Tugas1 Paddle [PDF]

Citation preview

TEKNIK REAKTOR SEMESTER GANJIL TAHUN AJARAN 2019 / 2020



Dosen Pembimbing: Dr. Ir. Endang Sri Rahayu, M.T.



Disusun oleh: Kelompok 2 Defina Rizkita Nitimihardja



171424007



Devita Utami Mardiani



171424008



Mario Konsachristian



171424021



Nira Aulia Hanifah



171424027



Kelas 3A-TKPB



PROGRAM STUDI D4 TEKNIK KIMIA PRODUKSI BERSIH JURUSAN TEKNIK KIMIA POLITEKNIK NEGERI BANDUNG TAHUN PELAJARAN 2019/2020



Pendahuluan Dalam proses kimia dan lainnya di industri, banyak operasi yang tergantung pada pengadukan yang efektif dan pencampuran cairan. Umumnya, pengadukan (agitation) mengacu pada mendorong cairan secara mekanik yang artinya mengalirkan dalam sirkulasi atau pola lainnya di dalam tangki. Pencampuran (mixing) biasanya berarti mencampurkan dua atau lebih fasa yang terpisah, misalnya cairan dengan serbuk padatan, dua fasa cair, dan menyebabkan keduanya tersebar secara random melewati satu dan lainnya. (Geankoplis, 2003) A. Tujuan Pengadukan Cairan diaduk untuk sejumlah keperluan tergantung kebutuhan dari tahap prosesnya. Tujuan ini termasuk: - menyuspensikan partikel solid - mencampurkan cairan yang bersifat miscible, misalnya metil alkohol dan air - mendispersikan gas melewati cairan dalam bentuk gelembung-gelembung kecil - mendispersikan cairan kedua yang bersifat immiscible dengan cairan pertama, untuk - membentuk emulsi atau suspensi - mendorong perpindahan panas antara cairan dan coil ataupun jaket. (McCabe, 1993) B. Peralatan Pengadukan



Gambar 1. Typical Agitation Process Vessel Sumber : McCabe



Bagian atas bejana bisa saja terbuka, tetapi lebih sering tertutup. Proporsi tangki dapat bervariasi tergantung karakteristik pengadukannya. Desain yang terstandardisasi seperti pada



gambar 1 dapat diaplikasikan dalam banyak kasus. Bagian bawah tangki melengkung, tidak lurus, untuk mengurangi area yang tajam dimana aliran cairan tidak dapat lewat. Kedalaman cairan dalam tangki kira-kira sama dengan diameter tangki. Sebuah impeller dipasang menggantung pada batang pegaduk. Batang pengaduk digerakkan oleh motor, terkadang terhubung secara langsung namun lebih sering terhubung melalui speed-reducing gearbox. Aksesoris seperti saluran masuk dan keluar, jaket, dan termometer atau jenis pengukur suhu lainnya biasanya ditambahkan. (McCabe, 1993) C. Impeller (Pendorong) Pengaduk impeller terbagi menjadi dua, yaitu: impeller yang alirannya paralel dengan sumbu batang pengaduk serta impeller yang aliranya membentuk sudut tangensial atau arahnya radial. Jenis yang pertama disebut axial-flow impellers dan yang kedua disebut radial-flow impellers. (McCabe, 1993) Tiga jenis impeller yang paling utama adalah propeller, paddle, dan turbin. Setiap tipe terdiri dari berbagai macam variasi dan subtipe. Jenis impeller yang lain juga digunakan dalam situasi tertentu, tetapi tiga jenis tersebut digunakan dalam 95% pengadukan cairan. (McCabe, 1993) - Propeller Propeller merupakan impeller jenis axial-flow, digunakan untuk cairan dengan viskositas rendah. Propeller kecil berputar pada kecepatan 1150 hingga 1750rpm; sedangkan propeller besar berputar pada kecepatan 400 hingga 800 rpm. - Paddle Untuk kasus yang lebih sederhana, pengadukan yang efektif terdiri dari paddle datar yang berputar pada batang pengaduk vertikal. Paddle dengan dua pisau dan empat pisau adalah yang paling sering digunakan. Terkadang, pisau tersebut dimiringkan namun lebih sering dipasang vertikal. Paddle berputar pada kecepatan rendah hingga tinggi di tengah tangki, mendorong cairan secara radial dan tangensial dengan hampir tidak ada gerakan vertikal sama sekali pada impeller kecuali pisau-pisaunya dimiringkan. Kecepatan putar pengaduk paddle di industri berkisar antara 20rpm hingga 150rpm. Panjang total paddle biasanya berkisar antara 50% hingga 80% dari diameter dalam tangki. Pada kecepatan yang lebih tinggi, dibutuhkan baffle dalam tangki. Sebaliknya, akan terjadi pusaran pada cairan di sekitar tangki pada kecepatan putaran tinggi namun pencampurannya sedikit. - Turbin



Banyak turbin yang bentuknya menyerupai pengaduk paddle dengan beberapa pisau pendek, berputar pada kecepatan tinggi dan dipasangkan pada batang pengaduk di tengah tangki. Pisau turbin dapat berbentuk lurus atau melengkung, miring atau vertikal. Diameter impeller turbin lebih kecil daripada paddle, berkisar antara 30% hingga 50% diameter tangki. Turbin dapat digunakan untuk berbagai cairan dengan jangkauan viskositas yang luas. D. Pola Aliran Tangki Berpengaduk Tipe aliran pada tangki berpengaduk tergantung pada tipe impellernya; karakteristik cairannya; dan ukuran serta proporsi tangki, baffle, dan pengaduk. Kecepatan cairan pada suatu titik dalam tangki memiliki tiga komponen, dimana pola aliran dalam tangki bergantung pada variasi dari tiga komponen ini dari satu titik ke tiitk lainnya. Komponen tersebut adalah radial, longitudinal, dan tangensial.



Komponen radial dan longitudinal



berguna dan membentuk aliran yang dibutuhkan untuk keperluan pencampuran. Saat batang pengaduk dipasang vertikal di tengah tangki, komponen tangensial umumnya tidak menguntungkan. Aliran tangensial membentuk jalur melingkar di sekitar batang pengaduk dan membentuk vortex pada cairan, sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2 untuk turbin pisau datar. Jika terdapat partikel padatan, aliran sirkular cenderung melemparkan partikel tersebut ke bagian luar dengan gaya sentrifugal. Karena pada aliran sirkuler cairan mengalir searah dengan gerakan pisau impeller, kecepatan relatif antara pisau dan cairan berkurang dan daya yang dapat diserap oleh cairan menjadi terbatas.



Gambar 2. Swirling flow pattern with radial-flow turbine in an unbaffled vessel. Sumber: McCabe, 1993



E. Pencegahan Pola Aliran Pusaran Pola aliran berputar dan pusaran dapat dicegah dengan tiga metode. Dalam tangki yang kecil, impeller dapat dipasang tidak tepat di pusat tangki, seperti pada gambar 3. Batang pengaduk berpindah dari pusat tangki, kemudian diletakkan tegak lurus dengan arah geraknya. Dalam



tangki yang lebih besar, pengaduk dapat dipasang di samping tangki dengan pengaduk pada bidang horizontal dengan sudut. Dalam tangki yang besar, dengan pengaduk vertikal, cara yang lebih disukai untuk mengurangi pusaran adalah menambahkan baffle yang menghalangi aliran rotasi tanpa menganggu aliran radial dan lingitudinal (McCabe, 1993)



Gambar 3. Flow pattern with off-center propeller Sumber : McCabe, 1993



Soal



:



1. Ketentuan jarak paddle dengan dinding dasar reaktor dan dinding samping reaktor 2. Rumusan hubungan rpm pengaduk dengan power yang diperlukan



Jawaban



:



1. Menurut McCabe, 1993: panjang total paddle impeller biasanya berkisar antara 50% 1 hingga 80% dari diameter dalam tangki. Dengan lebar pisau berkisar antara hingga 6 1 dari panjang totalnya. 10 Sehingga jarak paddle impeller ke dinding samping reaktor berkisar antara 10% hingga 25% dari diameter dalam tangki. Pisau (blade) Batang pengaduk (shaf) Flat paddle Batang pengaduk (shaf) Flat paddle Gambar 4. Paddle Impeller Sumber : McCabe, 1993



Pisau (blade)



Sementara, untuk impeller jenis turbin, McCabe memberikan proporsi standar desain tangki berpengaduk sebagai berikut; Dimana, Da = Diameter pengaduk Dt = Diameter tangki E = Jarak pengaduk ke dasar E = tangki J = Lebar baffle L = Panjang pisau pengaduk W = Lebar pisau pengaduk H = Tinggi cairan Gambar 5. Standard Turbine Design Sumber : McCabe, 1993



Sehingga,



Jarak pengaduk ke dasar 1 tangki adalah diameter 3 tangki Jarak pengaduk ke dinding 1 samping tangki adalah 3 diameter tangki, atau senilai dengan diameter pengaduknya.



Tetapi, angka tersebut dapat bervariasi untuk digunakan dalam berbagai jenis dan lokasi impeller, proporsi tangki, jumlah dan proporsi baffle, dan seterusnya. Perbedaan ini



kemudian mengakibatkan perbedaan pada sirkulasi cairan, pola aliran, dan daya yang dikonsumsi. Jumlah baffle yang digunakan biasanya 4 buah; jumlah pisau impeller beragam dari 4 hingga 16 tetapi biasanya 6 atau 8. Kondisi khusus bisa saja membutuhkan proporsi yang berbeda dari angka-angka di atas; mungkin menguntungkan. Contohnya, menempatkan pengaduk lebih tinggi atau lebih rendah di dalam tangki, atau tangki yang lebih dalam mungkin dibutuhkan untuk mendapatkan produk yang diinginkan. Menurut Geankoplis, 2003: Proporsi geometris untuk sistem pengadukan “standard” adalah : Dimana, Da = Diameter pengaduk Dd = Diameter paddle Dt = Diameter tangki C = Jarak pengaduk ke dasar tangki J = Lebar baffle



Sehingga,



Gambar 6. Dimensions of turbine and tank Sumber : Geankoplis, 2003



L = Panjang pisau pengaduk W = Lebar pisau pengaduk



1 H = Tinggi cairan diameter tangki 3 Jarak paddle ke dinding samping tangki berkisar antara 0,2 diameter tangki hingga 0,3 diameter tangki Jarak paddle ke dasar tangki adalah



Menurut Brown, 1950: terdapat beberapa proporsi untuk jenis tangki, jenis pengaduk, jumlah pisau impeller, dan jumlah baffle yang berbeda-beda. Seperti berikut;



Menurut Perry, 1997: untuk impeller radial rasio diameter pengaduk berbanding diameter d tangki berkisar antara 0,3 hingga 0,6 ( 0,3 ≤ ≤0,6 ). Dt Sehingga, jarak pengaduk ke dinding samping tangki berkisar antara 0,35 hingga 0,2 diameter tangki.



Gambar 7. Tangki berpengaduk dasar Sumber : Perry, 1997



Jadi, jarak paddle ke dasar tangki dan ke dinding tangki dapat bervariasi tergantung dari kebutuhan proses. Selain itu, pemasangannya juga dapat dimiringkan ataupun tidak tepat di tengah tangki untuk menghindari terjadinya pusaran. 2. Menurut Geankoplis, 2003: Dalam mendesain tangki yang berpengaduk, hal-hal yang harus diperhatikan adalah daya yang dibutuhkan untuk memutarkan impeller. Karena daya yang dibutuhkan tidak dapat diprediksi secara teoritis, bisa dikorelasikan dengan persamaan empiris untuk memprediksi daya yang dibutuhkan. Munculnya turbulensi berkorelasi dengan impeller yang ditunjukan dengan persamaan bilangan Reynold (NRe) yaitu : N ℜ=



Da2 Nρ μ Keterangan : Da



= Diameter Impeller (m)



N



= Kecepatan Putaran (rps) ρ



= Densitas Fluida (kg/m3)



μ



= Viskositas Fluida (kg/ms)



Jika NRe < 10 maka jenis alirannya laminar, sedangkan untuk aliran turbulen NRe > 104. Untuk rentang antara 10 sampai 104 disebut aliran transisi. Daya yang digunakan berkaitan dengan nilai densitas fluida ( ρ ), viskositas ( μ ), kecepatan putaran (N), dan diameter impeller (Da). Untuk mengetahui bilangan daya (Np) dapat diperoleh dengan cara memploting NRe Vs Np. Bilangan daya dapat dirumuskan sebagai berikut: Np= Np= P=



P ρN Da 5 3



P gc 3



ρN Da



5



N p gc ρN 3 Da 5 Dimana P = Daya dalam J/s atau W dalam British Unit P = ft.lbf/s Untuk memperoleh nilai Np, dapat digunakan grafik di bawah ini;



Gambar 8. Kurva Np vs Nre Sumber : Geankoplis, 2003



Gambar 9. Kurva Np vs. Nre Sumber : Brown, 1950



Variasi jenis rasio geometris dari design standar dapat memberikan nilai daya (Np) yang berbeda pada aliran turbulen pada variasi agitasi turbin. Nilai daya untuk pengaduk dengan tipe polos NRe < 100 : Np = 215(NRe)-0.955 Dimana Da/Dt = 0.90, W/Dt = 0.10 dan C/Dt = 0.05 Nilai daya spiral pita agitasi untuk semua cairain viskos pada NRe < 20 dengan ketarangan : Np = 186 (NRe)-1 (diameter tangki = 1.0) Np = 290(NRe)-1 (diameter tangki = 0.5) Tipe rasio dimensi yang digunakan adalah Da/Dt = 0.95, dengan beberapa rasio serendah 0.75 dan W/Dt = 0.095. Menurut Perry, 1997 : Korelasi Koetsier, dan lainnya. (Chem Eng. Journal, 5, 61, 71 [1973]) Untuk cairan non elektrolit:



2



kLa



k L = 0.002



2



( ) N Di



= 0.05



D



(



1.95



1.5 t



N D 2i D1.6 t



−0,45



= 0.05



)



E0.65



Di Dt



( )



D−0.33 t



, 1/s



, m/s



Untuk cairan elektrolit: k L a = 0.11



E0.7



Di Dt



( )



E0.3



k L = 0.000325



0,7



Di Dt



( )



−0.35



Dt



0,7



−0.35



Dt



Dimana N = putaran per detik (rps) Di = Diameter impeller tipe 6-blade turbine (m) Dt = Diameter Tangki (m) E = Daya masukan (kW/m3) Korelasi yang dikutip dari Middleton (in Harnby, et al., Mixing in the Process Industries, Butterworth, 1985) Untuk cairan non elektrolit: kLa



= 1.2



E0.7 u0.6 s



, 1/s



Untuk cairan elektrolit: k L a = 2.3



0.7



0.6



E us



, 1/s



Daftar Pustaka Brown, G.G., dkk. 1950. Unit Operations. London: Chapman and Hall. Geankoplis, C.J. 2003. Transport Processes and Unit Operations, 4th Edition .Upper Saddle River. New Jersey: Prentice Hall. Green, Don W dan James O. Maloney. 1997. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 7th Edition. New York: McGraw-Hill. McCabe, Warren L., dkk. 1993. Unit Operations of Chemical Engineering, 5 th Edition. New York: McGraw-Hill.