Dinamika Komposisi pada Sistem Tangki Pencampur 10 Liter

Transkripsi

1 Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia Kejuangan Yogyakarta, 6 Maret ISSN Dinamika Komposisi pada Sistem Tangki Penampur Liter Yulius Deddy Hermawan *, Gogot Haryono, Marya Agustin, dan Hayanti Abiad Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, UPN Veteran Yogyakarta Jl. SWK 4 (Lingkar Utara), Condong Catur, Yogyakarta 558 * ydhermawan@upnyk.a.id Abstrat The liquid onentration dynami behavior o a L mixing tank has been studied experimentally. Tank with volume o liter are designed and arranged or experimentation in laboratory. The tank has two input streams, stream- is the water-stream with its volumetri rate o [m /se] and stream- is salt solution with its volumetri rate o [m /se] and salt omposition o [gr/m ]. Sine the tank is designed overlow, the liquid volume in tank is always onstant. In this work, the mass disturbane load has been made based on step inrease and derease. Those disturbane inlude the hanges o the low-rate input ( and ) and the onentration o the input stream ( ). The dynami behavior o mixing tank system has also been explored. As an be seen rom our investigation in laboratory,the mixing tank with volume apaity o liter produes a stable respone. Furhtermore, the open loop dynami simulation using omputer programing is also done, and its simulation result are ompared with the experiment data rom laboratory. The developed mathematial model o the mixing tank system has been solved analytially by laplae transorm. The trends o simulation results are quite similar with those in our experiment results. Keywords: Mixing-Tank, step untion, dynami behavior, and stable response. Pendahuluan Komposisi airan di dalam sistem tangki penampur adalah salah satu parameter penting dalam proses penampuran atau proses reaksi kimia dalam sebuah tangki penampur atau reaktor. Perambatan gangguan massa sangat mungkin terjadi pada proses penampuran. Sistem tangki penampur sering dijumpai dalam industri/pabrik, namun kajian dinamikanya jarang dijumpai. Oleh karena itu, penelitian ini dilaksanakan untuk mempelajari dinamika komposisi pada tangki penampur. Sehingga dengan mengenali kelakuan dinamis komposisi di dalam tangki, gangguan yang mungkin timbul dapat segera ditanggulangi. Beberapa penelitian tentang dinamika komposisi telah dilakukan. Widayati, T.W. dan Hermawan, Y.D., (7) telah mempelajari karakteristik penampuran pada Tangki Horizontal Berpengaduk. Penelitian tentang pengaruh Dead Time terhadap Dinamika Konsentrasi pada Tangki Penampur juga telah dilakukan (Rizal, F.S., dan Anisah S., 7). Pada tahun, Arum Retno A. dan Adini C melakukan penelitian tentang pengaruh Dead Time terhadap dinamika konsentrasi aproksimasi Orde Satu. Dalam penelitian ini, sistem tangki penampur liter diranang di laboratorium. Untuk mempelajari kelakuan dinamik pada sistem tangki penampur, gangguan laju aliran dan konsentrasi dari arus input dibuat berdasarkan ungsi tahap (step untion), karena pembuatan gangguan ini mudah dilakukan di laboratorium. Respon dinamis berdasarkan perubahan input diamati sampai diperoleh kondisi tunak ( steady state) yang baru. Model matematika sistem tangki penampur liter dibangun dan diselesaikan seara analitis menggunakan transormasi lapae. Gain proses ( K) dan konstata waktu proses ( ) dihitung berdasarkan hasil perobaan open loop di laboratorium. Penelitian ini diharapkan bermanaat untuk mendukung peranangan pengendalian komposisi pada sistem tangki penampur., Air h (konstan), Larutan garam, Gambar. Sistem Tangki Penampur Larutan garam (ener) Landasan Teori Gambar menunjukkan sistem tangki penampur untuk proses pengeneran larutan garam. Sistem ini terdiri dari arus input dan satu arus output. Arus- C5-

2 Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia Kejuangan Yogyakarta, 6 Maret ISSN adalah luida air dengan laju alir volumetrik m /detik, dan arus- adalah luida larutan garam dengan konsentrasi gr/m dan laju m /detik. Pengadukan diterapkan di dalam tangki untuk memperepat terapainya keseragaman konsentrasi garam di dalam tangki. Sistem tangki diranang overlow agar volume airan di dalam tangki selalu konstan. Neraa massa sistem tangki pada Gambar dijelaskan sebagai berikut: Neraa massa komponen dengan variasi komposisi arus input (laju alir arus input konstan) dc t Ct Ct C t dt... () Dimana: C t t... () C t t t t... () C... (4) Persamaan () (4) adalah komposisi arus input dan output dalam term deviasi. V... (5) (6) (7) Transormasi laplae dari persamaan () adalah: C ( s) Cs C s... (8) ( s ) ( s ) Jika C berubah sesuai dengan ungsi tahap: C ( s), sedangkan konstan, maka diperoleh s respon C (t) terhadap perubahan input C (t) sebagai berikut: C ( t) exp( t / ).. (9) atau t) exp( t / ).. () ( Neraa massa komponen dengan variasi laju alir arus input (komposisi arus input konstan) dc ( t) C( t) F ( t) 4F ( ) dt... () Dimana: F t ( t.. () t ( t ) F ).. () Persamaan ( dan () adalah laju alir input dalam term deviasi ( )... (4) ( ) 4... (5) Transormasi laplae dari persamaan () adalah: 4 C ( s) F ( s) F ( s)... (6) ( s ) ( s ) Jika F berubah sesuai dengan ungsi tahap: F ( s), sedangkan konstan, maka diperoleh s respon C (t) terhadap perubahan input F (t) sebagai berikut: C( t) exp( t / ).. (7) atau ( t) exp( t / )... (8) Jika F berubah sesuai dengan ungsi tahap: F ( s), sedangkan konstan, maka diperoleh s respon C (t) terhadap perubahan input F (t) sebagai berikut: C( t) 4 exp( t / ).. (9) atau t) exp( t / )... () ( 4 Metodologi Penelitian Diagram penelitian yang menjelaskan tahapan kegiatan penelitian disajikan pada Gambar. Skema peralatan penelitian ditunjukkan pada Gambar. Bahan Perobaan Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah air dan larutan garam. Air diambil dari Laboratorium Program Studi Teknik Kimia, UPN Veteran Yogyakarta. PERCOBAAN PENDAHULUAN PERCOBAAN OPEN LOOP MULAI Parameter tunak,,, h,,,, K, K, K, Dinamika Komposisi (t) vs (t) (t) vs (t) (t) vs (t) SELESAI Gangguan step,, Input Gambar. Diagram alir perobaan C5-

3 Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia Kejuangan Yogyakarta, 6 Maret ISSN b (t) Sumber 8 9a 8b 8a 6a 5a 5b 6b (t) 5 6 pembuangan Keterangan: : Tangki penampur L 4 :Tangki umpan gangguan 7 : Three Way Valve : Tangki umpan arus- 5 : Tangki penampung 8 : Valve : Tangki umpan arus- 6 : Pompa transer 9 : Pengaduk Gambar. Rangkaian alat perobaan Cara kerja Perobaan ini dilaksanakan melalui tahapan sebagai berikut : () Perobaan pendahuluan, untuk menentukan parameter-parameter kondisi tunak, yaitu:,,,,,, dan h. Pada perobaan pendahuluan, arus- adalah air yang berasal dari tangki umpan arus- (No. ), dan arus- adalah larutan garam dari tangki umpan arus- (No. ). () Perobaan open loop dinamika komposisi: Gangguan konsentrasi input ( ) Konsentrasi larutan garam yang lebih pekat atau lebih ener dari pada kondisi awal dibuat terlebih dahulu dan disimpan dalam tangki umpan gangguan ( No. 4). Konsentrasi arus- diubah seara tiba-tiba dengan memutar gate pada Three Way Valve (No. 7) sehingga arus- berasal dari tangki umpan gangguan (No. 4). Gangguan laju alir arus input dan Gangguan laju alir arus- dibuat dengan ara memperbesar atau memperkeil pembukaan valve arus- (No. 8a) seara tiba-tiba. Sedangkan gangguan laju alir arus- menggunakan valve arus- (No. 8b). Respon konsentrasi garam dalam tangki penampur ( ) terhadap perubahan,, dan diamati selama waktu tertentu. Hasil dan Pembahasan Perobaan pendahuluan menghasilkan parameterparameter kondisi tunak seperti ditunjukkan pada Tabel. Berdasarkan hasil perobaan, konstanta waktu proses ( proess time onstant) dapat dihitung menggunakan persamaan (5), yaitu 7, detik. Hal ini berarti bahwa proses ukup sensiti terhadap perubahan input. Tabel. Parameter-Parameter Steady Sistem No Parameter Steady Nilai Laju alir luida arus-, [m /det] 6 Laju alir luida arus-, [m /det] 7 Laju alir luida arus-, [m /det] 77 4 Level luida di tangki, [m] konsentrasi garam pada arus-, [g/m ] konsentrasi garam pada arus-, [g/m ] konsentrasi garam pada tangki penampur, [g/m ] Volume larutan garam di dalam tangki penampur, V [m ],5,4 66 C5-

4 Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia Kejuangan Yogyakarta, 6 Maret ISSN (t) (t) step derease step inrease twaktu (detik) (a) perubahan step inrease dan step derease konsentrasi garam arus- ( ) data (step derease ) data (step inrease ) Perhitungan (step derease ) Perhitungan (step inrease ) Waktu (detik) (b) perilaku dinamik konsentrasi garam di tangki penampur ( ) Gambar 4. Pengaruh perubahan konsentrasi arus- ( ) dengan ungsi step inrease dan step derease terhadap konsentrasi larutan garam di tangki penampur ( ). Step Inrease dengan beban =,5 g/m Variabel dinaikkan menurut ungsi tahap ( step inrease) dari,5 g/m menjadi, g/m (Gambar 4.a). Dengan naiknya konsentrasi garam pada arus- ( ), konsentrasi garam di tangki penampur ( ) juga naik. Seperti terlihat pada Gambar 4.b, respon konsentrasi adalah stabil dan konstan pada,4 g/m dengan waktu sekitar detik. Berdasarkan data parameter steady, diperoleh gain proses K =,4; nilai ini dihitung dengan persamaan (7). Jika nilai K =,4, = 7, detik, dan =,5 g/m disubstitusikan ke dalam persamaan (), maka diperoleh respon hasil perhitungan yang stabil dan dekat dengan data perobaan (Gambar 4.b). Step Derease dengan beban =,45 g/m Variabel diturunkan menurut ungsi tahap ( step derease) dari,5 g/m menjadi,5 g/m (Gambar 4.a). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.b, konsentrasi garam di tangki penampur ( ) turun seiring dengan turunnya konsentrasi garam pada arus- ( ). Konsentrasi menapai nilai tunak baru pada, g/m dengan waktu sekitar detik. Respon step derease hasil perhitungan mendekati data perobaan (Gambar 4.b). (t) (t) step derease step inrease Waktu (detik) (a) perubahan step inrease dan step derease laju alir arus- ( ) data (step derease ) data (step inrease ) Perhitungan (step derease ) Perhitungan (step inrease ) Waktu (detik) (b) perilaku dinamik konsentrasi garam di tangki penampur ( ) Gambar 5. Pengaruh perubahan laju alir arus- ( ) dengan ungsi step inrease dan step derease terhadap konsentrasi larutan garam di tangki penampur ( ). Step Inrease dengan beban = 6 m /detik Variabel dinaikkan menurut ungsi tahap ( step inrease) dari 6 m /detk menjadi m /detk (Gambar 5.a). Ketika laju alir luida air (arus -) dinaikkan, konsentrasi garam di tangki ( ) akan turun. Hal ini berarti pula terjadi proses pengeneran di dalam tangki. Konsentrasi akhirnya konstan pada,87 g/m dengan waktu sekitar detik (Gambar 5.b). Respon terhadap perubahan dapat diperkirakan menggunakan persamaan (8) dengan gain K =,x -4, dan hasil perhitungannya dekat dengan data perobaan. Step Derease dengan beban = 76 m /detik Variabel diturunkan menurut ungsi tahap ( step derease) dari 6 m /detk menjadi m /detk (Gambar 5.a). Dalam kasus ini, laju alir luida air (arus-) dikurangi maka konsentrasi garam di tangki ( ) akan naik. Hal ini berarti pula terjadi proses pemekatan di dalam tangki. Konsentrasi akhirnya konstan pada, g/m dengan waktu sekitar detik. Seperti yang ditunjukkan Gambar 5.b, respon step derease hasil perhitungan persamaan (8) adalah monoton stabil dan dekat dengan data perobaan. C5-4

5 Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia Kejuangan Yogyakarta, 6 Maret ISSN (a) perubahan step inrease dan step derease laju alir arus- ( ) Kesimpulan Dinamika komposisi pada sistem tangki penampur liter telah dipelajari melalui perobaan di laboratorium dan simulasi dengan pemrograman komputer. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa, sistem tangki penampur memberikan respon yang stabil terhadap perubahan gangguan laju alir input dan komposisi input. Persamaan matematika untuk sistem tangki penampur liter adalah berorder satu dan telah diselesaikan seara analitis menggunakan transormasi laplae. Penelitian ini juga mengungkapkan bahwa respon komposisi hasil simulasi model matematika dan hasil pengamatan perobaan laboratorium menunjukkan perilaku (trend) yang sama. Datar Notasi (b) perilaku dinamik konsentrasi garam di tangki penampur ( ) Gambar 6. Pengaruh perubahan laju alir arus- ( ) dengan ungsi step inrease dan step derease terhadap konsentrasi larutan garam di tangki penampur ( ). Step Inrease dengan beban = 7 m /detik Variabel dinaikkan menurut ungsi tahap ( step inrease) dari 7 m /detk menjadi 4 m /detk (Gambar 6.a). Ketika laju alir luida garam (arus -) dinaikkan, konsentrasi garam di tangki ( ) akan naik. Hal ini berarti terjadi proses penambahan konsentrasi garam di dalam tangki. Konsentrasi akhirnya konstan pada, g/m dengan waktu sekitar 4 detik (Gambar 6.b). Respon terhadap perubahan dapat diperkirakan menggunakan persamaan ( ) dengan gain K 4 =,6x -4, dan hasil perhitungannya dekat dengan data perobaan (Gambar 6.b). Step Derease dengan beban = 56 m /detik Variabel diturunkan menurut ungsi tahap ( step derease) dari 7 m /detk menjadi 5 m /detik (Gambar 6.b). Ketika laju alir luida garam (arus -) diturunkan, konsentrasi garam di tangki ( ) akan turun. Hal ini berarti terjadi proses pengurangan konsentrasi di dalam tangki. Konsentrasi akhirnya konstan pada, g/m dengan waktu sekitar 6 detik (Gambar 6.b). Respon terhadap perubahan dapat diperkirakan menggunakan persamaan () dengan gain K 4 =,6x -4, dan hasil perhitungannya dekat dengan data perobaan. t = konsentrasi garam dalam arus- pada waktu t, [g/m ] = konsentrasi garam dalam arus- pada kondisi tunak, [g/m ] t = konsentrasi garam dalam arus- pada waktu t, [g/m ] = konsentrasi garam dalam arus- pada kondisi tunak, [g/m ] t = konsentrasi garam dalam arus- pada waktu t, [g/m ] = konsentrasi garam dalam arus- pada kondisi tunak, [g/m ] t = laju alir volumetrik air, arus- input ke Tangki Penampur, [m /detik]. = laju alir volumetrik air, arus- input ke Tangki Penampur, pada kondisi tunak, [m /detik]. t = laju alir volumetrik larutan garam, arus- input ke Tangki Penampur, [m /detik]. = laju alir volumetrik larutan garam, arus- input ke Tangki Penampur, pada kondisi tunak, [m /detik]. t = laju alir volumetrik arus-, output dari Tangki Penampur, [m /detik]. = laju alir volumetrik arus-, output dari Tangki Penampur, pada kondisi tunak, [m /detik]. h = ketinggian airan di Tangki Penampur, [m] K = gain proses t = waktu [detik] V = volume airan di Tangki Penampur, [m ] = konstanta waktu proses, [detik] C5-5

6 Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia Kejuangan Yogyakarta, 6 Maret ISSN Datar Pustaka Retno A, Arum, dan Adini C.,, Pengaruh Dead Time Terhadap Kelakuan Dinamika Konsentrasi Aproksimasi pada Orde Satu, Laporan Penelitian S, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, UPN Veteran Yogyakarta. Seborg., D.E., Edgar, T.F., and Melihamp, D.A., 998, Proess Dynamis and Control, nd ed., John Wiley & Sons, New York. Smith, C.A., Corripio, A.B., 997, Priniples and Pratie o Automati Proess Control, nd ed., John Wiley & Sons, New York. Syaiul Rizal, Fikri, dan Anisah, Siti, 7, Pengaruh Dead Time terhadap Dinamika Konsentrasi pada Tangki Penampur (TTB), Laporan Penelitian S, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, UPN Veteran Yogyakarta. Widayati, T.W., dan Hermawan, Y.D., 7, Karakteristik Penampuran Pada Tangki Horizontal Berpengaduk, Seminar Nasional Teknik Kimia Kejuangan 7, Jurusan Teknik Kimia, FTI, UPN Veteran Yogyakarta C5-6