LAPORAN PRAKTIKUM TEKNIK KIMIA IV DINAMIKA PROSES PADA SISTEM PENGOSONGAN TANGKI Disusun Oleh : Zeffa Aprilasani NIM : 2008430039 Fakultas Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Jakarta 2011
PENGOSONGAN TANGKI I. MAKSUD DAN TUJUAN 1. Mempelajari dinamika proses keadaan tunak dan keadaan tidak tunak sehingga dapat mengenali dan mendefinisikan keadaan tunak dan tidak tunak pada sistem fisika sederhana. 2. Mengetahui pengaruh aliran fluida terhadap waktu pengosongan tangki. II. TEORI PERCOBAAN Efflux time adalah waktu penurunan cairan dari permukaan tangki sampai ke dasar tangki melalui pipa vertikal karena gaya beratnya sendiri. Waktu penurunan cairan ini bisa diperkirakan dengan rumus pendekatan yang kemudian dikenakan faktor koreksi untuk mendapatkan waktu penurunan cairan yang mendekati sebenarnya. Sebagian besar industri kimia selalu melibatkan tangki-tangki sebagai penampung cairan atau gas. Untuk mengalirkan cairan dari penampung ini dapat dipakai pompa atau dengan memanfaatkan gaya beratnya sendiri karena beda elevasi. Untuk tangki penampung bahan cair biasanya ditempatkan pada ketinggian tertentu, sehingga untuk mengalirkan cairan cukup digunakan gaya beratnya sendiri. Proses dalam industri kebanyakan berlangsung secara kontinyu, sehingga tinggi cairan dalam penampung setiap saat dapat diketahui dengan menghitung waktu penurunan cairan. Jadi pengetahuan efflux time ini sangat diperlukan dalam industri-industri kimia, terutama yang dalam prosesnya melibatkan cairan. Bila suatu cairan dengan kecepatan sama masuk kedalam sebuah pipa, maka pada dinding pipa akan terbentuk lapisan batas. Fluida mengalir dari ruang besar masuk ke dalam pipa kecil pada entrance akan terjadi friksi antara fluida yang mengalir dengan dinding pipa. Faktor gesekan harus diperhatikan benar sebab faktor ini akan mempengaruhui waktu yang diperlukan oleh zat cair untuk melewati pipa. Friksi yang disebabkan oleh bentuk pipa biasanya dinyatkan dalam panjang pipa ekivalen terhadap sebuah pipa lurus (Streater,1962) SIFAT-SIFAT FLUIDA Fluida dapat didefinisikan sebagai suatu benda yang tidak dapat menahan distorsi (perubahan bentuk) secara permanen. Bila kita coba mengubah bentuk masa suatu fluida maka di dalam fluida itu akan terbentuk lapisan-lapisan di mana lapisan yang satu meluncur 2 Praktikum Teknik Kimia IV Dinamika Proses
di atas yang lain, sehingga mencapai suatu bentuk yang baru. Selama perubahan bentuk itu terdapat tegangan geser (shear stress), yang besarnya tergantung pada viskositas fluida dan laju luncur. Tetapi, bila fluida itu sudah akan mendapatkan bentuk akhirnya, semua tegangan geser itu akan menghilang. Fluida yang dalam kesetimbangan itu bebas dalam segala tegangan geser. Fluida biasa ditransportasikan di dalam pipa atau tabung yang penampangnya bundar dan terdapat dipasaran dalam berbagai ukuran, tebal dinding dan bahan konstruksinya yang penggunaannya sesuai dengan kebutuhan prosesnya. Untuk menyambung potongan-potongan pipa atau tabung bergantung antara lain pada sifat-sifat bahan yang digunakan serta ditentukan juga oleh tebal. Bagian tabung yang berdinding tebal biasanya dipersambungkan dengan penyambung ulir, flens atau las. Tabungtabung berdinding tipis disambung dengan solder atau dengan sambungan jolak. Pipa yang terbuat dari bahan rapuh seperti gelas atau besi cor disambung dengan sambungan flens. Bila menggunakan pipa sambung berulir bagian luar ujung pipa dibuat berulir dengan alat pembuat ulir. Untuk menjamin rapatnya sambungan itu pada ujung berulir pipa itu dibalutkan dengan pita politetrafloroetilen. Laju alir fluida merupakan fungsi dari waktu, disamping merupakan fungsi dari diameter lubang dan pipa panjang. Pada suatu suhu dan tekanan tertentu setiap fluida mempunyai densitas tertentu, yang dalam praktek keteknikan biasa diukur dalam kilogram permeter kubik. Walaupun densitas fluida tergantung pada suhu dan tekanan, perubahan karena variabel itu mungkin besar, mungkin kecil. KONSEP TEKANAN Sifat dasar dari setiap fluida statik adalah tekanan. Tekanan dikenal sebagai gaya permukaan yang diberikan oleh fluida terhadap setiap titik di dalam volume fluida dalam dinding bejana. Tekanan juga konstan pada luas setiap titik paralel pada permukaan fluida, tetapi akan bervariasi pada setiap tinggi yang diinginkan. Suatu fluida jika melalui suatu pipa harus diperhatikan tentang faktor gesekan, karena faktor gesekan ini akan mempengaruhi waktu yang diperlukan oleh zat cair untuk melewati pipa. Friksi yang disebabkan oleh bentuk pipa biasanya dinyatakan dalam panjang pipa ekivalen terhadap sebuah pipa lurus. Friksi yang bekerja sepanjang pipa akan menyebabkan penurunan head (tenaga persatuan berat) cairan yang lewat sepanjang pipa. 3 Praktikum Teknik Kimia IV Dinamika Proses
Rumus penurunan head cairan dinyatakan dalam persamaan Fanning (Brown,1950) Sebagai berikut: - Pf = 2 f ρ L V 2 Do Atau dapat dituliskan dalam bentuk: - l w f = h = f L V 2 2g Do dengan: f = faktor friksi L= panjang pipa V=kecepatan aliran g= percepatan gravitasi Do =diameter pipa a. Untuk aliran laminer, f diperoleh dari pendekatan: f = 64/Re dan Re = ρ Do V/µ dengan: ρ = densitas µ = viskositas b. Untuk aliran turbulen, f diperoleh dari rumus Blasius (Perry, 1988) f = 4 Co = 4.0,0791/ Re Waktu pengosongan cairan dalam tangki dapat diperkirakan dengan rumus pendekatan, kemudian dikalikan faktor koreksi untuk mendapatkan waktu pengosongan cairan yang mendekati sebenarnya. Variabel-variabel yang berpengaruh terhadap waktu pengosongan cairan di dalam tangki adalah: 1. Tinggi cairan di dalam tangki 2. Panjang pipa yang digunakan 3. Diameter pipa yang digunakan 4. Diameter dari tangki itu sendiri 5. Percepatan gravitasi 6. Viskositas cairan 4 Praktikum Teknik Kimia IV Dinamika Proses
7. Densitas cairan III. ALAT DAN BAHAN 1. Air 2. Tangki dinamika proses 3. Beaker glass 600 ml 4. Stop watch IV. PROSEDUR PERCOBAAN 1. Penentuan Luas penampang tangki: Ditentukan level ketinggian tangki dengan variasi volume fluida yang telah ditentukan, kemudian luas penampang tangki dapat dihitung. 2. Kalibrasi laju alir keluaran tangki Pompa dinyalakan untuk mengalirkan fluida melalui tangki 1 dan 3 atau tangki 2 dan 3, kemudian ditentukan laju alir keluaran tangki pada setiap variasi bukaan valve. Waktunya dicatat untuk setiap ketinggian tertentu. 3. Simulasi pengosongan tangki Fluida dialirkan ke dalam tangki no.3 sampai ketinggian tertentu, dilakukan simulasi pengosongan tangki dengan variasi bukaan valve dicatat waktunya setiap penurunan ketinggian tertentu. 4. Simulasi gangguan pada tangki Pompa dinyalakan untuk mengalirkan fluida ke dalam tangki 1 dan 3 atau tangki 2 dan 3. Kemudian proses dibuat sedemikian rupa agar berada dalam keadaan tunak atau steady state dengan cara mengatur bukaan valve pada setiap tangki. Lalu dilakukan simulasi gangguan pada tangki yang sudah mencapai keadaan steady di mana pada tangki tersebut secara mendadak diberikan gangguan dengan penambahan fluida sebanyak yang ditentukan sehingga sistem di dalam tangki menjadi tidak stabil. Lalu dicatat perubahan yang terjadi kemudian setiap perubahan ketinggian tertentu di catat waktunya hingga sistem kembali ke keadaan steady state. 5 Praktikum Teknik Kimia IV Dinamika Proses
V. DATA PERCOBAAN DAN PERHITUNGAN 1. Penentuan Luas Penampang No h (cm) Volume (ml) 1 12 6000 2 15 7000 3 17.5 8000 4 19 9000 5 21.5 10000 6 23.5 11000 Luas penampang tangki didapat dari gradient grafik terhadap ketinggian tangki. Persamaan yang di gunakan adalah: Jika pada awal percobaan belum ada aliran air (debit / volume air mengalir = 0) dan ketinggian air dalam tangki penampungan adalah 0, maka hubungan antara volume air mengalir dan ketinggian dapat dinyatakan dalam sebuah persamaan linier: V = A. h Jika V di plot dalam sumbu y dan h di plot dalam sumbu x maka luas permukaan tangki (A) adalah gradient garis tersebut. Jika dilihat dari grafik percobaan diatas, terlihat bahwa hubungan antara volume dan ketinggian air tangki: V = 1000. h, maka dapat disimpulkan luas permukaan tangki tersebut adalah 1000 cm 2. 6 Praktikum Teknik Kimia IV Dinamika Proses
2. Kalibrasi Laju Alir Keluaran Tangki t (detik ) No t (detik ) No h (cm) h (cm) 1 7 7 14 20 8 2 8 6 15 21 7 3 9 5 16 22 5 4 10 9 17 23 6 5 11 8 18 24 7 6 12 7 19 25 7 7 13 5 20 26 8 8 14 6 21 27 7 9 15 7 22 28 8 10 16 8 23 29 8 11 17 5 24 30 7 12 18 6 25 31 7 13 19 7 26 32 6 7 Praktikum Teknik Kimia IV Dinamika Proses
3. Simulasi Pengosongan Tangki Tabel Lineariasi pengosongan tangki ½ putaran No h (cm) t Valve 1/2 ln (A. putaran dh / dt A. dh / dt -dh / dt) 1 7 43 0.1628 162.79 5.09 1.95 2 8 46.5 0.1720 172.04 5.15 2.08 3 9 45.5 0.1978 197.80 5.29 2.20 4 10 39.5 0.2532 253.16 5.53 2.30 5 11 47.9 0.2296 229.65 5.44 2.40 6 12 31.5 0.3810 380.95 5.94 2.48 7 13 38.7 0.3359 335.92 5.82 2.56 8 14 39.9 0.3509 350.88 5.86 2.64 9 15 42.4 0.3538 353.77 5.87 2.71 10 16 36.7 0.4360 435.97 6.08 2.77 11 17 36.5 0.4658 465.75 6.14 2.83 12 18 32.3 0.5573 557.28 6.32 2.89 13 19 33.5 0.5672 567.16 6.34 2.94 14 20 33.2 0.6024 602.41 6.40 3.00 15 21 32 0.6563 656.25 6.49 3.04 16 22 33.8 0.6509 650.89 6.48 3.09 17 23 29.8 0.7718 771.81 6.65 3.14 18 24 33 0.7273 727.27 6.59 3.18 19 25 29.5 0.8475 847.46 6.74 3.22 20 26 33.3 0.7808 780.78 6.66 3.26 21 27 26.6 1.0150 1015.04 6.92 3.30 22 28 30.1 0.9302 930.23 6.84 3.33 23 29 26.3 1.1027 1102.66 7.01 3.37 24 30 20.5 1.4634 1463.41 7.29 3.40 25 31 24.3 1.2757 1275.72 7.15 3.43 26 32 21.2 1.5094 1509.43 7.32 3.47 ln h 8 Praktikum Teknik Kimia IV Dinamika Proses
Tabel Lineariasi pengosongan tangki 1 putaran No h (cm) t Valve 1 ln (A. putaran dh / dt A. dh / dt -dh / dt) 1 7 6.5 1.0769 1076.92 6.98 1.95 2 8 7.6 1.0526 1052.63 6.96 2.08 3 9 8.2 1.0976 1097.56 7.00 2.20 4 10 7.1 1.4085 1408.45 7.25 2.30 5 11 8.2 1.3415 1341.46 7.20 2.40 6 12 7.3 1.6438 1643.84 7.40 2.48 7 13 8.4 1.5476 1547.62 7.34 2.56 8 14 7.4 1.8919 1891.89 7.55 2.64 9 15 8.1 1.8519 1851.85 7.52 2.71 10 16 5.6 2.8571 2857.14 7.96 2.77 11 17 7.5 2.2667 2266.67 7.73 2.83 12 18 6.6 2.7273 2727.27 7.91 2.89 13 19 7.2 2.6389 2638.89 7.88 2.94 14 20 7.3 2.7397 2739.73 7.92 3.00 15 21 6.5 3.2308 3230.77 8.08 3.04 16 22 6.8 3.2353 3235.29 8.08 3.09 17 23 7.1 3.2394 3239.44 8.08 3.14 18 24 6 4.0000 4000.00 8.29 3.18 19 25 5.1 4.9020 4901.96 8.50 3.22 20 26 6.2 4.1935 4193.55 8.34 3.26 21 27 5.3 5.0943 5094.34 8.54 3.30 22 28 5.4 5.1852 5185.19 8.55 3.33 23 29 5.3 5.4717 5471.70 8.61 3.37 24 30 7.1 4.2254 4225.35 8.35 3.40 25 31 4.6 6.7391 6739.13 8.82 3.43 26 32 5.4 5.9259 5925.93 8.69 3.47 ln h 9 Praktikum Teknik Kimia IV Dinamika Proses
4. Simulasi Gangguan Pada Tangki No. h ( cm ) t ( s ) 1 31 0 2 30 310 3 29 740 4 28 1800 Keadaan steady state tercapai pada ketinggian 28 cm, ketika keadaan tunak selama 30 menit. VI. PEMBAHASAN Pada percobaan ini dilakukan pengosongan tangki, dimana fluida yang digunakan adalah air dengan berat jenis (ρ ) = 1 gr/cm 3 dan viskositas (µ ) = 0,8465 gr/cm.det. Pada awalnya tangki diisi air dengan volume tertentu yaitu 6000 ml, 7000 ml, 8000ml, 10000 ml dan 11000 ml. Kemudian masing masing volume tersebut di catat 10 Praktikum Teknik Kimia IV Dinamika Proses
ketinggian level permukaan air pada tangki, hal ini bertujuan untuk mencari luas penampang dari tangki. Faktor faktor kesalahan yang terjadi dalam praktikum diantaranya adalah : Kurangnya ketelitian praktikan dalam membaca skala pada penurunan fluida didalam tangki dan dalam penampungan volume konstan penampungannya kurang tepat. Kurang ketelitian praktikan dalam membuka dan menutup kran air sehingga waktu maupun volume yang diperoleh kurang tepat. Dengan data-data yang didapat dalam percobaan dapat dihitung waktu pengosongan tangkinya (t t ) pada pipa dengan panjang sama, diameter berbeda dan diameter sama, panjang berbeda. VII.KESIMPULAN 1. Grafik penentuan luas penampang tangki berbentuk linear dan dari persamaan dapat diperoleh gradien yang merupakan luas penampang tangki, yaitu 1000 cm 2. 2. Keadaan steady state tercapai saat ketinggian level permukaan tangki menunjukkan 28 cm selama 30 menit. VIII. DAFTAR PUSTAKA Anonimus. 2003. Penuntun Praktikum Operasi Teknik Kimia, Lab. Operasi Teknik Kimia FT-UMJ. Fakultas Teknik, Jurusan Kimia. Universitas Muhammadiyah Jakarta. Cabe W.L, Mc. and Smith, J.C. 1956. Unit Operation of Chemical Engineering, Mc.Graw Hill Ltd. New York Satibi, Loekman Dr. Ir. H. 2003. Diktat Kuliah Operasi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Jurusan. Kimia Universitas Muhammadiyah Jakarta. 11 Praktikum Teknik Kimia IV Dinamika Proses
JAWABAN TUGAS 1. Analisa Kesalahan pada praktikum dinamika proses? Pembukaan valve yang tidak sesuai antara satu dengan yang lain Pembacaan skala yang tidak tepat. Pembacaan waktu yang tidak tepat. 2. Aplikasi dinamika proses di dunia industri? Pada industry kimia, pada saat mereaksikan reactor dalam reactor continue. Pada saat penambahan reactor kondisinya harus steedy state. Pada proses pengosongan tangki. 3. Grafik : 12 Praktikum Teknik Kimia IV Dinamika Proses
13 Praktikum Teknik Kimia IV Dinamika Proses