2012,AGITASI

1

PENGADUKAN DAN PENCAMPURAN (AGITATION & MIXING)

Garis besar materi:

- Referensi - Pengertian - Tujuan - Pola aliran fluida - Perangkat - Pemilihan pengaduk - Kebutuhan daya

Referensi

McCabe WL, Smith JC, Harriot P. 1985. Unit Operations of Chemical Engineering, 4th ed. Diterjemahkan: Jasjfi E, Operasi Teknik Kimia Jilid 1. Penerbit Erlangga. 1999.

2

Referensi

Ikhsan D, Widiasa IN. Operasi Teknik Kimia I

Pengertian Pengadukan dan Pencampuran

• Pengadukan: - gerakan tertentu yang berpola untuk menghomogenisasikan bahan - bisa terjadi tanpa pencampuran • Pencampuran: - menyebarkan secara acak antara satu / lebih zat dengan zat lain yang mulanya terpisah Dilakukan dalam tangki berpengaduk

3

Tangki Berpengaduk dimana:

E = jarak pengaduk dari dasar tangki

Dt = diameter tangki

Da = diameter pengaduk

H = tinggi fluida dalam tangki

J = lebar sekat

W = lebar daun pengaduk

L = panjang daun pengaduk

Gambar 1. Dimensi tangki berpengaduk

Ref.: McCabe et al., 1985

Aplikasi Pengadukan dan Pencampuran

• proses suspensi padatan (padat-cair), • dispersi gas-cair, cair-cair • kristalisasi, • perpindahan panas, • reaksi kimia

4

Tujuan Pengadukan

• Mencampur zat cair yang mampu-campur (miscible)

• Mendispersikan gas melalui cairan dalam bentuk gelembung

• Mendispersikan antar zat cair yang beda sifat untuk membentuk emulsi

• Membuat suspensi antara zat cair dengan partikel zat padat

• Mempercepat proses pemindahan kalor

Prinsip kerja pengadukan

Daun pengaduk (impeler) berputar membangkitkan pola aliran dalam sistem zat bersirkulasi dalam bejana Zat dengan viskositas rendah, tipe aliran: turbulen Makin tinggi kecepatan putaran makin besar arus olahan yang terjadi makin tinggi tingkat tubulensinya Zat dengan viskositas tinggi, tipe aliran: laminer

5

Pola Aliran Fluida

Dipengaruhi oleh komponen-komponen: • Longitudinal (aksial) bekerja pada arah paralel dengan poros • Radial bekerja pada arah tegak lurus poros • Tangensial (rotasional) bekerja secara bersinggungan terhadap

lintasan lingkar di sekeliling poros

Macam Pengaduk Berdasarkan Pola Aliran

Impeler aliran-aksial membangkitkan

arus sejajar dengan sumbu impeler

Impeler aliran-radial membangkitkan

arus dengan arah tangensial atau radial

propeler turbin

6

Faktor-faktor yang berpengaruh dalam pengadukan dan pencampuran

• Ratio antara geometri tangki dan pengaduk • Bentuk dan jumlah pengaduk • Posisi sumbu pengaduk • Kecepatan putaran pengaduk • Sekat dalam tangki • Properti fisik fluida (densitas & viskositas)

Dimensi Geometri Tangki

t2

tt tπD41V

Untuk mengoptimalkan kemampuan pengaduk dalam menggerakkan dan membuat pola aliran fluida yang melingkupi seluruh bagian fluida dalam tangki, maka dirancang:

diamater tangki = ketinggian fluida

Volume tangki silinder:

(1)

7

Dimensi Geometri Tangki Pertimbangan awal untuk merancang adalah:

mencari nilai dari diameter tangki berdasarkan kapasitas fluida yang diinginkan dalam pengadukan dan pencampuran

34

tt

VD (2)

Jika, Dt < H maka ada kecenderungan untuk menambah jumlah pengaduk dalam tangki

Untuk Dt = H pada persamaan (1), maka:


Rancangan “standar” pengaduk dalam tangki:

31

t

a

DD

1tD

H121

tD

J

1aD

E

51

aD

W41

aD

L


8


Ukuran “standar” dijadikan sebagai acuan pembanding unjuk kerja agitator

Geometri tangki dirancang untuk menghindari terjadinya dead zone

Dead zone: daerah dimana fluida tidak bisa digerakkan oleh aliran pengaduk.

Dead zone biasanya terjadi pada sudut atau lipatan pada dinding.

Posisi Sumbu Pengaduk Posisi pengaduk umum: pada pusat diameter tangki (center)

Pada tangki tidak bersekat dengan pengaduk di tengah, energi sentrifugal bekerja pada fluida sehingga: - meningkatkan ketinggian fluida pada dinding - memperendah ketinggian fluida pada pusat putaran Pola ini disebut pusaran (vortex atau swirl) dengan pusat pada sumbu pengaduk. Makin tinggi kecepatan putaran Makin tinggi turbulensi fluida Makin besar pusaran

Terjadinya pusaran ini tidak dikehendaki !

9

Posisi Sumbu Pengaduk Upaya untuk menghilangkan pusaran: dengan merubah posisi sumbu pengaduk

- posisi sumbu pengaduk tetap tegak lurus namun berjarak dekat dengan dinding - posisi sumbu berada pada arah diagonal - posisi sumbu berada pada arah horisontal dengan dasar tangki

sekat

Sekat dalam Tangki Sekat (baffle): lembaran vertikal datar yang

ditempelkan pada dinding tangki Tujuan penggunaan sekat: memecah pusaran saat pengadukan dan pencampuran, digunakan terutama untuk fluida dengan viskositas rendah Efek samping: - menambah beban pengadukan - menambah kebutuhan daya pengadukan

10

Jumlah Pengaduk Berhubungan dengan efektifitas pengadukan pada

kondisi yang berubah. Kondisi ketika jumlah pengaduk lebih dari 1: • ketinggian fluida > diameter tangki, • viskositas fluida yang lebih besar • diameter pengaduk < dimensi yang biasa

digunakan Dengan jarak antar pengaduk sama dengan jarak

pengaduk paling bawah ke dasar tangki.

Jumlah Pengaduk Upaya untuk menghindari dead zone ketika digunakan tangki dengan kedalaman fluida > diameter tangki:

- digunakan 2 atau lebih pengaduk pada satu poros - dilengkapi dengan sekat

11

Pemilihan Jumlah Pengaduk Satu pengaduk Dua pengaduk

Ketinggian fluida (H)

H = Dt H > Dt

Viskositas fluida

Rendah Sedang dan tinggi

Posisi pengaduk

- Menyapu dasar tangki

- E dari dasar

Ketinggian pengaduk: E1 dari dasar, E2 = 2E1

Jenis Pengaduk

• Pengaduk baling-baling (propeller) • Pengaduk dayung (paddle) • Pengaduk turbin (turbine) • Pengaduk berpilin (helical)

12

Contoh Daun Pengaduk untuk Tipe Aliran Turbulen

Propeller kapal berdaun tiga

Turbin berdaun lurus

Turbin piring berdaun lurus

Turbin piring berdaun lengkung

Turbin berdaun miring (45)

Contoh Daun Pengaduk untuk Tipe Aliran Laminer

Pengaduk pita berpilin

Pengaduk jangkar

Diameter pengaduk hampir sama dengan diameter tangki bagian dalam

Pengaduk dayung

13

Pemilihan Pengaduk

• Bergantung pada viskositas fluida • Dapat mengaduk/mencampur sesuai

dengan waktu yang disyaratkan dengan kebutuhan daya minimal

Pemilihan Pengaduk • Pengaduk jenis baling-baling: untuk viskositas fluida < 3 Pa.s (3000 cP) • Pengaduk jenis turbin: untuk viskositas < 100 Pa.s (100.000 cP) • Pengaduk dayung berjenis jangkar: untuk viskositas antara 100–500 Pa.s • Pengaduk jenis pita melingkar: untuk viskositas > 1000 Pa.s dan telah digunakan hingga viskositas 25.000 Pa.s. Untuk viskositas > 5 Pa.s, tidak diperlukan sekat karena

hanya terjadi pusaran kecil.

14

Kecepatan Pengaduk

• Kecepatan putaran rendah (400 rpm) • Kecepatan putaran sedang (1150 rpm) • Kecepatan putaran tinggi (1750 rpm)

Berpengaruh pada pola aliran dan daya listrik yang dibutuhkan

Kecepatan Pengaduk

• Kecepatan putaran rendah (400 rpm) untuk minyak kental, lumpur atau cairan

yang dapat menimbulkan busa menghasilkan pergerakan batch yang

sempurna dengan permukaan fluida yang datar untuk menjaga suhu atau mencampur larutan dengan viskositas dan densitas yang sama

15

Kecepatan Pengaduk

• Kecepatan putaran sedang (1150 rpm) untuk larutan sirup kental, minyak vernis

dan untuk mempercepat proses perpindahan panas dalam fluida

mengurangi waktu pencampuran,

mencampur larutan dengan perbedaan viskositas tidak terlalu besar

Kecepatan Pengaduk

• Kecepatan putaran tinggi (1750 rpm) digunakan untuk fluida dengan viskositas

rendah, seperti viskositas air dibutuhkan ketika waktu pencampuran

sangat lama atau perbedaan viskositas sangat besar.

16

Angka Aliran Aliran fluida terjadi akibat putaran pengaduk Bila: u2 = kecepatan pada ujung daun V’u2 = kecepatan tangensial zat cair V’r2 = kecepatan radial zat cair V’2 = kecepatan total zat cair n = kecepatan putaran pengaduk

Angka Aliran

Jika kecepatan tangensial zat cair merupakan fraksi k tertentu dari kecepatan ujung daun: V’u2 = k·u2 (3) dimana, u2 = π·Da·n (4) V’u2 = k·π·Da·n (5)

17

Angka Aliran Laju aliran volumetrik melalui impeler: q = V’r2· Ap (6) Ap = π·Da·W (7) q = laju alir volumetrik Ap = luas silinder yang dibuat dengan sapuan ujung daun impeler

Da = diameter impeler W = lebar daun impeler

Angka Aliran

V’r2 = (u2 - Vu’2) tan ’2 (8) Substitusi dari u2 (pers. (4)) dan Vu’2 (pers. (5))

pada pers. (8): V’r2 = πDan(1 - k) tan ’2 (9)

Gambar 2. Vektor kecepatan pada ujung daun impeler turbin

18

Angka Aliran

Jika Da sebanding dengan W: q (11) Angka aliran (flow number), NQ:

(12) 3a

Q nDqN

3anD

Substitusi V’r2 (pers. (9)) dan Ap (pers. (7)) pada pers. (6), sehingga q:

q = π2Da2nW(1 - k) tan ’2 (10)

Angka Aliran Untuk tangki bersekat, - propeler kapal (jarak bagi bujur sangkar) NQ = 0,5 - turbin 4 daun 45 (W/Da = 1/6) NQ = 0,87 - turbin rata 6 daun (W/Da = 1/5) NQ = 1,3 Untuk turbin berdaun rata, terbukti berhubungan

secara empiris: (13)

a

t3a D

D0,92nDq

19

Kebutuhan Daya

Jika aliran dalam tangki adalah turbulen, kebutuhan daya merupakan hasil kali aliran dari impeler, q, dan energi kinetik persatuan volume fluida, Ek. P = q·Ek (14)

(15) (16)

Q3aNnDq

c

2'2

k 2gVρE

Kebutuhan Daya

Jika V’2/u2 = , maka V’2 = πnDa, sehingga kebutuhan daya:

(πnDa)2 (17)

(18)

cQ

3a 2gNnDP

Q

c

5a

3

Ng

DnP2

22

20

Kebutuhan Daya

Dalam bentuk tanpa dimensi:

(19) Ruas kiri dinamakan angka daya (Power

Number), NP:

(20)

Q5a

3c N

DnPg

2

22

5

a3

cP Dn

PgN

Korelasi Daya Variabel yang berpengaruh terhadap daya pengaduk: - pengaduk (diameter, Da, dan kecepatan, n) - zat cair (viskositas, , dan densitas, ) - percepatan gravitasi (g) - tetapan dimensional (gc), dianggap fluida Newton

Faktor bentuk (shape factor) untuk sementara diabaikan, maka P adalah fungsi variabel lainnya:

P = (n, Da, gc, , g, ) (21)

21

Korelasi Daya Dengan metode analisis dimensi, diperoleh: Dengan memperhitungkan faktor bentuk: Sehingga pers. (23) dapat dituliskan: NP = (NRe, NFr, S1, S2, …, Sn)

g

DnnDDn

Pg a22

a5a

3c ,

n21

a22

a5a

3c S,...,S,S,

gDnnD

DnPg ,

NP NRe NFr

(22)

(23)

(24)

Kebutuhan Daya Pengaduk pada zat cair Newtonian

• Bilangan Power (NP)

• Bilangan Reynold (NRe)

• Bilangan Fraude (NFr)

ρ5a3

cP Dn

PgN

μρ2a

RenDN

gDnN a

2

Fr

22

Tangki Berpengaduk dimana:

E = jarak pengaduk dari dasar tangki

Dt = diameter tangki

Da = diameter pengaduk

H = tinggi fluida dalam tangki

J = lebar sekat

W = lebar daun pengaduk

L = panjang daun pengaduk


Ref.: McCabe et al., 1985


Rancangan “standar” pengaduk dalam tangki:

31

t

a

DD

1tD

H121

tD

J

1aD

E

51

aD

W41

aD

L


23

Korelasi Daya Faktor bentuk bergantung pada jenis dan susunan alat. Sesuai gambar 1, faktor bentuk yang berpengaruh:

t

a1 D

DS

t6 D

HS t

5 DJS

a2 D

ES

a4 D

WS

a3 D

LS

Selain itu, jumlah sekat, kemiringan dan jumlah daun juga perlu diperhitungkan.

Perhitungan pemakaian daya

Daya yang diserahkan pada zat cair (P) dihitung dari NP (dari pers. (20)):

c

5a

3P

gDnNP ρ

(25)

Perhitungan daya dari berbagai jenis pengaduk diperoleh sebagai fungsi dari bilangan Re (NRe).

24

Korelasi daya antara NP dan NRe Untuk turbin dan high-efficiency impeller

Gambar 3. NP vs NRe untuk turbin dan high-efficiency impeller

Korelasi daya antara NP dan NRe

Gambar 4. NP vs NRe untuk turbin rata berdaun 6, posisi di pusat

Kurva A: daun vertikal Kurva B: dengan daun lebih sempit dari A Kurva C: serupa dengan B, berdaun miring Kurva D: tangki tanpa sekat

Bagian dengan garis putus-putus, berlaku: NP· mFrN

25


Gambar 5. NP vs NRe untuk propeler berdaun 3, posisi di pusat Bagian dengan garis putus-putus, berlaku: NP· m

FrN

Korelasi Daya Pada NRe < 300, baik tangki bersekat maupun tidak memiliki kurva yang identik. Pada NRe > 300, kurva tanpa sekat (garis putus-putus) memisah dari kurva bersekat. Hal ini karena terjadi vorteks dan gerakan gelombang permukaan NFr berpengaruh. Pers. (23) dapat dimodifikasi menjadi: n21Rem

Fr

P S,...,S,S,NNN ψ (26)

26

Korelasi Daya Secara empirik, hubungan eksponen m dengan NRe:

bN log-am Re (27)

Gambar Kurva a b

4 D 1,0 40,0 5 B 1,7 18,0 5 C 0 18,0 5 D 2,3 18,0

Tabel 1. Konstanta a dan b untuk pers. (27)

Tabel 2. Kebutuhan daya pengaduk

27


Gambar 6. NP vs NRe untuk berbagai jenis pengaduk, lihat tabel

Perhitungan pemakaian daya Bila ukuran geometris pengaduk yang dirancang berbeda dengan yang ada pada grafik, maka dipilih dalam grafik jenis pengaduk yang sesuai dan ukuran geometris yang mendekati. Hasil yang diperoleh secara grafik dikoreksi dengan dikalikan faktor koreksi, yaitu:

grafiki

l

i

t

nkanyangdiingii

l

i

t

DZ

DD

DZ

DD

(28)

28

Contoh Soal-1 Pengadukan bahan emulsi dalam suatu industri dirancang menggunakan paddle jenis 2 daun yang dipasang vertikal di pusat tangki. Diameter tangki 10 ft, tinggi tangki 12 ft, diameter pengaduk 3 ft, posisi pengaduk pada 1 meter di atas dasar tangki dengan putaran 120 rpm. Operasi berlangsung pada suhu kamar, tinggi larutan 10 ft, rapat jenis larutan 1,66 dan viskositas 32 cP. Berapa HP daya pengaduk yang dibutuhkan bila tangki berbaffle 4 buah pada tebal 1 ft?

Contoh Soal-2 Pengadukan dalam suatu industri bahan emulsi dirancang menggunakan jenis paddle 2 daun yang dipasang vertikal di pusat tangki. Diameter tangki 9 ft, tinggi tangki 12 ft, diameter pengaduk 3 ft, posisi pengaduk pada 1 m di atas dasar tangki, dengan putaran 600 rpm. Operasi pada suhu kamar dengan tinggi larutan 11 ft, rapat jenis 1,4 viskositas 20 cP. Berapa Hp power yang dibutuhkan oleh pengaduk, bila: • Tangki tanpa baffel • Tangki berbaffel 4 buah setebal 1 ft.

29

Contoh Soal-3 Dua jenis bahan kimia dengan perbandingan berat 1 : 2,5, masing-masing mempunyai rapat massa 1,42 g/ml dan 1,11 g/ml, mempunyai viskositas campuran 1,8 cP, dicampur hingga homogen. Pencampuran dilakukan dalam tangki berpengaduk tanpa baffle dengan menggunakan pengaduk model marine propeller, square pitch dengan diameter 1 ft. Diameter tangki 8 ft, tinggi larutan dalam tangki 6,5 ft. Pengaduk dipasang secara vertikal di pusat tangki pada 1 ft di atas dasar tangki, dengan perputaran 220 rpm. Perkirakan tenaga pengaduk (HP)!

Perhitungan pemakaian daya Pada NRe rendah, kurva NP vs NRe berimpitan pada tangki bersekat maupun tidak. Alirannya laminer dan densitas bukan lagi faktor, sehingga Pers. (24) menjadi: n213

a2

cReP S,...,S,S

DnPgNN LLK ψ

μ (29)

Sehingga:

c

3a

2L

gDnKP μ

(30)

30

Perhitungan pemakaian daya Pada tangki bersekat dengan NRe > 10.000, angka daya (P) tidak bergantung pada NRe, viskositas bukan lagi faktor dan alirannya turbulen, sehingga Pers. (24) menjadi: n21P S,...,S,SψN TTK (31)

Sehingga:

c

5a

3T

gDnKP ρ

(32)

Nilai tetapan KL dan KT untuk berbagai jenis impeler dan tangki

Jenis impeler § KL KT

Propeler, jarak-bagi bujur sangkar, 3 daun jarak-bagi 2, 3 daun

41,0 43,5

0,32 1,00

Turbin, 6 daun rata 6 daun lengkung

71,0 70,0

6,30 4,80

(Rushton, 1952) § Untuk turbin, L/Da = 1/4, W/D = 1/5

31

Fluida non-Newtonian

2012,AGITASI

Documents

Transcript of 2012,AGITASI