Bab I,ii,iii.pdf

BAB I PENDAHULUAN 1.1

Pernyataan Masalah Pengadukan adalah operasi yang menciptakan gerakan dari bahan-bahan yang

diaduk, umumnya dilakukan untuk mencampur dan mendispersikan bahan. Bahan yang diaduk bisa berupa dua cairan yang saling melarut, padatan dalam cairan, gas dalam cairan dalam bentuk gelembung. Pengadukan juga dapat dilakukan untuk mempercepat perpindahan panas, contohnya pada pemanasan fluida dengan koil dan/atau jaket pemanas. Biasanya dalam alat tangki berpengaduk yang merupakan satu sistem pencampuran dapat dilengkapi dengan impeller dan baffle. Prinsip kerja tangki pengaduk sendiri adalah mengubah energi listrik motor yang memutar shaft impeller menjadi energi kinetik aliran fluida dalam tangki berpengaduk. Energi kinetik tersebut menimbulkan sirkulasi aliran fluida di ujung blade impeller sehingga terjadi proses pencampuran. Pencampuran dalam tangki terjadi karena adanya gerak rotasi dari pengaduk dalam fluida. Gerak pengaduk ini ‘memotong’ fluida tersebut dan dapat menimbulkan arus eddy yang bergerak dan menciptakan aliran di seluruh bagian fluida. Pemilihan jenis dan geometri pengaduk dilakukan berdasarkan sifat fisik fluida, terutama viskositas. Selain jenis dan geometri pengaduk, kecepatan pengadukan juga mempengaruhi pola aliran melingkar. Kecepatan yang terlalu tinggi dapat mengakibatkan

pusaran atau biasa disebut vorteks. Vorteks ini tidak

diharapkan dalam pengadukan karena menyebabkan penurunan kualitas pengadukan, masuknya udara ke dalam fluida, dan tumpahnya fluida akibat kenaikan permukaan fluida.

Faktor-faktor yang mempengaruhi proses pengadukan dan pencampuran

antara lain konfigurasi tangki, jenis dan geometri pengaduk, posisi sumbu pengaduk, kecepatan putaran pengaduk, dan sifat fisik fluida yang diaduk. Jenis dan geometri pengaduk erat kaitannya dengan pola aliran pengadukan yang terjadi dan daya yang dihasilkan dari pengadukan tersebut. 1

1.2

Tujuan Percobaan

1.

Dapat menjelaskan pola-pola aliran yang terjadi dalam tangki berpengaduk

2.

Dapat menjelaskan pengaruh pengunaan sekat dan tanpa sekat pada pola aliran yang ditimbulkan.

3.

Dapat menghitung kebutuhan daya yang diperlukan untuk suatu operasi pencampuran.

4.

Dapat menentukan karakteristik daya pengaduk.

2

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1

Pencampuran Pencampuran merupakan operasi yang bertujuan mengurangi ketidaksamaan

kondisi, suhu, atau sifat lain yang terdapat dalam suatu bahan baik cair – padat, padat – padat, maupun cair - gas. Pencampuran dapat terjadi dengan cara menimbulkan gerak di dalam bahan itu yang menyebabkan bagian-bagian bahan saling bergerak satu terhadap yang lainnya, sehingga operasi pengadukan hanyalah salah satu cara untuk operasi pencampuran. Pencampuran fasa cair merupakan hal yang cukup penting dalam berbagai proses kimia. Pencampuran fasa cair dapat dibagi dalam dua kelompok. Pertama, pencampuran antara cairan yang saling tercampur (miscible), dan kedua adalah pencampuran antara cairan yang tidak tercampur atau tercampur sebagian (immiscible). Selain pencampuran fasa cair dikenal pula operasi pencampuran fasa cair yang pekat seperti lelehan, pasta, dan sebagainya; pencampuran fasa padat seperti bubuk kering, pencampuran fasa gas, dan pencampuran antar fasa. Komponen yang jumlahnya lebih banyak disebut fasa kontinyu dan yang lebih sedikit disebut fasa disperse (Uhl, dkk, 1996). 2.2

Proses Pencampuran Proses pencampuran dalam fasa cair dilandasi oleh mekanisme perpindahan

momentum di dalam aliran turbulen. Pada aliran turbulen, pencampuran terjadi pada 3 skala yang berbeda, yaitu: 1. Pencampuran sebagai akibat aliran cairan secara keseluruhan (bulk flow) yang disebut mekanisme konvektif. 2.

Pencampuran karena adanya gumpalan-gumpalan fluida yang terbentuk dan tercampakkan di dalam medan aliran yang dikenal sebagai eddies, sehingga mekanisme pencampuran ini disebut eddy diffusion.

3

3.

Pencampuran

karena

gerak

molekular

yang

merupakan

mekanisme

pencampuran difusi. Ketiga mekanisme terjadi secara bersama-sama, tetapi yang paling menentukan adalah eddy diffusion. Mekanisme ini membedakan pencampuran dalam keadaan turbulen dari pada pencampuran dalam medan aliran laminar.Sifat fisik fluida yang berpengaruh pada proses pengadukan adalah densitas dan viskositas. Pengadukan dan pencampuran merupakan operasi yang penting dalam industri kimia. Pencampuran (mixing) merupakan proses yang dilakukan untuk mengurangi ketidakseragaman suatu sistem seperti konsentrasi, viskositas, temperatur dan lain-lain. Pencampuran dilakukan dengan mendistribusikan secara acak dua fasa atau lebih yang mula-mula heterogen sehingga menjadi campuran homogen. Peralatan proses pencampuran merupakan hal yang sangat penting, tidak hanya menentukan derajat homogenitas yang dapat dicapai, tapi juga mempengaruhi perpindahan panas yang terjadi. Penggunaan peralatan yang tidak tepat dapat menyebabkan konsumsi energi berlebihan dan merusak produk yang dihasilkan. Salah satu peralatan yang menunjang keberhasilan pencampuran ialah pengaduk. Hal yang penting dari tangki pengaduk dalam penggunaannya antara lain: 1.

Bentuk: pada umumnya digunakan bentuk silindris dan bagian bawahnya cekung.

2.

Ukuran: yaitu diameter dan tinggi tangki

3.

Kelengkapannya: a. ada tidaknya baffle, yang berpengaruh pada pola aliran di dalam tangki b. Jacket atau coil pendingin/pemanas yang berfungsi sebagai pengendali suhu. c. Letak lubang pemasukan dan pengeluaran untuk proses kontinu. d. Kelengkapan lainnya seperti tutup tangki, dan sebagainya.

Prinsip pencampuran bahan banyak diturunkan dari prinsip mekanika fluida dan perpindahan bahan, karena pencampuran bahan akan ada bila terjadi gerakan atau perpindahan bahan yang akan dicampur baik secara horizontal ataupun vertikal. Ada 4

dua jenis pencampuran, yaitu (1) pencampuran sebagai proses terminal sehingga hasilnya merupakan suatu bahan jadi yang siap pakai, dan (2) pencampuran merupakan proses pelengkap atau proses yang mempercepat proses lainnya seperti pemanasan, pendinginan atau reaksi kimia. 2.3

Fluida Fluida adalah suatu zat yang mengalami perubahan bentuk secara kontinyu

apabila terkena tegangan geser (shear stress) betapapun kecilnya. Definisi lain mengatakan bahwa fluida adalah zat yang mampu mengalir, sehingga fluida juga sering disebut zat alir. Fluida yang dialirkan didalam pipa memiliki kecepatan aliran yang dapat naik dan turun, berdasarkan luas permukaan pipa dengan debit aliran fluida dari daya pompa yang bekerja. Pemecahan masalah kecepatan aliran fluida selalu membutuhkan pengetahuan tentang sifat-sifat dari fluida yang digunakan. Ketepatan nilai dari sifat tersebut dapat berpengaruh terhadap aliran fluida. Sifat-sifat tersebut adalah: 2.3.1

Viskositas atau kekentalan Viskositas adalah ukuran ketahanan fluida terhadap deformasi (perubahan

bentuk) akibat tegangan geser ataupun deformasi sudut (angular deformation). Viskositas banyak dipengaruhi oleh gaya kohesi antar molekul. Viskositas dari suatu fluida dihubungkan dengan tahanan terhadap gaya menggeser fluida pada lapisan yang satu dengan yang lainnya. Bila suhu naik gaya kohesi akan berkurang sehingga viskositasnya

berkurang,

jadi

kenaikkan

suhu

pada

zat

cair

akan

menurunkan viskositasnya. Viskositas rendah maksudnya partikel fluida bergeser dengan mudah seperti : air, kerosin. Viskositas tinggi maksudnya bahwa partikel fluida tidak bergeser dengan mudah seperti: fuel oil, aspal, viskositas dari cairan (liquid) menurun dengan naiknya temperature. Suatu keadaan yang melukiskan efek viskositas dapat ditunjukkan oleh suatu lapisan yang terletak pada ruang kecil diantara dua plat.

5

2.3.2

Kerapatan Massa (Density) Kerapatan

massa

suatu

zat

adalah

perbandingan

antara

massa

dengan volume. ........................................................................................................... (2.1) Dimana: = massa jenis, kerapatan massa atau density (kg/m3) m = massa zat (kg) v = volume zat (m3) 2.3.3

Volume Jenis (Spesific Volume) Volume jenis merupakan volume yang ditempati oleh satu-satuan massa zat

tersebut atau kebalikan dari kerapatan. 2.4

Tujuan Operasi Pengadukan Pengadukan zat cair dilakukan untuk berbagai maksud, antara lain: 1.

Mencampur dua cairan yang saling melarut.

2.

Melarutkan padatan dalam cairan.

3.

Mendispersikan gas dalam cairan dalam bentuk gelembung.

4.

Mempercepat perpindahan panas antara fluida dengan koil pemanas dan jaket pada dinding bejana.

2.5

Alat Pengaduk Sederhana Rangkaian alat pengaduk sederhana terdiri dari, bejana/tangki (vessel), yang

mungkin dilengkapi penutup, dan mungkin terbuka ke atas. Ujung bawah tangki, umumnya membulat, bertujuan untuk mengurangi sudut tajam pada tangki, yang dapat mempengaruhi pola sirkulasi di dalam tangki itu sendiri.Pengaduk (impeller) dipasang pada ujung poros pemutar yang ditumpu dari atas. Poros tersebut digerakkan oleh motor. Gambar 1.2 adalah gambar alat pengaduk sederhana.

6

motor pereduksi gerak

aliran inlet mantel pemanas

permukaan cairan sumur termometer poros

sekat

impeler

katup pengeluaran

Gambar 2.1 Alat Pengaduk Sederhana Rangkaian alat pengadukan dapat juga dilengkapi dengan acsesoris lainnya, seperti lubang masuk dan keluaran, kumparan pemanas (koil kalor) untuk pengadukan yang membutuhkan kalor, jacket (mantel) untuk menjaga suhu pengadukan agar tetap konstan, lubang termometer untuk menganalisa suhu pengadukan, dan lain-lain. 2.6

Jenis Pengadukan Pengaduk dalam tangki memiliki fungsi sebagai pompa yang menghasilkan

laju volumetrik tertentu pada tiap kecepatan putaran dan input daya. Input daya dipengaruhi oleh geometri peralatan dan fluida yang digunakan. Profil aliran dan derajat turbulensi merupakan aspek penting

yang mempengaruhi

kualitas

pencampuran. Rancangan pengaduk sangat dipengaruhi oleh jenis aliran, laminar atau turbulen. Aliran laminar biasanya membutuhkan pengaduk yang ukurannya hampir sebesar tangki itu sendiri. Hal ini disebabkan karena aliran laminar tidak memindahkan momentum sebaik aliran turbulen (Walas, 1988).

7

Pencampuran di dalam tangki pengaduk terjadi karena adanya gerak rotasi dari pengaduk dalam fluida. Gerak pengaduk ini memotong fluida tersebut dan dapat menimbulkan arus eddy yang bergerak keseluruhan sistem fluida tersebut. Oleh sebab itu, pengaduk merupakan bagian yang paling penting dalam suatu operasi pencampuran fasa cair dengan tangki pengaduk. Pencampuran yang baik akan diperoleh bila memperhatikan bentuk dan dimensi pengaduk yang digunakan, karena akan mempengaruhi keefektifan proses pencampuran, serta daya yang diperlukan. Menurut aliran yang dihasilkan, pengaduk dapat dibagi menjadi tiga golongan: 1.

Pengaduk aliran aksial yang akan menimbulkan aliran yang sejajar dengan sumbu putaran

2.

Pengaduk aliran radial yang akan menimbulkan aliran yang berarah tangensial dan radial terhadap bidang rotasi pengaduk. Komponen aliran tangensial menyebabkan timbulnya vortex dan terjadinya pusaran, dan dapat dihilangkan dengan pemasangan baffle atau cruciform baffle

3.

Pengaduk aliran tangensial yang merupakan gabungan dari kedua jenis pengaduk aliran aksial dan aliran radial dan biasanya lebih dominan kearah radial

Sedangkan menurut bentuknya, pengaduk dapat dibagi menjadi tiga golongan: 1.

Propeller

Gambar 2.2 Bentuk Pengaduk Propeler 8

Bentuknya seperti baling-baling. Pengaduk ini dapat digunakan untuk cairan yang memiliki viskositas rendah dan tidak bergantung pada ukuran serta bentuk tangki. Pengaduk propeler menimbulkan aliran arah aksial dimana arus aliran meninggalkan pengaduk secara kontinu melewati fluida ke satu arah tertentu dan berbelok arah sampai dinding atau dasar tangki. Diamater dari sebuah propeller biasanya 8cm – 10 cm. 2.

Turbine

Gambar 2.3 Bentuk Pengaduk Turbine Pengaduk turbin adalah pengaduk dayung yang memiliki banyak daun pengaduk dan berukuran lebih pendek, Pengaduk jenis ini digunakan pada viskositas fluida rendah seperti halnya pengaduk jenis propeller . Diameter dari sebuah turbin biasanya antara 30 - 50% (14cm -18 cm) dari diameter tangki. Turbin biasanya memiliki empat atau delapan daun pengaduk. Pengaduk turbin menimbulkan aliran arah radial dan tangensial. Di sekitar turbin terjadi daerah turbulensi yang kuat, arus dan geseran yang kuat antar fluida. 2.7

Pola Alir Pengadukan Adapun bentuk pola alir pada pengadukan suatu larutan dalam tangki terbagi

atas Pola aliran aksial, radial, dan tengensial (McCabe, 1993) :

9

1.

Pola aliran aksial

Gambar 2.4 Pola Aliran Aksial Pola aliran aksial adalah pola aliran yang sejajar dengan sumbu impeller. 2.

Pola aliran radial

Gambar 2.5 Pola Aliran Radial Pola aliran radial yaitu pola aliran yang tegak lurus terhadap sumbu impeller.

10

3.

Pola aliran tangensial yaitu pola alir yang mengelilingi sumbu impeller

mengikuti putaran tangki pengaduk. Pada tangki berpengaduk, pola aliran yang dihasilkan bergantung pada beberapa faktor antara lain geometri tangki, sifat fisik fluida, dan jenis pengaduk itu sendiri. Pengaduk jenis turbine akan cenderung membentuk pola aliran radial sedangkan propeller cenderung membentuk aliran aksial (Geankoplis, 1993). 2.8

Vortex ( Pusaran ) Dalam proses pengadukan hal yang biasa dihindari adalah proses terjadinya

vortex, Pada umumnya proses pengadukan dan pencampuran dilakukan dengan menempatkan pengaduk pada pusat diameter tangki (center). Posisi ini memiliki pola aliran yang khas. Pada tangki tidak bersekat dengan pengaduk yang berputar di tengah, energi sentrifugal yang bekerja pada fluida meningkatkan ketinggian fluida pada dinding dan memperendah ketinggian fluida pada pusat putaran, Pola ini biasa disebut dengan pusaran (vortex) dengan pusat pada sumbu pengadukm pusaran tersebut dapat dilihat pada gambar 2.6 .

Gambar 2.6 Terbentuknya Vortex Pusaran ini akan menjadi semakin besar seiring dengan peningkatan kecepatan putaran yang juga meningkatkan turbulensi dari fluida yang diaduk,

11

terbentuknya pusaran tidak diinginkan. Hal ini disebabkan pusaran tersebut bisa menghasilkan dispersi udara yang menghambat dispersi gas ke cairan dan sebaliknya. Salah satu upaya untuk menghilangkan pusaran ini adalah dengan Salah satu upaya untuk menghilangkan pusaran ini adalah dengan merubah posisi sumbu pengaduk. Posisi tersebut berupa posisi sumbu pengaduk tetap tegak lurus namun berjarak dekat dengan dinding tangki (off center) dan pemasangan buffle pada tangki

Gambar 2.7 Proses pengadukan dengan pemasangan buffle. Tujuan pemasangan buffle adalah untuk memotong resultan dari gaya sentripertal dengan gaya gravitasi pada proses pengadukan (McCabe, 1993). Sehingga vortek dapat dihindari. Pemasangan buffle mempunyai batasan tersendiri dengan mengikuti perbandingan dari diameter pengaduk, diameter dari tangki atau bejana pengaduk dan lebar buffle. 2.9

Kecepatan Pengaduk Salah satu variasi dasar dalam proses pengadukan dan pencampuran adalah

kecepatan putaran pengaduk yang digunakan. Variasi kecepatan putaran pengaduk bisa memberikan gambaran mengenai pola aliran yang dihasilkan dan daya listrik yang dibutuhkan dalam proses pengadukan dan pencampuran. Secara umum

12

klasifikasi kecepatan putaran pengaduk pada industri kimia dibagi tiga, yaitu : kecepatan putaran rendah, sedang dan tinggi. 2.9.1

Kecepatan Putaran Rendah Kecepatan rendah yang digunakan berkisar pada kecepatan 400 rpm.

Pengadukan dengan kecepatan ini umumnya digunakan untuk minyak kental, lumpur dimana terdapat serat atau pada cairan yang dapat menimbulkan busa. Jenis pengaduk ini meghasilkan pergerakan batch yang empurna dengan sebuah permukaan fluida yang datar untuk menjaga temperatur atau mencampur larutan dengan viskositas dan gravitasi spesifik yang sama. 2.9.2

Kecepatan Putaran Sedang Kecepatan sedang yang digunakan berkisar pada kecepatan 1150 rpm.

Pengaduk dengan kecepatan ini umumnya digunakan untuk larutan sirup kental dan minyak pernis. Jenis ini paling sering digunakan untuk meriakkan permukaan pada viskositas yang rendah, mengurangi waktu pencampuan, mencampuran larutan dengan

viskositas

yang

berbeda

dan

bertujuan

untuk

memanaskan

atau

mendinginkan. 2.9.3 Kecepatan Putaran Tinggi Kecepatan tinggi yang digunakan berkisar pada kecepatan 1750 rpm. Pengaduk dengan kecepatan ini umumnya digunakan untuk fluida dengan viskositas rendah misalnya air. Tingkat pengadukan ini menghasilkan permukaan yang cekung pada viskositas yang rendah dan dibutuhkan ketika waktu pencampuran sangat lama atau perbedaan viskositas sangat besar. 2.10

Kebutuhan Daya Pengaduk

2.10.1 Reynolds Number Menurut Broadkey, 1988. Bilangan Reynolds merupakan bilangan tak berdimensi yang menyatakan perbandingan antara gaya inersia dan gaya viskos. Untuk sistem dengan pengadukan:

13

Nre =

= M0L0T0 (bilangan tak berdimensi)

=

................................................................................................ (2.2) Dimana : NRE = Reynolds Number D

= Diameter ( m )

v

= kecepatan pengaduk ( m/s )

ρ

= Massa Jenis Fluida ( kg/m3)

μ

= Vikositas Fluida ( kg/m.s )

2.10.2 Bilangan Fraude Bilangan Fraude menunjukkan perbandingan antara gaya inersia dengan gaya gravitasi. Bilangan Fraude dapat dihitung dengan persamaan berikut: Fr = g (ρa vb Lc) Fr = LT-2 [(ML-3) (LT-1) (L) = g (ρ0 v-2 L) Fr = Fr =

=

=

................................................................................. (2.3)

Dimana: Fr = bilangan Fraude N = kecepatan putaran pengaduk (m/s) D = diameter pengaduk (m) g = percepatan gravitasi (m/s2) 2.10.3 Bilangan Power Bilangan Power menunjukkan perbandingan antara perbedaan tekanan yang dihasilkan aliran dengan gaya inersianya. Perubahan tekanan akibat distribusi pada permukaan pengaduk dapat diintegrasikan menghasilkan torsi total dan kecepatan pengaduk.

14

................................................................................. (2.4) Dimana: Po

= bilangan daya

ρ

= densitas fluida (kg/m3)

N

= kecepatan pengaduk (m/s)

Da

= diameter pengaduk (m)

P

= daya (watt)

Korelasi antara bilangan Power dengan Reynold serta Fraude ditunjukkan pada persamaan-persamaan berikut: Untuk sistem tanpa baffle : Po = aReb Prc Untuk sistem dengan baffle : Po = aReb Dimana: Pr = bilangan Prandtl a, b, c = konstanta eksperimental 2.11

Karakteristik Pengadukan dan Pencampuran Agar bejana proses bekerja efektif pada setiap masalah pengadukan, volume

fluida yang disirkulasikan impeller harus cukup besar agar dapat menyapu keseluruhan bejana dalam waktu yang singkat. Demikian pula, kecepatan arus yang meninggalkan impeller harus cukup tinggi agar dapat mencapai semua sudut tangki. Keturbulenan aliran adalah akibat arus yang terarah baik serta gradien kecepatan yang cukup besar di dalam zat cair. Sirkulasi dan pembangkitan ke turbulenan aliran memerlukan energi, dan terdapat hubungan antara pemasukan daya dan parameter perancangan bejana pencampur berpengaduk. Agitator turbin pada prinsipnya adalah pompa impeller yang beroperasi tanpa rumahan, dengan aliran masuk dan aliran keluar yang tidak terarah. Hubunganhubungan penentu untuk agitator turbin identik dengan hubungan untuk pompa sentrifugal. Jika kecepatan tangensial zat cair merupakan fraksi k tertentu dari kecepatan di ujung daun, maka

15

V'u2 = k.u2 = k.π.Da.n .................................................................................. (2.5) Karena, u2 = π. Da.n, maka laju aliran volumetrik melalui impeller adalah: q = V’r2.Ap ................................................................................................... (2.6) Dimana: u2

= kecepatan pada ujung daun (m/s)

n

= jumlah daun impeller

V’u2 dan V’r2 = kecepatan tangensial dan kecepatan radial zat cair yang meninggalkan ujung daun impeller (m/s) V’2

= adalah kecepatan total cairan pada titik tersebut (m/s)

Profil vektor kecepatanpengadukan pada ujung daun impeller dapat dilihat pada Gambar 2.8

Gambar 2.8 Profil Kecepatan pada Ujung Daun Impeller Ap diambil dari luas silinder yang terbentuk dari sapuan ujung daun impeller, atau: Ap = π.Da.W ............................................................................................... (2.7) Dimana: W adalah lebar daun impeller Dari geometri terlihat bahwa: V’r2 = (u2 – V’u2)tanβ’2 ............................................................................... (2.8)

16

Substitusi V’u2 memberikan: V’r2 = π. Da. n (1-k). tanβ’2 .......................................................................... (2.9) Maka laju alir volumeteri adalah: q = π2.Da2.n.W.(1-k). tanβ’2 ........................................................................ (3.0) Untuk impeller bergeometri sama W sebanding dengan Da, sehingga untuk nilai k dan β’2berlaku q ∝ n.Da3 ..................................................................................................... (3.1) Rasio antara kedua besaran tersebut disebut angka aliran (flow number) NQ yang didefinisikan sebagai: NQ =

..................................................................................................... (3.2)

Untuk impeller turbin NQ adalah fungsi ukuran relatif impeller dan tangki. Untuk bejana berpengaduk dan bersekat (untuk turbun rata berdaun 6 dengan W/Da = 1/5), nilai NQ adalah 1,3. Untuk turbin berdaun rata, aliran total, diperkirakan dari waktu sirkulasi rata-rata cairan yang terlatut adalah: q = 0.92.n. Da3 * + ...................................................................................... (3.3) Salah satu pertimbangan yang sangat penting dalam merancang bejana pengaduk adalah kebutuhan daya untuk memutar impeller. Bila aliran di dalam tangki adalah turbulen, kebutuhan daya dapat diperkirakan dari hasil kali aliran q yang didapat dari impeller dan energi kinetik Ek per satuan volume fluida. Besaran aliran q adalah: q = n.Da3.NQ ................................................................................................ (3.4) Sedangkan energi kinetik aliran didiefinisikan sebagai: Ek =

.................................................................................................. (3.5)

Kecepatan V’2 sedikit lebih kecil dari kecepatan ujung u2. Jika rasio V’2/u2 disimbolkan dengan α, maka V’2 = α.π.n.Da, dan kebutuhan daya adalah: 17

P = n.Da3.NQ

(π. Da. n. )2 .................................................................. (3.6)

(

) ................................................................................ (3.7)

P=

Dalam bentuk tanpa dimensi persamaan tersebut menjadi: =

..................................................................................... (3.8)

Ruas kiri persamaan tersebut dianamakan bilangan daya (power number) NP, yang didefinisikan sebagai: Np =

.......................................................................................... (3.9)

Untuk menaksir daya yang diperlukan untuk memutar impeller pada kecepatan tertentu, diperlukan korelasi empirik mengenai daya (bilangan daya). Bentuk korelasi demikian didapatkan dari analisis dimensi, bila spesifikasi tangki, sekat, dan impeller diketahui.Variabel-variabel yang dianalisis adalah dimensi penting tangki, sekat, dan impeller, viskositas, densitas, dan kecepatan zat cair, serta fenomena vorteks yang terjadi di permukaan cairan. Sebagian zat cair akan terangkat lebih tinggi dari permukaan ratarata zat cair, yaitu permukaan dalam keadaan tidak teraduk, dan gaya angkat ini harus diatasi oleh gaya gravitasi.Gugus-gugus tanpa dimensi yang berkorelasi dengan bilangan daya adalah bilangan Reynolds, bilangan Froude, dan faktor bentuk, sehingga dapat dirumuskan persamaan: Np = ψ (NRE, NFR, S1, S2,.....,Sn) ............................................................ (4.0) Berbagai faktor bentuk dalam persamaan tersebut ditentukan oleh jenis dan susunan alat. Ukuran-ukuran penting untuk bejana dengan pengaduk turbin yang umum disajikan pada Gambar 2.9

18

Gambar 2.9 Ukuran Bejana Faktor-faktor bentuk yang berhubungan dengan dimensi bejana, sekat, dan impeller tersebut adalah: S1 = Da/Dt, S2 = E/Da, S3 = L/Da, S4 = W/Da, S5 = J/Dt dan S6 = H/Dt. Faktor-faktor tersebutlah yang biasanya dikorelasikan dengan bilangan-bilangan tak berdimensi dan diplot dalam grafik-grafik korelasi. Contoh grafik NP terhadap NRE untuk tangki disajikan pada Gambar 2.10

19

Gambar 2.10 Korelasi Bilangan Reynolds dan Bilangan Daya. Kriteria keberhasilan pencampuran biasanya diamati secara visual. Kriteria lain adalah fluktuasi konsentrasi setelah suatu pencampur diinjeksikan ke dalam aliran fluida, variasi dalam analisis sampel yang diambil secara random dari berbagai titik dalam campuran kecil, laju perpindahan zat terlarut dari suatu fasa cair ke dalam fasa lain, serta keseragaman suspensi. Pencampuran zat cair yang miscible di dalam tangki merupakan proses yang berlangsung cepat dalam daerah aliran turbulen. Impeller akan menghasilkan arus kecepatan tinggi, fluida dapat bercampur baik di daerah sekitar impeller karena adanya keturbulenan. Pada waktu arus melambat karena membawa serta aliran lain di sepanjang dinding, terjadi juga pencampuran radial sedang pusaran-pusaran besar pecah menjadi kecil, tetapi tidak banyak terjadi pencampuran pada arah aliran, Fluida akan mengalami satu lingkaran penuh dan kembali ke pusat impeller, dan berkontak dengan massa fluida yang lain dan terjadi pencampuran (McCabe, 1993).

20

Menurut Galletti et al. (2004) hubungan antara Bilangan Power (Np) dengan Bilangan Reynolds (NRe) biasanya digunakan untuk menggambarkan hubungan antara konsumsi energi dengan kecepatan pengadukan. Hubungan ini digambarkan dalam bentuk kurva tenaga (power – curve). Kurva ini diperoleh dengan cara memplotkan nilai – nilai Np dan N Re berdasarkan data hasil percobaan yang meragamkan nilai kecepatan pengaduk (N), diameter pengaduk (D), densitas (Ρ), dan viskositas (η) cairan pada tiap – tiap pengaduk yang mempunyai kesamaan geometrik tertentu.

21

BAB III METODOLOGI PERCOBAAN 3.1 1.

Alat yang Digunakan Unit tangki berpengaduk Diameter tangki

2.

3.2 1.

Impeller dengan berbagai tipe : propeller 3 daun dan turbin 8 daun Diameter propeller

= 0,014 m

Diameter Turbine

= 0,08 m

Bahan yang Digunakan Air Densitas air (ρ)

2.

= 0,3 m

= 1 gr/cm3 = 1000 kg/m3

Butiran Plastik Berwarna

3.3

Prosedur Percobaan

3.3.1

Penentuan Pola Aliran

1.

Tangki dibersihkan terlebih dahulu sebelum digunakan. Tujuan tangki dibersihkan, agar tidak ada kotoran yang mempengaruhi proses pengamatan pola aliran yang terbentuk.

2.

Tangki diisi dengan air hingga ketinggian 30 cm dari dasar tangki.

3.

Pengaduk dipasang pada posisi yang tersedia pada batang poros tangki berpengaduk .

4.

Sejumlah butiran plastik berwarna ditambahkan (dimasukkan) kedalam tangki. Tujuan penambahan plastik berwarna ini untuk memudahkan praktikan mengamati pola aliran yang terbentuk saat operasi pengadukan.

5.

Motor pengaduk dihidupkan.

6.

Kecepatan putar motor pengaduk diatur dengan penambahan kecepatan yang tidak terlalu besar (sekitar 20 rpm).

22

7.

Gerakan fluida (air) didalam tangki diamati, sampai terlihat bentuk pusaran dan vortex pada permukaan air.

8.

Pola aliran yang terbentuk diamati.

3.3.2 Penentuan Karakteristik Daya Pengaduk 1.

Tangki diisi dengan air hingga ketinggian 30 cm dari dasar tangki.

2.

Pengaduk jenis propeller dipasang pada posisi yang tersedia.

3.

Klem penyetel neraca pegas dikendorkan sehingg memungkinkan tachometer dapat bergerak bebas.

4.

Posisi kedudukan tachometer diatur pada posisi netral, jika dianggap perlu bar setting dapat dipakai untuk mengatur tegangan pegas.

5.

Panjang tali (pada pegas) diatur sehingga posisi indikator/penunjuk garis dengan tanda (garis putih) dan selubung pegas pada posisi netral.

6.

Laju putaran motor diatur, dengan memutar pengatur kecepatan motor pada panel kendali dengan kenaikan yang tetap. Tujuan pengaturan kecepatan ini untuk melihat pengaruh kecepatan pengaduk terhadap daya pengadukan.

7.

Ulangi prosedur untuk paddle dan turbin dengan variasi sekat dan tanpa sekat.

8.

Power Number (Po) dan Reynold Number (Re) dihitung berdasarkan data yang di dapatkan.

23