ABSTRAK Pengadukan (agitation) merupakan suatu operasi yang menimbulkan gerakan pada suatu bahan (fluida) di dalam sebuah tangki, yang mana gerakannya membentuk suatu pola sirkulasi. Salah satu sistem pengadukan yang banyak ditemui di industri proses kimia adalah tangki berpengaduk, yang umumnya digunakan untuk mengaduk fluida cair. Sistem ini terdiri dari tangki penampung fluida, pengaduk (impeller) yang terpasang pada batang pengaduk dan perangkat penggerak (motor). Tujuan dari percobaan ini adalah mempelajari pola aliran dan karakteristik daya pengaduk yang terjadi dalam tangki berpengaduk. Percobaan dilakukan terhadap beberapa variabel meliputi jenis fluida (fluida air dan fluida air + CMC 2%), tangki dengan sekat dan tanpa sekat, dan dua jenis impeler (turbin dan propeller). Dari percobaan dihasilkan pola aliran yang sama pada impeller sama dengan jenis fluida yang berbeda, tangki tanpa sekat dapat membentuk vorteks dengan kecepatan yang ditingkatkan, sedangkan tangki bersekat tidak dapat membentuk vorteks sehingga pola aliran tetap, dan impeller dengan jenis turbin memiliki bilangan daya yang besar dibandingkan propeller. Pola aliran yang terbentuk pada impeller jenis propeller dan turbin berbeda, dimana propeller membentuk pola aksial, sedangkan turbin membentuk pola radial dan tangensial. Besarnya daya bergantung pada bentuk impeller, kecepatan putar dan sifat fisis fluida. Kata kunci: fluida, impeller, pengadukan, sekat, vorteks.
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) Dapat menjelaskan pola-pola aliran yang terjadi dalam tangki berpengaduk. b) Dapat menjelaskan pengaruh penggunaan sekat dan tanpa sekat pada pola aliran yang ditimbulkan. c) Dapat menghitung kebutuhan daya yang diperlukan untuk suatu operasi pencampuran. d) Mengetahui karakteristik daya pengaduk. 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 (Mc.Cabe, 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 (CMC) 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. Gambar untuk jenis propeller dapat dilihat pada gambar 1.1 dibawah ini. (a) (a) (b) (b) (c) (a) (b) (c) Gambar 1.1 Pengaduk Jenis Baling baling (a) Daun Dipertajam (b) Baling Baling Kapal (c) Daun Turbin (Anonim, 1989) b) Paddle Berbagai jenis paddle sering digunakan dengan kecepatan antara 20 hingga 200 rpm. Impeller paling sering digunakan adalah jenis paddle berdaun dua (twoblade) 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 untuk jenis turbin dapat dilihat pada gambar 1.2 dibawah ini. Gambar 1.2. Pengaduk Jenis Turbin pada berbagai variasi (Anonim, 1989) 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. Gambar untuk jenis Helical-ribbon dapat dilihat pada gambar 1.3 dibawah ini. (a) (b) (c) (d) Gambar 1.3. Pengaduk Jenis (a), (b) & (c) Hellical Ribbon, (d) Semi-Spiral (Anonim, 1989) 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 (Mc.Cabe, 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 vorteks. Fenomena vorteks ini sangat tidak diinginkan dalam suatu proses pengadukan karena dapat mengakibatkan pencampuran menjadi tidak sempurna. Selain itu, vorteks juga dapat menyebabkan campuran tumpah dari tangki. Gambar 1.4 memperlihatkan bentuk pola alir dan terjadinya vorteks pada suatu operasi pengadukan.
(a) Gambar 1.4 Pola alir pengadukan. (a) Aksial atau radial pada tangki tidak bersekat. (b) Posisi off center untuk menghindari terjadinya vorteks. (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. Tabel 1.1 Bilangan tidak berdimensi pada pengadukan Nama Lambang Definisi Keterangan Blend N b Nθ Berhubungan dengan keseragaman campuran Froude N Fr N 2 D / g Berhubungan dengan N Re dan N po untuk sistem tidak bersekat, juga penting dalam penambahan powder pada larutan dalam tangki pengaduk Nusselt N Nu ht / k Perpindahan panas pada unit pengadukan Power Npo P / (ρn 3 D 5 ) Tetap pada sistem bersekat jika
N Re >10000 Prandtl N Pt C p µ / k Sifat fluida untuk hubungan perpindahan panas Pumping Np Q / (ND 3 ) Berhubungan dengan kapasitas pemompaan impeller Reynold N Re D 2 Nρ / µ Rezim laminar jika N Re < 10, rezim turbulen jika N Re > 10000 Schmidt N Sc µ / (ρd) Sifat fluida untuk hubungan perpindahan massa Sherwood N Sh K L T / D L Perpindahan massa antara padatan dan pelarut pada unit pengadukan Weber New N 2 D 3 ρ / σ Hubungan tegangan permukaan pada sistem dua fasa (Sumber: Brodkey and Hershey, 1998) 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) : 2 ND N Re...(1) Dimana: ρ = densitas fluida (gr/cm 3 ) 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 (Mc.Cabe, 1985). Bilangan daya dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (2) (Geankoplis, 1993): N Po P...(2) N 3 D 5 Dimana: P = daya yang dibutuhkan (watt) N = putaran impeller (putaran/ det) D = diameter impeller (cm) ρ = densitas fluida (gr/cm 3 ) 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 1.5 (Geankoplis, 1993). Dari gambar 1.5 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 1.5 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 D T1 = H 1, maka volume V 1 dapat dihitung menggunakan persamaan (3), 2 D D H T1 T 2 V 1 = 1 4 4 Dengan perbandingan volume seperti persamaan (4) V V 2 1 D D 3 T 2 3 T1 4 4 D D 3 T 2 3 T1 3... (3)... (4) Maka faktor rasio R scale-up dapat ditunjukkan seperti persamaan (5)
R 1 3 V2 DT 2...(5) V 1 D T1 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) D RD...(6) a2 a1 c) Menentukan kecepatan pengadukan pada skala besar (N 2 ) dari penggandaan kecepatan pengadukan pada skala kecil (N 1 ), yaitu dengan menggunakan persamaan (7) N 2 n 1 N1 R D N 1 D T1 t 2 n... (7) d) Mengetahui nilai (N 2 ) yang dapat digunakan untuk menentukan bilangan daya unit pengadukan pada skala besar. Keterangan : R D T1 = Faktor ratio scale-up = Diameter tangki pada skala kecil D T2 = Diameter tangki pada skala besar H 1 V 1 V 2 D a N 1 N 2 n = Tinggi fluida pada tangki dengan skala kecil = Volume tangki pada skala kecil = Volume tangki pada skala besar = Diameter impeller = Kecepatan pengadukan pada skala kecil = Kecepatan pengadukan pada skala besar = 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) m...(8) v Dimana: ρ = densitas fluida (gr/cm 3 ) m = massa fluida (gr) v = volume fluida/piknometer (cm 3 ) 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 untuk viskositas bola jatuh dapat dilihat pada gambar 1.6.
h Gambar 1.6 Viskometer Bola Jatuh (Anonim, 1989) Persamaan dalam menentukan viskositas suatu fluida dapat ditulis seperti persamaan (9) 2 r 2 g( b )...(9) 9 v f Dimana: μ = Viskositas fluida (gr/cm.det) r = Jari-jari bola (cm) v = Kecepatan bola (cm/s) g = Percepatan gravitasi (cm/s 2 ) ρ b = Densitas bola (gr/cm 3 ) ρ f = Densitas fluida (gr/cm 3 ) h = Jarak tempuh kelereng (cm)
DAFTAR PUSTAKA Anonim, 1989, Buku Petunjuk Praktikum Proses dan Operasi Teknik I, Departemen Teknik Gas dan Petrokimia Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Brodkey, R.S. and H.C. Hersey, 1998, Transport Phenomena- A Unifield Approach, McGraw-Hill Book Co. Inc., Singapore Mc.Cabe, W.L., J.C Smith and P. Harriot, 1985, Unit Operation of Chemical Engineering, 5 th edition, McGraw-Hill Book Co. Inc., New York Geankoplis, C.J., 1993, Transport Process and Unit Operation, 3 rd edition, Prentice Hall Inc., Englewood Cliffs, New Jersey Wallas, Stanley., 1988, Chemical Process Equipment, Selection and Desain., Butterworth-Heinneman, USA