Fluid Mixing Pola Pada Aliran Tugas Khusus [PDF]

Citation preview

Fluid mixing Pola pada aliran Nilai sebuah mixer yang digerakkan di dalam industri ditentukan oleh waktu yang diperlukan, tenaga yang diterima dan sifat-sifat produk. Peralatan mixing dan sifat-sifat yang diinginkan dalam material yang diolah berbeda dari setiap kasus. Terkadang diperlukan kehomogenitasan yang tinggi, gerakan mixing dan tenaga yang dibutuhkan minimum. Dalam



proses



mixing



ini



digunakan



impeller



sebaga



mixer



yang



akan



mencampurkan dua fase atau lebih yang terpisah. Ada beberapa tipe impeller yang biasa digunakan antara lain : propeller, paddle dan turbine. Setiap impeller ini memiliki tingkat efisiensi yang berbeda terhadap proses pencampuran. A. Propeller Tipe impeller ini berbentuk kipas yang mempunyai



tingkat



efisiensi



yang



baik



menghasilkan aliran bila



digunakan



aksial. Propeller pada



fluida yang



berviskositas rendah, kurang dari 2000 cP. Arus yang meninggalkan propeller mengalir melalui zat cair menurut arah tertentu sampai dibelokkan oleh lantai atau dinding bejana. Hal ini efektif digunakan dalam bejana besar. B. Paddle Tipe impeller ini akan mendorong zat cair secara radial dan tangensial. Arus yang terjadi bergerak keluar ke arah dinding, lalu membelok ke atas atau ke bawah. Paddle merupakan impeller yang paling efektif. Hal ini dapat dilihat dari pola aliran yang ditimbulkan akibat gerakan paddle ke seluruh bagian sehingga molekul yang akan dilarutkan bergerak acak dan homogenitas yang tinggi dihasilkan. Hal ini menyebabkan paddle mempunyai efisiensi yang tinggi. Impeller ini digunakan untuk fluida yang berviskositas 100.000 sampai 1.000.000 cP. C. Turbine Turbine biasanya efektif untuk fluida berviskositas sedang yaitu 2000 sampai 50.000 cP. Arus



yang



ditimbulkan bersifat



radial dan tangensial.



Komponen tangensialnya



menimbulkan vortex dan arus putar yang harusdihentikan dengan menggunakan baffle. Arus yang ditimbulkan oleh gerakan impeller ini menyebabkan terbentuknya vortex yang sangat tidak diinginkan dalam proses mixing. Untuk mencegah terjadinya vortex ketika fluida diaduk dalam tanki silinder dengan impeller yang berada pada pusatnya maka digunakan baffle yang dipasang pada dinding vessel. Baffle yang digunakan biasanya memiliki jarak



yang sama. Baffle biasanya tidak menempel pada dinding vessel sehingga secara kebetulan akan terdapat celah antara baffle dengan dinding vessel. Propeller merupakan impeller aliran aksial berkecepatan tinggi untuk zat cair berviskositas rendah. Propeller kecil biasanya berputar pada kecepatan motor penuh, yaitu 1.150 atau 1.750 rpm, sedang propeller besar berputar pada 400 sampai 800 rpm. Arus yang meninggalkan propeller mengalir melalui zat cair menurut arah tertentu samapi dibelokkan oleh lantai atau dinding bejana. Kolom zat cair yang berputar dengan sangat turbulennya itu meninggalkan impeller dengan membawa ikut zat cair stagnan yang dijumpainya dalam perjalanannya itu, dan zat cair stagnan yang terbawa ikut itu mungkin lebih banyak dari yang dibawa kolom arus sebesar itu kalau berasal dari nosel stasioner. Daun-daun propeller merobekkan menyeret zat cair itu. Oleh karena arus aliran ini sangat gigih, agitator propeller sangat efektif dalam bejana besar. Propeller yang berputar membuat pola heliks di dalam zat cair, dan jika tidak tergelincir antara zat cair dan propeller itu, satu putaran penuh propeller akan memindahkan zat cair secara longitudinal pada jarak tertentu, bergantung dari sudut kemiringan daun propeller. Rasio jarak ini terhadap diameter dinamakan jarak-bagi (pitch) propeller itu. Propeller yang mempunyai jarak bagi 1,0 disebut mempunyai jarak-bagi bujur-sangkar (square pitch). Untuk tugas-tugas sederhana, agitator yang terdiri dari satu dayung datar yang berputar pada poros vertikal merupakan pegaduk yang cukup efektif. Kadang-kadang daundaunnya dibuat miring, tetapi biasanya vertikal saja. Dayung (padle) ini berputar di tengah bejana dengan kecepatan rendah sampai sedang, dan mendorong zat cair secara radial dan tangensial, hampir tanpa adanya gerakan vertikal pada impeller, kecuali bila daunnya agak miring. Arus yang terjadi bergerak ke luar ke arah dinding, lalu membelok ke atas atau ke bawah. Dalam tangki-tangki yang dalam, kadang-kadang dipasang beberapa dayung pada satu poros, dayung yang satu di atas yang lain. Dalam beberapa rancang, daunnya disesuaikan dengan bentuk dasar bejana, yang mungkin bulat atau cekung, piring, sehingga dapat mengikis atau menyapu permukaan pada jarak sangat dekat. Dayung (padle) jenis tersebut dinamakan agitator jangkar (anchor agitator). Jangkar ini sangat efektif untuk mencegah terbentuknya endapan atau kerak pada permukaan penukar kalor, seperti umpamanya, dalam bejana proses bermantel, tetapi tidak terlalu efektif sebagai alat pencampur. Jangkar ini biasanya dioperasikan bersama dengan dayung berkecepatan tinggi atau agitator lain, yang biasanya berputar menurut arah yang berlawanan.



Agitator dayung yang digunakan di industri biasanya berputar dengan kecepatan antara 20 dan 150 rpm. Panjang total impeller dayung biasanya antara 50 sampai 80 persen dari diameter-dalam bejana. Lebar daunnya 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. Beberapa di antara berbagai ragam bentuk rancang turbin adalah turbin daun- lurus terbuka, turbin piring berdaun dan turbin piring lengkung vertikal. Kebanyakan turbin itu menyerupai agitator-dayung berdaun banyak dengan daun-daunnya yang agak pendek, dan berputar pada kecepatan tinggi pada suatu poros yang dipasang di pusat bejana. Daundaunnya boleh lurus dan boleh pula lengkung, boleh bersudut, dan boleh pula vertikal. Impellernya mungkin terbuka, setengah terbuka, atau terselubung. Diameter impeller biasanya lebih kecil dari diameter dayung, yaitu berkisar antara 30 sampai 50 persen dari diameter bejana. Turbin biasanya efektif untuk jangkau viskositas yang cukup luas. Pada cair berviskositas rendah, turbin itu menimbulkan arus yang sangat deras yang berlangsung di keseluruhan bejana, menabrak kantong-kantong yang stagnan dan merusaknya. Di dekat impeller itu terdapat zone arus deras yang sangat turbulen dengan geseran yang kuat. Arus utamanya bersifat radial dan tangensial. Komponen tangensialnya menimbulkan vorteks dan arus putar, yang harus dihentikan dengan menggunakan sekat (baffle) atau difuser agar impeller itu menjadi sangat efektif. Berikut ini pola aliran yang dihasilkan oleh jenis-jenis Impeller: Propeller, Turbin, Paddle. Jenis aliran di dalam bejana yang sedang diaduk bergantung pada jenis impeller, karakteristik fluida, dan ukuran serta perbandingan (proporsi) tangki, sekat, dan agitator. Kecepatan fluida dalam setiap titik dalam tangki mempunyai tiga komponen, dan pola aliran keseluruhan di dalam tangki itu bergantung pada variasi dari ketiga komponen itu dari satu lokasi ke lokasi lain. Komponen kecepatan yang pertama ialah komponen radial yang bekerja pada arah tegak lurus terhadap poros impeller. Komponen kedua ialah komponen longitudinal, yang bekerja pada arah paralel dengan poros. Komponen ketiga ialah komponen tangensial, atau rotasional, yang bekerja pada arah singgung terhadap lintasan lingkar di sekeliling poros. Dalam keadaan biasa, di mana poros itu vertikal, komponen radial dan tangensial berada dalam satu bidang horisontal, dan komponen longitudinalnya vertikal. Komponen radial dan komponen longitudinal sangat aktif dalam memberikan aliran yang



diperlukan untuk melakukan pencampuran. Bila poros itu vertikal dan terletak persis di pusat tangki, komponen tangensial biasanya kurang menguntungkan. Arus tangensial itu mengikuti suatu lintasan berbentuk lingkaran di sekitar poros, dan menimbulkan vorteks pada permukaan zat cair, dan karena adanya sirkulasi aliran laminar, cenderung membentuk stratifikasi pada berbagai lapisan tanpa adanya aliran longitudinal antara lapisan-lapisan itu. Jika di dalam sistem itu terdapat pula partikel zat padat, arus sirkulasi itu cenderung melemparkan partikel-partikel itu, dengan gaya sentrifugal, ke arah luar, dan dari situ bergerak ke bawah, dan sesampai di dasar tangki, lalu ke pusat. Karena itu, bukannya pencampuran yang berlangung di sini, tetapi sebaliknya pengumpulanlah yang terjadi. Jadi, karena dalam aliran sirkulasi zat cair begerak menurut arah gerakan daun impeller, kecepatan relatif antara daun dan zat cair itu berkurang, dan daya yang dapat diserap zat cair itu menjadi terbatas. Dalam bejana yang tak bersekat, alir putaran itu dapat dibangkitkan oleh segala jenis impeller, baik aliran aksial maupun yang radial. Jadi, jika putaran zat cair itu cukup kuat, pola aliran di dalam tangki itu dapat dikatakan tetap, bagaimanapun bentuk rancangan impeller. Pada kecepatan impeller tinggi vorteks yang terbentuk mungkin sedemikian dalamnya, sehingga mencapai impeller; dan gas dari atas permukaan zat cair akan tersedot ke dalam zat cair itu. Makanya hal demikian tidaklah dikehendaki. Aliran tingkat (circulatory flow) dan arus putar (swirling) dapat dicegah dengan menggunakan salah satu dari tiga cara di bawah ini. Dalam tangki-tangki kecil impeller dipasang di luar sumbu tangki (eksentrik). Porosnya digeser sedikit dari garis pusat tangki, lalu dimiringkan dalam suatu bidang yang tegak lurus terhadap pergeseran itu. Dalam tangki-tangki yang lebih besar, agitatornya dipasang di sisi tangki, dengan porosnya pada bidang horisontal, tetapi membuat sudut dengan jari-jari tangki. Pemakaian baffle dapat mengurangi pembentukan vorteks karena keempat sisi baffle yang mempunyai ukuran yang seragam dapat menghambat pola aliran yang bergejolak yang cenderung akan membentuk vorteks. Pada dasarnya, vorteks terjadi karena adanya gaya sentripetal yang ditimbulkan oleh perputaran poros impeller pada kecepatan tinggi yang cenderung mengarah ke pusat poros. Dengan adanya baffle ini, maka gaya sentripetal yang ditimbulkan oleh aliran fluida tersebut dapat dikurangi. Perbedaan jenis bahan yang digunakan dalam pencampuran juga dapat mempengaruhi kehomogenan yang baik. Semakin kecil viskositas fluida yng dihandle maka semakin homogenlah proses pencampuran tersebut.



Secara teoritis, semakin lama waktu yang digunakan maka nilai konduktivitas akan semakin besar (naik). Berdasarkan nilai hasil pengamatan dapat dilihat bahwa nilai konduktivitas yang terbesar adalah untuk impeller dengan tipe turbin dengan baffel. Dari hasil pengamatan ini, dapat kita tarik kesimpulan bahwa impeller tipe turbin mempunyai efisiensi terbaik. Salah satu faktor yang menyebabkannya adalah kecilnya vorteks yang ditimbulkan. Sebagai tambahan , setiap jenis impeller yang berbeda akan memberikan pola aliran yang berbeda pula. Tipe turbin memberikan bentuk aliran yang menyebar ke arah dinding silinder kemudian bergerak ke dasar silinder kemudian naik lagi ke arah impeller. Sedangkan tipe propeler aliran bergerak secara aksial sehingga menabrak dasar silinder.