tdk-tangki-berpengaduk.pdf

(1)

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

MODUL 1.09 Tangki Berpengaduk

I. Pendahuluan

Pengadukan adalah operasi yang menciptakan terjadinya gerakan di dalam bahan yang diaduk. Tujuan operasi pengadukan yang utama adalah terjadinya pencampuran. Pencampuran merupakan operasi yang bertujuan mengurangi ketidaksamaan kondisi, suhu, atau sifat lain yang terdapat dalam suatu bahan. Pencampuran dapat terjadi dengan cara menimbulkan gerak di dalam bahan itu yang menyebabkan bagian-bagian bahan saling bergerak satu terhadap yang lainnya, sehingga operasi pengadukan hanyalah salah satu cara untuk operasi pencampuran. Pencampuran fasa cair merupakan hal yang cukup penting dalam berbagai proses kimia. Pencampuran fasa cair dapat dibagi dalam dua kelompok. Pertama, pencampuran antara cairan yang saling tercampur (miscible), dan kedua adalah pencampuran antara cairan yang tidak tercampur atau tercampur sebagian (immiscible). Selain pencampuran fasa cair dikenal pula operasi pencampuran fasa cair yang pekat seperti lelehan, pasta, dan sebagainya; pencampuran fasa padat seperti bubuk kering, pencampuran fasa gas, dan pencampuran antar fasa.

Pada percobaan yang akan dilakukan pada Laboratorium Teknologi Kimia I ini proses pengadukan yang diteliti adalah pengadukan cairan dalam tangki, sehingga perlu dibahas proses pencampuran fasa cair. Sebagai bahan petimbangan untuk mengkaji lebih jauh proses pengadukan dan pencampuran, sebaiknya praktikan juga mempelajari dan membandingkan sifat dan karakteristik, fluida cair terhadap fluida viscous lainnya seperti lelehan, pasta, slurry. Sifat fisik dan viskositas ini sangat mempengaruhi karakter pencampuran seperti daya pengadukan, waktu pencampuran, tipe pengaduk yang sesuai dan sebagainya.

Praktikum ini diarahkan pada kajian hidrodinamika tangki berpengaduk dengan draft tube. Aspek-aspek yang perlu diperhatikan dalam kajian hidrodinamika tangki berpengaduk dengan draft tube ini adalah sebagai berikut.

1. Sifat fisik fluida meliputi densitas dan viskositas. 2. Jenis dan ukuran pengaduk.

3. Daya pengaduk. 4. Nisbah cair-padat.

(2)

II. Tujuan

Praktikum ini dilakukan agar praktikan mempelajari proses pencampuran dalam fluida yang diselenggarakan di dalam sistem tangki berpengaduk, serta mengidentifikasi faktor-faktor yang mempengaruhi efektivitas pencampuran.

III. Sasaran

Sasaran praktikum modul Tangki Berpengaduk adalah: 1. Praktikan dapat menurunkan korelasi waktu pencampuran

2. Praktikan mampu menurunkan korelasi kebutuhan daya pengadukan melalui analisa bilangan tidak berdimensi

3. Praktikan mampu melaksanakan observasi visual pola aliran dan memberikan analisa terhadap pola aliran.

IV. Tinjauan Pustaka IV.1 Proses Pencampuran

Proses pencampuran dalam fasa cair dilandasi oleh mekanisme perpindahan mementum di dalam aliran turbulen. Pada aliran turbulen, pencampuran terjadi pada 3 skala yang berbeda, yaitu:

1. pencampuran sebagai akibat aliran cairan secara keseluruhan (bulk flow) yang disebut mekanisme konvektif

2. pencampuran karena adanya gumpalan-gumpalan fluida yang terbentuk dan tercampakkan di dalam medan aliran yang dikenal sebagai eddies, sehingga mekanisme pencampuran ini disebut eddy diffusion

3. pencampuran karena gerak molekular yang merupakan mekanisme pencampuran difusi.

Ketiga mekanisme terjadi secara bersama-sama, tetapi yang paling menentukan adalah eddy diffusion. Mekanisme ini membedakan pencampuran dalam keadaan turbulen daripada pencampuran dalam medan aliran laminer.Sifat fisik fluida yang berpengaruh pada proses pengadukan adalah densitas dan viskositas.

(3)

IV.2 Densitas Fluida

Densitas fluida merupakan hubungan antara massa fluida dan volume yang ditempatinya. Hubungan ini ditunjukkan oleh persamaan di bawah ini:

V m

ρ= (1)

dengan ρ = densitas fluida m = massa fluida V = volume fluida

Volume larutan dipengaruhi oleh komposisi dan temperatur. Sehingga densitas larutan secara tidak langsung juga dipengaruhi oleh komposisi dan temperatur. Volume larutan dapat diprediksi dengan menggunakan persamaan berikut.

B B A A sol n V n V V = + (2)

dengan Vsol = volume larutan A

V = volume molar komponen A B

V = volume molar komponen B A

n = jumlah mol komponen A B

n = jumlah mol komponen B

Hubungan antara volume molar dengan konsentrasi untuk tiap larutan dapat dinyatakan dalam bentuk grafik. Untuk larutan ideal, kurva yang dihasilkan berbentuk garis lurus. Lain halnya dengan larutan tidak ideal, kurva hubungan volume molar dan konsentrasi tidak linier.

IV.3 Viskositas Fluida

Viskositas fluida merupakan indeks kelembaman cairan terhadap perubahan kecepatan. Viskositas larutan dipengaruhi oleh konsentrasi dan temperatur.

Hubungan antar konsentrasi dengan hubungan dapat digambarkan dalam suatu grafik. Grafik tersebut spesifik untuk masing-masing larutan. Hubungan viskositas dengan konsentrasi larutan NaOH [Hatschek, 1928], ditunjukkan pada gambar berikut.

(4)

Gambar 1 Hubungan viskositas dengan konsentrasi larutan NaOH pada 18 o_C

Viskositas semua cairan dan larutan akan turun seiring dengan kenaikan temperatur. Analisis kuantitatif pertama kali mengenai hal ini dilakukan oleh Poiseuille. Dia menemukan bahwa viskositas air pada temperatur tertentu dapat dihubungkan dengan viskositas pada 0 o_{C melalui persamaan empiris:}

2 0 βT αT 1 η η + + = (3)

dengan α,β = konstanta Thrope dan Roger η = viskositas cairan pada temperatur T ηo = viskositas air pada temperatur 0 oC

IV.4 Tangki Berpengaduk

Pengadukan dan pencampuran merupakan operasi yang penting dalam industri kimia. Pencampuran (mixing) merupakan proses yang dilakukan untuk mengurangi ketidakseragaman suatu sistem seperti konsentrasi, viskositas, temperatur dan lain-lain. Pencampuran dilakukan dengan mendistribusikan secara acak dua fasa atau lebih yang mula-mula heterogen sehingga menjadi campuran homogen.

Peralatan proses pencampuran merupakan hal yang sangat penting, tidak hanya menentukan derajat homogenitas yang dapat dicapai, tapi juga mempengaruhi perpindahan panas yang terjadi. Penggunaan peralatan yang tidak tepat dapat menyebabkan konsumsi energi berlebihan dan merusak produk yang dihasilkan. Salah satu peralatan yang menunjang keberhasilan pencampuran ialah pengaduk.

(5)

Hal yang penting dari tangki pengaduk dalam penggunaannya antara lain: 1. Bentuk : pada umumnya digunakan bentuk silindris dan bagian bawahnya cekung 2. Ukuran: yaitu diameter dan tinggi tangki

3. Kelengkapannya:

a. ada tidaknya baffle, yang berpengaruh pada pola aliran di dalam tangki b. jacket atau coil pendingin/pemanas yang berfungsi sebagai pengendali suhu c. letak lubang pemasukan dan pengeluaran untuk proses kontinu

d. kelengkapan lainnya seperti tutup tangki, dan sebagainya.

Skema lengkap dari sebuah tangki berpengaduk sederhana ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2 Sketsa dan dimensi tangki pengaduk sederhana

IV.5 Jenis Pengaduk

Pengaduk dalam tangki memiliki fungsi sebagai pompa yang menghasilkan laju volumetrik tertentu pada tiap kecepatan putaran dan input daya. Input daya dipengaruhi oleh geometri peralatan dan fluida yang digunakan. Profil aliran dan derajat turbulensi merupakan aspek penting yang mempengaruhi kualitas pencampuran.

Rancangan pengaduk sangat dipengaruhi oleh jenis aliran, laminar atau turbulen. Aliran laminar biasanya membutuhkan pengaduk yang ukurannya hampir sebesar tangki itu sendiri. Hal ini disebabkan karena aliran laminar tidak memindahkan momentum sebaik aliran turbulen [Walas, 1988].

Pencampuran di dalam tangki pengaduk terjadi larena adanya gerak rotasi dari pengaduk dalam fluida. Gerak pengaduk ini memotong fluida tersebut dan dapat

(6)

menimbulkan arus eddy yang bergerak keseluruhan sistem fluida tersebut. Oleh sebab itu, pengaduk merupakan bagian yang paling penting dalam suatu operasi pencampuran fasa cair dengan tangki pengaduk.

Pencampuran yang baik akan diperoleh bila diperhatikan bentuk dan dimensi pengaduk yang digunakan, karena akan mempengaruhi keefektifan proses pencampuran, serta daya yang diperlukan.

Menurut aliran yang dihasilkan, pengaduk dapat dibagi menjadi tiga golongan: 1. Pengaduk aliran aksial yang akan menimbulkan aliran yang sejajar dengan sumbu

putaran

2. Pengaduk aliran radial yang akan menimbulkan aliran yang berarah tangensial dan radial terhadap bidang rotasi pengaduk. Komponen aliran tangensial menyebabkan timbulnya vortex dan terjadinya pusaran, dan dapat dihilangkan dengan pemasangan baffle atau cruciform baffle

3. Pengaduk aliran campuran yang merupakan gabungan dari kedua jenis pengaduk di atas.

Menurut bentuknya, pengaduk dapat dibagi menjadi 3 golongan: 1. Propeller

Kelompok ini biasa digunakan untuk kecepatan pengadukan tinggi dengan arah aliran aksial. Pengaduk ini dapat digunakan untuk cairan yang memiliki viskositas rendah dan tidak bergantung pada ukuran serta bentuk tangki. Kapasitas sirkulasi yang dihasilkan besar dan sensitif terhadap beban head.

Dalam perancangan propeller, luas sudu biasa dinyatakan dalam perbandingan luas area yang terbentuk dengan luas daerah disk. Nilai nisbah ini berada pada rentang 0.45 sampai dengan 0.55.

Pengaduk propeler terutama menimbulkan aliran arah aksial, arus aliran meninggalkan pengaduk secara kontinu melewati fluida ke satu arah tertentu sampai dibelokkan oleh dinding atau dasar tangki.

2. Turbine

Istilah turbine ini diberikan bagi berbagai macam jenis pengaduk tanpa memandang rancangan, arah discharge ataupun karakteristik aliran. Turbine merupakan pengaduk dengan sudu tegak datar dan bersudut konstan. Pengaduk jenis ini digunakan pada viskositas fluida rendah seperti halnya pengaduk jenis propeller [Uhl & Gray, 1966]. Pengaduk turbin menimbulkan aliran arah radial dan

(7)

tengensial. Di sekitar turbin terjadi daerah turbulensi yang kuat, arus dan geseran yang kuat antar fluida.

Salah satu jenis pengaduk turbine adalah pitched blade. Pengaduk jenis ini memiliki sudut sudu konstan. Aliran terjadi pada arah aksial, meski demikian terdapat pule aliran pada arah radial. Aliran ini akan mendominasi jika sudu berada dekat dengan dasar tangki.

3. Paddles

Pengaduk jenis ini sering memegang peranan penting pada proses pencampuran dalam industri. Bentuk pengaduk ini memiliki minimum 2 sudu, horizontal atau vertical, dengan nilai D/T yang tinggi. Paddle digunakan pada aliran fluida laminar, transisi atau turbulen tanpa baffle.

Pengaduk padel menimbulkan aliran arah radial dan tangensial dan hampir tannpa gerak vertikal sama sekali. Arus yang bergerak ke arah horisontal setelah mencapai dinding akan dibelokkan ke atas atau ke bawah. Bila digunakan pada kecepatan tinggi akan terjadi pusaran saja tanpa terjadi agitasi.

Gambar 3 Bentuk-bentuk pengaduk

(a) pengaduk paddle (b) pengaduk propeller (c) pengaduk turbine

Disamping itu, masih ada bentuk-bentuk pengaduk lain yang biasanya merupakan modifikasi dari ketiga bentuk di atas.

a. Flate Blade b. Curved Blade c. Pitched Blade

(8)

a. Standard three baldes

b. Weedless c. Guarded Gambar 5 Tipe-tipe pengaduk jenis propeler

a. Basic b. Anchor c. Glassed

Gambar 6 Tipe-tipe pengaduk jenis padel

Gambar 7 Pola aliran pada pengaduk jenis propeler

IV.6 Kecepatan Pengaduk

Kecepatan pengaduk yang umumnya digunakan pada operasi industri kimia adalah sebagai berikut.

• Kecepatan tinggi, berkisar pada kecepatan 1750 rpm.

Pengaduk dengan kecepatan ini umumnya digunakan untuk fluida dengan viskositas rendah misalnya air.

• Kecepatan sedang, berkisar pada kecepatan 1150 rpm.

Pengaduk dengan kecepatan ini umumnya digunakan untuk larutan sirup kental dan minyak pernis.

• Kecepatan rendah, berkisar pada kecepatan 400 rpm.

Pengaduk dengan kecepatan ini umumnya digunakan untuk minyak kental, lumpur di mana terdapat serat atau pada cairan yang dapat menimbulkan busa.

(9)

Untuk menjamin keamanan proses, pengaduk dengan kecepatan lebih tinggi dari 400 rpm sebaiknya tidak digunakan untuk cairan dengan viskositas lebih besar dari 200 cP, atau volume cairan lebih besar dari 2000 L. Pengaduk dengan kecepatan lebih besar dari 1150 rpm sebaiknya tidak digunakan untuk cairan dengan viskositas lebih besar dari 50 cP atau volume cairan lebih besar dari 500 L. Kecepatan pengaduk ditentukan oleh viskositas fluida dan ukuran geometri sistem pengadukan.

IV.7 Jumlah Pengaduk

Jumlah pengaduk yang digunakan ditentukan oleh viskositas fluida, diameter pengaduk dan kedalaman fluida yang akan diaduk. Jumlah pengaduk yang umumnya digunakan adalah 1 atau 2 buah pengaduk. Panduan dalam menentukan jumlah pengaduk yang akan digunakan diperlihatkan pada Tabel 1.

Tabel 1 Kriteria penentuan jumlah pengaduk [Weber, 1963]

Satu Pengaduk Dua Pengaduk

• fluida dengan viskositas rendah • fluida dengan viskositas sedang dan _tinggi • dapat menyapu dasar tangki • untuk tangki yang dalam

• kecepatan balik aliran tinggi • gaya gesek aliran lebih besar • ketinggian permukaan cairan

bervariasi

• dapat meminimalkan ukuran mounting nozzle

IV.8 Pola Aliran dalam Tangki Berpengaduk

Pada tangki berpengaduk, pola aliran yang dihasilkan bergantung pada beberapa faktor antara lain geometri tangki, sifat fisik fluida dan jenis pengaduk itu sendiri. Pengaduk jenis turbine akan cenderung membentuk pola aliran radial sedangkan propeller cenderung membentuk aliran aksial. Pengaduk jenis helical screw dapat membentuk aliran aksial dari bawah tangki menuju ke atas permukaan cairan. Pola aliran yang dihasilkan oleh tiap-tiap pengaduk tersebut dapat dilihat pada Gambar 8.

Gambar 8 Pola aliran fluida di dalam tangki berpengaduk (a) flat-blade turbine (b) marine propeller (c) helical screw

(10)

Pada dasarnya terdapat 3 komponen yang hadir dalam tangki berpengaduk yaitu: a. komponen radial pada arah tegak lurus terhadap tangkai pengaduk

b. komponen aksial pada arah sejajar (paralel) terhadap tangkai pengaduk

c. komponen tangensial atau rotasional pada arah melingkar mengikuti putaran sekitar tangkai pengaduk.

Komponen radial dan tangensial terletak pada daerah horizontal dan komponen longitudinal pada daerah vertikal untuk kasus tangkai tegak (vertical shaft). Komponen radial dan longitudinal sangat berguna untuk penentuan pola aliran yang diperlukan untuk aksi pencampuran (mixing action).

Pengadukan pada kecepatan tinggi ada kalanya mengakibatkan pola aliran melingkar di sekitar pengaduk. Gerakan melingkar tersebut dinamakan vorteks. Vorteks dapat terbentuk di sekitar pengaduk ataupun di pusat tangki yang tidak menggunakan baffle. Fenomena ini tidak diinginkan dalam industri karena beberapa alasan. Pertama kualitas pencampuran buruk meski fluida berputar dalam tangki. Hal ini disebabkan oleh kecepatan sudut pengaduk dan fluida sama. Kedua udara dapat masuk dengan mudahnya ke dalam fluida karena tinggi fluida di pusat tangki jatuh hingga mencapai bagian atas pengaduk. Ketiga, adanya vorteks akan mengakibatkan naiknya permukaan fluida pada tepi tangki secara signifikan sehingga fluida tumpah. Upaya berikut ini dapat dilakukan untuk menghindari vorteks, yaitu:

1. menempatkan tangkai pengaduk lebih ke tepi (off-center) 2. menempatkan tangkai pengaduk dengan posisi miring 3. menambahkan baffle pada dinding tangki.

IV.9 Draft Tube [Deddy, 2001]

Draft tube merupakan silinder ramping yang mengelilingi pengaduk dengan diameter lebih besar dari diameter pengaduk. Alat ini digunakan untuk mengendalikan arah dan kecepatan aliran serta sangat berguna untuk menghasilkan nilai shear pengaduk yang tinggi. Penggunaan draft tube dengan pola aliran down-pumping menghasilkan pola aliran kuat yang akan menyapu semua padatan dan menurunkan tingkat deposisi.

Dengan draft tube diharapkan partikel-partikel fluida mencapai path length yang sama. Penggunaan draft tube menghasilkan peningkatan yang sangat signifikan dari keseragaman aliran, terutama pada daerah dekat permukaan cairan. Tetapi, daya yang dibutuhkan pada sistem pengadukan dengan draft tube lebih besar daripada sistem open impeller. Walaupun demikian, jika sistem pengadukan dengan draft tube ternyata

(11)

menghasilkan pencampuran yang lebih baik, maka penggunaan draft tube tetap menjadi pilihan utama.

Posisi pengaduk dalam draft tube ditentukan oleh jenis pengaduk yang digunakan. Untuk pengaduk jenis turbine, pengaduk diletakkan di bawah draft tube. Tapi untuk pengaduk jenis propeller, pengaduk diletakkan di dalam draft tube. Gambar 9 merupakan sketsa sederhana tangki berpengaduk dengan draft tube.

Gambar 9 Tangki berpengaduk dengan draft tube (a) pengaduk turbine (b) pengaduk propeller

IV.10 Laju dan Waktu Pencampuran (Rate & Time for Mixing)

Waktu pencampuran (mixing time) adalah waktu yang dibutuhkan sehingga diperoleh keadaan yang serba sama untuk menghasilkan campuran atau produk dengan kualitas yang telah ditentukan. Sedangkan laju pencampuran (rate of mixing) adalah laju di mana proses pencampuran berlangsung hingga mencapai kondisi akhir [Coulson and Richardson, 1999].

Pada operasi pencampuran dengan tangki pengaduk, waktu pencampuran ini dipengaruhi oleh beberapa hal,

1. Yang berkaitan dengan alat, seperti: a. ada tidalnya baffle atau cruciform baffle

b. bentuk atau jenis pengaduk (turbin, propeler, padel) c. ukuran pengaduk (diameter, tinggi)

d. laju putaran pengaduk

e. kedudukan pengaduk pada tangki, seperti 1. jarak terhadap dasar tangki

2. pola pemasangannya: - center, vertikal - off center, vertikal

(12)

- horisontal f. jumlah daun pengaduk

g. jumlah pengaduk yang terpasang pada poros pengaduk 2. Yang berhubungan dengan cairan yang diaduk:

a. perbandingan kerapatan/ densitas cairan yang diaduk b. perbandingan viskositas cairan yang diaduk

c. jumlah kedua cairan yang diaduk

d. jenis cairan yang diaduk (miscible, immiscible)

Untuk selanjutnya faktor-faktor tersebut dapat dijadikan variabel yang dapat dimanipulasi untuk mengamati pengaruh setiap faktor terhadap karakteristik pengadukan, terutama terhadap waktu pencampuran.

Beberapa teknik yang dapat digunakan untuk menentukan waktu dan laju pencampuran, antara lain:

1. menambahkan pewarna dan mengukur waktu yang dibutuhkan untuk mencapai keseragaman warna

2. menambahkan larutan garam dan mengukur konduktivitas elektrik saat komposisi seragam

3. menambahkan asam atau basa serta mendeteksi perubahan warna indicator ketika proses netralisasi sudah selesai

4. metoda distribusi waktu tinggal (residence time distribution) yang diukur dengan memantau konsentrasi output

5. mengukur temperatur serta waktu yang dibutuhkan untuk mencapai keseragaman. Waktu pencampuran ditentukan oleh beberapa variable proses dan operasi yang ditunjukkan oleh hubungan berikut ini.

θm = f ( ρ, µ, N, D, g. dimensi geometri sistem)

dengan θm = waktu pencampuran

ρ = densitas fluida µ = viskositas fluida

N = kecepatan putaran pengaduk D = diameter pengaduk

(13)

Jika faktor dimensi geometri dan bilangan Froude (DN2_{/g) diabaikan, maka} hubungan 2.5 dapat disederhanakan menjadi:

( )

Re 2 f ND f m =      =

µ

ρ

θ

(4)

IV. 11 Kebutuhan Daya

Untuk melakukan perhitungan dalam spesifikasi tangki pengaduk telah dikembangkan berbagai teori dan hubungan empiris. Para peneliti telah mengembangkan beberapa hubungan empiris yang dapat memperkirakan ukuran alat dalam pemakaian nyata atas dasar percobaan yang dilakukan pada skala laboratorium.

Perkiraan kebutuhan daya yang diperlukan untuk mengaduk cairan dalam tangki pengaduk dapat dihitung atas dasar percobaan pada skala laboratorium. Persyaratan penggunaan hubungan empiris tersebut adalah adanya:

1. Kesamaan geometris yang menentukan kondisi batas peralatan, artinya bentuk kedua alat harus sama dan perbandingan ukuran-ukuran geometris berikut ini sama untuk keduanya: D H , D W , D S , D J , D C , D DT ₍₅₎

Dimana: DT = diameter tangki

C = tinggi pengaduk dari dasar tangki D = diameter pengaduk

H = tinggi cairan dalam tangki J = lebar baffle

N = jumlah putaran pengaduk permenit P = daya (power)

S = pitch dari pengaduk W = lebar blade pengaduk

b. Kesamaan dinamik dan kesamaan kinematik, yaitu terdapat kesamaan harga perbandingan antara gaya yang bekerja di suatu kedudukan (gaya viskos terhadap gaya gravitasi, gaya inersia terhadap gaya viskos, dan sebagainya)

(14)

Dua sistem yang sama secara geometri dapat dikatakan sama secara dinamik jika perbandingan gaya-gaya yang bekerja pada sistem sama. Sedangkan kesamaan kinematik terjadi jika kecepatan pada titik bersesuaian memiliki perbandingan yang sama.

Faktor yang mempengaruhi kebutuhan daya (power) P untuk pengadukan adalah diameter pengaduk D, kekentalan cairan, kerapatan cairan, medan gravitasi g, dan laju putar pengaduk N.

Maka secara matematis dapat ditulis sebagai berikut: P = f (D ,µ, ρ, g, N) (6)

Bila dianggap hubungan besaran-besaran tersebut seperti persamaan berikut: P = K (Da_,µb_{, ρ}f_{, g}e_{, N}g_{) (7)}

dimana K adalah konstanta, dengan analisa dimensi yang menggunakan dimensi M untuk massa, L untuk panjang, dan T untuk waktu, maka:

g f 3 e 2 b a 3 2 T 1 . L M . T L . LT M . L T ML                         = (8)

dengan menyelesaikan persamaan tersebut, diperoleh: -e 2 -b 2 3 5 _g DN . µ .N D K. ρN D P             = (9)

dimana dari persamaan-persamaan tersebut dikenal bilangan tak berdimensi:

IV.12 Parameter Hidrodinamika dalam Tangki Berpengaduk

Hidrodinamika fluida yang terjadi dalam tangki berpengaduk dapat diturunkan dalam suatu korelasi empiris antara bilangan Reynolds, Fraude dan Power.

1. Bilangan Reynolds

Bilangan Reynolds merupakan bilangan tak berdimensi yang menyatakan perbandingan antara gaya inersia dan gaya viskos. Untuk sistem dengan pengadukan:

( )

µ N ρD µ ND ρD Re 2 = = (10)

dengan ρ = densitas fluida µ = viskositas fluida D = diameter pengaduk

(15)

Dalam sistem pengadukan terdapat 3 jenis rejim aliran yaitu laminar, transisi dan turbulen. Rejim aliran laminar terjadi pada bilangan Reynolds 10, sedangkan turbulen terjadi pada bilangan Reynolds 104_{[Broadkey, 1988].}

2. Bilangan Fraude

Bilangan Fraude menunjukkan perbandingan antara gaya inersia dengan gaya gravitasi. Bilangan Fraude dapat dihitung dengan persamaan berikut:

( )

g D N Dg ND Dg v Fr 2 2 2 = = = (11)

dengan Fr = bilangan Fraude

N = kecepatan putaran pengaduk D = diameter pengaduk

g = percepatan gravitasi

Bilangan Fraude bukan merupakan variable yang signifikan. Bilangan ini hanya diperhitungkan pada sistem pengadukan unbaffled. Pada sistem ini bentuk permukaan cairan dalam tangki akan dipengaruhi gravitasi sehingga membentuk vorteks. Vorteks menunjukkan keseimbangan antara gaya gravitasi dengan gaya inersia.

3. Bilangan Power

Bilangan Power menunjukkan perbandingan antara perbedaan tekanan yang dihasilkan aliran dengan gaya inersianya. Perubahan tekanan akibat distribusi pada permukaan pengaduk dapat diintegrasikan menghasilkan torsi total dan kecepatan pengaduk.

5 3_D

ρN P

Po= (12)

dengan Po = bilangan Power

N = kecepatan putaran pengaduk ρ = densitas fluida

Korelasi antara bilangan Power dengan Reynold serta Fraude ditunjukkan pada persamaan-persamaan berikut:

Untuk sistem tanpa baffle :

Po

=

a

Re

b

Pr

c (13) Untuk sistem dengan baffle :

_Po

₌

_a

_Re

b ₍₁₄₎

(16)

Re = bilangan Reynold Pr = bilangan Prandtl

a, b, c = konstanta eksperimental Persamaan pertama dapat diubah menjadi:

Re ln ln

lnPo= a+b (15)

Dari hasil peneliti sebelumnya [Deddy, RSCE], hubungan antara Power dan nisbah cair-padat disajikan pada Gambar 10 sedangkan hubungan antara bilangan Reynold dan bilangan Power disajikan pada Gambar 11.

Gambar 10 Hubungan antara daya dan nisbah cair-padat

1 10 100 1000

5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 Reynolds number (Re)

P ow er num be r (P o) Tanpa TKS L/S = 10 L/S = 8 L/S = 6

Gambar 11 Korelasi bilangan Reynolds dan bilangan Power pengaduk turbin

IV.12 Karakteristik Pengadukan dan Pencampuran

Agar bejana proses bekerja efektif pada setiap masalah pengadukan, volume fluida yang disirkulasikan impeller harus cukup besar agar dapat menyapu keseluruhan bejana dalam waktu yang singkat. Demikian pula, kecepatan arus yang meninggalkan

(17)

impeller harus cukup tinggi agar dapat mencapai semua sudut tangki. Keturbulenan aliran adalah akibat arus yang terarah baik serta gradien kecepatan yang cukup besar di dalam zat cair. Sirkulasi dan pembangkitan keturbulenan aliran memerlukan energi, dan terdapat hubungan antara pemasukan daya dan parameter perancangan bejana pencampur berpengaduk.

Sketsa dimensi tangki dapat dilihat pada Gambar 12.

Gambar 12. Dimensi Tangki dan Impeller

Agitator turbin pada prinsipnya adalah pompa impeller yang beroperasi tanpa rumahan, dengan aliran masuk dan aliran keluar yang tidak terarah. Hubungan-hubungan penentu untuk agitator turbin identik dengan hubungan untuk pompa sentrifugal. Jika kecepatan tangensial zat cair merupakan fraksi k tertentu dari kecepatan di ujung daun, maka .n .D k. k.u u V' 2= 2= π a (16)

karena u2 = π. Da.n, maka laju aliran volumetrik melalui impeller adalah: q = V’r2.Ap (17)

Dimana: u2 adalah kecepatan pada ujung daun n adalah jumlah daun impeller

V’u2 dan V’r2 adalah kecepatan tangensial dan kecepatan radial zat cair yang meninggalkan ujung daun impeller

V’2 adalah kecepatan total cairan pada titik tersebut

(18)

Gambar 13 Profil Kecepatan pada Ujung Daun Impeller

Ap diambil dari luas silinder yang terbentuk dari sapuan ujung daun impeller, atau: Ap = π.Da.W (18)

Dimana: Da adalah diameter impeller W adalah lebar daun impeller Dari geometri terlihat bahwa:

V’r2 = (u2 – V’u2)tanβ’2 (19) Substitusi V’u2 memberikan:

V’r2 = π. Da. n (1-k). tanβ’2 (20) Maka laju alir volumeteri adalah:

q = π2_.D

a2.n.W.(1-k). tanβ’2 (21)

Untuk impeller bergeometri sama W sebanding dengan Da, sehingga untuk nilai k dan β’2 berlaku

q ∝ n.Da3 (22)

Rasio antara kedua besaran tersebut disebut angka aliran (flow number) NQ yang didefinisikan sebagai: 3 a Q n.D q N ≡ (23)

Untuk impeller turbin NQ adalah fungsi ukuran relatif impeller dan tangki. Untuk bejana berpengaduk dan bersekat (untuk turbun rata berdaun 6 dengan W/Da = 1/5), nilai NQ adalah 1.3. Untuk turbin berdaun rata, aliran total, diperkirakan dari waktu sirkulasi rata-rata cairan yang terlatut adalah:













=

a t 3 a

D

.

0.92.n.D

q

(24)

(19)

Salah satu pertimbangan yang sangat penting dalam merancang bejana pengaduk adalah kebutuhan daya untuk memutar impeller. Bila aliran di dalam tangki adalah turbulen, kebutuhan daya dapat diperkirakan dari hasil kali aliran q yang didapat dari impeller dan energi kinetik Ek per satuan volume fluida. Besaran aliran q adalah:

q = n.Da3.NQ (25) Sedangkan energi kinetik aliran didiefinisikan sebagai:

c 2 2 k 2.g ) ρ.(V' E = (26)

Kecepatan V’2 sedikit lebih kecil dari kecepatan ujung u2. Jika rasio V’2/u2 disimbolkan dengan α, maka V’2 = α.π.n.Da, dan kebutuhan daya adalah:

(

)

2 a c Q 3 a α.π.n.D 2.g ρ . .N n.D P= (27)       = 2 2 _Q c 5 a 3 N 2 .π α g .D ρ.n P (28)

Dalam bentuk tanpa dimensi persamaan tersebut menjadi:

Q 2 2 5 a 3 c

_N

2 .π

α

.ρ

.D

n

P.g

₌

(29)

Ruas kiri persamaan tersebut dianamakan bilangan daya (power number) NP, yang didefinisikan sebagai: Q 5 a 3 c P

.ρ

.D

n

P.g

N

=

(30)

Untuk menaksir daya yang diperlukan untuk memutar impeller pada kecepatan tertentu, diperlukan korelasi empirik mengenai daya (bilangan daya). Bentuk korelasi demikian didapatkan dari analisis dimensi, bila spesifikasi tangki, sekat, dan impeller diketahui.Variabel-variabel yang dianalisis adalah dimensi penting tangki, sekat, dan impeller, viskositas, densitas, dan kecepatan zat cair, serta fenomena vorteks yang terjadi di permukaan cairan. Sebagian zat cair akan terangkat lebih tinggi dari permukaan rata-rata zat cair, yaitu permukaan dalam keadaan tidak teraduk, dan gaya angkat ini harus diatasi oleh gaya gravitasi. Gugus-gugus tanpa dimensi yang berkorelasi dengan bilangan daya adalah bilangan Reynolds, bilangan Froude, dan faktor bentuk, sehingga dapat dirumuskan persamaan:

(20)

Np = ψ (NRE, NFR, S1, S2,...,Sn) (31)

Berbagai faktor bentuk dalam persamaan tersebut ditentukan oleh jenis dan susunan alat. Ukuran-ukuran penting untuk bejana dengan pengaduk turbin yang umum disajikan pada Gambar 14.

Gambar 14 Ukuran Bejana

Faktor-faktor bentuk yang berhubungan dengan dimensi bejana, sekat, dan impeller tersebut adalah: S1 = Da/Dt, S2 = E/Da, S3 = L/Da, S4 = W/Da, S5 = J/Dt dan S6 = H/Dt. Faktor-faktor tersebutlah yang biasanya dikorelasikan dengan bilangan-bilangan tak berdimensi dan diplot dalam grafik-grafik korelasi. Contoh grafik NP terhadap NRE untuk tangki disajikan pada Gambar 15a dan Gambar 15b.

Gambar 15a dan 15b Korelasi bilangan Reynolds dan bilangan daya.

Kriteria keberhasilan pencampuran biasanya diamati secara visual. Kriteria lain adalah fluktuasi konsentrasi setelah suatu pencampur diinjeksikan ke dalam aliran fluida, variasi dalam analisis sampel yang diambil secara random dari berbagai titik dalam campuran kecil, laju perpindahan zat terlarut dari suatu fasa cair ke dalam fasa lain, serta keseragaman suspensi.

Pencampuran zat cair yang miscible di dalam tangki merupakan proses yang berlangsung cepat dalam daerah aliran turbulen. Impeller akan menghasilkan arus kecepatan tinggi, fluida dapat bercampur baik di daerah sekitar impeller karena adanya

(21)

keturbulenan. Pada waktu arus melambat karena membawa serta aliran lain di sepanjang dinding, terjadi juga pencampuran radial sedang pusaran-pusaran besar pecah menjadi kecil, tetapi tidak banyak terjadi pencampuran pada arah aliran, Fluida akan mengalami satu lingkaran penuh dan kembali ke pusat impeller, dan berkontak dengan massa fluida yang lain dan terjadi pencampuran. Perhitungan yang didasarkan atas model ini menunjukkan bahwa pencampuran yang hampir sempurna (99%) tercapai saat isi tangki disirkulasikan sebanyak 5 kali. Waktu pencampuran dapat diperkirakan dari korelasi aliran yang dihasilkan turbin standar berdaun 6, sebagai berikut:

      = a t 3 a D D n.D 0.92 q (32) t 2 a 2 t T .D 0.92.n.D 1 . 4 .H πD 5. q 5V t ≈ = (33) atau

4.3 konstan

H

D

.

D

.

n.t

t 2 t a T



=























(34)

Untuk tangki dan impeller tertentu, atau untuk berbagai sistem yang serupa secara geometri, waktu pencampuran diperkirakan akan berbanding terbalik dengan kecepatan pengaduk. Grafik pada gambar 16 menyajikan hasil untuk berbagai sistem yang dikorelasikan dalam n.tT terhadap NRE. Untuk turbin dengan spesifikasi Da/Dt = 1/3 dan Dt/H =1, nilai n.tT untuk NRE > 103 adalah 36.

Gambar 16 Korelasi Waktu Pencampuran

Waktu pencampuran akan jauh lebih besar bila NRE antara 10-1000 walaupun konsumsi daya tidak banyak berbeda dengan keadaan turbulen. Waktu pencampuran

(22)

dengan turbin bersekat berubah sesuai persamaan polinomial berorde –1.5 terhadap kecepatan pengaduk dan meningkat lagi dengan cepat jika NRE diturunkan. Faktor waktu pencampuran dapat disusun kembali untuk rejim turbulen sesuai persamaan Norwood dan Metzner, sebagai berikut:

6 1/ a 2 1/2 t 2 t a T 3/2 t 1/2 2 / 1 a 1/6 2/3 a T t

.D

n

g

H

D

.

n.t

.D

H

.D

.g

)

(nD

t

f

2

_



































=

(35)

Bilangan froude dalam persamaan tersebut menyiratkan adanya efek vorteks, yang dapat terjadi pada bilangan reynolds yang rendah. Bilangan froude dapat diabaikan pada tangki bersekat dengan aliran yang sangat turbulen (NRE sangat tinggi).

V. Rancangan Percobaan V.1 Perangkat Alat dan Bahan

Pada percobaan pendahuluan, peralatan yang digunakan adalah piknometer berukuran 25 mL dan viskometer Ostwald. Sedangkan pada percobaan utama, peralatan yang digunakan adalah tangki berpengaduk dengan draft tube kapasitas 2 L yang terbuat dari stainless steel. Tipe draft tube yang digunakan berdiameter 3 cm dan memiliki daerah hisapan yang melebar 30o_{. Konfigurasi tangki berpengaduk dengan draft tube ini} dipilih berdasarkan mixing time tersingkat dan daya terkecil [Hermawan, 2001].

Pemanasan tangki berpengaduk dilakukan dengan merendamnya dalam water bath. Temperatur pada water bath ini dijaga konstan pada nilai tertentu dengan menggunakan pemanas listrik. Temperatur di dalam tangki berpengaduk diukur dengan 6 termokopel yang diletakkan pada arah aksial dan radial. Dan untuk mencatat temperatur cairan dalam tangki berpengaduk digunakan temperature recorder.

Secara ringkas daftar alat yang dibutuhkan untuk praktikum ini adalah: 1. Dua set tangki berpengaduk seperti pada Gambar 17

2. draft tube 3. water bath 4. Stopwatch 5. Termometer 6. Viskometer 7. Gelas ukur 8. Perangkat titrasi

(23)

9. Voltmeter 10. Amperemeter

Dan daftar bahan yang dibutuhkan untuk melaksanakan praktikum ini adalah: 1. Aliran air sebagai fluida dari kran

2. Aqua DM 3. Lindi 4. Larutan NaOH 5. Larutan HCl 6. Indikator pp V.2 Langkah Percobaan

Percobaan terdiri dari 2 bagian yaitu percobaan pendahuluan dan percobaan utama. Pengukuran sifat fisik cairan dalam tangki berpengaduk dilakukan pada percobaan pendahuluan. Sifat fisik yang akan diukur ialah densitas dan viskositas cairan. Pengukuran densitas cairan dilakukan dengan menggunakan piknometer sedangkan penentuan viskositas dilakukan dengan menggunakan viskometer Ostwald. Alat ini dipilih karena sederhana dan dapat dipakai untuk cairan yang tidak kental. Penentuan sifat fisik cairan ini dilakukan pada beberapa temperatur dengan tujuan untuk mengamati pengaruh temperatur terhadap sifat fisik cairan. Jika sifat fisik tidak berubah secara signifikan terhadap temperatur, maka pada percobaan selanjutnya pengaruh temperatur terhadap hidrodinamika tangki berpengaduk tidak perlu diamati.

Pemanasan tangki berpengaduk akan dilakukan pada percobaan utama. Data yang diamati pada percobaan ini ialah mixing time, waktu yang dibutuhkan untuk mencapai keseragaman temperatur di dalam tangki. Mixing time ini dapat dianalisa dari pengamatan temperatur tiap selang waktu tertentu. Pengamatan dilakukan hingga temperatur di setiap titik pengukuran dianggap konstan (steady state), yaitu dengan rentang perbedaan 5%.

Pengadukan diatur dengan speed regulator, dan daya yang diperlukan dapat diukur dari tegangan dan arus. Pengukuran tegangan dan arus dilakukan dengan menggunakan AVO meter.

Parameter hidrodinamika diperoleh dengan mengalurkan bilangan Reynolds dan bilangan Power. Nilai dari kedua bilangan ini ditentukan dengan menggunakan persamaan yang telah disebutkan pada bagian IV. Pada persamaan

(24)

korelasi daya terdapat parameter P (daya). Nilai daya ini diukur dengan mengamati tegangan dan arus yang dibutuhkan untuk menggerakkan pengaduk.

IV.2.1 Percobaan Pendahuluan

Penentuan sifat fisik akan dilaksanakan dalam percobaan pendahuluan. Sifat fisik fluida cair yang diukur ialah densitas dan viskositas. Densitas diukur dengan menggunakan piknometer sedangkan viskositas diukur dengan menggunakan viskometer Ostwald.

IV.2.2 Percobaan Utama

Percobaan utama dilakukan dengan memanaskan tangki berpengaduk dalam water bath (Gambar 17). Pemanasan dilakukan pada temperatur 50 o_C _{dan 70}o_{C pada kecepatan putaran pengaduk yang divariasikan. Data} yang diamati ialah temperatur tiap satu menit serta tegangan dan arus yang mengalir dalam rangkaian. Pemanasan dihentikan saat temperatur cairan yang terbaca di semua titik termokopel hanya beda 5 %.

(25)

Tabel 2 Konfigurasi tangki berpengaduk 2 L dengan draft tube

Dimensi Panduan Ukuran

Diameter tangki (cm) Dt 10

Tinggi tangki (cm) HT = 3,00 DT 30 Tinggi cairan (cm) HL = 2,30 DT 23 Diameter pengaduk (cm) DA = 0,25 DT 2,5

Pitch blade (cm) p= DT 2,5

Pengaduk turbine 1 buah

Clearance turbine (cm) HA = 0,25 DT 2,5 Diameter draft tube (cm) DD = 0,30 DT 3,0

Keterangan gambar:

1 = Tangki stainless steel 8 = Temperature recorder 2 = Draft tube 9 = Motor pengaduk 3 = Pengaduk 10 = Voltmeter 4 = Termokopel 11 = Amperemeter 5 = Tangki pemanas 12 = Sumber listrik PLN 7 = Kumparan pemanas

IV.3 Variasi Percobaan

Percobaan ini dilakukan dengan menggunakan draft tube dengan diameter 3 cm. Variasi yang dilakukan pada percobaan ini adalah sebagai berikut:

1. Cairan yang disirkulasikan dalam tangki berpengaduk, yaitu: a) Air

b) Lindi hitam

Variasi cairan dalam tangki berpengaduk ini dilakukan untuk mengamati pengaruh sifat fluida, yaitu densitas dan viskositas, terhadap hidrodinamika tangki berpengaduk dan daya pengadukan.

2. Temperatur pemanasan, yaitu 50 o_{C dan 70}o_C.

Variasi temperatur ini dilakukan jika pengaruhnya terhadap sifat fisik cairan (viskositas dan densitas) signifikan.

3. Kecepatan putaran pengaduk, yaitu 500 rpm, 1000 rpm dan 1500 rpm.

Peningkatan kecepatan putaran pengaduk akan meningkatan kualitas pengadukan. Di lain pihak, hal ini juga mengakibatkan peningkatan daya pengaduk.

4. Jenis dan ukuran pengaduk, yaitu propeller, turbin 1,5 cm, turbin 2,5 cm dan turbin 3,5 cm.

Perubahan diameter pengaduk mengakibatkan perubahan daya dan kualitas pengadukan.

(26)

Diagram kerja percobaan ini secara ringkas disajikan pada Gambar 18 berikut:

V.4 Data Literatur

Data literatur yang dibutuhkan dalam pengolahan data praktikum Tangki Berpengaduk ini adalah:

1. densitas fluida yang diabuk sebagai fungsi waktu 2. Viskositas fluida yang diaduk sebagai fungsi waktu. 3. Konstanta grafitasi standar.

Gambar 18. Diagram Alir Penelitian

Percobaan pendahuluan,

penentuan sifat fisik fluida (viskositas dan densitas)

Hasil Percobaan

¾ mixing time ¾ daya pengadukan

H asil Intepretasi Data

¾ Korelasi Hidrodinamika (Re, Po) Variabel Percobaan : ¾ Temperatur ¾ Jenis cairan Metode Pengukuran: ¾ Viskositas : Ostwald ¾ Densitas : Piknometer

Percobaan dingin model draft tube dalam tangki kapasitas 2 L dengan TKS

Variabel Percobaan:

¾ Cairan dalam tangki berpengaduk ¾ Kecepatan putaran pengaduk ¾ Diameter pengaduk ¾ Temperatur bath ¾ Nisbah cair-padat Metode Pengukuran: Pengukuran temperatur cairan dengan pemanasan dari dinding

(27)

V.5 Data Pengamatan Praktikum V.5.1 Penentuan Diemnsi Tangki

Jenis Tangki Karakteristik Baffle Non-baffle Diameter (cm) Tinggi tangki (cm) Jumlah baffle Lebar baffle (cm) Tebal baffle (cm) Panjang baffle (cm)

V.5.2 Data Karakteristik Impeller

Karakteristik Turbin (blade disk) Propeler Turbin (Pitch-blade)

Diameter (cm)

Jumlah daun

Lebar daun (cm)

Panjang daun (cm)

Tebal daun (cm)

V.5.3 Data Kecepatan Impeller Jenis Impeller :

No. Impeller :

Kecepatan (rpm) Variasi Skala Daya

Center Off Center Incline

V.5.4 Data Korelasi Waktu Pencampuran

Waktu Pencampuran (s) Jenis Pengaduk Jenis Tangki

Center Off Center Incline

Turbin (blade disk) Propeller

Turbin (pitch-blade)

Baffle Non-baffle

V.5.5 Perhitungan Densitas Cairan Temperatur Percobaan :

Densitas air (literatur) pada temperatur percobaan :

Massa (g)

Pikno kosong Pikno + aqua dm Pikno + air fluida

(28)

V.5.6 Perhitungan Viskositas Cairan Temperatur Percobaan :

Viskositas air (literatur) pada temperatur percobaan :

t (s)

aqu dm

fluida

V.5.7 Profil Aliran

Jenis Tangki Jenis Pengaduk Centre Off-centre Incline

Turbin (blade dissk)

Propeler

Baffle

Turbin (pitch blade) Turbin (blade dissk)

Propeler

Non-Baffle

Turbin (pitch blade)

V.6 Langkah-Langkah Pengolahan Data

Data yang diperoleh dari hasil percobaan adalah temperatur cairan tiap menit di keenam titik termokopel. Data ini dialurkan dalam sebuah grafik temperatur terhadap waktu. Pengaruh pengaduk terhadap kualitas pengadukan disajikan dengan mengalurkan kecepatan putaran pengaduk terhadap mixing time dalam sebuah grafik pada berbagai jenis pengaduk. Sedangkan pengaruhnya terhadap daya disajikan pada grafik daya pengadukan dengan kecepatan putaran pengaduk. Dari kedua grafik tersebut dapat dilihat pula pengaruh jenis cairan terhadap kualitas dan daya pengadukan.

Pengaruh nisbah cair-padat terhadap kualitas pengadukan disajikan dengan mengalurkan grafik mixing time dengan nisbah cair-padat. Sedangkan pengaruhnya terhadap daya pengadukan ditampilkan dalam bentuk grafik antara daya spesifik dengan nisbah cair-padat pada berbagai temperatur untuk masing-masing jenis cairan.

Korelasi empiris antara bilangan Reynolds dengan bilangan Power diperoleh dengan cara mengalurkan grafik logaritmik antara bilangan Reynolds (absis) dengan bilangan Power (ordinat).

(29)

V.6.1 Pengukuran Dimensi Tangki

Dimensi tangki diukur baik pada tangki yang dilengkapi baffle maupun yang tidak dilengkapi baffle. Dimensi yang diukur adalah diameter tangki, tinggi fluida dalam tangki, jumlah baffle dan lebar baffle.

V.6.2 Pengukuran Dimensi Pengaduk

Dimensi semua pengaduk yang digunakan harus diukur, baik jenis turbin, padel, maupun propeler. Dimensi pengaduk yang diukur adalah diameter, jumlah daun, lebar daun, panjang daun, dan ketinggian penagduk dari dasar tangki.

V.6.3 Penentuan Densitas Fluida

Densitas Fluida ditentukan dengan piknometer. Persamaan yang digunakan:

T) suhu (pada air .ρ dm aqua massa fluida massa T) suhu (pada fluidal ρ = Contoh: Misalkan data:

- massa piknometer kosong = 13.244g - massa piknometer + aqua dm = 39.885 g - massa piknometer + fluida = 39.866 g - Data diambil pada T = 280_{C, dimana ρ}

air = 997.08 kg/m3

Massa fluida = (massa piknometer + campuran) – massa piknometer kosong Massa aqua dm = (massa piknometer + aqua dm) – massa piknometer kosong.

3 kg/m 996,369 28) suhu (pada fluida ρ .997.08 13,244 -39,885 13,244 -39,866 28) suhu (pada fluida ρ = =

V.6.4 Penentuan Viskositas Fluida Misalkan diperoleh data:

- Dua kali perhitungan waktu tempuh pada fluida air kran adalah 175, 176, dan 179 detik

- Densitas air kran adalah 996,369 kg/m3_. - Ketinggian fluida dari dasar tangki 15,7 cm

(30)

Maka:

- waktu tempuh rata-rata adalah 176,67 detik - Viskositas air kran = 0,0008528 kg/m.s

V.6.5 Penentuan Konstanta Korelasi Kebutuhan Daya 1. Penentuan Kecepatan Putar n, (dalam rps)

2. Penentuan Tegangan Listrik Motor Agitator (dalam Volt)

3. Penentuan Arus Listrik yang Dibutuhkan Motor Agitator (dalam mA) 4. Penentuan Daya Efektif (Peff) (dalam Watt)

Persamaan yang digunakan: Peff = Ieff..Veff 5. Penentuan Bilangan Daya (NP)

Persamaan yang digunakan:

.ρ

.D

n

P.g

N

₅ a 3 c P

=

6. Penentuan Bilangan Reynolds (NRE)

Persamaan yang digunakan: µ .N.ρ D N 2 RE = 7. Penentuan Bilangan Freude (NFR)

Persamaan yang digunakan: g DN N 2 FR = 8. Perhitungan ln NP, ln NRE,ln NFR. 9. Perhitungan (ln NP)2, (ln NRE)2, (ln NFR)2 10. Perhitungan (ln NP* ln NRE), (ln NRE* ln NFR), dan (ln NFR* ln NP)

11. Umumnya diambil 7 seri data dan nilai-niali tersebut terletak dalam 1 kolom. Nilai ln NP, ln NRE, danln NFR;(ln NP)2, (ln NRE)2, dan (ln NFR)2; (ln NP* ln NRE), (ln NRE* ln NFR), dan (ln NFR* ln NP) dijumlahkan berurutan di bawah kolom.

Berikut ini adalah contoh seri data dan perhitungannnya: N' V I Vo Io Peff

(rps) (volt) (mA) (volt) (mA) (Watt) NPO NRE NFR

0.333 50 30 22.5 25 0.938 2773.420 1496.985 0.001

0.833 55 45 34 30 1.455 2754.463 3742.463 0.004

1.167 65 55 44 40 1.815 1252.154 5239.448 0.009

(31)

2.000 80 75 60 55 2.700 369.739 8981.911 0.025 2.333 90 90 70 65 2.650 228.527 10478.900 0.034 ln NPO* ln NRE* ln NFR* ln NPO ln NRE ln NFR (ln NPO)2 (ln NRE)2 (ln NFR)2 ln NRE ln NFR ln NPO 7.928 7.311 -7.262 62.851 53.454 52.731 57.962 -53.091 -57.569 7.921 8.227 -5.428 62.742 67.692 29.468 65.170 -44.662 -42.998 7.133 8.564 -4.755 50.874 73.342 22.614 61.084 -40.725 -33.919 6.184 8.921 -4.042 38.246 79.578 16.338 55.168 -36.057 -24.997 5.913 9.103 -3.677 34.961 82.864 13.523 53.824 -33.475 -21.744 5.432 9.257 -3.369 29.503 85.694 11.351 50.281 -31.188 -18.300

V.6.6 Penentuan Korelasi Waktu Pencampuran

1. Penentuan kecepatan putar pengaduk (dalam rpm) 2. Perhitungan kecepatan putar pengaduk (dalam rps)

3. Penentuan waktu pencampuran (dalam detik), yaitu waktu yang dihitung mulai saat suatu fluida jenis lain yang telah ditandai dimasukkan ke dalam fluida di dalam tangi, sampai waktu pertama saat kedua fluida itu tercampur sempurna dan terlihat homogen

4. Penentuan Bilangan Reynolds (NRE)

Persamaan yang digunakan:

µ .N.ρ D N 2 RE =

5. Perhitungan tempuhan putaran impeller sampai 2 fluida tercampur Persamaan yang digunakan d = n(rps).t

6. Perhitungan ln NRE 7. Perhitungan ln [n(rps).t]

8. Pembuatan kurva korelasi pencampuran, dengan memplot antara ln NRE di sumbu x dan ln [n(rps).t] di sumbu y

Berikut ini adalah contoh seri data dan langkah-langkah perhitungan korelasi waktu pencampurannya: N (rpm) n (rps) t (s) NRE n.t ln NRE ln (n.t) 20 0.3333 33 1496.985 10.9989 7.311208 2.397795 70 0.1667 11 5239.448 1.8337 8.563971 0.606336 100 0.6667 8 7484.926 5.3336 8.920646 1.674026 120 2 5 8981.911 10 9.102968 2.302585 140 2.3333 4 10478.9 9.3332 9.257119 2.233578

(32)

Korelasi Waktu Pencampuran

y = 2.5201x3_{- 62.007x}2_{+ 506.21x - 1369} R2_{= 0.5248} 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 7 8 9 10 ln N RE ln ( n .t )

V.6.7 Penentuan Kondisi Optimum

Kondisi optimum tercapai saat kecepatan putaran minimum, daya pengadukan minimum, dan waktu pencampuran tersingkat. Titik ini diketahui dengan membuat grafik yang memplot N (rpm) terhadap t (detik) dan N (rpm) terhadap Peff, dalam 1 grafik. Antara ke dua plot tersebut akan ditemukan 1 titik perpotongan yang merupakan kondisi pencampuran optimum.

Dari grafik tersebut terlihat bahwa kondisi optimum proses pencampuran tercapai dengan laju agitator 49 rpm, waktu pencampuran 1,47 detik dan daya pencampuran yang diberikan 16 Watt.

V.6.8 Korelasi Empiris Kebutuhan Daya Pengadukan

n FR m RE PO k N N N = .( ) *( )

Persamaan di atas diperoleh dari: 1. P = f (D, µ, g, ρ, N)

2. P = k (Da_{, µ}b_{, g}e_{, ρ}f_{, N}g₎

Jika dituliskan dalam basis LMT, diperoleh:

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 50 _{N (rpm)} 100 150 t (s ) 0 5 10 15 20 25 30 35 P ef f ( Wat t)

(33)

                                = g f e 2 a 3 2 T 1 . L3 M . T L . LT M . L T M.L b L : 2 = a-b+e-3f M : 1 = b + f T : -3 = -b-2e-g f = 1 –b a = 2 +b-e+3-3b = 5-2b-e g = -b-2e+3 P = k (D5-2b-e.µb.ge.ρ1-b.N-b-2e+3)                     = − −b e g N D N D k N D P 2 2 3 5 . . . . .

µ

ρ

n FR m RE PO k N N N = .( ) *( )

Hubungan korelasi antara bilangan daya, bilangan reybolds, dan bilangan froud adalah: FR RE PO k m N n N N ln ln .ln ln = + +

Pada masing-masing impeller dapat dihitung besarnya nilai k,m, dan n dari data percobaan dengan menggunakan metoda Least Square.

Persamaan: lnN_PO =lnk+mlnN_RE +n.lnN_FR Misalkan: ln NPO = Y ln k = A m. ln NRE = m.X1 n. ln NFR = n. X2 Yi = A + m.X1 + n.X2

(

)

(

)

2 2 1 2

∑

− = − − − = Y Y Y A mX nX S _i

Tujuan metoda ini adalah mencari nilai A, m, dan n yang menyebabkan niali S minimum. Supaya nilai S minimum, maka deferensiasi parsial S terhadap A, m, dan n harus 0.

Maka: =0 ∂ ∂ A S , =0 ∂ ∂ m S , =0 ∂ ∂ n S

(34)

                    =          

∑

Y X Y X Y X X X X X X X X X u n m A . . . . 2 1 2 2 1 2 2 1 2 1 1 2 1 Daftar Pustaka

1. Mc Cabe, W.L., Unit Operation of Chemical Engineering, 3rd Edition, McGraw-Hill 2. Book Co., New York, 1978

3. Perry, R., Green, D.W., and Maloney, J.O., Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 6th_{Edition, McGraw-Hill, Japan, 1984}

4. Brodley, and Hershey, Transport Phenomena: A Unified Approach, McGaw-Hill Book Co., New York, 1988, Chapter: Application of Mixing

5. Moo-Young et al., The Blending Efficiencies of Some Impellers in Batch Mixing, AIChEJ, 18 (1), 1972, pp. 178-182

6. Tatterson, and Gary, B., Fluid Mixing and Gas Dispersion in Agitated Tanks, McGraw-Hill Book Co., New York, 1991, Chapter 1,2, and 4.