BAB II SOLID-LIQUID MIXING I.
TUJUAN
1. Mengetahui jenis pola alir dari proses mixing. 2. Mengetahui bilangan Reynolds dari operasi pengadukan campuran tersebut setelah 30 detik running. 3. Menentukan Menentukan mixing time dari campuran tersebut dan menjelaskan variabel yang berpengaruh. 4. Membandingkan densitas hasil percobaan setelah diaduk dan teoritis.
II.
DASAR TEORI
Pengadukan (agitation ( agitation)) adalah gerakan yang terinduksi menurut cara tertentu pada suatu bahan di dalam bejana, dimana gerakan itu biasanya mepunyai semacam pola aliran sirkulasi. Sedangkan pencampuran (mixing (mixing ) adalah peristiwa menyebarnya bahan-bahan secara acak dimana bahan yang satu menyebar ke dalam bahan yang lain dan sebaliknya, sedang bahan bahan tersebut sebelumnya sebelumnya terpisah dalam dua fase atau lebih. (Geankoplis, 1993) Tujuan pengadukan antara lain adalah : 1)
Membuat partikel padat tersuspensi.
2)
Mencampurkan liquid yang saling larut (miscible ( miscible), ), misalnya metil alkohol dan air.
3)
Mendispersikan gas ke dalam zat cair dalam bentuk gelembung kecil.
4)
Mendispersikan zat cair yang tidak dapat bercampur dengan zat cair lain, sehingga membentuk emulsi atau suspensi butiran-butiran halus.
5)
Mempercepat perpindahan kalor antara zat cair dengan kumparan atau mantel kalor. Biasanya zat cair diaduk di dalam tangki atau bejana berbentuk
silinder yang dapat tertutup maupun terbuka. Tinggi zat cair yang diigunakan adalah 2/3 dari tinggi tangki. Ada dua macam jenis impeller ,
yaitu yang menghasilkan arus sejajar (axial) dengan sumbu poros impeller dan yang menghasilkan arus dalam arah tangensial (radial). Terdapat tiga jenis utama dari impeller yaitu yaitu propeller, paddle, dan turbin. (Mccabe,1999) (Mccabe,1999) Macam-macam jenis impeller pencampuran impeller pencampuran : 1. Propeller Merupakan contoh impeller aliran aksial, aksia l, dengan kecepatan tinggi untuk cairan viskositas rendah. Propeller berukuran kecil berputar pada kecepatan penuh, baik 1150 atau 1750 rad/min. Sedangkan propeller yang berukuran besar berputar pada 400 hingga 800 rad/min. 2. Paddles Untuk masalah sederhana agitator yang efektif digunakan adalah paddles datar yang berputar pada poros vertikal. Paddle yang umum adalah paddle dengan dua bilah dan empat bilah. Paddle berputar dengan kecepatan lambat di tengah vessel mendorong cairan secara radial dan tangensial dengan hampir tidak ada gerak vertikal diimpeller. Dalam industri paddle berputar pada kecepatan antara 20 dan 150 rad/min. 3. Turbine Bentuknya menyerupai paddle bilah banyak dengan pisau pendek, yang berputar pada kecepatan tinggi t inggi diporos pusat vessel. Diameter impeller lebih kecil dari paddle, mulai 30 sampai 50 persen dari diameter vessel. 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 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 agar impeller itu menjadi sangat efektif. (Mmlabe, 1999)
Gambar II.1 Jenis – jenis Impeller (a) three-blade marine propeller ; (b) open straight-blade turbine; (c) bladed disk turbine; (d) vertical curved-bladeturbine; (e) pitched-blade turbine. Dalam desain agitator vessel, faktor yang penting adalah daya yang diperlukan untuk menggerakan impeller . Karena daya yang diperlukan untuk sistem tertentu tidak dapat diprediksi secara teoritis, dapat dikorelasikan dengan impeller bilangan Reynolds (NRe).
........................................... (1)
Keterangan : ′ = Bilangan Reynold D2 a
= Diameter pengaduk (m)
N
= Kecepatan putar Pengaduk (rpm)
⍴
= Densitas Campuran (kg/m3)
µ
= Viskositas Campuran (kg/m.s)
Dalam tangki aliran laminar untuk NRe < 10 dan aliran turbulen untuk NRe > 104, dan untuk range antara 10 sampai 10 4 alirannya adalah transisi. (Geankoplis,1993) Sedangkan untuk mencari viskositas campuran dari viscometer ostwald, menggunaan persamaan :
=
. ⍴ . ⍴
.................................... (2)
(Salzberg, Hugh W. Dkk, 1990)
Mixing Time
Mixing time merupakan salah satu parameter yang paling penting dalam liquid-liquid mixing yang dibutuhkan fluida untuk bercampur merata keseluruh tangki sehingga campuran bersifat homogen. Mixing time adalah waktu pengadukan, dimana parameter viskositas dan densitas menunjukkan angka yang konstan. Parameter lain yang efektif untuk menentukan waktu pencampuran yaitu: kecepatan impeller, diameter vessel dan impeller, jumlah dan penempatan baffle.
III.
ALAT DAN BAHAN
1. Alat
Satu set alat pengaduk
Beker Glass
Viscometer Ostwald
Stopwatch
Picnometer
Neraca Analitik
Gelas Arloji
Spatula
Pipet Ukur
Ball filler
Suntikan
Gambar III.1 Alat praktikum solid-liquid mixing
2. Bahan
Air
Gula pasir
3. SKEMA KERJA Gula pasir 100 gr + air 1565 ml
Campuran larutan gula 1600 ml
Mixer dengan impeller turbin Kec : 206 rpm Amati jenis pola aliran
Hitung densitas dan viskositas Gambar III.2 Skema kerja praktikum solid-liquid mixing massa gula 100 gram Gula pasir 200 gr + air 1530 ml
Campuran larutan gula 1600 ml
Mixer dengan impeller turbin Kec : 206 rpm Amati jenis pola aliran
Hitung densitas dan viskositas Gambar III.3 Skema kerja praktikum solid-liquid mixing massa gula 200 gram
IV.
DATA PENGAMATAN DAM PEMBAHASAN
1. Data Pengamatan Tabel IV.1 Hasil pengamatan praktikum solid-liquid mixing massa gula 100 gram Menit t larutan Densitas larutan Viskositas larutan ke( detik ) ( g/mL ) ( cm2/s ) 10 9,78 1,122 0,00956 20 10,11 1,132 0,00987 30 10,11 1,134 0,00988 40 10,30 1,134 0,0111 50 10,30 1,134 0,0111 Tabel IV.2 Hasil pengamatan praktikum solid-liquid mixing massa gula 200 gram Menit t larutan Densitas larutan Viskositas larutan ke( detik ) ( g/mL ) ( cm2/s ) 10 10,20 1,128 0,00965 20 10,78 1,144 0,0105 30 11,35 1,146 0,0108 40 11,37 1,15 0,011 50 11,44 1,158 0,0112 60 11,54 1,16 0,0113 70 11,54 1,16 0,0113 2. Pembahasan Pada praktikum solid-liquid ini menggunakan variabel air (A) dan gula pasir (B). Variabel massa gula pasir pada dua percobaan yaitu 100 gram dan 200 gram. Volume campuran gula pasir dan air yang ditentukan sebesar 1600 ml dengan volume air 1565 ml untuk percobaan pertama dan 1530 ml untuk percobaan kedua. Volume air diperoleh dari perhitungan dengan mengurangkan volume total dan volume gula pasir. Volume gula pasir diperoleh dari perhitungan rumus densitas : =
Sehingga diperoleh volume gula pasir sebesar 35 ml untuk percobaan pertama dan 70 ml untuk percobaan kedua. Gula pasir dan air dimasukkan ke dalam gelas beker 2000 ml. Proses mixing menggunakan vessel berupa gelas beker 2000 ml tanpa baffle dengan jenis pengaduk
turbin. Pada percobaan ini kecepatan impeller diatur pada 206 rpm, kemudian setelah 30 detik diamati. Jenis arah alirannya adalah radial karena tegak lurus terhadap tangkai pengaduk dan bilangan Reynold yang didapat sebesar 4,37393 . 105 sehingga pola aliran yang terjadi adalah aliran turbulen karena bilangan Reynold yang didapat > 10 4 (Geankoplis, 1993). Pada tangki berpengaduk, pola aliran yang dihasilkan bergantung pada beberapa faktor antara lain geometri tangki, sifat fisik fluida dan jenis pengaduk itu sendiri. Pengaduk jenis turbin akan cenderung membentuk arah aliran radial
dan
tangensial. Pada percobaan ini dapat dilihat pada
gambar IV.1 sebagai berikut:
Gambar IV.1 Pola aliran solid-liquid mixing massa gula pasir 100 gram Pada percobaan pertama gula pasir tampak larut dalam air setelah dilakukan pengadukan dengan impeller dan arah air yang muncul yaitu air berputar secara radial diporos, dan alirannya terlihat teratur. Pengamatan yang dilakukan adalah dengan beberapa variabel waktu untuk mendapatkan densitas dan viskositas setiap 10 menit. Didapatkan denstitas pada waktu 10 menit : ρ : 1,122 g/cm3, 20 menit : ρ : 1,132 g/cm3, 30 menit : ρ : 1,134 g/cm3, 40 menit : ρ : 1,134 g/cm3, 50 menit : ρ : 1,134 g/cm3. Densitas diukur dengan menggunakan piknometer sedangkan viskositas diukur dengan menggunakan viskometer Ostwald. Didapatkan viskositas pada waktu 10 menit : µ : 0,00956 cm 2/s 20 menit : µ : 0,00987 cm2/s, 30 menit : µ : 0,00988 cm 2/s, 40 menit : µ : 0,0110 cm 2/s , 50 menit
: µ :0,0111 cm2/s. Pengamatan tersebut dilakukan untuk menemukan waktu campuran mixing time yang terjadi, dimana mixing time diperoleh dengan cara mengukur densitas dan viskositasnya, jika densitas dan viskositas suatu campuran nilainya sudah konstan maka mixing time dapat diketahui. Pada percobaan ini, didapatkan mixing time pada menit ke-40 dan didapatkan perbandingan densitas percobaan dan densitas teoritis adalah 1.108 gr/cm3 : 1,0747 gr/cm3. Perbedaan densitas yang signifikan tersebut diakibatkan karena adanya perbedaan jumlah padatan yang terlarut di dalam sistem, dimana pada percobaan tidak semua padatan teraduk. Percobaan kedua dengan menggunakan menggunakan variabel yang sama yaitu air (A), gula pasir (B) dengan massa gula 200 gram. Gula pasir dan air dimasukkan kedalam gelas beker 2000 ml. Setelah semua campuran ditambahkan kemudian diaduk dengan menggunakan impeller jenis turbin. Pengadukan bertujuan untuk menghomogenkan campuran. Pengadukan dilakukan dengan kecepatan putar 206 rpm. Langkah selanjutnya sama seperti percobaan pertama. Jenis arah alirannya sama yaitu radial dan bilangan Reynold yang didapat sebesar 4,30655 .105 sehingga pola aliran yang terjadi adalah aliran turbulen karena bilangan Reynold yang didapat > 10 4 (Geankoplis, 1993). Pada percobaan ini dapat dilihat pada gambar IV.2 sebagai berikut:
Gambar IV.2 Pola aliran solid-liquid mixing massa gula pasir 200 gram
Gula pasir tampak larut dalam air setelah dilakukan pengadukan dengan impeller dan arah air yang muncul yaitu air berputar secara radial diporos, dan alirannya terlihat teratur. Pengamatan yang dilakukan adalah dengan beberapa variabel waktu untuk mendapatkan densitas dan viskositas setiap 10 menit. Didapatkan denstitas pada waktu 10 menit : ρ : 1,128 g/cm3, 20 menit : ρ : 1,144 g/cm 3, 30 menit : ρ : 1,146 g/cm3, 40 menit : ρ : 1,15 g/cm3, 50 menit : ρ : 1,158 g/cm3, 60 menit : ρ : 1,16 g/cm3, 70 menit : ρ : 1,16 g/cm3. Densitas diukur dengan menggunakan piknometer sedangkan viskositas diukur dengan menggunakan viskometer Ostwald. Didapatkan viskositas pada waktu 10 menit : µ : 0,00965 cm 2/s, 20 menit : µ : 0,0105 cm2/s, 30 menit : µ : 0,01108 cm 2/s, 40 menit : µ : 0,0111 cm 2/s, 50 menit : µ : 0,01112 cm 2/s, 60 menit : µ : 0,01113 cm 2/s, 70 menit : µ : 0,01113 cm2/s. Pengamatan tersebut dilakukan untuk menemukan waktu campuran mixing time yang terjadi, dimana mixing time diperoleh dengan cara mengukur densitas dan viskositasnya, jika densitas dan viskositas suatu campuran nilainya sudah konstan maka mixing time dapat diketahui. Pada percobaan ini, didapatkan mixing time pada menit ke-60 dan didapatkan perbandingan densitas percobaan kedua dan densitas teoritis adalah 1.098 gr/cm3 : 1,0748 gr/cm3.. Perbedaan densitas yang signifikan tersebut diakibatkan karena adanya perbedaan jumlah padatan yang terlarut di dalam sistem, dimana pada percobaan tidak semua padatan teraduk.
VI.
SIMPULAN DAN SARAN A. Simpulan 1. Pola aliran pada proses mixing gula pasir dan air adalah pola aliran turbulen. 2. Bilangan Reynold percobaan 3. pertama adalah 4,37393 . 105 dan bilangan Reynold percobaan kedua adalah. 4. Mixing time dari percobaan pertama adalah 40 menit, sedangkan mixing time dari percobaan kedua adalah 60 menit, mixing time percobaan pertama dan kedua di pengaruhi oleh massa gula pasir. 5. Perbandingan densitas percobaan pertama dan densitas teoritis adalah 1.108 gr/cm3 : 1,0747 gr/cm3 sedangkan densitas percobaan kedua dan densitas teoritis adalah 1.098 gr/cm3 : 1,0748 gr/cm3.
B. Saran 1. Usahakan lebih teliti saat mengukur waktu turunya sampel di alat viscometer agar viskositasnya valid. 2. Usahakan lebih hati-hati saat mengisi gelas beaker 2000 ml dengan air kran agar tidak melebihi volume yang tealh ditentukan
Semarang, 9 November 2015 Mengetahui, Asisten Laboratorium
Praktikan
Hariono Mukti
Kelompok V
NIM :
NIM :
DAFTAR PUSTAKA
Geankoplis, C.,1993.Transport Process and Unit Operation. Prentice-Hall Inc Englewood Clifts: New Jarsey. Mc.Cabe, W.L. 1985.Unit Operation of Chemical Engeneering . Tioon Well Finishing Co. Ltd. Singapura. Salzberg, Hugh W. Dkk. 1990. A Modern Laboratory Course.
APPENDIKS 1. Pembuatan campuran pertama dengan massa 100 gram
Diketahui : massa gula pasir = 2 gram Volume gula
= 0,7 ml = 2,857
Ditanya : volume air? Jawab :
=
2,857
=
V = 35 ml gula Volume air = 1600-35 = 1565 ml air 2. Pembuatan campuran kedua dengan massa 200 gram
Diketahui : massa gula pasir = 2 gram Volume gula= 0,7 ml = 2,857
Ditanya : volume air? Jawab :
=
2,857
=
V = 70 ml gula Volume air = 1600-70 = 1530 ml air
3. Menghitung bilangan Reynold dan menentukan jenis aliran saat t=30 detik
Diketahui : µair = 0,0089 cm 2/s
⍴air = 1,074 gr/cm3 tair = 9,11 s
⍴campuran (100 gram) = 1,108 gr/cm 3 ⍴campuran (200 gram) = 1,098 gr/cm 3 N = 206 rpm Do = 13 cm = 0,13 m
Asumsi : 1. shear stress diabaikan 2. tidak ada perubahan suhu 3. kecepatan putar di anggap sama (206 rpm)
Massa 100 gram Mencari bilangan Reynolds menggunakan persamaan (1), sedangkan untuk mencari µ c, menggunakan persamaan (2), dengan ⍴ berasal dari pengukuran densitas menggunakan alat piknometer dan t berasal dari pengukuran menggunakan viscometer ostwald. Diketahui : tcampuran = 9,48 s
0,0089 µ
=
9,11 9,48
µ = 0,00926 Didapatkan nilai µc = 0,00926 cm2/s
⍴ = µ 13 . 21,63 . 1,108 cm3 = cm2 0,00926 = 437393 = 4,37393 . 105 (aliran Turbulen)
Massa 200 gram Untuk mencari bilangan Reynolds menggunakan persamaan (1), sedangkan untuk mencari µ c, menggunakan persamaan (2), dengan ⍴ berasal dari pengukuran densitas menggunakan alat piknometer dan t berasal dari pengukuran menggunakan viscometer ostwald. Dik : t campuran = 9,54 s
0,0089 µ
=
9,11 9,54
µ = 0,00932 Didapatkan nilai µc = 0,00932 cm2/s
⍴ = µ =
. 1,098 3 cm2 0,00932
13 . 21,63
= 430655 = 4,30655.105 (aliran Turbulen)
4. Perbandingan densitas hasil percobaan dan densitas ideal
Massa 100 gram a. Densitas hasil percobaan Massa piknometer rata-rata Volume
= 5,52 gram = 5 cm3
Densitas gula
= =
,
= 1,108 gr/cm3 b. Densitas ideal Densitas air
= 1,074 gr/cm3
Volume air Densitas gula Volume gula
= 1565 cm3 = 2,857 gr/cm3 = 0,7 cm3
Densitas
= =
(,.)+(,.,) ,
= 1,0747 gr/cm 3 Perbedaan densitas yang signifikan tersebut diakibatkan karena adanya perbedaan jumlah padatan yang terlarut di dalam sistem, dimana pada percobaan tidak semua padatan teraduk. Massa 200 gram a. Densitas hasil percobaan Massa piknometer rata-rata Volume Densitas gula
= 5,49 gram = 5 cm3 = =
,
= 1,098 gr/cm3 b. Densitas ideal Densitas air
= 1,074 gr/cm3
Volume air Densitas gula Volume gula
= 1530 cm3 = 2,857 gr/cm3 = 0,7 cm3
Densitas
= =
(,.)+(,.,) ,
= 1,0748 gr/cm 3 Perbedaan densitas yang signifikan tersebut diakibatkan karena adanya perbedaan jumlah padatan yang terlarut di dalam sistem, dimana pada percobaan tidak semua padatan teraduk.
