BAB II TINJAUAN PUSTAKAII-2BAB IITINJAUAN PUSTAKA
II.1Dasar TeoriII.1.1 Pengadukan (Agitation) dan Pencampuran
(Mixing)In the chemical and other processing industries,
manyoperations are dependent to a great on effective agitation and
mixing of fluids. Generally agitation refers to forcing a flui by
mechanical means to flow a circulatory or other pattern inside a
vessel. Mixxing usually implies taking of two or more separate
phases, such as a fluid and a powdered solid, or two fluids, and
causing them to be randomly distributed through one another
(Geankoplis, 1993). Menurut (Stanley, 1990) kombinasi fase yang
yang paling sering terjadi pada pencampuran adalah :1. gas dengan
gas.2. gas dalam dispersi liquid3. gas dengan padatan bergranular:
fluidization, pneumatic4. liquid dalam gas: spraying,
atomization.5. liquid dengan liquid: dissolution, emulsification,
dispersion6. liquid dengan padatan bergranular: suspension.7. pasta
dengan pasta dan dengan padatan 8. padatan dengan padatan: mixing
of powders.Menurut (Stanley, 1990) pencampuran (mixing) diterapkan
untuk mencapai hasil tertentu dalam situasi berikut: 1. menciptakan
suspensi partikel padat; 2. pencampuran cairan larut; 3. penyebaran
gas melalui cairan; 4. pencampuran atau membubarkan cairan
bercampur satu sama lain; 5. mentransfer perpindahan panas antara
fluida (cair) dengan kumparan atau jaket penukar panas.
II.1.2 Peralatan PengadukanPerangkat pencampuran mekanik terdiri
dari tiga bagian dasar: impeller, poros dan kecepatan-mengurangi
gearbox. a) Impeller merupakan elemen kerja yang terpasang pada
poros vertikal, atau horisontal. Drive dapat dihubungkan langsung
ke motor atau melalui gear box. Banyaknya konfigurasi impeller
dapat dikelompokkan ke dalam lima kategori yang berbeda, yang hanya
empat pertama sangat penting industri. Terdapat tiga jenis impeller
yang paling banyak digunakan, yaitu pitched, turbin dan paddle
mixer. Pitched mixer digunakan untuk vertikal, horizontal atau
poros miring berputar. Yang pertama adalah mirip dengan
baling-baling pesawat terbang, sedangkan yang kedua menyerupai
baling-baling laut. Tergantung pada ketinggian lapisan cair, satu
poros dapat membawa 1-3 baling-baling. Karena bentuknya lebih
ramping, kebutuhan daya pitched mixer adalah lebih kecil dari jenis
mixer lain pada bilangan Reynolds yang sama. Paddle mixer mampu
beroperasi dengan kecepatan tinggi tanpa menggunakan gearbox dan,
menyediakan biaya operasi yang lebih efektif karena tidak ada
kerugian mekanis dalam transmisi. Pitched mixer menghasilkan aliran
aksial, yang memiliki efek memompa besar dan memberikan waktu
pencampuran singkat. Kelemahan dibandingkan dengan paddle dan mixer
turbin adalah biaya yang lebih tinggi, sensitivitas operasi untuk
geometri bejana. Efisiensi pompa pada pencampuran (Agitation)
meningkat, seperti yang dicapai oleh aliran aksial cairan dari
impeller. Aliran ini merupakan hasil dari head transfer
baling-baling dan aliran turbulen heliks dari seluruh isi bejana,
yang disebabkan oleh gradien kecepatan radial di strata cair pada
jarak yang berbeda dari impeller. Pada kecepatan rotasi tinggi
seluruh massa fluida berputar meskipun aliran aksial, dan pusaran
pusat mulai terbentuk di sekitar poros. Tabung rancangan yang
digunakan untuk meningkatkan pencampuran jumlah besar cairan dengan
mengarahkan gerakan cairan. Dalam aplikasi seperti kapasitas
pemompaan yang tinggi mixer digunakan terutama campuran viskositas
rendah. Rancangan tabung mengarahkan aliran ke daerah bejana yang
lain, sehingga tidak akan terganggu oleh aliran cairan. Dengan
tidak adanya rancangan tabung dan kecepatan pitched (baling-baling)
pada rotasi tinggi, baffle umumnya berada di berbagai titik di
bejana. Baffle meminimalkan pembentukan vortex dan membaginya
menjadi beberapa pusaran lokal, meningkatkan turbulensi total
tangki. Pitched mixer digunakan untuk mencampur cairan dengan
viskositas hingga 2.000 cp. Pitched mixer cocok untuk pembentukan
emulsi viskositas rendah, untuk melarutkan aplikasi dan reaksi
kimia fase cair. Untuk suspensi, batas atas ukuran partikel 0,1
sampai 0,5 mm, dengan residu kering maksimum 10%
Gambar II.1.2.1 Tipe Konfigurasi Propeller Pengaduk Pitched
mixer tidak cocok untuk jenis zat pengendapan yang cepat dan untuk
penyerapan gas. Baling-baling dirancang berdasarkan data yang
diperoleh dari eksperimen. Mixer turbin merupakan kelas yang sangat
penting. Sebuah mixer turbin sebagai impeller dengan dasar sudut
blade konstan terhadap bidang vertikal, atas seluruh panjang atau
lebih bagian yang terbatas, memiliki pisau vertikal pada sudut
kurang dari 90 . Blades (pisau) dapat melengkung atau datar,
seperti yang ditunjukkan oleh berbagai konfigurasi pada.
Gambar II.1.2.2 Konfigurasi Impeller Turbin Analog operasi
turbin mixer dengan sebuah pompa sentrifugal yang bekerja di bejana
terhadap tekanan diabaikan kembali. Pencampuran (Agitation)
dilakukan dengan pisau turbin. Aliran didominasi oleh aliran radial
dari impeller ke dinding saluran, di mana terbagi menjadi dua
aliran. Ketika mixer turbin dioperasikan pada kecepatan rotasi yang
cukup tinggi, baik radial dan tangensial arus menjadi jelas,
bersama dengan formasi vortex. Kondisi arus ini menjamin pemasangan
baffle untuk memastikan distribusi aliran yang lebih seragam di
seluruh bejana pencampuran. Paddle mixers adalah perangkat yang
terdiri dari dua atau lebih pisau terpasang pada poros vertikal
atau miring. Konfigurasi dayung impeller dasar ditunjukkan pada
Gambar II.1.2.3. Keuntungan utama dari mixer dayung adalah
kesederhanaan dan biaya rendah. Kerugiannya adalah kapasitas mereka
kecil memompa (aliran aksial lambat), yang tidak memberikan
pencampuran menyeluruh dari volume tangki.
Gambar II.1.2.3 Konfigurasi Paddle Pengaduk Pencampuran yang
sempurna dicapai hanya dalam strata yang relatif tipis cairan di
sekitar pisau. Turbulensi menyebar ke luar sangat lambat dan tidak
sempurna ke seluruh isi tangki; maka, sirkulasi cairan lambat. Oleh
karena itu, Paddle mixers yang digunakan untuk cairan dengan
viskositas hanya sampai sekitar 1.000 cp. Karena gradien
konsentrasi yang sering dibuat dalam cairan ketika jenis mixer ini
digunakan, menyebabkan mixer jenis ini tidak cocok dalam operasi
kontinyu. Hal ini dapat diatasi dengan memiringkan pisau dayung 30
- 45 dengan sumbu poros, sehingga terjadi peningkatan aliran aksial
dan menyebabkan penurunan gradien konsentrasi. Mixer tersebut dapat
mempertahankan partikel, asalkan kecepatan tetap tidak konstan.
Mixer dengan pisau miring digunakan untuk memproses reaksi kimia
yang lambat, yang tidak dibatasi oleh difusi. Untuk meningkatkan
turbulensi medium dalam tangki dengan ketinggian yang besar untuk
rasio diameter, konfigurasi digunakan yang terdiri dari beberapa
dayung dipasang satu di atas yang lain pada poros tunggal.
Pemisahan antara dayung (paddle) tunggal terletak pada kisaran
0,3-0,8 d (di mana d adalah diameter dayung) dan dipilih sesuai
dengan viskositas campuran. Untuk mencampur cairan dengan
viskositas hingga 1.000 cp, serta untuk tangki pemanasan di mana
sedimentasi dapat terjadi, mixer jangkar atau gerbang dayung
bekerja dilihat pada gambar II.1.2.3. Diameter dayung hampir sama
besar dengan diameter dalam tangki dalam aplikasi tersebut,
sehingga tepi luar dan bawah mengikis dayung (atau bersih) dinding
dan bawah. Pisau berbentuk (daun) mixer dayung memberikan dominan
aliran tangensial terhadap cairan, tetapi ada juga turbulensi di
tepi atas dan bawah pisau. Pisau berbentuk (daun) digunakan untuk
mencampur cairan viskositas rendah, mengintensifkan proses
perpindahan panas, mentransfer reaksi kimia dalam bejana reaktor
dan untuk melarutkan bahan. Untuk aplikasi melarutkan, pisau daun
biasanya berlubang. Kecepatan rotasi paddle mixer adalah di kisaran
15 sampai 45 rpm. Dalam kondisi ini, tindakan pemompaan kecil dan
umumnya tidak ada bahaya pembentukan vortex. Dengan demikian, mixer
dayung yang paling sering digunakan dalam bejana tanpa baffle.
Namun, untuk dayung dengan pisau lebar , yang beroperasi pada
kecepatan hingga 120 rpm, baffle dimasukkan ke dalam desain bejana
untuk meminimalkan pembentukan vortex (Nicholas, 2000)
II.1.3 Pola Aliran dalam Tangki Pengadukan Pasukan diterapkan
oleh impeller untuk bahan yang terkandung dalam kapal menghasilkan
pola karakteristik aliran yang tergantung pada geometri impeller,
sifat fluida, ukuran relatif dan proporsi tangki, baffle dan
impeller. Ada tiga jenis utama dari pola aliran: tangensial, radial
dan aksial. Aliran tangensial diamati ketika cairan mengalir
sejajar dengan jalan yang dijelaskan oleh mixer seperti yang
diilustrasikan pada gambar II.1.3.1
Gambar II.1.3.1 Pola Aliran Tangensial pada Paddle
PengadukKetika pola aliran dalam tangki campuran terutama
tangensial, debit cairan dari impeller dengan lingkungan dan
entrainment ke dalam impeller menjadi kecil. Juga, transfer cairan
dalam arah vertikal pada kondisi minimal. Efek pencampuran terendah
ketika kecepatan rotasi cairan terjadi pada mixer.Dengan aliran
radial, pembuangan cairan dari impeller di sudut kanan ke sumbu
mixer dan bergerak sepanjang jari-jari. Begitu gaya sentrifugal,
yang tergantung pada diameter dan kecepatan impeller itu,
menyebabkan ketahanan mediadan aliran radial dari impeller ke dalam
cairan. Gambar II.1.3.2 menunjukkan pola aliran mixer memproduksi
aliran radial dalam dua bagian tangki.
Gambar II.1.3.2 Pola Aliran Aksial pada TangkiDi bagian bawah
tangki, impeller cairan dalam arah ke atas dan berganti di sudut
kanan terhadap sumbu impeller. Di bagian atas tangki impeller
cairan ke bawah, juga tegak lurus dengan sumbu impeller.Aliran
aksial, di mana cairan memasuki impeller dan pembuangan sepanjang
jalan sejajar dengan sumbu, ditunjukkan pada gambar II.1.3.3
Gambar II.1.3.3 Pola Aliran AksialRadial dan komponen
longitudinal terutama mengatur pencampuran (mixing) tindakan
berasal. Komponen tangensial penting ketika poros memiliki
orientasi vertikal dan diposisikan dekat pusat tangki. Berdasarkan
kondisi industri, impeller berkaitan dengan arah rotasi, ada dua
pola aliran aksial: 1. di mana impeller pompa cairan dari bagian
bawah ke permukaan2. di mana impeller pompa cairan dari permukaan
ke bawah. Kombinasi dari tiga jenis utama dari aliran normalditemui
dalam pencampuran tangki. Aliran tangensial mengikuti jalan
melingkar di sekitar poros membentuk pusaran di permukaan cairan.
Hasil pembentukan vortex dari pengaruh kekuatan gravitasi, secara
kuantitatif ditentukan dengan cara Bilangan Froude, yang meningkat
pada kecepatan yang lebih tinggi, menyebabkan pembentukan
vortex.
Gambar II.1.3.4 Pola aliran tiga dimensi aliran cairan di dalam
tangki Bagian (A) menunjukkan jalan yang partikel mengambil pada
kecepatan impeller yang diberikan. Partikel mengalami empat
revolusi horisontal per revolusi vertikal tunggal. Sebagai akibat
dari kecepatan impeller yang semakin meningkat, partikel melakukan
lebih banyak horisontal putaran per satu putaran vertikal Bagian B,
menunjukkan bahwa semakin besar gaya sentrifugal pada kecepatan
yang lebih tinggi meningkatkan radius kelengkungan jalan dari
partikel, yang dengan demikian digeser jauh dari pusat tangki.
Semakin meningkatnya kecepatan rotasi,dan gaya sentrifugal
mengakibatkan rasio yang lebih tinggi antara revolusi horisontal
dan vertikal partikel dan dengan demikian jari-jari kelengkungan
yang lebih besar untuk jalur partikel. Orientasi aliran tidak hanya
penting dalam kasus pembentukan pusaran (vortex) tetapi juga dalam
mixer dengan aliran tangensial. Dalam kasus terakhir, pada dimensi
mixer tertentu dan impeller kecepatan cairan yang beredar di tangki
dapat mencapai kecepatan yang sama seperti impeller. Pencampuran
menjadi tidak efektif dalam kondisi seperti itu. Pembentukan Vortex
menyebabkan penurunan yang cukup besar dalam pencampuran efisiensi
dan harus ditekan semaksimal mungkin dalam aplikasi praktis untuk
meningkatkan efek homogenisasi mixer. Distribusi komponen kecepatan
(radial, tangensial dan aksial) dalam kondisi pencampuran dengan
baffle dibandingkan dengan kondisi pembentukan vortex
Gambar II.1.3.5 Variasi Distribusi kecepatan Tangki Pengaduk
pada Sisi Pengisian Penuh Dinding BaffleGaris putus-putus pada
gambar II.1.3.5 menunjukkan kondisi nonbaffled. Distribusi efisien
menjadi lebih teratur ketika baffle digunakan. Oleh karena itu,
energi yang dipancarkan dari impeller untuk cairan digunakan lebih
seragam. Peningkatan sirkulasi, dan perbedaan antara tingkat
sirkulasi dalam kondisi penuh bingung dan pada pembentukan vortex
naik dua sampai empat kali nilai asli. Ini berarti bahwa input daya
meningkat jauh di kisaran 2-10 kali input tanpa baffle.
Gambar II.1.3.6 Pola Aliran pada Baffle dengan Tangki Berpusat
Mounted ImpellerUntuk mixer turbin yang lebar baffle tidak boleh
melebihi lebih dari seperdua belas dari diameter tangki dan, untuk
mixer baling-baling, tidak lebih dari satu kedelapan belas diameter
tangki. Dengan sisi-masuk, cenderung atau off-pusat baling-baling,
seperti yang ditunjukkan pada gambar II.1.3.6, baffle tidak
diperlukan.
Gambar II.1.3.7 Impeller Tidak Berpusat Pada Pola
AliranSebaliknya, diselimuti impeller dan cincin diffuser dapat
digunakan untuk menekan pembentukan vortex. Perangkat ini
memberikan kontribusi mengalir resistensi dan mengurangi sirkulasi
dengan menciptakan geser intens dan turbulensi yang tidak normal di
debit impeller. Pola aliran tertentu dalam tangki tergantung pada
jenis impeller jika pembentukan vortex dan berputar-putar
dieliminasi. Dengan mixer baling-baling, cairan didorong lurus ke
bawah ke bagian bawah tangki, di mana sungai menyebar secara radial
ke segala arah menuju dinding, mengalir ke atas di sepanjang
dinding, dan kembali ke suction dari baling-baling dari atas. Mixer
dayung memberikan aliran radial yang baik dalam bidang langsung
dari pisau impeller tetapi miskin dalam mengembangkan arus
vertikal. Mixer turbin menggerakkan cairan radial dinding, di mana
sungai terbagi menjadi dua bagian. Satu porsi mengalir ke bawah ke
bawah dan kembali ke tengah impeller dari bawah; yang lain mengalir
ke atas menuju permukaan dan kembali ke impeller dari atas. Gambar
II.1.3.8 menunjukkan bahwa ada dua arus sirkulasi terpisah
dihasilkan.
Gambar II.1.3.8 Pola Sirkulasi Pada Tangki PengadukTurbin sangat
efektif dalam mengembangkan arus radial, tetapi mereka juga
menyebabkan arus vertikal, terutama dalam kondisi baffle. Dalam
pembuluh silinder vertikal, kedalaman cairan yang ideal untuk
pencampuran yang baik harus agak lebih besar dari diameter tangki.
Jika kedalaman yang lebih besar diperlukan, dua atau lebih impeller
dapat dipasang pada poros yang sama, dengan masing-masing impeller
pada mixer terpisah.
Gambar II.1.3.9 Multiple Turbin Pada TangkiBagian bawah impeller
harus dipasang sekitar satu diameter impeller atas dasar tangki.
Seperti disebutkan sebelumnya, ketika arah dan kecepatan aliran ke
suction impeller yang harus dikendalikan, kerja rancangan tabung.
Perangkat ini dirancang untuk mengatur di daerah-daerah gerak dalam
tangki.
Gambar II.1.3.10 Draft Tubes pada Baffle Tangki: (A) turbine;
(B) propellerTabung draft sebagian besar digunakan dengan
baling-baling dan sejumlah pencampuran dengan sirkulasi terisi
melalui daerah secara menyeluruh tidak teratur di sekitar impeller.
Keturbulenan diinduksi dalam tangki dengan aliran cairan dari draft
tube hanya memberikan pengaruh untuk pencampuran (Nicholas,
2000).Agitator is a term most commonly used as a synonym for the
more specific term impeller (Nicholas, 2000).a. Baffle: generally a
flat plate attached to and perpendicular to the wall of a mixing
vessel to alter the fluid circulation pattern and prevent excessive
swirl of the fluid in the vessel .b. Impeller: a physical device
which rotates to impart motion to a fluid. Examples are turbines
and propellers described earlier.Driver: the motor and gear box
combination used to rotate the impeller shaft.c. Turbine: Turbines
are the most versatile and commonly used mechanical agitator. The
most common turbine types are flat blade, disk , and pitched blade.
Turbines are normally mounted on a vertical shaft.d. Propeller : As
noted previously, the discharge from a propeller is primarily
axial. Propellers are the most efficient impeller for producing
flow and are especially suited for blending operations. In addition
to the top entering configuration, a side entering configuration is
used for propeller agitators in large blending and storage tanks.a.
Paddle: A paddle is similar to a turbine impeller but typically has
only two large blades and operates at lower speeds than a turbine.
They are primarily used in high viscosity mixing operations.b.
Draft tube: a centrally located open ended tube in a mixing vessel
which confines the impeller discharge or suction to produce a
vertical flow in the vessel.c. Jet: a fluid stream having a
velocity greater than the surrounding fluid which discharges from a
nozzle or impeller.d. Propeller Pitch: pitch is the advance of the
fluid per revolution on the basis that a propeller is a segment of
a screw. Normally "square" pitch is used; i.e., a pitch value equal
to the propeller diameter.e. Steady Bearing: a bearing located at
the bottom of the shaft of a top entering impeller to minimize
shaft deflection and vibration. It is immersed in the fluid being
mixed.f. High Shear: High shear impellers take a variety of
proprietary forms and are used primarily for producing emulsions.
Their design maximizes the portion of the mixing energy dissipation
which is classified as shear. High shear impellers are available
for both tank and inline applications.Inline motionless mixers
derive the fluid motion or energy dissipation needed for mixing
from the flowing fluid itself. These mixers include:a. Orifice
Mixing Column: An orifice mixing column consists of a series of
orifice plates contained in a pipe. The pipe normally is fabricated
of two vertical legs connected by a return bend at the bottom with
the orifice plates installed between flanges in the vertical legs.
Typical use is for cocurrent contacting in caustic and water
washing operations.b. Mixing Valve: This type of mixing device is
normally a manually operated globe valve operated at 20 to 350 kPa
pressure drop. Common use of this device in refinery operations is
for water and crude oil mixing before a desalter and in caustic
scrubbing operations.II.1.4 Power yang Digunakan dalam Tangki
PengadukanPoros daya yang diperlukan untuk menggerakkan sebuah
agitator dapat diperkirakan dengan menggunakan persamaan berdimensi
umum berikut:
Np =K RebFrc
dimana: Np = Power Number = Re = Reynold Number = Fr = Froude
Number = P = shaft power, WK = Konstanta tipe, ukuran geometri
tangki pengaduk = densitas fluida, = viskositas fluida, Ns/m2N =
Kecepatan Pengaduk, rpsD = diameter pengadukg = percepatan
gravitasi, 9.81 m/s2
Tabel II.1.4.1 Perkiraan Kebutuhan Daya untuk Berbagai Jenis
Pengadukan
(Coulson, 2003).
Grafik II.1.4.1 Grafik Hubungan Korelasi Daya Pada Pengaduk
Blade Tiga Tunggal Propeller Dengan Baffle
Grafik II.1.4.2 Grafik Hubungan Korelasi Daya Pada Pengaduk
Impeller dengan Turbin untuk 4 Baffle
Grafik II.1.4.3 Grafik Hubungan Number of Power dan Reynold
Number Often it is convenient to characterize impeller performance
by single numbers; suitable ones are the limiting values of the
power and flow numbers at high Reynolds numbers, above
10,000-30,000 or so, for example:
Tabel II.1.4.2 Power Number Pada Berbagai Tipe Impeller
Input daya per satuan volume sebagai ukuran pencampuran
intensitas bahwa input daya dan nomor Reynolds bersama-sama
menentukan juga tingkat pemompaan dari desain yang diberikan
impeller. Kecepatan-linear tingkat pemompaan volumetrik dangkal per
penampang unit tangki-diasumsikan sebagai ukuran kualitas
pencampuran. Tabel II.1.4.3 Hubungan Kecepatan Pengadukan,
Viskositas, dan Power Number
(Stanley, 1990)
II.2 Aplikasi Industri
II-1
Laboratorium Proses Pemisahan dengan Perpindahan MassaProgram
Studi D3 Teknik KimiaFTI - ITS II
