Sistem fluidisasi untuk rekayasa pemeliharaan alur

THAHA, Muhammad Arsyad, Promotor Prof.Dr.Ir. H. Nur Yuwono, Dip.HE

2006 | Disertasi | S3 Ilmu-ilmu Teknik

Metode fluidisasi adalah alternatif baru pengerukan pada pengelolaan lingkungan pantai. Hingga saat ini, metode fluidisasi belum menunjukkan kinerja yang memadai akibat masih adanya kelemahan dalam sistem. Penelitian ini bertujuan memahami permasalahan tersebut dan mendapatkan solusi perbaikannya. Penelitian meliputi kajian teoritis dan eksperimen terhadap karakteristik fluidisasi termasuk kebutuhan debit dan tinggi tenaga untuk fluidisasi, penyumbatan lubang dan solusinya serta kinerja pembentukan alur. Kebutuhan tekanan dan debit fluidisasi dirumuskan secara teoritis dari criteria kecepatan minimum fluidisasi (vmf) (Richardson, 1971) dengan menggunakan hukum kontinuitas dan keseimbangan gaya. Verifikasi vmf dilakukan melalui eksperimen satu dimensi (1D) dengan tabung vertikal berdiameter 3h. Eksperimen dua dimensi (2D) pada pasir dengan ketebalan yang bervariasi, dilakukan dalam bak transparan berukuran 120 cm x 50 cm x 80 cm dengan pipa fluidisasi PVC 2h. Eksperimen dilakukan untuk mempelajari mekanisme dan proses fluidisasi jet vertikal dan horisontal, pengaruh arah jet terhadap parameter hidraulik fluidisasi dan sistem kerja lubang perforasi untuk mendapatkan solusi permasalahan penyumbatan. Eksperimen tiga dimensi (3D) skala besar, dilakukan pada saluran percobaan berukuran 20 m x 2 m x 1.4 m. Saluran diisi pasir dengan tebal 40 cm . 70 cm di atas 2 pipa fluidisasi parallel dengan panjang 3 m dan jarak antar pipa 160 cm. Simulasi pembentukan alur dilakukan dalam variasi kecepatan aliran permukaan (U), tekanan fluidisasi penuh (hf) dan lamanya waktu penggelontoran (t). Hasil eksperimen 1D menunjukkan nilai vmf cukup sesuai dengan nilai vmf dari korelasi Richardson-Zaki (Richardson, 1971). Porositas kritis fluidisasi ( ƒÃ f) untuk pasir kasar, sedang dan halus diperoleh masing-masing 0.448, 0.486 dan 0.559. Kecepatan kritis fluidisasi (vc) pada domain tak terbatas diperoleh berkisar 2 kali lebih besar dari vmf pada domain terbatas. Kebutuhan tinggi tenaga fluidisasi (he) dapat diuraikan dalam 2 komponen yaitu kehilangan tinggi tenaga oleh lubang (hoc) dan oleh sedimen (hbc). Kehilangan tinggi tenaga hoc dipengaruhi oleh diameter lubang (Df), ketebalan sedimen (db) dan vmf, sementara hbc dipengaruhi oleh db, ƒÃ dan rapat massa sedimen ( ƒÏ s ). Koefisien sharing (Cs), rasio kecepatan (Rv) dan rasio tekanan (Rho & Rhb) untuk jet vertikal seri berhasil dirumuskan dari eksperimen dalam fungsi diameter dan spasi lubang (a dan Df) serta db. Porsi pengaruh hoc dan hbc terhadap he dapat ditentukan dengan koefisien Rho dan Rhb. Akhirnya, rumusan teoritis he dan Qoc yang diperoleh menunjukkan hasil yang cukup sesuai dengan hasil eksperimen pada kehilangan debit 20%. Tinggi tenaga (he) untuk arah jet 45o dan 90odiperoleh 20% and 70% lebih besar dari he jet vertikal (0o). Tipe curat dengan pelindung karet menunjukkan kinerja yang baik dalam mencegah masuknya sedimen dan mengurangi potensi penyumbatan. Dimensi alur dipengaruhi oleh angka Froude penggelontoran (Fr), rasio tekanan fluidisasi penuh terhadap ketebalan (hf/db) serta elevasi muka sedimen pada posisi ujung hilir pipa. Alur optimal tercapai pada nilai Fr . 0.2 dan hf/db berkisar 10-15 dalam waktu 10 - 20 menit.

Fluidization method is a new dredging alternative to manage coastal environment. The performance of the method is not yet satisfactory due to some existing limitations. The aim of the research is to advance understanding regarding the limitations and to find out the improved solutions. This work consists of theoretical and experimental studies of the hydraulics aspects of fluidization method including required hydraulic head and flow rate to achieve incipient and full fluidization, holes clogging and solutions and mechanism of trench formation. Theoretical formulation of required hydraulic head and flow rate of fluidization was developed based on minimum fluidization velocity (vmf) (Richardson, 1971) using continuity equation and force equilibrium law. Verification of Richardson criteria (vmf) have been performed using one dimensional (1D) experiment on 3h diameter of vertical cylindrical tube. Two dimensional (2D) experiments were conducted in a 120 cm x 50 cm x 80 cm transparant wall tank filled with sand in various thicknesses covering 2h fluidizer pipe. The experiments were performed to study the hydraulics mechanism of vertical and horizontal jet fluidization processes, the effect of jet directions and the performance of hole types in protecting holes from clogging. Three dimensional (3D) large scale experiments have been performed in a 20 m x 2 m x 1. 4 m indoor flume filled with sand of 40 cm to 70 cm thick overlying 3 m length of 3h diameter of parallel fluidizer pipes that are 160 cm apart. The aim of the research is to simulate a full scale of fluidization dan channel flushing problems. The result of the research indicates that vmf (Richardson, 1971) is in good agreement with 1D experimental result. Voidage fractions (ƒÃ) for 3 kind of sand (coarse, medium and fine) in incipient condition were found to be 0.448; 0.486 and 0.559 respectively. Critical fluidization velocity (vc) in unbounded domain (2D experiment) was found approximately 2 times larger than vmf in bounded domain (1D experiment). The hydraulic head (he) for fluidization could be separated in 2 components of head loss i.e orifice and sedimen bed head loss (hoc and hbc). Orifice head loss (hoc) is significantly influenced by orifice diameter (Df); sediment thickness (db) and vmf, while hbc is significantly affected by db, ƒÃ and the density of the sediment ( ƒÏ s). Sharing coefficient (Cs) for serial vertical jet including single-to-series ratio of critical jet velocity (Rv) and hydraulic head (Rho and Rhb) were introduced and found to be function of hole diameter (Df), hole spaces (a) and db. The effect of each hoc and hbc to the he could be determined using Rho and Rhb coefficient. Finally, improved theoretical formulation of he and Qoc is in good agreement with experimental results when approximated water leaving fluidization zone is 20%. Hydraulic head (he) for 45o and 90o jet directions were found to be 20% and 70% larger than he of vertical jet (0o). A simple nozzle with specific rubber protection was proved satisfactorily as a better system in protecting holes from clogging. Trench dimension depends on flushing Froude Number (Fr), ratio of full fluidization hydraulic head to sedimen thickness (hf/db) and bed elevation at the downstream of pipe outlet. Optimum trench could be achieved in 10 to 20 minutes for Fr . 0.02 and approximately 10-15 of hf/db.

Kata Kunci : Sistem Fluidisasi,Pemeliharaan Alur, fluidization criteria, hydraulic properties, perforation holes, trench dimension.