Simulasi Sistem Aliran Massa Pneumatic Grain Conveyor Kapasitas 135 Ton/Jam
Muhammad Ridwan, Andri Surya R, Irga Nugraha. Teknik Mesin Institut Teknologi Nasional Bandung, Indonesia Jl. PHH. Mustafa No.23 Bandung 40124
email : ridwan@itenas.ac.id

## Abstrak
Pneumatic grain conveyor adalah sebuah alat untuk memindahkan benda yang berbentuk serbuk atau  butir  dengan  memanfaatkan  udara  sebagai  media  pemindahan.  Conveyor  yang  cocok digunakan  untuk  memindahkan  butiran-butiran  seperti  gandum  dengan  cepat  adalah  bertipe pneumatic grain conveyor yang memanfaatkan fluida udara sebagai media untuk memindahkan butiran. Proses  simulasi  ini  dilakukan  untuk  membuktikan  sejauh  mana  kapasitas perancangan  135  ton/jam  dapat  dicapai  oleh  conveyor  hasil  perancangan. Pneumatic  grain conveyor  yang  dirancang  menggunakan  sistem  tekanan  kombinasi,  proses  simulasi  dilakukan pada  jalur  aliran  gandum  yang  meliputi  3  bagian  menyambung  yaitu  inlet  pipe,  cyclone,  dan outlet  pipe.  Boundary  conditions  pada  bagian  inlet  pipe  menggunakan  data  dari  hasil perancangan,  sedangkan  pada  cyclone  dan  outlet  pipe  menggunakan  data  dari  hasil  simulasi pada  bagian  sebelumnya.  Hasil  simulasi  menunjukkan  bahwa  kapasitas  pemindahan  dari conveyor adalah sebesar 26,653 ton/jam. Laju aliran gandum dapat mencapai fasa dilute phase serta cyclone berfungsi dengan baik dalam memisahkan gandum dengan udara.
Kata kunci : pneumatic grain conveyor, inlet pipe, cyclone , outlet pipe, simulasi.

## Abstract
Pneumatic grain conveyor is a tool for moving objects in the form of powder or grain by utilizing air as a transfer medium. Conveyors that are suitable for moving granules quickly such as wheat are  pneumatic  grain  conveyor,  that  use  air fluid  to  move  the grain . This simulation  process  is carried out to prove the extent to which the design capacity of 135 tons / hour can be achieved by the designed conveyor. Pneumatic grain conveyor designed using a combination pressure system, the simulation process is carried out on the grain flow path which includes 3 connecting parts, namely inlet pipe, cyclone, dan outlet pipe. Boundary conditions in the inlet pipe section use data from  the  design  result,  while  the  cyclone  and  outlet  pipe  section  use  data  from  the  simulation results in the previous section. The simulation results show that the displacement capacity of the conveyor is 26.653 tons / hour. The flow rate of wheat can reach the phase of the dilute phase and the cyclone works well in separating wheat with air.
Keywords : pneumatic grain conveyor, inlet pipe, cyclone, outlet pipe, simulation .

## 1. Pendahuluan
Pneumatic grain conveyor digunakan untuk memindahkan bahan baku makanan seperti gandum, tepung,  gabah  ataupun  lainnya  yang  berbentuk  serbuk.  Rancangan pneumatic  grain conveyor dengan kapasitas 135 ton/jam telah selesai sebagai tahap pertama penelitian perancangan secara teoritik.  Penelitian  selanjutnya  merupakan  proses  simulasi conveyor tersebut  berdasarkan spesifikasi dan parameter yang telah ditetapkan. Simulasi ini bertujuan untuk mengetahui kinerja conveyor  berdasarkan  metode  numerik computational  fluid  Dynamics yang  berguna  sebagai bahan  perbandingan  dengan  hasil  penelitian  perancangan  secara  teoritik  sebelumnya.  Adapun ruang  lingkup  penelitian  ini  adalah  untuk  mengetahui  terpenuhinya  prinsip  perpindahan  massa dan tercapainya kapasitas aliran massa berdasarkan metode numerik.

## 2. Metodologi Simulasi

## 2.1 Geometri Model
Geometri  model pneumatic  grain  conveyor yang  disisipkan  ke  dalam  proses  simulasi  yaitu berbentuk  3D  dan  dibagi  menjadi  3  bagian  yaitu inlet  pipe , cyclone ,  dan outlet  pipe .  Gravitasi bumi menuju ke arah sumbu –Y seperti pada gambar dibawah.
Bagian Inlet Pipe : merupakan awal masuknya gandum dan udara dari titik A menuju ke titik B pada  Gambar  1.  Bagian inlet ini  merupakan  pipa  berpenampang  lingkaran  dengan  diameter  14 inch yang terbuat dari material baja paduan ASTM 312 Tp 304L SCH 10S.
Gambar 1. Inlet Pipe
Bagian cyclone : merupakan lanjutan dari bagian inlet pipe yang diharapkan berfungsi sebagai tempat untuk memisahkan antara udara dan gandum. Gandum dan udara masuk dari titik A pada Gambar  2  kemudian  akan  berputar  dalam cyclone karena  adanya  gaya  sentrifugal,    sehingga gandum yang memiliki densitas tinggi akan jatuh ke bawah menuju titik C, sedangkan udara akan keluar menuju titik B. Cyclone ini terbuat dari material baja paduan SS316L.
Gambar 2. Cyclone
Bagian outlet  pipe : merupakan  lanjutan  dari  bagian cyclone ,  pipa  yang  berukuran  14  inch  ini lintasan akhir dari alat pneumatic grain conveyor . Gandum dari cyclone masuk dari titik B pada Gambar 3 dan udara dari blower masuk dari titik A sehingga gandum akan terdorong oleh udara, keluar menuju titik C yaitu atmosfer. Material pipa outlet ini terbuat dari baja paduan ASTM 312 Tp 304L SCH 10S.
Gambar 3. Outlet Pipe

## 2.2 Metodologi Simulasi
Simulasi  dilakukan  dengan  menggunakan software  ansys  fluent  R17 ,  metode  simulasi  ini berdasarkan kasus aliran fluida secara  numerik ( CFD ) berupa udara yang mengangkat gandum masuk kedalam inlet pipe kemudian dipisahkan didalam cyclone lalu keluar menuju outlet pipe . Proses ini memiliki beberapa tahap diantaranya pre-processing, solver, dan post-processing
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1. Parameter Simulasi CFD
Berikut adalah parameter yang digunakan pada simulasi CFD didalam software ansys fluent yaitu (1) Desain pneumatic grain conveyor ( Inlet pipe, Cyclone, dan Outlet pipe ), (2) Kondisi aliran steady, (3) Kondisi Models > Multiphase > Eulerian > 2 Phase ( Gas & Solid ), (4) Kondisi aliran viskos turbulen > k-epsilon, (5) Bilangan Reynold = 1065717,8, (6) Gravitasi bumi = 9.81 m/s 2 , (7) Massa jenis udara = 1,165 kg/m 3 , (8) Viskositas udara = 1,86 x 10 -5 N.s/m 2 (9) Massa jenis gandum = 900 kg/m 3 , (10) Diameter gandum = 0,0031 m, (11) Kecepatan udara = 50.76 m/s, (12) Kecepatan gandum = 0.559 m/s. (13) Massflow udara = 5,16 kg/s (14) Massflow gandum = 37,5 kg/s.
3.2. Validasi Simulasi Geometri : dimensi keseluruhan alat pneumatic grain conveyor dibuat sesuai dengan data dari hasil perancangan teoritik dengan menggunakan software CAD dalam bentuk geometri. Format CAD yang dimasukkan kedalam software fluent yaitu berbentuk step (.step / .stp). Mesh : Mengubah  model  geometri  yang  telah  disisipkan  menjadi  elemen-elemen  kecil  hingga mendapatkan ketelitian yang ditentukan batas validasinya. Tabel 1 menunjukkan hasil nilai rata- rata skewness dan orthogonal quality berada pada nilai yang baik dari batas validasinya. Skewness dan orthogonal  quality merupakan  nilai  pengecekan mesh dari  pembuatan mesh pada  tiap bagiannya
Bagian Nilai Skewness Nilai Orthogonal Quality Jenis Elemen Inlet Pipe 0.13065 0.98408 Hexahedral Cyclone 0.22782 0.87536 Tetrahedral Outlet Pipe 0.1909 0.92355 Hexahedral
Setup  boundary  conditions : Pemasukan  data  kondisi  awal  yang  digunakan  berdasarkan  hasil rancangan pada setiap batas dari model geometri. Data dan kondisi yang digunakan pada setiap batas bagiannya dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Penggunaan Boundary Conditions
Bagian Sisi Inlet Udara Sisi Inlet Gandum Sisi Inlet Volume Fraction (u;g) Sisi Outlet Inlet Pipe Velocity Inlet 50.76 m/s 0.559 m/s (0.8 ; 0.2) Outflow Cyclone Massflow Inlet 4.0287 kg/m 3 8.8725 kg/m 3 (0.8 ; 0.2) Outflow Outlet Pipe Velocity Inlet (u) Massflow Inlet (g) 50.76 m/s 0 kg/m 3 0 m/s 08.161 kg/m 3 (1 ; 0) (0 ; 1) Outflow
Proses perhitungan : Kondisi yang digunakan dalam proses perhitungan ini yaitu aliran dalam kondisis steady, mengaktifkan gaya gravitasi menuju pusat bumi dengan nilai 9.81 m/s 2 , model aliran  menggunakan multiphase  Eulerian  granular  flow ,  dan  aliran  viskos  menggunakan  k- epsilon. Berikut adalah Tabel 3 yang menunjukkan hasil iterasi pada setiap bagiannya.
Tabel 3. Iterasi Konvergen Bagian Angka Iterasi Konvergen Inlet Pipe 2785 - 14884 Cyclone 4739 Outlet Pipe 7418

## 3.3. Analisa Massflow Gandum
Berdasarkan data input dari hasil perancangan dengan kecepatan awal udara sebesar 50,76 m/s dan kecepatan awal gandum sebesar 0,559 m/s hanya dapat menghasilkan massflow gandum rata- rata sebesar 7,4038 kg/s yang bila diubah ke dalam ton/jam adalah sebesar 26,653 ton/jam. Hal  ini  dapat  diakibatkan  karena  kurangnya  kecepatan  awal  gandum  yang  dibutuhkan  untuk memindahkan  gandum  sebesar  37,5  kg/s,  serta  luas  yang  ditempuh  gandum  pun  sangat berpengaruh  terhadap  debit  gandum  atau massflow gandum.  Berikut  adalah  Tabel  4  hasil perbandingan  antara  hasil massflow gandum  yang  diperoleh  dari  perhitungan  perancangan  dan simulasi yaitu simulasi berdasarkan data perancangan.
Bagian Kecepatan Udara Kecepatan Gandum Volume Fraction Gandum Massflow Gandum Inlet Pipe 50.76 m/s 0.559 m/s 0.85 37.5 kg/s Cyclone 50.76 m/s 0.559 m/s 0.2 7.4038 kg/s 3.4. Analisa Pressure Drop
Pressure  drop yang  terjadi  mulai  dari inlet  pipe,  cyclone, dan outlet  pipe berturut-turut  adalah sebesar 5630 Pa, 725 Pa, dan 7000 Pa sehingga jika ditotalkan pressure drop -nya menjadi 13355 Pa,  nilai  tersebut  adalah pressure  drop yang  dibutuhkan  untuk  memindahkan  gandum  sebesar 7,4038 kg/s.
Terdapat  perbedaan  nilai pressure  drop dari  hasil  simulasi  dengan  hasil  perancangan  dan perbedaannya-pun cukup jauh, nilai pressure drop total hasil perancangan adalah sebesar 36844.3 Pa  sedangkan  hasil  simulasi pressure  drop totalnya  adalah  13355  Pa,  perbedaan  ini  dapat diakibatkan oleh asumsi yang digunakan perancang pada setiap belokan menggunakan konstanta elbow 90˚ yang sebenarnya belokan di setiap pipa tidak semuanya 90˚, serta pressure drop total yang  perancang  hitung  juga  meliputi  pipa  antara cyclone menuju blower kemudian  menuju  ke outlet pipe .

## 3.5. Analisa Tekanan Sistem
Tekanan yang terjadi pada bagian inlet pipe berada dibawah tekanan atmosfer (vakum) sehingga udara dari lingkungan luar akan terhisap masuk ke sisi inlet dan mengalir menuju sisi outlet, hanya saja saat di belokan seperti pada Gambar 4 terjadi penurunan tekanan di bagian bawah belokan serta  peningkatan  tekanan  di  bagian  atas  belokan.  Hal  ini  dapat  menimbulkan  aliran  udara mengalami reversed  flow atau aliran  balik  tetapi  karena  perbedaan  angka  tekanannya  memang tidak cukup jauh, sehingga aliran balik yang terjadipun tidak akan terlalu besar atau bahkan tidak akan terjadi.
Gambar 4. Tekanan Sistem pada Inlet Pipe
Tekanan  yang  terjadi  pada  bagian cyclone melanjutkan  dari  tekanan  pada inlet  pipe sehingga tekanannya lebih rendah lagi dan yang paling vakum berada dibagian atas cyclone karena menuju sisi hisap blower , distribusi tekanan pada cyclone memiliki tekanan tinggi dipinggir serta rendah dibagian tengah karena dimaksudkan agar udara mengalir secara berputar dari pinggir menuju ke tengah cyclone, hanya saja dibagian atas cyclone seperti pada Gambar 5 terdapat tekanan yang rendah  bila  dibandingkan  dengan  tekanan  di  sekelilingnya  yang  nantinya  dapat  mengacaukan
aliran udara yang keluar akan menjadi berbalik pada bagian atas cyclone . Aliran balik dibagian atas cyclone dapat tidak terjadi karena perbedaan tekanan bagian  yang dilingkar merah  dengan tekanan di sekelilingnya bernilai rendah.
Gambar 5. Tekanan Sistem pada Cyclone
Tekanan yang terjadi pada bagian outlet pipe berada diatas tekanan atmosfer karena merupakan lanjutan dari sisi discharge blower yang tekanannya tinggi dan akan keluar menuju ke lingkungan atmosfer pada sisi outlet -nya sehingga udara akan mengalir dari sisi inlet menuju sisi outlet, hanya saja  saat  di  bagian  sambungan  T  dan  di  elbow  90˚  terdapat  penurunan  tekanan  seperti  pada Gambar 6. Hal ini dapat merugikan karena pada sambungan T tersebut udara dapat masuk ke sisi inlet- gandum  sehingga  menghalangi  gandum  untuk  jatuh  dan  perbedaan  tekanan  ini  dapat menghambat  udara  yang  keluar  kesisi outlet karena  akan  muncul reversed  flow di  bagian sambungan  dan elbow tersebut,  untuk  mengurangi  efek  penurunan  tekanan  maka  kemiringan elbow harus kurang dari 90˚.
Gambar 6. Tekanan Sistem pada Outlet Pipe
3.6. Analisa Kecepatan Sistem
Udara dapat mengalir dari sisi inlet menuju ke sisi outlet tetapi kecepatan udara yang terjadi pada bagian inlet  pipe tidak  seragam  seperti  Gambar  7,  di  bagian  dinding  pipa  kecepatannya  selalu lebih  rendah  dibandingkan  dibagian  tengahnya  fenomena  ini  dikarenakan  dinding  yang  dilalui udara  dalam  keadaan  diam,  saat  di  belokan  aliran  udara  tidak  berbalik  dikarenakan  penurunan tekanan yang terjadi bernilai rendah.
Gambar 7. Kecepatan Udara pada Inlet Pipe
Gandum  yang  masuk  ke sisi inlet dapat mengalir keluar menuju sisi outlet karena adanya gaya dorong dari udara sehingga terjadi peningkatan kecepatan gandum seperti pada Gambar 8, tetapi saat keluar belokan kecepatan gandum menurun. Penurunan kecepatan gandum diakibatkan oleh adanya tumbukan yang terjadi pada belokan pipa, sehingga gandum yang menabrak dinding pipa seketika  berkurang  kecepatannya.  Sebelum  terjadinya  tumbukan  pada  belokan  pipa,  gandum sudah  dalam  posisi  melayang  didalam  pipa  sehingga  dapat  diartikan  bahwa  gandum  mencapai fasa dilute seperti pada Gambar 9 tetapi karena terjadi tumbukan aliran gandum  menjadi kacau sehingga tidak melayang kembali.
Gambar 8. Kecepatan Gandum pada Inlet Pipe
Gambar 9. Volume Fraction pada Inlet Pipe
Udara yang masuk ke bagian cyclone dapat berputar searah dengan jarum jam ( clockwise ) serta keluar  menuju  sisi outlet -udara  yang  tekanannya  paling  rendah,  tetapi  kecepatan  udara  saat memasuki cyclone mengalami penurunan karena adanya perbesaran penampang pada sisi inlet cyclone seperti pada Gambar 10. Mayoritas dari udara keluar menuju sisi outlet -udara yang berada dibagian  atas cyclone sedangkan  udara  yang  keluar  menuju  sisi outlet -gandum  yang  berada dibagian bawah cyclone hanya sebagian kecil saja.
Gambar 10. Kecepatan Udara pada Cyclone
Gandum yang masuk ke dalam cyclone terlempar sempurna karena adanya gaya sentrifugal yang terjadi  pada cyclone sehingga  gandum  dapat  keluar  menuju  ke  sisi outlet -gandum  yang  berada dibagian  bawah cyclone karena  densitasnya  tinggi,  adapun  gandum  yang  keluar  ke  sisi outlet - udara  sangatlah  sedikit  seperti  pada  Gambar  11.  Saat  gandum  masuk  dan  meningkat kecepatannya,  gandum  mengalami  tumbukan  ke  dinding cyclone sehingga  kecepatannya menurun.  Pada  bagian  bawah cyclone terdapat  gandum  yang  sudah  terlempar  ke  dinding  lalu terbawa  oleh  aliran  udara  ke  bagian  tengah cyclone seperti  pada  Gambar  12  tetapi  karena kecepatan udara sangat rendah gandum tetap jatuh kebawah dan tidak terbawa ke atas oleh aliran udara.
Gambar 11. Kecepatan Gandum pada Cyclone
Gambar 12. Aliran Gandum pada Cyclone
Udara dapat mengalir dari sisi inlet -udara menuju ke sisi outlet tetapi terdapat aliran udara yang masuk ke dalam pipa sisi inlet -gandum yang dimana ini dapat mengganggu jatuhnya gandum ke pipa  seperti  pada  Gambar  13.  Pada elbow 90˚  tidak  terjadi  aliran  udara  yang  berbalik  karena penurunan tekanan yang terjadi pada bagian elbow bernilai rendah. Kecepatan udara tinggi pada bagian tengah pipa dan rendah  dibagian dinding pipa ini dikarenakan dinding yang dilalui oleh aliran fluida dalam keadaan diam.
Gambar 13. Kecepatan Udara pada Outlet Pipe
Gandum  yang  jatuh dari sisi inlet -gandum  dapat mengalir keluar ke sisi outlet , karena gandum yang jatuh dapat langsung didorong oleh udara seperti pada Gambar 14. Kecepatan gandum yang terjadi pada outlet pipe relatif seragam tetapi tetap ada tumbukan  gandum pada saat pipa belok naik sehingga terdapat ruang kosong pada pipa karena gandum tidak berbelok.
Gambar 14. Kecepatan Gandum pada Outlet Pipe

## 4. Kesimpulan
Dengan serangkaian proses simulasi yang telah dilakukan berdasarkan input data dan spesifikasi perancangan  teoritik,  kapasitas conveyor yang  dihasilkan  berdasarkan  metode  numerik  (CFD) adalah  26,653  ton/jam  sementara  kapasitas  teoritiknya  sebesar  135  ton/jam.  Berdasarkan  hasil dari  kontur  laju  aliran  gandum  dalam  pipa  dengan  kecepatan  udara  50,76  m/s  sudah  dapat membuat gandum melayang di dalam pipa sehingga mencapai fasa dilute serta pemanfaatan gaya sentrifugal  pada cyclone, hal  ini  menunjukkan  bahwa  prinsip  perpindahan  massa  2  fasa sudah berfungsi dengan baik untuk memisahkan fluida udara dengan butiran gandum.
5. Saran
Tumbukan gandum dan penurunan tekanan sering terjadi pada bagian belokan pipa, oleh karena itu harus ada penyesuaian dimensi pada setiap jalur belokan conveyor
c

## 6. Ucapan Terima Kasih
Penulis ucapkan terimakasih kepada PT. Medina Engineering , yang telah mendukung pendanaan penelitian ini.
7. Daftar Pustaka
[1]   Ansys, Inc. 2009. Ansys Fluent 12.0 User’s Guide . PathScale Corporation.
[2]   Ansys, Inc. 2016. Ansys Fluent 17.0 User’s Guide . Southpointe, Canonsburg.
[3]  Renaldi, Gitra. 2018. Perancangan Sistem Mekanika Pneumatic Grain Conveyor Kapasitas 135 ton/jam. Sarjana Skripsi, Institut Teknologi Nasional Bandung.
[4]   Klinzing, G.E., Marcus, S, Leung, L.S. 2010. Pneumatic Conveying of Solids . New York : Springer, Springer Dordrecht Heidelberg London.
[5]   Suantika, Komang. 2008. Simulasi  Alat Uji Dua Fasa (Gas-Solid) Di Dalam Pipa Dengan Menggunakan  Perangkat  Lunak  CFD  Fluent.  Sarjana  Skripsi,  Institut  Teknologi  Nasional Bandung.
[6]   Tuakia, Firman. 2008. Dasar-Dasar CFD Menggunakan Fluent. Bandung : Informatika.