kusumaningtyas  RD,  Pradana YS,  Lestari  NA.  2017. Biodiesel:  Bahan Baku,  Proses,  dan  Teknologi. Yogyakarta: Gadjah Mada Universitas Press.
Chempro  G  India.  2017.  Palm  oil  properties [internet]. [diacu 2017 Januari 30]. Tersedia dari: http://www.chempro.in/palmoilproperties.ht ml.
Darnoko D dan  Cheryan M.  2000. Kinetics of palm oil  transesterification  in  a  batch  reactor. Journal  American  Oil  Chemists  Society . 77(12): 1263-1267. FLUENT 18.1 User’ Guide. 2017. Fluent Inc Garpen  JV.  2005.  Biodiesel  processing  and production. Fuel Processing Techology. 86: 1097-1107.
Hobbs  DM,  Swanson  PD,  dan  Muzzio  FJ.  1998. Numerical characterization of low reynolds number  flow  in  the  kenics  staticmixer. Chemical  Engineering  Science. 53(8): 1565-1584.
Kaci  H  M,  Habchi  C,  Lemenand  T,  Valle  DD,
Peerhossaini  H.  2010.  Flow  structure  and heat transfer induced by embedded vorticity .  International  Journal  Heat  and Mass Transfer. 53: 3575-3584.
0 50 100 150 200 250 300 V o rt isi ta s (1 /s) Modul 1 0 50 100 150 200 250 300 V o rt isi ta s (1 /s) Modul 3 0 50 100 150 200 250 300 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 V o rt isi ta s (1 /s) Jari-jari pipa (m) Modul 5
Knothe  G,  Gerpen  JV,  dan  Krahl  J.  2005. The Biodiesel  Handbook .  Champaign,  Illinois
(US): AOCS Press.
Kumar  V,  Shikre  V,  dan  Nigam  KDP.  2008. Performance  of  kenic  static  mixer  over  a wide  range  of  reynold  number. Chemical Engineering Journal. 139: 284-295.
Ma F dan Hanna MA. 1999. Biodiesel production: a review 1 . Bioresource Technology. 70: 1-15.
Meng  H,  Song  M,  Yu  Y,  Wang  F,  Wu  J.  2015. Chaotic  mixing  characteristics  in  static mixers  with  different  axial  twisted-tape inserts. The  Canadian  Journal  Chem  Eng. 93: 1849-1859.
Panggabean  S.  2011.  Analisis  kinetika  reaksi transesterifikasi pada produksibiodiesel secara  katalitik  dengan static  mixing reactor [Tesis].  Bogor  (ID):  Institut Pertanian Bogor.
Sari  SP,  Tambunan  AH,  dan  Nugroho  LPE.  2016.
Penggunaan pengaduk
statik untuk
mengurangi kebutuhan katalis dalam produksi biodiesel. Jurnal Teknologi Industri Pertanian. 26(3): 236-245 . Sigma  A.  2017.  Methyl  palmitate.  [internet].  [diacu 2017 Januari 30]. Tersedia dari:
https://www.sigmaaldrich.com/catalog/prod uct/sigma/p5177?lang=en&region=ID.
Sivasamy  A,Cheah  KY,  Fornasiero  P,  Kemausuor F,Zinoviev  S,  Miertus  S.  2009.  Catalytic applications  in  the  production  of  biodiesel fromvegetable  oils. Chemsuschem. 2:  278- 300.
Soolany  C,  Tambunan  AH,  dan  Sudradjat  R.  2015. Kajian  penggunaan static  mixing  reactor pada proses produksi biodieselsecara katalitik  dengan  sistem  kontinu. Jurnal Penelitian Hasil Hutan . 33(3): 261-272.
Sungwornpatansakul  P,  Hiroi  J,  Nigahara  Y, Jayasinghe  TK,  Yoshikawa  K.  2013. Enhancement of biodiesel production reaction  employing  the  static  mixing. Fuel Processing Tech. 116: 1-8.
Wen  Z  dan  Petera  J.  2015.  CFD  numerical simulation  of  biodiesel  synthesis  in  a spinning  disc  reactor. Chemical  Process Engineering . 36(1): 21-37.