DISTRIBUSI UKURAN TETES DALAM KOLOM ISIAN (PACKED COLUMN) Lucas 1, Justin Angelo Tany 1, Danu Ariono 2 1 Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Katolik Parahyangan Jalan Ciumbuleuit no. 94, Bandung 40141, Telp (022) 2032655 2 Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Teknlogi Bandung Jalan Ganesha no. 10 Bandung 40132, Telp: +62 22 250 0989 Fax : +62 22 250 1438, Email: danu@che.itb.ac.id Abstrak Dalam ekstraksi cair-cair, untuk menentukan tinggi isian baik dalam mendesain kolom atau untuk meningkatkan kinerja kolom dalam operasional pabrik, umumnya dilakukan dengan perhitungan Height of Transfer Unit atau sering disingkat HTU. Nilai HTU ini dipengaruhi oleh koefisien perpindahan massa (Kga). Selama ini dalam merancang kolom ekstraksi, bentuk dan diameter tetes diasumsikan tetap atau seragam di sepanjang kolom isian. Pada kenyataannya, ukuran tetes yang bergerak disepanjang kolom isian tidaklah seragam atau terdistribusi. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mempelajari distribusi tetesan pada kolom isian. Metode pengamatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah diskretisasi. Pada kolom tersebut praktikan membagi 8 diskret dengan ketinggian yang sama pada setiap diskretnya. Pengamatan dilakukan di setiap diskret yang telah berisi isian dengan menggunakan kamera. Pengambilan gambar dilakukan saat tetesan yang ada berada keadaan tunak. Setelah mencapai keadaan tunak, pengambilan gambar dilakukan dari bagian depan kolom. Pada penelitian ini, dilakukan beberapa variasi, seperti laju alir fasa dispersi, ukuran isian, serta jumlah lubang pada nozzle. Hasil dari penelitian didapatkan bahwa variasi laju alir, jumlah lubang pada nozzle, dan ukuran isian tidak mempengaruhi distribusi ukuran tetes. Untuk kolom pipih besar, pada setiap variasi tersebut tetes cenderung terdistribusi pada kelas diameter ke-3 yaitu antara 0,5-0,7cm. Kata kunci: diskretisasi, distribusi ukuran tetes, kolom isian, tetes. Abstract In liquid-liquid extraction, to determine the packing height, both in designing the column or improving column performance in plant operations, is generally performed by calculation of Height of Transfer Unit (HTU). HTU values are affected by the mass transfer coefficient (Kga). In designing an extraction column, shape and diameter of the drops used to be assumed as uniform along the column or field. In fact, the size of drops that move along the field is not uniform or distributed. This research s aim is to study the distribution of the droplets on the packed column. Observation methods used in this study is discretization. In discretization method, the column used was divided into 8 specific discrete, 5 cm height each discrete. Observations made at each discrete which already contains the packing by using a camera. Shooting process is carried out until the existing droplets reach steady state. After reaching the steady state, taking pictures is done from the front of the column. In this study, several variations are carried out, such as the dispersion phase flow rate, packing size, and number of nozzles. The result of research by using discretization method, found that the flow rate variations, the number of holes in the nozzle, and the size of the packing does not affect the droplets size distribution. To a large flat column, on every variation of the droplets tend to be distributed on the third class diameter, which is between 0,5 to 0,7 cm. Keywords: discretization, distribution diameter of the droplet, droplet, packed column.
PENDAHULUAN Pada umumnya dalam perhitungan tinggi, bentuk dan diameter tetesan diasumsikan seragam. Salah satu faktor yang mempengaruhi nilai HTU adalah Kga (koefisien perpindahan massa). Nilai koefisien perpindahan massa ini bergantung dari diameter tetes yang terbentuk, sehingga dengan mengasumsikan diameter tetes adalah seragam di sepanjang kolom isian, maka nilai koefisien perpindahan massanya adalah konstan. Pada kenyataannya, ukuran tetes yang bergerak disepanjang kolom isian tidaklah seragam atau terdistribusi. Berdasarkan hal ini nilai koefisien perpindahan massa di sepanjang kolom juga tidak konstan, sehingga untuk menentukan kinerja dan tinggi isian harus ditentukan dengan distribusi tetes disepanjang kolom isian. Oleh sebab itu, pengamatan dan distribusi tetes di sepanjang kolom serta faktor-faktor yang mempengaruhi menjadi penting untuk dipelajari. METODOLOGI Dalam penelitian ini digunakan heksana sebagai fasa disepersi, dan air sebagai fasa kontinu. Wujud heksana adalah cairan, dan tidak berwarna. Agar pengamatan penelitian dapat dilakukan dengan mudah, heksana perlu ditambah suatu zat warna untuk membedakan warna dengan air. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah diskretisasi sepanjang kolom. Kolom yang digunakan adalah kolom pipih dengan ukuran panjang 20 cm, lebar 6 cm, dan tinggi 120 cm. Pada kolom tersebut dibagi ke dalam 8 segmen dengan ketinggian yang sama pada setiap segmennya, yaitu 5 cm. Pengamatan dilakukan di setiap segmen yang telah berisi isian dengan menggunakan kamera. Pengambilan gambar dilakukan tepat di atas segmen dimana sedang dilakukan pengamatan. Pengambilan gambar dilakukan pada saat tetesan mencapai keadaan tunak. Keadaan tunak di asumsikan sekitar 5 menit setelah run percobaan dimulai. Setelah 5 menit, dilakukan pengambilan gambar 10 kali pada setiap segmennya. Foto yang dihasilkan kemudian diseleksi dan dianalisis.
Metode analisis yang digunakan adalah dengan membandingkan tinggi segmen pada foto dan tinggi segmen sebenarnya. Kemudian dicari nilai faktor koreksi untuk setiap segmen dengan cara sebagai berikut: (1) Setelah memiliki nilai faktor koreksi untuk setiap segmen, lalu panjang dan lebar tetes pada foto diukur, kemudian dicari nilai panjang dan lebar tetes yang sesungguhnya dengan cara sebagai berikut: (2) (3) Kemudian, luas tetes dihitung dengan menggunakan luas elips. Hal ini dikarenakan dalam penelitian ini hampir seluruh tetes yang dihasilkan bebentuk elips. Rumus elips adalah sebagai berikut: (4) Luas tetes yang didapatkan kemudian di-ekivalenkan dengan luas lingkaran, sehingga untuk menghitung diameter tetes, dapat digunakan bantuan dari rumus lingkaran sebagai berikut: (5) Dari data data diameter tetes yang didapatkan kemudian dibuat klasifikasi diameter sebagai berikut: Tabel 1. Klasifikasi diameter Kelas diameter Rentang diameter (cm) d1 0,1 d < 0,3 d2 0,3 d < 0,5 d3 0,5 d < 0,7 d4 0,7 d < 0,9 d5 0,9 d < 1,1
Fraksi kelas diameter pada setiap segmen dan setiap run dihitung dan dialurkan dalam kurva distribusi tetes untuk melihat kecenderungan data yang ada. HASIL DAN PEMBAHASAN Variasi laju alir Tabel 1 menunjukkan kelas rentang diameter, sedangkan Tabel 2 menunjukkan laju alir yang digunakan selama penelitian. Tabel 2. Laju alir yang digunakan pada penelitian Run Variasi Laju Alir Ukuran Isian (cm) Jumlah Lubang nozzle Q (ml/menit) 1 V1 = skala 3 8,41 2 V2 = skala 5 0.5 1 18,92 3 V3 = skala10 45,2 4 V1 = skala 3 8,41 5 V2 = skala 5 1 1 18,92 6 V3 = skala 10 45,2 7 V1 = skala 5 25,24 8 V2 = skala 10 0.5 3 48,97 9 V3 = skala 15 72,70 10 V1 = skala 5 25,24 11 V2 = skala 10 1 3 48,97 12 V3 = skala 15 72,70 Dari Gambar 1, dapat dilihat bahwa seluruh laju alir memiliki kecenderungan tetes terdistribusi pada kelas diameter ketiga, sehingga disimpulkan bahwa laju alir tidak berpengaruh terhadap distribusi tetes.
Gambar 1. Kurva pengaruh laju alir terhadap distribusi tetes
Variasi ukuran isian Gambar 2 menunjukkan baik pada ukuran isian 0,5 cm maupun 1 cm, distribusi ukuran tetes masih terdapat pada rentang kelas ketiga. Hal ini menunjukkan bahwa ukuran isian tidak mempengaruhi ukuran tetes yang keluar dari isian. Gambar 2. Kurva pengaruh ukuran isian terhadap distribusi tetes
Variasi jumlah lubang nozzle Pengaruh jumlah terdapat pada Gambar 3. Gambar ini menunjukkan bahwa kecenderungan data yang terjadi dimana tetes terdistribusi pada rentang kelas ketiga. Disimpulkan bahwa jumlah lubang nozzle tidak mempengaruhi ukuran dari tetes yang terbentuk pada kolom. Gambar 3. Variasi jumlah lubang nozzle terhadap distribusi ukuran tetes
KESIMPULAN 1. Variasi laju alir yang digunakan tidak memberikan pengaruh pada distribusi ukuran tetes. 2. Jumlah lubang pada nozzle yang digunakan tidak memberikan pengaruh pada distribusi tetes. 3. Ukuran isian yang digunakan tidak memberikan pengaruh pada distribusi tetes. 4. Untuk kolom pipih besar, pada setiap variasi percobaan tetes cenderung terdistribusi pada kelas diameter ke-3 (antara 0,5-0,7cm). 5. Variasi laju alir dan jumlah lubang pada nozzle mempengaruhi jumlah tetes yang dihasilkan pada setiap kelas diameter, semakin besar laju alir dan semakin banyak jumlah lubang, maka tetes yang dihasilkan akan semakin banyak. 6. Ukuran isian yang digunakan tidak mempengaruhi jumlah tetes yang dihasilkan pada setiap kelas diameter. UCAPAN TERIMA KASIH Pada kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan penyertaannya selama ini, sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan penelitian ini. Terima kasih kepada Bapak Dr. Danu Ariono selaku dosen pembimbingan, atas bimbingan, saran, dan pengarahannya. Terima kasih kepada orang tua dan keluarga penulis atas doa restu, bantuan, dan dukungannya selama ini, juga kepada rekan-rekan di Teknik Kimia ITB, Joanna Malaon Soetanto dan Adi Kurniawan yang membantu kelancaran penelitian ini dan kepada rekan-rekan di Teknik Kimia Universitas Katolik Parahyangan yang senantiasa memberikan saran untuk laporan penelitian ini. DAFTAR NOTASI a = panjang tetes pada foto b = lebar tetes pada foto
DAFTAR PUSTAKA 1. Laddha, G. S., & Degaleesan, T. (1976). Transport Phenomena in Liquid Extraction, New Delhi: Tata McGraw-Hill Publishing Co. Ltd. 2. Richards, J.R., Beris, A., & Lenhoff, A. (1995). Drop formation in liquidliquid systems before and after jetting. Phys. Fluids, 7, 2617-2629. 3. Treybal, R. E. (1951). Liquid Extraction. New York : McGraw-Hill. 4. Cahyono, A., Saputro A. (2008). Hidrodinamika Cair-Cair dalam Kolom Isian.Bandung: Universitas Katolik Parahyangan 5. Haswendra, G., Suria, T. (2011). Perilaku Tetesan dalam Kolom Isian (Packed Column). Bandung: Universitas Katolik Parahyangan 6. Cusack, R.W. and Glatz, D.J., Apply Liquid-Liquid Extraction To Today s Problems, Majalah Chemical Engineering Science, Vol 103, no 7, hal 94-103 (1996) 7. Treybal, R.E.,Mass-Transfer Operations, McGraw-Hill Inc., Singapore, 1981. 8. Seader, H., Equilibrium Stage operations in Chemical Engineering, John Wiley and Son Inc., New York, 1981. 9. Orme, M., (1997). Experiments on Droplet Collisions, Bounce, Coalescence and Disruption," Progress in Energy and Combustion Science Vol. 23, pp. 65-79, [pdf], (http://gram.eng.uci.edu/~melissao/journal/coll_review.pdf, diakses tanggal 7 Februari 2011) 10. Taylor, A., Jansen, M.L., Solvent Extraction Mixer-Settler Design, [pdf], (http://www.altamet.com.au/technical%20papers%20and%20articles/others/sx%20mixer- Settler%20Design.pdf, diakeses tanggal 15 Februari 2011)