Laporan Stirred Tank Reactor [PDF]

Citation preview

Stirred Tank Reactor (STR) I.



Tujuan Praktikum 



Menghitung koefisien keseluruhan perpindahan panas untuk tangki berpengaduk.







Menghitung koefisien film perpindahan panas untuk tangki berpengaduk.







Memahami proses perpindahan panas di dalam tangki berjaket berpengaduk, yang tergolong dalam kelompok proses unsteady state.



II.



Landasan Teori Stired Tank (tangki berpengaduk) dalam industri kimia digunakan untuk



reaksi-reaksi batch ‘tumpak’ dalam skala kecil. Alat ini terdiri dari tangki silindris yang dilengkapi dengan agitator ‘pengaduk’. Tangki ini digunakan untuk pemanasan atau pendinginan, dipakai jaket sehingga air panas atau air dingin dapat dialirkan (dipindahkan). Pengadukan dipakai dalam berbagai aplikasi, misalnya :Dispersi suatu zat terlarut dalam suatu pelarut, penyatuan dua cairan yang dapat dicampur , produksi slurry dari padatan halus didalam suatu cairan, pengadukan suatu cairan homogen untuk meningkatkan heat transfer ke cairan.Peralatan pengaduk mempunyai berbagai macam variasi menurut aplikasinya. 



Axial flow impeler untuk cairan viskositas sedang yang memerlukan gerakan cepat.







Flat blade turbine yang menghjasilkan aliran turbulen pada arah radial, tetapi memerlukan power yang lebih besar.







Turbin untuk pengadukan yang merata sekali.







Anchor impeller untuk tingkat turbulensi rendah dan efektif digunakan untuk tangki yang dipanaskan atau didinginkan dengan jaket.







Helical impeller untuk pengadukan padat cair atau untuk mengadauk pasta, lumpur, atau adonan.



Perpindahan panas dan energi pada proses tangki berpengaduk berjaket pada praktikum ini terjadi sangat berbeda dengan proses perpindahan panas yang sering kita jumpai Hal ini disebabkan karena proses yang terjadi adalah proses tak tetap (unsteady state). Jadi koefesien perpindahan panas (U) tidak dapat digunkan dalam persamaan Fourier, yaitu Q = U.A.∆T. Persamaan Fourier tersebut hanya bisa digunakan bila tangki beroperasi secara sinambung/steady state. Dalam semua kasus, laju total perpindahan panas dapat diekspresikan dalam bentuk daya gerak penurunan temperatur dan hambatan. Persamaan Fourier Q = U . A . (T1 – T2) Dimana:



Q



= laju perpindahan panas ;



T1



= temperatur pada titik 1 ;



T2



= temperatur pada titik 2 ;



U



= koefisien keseluruhan perpindahan panas ;



A



= luas permukaan yang dilalui panas.



Perpindahan panas dalam tangki berpengaduk berjaket sangat berbeda dengan proses perpindahan yang biasa anda jumpai. Hal ini disebabkan karena proses yang terjadi adalah proses tak tetap (unsteady state). Jadi koefisien perpindahan panas (U) tidak dapat digunakan dalam persamaan Fourier. Q = U.A.Δt. Persamaan Fourier hanya dapat digunakan bila tangki beroperasi kontinu (steady state). Persamaan yang harus digunakan adalah persamaan untuk tangki berjaket berpengaduk dengan pemanas dengan pemanas non-isothermal (air). dQ dt  Mc  WcT1  T2   UAdt dt dθ Mc



dt  WcT1  T2  dθ .....................................................................................................1



T1  t 1 Wc  K1  1   θ  T2  t 2 Mc  K 2  ............................................................................................2 Ln



rA



K 1  e Wc .......................................................................................................................3 Dari persamaan 1 kita dapatkan harga W (laju alir fluida panas) yang kemudian disubstitusikan ke persamaan 2 untuk mendapatkan harga K1 dan persamaan 3 kita dapatkan harga U. Untuk perhitungan koefisien film dinding kita mempergunakan hubungan sebagai berikut :



 L2 Nρ  h 1D1   a K  μ 



1



3



 Qμ     μW 



0,14



Dimana : h



: Koefisien film dinding dalam



Di



: Diameter dalam tangki



L



: Diameter pengaduk



N



: Putaran pengaduk per unit waktu



μ



: Viskositas cairan



ρ



: Density/kerapatan rata-rata cairan



μw



: Viskositas permukaan



K



: Konduktivitas thermal



Hukum Fourier Hubungan dasar yang menguasai aliran kalor melalui konduksi ialah berupa kesebandingan yang ada antara laju alir kalor melintas permukaan isotermal dan gradien suhu yang terdapat pada permukaan itu. Hubungan umum ini berlaku pada setiap lokasi di dalam suatu benda, pada setiap waktu disebut Hukum Fourier yang ditulis sebagai : dq T  k dA n



Dimana : A



: Luas permukaan isotermal



n



: Jarak, diukur normal (tegak lurus) terhadap permukaan itu



q



: Laju alir kalor melintasi permukaan itu pada arah normal terhadap



permukaan. T



: Suhu



K



: Konstanta proporsionalitas (tetapan kesebandingan)



Pada keadaan steady, T hanya merupakan fungsi posisi semata-mata, dan laju aliran kalor pada setiap titik pada dinding itu konstan. Sehingga persamaannya dapat ditulis : q dT  k A dn



Konduktivitas Termal Hukum Fourier menyatakan bahwa k tidak tergantung pada gradien suhu tetapi tidak selalu demikian halnya terhadap suhu itu sendiri. Di lain pihak, k merupakan fungsi suhu. Walaupun bukan fungsi kuat. Untuk jangkauan yang tidak konstan, k dapat dianggap konstan. Tetapi untuk jangkauan suhu yang lebih besar, konduktivitas termal dapat didekati dengan persamaan dalam bentuk : K = a + bT Dimana : a dan b = konstanta empirik



Konduksi Keadaan Steady Konduksi dalam keadaan steady dapat ditulis : q q dT  k dx atau dT   A kA dx



Oleh karena hanyalah x dan T yang merupakan variabel dalam persamaan, integral langsung akan menghasilkan :



T  T2 q ΔT  k 1 k A X 2  X1 B Dimana : X2 dan X1



= B = tebal lempengan



T1 – T2



= Δt = penurunan suhu (beda suhu) melintang lempeng



Nilai k dapat dihitung dengan mencari rata-rata aritmetik dan k pada kedua suhu permukaan, T1 dan T2 atau dengan menghitung rata-rata aritmetik suhu dan menggunakan nilai k pada suhu itu. Sehingga dapat dituliskan dalam bentuk : q



ΔT R



KONDUKSI KALOR KEADAAN TAK STEADY Persamaan konduksi satu dimensi T TT  dx x xx



Jika kalor keluar lempeng pada x  dx tentulah :  kA(



T TT  dx)dt x xx



Kelebihan masukan kalor terhadap kalor yang keluar, yang merupakan penumpukan pada lapisan dx adalah :



 kA



T T TT  2T dt  kA(  dx)dt  kA 2 dxdt x x xx x



Stirred Tank Reactor (STR) Stired Tank



(tangki berpengaduk) dalam industri kimia digunakan untuk



reaksi-reaksi batch ‘tumpak’ dalam skala kecil. Alat ini terdiri dari tangki silindris yang dilengkapi dengan agitator ‘pengaduk’. Tangki ini digunakan untuk pemanasan atau pendinginan, dipakai jaket sehingga air panas atau air dingin dapat dialirkan (dipindahkan). Pengadukan dipakai dalam berbagai aplikasi, misalnya dispersi suatu zat terlarut dalam suatu pelarut, penyatuan dua cairan yang dapat dicampur, produksi slurry dari padatan halus didalam suatu cairan, pengadukan suatu cairan homogen untuk meningkatkan heat transfer ke cairan.



Peralatan pengaduk mempunyai berbagai macam variasi menurut aplikasinya. 1. Axial flow impeler, untuk cairan viskositas sedang yang memerlukan gerakan cepat. 2. Flat blade turbine, yang menghjasilkan aliran turbulen pada arah radial, tetapi memerlukan power yang lebih besar. 3. Turbin untuk pengadukan yang merata sekali. 4. Anchor impeller, untuk tingkat turbulensi rendah dan efektif digunakan untuk tangki yang dipanaskan atau didinginkan dengan jaket. 5. Helical impeller, untuk pengadukan padat cair atau untuk mengaduk pasta, lumpur, atau adonan.



Gambar 1. Batch Stirred Reactor



Proses perpindahan panas dalam tangki berpengaduk dapat digolongkan sebagai proses non isothermal, unsteady state karena aliran panas dan suhu berubah terhadap waktu. Penurunan dan penggunaan persamaan neraca energi dan persamaan yang menghubungkan bilangan tak berdimensi mengikuti asumsi-asumsi berikut : 1. U bernilai bernilai konstan untuk proses dan pada seluruh permukaan perpindahan panas, sehingga U proses adalah constan. 2. Laju alir fluida panas adalah konstan. 3. Panas spesifik fluida panas dan fluida dingin konstan selama proses. 4. Suhu fluida pemanas yang masuk dalam jacket konstan 5. Pengadukan menghasilkan suhu cairan yang merata. 6. Tidak terjadi perubahan fasa parsial.



7. Panas yang hilang dapat diabaikan



Uraian Proses Stirred Tank Reactor : Keran udara tekan dibuka untuk menghidupkan kontrol panel dan menggerakkan katup pneumatik. Kemudian keran air dibuka dan air dipompakan ke dalam jaket. Air akan memenuhi jaket dan keluar pada bagian outlet menuju ke Y Joint, disini air akan dipanaskan dengan bantuan steam yang diinjeksikan oleh katup pneumatik (sebelumnya valve steam dibuka terlebih dahulu). Air yang panas masuk ke separator dimana gas yang terbentuk akan mengalir ke atas sedangkan cairannya akan kembali ke dalam jaket dan bersirkulasi. Air panas didalam jaket akan memanaskan cairan didalam reaktor sampai suhu mencapai set point (70oC). Gas dari separator akan terjebak didalam steam trap sehingga terkondensasi menjadi cairan dan di kembalikan ke tangki penampung.



III.



Alat dan Bahan 



Tangki berpengaduk / unit stirred tank reactor







PCT 10 + Thermocouple







Air bersih 75L



IV.



Diagram Alir Proses Steam trap



Air masuk



expander



Aliran air masuk Aliran uap



Uap bebas air



Aliran steam



Aliran air pendingin masuk Aliran air pendingin keluar



Uraian Proses Stirred Tank Reactor : Keran udara tekan dibuka untuk menghidupkan kontrol panel dan menggerakkan katup pneumatik. Kemudian keran air dibuka dan air dipompakan ke dalam jaket. Air akan memenuhi jaket dan keluar pada bagian outlet menuju ke Y Joint, disini air akan dipanaskan dengan bantuan steam yang diinjeksikan oleh katup pneumatik (sebelumnya valve steam dibuka terlebih dahulu). Air yang panas masuk ke separator dimana gas yang terbentuk akan mengalir ke atas sedangkan cairannya akan kembali ke dalam jaket dan bersirkulasi. Air panas didalam jaket akan memanaskan cairan didalam reaktor sampai suhu mencapai set point (70oC). Gas dari separator akan terjebak didalam steam trap sehingga terkondensasi menjadi cairan dan di kembalikan ke tangki penampung.



V.



Langkah Kerja Stirred tank reactor



Persiapan



Pengamatan



Buka katup udara tekan



Pastikan suhu stabil, pengaduk dalam keadaan mati



Hidupkan saklar utama (main switch)



Masukkan air dengan menggunakan pompa listrik



Hidupkan peralatan PCT 10 untuk pengukuran T2



hidupkan stopwatch secara bersamaan dengan pengaduk



Buka kran utama air yang menuju ke pengembun dari tangki utama



Catat data t, T1 dan T2 setiap 2 menit



Hentikan pengambilan data jika nilai T1=T2 Hidupkan pompa sirkulasi air dalam jaket (tombol hijau) Ukur ketinggian air dari dasar tangki Pada panel TIC 7, tekan tombol kuning sampai menyala dan tekan sampai harganya naik mecapai 90%, jika air dalam tangki suhunya 50oC tekan tombol kuning sampai 60% Pada panel TIC 6, tekan sampai PV berwarna merahmatikan semua tombol kuning dan hijau Tunggu sampai suhu stabil pada 70oC ± 2oC, siapkan air 100L



Tentukan kecepatan putar (RPM)



Matikan pengaduk



Atur kecepatan pengaduk untuk percobaan berikutnya



Kosongkan isi reaktor/tangki



VI.



Pembahasan Praktikum ini bertujuan untuk mengetahui perpindahan panas yang terjadi



pada reactor tangki berpengaduk, menghitung koefisien film perpindahan panas untuk tangki berpengaduk dan memahami proses perpindahan panas pada tangki berpengaduk. Pengaduk (agitator) pada alat ini berfungsi sebagai dispers suatu zat terlarut dalam suatu pelarut (mempercepat kontak antara zat terlarut dengan pelarut agar cepat homogen) dan pengadukan suatu cairan homogen untuk meningkatkan heat transfer ke cairan. Pada praktikum ini, diamati pengaruh kecepatan pengadukan pada perpindahan panas dalam tangki berpengaduk dan berjaket dengan sistem batch untuk masing kecepatan pengaduk yaitu 80 dan 90 rpm. Cairan yang dipanaskan berupa air ledeng dalam tangki tersebut dengan volume pada masing-masing RUN sebesar 75L (75 kg). Sebelum melakukan operasi sebaiknya lakukan pemeriksaan terlebih dahulu terhadap valve-valve yang terdapat pada alat, hal ini bertujuan untuk menghindari terjadinya kebocoran dan keadaan maupun produk yang diinginkan dapat tercapai. Selain melakukan pengecekan terhadap valve, sebelum proses dijalankan harus terlebih dahulu memastikan bahwa system pendingin dapat beroperasi dengan baik, hal ini bertujuan untuk mencegah terjadinya over heated pada alat dan mencegah kerusakan pada alat. Pemanas yang digunakan pada alat ini adalah steam yang dicampur dengan air. Sebagaiman yang dijelaskan pada diagram alir, aliran air yang masuk akan dibagi menjadi dua aliran, aliran pertama akan digunakan sebagai pendingin yang berupa shower dan aliran kedua akan digunakan sebagai campuran steam sebagai media pemanas yang akan dipompakan sehingga masuk ke dalam jaket, proses pemanasan ini merupakan circulation process sehingga pemanas yang keluar dari jaket akan disirkulasikan kembali untuk masuk ke dalam jaket. Pada alat STR ini dilengkapi jacket yang berfungsi sebagai media pemanas yang dihasilkan dari steam yang kemudian secara konduksi mentransfer panas ke dalam reaktor yang berisi umpan. Untuk mengatahui seberapa besar panas yang dipindahkan dari air dalam jaket



atau yang diserap oleh cairan (air) dalam tangki maka digunakan parameter suhu. Suhu air dalam tangki diukur, begitu juga suhu air pemanas masuk dan keluar jaket. Perbedaan suhu antara suhu air dalam tangki dan air masuk jaket (T1-t) diplotkan terhadap waktu samapi waktu tertentu dan beda suhunya mendekati nol atau sama dengan nol. Dari hasil praktikum diketahui pengaruh kecepatan putaran pengaduk terhadap lamanya perpindahan panas yang terjadi yaitu semakin cepat pengdukan yang dilakukan maka akan semakin cepat pula perpindahan panas yang terjadi. Pada saat kecepatan putar pengadukan yang digunakan adalah 80 rpm, waktu yang dibutuhkan untuk mencapai keadaan dimana suhu keluaran dan suhu masukkan memiliki nilai yang sama adalah sekitar 22 menit, sedangkan pada saat kecepatan putar pengadukan yang digunakan 90 rpm hanya membutuhkan waktu 14 menit untuk mencapai keadaan tidak terjadi perpindahan panas lagi. Hal ini disebabkan karena dengan adanya pengadukan yang semakin cepat maka difusi perpindahan panas pun akan semakin cepat merata dan sudah tentu lajunya pun akan semakin cepat. Namun kecepatan pengdukan yang semakin besar juga menyebabkan agitator propeller biasanya mendorong zat cair ke bawah sampai kedasar tangki, di mana arus itu lalu menyebar secara radial ke segala arah menuju dinding, lalu mengalir lagi ke atas disepanjang dinding dan kembali diisap oleh propeller dari atas. Membuat volume air yang berada di dalam tangki terlihat seperti berkurang, padahal karena pengaruh dari kecepatan putaran motor pengaduk yang menyebabkan air tersebut terhisap.



VII.



Kesimpulan  Proses perpidahan panas STR terjadi secara unsteady state (tidak mantap) dan non isothermal.  Semakin besar kecepatan pengadukan maka waktu yang dibutuhkan untuk mencapai set point semakin cepat, koefisien perpindahan panas semakin besar sehingga proses perpindahan panas semakin baik.  Pengadukan dapat memperbasar luas kontak perpindahan panas pada cairan  Koefisien pindah panas, koefisien film perpindahan panas hasil praktikum adalah sebagai berikut:



N (rpm)



80 90



K



h



(menit/oC)



U (kal/m2oC)



0.9284 1.049



7682.53 8311.078



(𝑟𝑎𝑑. 𝑘𝑔⁄ 𝑚𝑖𝑛2) 24.2014 26.673



Daftar Pustaka Praktikum,penuntun. “pilot plant”. Politeknik Negeri Sriwijaya.Palembang:2018



Coulson, J M:Richardson J F.1980.Chemical Engineering Vol 1,2,6.Pergamon Press 1989.Perry’s Chemical Engineering Handsbook 6th Editio McGrawHill



McCabe Smith & Harriot.1983.Unit Operation of Chem.Eng.McGrawHill http://www.angelfire.com/ak5/process_control/stirred.html diakses tanggal 12 Oktober 2015