Introduction
Minyak kelapa sawit menjadi salah satu sumber energi alternative yang dapat diproses menjadi bahan bakar berbasis minyak nabati[sitasi]. Hal ini didukung dengan jumlah produksi minyak kelapa sawit yang sangat besar di negara-negara tropis seperti Indonesia dan Malaysia[sitasi]. Pada tahun ……, Indonesia dan Malaysia memproduksi minyak kelapa sawit mentah atau Crude Palm Oil (CPO) hingga mencapai 34,94 juta Ton [sitasi]. Dengan jumlah produksinya yang sangat besar, minyak kelapa sawit dapat menjadi salah satu sumber alternatif untuk memenuhi kebutuhan bahan bakar di dunia[sitasi], khususnya sejak menipisnya ketersediaan bahan bakar fossil saat ini.
Minyak kelapa sawit dapat dikonversi menjadi bahan bakar nabati melalui proses Fluid Catalytic Cracking [MS1] [MS2] (FCC) [sitasi terbaru]. Dalam prosenya, umpan minyak yang akan di konversi harus berada pada fase uap ketika mengalami reaksi cracking [sitasi]. Sehingga, umpan minyak biasanya diinjeksi kedalam reaktor menggunakan nozzle dalam bentuk partikel-partikel droplet dan akan langsung terevaporasi sebelum mengalami reaksi cracking (Añez 2018). Namun, penggunaan injector nozzle secara umum digunakan untuk laju umpan minyak yang besar [sitasi]. Pada kondisi umpan minyak yang sangat rendah, dibutuhkan alternatif mekanisme lain yang lebih effektif untuk dapat menguapkan umpan minyak. Oleh karena itu, Universitas Indonesia mengembangkan sebuah prototipe FCC yang memanfaatkan falling liquid film evaporator (Farhan et al. 2023; Siswantara et al. 2023). Keunggulan (benefit) dari penggunaan falling liquid film evaporator pada sistem FCC Proto X3 adalah kemampuannya dalam menguapkan umpan minyak dengan laju alir massa yang rendah (Siswantara et al., 2023).
Falling liquid film flow adalah aliran yang mengalir dengan memanfaatkan effek gravitasi yang dapat memberikan koefisien perpindahan panas yang tinggi (Cheng, Ju, and Fu 2020) dengan dengan residence time yang rendah(Frías-Esquivel et al. 2017). Dengan keunggulannya tersebut Falling liquid film flow juga banyak diaplikasian pada berbagai industri, seperti industry petrokimia(Dreiser and Bart 2016; Karlsson, Gourdon, and Vamling 2014), industry makanan (Frías-Esquivel et al. 2017), dan industri pengolahan minyak(Lu et al. 2017). Selain itu, falling liquid film juga telah digunakan untuk desalinasi air laut sekala besar sejak tahun 1960 oleh Freeport di Texas(Herbert and Sterns 1968).
Karakteristik aliran falling liquid film dapat ditinjau melalui dua hal, yaitu film thickness dan regime alirannya. (Wilhelm Nusselt 1916)pertama kali merumuskan sebuah model untuk aliran film tipis yang dikenal dengan Nusselt Model. Model tersebut mengestimasi film thickness sebagai fungsi dari Reynolds Number dari aliran falling film (Ref). Model Nusselt tersebut dapat menghasilkan estimasi film thickness yang baik untuk nilai Ref yang rendah, meliputi aliran laminar halus dan aliran laminar bergelombang. Lalu, (Brauer 1971) melengkapi bahwa nilai Ref = 4 merupakan batas critical untuk aliran laminar halus. Namun, model Nusselt tidak memperhitungkan pengaruh physical properties dari fluida terhadap karakterisik aliran falling liquid film. Sebagai alternatif, beberapa model yang lain memperhitungkan pengaruh variasi physical properties dari aliran falling liquid film, melalui sebuah bilangan non dimensi yang bernama Kapitsa Number (Al-Sibai 2004; Ishigai et al. 1972; Kapitsa 1948). Beberapa tahun belakangan ini, penelitian lain oleh (Hu et al. 2021) mengungkapkan bahwa model Nusselt overpredict the film thickness dari aliran falling liquid film larutan ionic liquid karena tidak memperhitungkan pengaruh adanya pengaruh surface tension. Sehingga, Hu et al., (2021) mempropose sebuah model prediksi film thickness tak berdimensi sebagai fungsi dari bilangan Reynolds dan bilangan Kapitza yang merepresentasikan pengaruh physical properties fluida liquid. Viskositas fluida liquid lebih dominan mempengaruhi average film thickness (Chen et al. 2019, 2021) dan surface tension secara dominant mempengaruhi amplitudo dan profile gelombang(Chen et al. 2021; Zhang, Ma, and Zhang 2021). Oleh karena itu, nilai physical properties dari fluida liquid sangat berpengaruh terhadap karakterisk aliran falling liquid film
Karakteristik hirodinamika aliran falling liquid film dapat diobservasi dan diinvestigasi melalui metode visualisasi(Zhao et al. 2022). Teknik Shadow photograph menjadi salah satu metode yang pertama kali digunakan untuk mengobservasi karakteristik gelombang yang terbentuk pada alirang falling liquid film (Kapitza and Kapitza 1949). Teknik shadow graph yang dikombinasikan dengan juga confocal chromatic technque digunakan oleh (Budakli, Gambaryan-Roisman, and Stephan 2019) untuk menginvestigasi bagaimana variasi Reynolds number liquid film dan kecepatan aliran gas mempengeruhi regime aliran falling liquid film dari dionized water. Terdapat tiga regime aliran yang terdifinisi berdasarkan tingkat waviness, wave frequency dan Nusselt Number yang terukur pada aliran, yaitu free-wave film flow regime, high-amplitude low frequency wave film flow regime, dan rippled flow regime(Budakli et al. 2019). Metode lainnya adalah Teknik intensity fluoroscence yang digunakan oleh beberapa peniliti untuk mengukur film thickness, mengukur film area (Lu et al. 2017; Zhao et al. 2024) mengukur minimum wetting rate (Lu et al. 2017), dan mengukur film thickness (Lu et al. 2017). Fluorescence intensity tecnique juga telah dilakukan untuk mengobservasi laju minimum wetting rate dari air pada plat vertical (Lu et al. 2017). Minimum wetting rate nilainya bergantung kepada viskositas liquid yang digunakan serta konfigurasi lubang distributor liquid(Lu et al. 2017). Dengan menggunakan Fluorescence intensity tecnique, Isaenkov et al., (2017) mempropose sebuah teknik baru untuk mengukur secara kuantitatif aliran falling film di permukaan dalam vertical tube dan permukaan dalam rectangular duct secara 3 dimensi. Teridentifikasi pula bahwa dalam terdapat tiga tahap dalam pembentukan aliran bergelombang, yaitu tahap pembentukan awal gelombang 2D, peluruhan (decay) menuju 3D wavy film, dan pembentukan quasi 2D disturbnaces wave. Xue et al., (2023) juga menggunakan Fluorescence intensity tecnique untuk mengukur film thickness dan menginvstigasi wave morphology aliran falling liquid film di permukaan dalam tube vertical. Wave morphology dapat dibagi menjadi tiga jenis berdasarkan bentuk gelombang, amplitudo, dan frequency gelombang; yaitu ripples, high frequency disturbances waves, dan solitary waves (Xue et al. 2023). Fluorescence intensity tecnique juga digunakan oleh (Zhao et al. 2024) untuk menginvestigas effek marangoni dan karektarestik aliran falling film di sekitar area breakup. Teridentifkasi bahwa marangoni effect menyebabkan non-isothermal film rupture di area yang dekat dengan crest dari solitary waves.
Karakteristik hidrodinamika aliran falling film juga dapat diinvestigasi dan diobservasi melalui teknik pengukuran film thickness secara langsung, seperti teknik confocal chromatic (Berto et al. 2021; Hu et al. 2021; Wang et al. 2022), capacitance technique (Chen et al. 2019), dan optical laser triangulation technique (Åkesjö et al. 2017). Evolusi bentuk gelombang terhadap ruang dan waktu (spatiotemporal) aliran falling liquid film dari larutan air dengan dairy powder dapat diinvestigasi menggunakan teknik pengukuran Optical Laser triangulation Scanner (Åkesjö et al. 2017). Aliran falling liquid film yang diberi gangguan pada akhirnya akan menyesuaikan dengan frequency alamiahnya(Åkesjö et al. 2017). Teknik pengukuran lainnya, capacitance technique, digunakan untuk menginvestigasi residencetime dan film thickness dari aliran falling liquid film dari fluida polymer yang sangat viscous (Chen et al. 2019). Fluida yang sangat viscous menghasilkan aliran film halus tanpa disertai dengan adanya gelombang sama sekali, bahkan pada permukaan dinding yang bergelombang. Viskositas secara dominant mempengaruhi film thickness dan fluida yang lebih viscous akan menghasilakn film thickness yang jauh lebih besar (Chen et al. 2019). Teknik confocal chromatic digunakan oleh untuk menginvestigasi struktur gelombang aliran falling liquid film dari beberapa fluida, seperti dionized water (Budakli et al. 2019), ionic liquid (Hu et al. 2021; Wang et al. 2022), dan R245fa refrigerant (Berto et al. 2021). Ringkasnya struktur gelombang dan ketebalan rata-rata film thickness dipengaruhi oleh properties fluida.
Berdasarkan pengetahuan terbaik penulis dan dari literatur yang telah disebutkan diatas, masih menjadi tantangan untuk mengkaraterisasi aliran falling liquid film untuk minyak nabati dengan teknik visualisasi berbasis camera. Penggunaan zat tracer berwarna (Chen et al. 2019) atau zat fluorecense (Lu et al. 2017) pada umumnya digunakan untuk fluida kerja yang transparan (seperti air dan udara).
Namun penerapannya pada fluida kerja minyak nabati memiliki keterbatasan karena sifat optik minyak yang berbeda. Oleh karena itu, dibutuhkan alternatif strategi dan teknik lain yang dapat mengkarakterisasi aliran fluida minyak dengan baik. Objective dari studi ini adalah menginvestigas karakteristik aliran falling liquid film dari fluida minyak nabati berbasis kelapa sawit pada vertical tube dengan menggunakan metode image processing. Metode yang digunakan adalah visualisasi aliran melalui pengujian eksperimental pada sebuah pipa vertical yang terbuat dari besi menggunakan camera DSLR. Foto-foto hasil visualisasi aliran kemudian di proses lebih lanjut dengan menggunakan software Image-J.
