BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Tujuan Percobaan

Percobaan tangki pengaduk dimaksudkan untuk mempelajari sistem tangki

berpengaduk mekanik yang menjalankan bahan berfasa cair, dengan tujuan

sebagai berikut :

a) Mengetahui pola-pola aliran yang terjadi dalam tangki berpengaduk

dengan penggunaan sekat dan tanpa sekat.

b) Dapat menghitung kebutuhan daya yang diperlukan untuk suatu operasi

pencampuran.

1.2. Teori

1.2.1. Definisi

Pengadukan (agitation) merupakan suatu operasi yang menimbulkan

gerakan pada suatu bahan (fluida) di dalam sebuah tangki, yang mana gerakannya

membentuk suatu pola sirkulasi (McCabe, 1985). Fungsi utama operasi

pengadukan adalah sebagai sarana pencampuran, yang bertujuan untuk

menyeragamkan suatu campuran bahan. Fungsi lainnya adalah untuk

menyelenggarakan reaksi, mempercepat perpindahan panas, mempercepat

perpindahan massa, serta menyebarkan atau mendispersikan gas di dalam zat cair

dalam bentuk gelembung-gelembung kecil. Salah satu sistem pengadukkan yang

banyak ditemui di industri proses kimia adalah tangki berpengaduk, yang

umumnya digunakan untuk mengaduk fluida cair. Sistem ini terdiri dari suatu

tangki penampung fluida, pengaduk (impeller) yang terpasang pada batang

pengaduk dan perangkat penggerak (motor) yang mengubah pasokan energi luar

menjadi gerakan batang pengaduk.

Tujuan dilakukannya pengadukan antara lain (Geankoplis,1993):

1. Mencampur dua fluida yang mudah larut

2. Melarutkan padatan dalam cairan

3. Mempercepat perpindahan panas antara fluida dengan gulungan induksi di

dalam dinding bejana

4. Mendispersikan gas ke dalam cairan

5. Menyelenggarakan suatu reaksi dan mempercepat terjadinya perpindahan

massa.

Pengadukan berbeda dengan pencampuran. Tidak semua operasi

pengadukkan melibatkan pencampuran. Akan tetapi, proses pencampuran

biasanya melibatkan pengadukan. Pencampuran (mixing) merupakan suatu

peristiwa menyebarnya bahan-bahan secara acak, di mana bahan yang satu

menyebar ke dalam bahan yang lain dan sebaliknya (Mc Cabe, 1985). Sebelum

adanya pencampuran, bahan-bahan yang akan dicampur terpisah dalam satu fasa

atau lebih. Misalnya, Carboxy Methyl Celluloce (berfasa padat) yang dicampurkan

ke dalam air (berfasa cair) di dalam suatu bejana. Pada proses pencampuran,

pengadukkan dilakukan untuk menyeragamkan suatu campuran dengan cepat dan

meningkatkan transfer momentum antar partikel pada fluida yang diaduk. Dengan

pengadukan maka akan mempercepat tercapainya campuran homogen pada proses

pencampuran.

1.2.2. Alat-alat Pengadukan

Proses pengadukan dilengkapi oleh :

1. Tangki

Tangki berbentuk silinder dengan sumbu terpasang vertikal. Tangki berfungsi

sebagai alat untuk menampung fluida yang diaduk. Pada umumnya, tangki yang

digunakan untuk mengaduk bahan berfasa cair berbentuk silinder dan dapat

tertutup ataupun terbuka (Geankoplis, 1993). Ketinggian zat cair biasanya hampir

sama dengan diameter tangki.

2. Impeller

Impeller merupakan suatu alat yang digunakan untuk menimbulkan gerakan

pada fluida yang diaduk. Berdasarkan bentuknya, impeller dapat dibedakan

menjadi (Geankoplis, 1993).

a) Propeller

Propeller merupakan bentuk impeller yang digunakan untuk larutan

berviskositas rendah dengan kecepatan pengadukan 400 hingga 1750 rpm

(revolution per minute). Impeller jenis ini membangkitkan pola aliran aksial, yaitu

sejajar dengan sumbu impeller.

(a) (b) (c)

Gambar 1. Pengaduk Jenis Baling – baling (a) Daun Dipertajam (b)

Baling – Baling Kapal (c) Daun Turbin.

b) Paddle

Berbagai jenis paddle sering digunakan dengan kecepatan antara 20 hingga

200 rpm. Impeller paling sering digunakan adalah jenis paddle berdaun dua (two-

blade) dan berdaun empat (four-blade). Jenis impeller ini membangkitkan pola

aliran radial, yaitu tegak lurus terhadap sumbu impeller. Anchor atau gate-paddle

juga sering digunakan untuk larutan yang berviskositas tinggi.

c) Turbin

Digunakan pada kecepatan pengadukan yang cukup tinggi dan untuk larutan

yang rentang viskositasnya cukup luas. Turbin terbagi atas berbagai macam

bentuk, diantaranya flat blade, disk flat blade, pitched blade,pitched vane,,

curved blade, arrowhead, titled blade, pitch curved blade dan shrouded. Pola

sirkulasi yang terbentuk adalah radial dan tangensial (aliran yang mengelilingi

batang pengaduk).

Gambar 2. Pengaduk Jenis Turbin pada berbagai variasi.

d) Helical-ribbon

Impeller jenis ini digunakan untuk larutan dengan viskositas tinggi dan

kecepatan rendah pada rezim laminar dan membangkitkan pola aliran tangensial,

yaitu mengelilingi sumbu tangki.

(a) (b) (c) (d)

Gambar 3. Pengaduk Jenis (a), (b) & (c) Hellical Ribbon, (d) Semi-Spiral.

3. Motor

Motor berfungsi sebagai pengubah energi listrik menjadi gerakan pada batang

pengaduk. Besarnya energi listrik yang diperlukan untuk menggerakkan impeller

disebut daya.

Berdasarkan fungsinya, motor dibedakan atas:

a) Motor un-variable, yaitu jenis motor yang dayanya tidak dapat diubah-ubah.

Misalnya motor pada pompa air.

b) Motor variable, yaitu jenis motor yang dayanya dapat diubah-ubah sesuai

dengan kebutuhan. Misalnya motor pada mixer.

1.2.3. Pola Alir Pengadukan

Bentuk pola alir pada pengadukan dipengaruhi oleh (Geankoplis, 1993):

a) Tipe pengaduk (impeller)

b) Geometri tangki

c) Adanya sekat

Adapun bentuk pola alir pada pengadukan suatu larutan dalam tangki

terbagi atas (McCabe, 1985):

a) Pola aliran radial, yaitu pola alir yang tegak lurus terhadap sumbu impeller.

b) Pola aliran aksial, yaitu pola alir yang sejajar dengan sumbu impeller.

c) Pola aliran tangensial, yaitu pola alir yang mengelilingi sumbu impeller.

Jika kecepatan putar pengaduk tinggi dan sumbu impeller berada di pusat

tangki pada tangki tidak bersekat maka akan menyebabkan terjadinya vortex.

Fenomena vortex ini sangat tidak diinginkan dalam suatu proses pengadukan

karena dapat mengakibatkan pencampuran menjadi tidak sempurna. Selain itu,

vortex juga dapat menyebabkan campuran tumpah dari tangki. Gambar 1.2

memperlihatkan bentuk pola alir dan terjadinya vortex pada suatu operasi

pengadukan.

Gambar 4 Pola alir pengadukan. (a) Axial atau radial pada tangki tidak bersekat. (b) Posisi off-center untuk menghindari terjadinya vortex. (c) Axial pada tangki bersekat.(d) Radial pada tangki bersekat.(Walas,1988)

1.2.4. Bilangan Tidak Berdimensi

Ada sepuluh bilangan tidak berdimensi pada pengadukan dalam

hubungannya dengan perpindahan panas dan perpindahan massa, yang dapat

dilihat pada Tabel 1.1 (Brodkey and Hershey,1998).

Tabel 1.1 Bilangan tidak berdimensi pada pengadukanNama Lambang Definisi Keterangan

Blend Nb Nθ Berhubungan dengan

keseragaman campuran

Froude NFr N2D / g Berhubungan dengan NRe dan Npo

untuk sistem tidak bersekat, juga

penting dalam penambahan

powder pada larutan dalam

tangki pengaduk

Nusselt NNu hT / k Perpindahan panas pada unit

pengadukan

Power Npo P / (ρN3D5) Tetap pada sistem bersekat jika

NRe >10000

Prandtl NPt Cpµ / k Sifat fluida untuk hubungan

perpindahan panas

Pumping Np Q / (ND3) Berhubungan dengan kapasitas

pemompaan impeller

Reynold NRe D2Nρ / µ Rezim laminar jika NRe < 10,

rezim turbulen jika NRe > 10000

Schmidt NSc µ / (ρD) Sifat fluida untuk hubungan

perpindahan massa

Sherwood NSh KLT / DL Perpindahan massa antara

padatan dan pelarut pada unit

pengadukan

Weber New N2D3ρ / σ Hubungan tegangan permukaan

pada sistem dua fasa

Dua dari sepuluh bilangan tidak berdimensi yang disebutkan pada Tabel 1.1, yaitu

bilangan Reynold dan bilangan Daya, dibutuhkan dalam percobaan ini untuk

menggambarkan kurva karakterisrik.

1. Bilangan Reynold

Dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (1) (Geankoplis,1993) :

NRe=ρ ND 2

μ (1)

dimana,

ρ = densitas fluida (gr/cm3)

µ = viskositas fluida (gr/cm.det)

N = putaran impeller (putaran/ det)

D = diameter impeller (cm)

2. Bilangan Daya

Digunakan untuk menentukan besarnya daya yang dibutuhkan untuk memutar

impeller pada kecepatan tertentu (McCabe, 1985). Bilangan daya dapat ditentukan

dengan menggunakan persamaan (2) (Geankoplis,1993) :

N Po=P

ρN 3 D5 (2)

dimana,

P = daya yang dibutuhkan (watt)

N = putaran impeller (putaran/ det)

D = diameter impeller (cm)

ρ = densitas fluida (gr/cm3)

1.2.5. Kurva Karakteristik

Kurva karakteristik merupakan hubungan antara bilangan daya terhadap

bilangan Reynold. Pada kurva karakteristik dapat ditentukan besarnya daya yang

diperlukan pada bilangan Reynold tertentu. Hal ini sangat membantu, sebab sulit

untuk menentukan jumlah daya yang diperlukan impeller pada pengadukan skala

industri. Contoh bentuk kurva karakteristik untuk tangki bersekat berpengaduk

jenis six-blade turbin dapat dilihat pada Gambar 1.3 (Geankoplis,1993).

Dari Gambar 1.3 tampak digunakan pengaduk jenis turbin dengan

perbandingan W (lebar) dengan D (diameter) yang berbeda, yaitu 1/5 dan 1/8.

Selain itu, bentuk blade pada masing-masing turbin juga berbeda. Hal itu

mempengaruhi bilangan daya yang diperlukan untuk pengadukan.

Gambar 5 Kurva karakteristik untuk tangki bersekat dengan pengaduk jenis six

blade turbine (Geankoplis, 1993)

1.2.6. Scale-Up

Scale up merupakan penerapan desain unit pengadukan berdasarkan hasil

proses pada skala kecil ke skala yang lebih besar dengan perbandingan tertentu

(Brodkey and Hershey,1998). Metode yang digunakan pada proses scale-up,

meliputi geometric similarity, yaitu dimensi dari pada unit pengadukan. Kinematic

similarity, yaitu perbandingan suhu dan kecepatan pengadukan, serta dynamic

similarity, yaitu perbandingan viskositas, inersia, dan gaya gravitasi (Geankoplis,

1993).

Prosedur scale-up (Geankoplis, 1993):

a) Menentukan faktor rasio scale-up R. Diasumsikan ukuran bejana pada skala

kecil berbentuk silinder dengan DT1 = H1, maka volume V1 dapat dihitung

menggunakan persamaan (3),

V1 = ( πDT 1

2

4 ) (H1 )=( πDT 23

4 )(3)

Dengan perbandingan volume seperti persamaan (4)

V 2

V 1

=

πDT 23

4πDT 1

3

4

=DT 2

3

DT 13

(4)

Maka faktor rasio R scale-up dapat ditunjukkan seperti persamaan (5)

R=(V 2

V 1)1

3=DT 2

DT 1 (5)

b) Menggunakan nilai R untuk semua dimensi unit pengadukan pada skala kecil,

untuk menentukan dimensi unit pengadukan pada skala besar atau dapat

ditulis seperti persamaan (6)

Da 2=RDa1 (6)

c) Menentukan kecepatan pengadukan pada skala besar (N2) dari penggandaan

kecepatan pengadukan pada skala kecil (N1), yaitu dengan menggunakan

persamaan (7)

N2=N1( 1R )

n

=N 1( DT 1

D t 2)n

(7)

d) Mengetahui nilai (N2) yang dapat digunakan untuk menentukan bilangan daya

unit pengadukan pada skala besar.

Keterangan :

R = Faktor ratio scale-up

DT1 = Diameter tangki pada skala kecil

DT2 = Diameter tangki pada skala besar

H1 = Tinggi fluida pada tangki dengan skala kecil

V1 = Volume tangki pada skala kecil

V2 = Volume tangki pada skala besar

Da = Diameter impeller

N1 = Kecepatan pengadukan pada skala kecil

N2 = Kecepatan pengadukan pada skala besar

n = Konstanta, yang mana n = 1 untuk liquid motion, n = 3/4 untuk

suspensi padat, dan n = 2/3 untuk laju alir transfer massa.

Untuk menentukan bilangan Reynold dan bilangan daya diperlukan data

densitas dan viskositas dari fluida yang diaduk. Densitas merupakan sifat fisis dari

fluida yang menyatakan banyaknya massa per satuan volum dan viskositas adalah

sifat fisis yang menyatakan ketahanan fluida terhadap gerakan alirannya.

Pengukuran densitas dilakukan dengan menggunakan piknometer. Prinsip

kerja piknometer dalam menentukan densitas suatu fluida adalah dengan

menghitung massa fluida per volum piknometer.

Persamaan untuk menghitung densitas dapat ditulis seperti persamaan (8)

ρ=mv

(8)

Dimana:

ρ = densitas fluida (gr/cm3)

m = massa fluida (gr)

v = volume fluida/piknometer (cm3)

Pengukuran viskositas dilakukan dengan menggunakan viskometer. Jenis

viskometer yang dapat digunakan antara lain:

1. Viskometer kapiler

Prinsip kerja viskometer kapiler adalah menghitung waktu yang

diperlukan oleh fluida yang mengalir melalui pipa kapiler untuk

menempuh ketinggian tertentu.

2. Viskometer bola jatuh

Pada viskometer jenis ini, suatu benda berbentuk bola dijatuhkan di dalam

tabung yang berisi fluida yang akan diukur viskositasnya. Prinsip kerjanya

ialah menghitung waktu yang diperlukan oleh bola untuk mengalir

menempuh jarak tertentu di dalam tabung yang berisi fluida.

Gambar 6 Viskometer Bola Jatuh

Persamaan dalam menentukan viskositas suatu fluida dapat ditulis seperti

persamaan (9)

μ=29

r 2

vg( ρb− ρf )

(9)

Dimana:

μ = viskositas fluida (gr/cm.det)

r = jari-jari bola (cm)

v = kecepatan bola (cm/s)

g = percepatan gravitasi (cm/s2)

ρb = densitas bola (gr/cm3)

ρf = densitas fluida (gr/cm3)

h

h = jarak tempuh kelereng (cm)

BAB II

METODOLOGI PERCOBAAN

2.1 Alat-alat yang digunakan

2.1.1 Peralatan tangki pengaduk yang terdiri dari :

1. Tangki

- Diameter tangki = 28,5 cm

2. Pengaduk

- Diameter pengaduk turbin = 12 cm

- Diameter pengaduk propeller = 8 cm

- Jumlah daun pengaduk turbin = 8

- Jumlah daun pengaduk propeller = 3

3. Sekat

2.1.2 Butiran plastik merah

2.2 Bahan yang digunakan

Fluida yang digunakan adalah larutan air

2.3 Prosedur Percobaan

2.3.1 Pengukuran Dimensi Alat

Pengukuran dimensi alat meliputi :

- Diameter tangki

- Jarak pengaduk pada posisi off center dari pinggir tangki

- Tinggi pengaduk dari dasar tangki

- Diameter pengaduk

- Jumlah daun pengaduk

- Lebar daun pengaduk

- Jumlah dan lebar sekat

2.3.2 Prosedur kerja dengan menggunakan air

- Di isi tangki dengan fluida air hingga ketinggian 30 cm dari dasar tangki

- Pengaduk dipasang pada posisi yang tersedia pada batang poros tangki

pengaduk.

- Dihidupkan motor pengaduk

- Diatur kecepatan putar dengan penambahan kecepatan yang tidak terlalu

besar (sekitar 25 rpm) dimulai dari kecepatan putaran 25 rpm.

- Diamati gerakan fluida (air) didalam tangki, sampai terlihat berbentuk

pusaran air dan vorteks pada permukaan air.

DAFTAR PUSTAKA

Brodkey, R.S. and H.C. Hersey, 1998, Transport Phenomena- A Unifield

Approach, McGraw-Hill Book Co. Inc., Singapore

McCabe, W.L., J.C Smith and P. Harriot, 1985, Unit Operation of Chemical

Engineering, 5th edition, McGraw-Hill Book Co. Inc., New York

Geankoplis, C.J., 1993, Transport Process and Unit Operation, 3rd edition,

Prentice Hall Inc., Englewood Cliffs, New Jersey

Wallas, Stanley., 1988, Chemical Process Equipment, Selection and Desain.,

Butterworth-Heinneman, USA