PENCAMPURAN CAIR-CAIR
1. Definisi Umum Pengadukan dan PencampuranKeberhasilan suatu
operasi pengolahan biasanya sangat bergantung pada efektifnya
pengadukan dan pencampuran zat cair dalam suatu proses. Pengadukan
atau agitasi adalah perlakuan dengan gerakan terinduksi pada suatu
bahan di dalam bejana dimana gerakan tersebut biasanya mempunyai
pola sirkulasi. Sedangkan istilah pencampuran secara umum adalah
peristiwa menyebarnya bahan-bahan secara acak yaitu bahan yang satu
menyebar ke dalam bahan yang lain, dimana bahan-bahan tersebut
sebelumnya terpisah dalam dua fase atau lebih . Faktor-faktor yang
dapat mempengaruhi proses pengadukan dan pencampuran
diantaranya
adalah :1. Perbandingan antara geometri tangki dengan geometri
pengaduk.2. Bentuk dan jumlah pengaduk.3. Posisi sumbu pengaduk.4.
Kecepatan putaran pengaduk.5. Penggunaan sekat dalam tangki.6.
Sifat fisik fluida yang diaduk.Oleh karena itu, diperlukan
seperangkat alat tangki berpengaduk yang dapat digunakan untuk
mempelajari operasi pengadukan dan pencampuran tersebut. 2.
Fenomena Aliran Fluida
Perilaku fluida merupakan hal yang penting dalam teknik proses
pada umumnya, dan ilmu yang mempelajari perilaku fluida disebut
mekanika fluida. Mekanika fluida mempunyai dua cabang yaitu statika
fluida dan dinamika fluida. Pada dinamika fluida, terjadi beberapa
fenomena aliran fluida karena fluida tersebut dalam keadaan
bergerak, relatif terhadap bagian fluida lainnya.
2.1. Aliran laminar danturbulen
Aliran laminar adalah aliran fluida yang pada kecepatan rendah,
fluida cenderung mengalir tanpa pencampuran secara lateral dan
lapisan-lapisan fluida yang berdampingan menggelincir di atas satu
sama lain. Pada aliran laminar tidak terjadi aliran silang atau
pusaran (eddy). Bila laju aliran ditingkatkan sehingga kecepatannya
menjadi lebih tinggi dan akan di capai suatu kecepatan yang disebut
dengan kecepatan kritis, maka aliran fluida akan menjadi
bergelombang dan perilaku aliran fluida menjadi tidak lagi laminar
tetapi bergerak kemana-mana dalam bentuk aliran silang dan pusaran.
Aliran ini dinamakan aliran turbulen.2.2. Fluida Newton danfluida
non-Newton
Pada Gambar 1, terdapat beberapa perilaku reologi fluida.
Gambar 1. Grafik tegangan-geser terhadap gradient-kecepatan pada
fluida Newton dan fluida non-NewtonKurva-kurva pada Gambar 1
merupakan pemetaan dari tegangan-geser terhadap laju-geser dan
berlaku pada suhu dan tekanan tetap. Kurva A merupakan kurva fluida
yang disebut fluida Newton, karena fluida ini mematuhi kelinearan
sederhana yaitu garis lurus melalui pusat. Kurva-kurva lain pada
gambar 1 menunjukkan perilaku zat cair yang disebut non-Newton yang
diuraikan sebagai berikut.
a. Kurva B disebut dengan kurva zat cair bersi fat plastik
Bingham dikarenakan sifat zat cair tersebut tidak mengalir sama
sekali sebelum tercapai suatu tegangan-geser ambang, yang ditandai
dengan lambang o, dan mengalir secara linear pada tegangan-geser di
atas o. b. Kurva C disebut dengan kurva fluida pseudoplastik karena
kurvanya melalui pusat, tetapi cekung kebawah pada geser yang
rendah dan menjadi linear pada geser yang lebih tinggi.
Pseudoplastik dikatakan bersifat mengencer dengan laju geser (shear
rate thinning).
c. Kurva D disebut dengan kurva fluida dilatan karena kurva ini
cekung keatas pada tegangan rendah, dan menjadi linear pada
tegangan tinggi. Fluida dilatan dikatakan bersifat mengental dengan
laju geser (shear rate thickening).2.3. Angka Reynolds
Angka Reynolds (NRe) adalah gugus variabel tanpa dimensi yang
menunjukkan suatu nilai tertentu pada saat terjadi perubahan jenis
aliran. Reynolds mempelajari kondisi ketika satu jenis aliran
berubah menjadi aliran jenis lain, dan menemukan bahwa kecepatan
kritis ketika aliran laminar berubah menjadi aliran turbulen,
bergantung pada empat buah besaran yaitu (1) diameter tabung, (2)
viskositas zat cair, (3) densitas zat cair, dan (4) kecepatan
linear rata-rata zat cair. Keempat faktor tersebut digabungkan
menjadi gugus variabel yang dinyatakan sebagai berikut.
NRe =
(1.1)dengan : D = diameter tabung
= kecepatan rata-rata zat cair
= viskositas zat cair
densitas zat cair
v = viskositas kinematik za tcair
Angka Reynolds padaaliran laminar selalu ditemukan di bawah 2100
sedangkan pada aliran turbulen yaitu diatas 4000. Pada angka
Reynolds antara 2100 dan 4000, terdapat suatu daerah transisi yaitu
jenis aliran pada daerah tersebut dapat merupakan laminar ataupun
turbulen. Pada fluida non-Newton, karena tidak mempunyai viskositas
bernilai tunggal yang tidak bergantung pada laju-geser
(viskositasnya semu) maka pers. 1.1 untuk menentukan angka Reynolds
tidak dapatdigunakan.3. Pengadukan Zat CairPengadukan zat cair
dilakukan untuk beberapa tujuan antara lain :
1. Untuk membuat suspensi partikel zat padat.
2. Untuk meramu zat cair yang mampu campur (miscible) ,
umpamanya metil alkohol dan air.
3. Untuk menyebarkan (dispersi ) gas di dalam zat cair dalam
bentuk gelembung-gelembung kecil.
4. Untuk menyebarkan zat cair yang tidak tidak dapat bercampur
dengan zat cair yang lain, sehingga membentuk emulsi atau suspensi
butiran- butiran halus.
5. Untuk mempercepat perpindahan kalor antara zat cair /
kumparan mantel kalor.3.1. Alat Pengaduk
Zat cair biasanya diaduk di dalam suatu tangki atau bejana yang
biasanya berbentuk silinder dengan sumbu terpasang vertikal. Bagian
atas bejana itu dapat terbuka ataupun tertutup. Bagian bawah atau
dasar tangki biasanya agak membulat sehingga dapat menghindari
terjadinya sudut-sudut tajam atau daerah yang sulit ditembus arus
zat cair. Di dalam tangki biasanya dipasang impeler (pengaduk) pada
ujung poros dengan sumbu vertikal menggantung ditumpu dari atas.
Poros tersebut digerakkan oleh motor yang biasanya dilengkapi
dengan gigi reduksi untuk menurunkan kecepatan motor penggerak.
Tangki biasanya dilengkapi dengan lubang masuk dan keluar, kumparan
kalor, mantel, dan sumur untuk menempatkan thermometer atau peranti
pengukuran suhu lainnya. Impeler yang berputar akan membangkitkan
pola aliran dalam sistem yang menyebabkan zat cair bersirkulasi di
dalam bejana. Tipe aliran dalam sistem pengadukan merupakan tipe
turbulen sehingga semakin tinggi perputaran impeler, maka semakin
tinggi tingkat turbulensinya.3.2. Jenis Pengaduk (Impeler)Dari segi
arahnya, ada dua macam impeler yaitu :a. Impeler aksial, yaitu
membangkitkan arus yang sejajar dengan sumbu impeler.
b. Impeler radial, yaitu membangkitkan arus yang arahnya radial
atau tangensial.Dari segi bentuknya, ada tiga jenis impeler yaitu
:
a. PropelerPropeler merupakan impeler beraliran aksial
berkecepatan tinggi untuk zat cair berviskositas rendah. Propeler
ukuran kecil biasanya diputar dengan kecepatan motor penuh yaitu
1.150-1.750 rpm, sedangkan propeler ukuran besar berputar pada
400-800 rpm. Arus zat cair yang meninggalkan propeler mengalir
secara aksial sampai dibelokkan oleh dinding bejana.b. Dayung
(paddle)
Dayung (paddle) merupakan impeler untuk operasi sederhana,
terdiri dari satu dayung datar yang berputar pada poros vertikal.
Dayung ini berputar di tengah bejana dengan kecepatan rendah sampai
sedang dan mendorong zat cair secara radial atau tangensial. Dayung
yang digunakan di industri biasanya berputar dengan kecepatan
antara 20 dan 150 rpm. Panjang total impeler dayung biasanya antara
50 sampai 80 persen dari diameter-dalam bejana. Lebar bladenya
seperenam sampai sepersepuluh panjangnya. Pada kecepatan yang
sangat rendah, dayung dapat memberikan pengadukan sedang di dalam
bejana tanpa-sekat, pada kecepatan yang lebih tinggi diperlukan
pemakaian sekat, sebab jika tidak, zat cair itu akan berputar-putar
saja mengelilingi bejana itu dengan kecepatan tinggi, tetapi tanpa
adanya pencampuran.
c. Turbin
Turbin merupakan impeler berdaun banyak dengan daun-daun yang
agak pendek, berputar pada kecepatan tinggi pada suatu poros yang
dipasang di pusat bejana. Daun-daunnya ada yang lurus dan ada yang
melengkung. Impelernya terdiri dari 3 macam yaitu terbuka, setengah
terbuka, dan terselubung. Diameter impeler lebih kecil daripada
diameter dayung, berkisar antara 30-50% diameter bejana. Turbin
biasanya lebih efektif untuk jangkau viskositas yang cukup luas.
Arus utamanya bersifat radial sehingga dapat menghasilkan vortex
dan arus putar, yang harus dihentikan menggunakan sekat (baffle)
atau diffuser.
Gambar 2. Jenis impeler-impeler untuk pencampuran: (a)
three-blade marine propeller; (b) open straight-blade turbine; (c)
bladed disk turbine; (d) vertical curved-blade turbine; (e)
pitched-blade turbine.3.3. Pola AliranPola aliran zat cair dalam
bejana yang sedang diaduk bergantung pada jenis impeler, sifat
fluida, ukuran serta perbandingan ukuran dari tangki, sekat maupun
agitator. Kecepatan fluida pada setiap titik dalam tangki mempunyai
3 komponen dan pola aliran keseluruhan di dalam tangki dipengaruhi
oleh variasi dari 3 komponen tersebut. Tiga komponen tersebut yaitu
radial yang bekerja pada arah tegak lurus poros, longitudinal atau
aksial yang pada arah paralel dengan poros dan tangensial atau
rotasional pada arah singgung terhadap lintasan lingkar di
sekeliling poros. Komponen radial dan longitudinal biasanya sangat
aktif dalam memberikan aliran yang diperlukan untuk melakukan
pencampuran dibandingkan dengan komponen tangensial. Komponen
tangensial cenderung menimbulkan vorteks pada permukaan zat cair
dan mengakibatkan pencampuran tidak terjadi melainkan terjadi
penggumpalan.3.4. Draft TubesAliran balik ke sebuah impeler dan
mencapai impeler dari berbagai arah tidak dipengaruhi oleh
permukaan padatan. Aliran ke propeler dan dari propeler pada
dasarnya sama dengan aliran udara dari dan ke kipas yang beroperasi
di dalam sebuah ruang. Draft tubes digunakan untuk mengendalikan
kecepatan dan arah aliran menuju pengisap impeler, seperti terlihat
pada Gambar 3. Draft tubes untuk propeler biasanya dipasang
mengelililngi impeler, sedangkan draft tubes untuk turbin dipasang
persis di atas impeler. Draft tubes menyebabkan gesekan fluida di
dalam sistem bertambah, dan menyebabkan berkurangnya laju aliran,
sehingga apabila tidak terlalu diperlukan, draft tubes tersebut
tidak dipergunakan.
Gambar 3. Draft tubes, baffled tank: (a) turbine; (b) propeler.
(After Bissell et al.3)3.5. Angka AliranAgitator turbin dan
agitator propeler pada dasarnya adalah suatu pompa impeler yang
beroperasi tanpa selubung, dengan aliran masuk dan aliran keluar
yang tidak terarah. Hubungan-hubungan penentu untuk turbin serupa
dengan hubungan untuk pompa sentrifugal. Perhatikan impeler turbin
berdaun rata pada Gambar 3.Tatanama yang digunakan pada angka
aliran antara lain : u2 ialah kecepatan pada ujung daun; Vu2 dan
Vr2 masing-masing adalah kecepatan tangensial dan kecepatan radial
sebenarnya daripada zat cair yang meninggalkan ujung daun impeller,
sedangkan V2 ialah kecepatan total zat cair pada titik itu.
Gambar 4. Velocity vectors at tip of turbine impeller
bladeAsumsikan bahwa kecepatan tangensial zat cair merupakan suatu
fraksi k tertentu daripada kecepatan pada ujung daun, atau
(1.2)Karena u2 = Dan. Laju aliran volumetrik melalui impeler
ialah
(1.3)Disini Ap merupakan luas silinder yang dibuat dengan sapuan
ujung daun impeler, atau
(1.4)Dimana : Da = diameter impeller
W = lebar daun impeller
Dari geometri gambar 4
(1.5)Substitusi terhadap Vu2 dari persamaan 1.2 menghasilkan
(1.6)Laju aliran volumetri, dari persamaan 1.3 1.5 adalah
(1.7)Untuk impeler-impeler yang geometrinya sama, W sebanding
dengan Da, sehingga untuk nilai k dan 2
(1.8)Rasio antara kedua besaran itu disebut angka aliran (flow
number) NQ yang didefinisikan oleh
(1.9)Persamaan 1.7 sampai 1.9 menunjukkan bahwa jika 2
ditetapkan, NQ akan konstan. Untuk propeler kapal, 2 dan NQ dapat
dianggap konstan; untuk turbin, NQ merupakan fungsi dari ukuran
relatif impeler dan tangki. Untuk rancangan bejana aduk bersekat,
disarankan nilai-nilai berikut ini :
Untuk propeler kapal13b (jarak bagi bujur sangkar)
NQ = 0,5
Untuk turbin 4- daun 45o 13b (W/Da = )
NQ = 0,87
Untuk turbin rata 6-daun16 (W/Da = )
NQ = 1,3
3.5. Kebutuhan Daya
Kebutuhan daya untuk mendorong impeler sangat penting
diperhitungkan dalam merancang bejana. Apabila aliran didalam
tangki adalah turbulen, kebutuhan daya dapat ditaksir dari hasil
kali aliran (q) yang didapatkan dari impeler dan nenrgi kinetik
(Ek) per satuan volume fluida. Besaran-besaran itu ialah
q = n Da3NQ
(1.10)
Ek =
(1.11)Kecepatan V2 sedikit lebih kecil dari kecepatan ujung u2.
Jika rasio V2/u2 ditandai dengan , maka V2 = nDa, dan kebutuhan
daya ialah
P = n Da3 NQ2 = (NQ)
(1.12)
Dalam bentuk tanpa dimensi
= NQ
(1.13)Ruas kiri per ruas per ruas kanan dinamakan angka daya
(power number), Np, yang didefinisikan oleh
Np
(1.14)Untuk turbin standart berdaun enam NQ = 1,3 dan jika
dianggap 0,9 Np = 5,2.
Gambar 5. Angka daya Np vs NRE untuk turbin berdaun enam. Untuk
bagian kurva D dengan garis putus-putus,nilai Np dibaca dengan
NFrm
Gambar 6. Angka daya Np vs NRE untuk propeler berdaun tiga.
Untuk bagian kurva B, C dan D dengan garis putus-putus, nilai Np
dibaca dengan NFrmPada angka Reynolds yang rendah, yaitu dibawah
kira-kira 300, untuk tangki yang mempunyai sekat maupun untuk
tangki tanpa sekat, kurva angka dayanya adalah identik, yang dapat
dilihat pada Gambar 6. Dalam daerah ini aliran laminar dan densitas
tidak lagi berpengaruh. Pada angka Reynolds yang lebih dari 10.000,
kurva memisah, dan angka daya tidak bergantung pada angka Reynold,
serta viskositas tidak berpengaruh. Kurva untuk tangki bersekat
ditunjukkan oleh kurva D pada Gambar 5 dan untuk tangki tanpa sekat
ditunjukkan oleh kurva B, C dan D pada Gambar 6. Di daerah Reynolds
demikian yang biasanya dihindarkan dalam praktek dengan tangki
tanpa sekat. Untuk tangki tak bersekat, angka daya Np yang dibaca
dari skala ordinat harus dikoreksi dengan mengalikannya dengan
angka Froude :Np = (NFr)m
(1.15)dengan rumus m adalah
m = a-log10NRe/b
(1.16)4. Pencampuran Zat CairPencampuran digunakan pada berbagai
macam operasi untuk mendapatkan suatu campuran dari bahan-bahan
dengan homogenitas yang berbeda-beda, misalnya dua macam zat cair
digabungkan dalam satu tempat hingga seluruhnya bercampur dengan
baik. Proses pencampuran dapat dilakukan dalam sebuah bejana atau
tangki yang dilengkapi dengan sistem pengadukan. Pencampuran zat
cair dapat terjadi pada zat cair yang mampu-campur.4.1 Pencampuran
zat cair yang mampu-campur
Pencampuran zat cair yang mampu campur (miscible) di dalam
tangki merupakan proses yang berlangsung cepat dalam daerah
turbulen. Impeler yang terputar akan menghasilkan arus kecepatan
tinggi, dan fluida dapat bercampur dengan baik di daerah sekitar
impeler karena adanya keturbulenan yang tinggi. Pada waktu arus
melambat karena membawa ikut zat cair lain dan mengalir di
sepanjang dinding, terjadi juga pencampuran radial.
Perhitungan yang didasarkan atas model ini yaitu waktu
pencampuran dapat diperkirakan dari korelasi mengenai aliran total
yang dihasilkan dari berbagai jenis impeler. Untuk turbin berdaun
enam standar, berlaku :
q = 0.92 . n . . (Dt/Da)
(1.17)
tT =
(1.18)n . tT .(Da/Dt)2 (Dt/H) = konstan = 4.3
(1.19)Untuk tangki dan impeler tertentu, atau untuk berbagai
sistem yang secara geometris serupa, waktu pencampuran diperkirakan
akan berubah secara terbalik dengan kecepatan pengaduk, sebagaimana
dapat dilihat pada Gambar 7 dibawah ini.
Gambar 7. Waktu-campur dalam bejana yang diaduk. Garis
putus-putus adalah untuk tangki tanpa sekat; garis penuh untuk
tangki bersekat
Waktu pencampuran akan jauh lebih besar bila angka Reynolds
berkisar antara 10-1000, walaupun konsumsi daya tidak banyak
berbeda daripada keadaan turbulen. Faktor waktu pencampuran dapat
disusun kembali untuk menunjukkan perbedaannya dalam persamaan
:
fT = n. tT .(Da/Dt)2 (Dt/H)1/2 . (g/n2 . Da)1/6
(1.20)fT =
(1.21)Dimana : Da : diameter impeler
Dt : diameter tangki
Impeler-impeler jenis lain mungkin lebih cocok untuk mencampur
zat cair-zat cair tertentu. Agitator pita heliks (helical ribbon
agitator) hanya memerlukan waktu campuran yang jauh lebih pendek
dengan pemasukan daya yang sama untuk zat cair yang sangat viskos,
tetapi lebih lambat daripada turbin dengan zat cair encer. Waktu
pencampuran dengan impeler lebih tinggi daripada turbin, tetapi
konsumsi daya tentu jauh lebih rendah untuk kecepatan pengaduk yang
sama.Pada zat cair pseudoplastik, waktu campur pada angka Reynolds
dibawah kira-kira 1000 jauh lebih lama dari pada untuk zat cair
Newton pada kondisi impeler yang sama. Dalam daerah geser rendah,
jauh dari impeler, viskositas semua zat cair pseudoplastik lebih
besar daripada di dekat impeler. Di daerah yang jauh-jauh ini,
pusaran turbulen hilang dengan cepat dan terbentuk zona dimana zat
cair hampir stagnan. Kedua efek itu mengakibatkan pencampuran yang
kurang baik dan waktu pencampuran yang panjang.DAFTAR PUSTAKAMc
Cabe, Warren L., J.C. Smith, dan Peter Harriott : Unit Operations
of Chemical Engineering eds. 4, McGraw-Hill, New York, 1985,
diterjemahkan oleh Ir.E.Jasjfi M.ScMakalah Unit Operasi Proses
MekanikPencampuran Cair-Cair
Disusun oleh :
Ananda Dwi Utomo
21030113120016Anggita Widiasari
21030113120045Bima Rizkia Ramadhan
21030113140122Christyowati Primi Sagita
21030113130142Erdita Aprillia Yuga Pamujo
21030113120018Ihdina Sulistianingsih
21030113140124Joe Epridoena Sinulingga 21030113130118Latif
Alfiyan Zuhri
21030113120070Naufal Rilanda
21030113120004Noer Indah Ardiani
21030113140121Sherly Zagita Listiyani N.
21030113120023JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS DIPONEGORO
2014