PERPINDAHAN PANAS TANGKI BERPENGADUK

(STIRRED TANK REACTOR)

1. Tujuan Percobaan

Dapat menghitung koefisien keseluruhan perpindahan panas untuk STR.

Dapat menghitung koefisien film perpindahan panas untuk STR.

Dapat memahami proses perpindahan panas didalam tangki berjaket berpengaduk

yang tergolong dalam kelompok proses unsteady state.

2. Alat yang Digunakan

Stirred tank reactor : 1 unit

Termokopel : 1 buah

Termometer : 2 buah

Ember : 4 buah

GelasPiala (Plastik) : 1 buah

3. Bahan Yang Digunakan

Air 100 liter

4. DasarTeori

Perpindahan panas dalam tangki berpengaduk berjaket sangat berbeda dengan proses

perpindahan yang biasa anda jumpai. Hal inidisebabkankarena proses yang terjadiadalah

proses taktetap (unsteady state). Jadi koefisien perpindahan panas (U) tidak dapat digunakan

dalam persamaan Fourier. Q = U.A.Δt. Persamaan Fourier hanya dapat digunakan bila tangki

beroperasi kontinu (steady state).

Persamaan yang harus digunakan adalah persamaan untuk tangki berjaket

berpengaduk dengan pemanas dengan pemanas non-isothermal (air).

dQdt

=Mcdtdθ

=Wc (T 1−T2 )=UAdt

Mcdtdθ

=Wc (T 1−T2 ).....................................................................................................1

LnT 1−t1

T 2−t2

=WcMc ( K1−1

K2)θ

............................................................................................2

K1=erA

Wc.......................................................................................................................3

Dari persamaan 1 kita dapatkan harga W (laju alir fluida panas) yang kemudian

disubstitusikan ke persamaan 2 untuk mendapatkan harga K1 dan persamaan 3 kita dapatkan

harga U. Untuk perhitungan koefisien film dinding kita mempergunakan hubungan sebagai

berikut :

h1 D1

K=a( L2Nρ

μ )13(Qμ

μW)0,14

Dimana :

h : Koefisien film dinding dalam

Di : Diameter dalam tangki

L : Diameter pengaduk

N : Putaran pengaduk per unit waktu

μ : Viskositas cairan

ρ : Density/kerapatan rata-rata cairan

μw : Viskositas permukaan

K : Konduktivitas thermal

Hukum Fourier

Hubungan dasar yang menguasai aliran kalor melalui konduksi ialah berupa

kesebandingan yang ada antara laju alir kalor melintas permukaan isotermal dan gradien suhu

yang terdapat pada permukaan itu. Hubungan umum ini berlaku pada setiap lokasi di dalam

suatu benda, pada setiap waktu disebut Hukum Fourier yang ditulis sebagai :

dqdA

=−k∂T∂ n

Dimana :

A : Luas permukaan isotermal

n : Jarak, diukur normal (tegaklurus) terhadap permukaan itu

q : Laju alir kalor melintasi permukaan itu pada arah normal terhadap permukaan.

T : Suhu

K : Konstanta proporsionalitas (tetapan kesebandingan)

Pada keadaan steady, T hanya merupakan fungsi posisi semata-mata, dan laju aliran

kalor pada setiap titik pada dinding itu konstan. Sehingga persamaannya dapat ditulis :

qA

=−kdTdn

Konduktivitas Termal

Hukum Fourier menyatakan bahwa k tidak tergantung pada gradien suhu tetapi tidak

selalu demikian halnya terhadap suhu itu sendiri. Di lain pihak, k merupakan fungsi suhu.

Walaupun bukan fungsi kuat. Untuk jangkauan yang tidak konstan, k dapat dianggap konstan.

Tetapi untuk jangkauan suhu yang lebih besar, konduktivitas termal dapat didekati dengan

persamaan dalam bentuk :

K = a + bT

Dimana : a dan b = konstanta empirik

Konduksi Keadaan Steady

Konduksi dalam keadaan steady dapat ditulis :

qA

=−kdTdx atau

dT=− qkA

dx

Oleh karena hanyalah x dan T yang merupakan variabel dalam persamaan, integral langsung

akan menghasilkan :

qA

=−kT 1−T2

X2−X1

=kΔTB

Dimana :

X2 dan X1 = B = tebal lempengan

T1 – T2 = Δt = penurunan suhu (beda suhu) melintang lempeng

Nilai k dapat dihitung dengan mencari rata-rata aritmetik dan k pada kedua suhu

permukaan, T1 dan T2 atau dengan menghitung rata-rata aritmetik suhu dan menggunakan

nilai k pada suhu itu.

Sehingga dapat dituliskan dalam bentuk :

q=ΔTR

KONDUKSI KALOR KEADAAN TAK STEADY

Persamaan konduksi satu dimensi

∂T∂ x

+ ∂T ∂T∂ x ∂ x

dx

Jika kalor keluar lempeng pada x+dx tentulah :

−kA( ∂ T∂ x

+ ∂T ∂ T∂ x∂ x

dx )dt

Kelebihan masukan kalor terhadap kalor yang keluar, yang merupakan penumpukan pada

lapisan dx adalah :

−kA∂T∂ x

dt+kA( ∂T∂ x

+ ∂ T ∂T∂ x ∂ x

dx )dt=kA∂2 T∂ x2

dxdt

Stirred Tank Reactor (STR)

Stired Tank (tangki berpengaduk) dalam industri kimia digunakan untuk reaksi-reaksi

batch ‘tumpak’ dalam skala kecil. Alat ini terdiri dari tangki silindris yang dilengkapi dengan

agitator ‘pengaduk’. Tangki ini digunakan untuk pemanasan atau pendinginan, dipakai jaket

sehingga air panas atau air dingin dapat dialirkan (dipindahkan).

Pengadukan dipakai dalam berbagai aplikasi, misalnya dispersi suatu zat terlarut

dalam suatu pelarut, penyatuan dua cairan yang dapat dicampur, produksi slurry dari padatan

halus didalam suatu cairan, pengadukan suatu cairan homogen untuk meningkatkan heat

transfer ke cairan.

Peralatan pengaduk mempunyai berbagai macam variasi menurut aplikasinya.

1. Axial flow impeler, untuk cairan viskositas sedang yang memerlukan gerakan cepat.

2. Flat blade turbine, yang menghjasilkan aliran turbulen pada arah radial, tetapimemerlukan

power yang lebih besar.

3. Turbin untuk pengadukan yang merata sekali.

4. Anchor impeller, untuk tingkat turbulensi rendah dan efektif digunakan untuk tangki yang

dipanaskan atau didinginkan dengan jaket.

5. Helical impeller, untuk pengadukan padat cair atau untuk mengaduk pasta, lumpur, atau

adonan.

Gambar 1. Batch Stirred Reactor

Proses  perpindahan  panas  dalam  tangki berpengaduk  dapat digolongkansebagai

prosesnon isothermal, unsteady statekarena aliran panas dan suhu berubahterhadap

waktu. Penurunan dan penggunaan persamaan neraca energi dan persamaanyang

menghubungkan bilangan tak berdimensi mengikuti asumsi-asumsi berikut :

1. U bernilai  bernilai  konstan  untuk  proses  dan  pada  seluruh  permukaanperpindahan

panas, sehingga U prosesadalah constan.

2. Lajualir fluida panas adalahkonstan.

3. Panas spesifikfluida panas dan fluida dinginkonstanselamaproses.

4. Suhu fluida pemanas yang masuk dalam jacket konstan

5. Pengadukan menghasilkan suhu cairan yang merata.

6. Tidak terjadi perubahan fasa parsial.

7. Panas yang hilang dapat diabaikan

Uraian Proses Stirred Tank Reactor :

Keran udara tekan dibuka untuk menghidupkan kontrol panel dan menggerakkan katup

pneumatik. Kemudian keran air dibuka dan air dipompakan ke dalam jaket. Air akan

memenuhi jaket dan keluar pada bagian outlet menuju ke Y Joint, disini air akan dipanaskan

dengan bantuan steam yang diinjeksikan oleh katup pneumatik (sebelumnya valve steam

dibuka terlebih dahulu). Air yang panas masuk ke separator dimana gas yang terbentuk akan

mengalir ke atas sedangkan cairannya akan kembali ke dalam jaket dan bersirkulasi. Air

panas didalam jaket akan memanaskan cairan didalam reaktor sampai suhu mencapai set point

(70oC). Gas dari separator akan terjebak didalam steam trap sehingga terkondensasi menjadi

cairan dan di kembalikan ke tangki penampung.

5. Gambar Alat (Terlampir)

6. Langkah Kerja

Persiapan

1. Mempelajari gambar dan menguasainya.

2. Membuka katup/kran udara tekan.

3. Menghidupkan saklar utama.

4. Menghidupkan peralatan proses PCT 10 untuk ukuran T2.

5. Membuka keran utama air yang menuju ke kondensor kecil (dari tangki utama

penyimpanan air).

6. Menghidupkan pompa sirkulasi air dalam jaket (tombol hijau). Menunggu sampai

tekanan stabil.

7. Membuka katup kran utama uap.

8. Pada panel kontrol TIC 7 (suhumasuk air pemanas = T1)

Menekan SP (Set Point) tombolhijau

Memasukkan angka 70

Menekan lagi sampai PV (processing value) menyala merah

9. Pada panel control TIC 6

Menekan sampai pv (processing value) menyala merah

Mematikan semua tombol kuning dan hijau

10. Untuk mempercepat proses pemanasan awal, mengatur TIC 7 secara manual

(pembukaan katup V5).

Menekan tombol kuning (manual) sampai menyala

Menekan sampai harga naik mencapai 90% atau maksimal.

Bila air didalam jaket mencapai 50%, menekan sampai menunjukkan 60%

Mematikan tombol kuning.

11. Menunggu sampai keadaan suhu air pemanas dalam 70 °c.

12. Menyiapkan air sebanyak 100 kg/liter

13. Menentukan kecepatan putaran pengaduk dan hitung rpm-nya.

14. Mematikan pengaduk.

Pengamatan

15. Bila suhu air telah stabil, memastikan pengaduk dalam keadaan tidak berputar.

Segera memasukkan semua air bersih tadi dengan menggunakan pompa listrik.

16. Menghidupkan stopwatch bersamaan dengan pengaduk setelah memasukkan

semua air (100 liter).

17. Mencatat data-data t, T1, T2setiap interval 4 menit.

18. Menghentikan pengambilan data bila suhu T1 = T2 atau bila isi reaktor mencapai

set pointnya.

19. Mengukur ketinggian air dari dasar tangki.

20. Mengatur kecepatan pengaduk (rpm) untuk percobaan berikutnya, kemudian

mematikan.

21. Mengosongkan isi reaktor/tangki.

7. Data Pengamatan

Waktu

(menit)

Reaktor (oC) Jacket (oC) C

(kal/goC)t1 t2 T1 T2

0 43 48 63 58 1,0

2 48 50 65 60 1,0

4 50 52 66 62 1,0

6 52 53 67 64 1,0

8 56 58 69 66 1,0

10 58 60 70 67 1,0

12 60 62 70 68 1,0

14 62 63 71 69 1,0

16 63 63 72 70 1,0

Diketahui :

L = 0,105 m

D = 1,14 m

A=14

π d2= 14

x 3,14 x (1,14 )2=1,02 m2

W = 100 liter

menit≈ 100

kgmenit

N = 800 radmin

8. Perhitungan

Penentuan harga K dan koefisien perpindahan panas (U)

Diketahui :

W= 100liter

menit=100

kgmenit

=1.105 grmenit

θ=2 menitA = 1,02 m2

ρair=1kg

m3

μair= 0,01 Cp

Penyelesaian :

Untuk t = 2 menit

Mc = W . C (T1 – T2)

= 1.105 grmenit

.1kal

g℃. (65−60 )℃=5 .105 kal

menit

lnT1−t1

T1−t2

=WCMC

.[ k1−1

k1] . θ

ln65−4865−50

=1.105 gr

menit.1

kalgr℃

5.105 kalmenit

.[ k1−1k1 ] . 2 menit

0,122=0,4.[ k1−1

k1]

0,122 k1 = 0,4 k1 – 0,4

k1 = 1,438

k 1=eu A /w .c

1,438 = eu .1,02 /105 .1

Ln 1,438 = 0,0000102 . U

U = 35613,06

Penentuan harga K dan koefisien perpindahan panas (U)

Untuk t = 2 menit

h1 D1

k1

=a[ l2 N ρμ ]

13 [ Q μ

K ]13 [ μ

μ w ]0,14

Dimana : μ

μ w=1

Q = U. A. dt

= 35613,06 x 1,02 x 2

= 72650,642

h1.1,14

1,438=( (0,105 m )2 .80

radmin

.1kg

m3

0,01 Cp )13

.( 72650,642.0,01 Cp1,438 )

13 (1 )0,14

0,792 hi = 4,444rad . kg

min . m . cp.7,831

m2 .Cpmin

.1

hi = 42,86479 rad . kg

min2

dengan cara yang sama maka perhitunhan pada tiap menit ke- dapat dianalogikan

dalam tabel beikut ini.

Waktu K1 U hi

2 1,438 35613,06 42,86

4 1,143 13109,59 27,41

6 1,119 11075,77 25,55

8 1,043 4144,79 17,57

10 1,111 10354,79 24,87

12 1,122 11358,03 25,82

14 1,098 4731,29 18,44

16 0 0 0

9. AnalisaPercobaan

Dari praktikum yang telah dilakukan dapat dianalisa bahwa terjadi perpindahan

panas melalui alat stired tank reator (STR). Perpindahan panas pada STR ini dapat terjadi

secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Pada alat STR ini di lengkapi jacket yang berfungsi

sebagai media pemanas yang dihasilkandari steam yang kemudian secara konduksi

mentransfer panas kedalam reaktor yang berisiumpan.

Selain dilengkapi dengan jacket, alat STR ini juga dilengkapi dengan agitator

(pengaduk). Pengaduk ini berfungsi sebagai disperssuatu zat terlarut dalam suatu pelarut dan

pengadukan suatu cairan homogeny untuk meningkatkan heat transfer kecairan.

Secara diagram alirpada STR ini, air darisumber air masuk kea alat STR sebelumnya

terbagi menjadi dua aliran yaitu sebagai pendingin pada condenser tipe shower dan aliran

utama yang menuju jacket dikontakkan dengan steam pada suatu temuan atau penghubung

yang terbentuk. selanjutnya air panas yang telah terkontak dengan steam tadi akan menuju

jacket kembali dan terjadi sirkulasi secara terus-menerus hingga didapatkan set point yang

diinginkan. Kemudian dicatat temperature masuk dan keluar reactor serta temperature masuk

dan keluar jacket sebagai data yang digunakan untuk perhitungan koefisien film dinding

dalam. Dari perhitungan yang di dapatkan untuk waktu t = 2 menit, nilai hi nya yaitu

42,86sedangkanuntukwaktu 16 menitnilai hi = 0 karenatemperatur in dan out reactor adalah

sama yaitu 63oC.

10. Kesimpulan

Padapercobaan stirred tank reactor yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa :

Perpindahan panas terjadi yaitu secara konveksi dan konduksi.

Proses perpidahan panas STR terjadi secara unsteady state (tidak mantap) dan non

isothermal

Nilai hi untuk t = 2 menityaitu 42,86 sedangkanuntuk t = 16 (akhir) yaitu 0

11. DaftarPustaka

Holman, J.P. 1994. Perpindahan Kalor Edisi 6. Jakarta : Erlangga

http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/IMMOB/stirredt.htm diakses tanggal 9 Mei 2011

http://www.angelfire.com/ak5/process_control/stirred.htmldiaksestanggal 9 Mei 2011

http://www.scribd.com/doc/46208685/Stirred-Tank2diaksestanggal 9 Mei 2011

Kepala Seksi Laboratorium Pilot Plant. 2011. Penuntun Praktikum Pilot Plant. Politeknik Negeri Sriwijaya : Palembang

Gambar Alat

Stirred Tank Reactor

LAPORAN TETAP PILOT PLANTPERPINDAHAN PANAS TANGKI BERPENGADUK

(STIRED TANK REAKTOR)

DisusunOleh :

Kelompok 2 (6 KB)

Erika FijriaIntan Farrah DibaM. Pebri PratamaMiftahul Jannah

M. Sabdian HarwandaOcta Endang Sari

Ralang Puspa Pertiwi

Instruktur : IbnuHajar.,S.T.,M.T

POLITEKNIK NEGERI SRIWIJAYAJURUSAN TEKNIK KIMIA

2015