BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Proses Pengadukan dan Pencampuran. Proses pengadukan dan pencampuran material biasanya terjadi dibanyak proses kimia seperti di dalam proses pembuatan cat, dimana bahan ataupun material yang dicampur dapat berbentuk cairan dengan cairan atau bentuk cairan dengan bentuk padatan maupun berupa serbuk. Adapun proses pengadukan dan pencampuran biasanya dilakukan dalam suatu bejana yang di bagian dalamnya terdapat satu atau beberapa pengaduk Sehingga suatu proses pencampuran dapat terjadi oleh suatu aksi pengadukan yaitu fluida di dalam bejana diaduk dengan jalan diputar oleh suatu pengaduk yang terdiri dari beberapa buah bilah pengaduk.
Proses pengadukan di dalam suatu bejana dapat terlaksana dengan baik apabila faktor-faktor yang menentukan dari suatu proses pengadukan dipilih dengan benar. Sehingga ada banyak faktor yang menentukan suatu performa dari suatu pengaduk yang digunakan di dalam bejana, yaitu seperti banyaknya bilah yang digunakan/dipasang disuatu pengaduk, derajat kemiringan dari suatu bilah yang dipasang disuatu pengaduk, putaran pengaduk, jenis pengaduk yang digunakan, serta fluida yang diaduk, oleh karena itu untuk menjaga performa dari suatu pengaduk maka kita harus memilih suatu jenis pengaduk yang sesuai dengan fluida yang akan dilayani, karena jika kita salah menggunakan suatu jenis pengaduk maka hal ini mempengaruhi dari hasil pengadukan yang telah dilakukan, yaitu kemungkinan suatu proses pengadukan akan menjadi lebih lama maupun hasil dari proses pengadukan menjadi kurang baik, sehingga pada akhirnya akan berujung pada kurangnya efisien dari pengaduk itu sendiri. 2.2 Komponen-Komponen Mesin Pengaduk. Di dalam suatu mesin pengaduk maupun pencampur terdiri dari beberapa komponen yang digunakan, adapun komponen-komponen tersebut adalah : 2.2.1 Pengaduk. Pengaduk adalah suatu alat yang sangat berperan dalam suatu proses pengadukan suatu fluida, dimana pengaduk mempengaruhi dari kualitas hasil pengadukan, kecepatan waktu pengadukan maupun efisiensi dari pengadukan di dalam bejana. 1. Beberapa tipe dari pengaduk dan sifat khasnya.
Ada beberapa tipe pengaduk yang umum digunakan di dalam dunia industri memiliki beberapa ciri khas sebagai berikut : a. Propeller. Propeller memiliki beberapa ciri khas sebagai berikut : - Dapat digunakan dalam beberapa macam kecepatan putaran dari poros, tetapi hasil pengadukan sangat baik apabila digunakan pada kecepatan tinggi. - Dapat dimodifikasi pada waktu pemasangan bilah baik jumlah maupun sudut kemiringan bilah. - Memiliki efisiensi ekonomis dari sisi tenaga penggerak (motor listrik). - Untuk memperoleh performa yang maksimal dibutuhkan pemasangan yang tepat. - Kurang efisien untuk fluida yang memiliki kekentalan yang tinggi kecuali jika didesain khusus. - Biaya pertengahan (tidak rendah maupun tinggi). b. Turbin Terbuka. Turbin terbuka memiliki ciri khas sebagai berikut : - Proses pengadukan fluida secara langsung oleh gaya sentrifugal dari bilah-bilah turbin. - Hanya beroperasi pada beberapa variasi kecepatan yang tertentu, dan secara umum lebih efisien bila digunakan pada putaran yang rendah sehingga biasanya membutuhkan gigi reduksi yang lebih besar dari propeller. - Efektif jika digunakan untuk jenis fluida yang memiliki kekentalan tinggi. - Biaya rendah.
c. Turbin Tertutup. Turbin tertutup memiliki ciri khas sebagai berikut : - Fluida bersirkulasi di dalam bejana secara radial dengan menggunakan tenaga sentrifugal dan dapat bersirkulasi secara baik. - Hanya beroperasi pada beberapa variasi tingkat kecepatan yang tertentu (terbatas). - Kapasitas/debit aliran dari pengadukan pada umumnya rendah. - Efektif untuk penggunaan pada fluida yang memiliki kekentalan tinggi. - Biaya relatife tinggi. d. Paddle. Paddle memiliki ciri khas sebagai berikut : - Fluida yang diaduk bersirkulasi secara radial dan tidak dapat bersirkulasi secara aksial kecuali menggunakan baffle. - Dapat digunakan untuk fluida dalam jangkauan tingkatan kekentalan yang luas (kekentalan rendah sampai kekentalan tinggi). - Kapasitas/debit dari pengadukan tinggi apabila menggunakan banyak bilah-bilah pengaduk. - Tidak mudah rusak didalam penggunaan. - Biaya relatife rendah. 2. Beberapa tipe bentuk pengaduk yang banyak digunakan di dalam dunia industri. Ada beberapa tipe pengaduk yang sering digunakan dalam pencampuran, pada dasarnya pengaduk sering dikelompokkan kedalam jenis alirannya yaitu radial, aksial,
maupun campuran antara aksial dan radial. Tetapi secara umum ada beberapa tipe atau bentuk dari pengaduk yang banyak digunakan di dalam dunia industri diantaranya adalah : Gambar 2.1 Flat blade turbin Gambar 2.1. Flat blade turbin, jika direncanakan dengan seksama maka dapat melayani sebagian besar dari semua aplikasi pencampuran dan pengadukan fluida, karena kapasitas pencampurannya sangat besar. Gambar 2.2 Curved blade turbin Gambar 2.2. Curved blade turbin, tipe ini pada dasarnya sama dengan bilah bentuk flat, hanya saja tipe ini dibutuhkan jika diinginkan pengurangan dari kapasitas pengadukan dan jika faktor abrasi dijadikan pertimbangan serta adanya faktor-faktor lain yang menjadi pertimbangan.
Gambar 2.3 Gate paddle Gambar 2.3. Gate paddle, didesain untuk fluida yang memiliki kekentalan yang tinggi dan digunakan untuk putaran poros yang rendah, serta digunakan untuk bejana yang lebar tetapi dangkal. Gambar 2.4 Marine propeller Gambar 2.4. Marine propeller, didesain dengan sangat teliti dalam perhitungan ketebalannya serta penggunaan material yang tahan terhadap korosi dan abrasi, serta dikerjakan dengan suatu proses penyeimbangan (balancing) dan proses penghalusan yang baik sehingga dapat menghasilkan kerja berupa daya dorong yang besar. Gambar 2.5 Lifter turbin
Gambar 2.5. Lifter turbin, sangat efisien jika digunakan pada volume yang besar dan memiliki tinggi tekan (head) statis yang kurang dari 36, serta biasanya dipasang didasar dari suatu bejana. Gambar 2.6 Specially curved blade turbin Gambar 2.6 Specially curved blade turbin, didesain secara khusus untuk suatu proses pengadukan suatu material yang memiliki serat seperti bubur kertas dan jika digunakan dalam lumpur pengeboran minyak impeller ini memberikan pembalikan aliran balik yang cepat dan menyeluruh sehingga tanpa pemberian baffle di dalam bejana. Gambar 2.7 Radial propeller agitator
Gambar 2.7. Radial propeller agitator, bekerja sebagai turbin pengaduk atau sebagai propeller biasa, jangkauan kerja dari radial propeller sangat luas. Gambar 2. Flat blade pitched paddle Gambar 2.. Flat blade pitched paddle, biasa disebut sebagai paddle saja, desain dari paddle sangat sederhana dan biaya yang murah tetapi dapat menangani banyak aplikasi dari pekerjaan pencampuran dan pengadukan. Biasanya diaplikasikan pada putaran poros yang rendah tetapi menghasilkan kapasitas pemompaan yang besar dan efek turbulensi yang kecil. 2.2.2 Poros (Shaft). Poros merupakan salah satu bagian yang terpenting dalam setiap mesin, hampir semua mesin meneruskan daya bersama-sama dengan putaran, peranan utama dalam transmisi seperti itu dipegang oleh poros. Di dalam proses pengadukan poros merupakan bagian yang sangat penting karena poros berfungsi meneruskan daya dari
motor kepada pengaduk sehingga dapat menghasilkan suatu proses pengadukan di dalam suatu bejana. A. Macam-Macam Poros. Poros untuk meneruskan daya diklasifikasikan menurut pembebananya sebagai berikut : 1. Poros Transmisi. Poros semacam ini mendapatkan beban puntir murni atau puntir dan lentur. Daya ditransmisikan kepada poros ini melalui kopling, roda gigi, puli sabuk atau sproket rantai. 2. Spindel. Adalah poros transmisi yang relatif pendek, seperti poros utama mesin perkakas, dimana beban utamanya berupa beban puntir. Syarat yang harus dipenuhi oleh poros ini adalah deformasinya harus kecil dan bentuk serta ukurannya harus teliti. 3. Gandar. Poros yang seperti dipasang di antara roda-roda kereta barang dimana tidak mendapatkan beban puntir, bahkan kadang-kadang tidak boleh berputar, sehingga biasanya mendapatkan beban lentur saja, kecuali jika digerakkan oleh penggerak mula dimana akan mendapatkan beban puntir juga. B. Hal-hal Penting Dalam Perencanaan Poros. Untuk merencanakan sebuah poros yang sesuai dengan penggunaan ada beberapa hal yang harus diperhatikan. 1. Kekuatan poros.
Suatu poros dapat mengalami berbagai macam beban yang bekerja padanya, misalnya mendapatkan beban puntir ataupun beban lentur ataupun gabungan antara beban puntir dan beban lentur, ataupun mendapatkan beban tarik atau tekan. Kelelahan, tumbukan atau pengaruh konsentrasi tegangan bila diameter poros diperkecil (poros bertangga) atau bila poros mempunyai alur pasak, sehingga kekuatan poros harus direncanakan hingga cukup kuat untuk menahan beban puntir dan beban lentur. 2.Kekakuan Poros. Apabila poros memiliki kekuatan yang cukup tetapi jika poros tersebut lentur atau defleksi puntinya terlalu besar akan mengakibatkan kerja yang tidak maksimal seta getaran dan suara yang keras. Oleh karena itu disamping kekuatan poros kekakuannya juga harus diperhatikan dan disesuaikan dengan macam-macam beban yang akan bekerja pada poros tersebut. 3. Putaran kritis. Bila putaran suatu poros tinggi maka pada harga putaran tertentu dapt terjadi getaran yang luar biasa, putaran ini disebut puteran kritis dan hal ini dapat terjadi dalam poros sebuah pengaduk. Sehingga poros harus direncanakan sedemikian rupa sehingga putaran kerjanya lebih rendah dari putaran kritisnya. 4. Korosi. Bahan-bahan yang tahan terhadap korosi harus dipilih untuk poros propeller dan pompa bila terjadi kontak dengan fluida yang korosif. Demikian pula dengan poros yang terancam kavitasi, dan poros-poros mesin yang sering berhenti lama. Sampai batas-batas tertentu dapat pula dilakukan perlindungan terhadap korosi. 5. Bahan Poros.
Material yang tahan terhadap korosi harus dipilih untuk poros suatu pengaduk terutama bila terkena fluida yang korosif, selain dari bahan yang tahan terhadap korosi poros biasanya juga mengalami proses pengerjaan tertentu seperti di hardening, tempering, ditarik dingin dan sebagainya dengan tujuan untuk mendapatkan sifat-sifat yang sesuai dengan kebutuhan yang diperlukan. Poros untuk mesin umum biasanya dibuat dari baja batang yang ditarik dingin dan difinis, baja karbon konstruksi mesin (disebut bahan S-C) yang dihasilkan dari baja yang dideoksidasikan dengan ferrosilikon dan dicor, dimana kadar karbon terjamin. Poros-poros yang dipakai untuk meneruskan putaran tinggi dan beban berat umumnya dibuat dari baja paduan dengan pengerasan kulit yang sangat tahan terhadap keausan. Beberapa diantaranya adalah baja krom nikel, baja krom nikel molibdem, baja krom, baja krom molibdem, dan lain-lain. Pada umumnya baja diklasifikasikan atas baja lunak, baja liat, baja agak keras, dan baja keras. Diantaranya, baja liat dan baja agak keras banyak dipilih untuk poros, yang mana kandungan karbonnya adalah seperti tertera dalam Tabel 2.1 di bawah. Baja lunak yang banyak terdapat di pasaran umumnya agak kurang homogen di tengah, sehingga tidak ianjurkan untuk dipergunakan sebagai poros penting. Baja macam ini jika diberi perlakuan panas secara tepat dapat menjadi bahan poros yang sangat baik. Berikut adalah tabel penggolongan baja secara umum. Tabel 2.1 Penggolongan baja secara umum... ( Elemen Mesin, Sularso, 1997)
Golongan Kadar C (%) Baja lunak - 0,15 % Baja liat 0,2-0,3 % Baja agak keras 0,3-0,5 % Baja keras 0,5-0, % Baja sangat keras 0, - 0,12 % Poros-poros yang dipakai untuk meneruskan putaran tinggi dan beban berat pada umumnya dibuat dari baja paduan dengan pengerasan kulit yang sangat tahan terhadap keausan. Beberapa diantaranya adalah baja krom nikel, baja krom nikel molibden, baja krom, baja krom molibdem, dan lain-lain. Sekalipun demikian penggunaan baja paduan khusus tidak selalu dianjurkan jika alasannya hanya karena putaran tinggi dan beben berat, dalam hal ini diperlukan pertimbangan penggunaan baja karbon yang diberi perlakuan panas secara tepat untuk memeperoleh kekuatan yang diperlukan. Tabel-tabel berikut merupakan beberapa jenis baja yang dapat digunakan didalam suatu perencanaan poros maupun gandar. Tabel 2.2 Baja karbon untuk konstruksi mesin dan baja batang yang difinis dingin untuk poros... (Elemen Mesin, Sularso, 1997)
Perlakuan Kekuatan Tarik Standar dan Macam Lambang Keterangan Panas (N/m²) S 30 C Penormalan 4,7 x 10 S 35 C Penormalan 5,1 x 10 Baja karbon S 40 C Penormalan 5,4 x 10 konstruksi mesin S 45 C Penormalan 5,7 x 10 ( JIS G 4501 ) S 50 C Penormalan 6,1 x 10 S 55 C Penormalan 6,5 x 10 S 35 C - D - 5,2 x 10 Ditarik dingin, Batang baja yang S 45 C - D - 5,9 x 10 digerinda, dibubut, difinis dingin S 55 C - D - 7,1 x 10 atau gabungan antara hal-hal tersebut Tabel 2.3 Baja paduan untuk poros... (Elemen Mesin, Sularso, 1997)
Standar dan Macam Lambang Perlakuan Panas Kekuatan Tarik (N/m²) SNC 2 -,31 x 10 SNC 3-9,31 x 10 Baja krom nikel SNC 21 Pengerasan Kulit 7,4 x 10 ( JIS G 4102 ) SNC 22 Pengerasan Kulit 9,1 x 10 SNCM 1 -,31 x 10 SNCM 2-9,31 x 10 Baja krom nikel molibden SNCM 7-9,1 x 10 ( G4103 ) SNCM - 9 1,03 x 10 SNCM 22 Pengerasan Kulit,3 x 10 SNCM 23 Pengerasan Kulit 9,1 x 10 SNCM 25 Pengerasan Kulit 1,1 x 10 9 SCr 3 -,3 x 10 Baja krom SCr 4-9,31 x 10 ( JIS G 4104 ) SCr 5-9,1 x 10 SCr 21 Pengerasan Kulit 7,5 x 10 SCr 22 Pengerasan Kulit,31 x 10 SCM 2 -,3 x 10 SCM 3-9,31 x 10 SCM 4-9,1 x 10 Baja krom molibden SCM 5-1,03 x 10 ( JIS G 4105 ) SCM 21 Pengerasan Kulit,31 x 10 SCM 22 Pengerasan Kulit 9,31 x 10 SCM 23 Pengerasan Kulit 9,1 x 10 9 Tabel 2.4 Standar baja... (Elemen Mesin, Sularso, 1997)
Nama Standar Jepang Standar Amerika ( AISI ), Inggris (BS ) ( JIS ) dan standar Jerman ( DIN ) S 25 C AISI 1025, BS060A25 S 30 C AISI 1030, BS060A30 Baja karbon S 35 C AISI 1035, BS060A35, DIN C 35 konstruksi S 40 C AISI 1040, BS060A40 mesin S 45 C AISI 1045, BS060A45, DIN C 45, CK 45 S 50 C AISI 1050, BS060A50, DIN St 50.11 S 55 C AISI 1055, BS060A55 Baja Tempa SF 40, 45, 50, 55 ASTM A105-73 Baja nikel krom SNC BS 653M31 SNC 22 BS En36 SNCM 1 AISI 4337 SNCM 2 BS30M31 Baja nikel krom SNCM 7 AISI 645, BS En100D molibden SNCM AISI 4340, BS17M40, 16M40 SNCM 22 AISI 4315 SNCM 23 AISI 4320, BS En325 SNCM 25 BS En39B SCr 3 AISI 4337, BS530A36 SCr 4 AISI 5140, BS530A40 Baja krom SCr 5 AISI 5145 SCr 21 AISI 5115 SCr 22 AISI 5120 SCM 2 AISI 4130, DIN 34CrMo4 Baja krom SCM 3 AISI 4135, BS70A37, DIN34CrMo4 molibden SCM 4 AISI 4135, BS70A40, DIN42CrMo4 SCM 5 AISI 4135, DIN50CrMo4 2.3. Teori Dasar Fluida. Sebagai dasar pengetahuan mengenai suatu proses pengadukan dan pencampuran sebaiknya perlu juga diketahui tentang sifat-sifat maupun rumus dasar
tentang fluida, hal ini dikarenakan proses pengadukan atau pencampuran biasanya melibatkan suatu fluida sebagai material yang diaduk atau dicampur. 2.3.1 Definisi Fluida. Fluida adalah suatu zat yang berubah bentuk secara kontinyu bila terkena tegangan geser, betapapun kecilnya tegangan geser tersebut. Gaya geser adalah komponen gaya yang menyinggung suatu permukaan fluida dan apabila gaya ini dibagi dengan luas permukaan tersebut adalah merupakan tegangan geser rata-rata pada permukaan tersebut. Dimana persamaan gaya geser adalah : AU F...(2.3.1.1 Mekanika Fluida, Victor dan Benjamin, 195) t Dimana : F = gaya geser fluida [N] µ = viskositas fluida [Ns/m 2 ] A = luas permukaan fluida [m 2 ] U/t = du/dy = kecepatan sudut [rad/s] Secara umum fluida dibedakan menjadi fluida Newton dan fluida bukan Newton. Dalam fluida Newton terdapat hubungan linier antara besarnya tegangan geser yang diterapkan dan laju perubahan bentuk yang diakibatkan oleh viskositas (µ). Dan di dalam fluida bukan Newton terdapat hubungan taklinier antara besarnya tegangan geser yang diterapkan dan laju perubahan bentuk sudut. 2.3.2 Sifat-sifat Fluida. Di dalam fuida terdapat berbagai macam sifat-sifat yang sangat penting dan harus diketahui apabila kita ingin merancang maupun menganalisa suatu peralatan
maupun mesin yang bekerja untuk melayani suatu fluida, beberapa sifat dari fluida yang penting adalah : a. Viskositas Fluida. Viskositas atau kekentalam adalah sifat fluida yang mendasari diberikannya tahanan terhadap tegangan geser oleh fluida tersebut. Hukum viskositas Newton menyatakan bahwa untuk laju perubahan bentuk sudut fluida yang tertentu maka tegangan geser berbanding lurus dengan viskositas. du dy...(2.3.2.1 Mekanika Fluida, Victor dan Benjamin, 195) Dimana sifat viskositas gas meningkat dengan meningkatnya suhu, tetapi viskositas cairan berkurang dengan naiknya suhu. Perbedaan dan kecenderungan terhadap suhu tersebut dapat diterangkan dengan menyimak penyebab-penyebab viskositas, yaitu bahwa tegangan geser tergantung pada kohesinya dan laju perpindahan momentum molekularnya. Dimana cairan memiliki molekul-molekul yang jauh lebih rapat dibandingkan gas dan memiliki gaya-gaya kohesi yang jauh lebih lebih besar daripada gas, dan kohesi merupakan penyebab utama viskositas dalam cairan dan karena kohesi berkurang dengan naiknya suhu maka dengan demikianlah viskositas juga akan berkurang. Sebaliknya gas mempunyai gaya-gaya kohesi yang sangat kecil dan sebagian besar dari tahanannya terhadap tegangan geser merupakan akibat perpindahan momentum molekularnya, dan kegiatan molekular dalam gas menimbulkan tegangan geser semu dalam gas serta yang lebih penting dari gaya-gaya
kohesi adalah kegiatan molekular dalam gas meningkat dengan meningkatnya suhu maka viskositas gas juga akan meningkat dengan meningkatnya suhu. Di dalam fluida viskositas dibagi menjadi viskositas mutlak atau viskositas dinamik (µ), yang ditentukan dari viskositas Newton yaitu : du / Dimana : dy...(2.3.2.2 Mekanika Fluida, Victor dan Benjamin, 195) du / dy = viskositas mutlak/dinamik [Ns/m 2 ] = tegangan geser [N/m 2 ] = kecepatan sudut [rad/s] Dan viskositas kinematik ( ),merupakan viskositas praktis yang tidak bergantung pada tekanan dan bergantung hanya pada suhu, dimana viskositas kinematik memiliki rumus :...(2.3.2.3 Mekanika Fluida, Victor dan Benjamin, 195) Dimana : = viskositas kinematik [m 2 /s] = viskositas mutlak/dinamik [N.s/m 2 ] = kerapatan massa [kg/m 3 ] b. Kerapatan Masa. Kerapatan masa (mass density) suatu fluida didefinisikan sebagai massa persatuan volume, dan kerapatan merupakan kebalikan dari volume jenis, yakni volume yang ditempati oleh massa satuan fluida.
m...(2.3.2.4 Mekanika Fluida, Victor dan Benjamin, 195) V Dimana : = kerapatan massa [kg/m 3 ] m = masa fluida [kg] V = volume benda [m 3 ] c. Berat Jenis. Berat jenis (density) suatu fluida adalah berat per volume satuan atau merupekan rapat masa dikalikan dengan gravitasi, dimana berat jenis berubah bersama perubahan tempat serta bergantung pada gravitasi. g...(2.3.2.5 Mekanika Fluida, Victor dan Benjamin, 195) Dimana : = berat jenis [N/m 3 ] = kerapatan massa [kg/m 3 ] g = gravitasi [m/s 2 ] d. Gravitasi Jenis. Gravitasi jenis (spesific gravity) adalah perbandingan berat suatu zat terhadap berat air pada kondisi normal dengan volume yang sama. Gravitasi jenis dapat pula dinyatakan sebagai perbandingan antara kerapatan atau berat jenis terhadap kerapatan
atau berta jenis, atau perbandingan kerapatan suatu zat terhadap sesuatu zat yang bakudan zat yang baku ini adalah air pada suhu 4 0 C untuk cairan dan udara untuk gas. S...(2.3.2.6 Theory and Problems of Physics, Frederick J. B, 195) baku e. Bilangan Reynolds. Bilangan Reynolds (Reynolds Number) adalah suatu bilangan tanpa dimensi yang berlaku pada zat alir dengan viskositas (µ) dan kerapatan ( ) yang mengalir dengan laju v melalui suatu pipa atau melalui suatu rintangan dengan diameter (D), dimana bilangan Reynolds adalah : vd N Re...(2.3.2.7 Theory and Problems of Physics, Frederick J. B, 195) Yaitu bilangan Reynolds secara umum untuk aliran pada suatu pipa atau rintangan sedangkan bilangan Reynolds untuk putaran atau proses pengadukan di dalam bejana adalah : N Re = d 2 N...(2.3.2. Theory and Problems of Physics, Frederick J. B, 195) Dimana : N Re = bilangan Reynolds. µ = viskositas [Ns/m 2 ]. = rapat masa [kg/m 3 ]. d = diameterpengaduk [m]
D N v = diameter pipa [m] = rotasi / putaran fluida [rpm]. = laju fluida [m/s]