02 Agitasi [PDF]

Citation preview

UNIT OPERASI - II



SISTEM AGITASI



GOALS After completing the course, the student should be: 1. Understand the basic fundamental of agitation in a stirred tank. 2. Understand the mechanisms of mixing and their effect on mixing time in a stirred tank 3. Understand in what contexts a certain type of impeller is an appropriate treatment technology (have an overview of potential advantages and disadvantages) 4. Know the appropriate level of operations, maintenance and monitoring necessary to achieve a certain goal of agitation. 5. Able to scale-up a stirred tank with a case study of mixing (selection, sizing, power consumption, process control and monitor) 2



POKOK BAHASAN A. PENDAHULUAN B. SISTEM PENGADUKAN C. JENIS PENGADUK D. POLA ALIRAN



E.



ANGKA ALIRAN



F.



KEBUTUHAN DAYA



G. KORELASI DAYA



H. PENCAMPURAN I.



CONTOH SOAL 3



Pendahuluan - Definisi ❑



Agitasi atau pengadukan adalah perlakuan dengan gerakan terinduksi thd suatu bahan didalam bejana; gerakan tersebut biasanya mempunyai pola tertentu. ▪ Perputaran daun pengaduk ▪ Sirkulasi dengan pompa ▪ Menggelembungkan udara/gas dalam cairan



❑



Pencampuran (mixing) adalah peristiwa menyebarnya bahan-bahan secara acak; bahan yang satu menyebar ke dalam bahan yang lain dan sebaliknya yang mana bahan-bahan tersebut sebelumnya terpisah dalam dua fasa atau lebih



Pengadukan dengan perputaran daun pengaduk dalam sistem zat cair 4



PREVIEW ❑ Almost 99% of process industries applied agitation as important part of the process (influence the reaction rate, yield and product consistency) ❑ Mixing → reducing inhomogenity by appliying mechanical forces ❑ One of the methods for Mixing is Agitation in a stirred tank



“ChE Undip for better life”



Tujuan Agitasi ▪ MEMBUAT SUSPENSI DENGAN PARTIKEL ZAT PADAT Tepung Pati – Air



▪ MERAMU ZAT CAIR YANG MAMPU CAMPUR (MISCIBLE) Etanol – Air ▪ MENDISPERSIKAN GAS DALAM ZAT CAIR BERUPA GELEMBUNG-GELEMBUNG KECIL Udara – Air ▪ MENDISPERSIKAN ZAT CAIR YANG TIDAK MAMPU CAMPUR (IMMISCIBLE) SEHINGGA MEMBENTUK EMULSI Minyak – Air ▪ MEMPERCEPAT PERPINDAHAN KALOR ANTARA ZAT CAIR DENGAN MEDIA PENDINGIN ATAU PEMANAS Cairan reaksi – Air Pendingin ▪ PERTUMBUHAN KRISTAL Gula - Air 6



AGITATION EQUIPMENT Rotating impellers: - Vessels conical, hemispherical, rectanggular, cylindrical



- Baffles - Impellers 7 “ChE Undip for better life”



Circulating Pump Systems: ▪ Vessels conical, hemispherical, rectanggular, cylindrical



▪ Centrifugal pump



8 “ChE Undip for better life”



Reciprocating Paddles:



▪ Rectanggular Tanks ▪ Paddle / blade moved back and forth through the tank



9 “ChE Undip for better life”



Air Lift and Air Agitators:



▪ Tanks ▪ Large diameter tube



10 “ChE Undip for better life”



Mixing Jet



▪ Cylindrical tank ▪ Nozzles



11 “ChE Undip for better life”



Static/Inline Mixing ▪ Pipe ▪ Turbulence promoters, (orifices or baffles) ▪ Centrifugal pumps



12 “ChE Undip for better life”



AGITATOR SELECTION Find out the objectives and requirements of the process



Analyze the phases involved in the process 13



“ChE Undip for better life”



Role of Thumb IMPELLER SELECTION



BASED ON LIQUID VISCOSITY AND TANK VOLUME



14 “ChE Undip for better life”



Sistem Agitasi - Komponen ▪ Motor



Belt



Hand hole



Motor



▪ Daun Pengaduk (Impeller) ▪ Tangki / Bejana



▪ Baffle



H



J W Da



JIKA KEDALAMAN CAIRAN CUKUP TINGGI DAPAT DIPASANG DUA IMPELLER



E



Dt 15



Sistem Agitasi - Selection • The type of mixing required • The capacity of the vessel • The properties of fluid (viscosity)



GEOMETRI • Dimensi tangki



• Penempatan pengaduk 16



Jenis Pengaduk ❑ ALIRAN ▪ Impeler aliran aksial, yaitu membangkitkan arus yang arahnya sejajar dengan sumbu impeler ▪ Impeler aliran radial, yaitu membangkitkan arus yang arahnya radial atau tangensial dengan sumbu impeler



❑ BENTUK a. Dayung (paddle) b. Propeler



c. Turbin



a



b



c



17



Bentuk Impeller



Propeler



Dayung (paddle) Turbin 18



Bentuk Impeller



Three-bladed mixing propeller



Turbine with blades are inclined 45o



turbine with flat vertical blades



Curved blade turbines



Horizontal plate to which the impeller blades of this turbine are attached



Shrouded turbines



19



Bentuk Impeller



Flat plate impellers with saw tooth edges



Gate paddles



Cage beaters



Hollow shaft and hollow impeller



Anchor paddles



shrouded screw impeller and heat exchange coil 20



Bentuk Impeller



- Propeller



▪ Merupakan impeler aliran aksial berkecepatan tinggi



▪ Untuk zat cair dengan viskositas rendah ▪ Rpm : 1150–1750 (ukuran kecil); 400–800 (ukuran besar) ▪ Arus cairan meninggalkan propeler secara aksial sampai dibelokkan oleh lantai atau dinding bejana ▪ Berputar membuat pola heliks di dalam cairan



▪ Rasio jarak zat cair yang dipindahkan terhadap diameter propeler disebut jarak-bagi (pitch); jarak bagi = 1 disebut square pitch ▪ Paling banyak : marine propeller berdaun tiga dan square pitch ▪ Diameter propeler biasanya  18 in 21



Bentuk Impeller



- Paddle



▪ Perputaran paddle mendorong zat cair secara radial dan tangensial, hampir tanpa adanya gerakan vertikal ▪ Arus bergerak menjauhi pengaduk ke arah dinding, lalu membelok ke atas atau ke bawah ▪ Dapat disesuaikan dengan bentuk dasar bejana ▪ Rpm : 20 - 150



▪ Panjang paddle : 50 – 80% dari diameter bejana ▪ Lebar paddle : 0,10 – 0,25 dari panjangnya ▪ Biasanya perlu baffle



22



Bentuk Impeller



- Paddle



▪ Kebanyakan menyerupai agitator paddle berdaun banyak yang agak pendek dan berputar pada kecepatan tinggi ▪ Bentuk daun: lurus atau melengkung, dipasang vertikal atau bersudut



▪ Diameter: 30 – 50% dari diameter bejana ▪ Efektif untuk rentang viskositas yang cukup lebar ▪ Arus utama bersifat radial dan tangensial yang akan menimbulkan vorteks dan arus putar, yang biasanya dicegah dengan memasang sekat atau difuser



23



Pola Aliran – Karakteristik aliran Karakteristik pola aliran dalam tangka berpengaduk dipengaruhi oleh factorfactor berikut: ▪ Jenis impeller ▪ Sifat fluida



▪ Ukuran impeller ▪ Ukuran tangki ▪ Ukuran baffle ▪ Posisi impeller ▪ Kecepatan putar



24



Pola Aliran – Karakteristik aliran ❑ Tiga komponen aliran: radial pada arah tegak lurus poros; longitudinal atau aksial pada arah pararel poros; tangensial atau rotasional pada arah singgung terhadap lintasan lingkar di sekeliling poros



❑ Dalam posisi poros vertikal, komponen radial dan tangensial berada pada satu bidang horisontal, sedangkan komponen longitudinal adalah vertikal ❑ Komponen radial dan longitudinal sangat aktif dalam memberikan aliran yang diperlukan untuk melakukan pencampuran ❑ Terjadinya arus lingkar atau arus putar dapat dicegah dengan salah satu cara berikut: ▪ Pergeseran posisi poros pengaduk ▪ Pemasangan poros pada sisi tangki ▪ Pemasangan baffle 25



HIGH RE NUMBER-LOW VISCOSITY



26



LOW RE NUMBER-VISCOUS FLUID



27



Power Pengaduk ▪ An important consideration in the design of an agitated vessel is the power required to drive the impeller ▪ To estimate the power required, an empirical correlations of power number with the other variables of the system are needed ▪ Dimensionless groups: NRE NFR NP



= Reynold number = Froude number = power number



n Da



= speed of impeller = impeller diameter



gc ρ μ



= gravitational acc. = fluid density = viscosity 28



Power Pengaduk –



Angka Aliran



Impeller yang berputar akan menyebabkan terjadinya aliran fluida dengan berbagai arah: V’2 = kecepatan total zat cair V’2



Vu’2 = kecepatan tangensial zat cair



V r ’2  Vu’2 U2



Vr’2 = kecepatan radial zat cair



U2 = kecepatan pada ujung daun U2 = .Da.n Vu’2 = k.U2



Vr’2 = (U2 – Vu’2) tan 



= .Da.n.(1-k) tan 



Vu’2 = k..Da.n n = putaran pengaduk, rpm 29



Power Pengaduk –



Angka Aliran



Laju aliran volumetrik melalui impeller (q) adalah: q = Vr’2.Ap V’2



Ap = .Da.W



V r ’2  Vu’2 U2



Ap = luas silinder yang dibuat oleh sapuan ujung daun impeller Da = diameter impeller W = lebar daun impeller n = putaran pengaduk, rpm



Vr’2 = (U2 – Vu’2) tan 



= .Da.n.(1-k) tan 



q = 2.Da2.n.W.(1-k) tan 



30



Power Pengaduk –



Angka Aliran



Angka aliran (NQ) didefinisikan:



NQ =



q n.Da 3



• Propeller kapal (jarak bagi bujur sangkar) : NQ = 0,5 • Turbin 4 daun 45o (W/Da = 1/6) : NQ = 0,87 • Turbin rata 6 daun (W/Da = 1/5): NQ = 1,3 • Pada turbin daun rata terdapat hubungan empiris:



q = 0,92.n.Da3.(Dt/Da) 31



Power Pengaduk –



Korelasi Daya



Bila aliran cairan di dalam tangki adalah turbulen, kebutuhan daya pengaduk dapat diperkirakan dari perkalian aliran yang didapatkan dari impeller (q) dan energi kinetik per satuan volume fluida (Ek):



P = q.E k



.n 3 .Da 5 P= gc



q = n.Da 3 .N Q



.(V' 2 ) Ek = 2g c



2



P = n.Da N Q . / 2 g c ( . .n.Da)



Dalam bentuk tidak berdimensi:



 2 . 2 = NQ 2 n 3 .Da 5  P.g c



Jika rasio V’2/U2 ditandai dengan  maka V’2 = ..n.Da, sehingga kebutuhan daya adalah: 3



  22   NQ   2   



Ruas kiri dinamakan angka daya (power number), Np: 2



NP =



P.g c n .Da . 3



5



32



Power Pengaduk –



Korelasi Daya



Variabel yang berpengaruh terhadap daya pengaduk adalah:



▪ Sifat pengaduk : n, Da, W, L



Belt



Hand hole



▪ Sifat cairan : , 



Motor



▪ Percepatan gravitasi : g n



▪ Faktor geometri : H, E, J, Dt



H



J



Bila faktor bentuk diabaikan dan zat cairnya termasuk fluida Newtonian, maka:



W Da



E



P = (n, Da, , , g) Dt



L



33



Power Pengaduk –



Korelasi Daya



Dengan metode analisis dimensi, diperoleh:  n.Da 2 . n 2 .Da  P.g c  =     g n 3 .Da 3 .  



Jika memperhitungkan faktor bentuk, diperoleh:  n.Da 2 . n 2 .Da  =  , S1 , S 2 ,............, S n     g n 3 .Da 3 .  



Belt



Hand hole



Motor



H



J



P.g c



N P =  ( N Re , N Fr , S1 , S 2 ,............, S n ) S1 = Da / Dt



S2 = E / Da



S3 = L / Da



S4 = W / Dt



S5 = J / Dt



S6 = H / Dt



W Da



E



Dt



L



34



35



Power Pengaduk –



Korelasi Daya



Kebutuhan daya pengaduk meningkat jika: • Daun pengaduk lebih lebar • Posisi daun pengaduk vertikal



• Menggunakan baffle



1.



Curve A applies for vertical blades with S4 = 0.2



2.



Curve B applies to similar impeller with narrower blades (S4 = 0.125)



3.



Curve C is for pitched-bladed turbine



4.



Curve D for unbaffled tank



• Pada angka Reynold yang rendah, yaitu di bawah 300, kurva angka daya untuk tangki berbaffle maupun tanpa baffle adalah identik • Pada NRe lebih tinggi, terbentuk vorteks pada tangki tanpa sekat dan terdapat gerakan gelombang permukaan yang tidak dapat diabaikan sehingga angka Froude berpengaruh 36



Power Pengaduk –



Korelasi Daya



37



Power Pengaduk –



Korelasi Daya



Eksponen m secara empirik dengan angka NRe: a − log N Re m= b Bila ukuran geometris pengaduk yang dirancang tidak sama dengan grafik yang ada, maka dipilih grafik untuk jenis pengaduk yang sesuai dan ukuran geometris yang mendekati. Hasil yang diperoleh secara grafis dikoreksi sbb:



 D t  H      Da  Da  yangdiinginkan



 D t  H      Da  Da  grafik



Daya yang diberikan kepada zat cair dihitung dari NP:



N P .n 3 .Da 5  P= gc



38



Power Pengaduk –



Korelasi Empirik



39



Power Pengaduk –



Korelasi Empirik



40



Power Pengaduk –



Korelasi Empirik 1. propeller, pitch equalling diameter, without baffles;



2. propeller, s = d, four baffles; 3. propeller, s =2d, without baffles; 4. propeller, s =2d, four baffles;



5. urbine impeller, six straight blades, without baffles; 6. turbine impeller, six blades, four baffles; 7. turbine impeller, six curved blades, four baffles; 8. arrowhead turbine, four baffles; 9. turbine impeller, inclined curved blades, four baffles; 10. two-blade paddle, four baffles; 11. turbine impeller, six blades, four baffles; 12. turbine impeller with stator ring; 13. paddle without baffles; 14. paddle without baffles



41



Power Pengaduk –



Korelasi Empirik



42



43



44



Contoh Kasus Pengadukan bahan emulsi dirancang menggunakan jenis paddle 2 daun yang dipasang vertikal di pusat tangki. Diameter tangki (Dt) 10 ft, tinggi tangki 12 ft, diameter pengaduk (Da) 3 ft, posisi pengaduk (E) 1 meter di atas dasar tangki, dengan putaran (n) 120 rpm. Operasi berlangsung pada suku kamar. Tinggi larutan (H) 10 ft, rapat jenis larutan () 1,66 g/ml dan viskositas (µ) 32 cp. Berapa Hp daya pengaduk teoritis yang dibutuhkan bila tangki berbuffle 4 buah dengan tebal (J) 1 ft ?



1 m = 3,2808 ft 1 g/ml = 62,43 lbm/ft3 1 cp = 6,7197 x 10-4 lbm/ft.s gc = 32,174 ft/s2 45



Contoh Kasus - Perhitungan Pengadukan bahan emulsi dirancang menggunakan jenis paddle 2 daun yang dipasang vertikal di pusat tangki. Diameter tangki (Dt) 10 ft, tinggi tangki 12 ft, diameter pengaduk (Da) 3 ft, posisi pengaduk (E) 1 meter di atas dasar tangki, dengan putaran (n) 120 rpm. Operasi berlangsung pada suku kamar. Tinggi larutan (H) 10 ft, rapat jenis larutan () 1,66 g/ml dan viskositas (µ) 32 cp. Berapa Hp daya pengaduk teoritis yang dibutuhkan bila tangki berbuffle 4 buah dengan tebal (J) 1 ft ? Soal



1 m = 3,2808 ft 1 g/ml = 62,43 lbm/ft3 1 cp = 6,7197 x 10-4 lbm/ft.s gc = 32,174 ft/s2



Dt Da E H n Density Viscosity T gc



ft ft m ft rpm g/ml cP °C ft/s2



10 3 1 10 120 1,66 32 30 32,174



ft ft ft ft rps lbm/cuft lbm/ft.s °C ft/s2



Konversi 10 3 3,28 10 2 103,6338 0,021503 30 32,174



46



Contoh Kasus - Perhitungan Soal Dt Da E H n Density Viscosity T gc



ft ft m ft rpm g/ml cP °C ft/s2



Kurva no 10 NRe = n.Da2./µ



10 3 1 10 120 1,66 32 30 32,174



ft ft ft ft rps lbm/cuft lbm/ft.s °C ft/s2



Konversi 10 3 3,28 10 2 103,6338 0,021503 30 32,174



N P .n 3 .Da 5  P= gc



 D t  H      Da  Da  yangdiinginkan



 D t  H      Da  Da  grafik



Grafik : Dt/Da = 3 dan H/Da = 3,33



Dt/Da



3,33



Dt/Di



E/Da



1,09



Zi/Di



H/Da



3,33



Zl/Di



Re



8,68E+04



Np



1,8



(grafik)



P



11.271,1



lbf/ft.s



P terkoreksi



11.880,8



lbf/ft.s



P



21,6



hp 47



Mixing Combinations Solid into Solid



Gases into Liquid



Gases into Solid



Mixing of Powder



Dispersion



Fluidization, drying



Pharmaceutical direct compression formulation,



O2 in fermentation broth,



Plastic compounding,



Nitrous gas in water



Dry food blending



“ChE Undip for better life”



gasify coal using oxygen, fluidized bed processes for polyethylene, etc



Mixing Combinations Liquid into Gases



Liquid into Liquid



Liquid to Solid



Spraying



Disolution, Dispersion, Emulsification



Suspension



Spray towers, Applying coating pharmaceutical tablets



Emulsification for food, cosmetics and pharmaceutical products



Fiber suspension in paper industry,



Flour suspension in noodles industry



49 “ChE Undip for better life”



50 “ChE Undip for better life”



SOLID AND PASTE MATERIALS • Cone blenders → free-flowing solids.



51 “ChE Undip for better life”



SOLID AND PASTE MATERIALS



• Ribbon blenders →dry solids and for blending liquids with 52 solids. “ChE Undip for better life”



SOLID AND PASTE MATERIALS



Z-blade mixers and pan mixers → heavy pastes “ChE Undip for better life”



53



SOLID AND PASTE MATERIALS



“Most solid and paste mixers are designed for batch operation” 54 “ChE Undip for better life”



BLENDING OF SOLID PARTICLES • In the mixing of solid particles, the following three mechanisms may be involved: – Convective mixing, in which groups of particles are moved from one position to another, – Diffusion mixing, where the particles are distributed over a freshly developed interface, and – Shear mixing, where slipping planes are formed.



• A trough mixer with a ribbon spiral involves almost pure convective mixing, and a simple barrel-mixer involves mainly a form of diffusion mixing. “ChE Undip for better life”



55



GAS MIXING • Specialized equipment is seldom needed low viscosities→mix easily. • The mixing given by turbulent flow in a length of pipe is usually sufficient for most purposes. • Turbulence promoters, such as orifices or baffles, can be used to increase the rate of mixing. 56 “ChE Undip for better life”



LIQUID MIXING Several factors in choosing equipment for mixing liquids: – Batch of continuous operation. – Nature of the process: miscible liquids, preparation of solutions, or dispersion of immiscible liquids. – Degree of mixing required. – Physical properties of the liquids, particularly the viscosity. – Whether the mixing is associated with other operations: reaction, heat transfer. 57 “ChE Undip for better life”



LIQUID MIXING For the continuous mixing of low viscosity fluids inline mixers can be used.



For other mixing operations stirred vessels or proprietary mixing equipment will be 58 required. “ChE Undip for better life”



SUMMARY



Belt



Hand hole



Motor



Variabel yang berpengaruh terhadap daya pengaduk adalah: ▪ Sifat pengaduk : n, Da, W, L ▪ Sifat cairan : ,  ▪ Percepatan gravitasi : g ▪ Faktor geometri : H, E, J, Dt S1 = Da / Dt



S2 = E / Da



S3 = L / Da



S4 = W / Dt



S5 = J / Dt



S6 = H / Dt



H



J W Da



E



Dt



NRe = n.Da2./µ



N P .n 3 .Da 5  P= gc “ChE Undip for better life”



Daya Motor yang terpasang mampu menghandle proses sesuai rentang kondisi operasi : T min dan Konsentrasi maks.



L 59



Tahapan Desain 1



2



T min dan konsentrasi maks ▪ Data Sifat cairan : , 



6



Dapat Power Number



7



Hitung Kebutuhan power teoritik (BHP)



Volume Cairan ▪ Proses kontinyu : V = q/t



N P .n 3 .Da 5  P= gc 8



3



Pilih jenis pengaduk



4



Tentukan ▪ Sifat pengaduk : n, Da, W, L ▪ Faktor geometri : Dt atau Dt, E, J



5



Hitung NRe = n.Da2./µ



“ChE Undip for better life”



Hitung Kebutuhan power motor pengaduk



𝑃𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑡𝑖𝑘 𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 9



Pilih daya motor standar di atasnya



S1 = Da / Dt



S2 = E / Da



S3 = L / Da



S4 = W / Dt



S5 = J / Dt



S6 = H / Dt



60