BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1

Pengertian Mixing Mixer merupakan salah satu alat pencampur dalam sistem emulsi sehingga

menghasilkan suatu dispersi yang seragam atau homogen. Terdapat dua jenis mixer yang berdasarkan jumlah propeler-nya (turbin), yaitu mixer dengan satu propeller dan mixer dengan dua propeller. Mixer dengan satu propeller adalah mixer yang biasanya digunakan untuk cairan dengan viskositas rendah. Sedangkan mixer dengan dua propiller umumnya diigunakan pada cairan dengan viskositas tinggi. Hal ini karena satu propeller tidak mampu mensirkulasikan keseluruhan massa dari bahan pencampur (emulsi), selain itu ketinggian emulsi bervariasi dari waktu ke waktu (Suryani, dkk., 2002). Pencampuran

merupakan

operasi

yang

bertujuan

mengurangi

ketidaksamaan kondisi, suhu, atau sifat lain yang terdapat dalam suatu bahan. Pencampuran dapat terjadi dengan cara menimbulkan gerak di dalam bahan itu yang menyebabkan bagian-bagian bahan saling bergerak satu terhadap yang lainnya, sehingga operasi pengadukan hanyalah salah satu cara untuk operasi pencampuran. Pencampuran fasa cair merupakan hal yang cukup penting dalam berbagai proses kimia. Pencampuran fasa cair dapat dibagi dalam dua kelompok. Pertama, pencampuran antara cairan yang saling tercampur (miscible), dan kedua adalah pencampuran antara cairan yang tidak tercampur atau tercampur sebagian (immiscible). Selain pencampuran fasa cair dikenal pula operasi pencampuran fasa cair yang pekat seperti lelehan, pasta, dan sebagainya; pencampuran fasa padat seperti bubuk kering, pencampuran fasa gas, dan pencampuran antar fasa. Mixer merupakan proses mencampurkan satu atau lebih bahan dengan menambahkan satu bahan ke bahan lainnya sehingga membuat suatu bentuk yang seragam dari beberapa konstituen baik cair – padat, padat – padat , maupun cair gas. Komponen yang jumlahnya lebih banyak disebut fasa kontinyu dan yang lebih sedikit disebut fasa disperse. (Fellows, 1988).

Universitas Sumatera Utara

2.1.1

Proses Pencampuran

Proses pencampuran dalam fasa cair dilandasi oleh mekanisme perpindahan momentum di dalam aliran turbulen. Pada aliran turbulen, pencampuran terjadi pada 3 skala yang berbeda, yaitu: 1. Pencampuran sebagai akibat aliran cairan secara keseluruhan (bulk flow) yang disebut mekanisme konvektif. 2. Pencampuran karena adanya gumpalan-gumpalan fluida yang terbentuk dan tercampakkan di dalam medan aliran yang dikenal sebagai eddies, sehingga mekanisme pencampuran ini disebut eddy diffusion. 3. Pencampuran karena gerak molekular yang merupakan mekanisme pencampuran difusi. Ketiga mekanisme terjadi secara bersama-sama, tetapi yang paling menentukan adalah eddy diffusion. Mekanisme ini membedakan pencampuran dalam keadaan turbulen daripada pencampuran dalam medan aliran laminer.Sifat fisik fluida yang berpengaruh pada proses pengadukan adalah densitas dan viskositas. Pengadukan dan pencampuran merupakan operasi yang penting dalam industry kimia. Pencampuran (mixing) merupakan proses yang dilakukan untuk mengurangi ketidakseragaman suatu sistem seperti konsentrasi, viskositas, temperatur dan lain-lain. Pencampuran dilakukan dengan mendistribusikan secara acak dua fasa atau lebih yang mula-mula heterogen sehingga menjadi campuran homogen. Peralatan proses pencampuran merupakan hal yang sangat penting, tidak hanya menentukan derajat homogenitas yang dapat dicapai, tapi juga mempengaruhi perpindahan panas yang terjadi. Penggunaan peralatan yang tidak tepat dapat menyebabkan konsumsi energi berlebihan dan merusak produk yang dihasilkan. Salah satu peralatan yang menunjang keberhasilan pencampuran ialah pengaduk. Hal yang penting dari tangki pengaduk dalam penggunaannya antara lain: 1.

Bentuk : pada umumnya digunakan bentuk silindris dan bagian bawahnya cekung.

2. Ukuran: yaitu diameter dan tinggi tangki


3. Kelengkapannya: a. ada tidaknya baffle, yang berpengaruh pada pola aliran di dalam tangki

Gambar.2.1 pengaduk memakai baffle b. jacket atau coil pendingin/pemanas yang berfungsi sebagai pengendali suhu. c. Letak lubang pemasukan dan pengeluaran untuk proses kontinu. d. Kelengkapan lainnya seperti tutup tangki, dan sebagainya. Prinsip pencampuran bahan banyak diturunkan dari prinsip mekanika fluida dan perpindahan bahan, karena pencampuran bahan akan ada bila terjadi gerakan atau perpindahan bahan yang akan dicampur baik secara horizontal ataupun vertikal. Ada dua jenis pencampuran, yaitu (1) pencampuran sebagai proses terminal sehingga hasilnya merupakan suatu bahan jadi yang siap pakai, dan (2) pencampuran merupakan proses pelengkap atau proses yang mempercepat proses lainnya seperti pemanasan, pendinginan atau reaksi kimia. Aliran yang terjadi di dalam bahan diperkirakan berupa seperti pada gambar berikut sehingga pencampuran akan terjadi dengan cepat dan teratur. pandangan depan

pandangan lintang

→ ← ←

→ ← ←

→ ← ←

→ ← ←

→

→

→

→

Gambar 2.2 Aliran yang terjadi dalam bahan


Kebutuhan tenaga yang diperlukan untuk mencampur suatu jumlah tertentu bahan (cairan) tergantung pada viskositas cairan tersebut. Selain itu kecepatan mixer juga berbeda-beda sesuai dengan kebutuhan bahan-bahan tersebut. Mixer dengan kecepatan rendah biasanya digunakan untuk cairan dengan viskositas tinggi dimana campurannya pekat, licin dan sebagainya. Kecepatan tinggi biasanya berkisar antara 1400-1800 rpm, kecepatan sedang biasanya adalah 1500 rpm dan kecepatan rendah berkisar antara 100-500 rpm. Dalam hal mencampurkan dua bahan berbeda kapasitas perlu diperhatikan, dalam hal ini, untuk Menentukan kapasitas Maksimum dari bejana adukan : 𝜋𝜋

𝑄𝑄 = 𝐷𝐷2 H .................................................................. 4

Pers.1

Menghitung kapasitas dari adukan :

Dimana :

V = 𝜋𝜋�4 . 𝐷𝐷𝑗𝑗 2 . Z .......................................................

Pers.2

Q = Kapasitas dari Bejana adukan (mm3) V = kapasitas dari adukan (mm3) D, Dj = Diameter Bejana (mm) H, Z = Tinggi dari Bejana (mm) Setelah menentukan kapasitas daya motor dapat dihitung, Dari beberapa komponen inilah kita dapat menentukan daya pengaduk. Dari rumus daya pengaduk dapat dihitung dengan cara : hp

= (1,29 𝑥𝑥 10−4 ) (𝐷𝐷𝑗𝑗 1,1 ) (𝐿𝐿2,72 ) (𝑁𝑁 2,86 ) (𝑌𝑌 0,3 ) (𝑍𝑍 0,6 ) (𝜇𝜇𝑐𝑐 ) (𝜌𝜌0,86 ) (Ir.Sri Wuryani, Hal 152) ...........................................

Pers 3

Daya perencanaan dihitung dengan rumus : Pd = P . fc ................................................................................

Pers 4

Dimana :


P = Daya nominal motor (kW) fc = Faktor koreksi daya Momen puntir yang direncanakan pada poros pengaduk dapat dihitung dengan rumus :

Pd =

�

𝑇𝑇 𝑛𝑛 �(2𝜋𝜋 1 ) 1000 60

Dimana : T

........................................... Pers 5

102

= momen puntir rencana ( kg . mm)

Pd = daya perencanaan (kW) n1

= putaran normal (rpm)

Menghitung besarnya τa (tegangan geser yang diijinkan) untuk pemakaian umur pada poros dapat diperoleh dengan cara: τa = dimana :

𝜎𝜎𝑏𝑏

𝑆𝑆𝑆𝑆1 𝑥𝑥 𝑆𝑆𝑆𝑆2

............................................................. Pers 6

τa = tegangan geser yang diijinkan (kg/mm2) 𝜎𝜎𝑏𝑏 = kekuatan tarik bahan poros adalah stainless steel (81,55 kg/mm2)

𝑆𝑆𝑆𝑆1 = faktor keamanan yang diambil

𝑆𝑆𝑆𝑆2 = faktor keamanan yang diambil

Merencanakan Diameter poros pengaduk, Untuk merencanakan diameter poros pengaduk dapat dihitung dengan cara : 5,1

dimana :

ds = �

𝜏𝜏 𝑎𝑎

1/3

𝐾𝐾𝑡𝑡 Cb 𝑇𝑇�

……………………………… Pers 7

𝐾𝐾𝑡𝑡 = Faktor koreksi yang dipilih adalah 1,0


Cb = Faktor koreksi yang dipilih adalah 1,2 𝑇𝑇 = momen puntir ()

ds = diameter poros motor (mm) τa = tegangan geser yang diijinkan (kg/mm2) Peralatan pencampur dapat dibagi atau diklasifikasikan atas beberapa kategori, yaitu: 1. Berdasarkan jenis bahan yang dicampur yaitu alat pencampur liquid, alat pencampur padat, dan alat pencampur pasta 2. Berdasarkan jenis agitator, yaitu double cone mixer, ribbon blender, planetary mixers, dan propeller mixers. 2.1.2 Alat Pencampur Bahan Cair/liquid Bahan cair diaduk untuk mencapai beberapa maksud, diantaranya (Mc Cabe et al,1985) : a. Mensuspensikan partikel padatan. b. Menggabungkan bahan cair yang dapat saling bercampur. c. Mendispersikan gas dalam bentuk gelembung halus. d.

Mendispersikan bahan cair lain yang tidak dapat bercampur.

e. Meningkatkan pindah panas antara bahan cair dan sumber panas. Pengadukan bahan cair umumnya dilakukan dalam suatu bejana, biasanya berbentuk silinder, yang memiliki sumbu vertikal. Bagian atas dari bejana bisa terbuka terhadap udara atau dapat juga tertutup. Dasar bejana pada umumnya dicekungkan, artinya tidak rata, agar tidak dihindari adanya sudut atau bagian yang tidak bisa dipenetrasi oleh aliran fluida. Sebuah pengaduk (impeller) terakit pada sumbu yang menggantung ke atas. Sumbu ini digerakkan oleh motor listrik yang kadang-kadang langsung dihubungkan ke sumbu tetapi lebih sering melalui kotak gear pengurang kecepatan. Perlengkapan tambahan seperti jalur masuk atau keluar bahan, coil pemanas, jaket atau termometer rendam atau alat pengukur suhu lainnya merupakan komponen tetap alat pencampur bahan cair ini.


Tiga tipe utama impeller adalah propeller (baling-baling), paddles (pedal), dan turbin. Setiap tipe memiliki banyak variasi dan subtipe. Sekalipun masih terdapat tipe impeller lain yang juga berguna untuk situasi tertentu, akan tetapi ketiga tipe tersebut mungkin dapat mengatasi 95% masalah pencampuran bahan cair yang ada. Untuk pencampuran liquid, propeller mixer adalah jenis yang paling umum dan paling memuaskan.Alat ini terdiri dari tangki silinder yang dilengkapi dengan propeller/ blades beserta motor pemutar. Bentuk propeller, impeller, blades didesain sedemikian rupa untuk efektifitas pencampuran dan disesuaikan dengan viskositas fluid. Pada jenis alat pencampur ini diusahakan untuk dihindari tipe aliran monoton yang berputar melingkari dinding tangki , penambahan sekat-sekat (baffles) pada dinding tangki juga dapat menciptakan pengaruh pengadukan, namun menimbulkan masalah karena sulit membersihkannya. 2.1.3

Alat Pencampur Bahan Padat Pada umumnya, untuk mencampur bahan-bahan berpartikel padat

digunakan mesin pencampur yang lebih ringan dari pada bahan viscous.Dalam hal ini digunakan ribbon blender dan double cone mixers. Ribbon blender terdiri dari silinder horizontal yang di dalamnya dilengkapi dengan ”screw” berputar dan pengaduk pita berbentuk heliks. Dua pita yang bergerak berlawanan dirakit pada sumbu yang sama. Yang satu menggerakkan padatan perlahan kesatu arah, sedangkan yang lain menggerakkannya dengan cepat ke arah lain. Pita-pita bisa kontinyu maupun terputus-putus. Pencampuran dihasilkan oleh turbulensi yang diinduksi oleh pengaduk yang beraksi berlawanan, jadi tidak oleh gerakan lamban padatan sepanjang rongga aduk. Beberapa ribbon blender beroperasi secara batch yaitu dengan membuat padatan sekaligus dan mengaduknya sampai tercampur rata. Ribbon blender tipe

lain bekerja secara kontinue yaitu bahan padatan

diumpankan pada salah satu ujung rongga aduk dan dikeluarkan pada ujung lainnya. Ribbon blender adalah pencampur yang efektif untuk tepung – tepungan yang tidak mengalir dengan sendirinya. Beberapa unit batch memiliki kapasitas yang sangat besar sehingga mampu memuat sampai 9000 galon bahan padat. Kebutuhan daya umumnya berukuran sedang.


Hal ini sesuai dengan pendapat Handoko (1992), yang menyatakan bahwa satu prinsip penerapan untuk mencampur bahan dengan viskositas yang tinggi dan berbentuk pasta adalah kinerja yang tergantung pada kontak langsung antara material pencampur dengan bahan yang akan dicampur. Untuk bahan dengan viskositas tinggi dan berbentuk pasta ini banyak menggunakan model pencampur seperti:pencampur tipe pancim, pencampur dengan pisau berbentuk z. Planetery mixer merupakan alat pencampur bahan padat yang bekerja berdasarkan perputaran planet dimana beater berputar mengitari bowl sedangkan bowl tidak berputar sehingga menghasilkan adonan yang lembut dan merata. Aplikasi alat ini adalah pada industri bakery (roti dan kue). Double cone blender adalah alat pencampur yang terdiri dari 2 kerucut yang berputar pada porosnya, jika kerucut berputar maka tepung granula berada di dalam granula yang berada di dalam volume kerucut akan teragitasi dan tercampur. Pencampuran tipe ini memerlukan energi dan tenaga yang lebih besar. Oleh karena itu diperhatikan jangan sampai energi yang dikonsumsi diubah menjadi panas yang dapat menyebabkan terjadinya kenaikan temperatur dari produk. Jenis alat pencampur adonan kadang-kadang harus dilengkapi dengan alat pendingin. Yang umum ditemui yaitu kneader yang berbentuk sigmoid yang berputar didalam suatu ”can” atau ”vessel” dengan berbagai kecepatan. Prinsip dari alat ini adalah disamping mencampur juga mengadon yaitu membagi, mematahkan dan selalu membuat luas permukaan yang baru sesering mungkin terhadap adonan. 2.1.4 Alat Pencampur Bahan Pasta/Viscous Dibandingkan dengan pencampuran pada bahan cair, proses pencampuran pada bahan viscous memerlukan tenaga yang lebih banyak. Hal ini disebabkan oleh kenyataan bahwa pada bahan viscous dan juga bahan padat tidak mungkin terbentuk aliran yang dapat memindahkan bagian yang belum tercampur ke daerah pencampuran di sekitar impeller seperti pada pengadukan bahan cair. Pada pencampuran bahan viscous seluruh bahan yang akan dicampur harus dibawa ke pengaduk atau pengaduknya sendiri yang mendatangi seluruh


bagian campuran. Aksi pada mesin-mesin pencampuran merupakan kombinasi shear berkecepatan rendah, penyapuan (wiping), pelipatan (folding), pelemasan (stretching), dan penekanan (compressing). Energi mekanik diaplikasikan oleh komponen-komponen yang bergerak langsung pada massa bahan. Diantara mesin pencampur pasta yang relatif dikenal adalah change - can mixer dan kneaders. Change-can mixer merupakan alat yang memiliki wadah kecil dan dapat dipindah – pindahkan sebagai tempat bahan yang akan dicampur. Wadah ini berukuran sekitar 5 – 10 galon. Pada pony mixer, pengaduk terdiri dari beberapa bilah vertical atau jari yang terpasang pada head yang berputar dan diletakkan di dekat dinding wadah. Pada beater mixer, wadah atau bejana bersifat stationer. Pengaduknya memiliki gerakan melingkar sehingga ketika berputar secara berulang mendatangi seluruh bagian dari bejana. Gerakan pencampuran pada mixer bahan baik secara horizontal maupun secara vertikal tersebut dapat bervariasi bergantung dari jenis pengaduk/ propeller yang digunakan, sehingga hasil yang didapat akan bervariasi pula. Peralatan Pencampur dengan menggunakan satu pengaduk/ propeller biasanya digunakan untuk mengaduk bahan dengan viskositas rendah, sedangkan peralatan pengaduk dengan lebih dari satu propeller digunakan untuk mengaduk bahan dengan viskositas tinggi. 2.2

Jenis Pengaduk (Impeller) Pengaduk dalam tangki memiliki fungsi sebagai pompa yang menghasilkan

laju volumetrik tertentu pada tiap kecepatan putaran dan input daya. Input daya dipengaruhi oleh geometri peralatan dan fluida yang digunakan. Profil aliran dan derajat turbulensi merupakan aspek penting yang mempengaruhi kualitas pencampuran. Rancangan pengaduk sangat dipengaruhi oleh jenis aliran, laminar atau turbulen. Aliran laminar biasanya membutuhkan pengaduk yang ukurannya hampir sebesar tangki itu sendiri. Hal ini disebabkan karena aliran laminar tidak memindahkan momentum sebaik aliran turbulen [Walas, 1988]. Pencampuran di dalam tangki pengaduk terjadi karena adanya gerak rotasi dari pengaduk dalam fluida. Gerak pengaduk ini memotong fluida tersebut dan


dapat menimbulkan arus yang bergerak keseluruhan sistem fluida tersebut. Oleh sebab itu, pengaduk merupakan bagian yang paling penting dalam suatu operasi pencampuran fasa cair dengan tangki pengaduk. Pencampuran yang baik akan diperoleh bila diperhatikan bentuk dan dimensi pengaduk yang digunakan, karena akan mempengaruhi keefektifan proses pencampuran, serta daya yang diperlukan. Menurut aliran yang dihasilkan, pengaduk dapat dibagi menjadi tiga golongan: 1.

Pengaduk aliran aksial yang akan menimbulkan aliran yang sejajar dengan sumbu putaran.

2.

Pengaduk aliran radial yang akan menimbulkan aliran yang berarah tangensial dan radial terhadap bidang rotasi pengaduk. Komponen aliran tangensial menyebabkan timbulnya vortex dan terjadinya pusaran, dan dapat dihilangkan dengan pemasangan baffle atau cruciform baffle.

3.

Pengaduk aliran campuran yang merupakan gabungan dari kedua jenis pengaduk di atas. Menurut bentuknya, pengaduk dapat dibagi menjadi 3 golongan:Propeller, Turbine, Paddles. Gerakan pencampuran pada mixer bahan baik secara horizontal maupun

secara vertikal tersebut dapat bervariasi bergantung dari jenis pengaduk yang digunakan, sehingga hasil yang didapat akan bervariasi pula. Peralatan Pencampur dengan menggunakan satu pengaduk biasanya digunakan untuk mengaduk bahan dengan viskositas rendah, sedangkan peralatan pengaduk dengan lebih dari satu propeller digunakan untuk mengaduk bahan dengan viskositas tinggi. Untuk merencanakan Luas kipas dapat dicari dengan menggunakan rumus; V = P x Lx t............................................... Pers 8 Di mana; P

= Panjang kipas pengaduk (mm)

L

= Lebar kipas pengaduk (mm)

t

= Tebal kipas pengaduk (mm)

Pemilihan pengaduk (impeller) yang tepat menjadi salah satu faktor penting dalam menghasilkan proses dan pencampuran yang efektif. Pengaduk jenis


baling-baling (propeller) dengan aliran aksial dan pengaduk jenis turbin dengan aliran radial menjadi pilihan yang lazim dalam pengadukan dan pencampuran. Secara umum, terdapat empat jenis pengaduk yang biasa digunakan, yaitu pengaduk

baling–baling (propeller),

pengaduk

turbin (turbine),

pengaduk

dayung (paddle) 2.2.1

Pengaduk jenis baling-baling (Propeller) Kelompok ini biasa digunakan untuk kecepatan pengadukan tinggi dengan

arah aliran aksial. Pengaduk ini dapat digunakan untuk cairan yang memiliki viskositas rendah dan tidak bergantung pada ukuran serta bentuk tangki. Kapasitas sirkulasi yang dihasilkan besar dan sensitif terhadap beban head. Dalam perancangan propeller, luas sudu biasa dinyatakan dalam perbandingan luas area yang terbentuk dengan luas daerah disk. Nilai nisbah ini berada pada rentang 0.45 sampai dengan 0.55. Pengaduk propeler terutama menimbulkan aliran arah aksial, arus aliran meninggalkan pengaduk secara kontinu melewati fluida ke satu arah tertentu sampai dibelokkan oleh dinding atau dasar tangki. Ada beberapa jenis pengaduk atau impeller yang biasa digunakan, yaitu: a. Marine propeller b. Hydrofoil propeller c. High flow propeller

Gambar 2.3 Jenis Pengaduk propeller


Baling-baling ini digunakan pada kecepatan berkisar antara 400 hingga 1750 rpm (revolutions per minute) dan digunakan untuk cairan dengan viskositas rendah. Menghitung gaya pada sudu pengaduk, Gaya atau kakaks adalah apapun yang dapat menyebabkan sebuah benda bermassa mengalami percepatan. gaya sentripetal adalah gaya yang membuat benda bergerak melingkar, sehingga pada perencanaan ini dapat dihitung gaya sentripetal yang terjadi pada pengaduk. Untuk menghitung Gaya sentripetal (fs) pada sudu poros penggerak dari pengaduk,adalah sebagai berikut: Fs = m.as (Newton) .............................................................. 𝑉𝑉 2

Fs = – m

𝑟𝑟

𝑟𝑟

dengan r =

pers 9

𝑟𝑟 𝑟𝑟

untuk mencari percepatan sentripetal (as) pada pengaduk : as =

𝑣𝑣 2

dimana :

𝑟𝑟

(m/s2) .......................................................................

pers 10

v = kecepatan linier pengaduk ( m/s) r = jari – jari pengaduk (blade) (m) Kecepatan linier (v) pengaduk dapat dihitung : v= dimana:

𝜋𝜋𝜋𝜋 𝑛𝑛 60

(m/s) ...................................................................

pers 11

d = diameter pengaduk ( m) n = putaran dari poros pengaduk (rpm)


2.2.2 Pengaduk Jenis Dayung (Paddle) Pengaduk jenis ini sering memegang peranan penting pada proses pencampuran dalam industri. Bentuk pengaduk ini memiliki minimum 2 sudu, horizontal atau vertical, dengan nilai D/T yang tinggi. Paddle digunakan pada aliran fluida laminar, transisi atau turbulen tanpa baffle. Pengaduk padel menimbulkan aliran arah radial dan tangensial dan hamper tannpa gerak vertikal sama sekali. Arus yang bergerak ke arah horisontal setelah mencapai dinding akan dibelokkan ke atas atau ke bawah. Bila digunakan pada kecepatan tinggi akan terjadi pusaran saja tanpa terjadi agitasi. Berbagai jenis pengaduk dayung biasanya digunakan pada kecepatan rendah diantaranya 20 hingga 200 rpm. Dayung datar berdaun dua atau empat biasa digunakan dalam sebuah proses pengadukan. Panjang total dari pengadukan dayung biasanya 60 - 80% dari diameter tangki dan lebar dari daunnya 1/6 - 1/10 dari panjangnya. Beberapa jenis paddle yaitu: a. Paddle anchor b. Paddle flat beam – basic c. Paddle double – motion d. Paddle gate e. Paddle horseshoe f. Paddle glassed steel (used in glass-lined vessels) g. Paddle finger h. Paddle helix i. Multi paddle

Gambar 2.4 Pengaduk Jenis Dayung (Paddle)


Pengaduk dayung menjadi tidak efektif untuk suspensi padatan, karena aliran radial bisa terbentuk namun aliran aksial dan vertikal menjadi kecil.Sebuah dayung jangkar atau pagar, yang terlihat pada gambar 6 biasa digunakan dalam pengadukan.Jenis ini menyapu dan mengeruk dinding tangki dan kadang-kadang bagian bawah tangki. Jenis ini digunakan pada cairan kental dimana endapan pada dinding dapat terbentuk dan juga digunakan untuk meningkatkan transfer panas dari dan ke dinding tangki. Bagaimanapun jenis ini adalah pencampuran yang buruk. Pengaduk dayung sering digunakan untuk proses pembuatan pasta kanji, cat, bahan perekat dan kosmetik. 2.2.3 Pengaduk jenis Turbin (turbine) Istilah turbine ini diberikan bagi berbagai macam jenis pengaduk tanpa memandang rancangan, arah discharge ataupun karakteristik aliran. Turbine merupakan pengaduk dengan sudut tegak datar dan bersudut konstan. Pengaduk jenis ini digunakan pada viskositas fluida rendah seperti halnya pengaduk jenis propeller [Uhl & Gray, 1966]. Pengaduk turbin menimbulkan aliran arah radial dan tengensial. Di sekitar turbin terjadi daerah turbulensi yang kuat, arus dan geseran yang kuat antar fluida. Salah satu jenis pengaduk turbine adalah pitched blade. Pengaduk jenis ini memiliki sudut sudu konstan. Aliran terjadi pada arah aksial, meski demikian terdapat pule aliran pada arah radial. Aliran ini akan mendominasi jika sudu berada dekat dengan dasar tangki. Pengaduk turbin adalah pengaduk dayung yang memiliki banyak daun pengaduk dan berukuran lebih pendek, digunakan pada kecepatan tinggi untuk cairan dengan rentang kekentalan yang sangat luas. Diameter dari sebuah turbin biasanya antara 30 - 50% dari diameter tangki. Turbin biasanya memiliki empat atau enam daun pengaduk. Turbin dengan daun yang datar memberikan aliran yang radial. Jenis ini juga berguna untuk dispersi gas yang baik, gas akan dialirkan dari bagian bawah pengaduk dan akan menuju ke bagian daun pengaduk lalu tepotong-potong menjadi gelembung gas. Beberapa jenis turbin yaitu: a. Turbine disc flat blade b. Turbine hub mounted curved blade


c. Turbine disc mounted curved blade d. Turbine pitched blade e. Turbine bar f. Turbine shrouded

Gambar 2.5 Pengaduk Turbin pada bagian variasi Pada turbin dengan daun yang dibuat miring sebesar 450, seperti yang terlihat pada Gambar 3, beberapa aliran aksial akan terbentuk sehingga sebuah kombinasi dari aliran aksial dan radial akan terbentuk. Jenis ini berguna dalam suspensi padatan kerena aliran langsung ke bawah dan akan menyapu padatan ke atas. Terkadang sebuah turbin dengan hanya empat daun miring digunakan dalam suspensi padat.Pengaduk dengan aliran aksial menghasilkan pergerakan fluida yang lebih besar dan pencampuran per satuan daya dan sangat berguna dalam suspensi padatan. 2.3

Kecepatan Pengadukan Komponen radial dan tangensial terletak pada daerah horizontal dan

komponen longitudinal pada daerah vertikal untuk kasus tangkai tegak (vertical shaft). Komponen radial dan longitudinal sangat berguna untuk penentuan pola aliran yang diperlukan untuk aksi pencampuran (mixing action). Pengadukan pada kecepatan tinggi ada kalanya mengakibatkan pola aliran melingkar di sekitar pengaduk. Gerakan melingkar tersebut dinamakan vorteks. Vorteks dapat terbentuk di sekitar pengaduk ataupun di pusat tangki yang tidak menggunakan baffle. Fenomena ini tidak diinginkan dalam industri karena beberapa alasan. Pertama: kualitas pencampuran buruk meski fluida berputar dalam tangki. Hal ini disebabkan oleh kecepatan sudut pengaduk dan fluida sama. Kedua udara dapat masuk dengan mudahnya ke dalam fluida karena tinggi fluida di pusat tangki jatuh hingga mencapai bagian atas pengaduk. Ketiga, adanya


vorteks akan mengakibatkan naiknya permukaan fluida pada tepi tangki secara signifikan sehingga fluida tumpah. Salah satu variasi dasar dalam proses pengadukan dan pencampuran adalah kecepatan putaran pengaduk yang digunakan. Variasi kecepatan putaran pengaduk bisa memberikan gambaran mengenai pola aliran yang dihasilkan dan daya listrik yang dibutuhkan dalam proses pengadukan dan pencampuran. Secara umum klasifikasi kecepatan putaran pengaduk dibagi tiga, yaitu : kecepatan putaran rendah, sedang dan tinggi. 2.3.1

Kecepatan Putaran Rendah Kecepatan rendah yang digunakan berkisar pada kecepatan 100 rpm.

Pengadukan dengan kecepatan ini umumnya digunakan untuk minyak kental, lumpur dimana terdapat serat atau pada cairan yang dapat menimbulkan busa. Jenis pengaduk ini meghasilkan pergerakan batch yang empurna dengan sebuah permukaan fluida yang datar untuk menjaga temperatur atau mencampur larutan dengan viskositas dan gravitasi spesifik yang sama. 2.3.2 Kecepatan Putaran Sedang Kecepatan sedang, berkisar pada kecepatan 1150 rpm. Pengaduk dengan kecepatan ini umumnya digunakan untuk larutan sirup kental dan minyak pernis. Kecepatan rendah, berkisar pada kecepatan 400 rpm. Pengaduk dengan kecepatan ini umumnya digunakan untuk minyak kental, lumpur di mana terdapat serat atau pada cairan yang dapat menimbulkan busa. Untuk menjamin keamanan proses, pengaduk dengan kecepatan lebih tinggi dari 400 rpm sebaiknya tidak digunakan untuk cairan dengan viskositas lebih besar dari 200 cP, atau volume cairan lebih besar dari 2000 L. Pengaduk dengan kecepatan lebih besar dari 1150 rpm sebaiknya tidak digunakan untuk cairan dengan viskositas lebih besar dari 50 cP atau volume cairan lebih besar dari 500 L. Kecepatan pengaduk ditentukan oleh viskositas fluida dan ukuran geometri sistem pengadukan. Kecepatan sedang yang digunakan berkisar pada kecepatan 1150 rpm. Pengaduk dengan kecepatan ini umumnya digunakan untuk larutan sirup kental dan minyak pernis. Jenis ini paling sering digunakan untuk meriakkan permukaan pada viskositas yang rendah, mengurangi waktu pencampuran, mencampuran


larutan dengan viskositas yang berbeda dan bertujuan untuk memanaskan atau mendinginkan. 2.3.3 Kecepatan Putaran Tinggi Kecepatan tinggi yang digunakan berkisar pada kecepatan 1750 rpm. Pengaduk dengan kecepatan ini umumnya digunakan untuk fluida dengan viskositas rendah misalnya air. Tingkat pengadukan ini menghasilkan permukaan yang cekung pada viskositas yang rendah dan dibutuhkan ketika waktu pencampuran sangat lama atau perbedaan viskositas sangat besar. 2.4

Jumlah Pengaduk Penambahan jumlah pengaduk yang digunakan pada dasarnya untuk tetap

menjaga efektifitas pengadukan pada kondisi yang berubah. Ketinggian fluida yang lebih besar dari diameter tangki, disertai dengan viskositas fluida yang lebih besar dan diameter pengaduk yang lebih kecil dari dimensi yang biasa digunakan, merupakan kondisi dimana pengaduk yang digunakan lebih dari satu buah, dengan jarak antara pengaduk sama dengan jarak pengaduk paling bawah ke dasar tangki. Penjelasan mengenai kondisi pengadukan dimana lebih dari satu pengaduk yang digunakan dapat dilihat dalam Tabel 2.1 Tabel 2.1. Kondisi untuk pemilihan pengaduk (sumber:Hardjomidjoo,1992) Satu Pengaduk

Dua Pengaduk

Fluida dengan viskositas rendah

Fluida dengan viskositas sedang dang tinggi

Pengaduk menyapu dasar tangki

Pengaduk pada tangki yang dalam

Kecepatan balik aliran yang tinggi

Gaya gesek aliran besar

Ketinggian permukaan cairan yang

Ukuran mounting nozzle yang minimal

bervariasi


2.4.1 Pemilihan Jenis Pengaduk Viskositas dari cairan adalah salah satu dari beberapa faktor yang mempengaruhi pemilihan jenis pengaduk. Indikasi dari rentang viskositas pada setiap jenis pengaduk adalah : a. Pengaduk jenis baling-baling digunakan untuk viskositas fluida di bawah Pa.s (3000 cP). b. Pengaduk jenis turbin bisa digunakan untuk viskositas di bawah 100 Pa.s (100.000 cp). c. Pengaduk jenis dayung yang dimodifikasi seperti pengaduk jangkar bisa digunakan untuk viskositas antara 50 - 500 Pa.s (500.000 cP) d. Pengaduk jenis pita melingkar biasa digunakan untuk viskositas di atas 1000 Pa.s dan telah digunakan hingga viskositas 25.000 Pa.s. Untuk viskositas lebih dari 2,5 - 5 Pa.s (5000 cP) dan diatasnya, sekat tidak diperlukan karena hanya terjadi pusaran kecil.

Gambar 2.6 Pola aliran yang dihasilkan oleh jenis-jenis pengaduk yang berbeda, (a) Impeller, (b) Propeller, (c) Paddle dan (d) Helical ribbon Tabel 2.2 Daerah Penggunaan Berbagai Tipe Pengaduk Berdasarkan Viskositas (Sumber:Demal didalam Hardjomidjoo,1992) Viscositas (Centipoises) Tipe Pengaduk

10 -4

10-3 10-2

10-1

10-0

101

102

Heliks Berulir Paddle Propeller


Turbin Keterangan : Proses Batch

Dari tabel 2.2. Pada Gambar dibawah diperlihatkan pembagian (daerah kegunaan) Tipe Pengaduk berdasarkan viskositas. Pengaduk turbin dapat diguanakan pada kisaran viskositas 0,0001 - 5 Pa.s, sedangkan pengaduk baling - balig (propeller) dapat berkisar 0,0001 - 1 Pa.s Propeller, turbine dan paddle secara umum digunakan pada sistem yang kekentalannya rendah dan beroperasi pada putaran dengan kecepatan tinggi. Kecepatan dari tipe turbine berada pada 3 m/s. Propeller memiliki kecepatan lebih cepat dan paddle lebih rendah dari tipe turbine. Secara umum dapat dikelompokkan bahwa propeller, turbine, dan paddle digunakan untuk mencampur dengan kekentalan rendah, campuran antara cairan dengan cairan, membubarkan gas dalam cairan dengan kekentalan rendah, menyingkirkan benda padat pada cairan dengan kekentalan yang rendah. Untuk anchor, helical ribbon dan helical screw digunakan untuk mencampur dengan kekentalan tinggi. 2.5

Aliran Fluida Fluida adalah suatu zat yang dapat mengalir bisa berupa cairan atau gas..

Pemakaian mekanika kepada medium kontinyu, baik benda padat maupun fluida adalah didasari pada hukum gerak newton yang digabungkan dengan hukum gaya yang sesuai. Salah satu cara untuk menjelaskan gerak suatu fluida adalah dengan membagi –bagi fluida tersebut menjadi elemen volume yang sangat kecil yang dapat dinamakan partikel fluida dan mengikuti gerak masing-masing partikel ini. Suatu massa fluida yang mengalir selalu dapat dibagi-bagi menjadi tabung aliran, bila aliran tersebut adalah tunak, waktu tabung-tabung tetap tidak berubah bentuknya dan fluida yang pada suatu saat berada didalam sebuah tabung akan


tetap berada dalam tabung ini seterusnya. Kecepatan aliran didalam tabung aliran adalah sejajar dengan tabung dan mempunyai besar berbanding terbalik dengan luas penampangnya. (pantar,s, 1997) 2.5.1 Macam Aliran fluida Aliran dapat diklasifikasikan (digolongkan) dalam banyak jenis seperti: turbulen, laminar, nyata, ideal, mampu balik, tak mampu balik, seragam, tak seragam, rotasional, tak rotasional. Aliran fluida terdapat dua jenis aliran yaitu : 1. Aliran laminer 2. Aliran turbulensi Cairan dengan rapat massa yang akan lebih mudah mengalir dalam keadaan laminer. Dalam aliran fluida

perlu ditentukan besarannya, atau arah vektor

kecepatan aliran pada suatu titik ke titik yang lain. Agar memperoleh penjelasan tentang medan fluida, kondisi rata-rata pada daerah atau volume yang kecil dapat ditentukan dengan instrument yang sesuai. Pengukuran aliran adalah untuk mengukur kapasitas aliran, massa laju aliran, volume aliran. Pemilihan alat ukur aliran

tergantung pada ketelitian,

kemampuan pengukuran, harga, kemudahan pembacaan, kesederhanaan dan keawetan alat ukur tersebut. Dalam

pengukuran fluida termasuk penentuan

tekanan, kecepatan, debit, gradien kecepatan, turbulensi dan viskositas. Terdapat banyak cara melaksanakan pengukuran – pengukuran , misalnya : langsung, tak langsung, gravimetrik, volumetrik, elektronik, elektromagnetik

dan optik.

Pengukuran debit secara langsung terdiri dari atas penentuan volume atau berat fluida yang melalui suatupenampang dalam suatu selang waktu tertentu. Metoda tak langsung bagi pengukuran debit memerlukan penentuan tinggi tekanan, perbedaan tekanan atau kecepatan dibeberapa di titik pada suatu penampang dan dengan besaran perhitungan debit. Metode pengukuran aliran yang paling teliti adalah penentuan gravimerik atau penentuan volumetrik dengan berat atau volume diukur atau penentuan dengan mempergunakan tangki yang dikalibrasikan untuk selang waktu yang diukur.


Pada prinsipnya besar aliran fluida dapat diukur melalui : 1. Kecepatan (velocity) 2. Berat (massanya) 3. Luas bidang yang dilaluinya 4. Volumenya. (http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/18295/3/Chapter%20II.pdf) 2.5.2 Pola Alir Liquid Impeller Pitch Blade Turbine ( PBT ) adalah tipe impeller dengan aliran aksial, sirkulasi aliran beroperasi secara pumping down dan pumping up yang mana seringkali digunakan. Menurut Nurtono,et,al ( 2009 ). Aliran yang dihasilkan oleh pumping down PBT terdapat tiga pola aliran yang dikenali yaitu: 1. Double Circulation ( DC ) Pada Pola DC terdapat dua circulation loops, yang utama melalui daerah dintara blades dan yang kedua dekat dengan dasar tangki. Pola ini dipertimbangkan sebagai aliran rata – rata dari impeller PBT. Dua loops dihasilkan dari jet yang diinduksi oleh impeller, mengenai dinding yangki dibawah ketinggian impeller sebelum akhirnya terpisah menjadi dua aliran. Satu langsung turun dan dipantulkan oleh dasar tangki, menjadi loop kedua. Aliran lain bergerak secara aksial mendekati dinding samping dari tangki, dan kemudian kembali pada impeller shaft, mengalir turun menuju impeller menjadi loop utama. 2. Full Circulation Discharge ( FC ) Pada Pola FC menggambarkan dimana impeller menghasilkan pumping down circulation loop yang hampir terjadi diseluruh tangki. 3. Main Circulation Interaction ( IP ) Pada Pola IP menggambarkan aliran yang berpotongan melalui sumbu axis dari tangki. Bagian dari loop kedua yang mengalir diatas dasar tangki berpotongan terhadap boundary diantara loop utama dan kedua pada sisi yang berseberangan.


2.5.3

Parameter Hidrodinamika dalam Tangki Berpengaduk Menurut Geankoplis ( 2003 ), dalam suatu peningkatan skala pada tangki

berpengaduk, jika kesamaan geometrik peralatan skala kecil ke skala besar dipertahankan pada kondisi yang sama , maka bagian – bagian yang relevan dengan perilaku cairan dalam tangki berpengaduk adalah tenaga yang digunakan untuk agitasi ( P ) dan kecepatan putar pengaduk ( N ). Konsumsi energi oleh tangki berpengaduk digambarkan dengan Bilangan Power ( Power Number ). Bilangan Power merupakan bilangan yang tak berdimensi yang diperoleh dengan persamaan: Np

=

𝑃𝑃

⍴𝑁𝑁 3 𝐷𝐷 5

...................................................................pers12

Dimana : Np

= Bilangan Power

N

= Putaran Pengaduk (rpm)

D

= Diameter Pengaduk (mm)

P

= Daya

Pergerakan cairan di dalam tangki berpengaduk dapat digambarkan dengan bilangan tak berdimensi lain, yaitu bilangan reynolds ( N Re ). Bilangan Reynolds merupakan rasio antara inersia dengan kekentalan. Bilangan Reynolds ( N Re ) didefinisikan sebagai berikut : N Re =

⍴𝑁𝑁𝐷𝐷 2 η

...................................................................pers13

Dimana: N Re = Bilangan Reynold η

= Kekentalan ( kg/m.detik)

⍴

= Densitas cairan dalam tangki ( kg/m3)

N

= Putaran Pengaduk (Rpm)

Dt

= Diameter pengaduk ( m )


Bilangan tak berdimensi ini menunjukkan perbandingan antara gaya inersia dengan gaya gravitasi. Bilangan Fraude dapat dihitung dengan persamaan berikut : Fr Dimana: Fr

=

𝑉𝑉 2

𝐷𝐷 𝐺𝐺

=

(𝑁𝑁𝑁𝑁)2 𝐷𝐷 𝑔𝑔

𝑁𝑁 2 𝐷𝐷

=

𝑔𝑔

...................................................pers14

= Bilangan Fraude

N

= Kecepatan putaran pengaduk (Rpm)

D

= Diameter pengaduk (m)

g

= Percepatan gravitasi (m/s2)

Bilangan Fraude bukan merupakan variabel yang signifikan. Bilangan ini hanya diperhitungkan pada sistem pengadukan dalam tangki tidak bersekat. Pada sistem ini bentuk permukaan cairan dalam tangki akan dipengaruhi gravitasi sehinggamembentuk pusaran ( vortex ). Vorteks menunjukkan keseimbangan antara gaya gravitasi dengan gaya inersia. Menurut Galletti et al. (2004) hubungan antara Bilangan Power ( Np ) dengan Bilangan Reynolds ( N Re ) biasanya digunakan untuk menggambarkan hubungan antara konsumsi energi dengan kecepatan pengadukan. Hubungan ini digambarkan dalam bentuk kurva tenaga ( power – curve ). Kurva ini diperoleh dengan cara memplotkan nilai – nilai Np dan N Re berdasarkan data hasil percobaan yang meragamkan nilai kecepatan pengaduk ( N ), diameter pengaduk ( D ), densitas (Ρ ), dan viskositas (η ) cairan pada tiap – tiap pengaduk yang mempunyai kesamaan geometrik tertentu. 2.6

Polietilena Polietilena adalah bahan termoplastik yang digunakan secara luas oleh

konsumen sebagai produk kantung plastik. Polietilena adalah polimer yang terdiri dari rantai panjang monomer. Di industri polietilena disingkat dengan PE molekul etana C2H4 adalah CH2 = CH2. Dua grup CH2 bersatu dengan ikatan ganda.


Polietilena dibentuk melalui proses polimerisasi dari etena. Bisa diproduksi melalui proses polimerisasi radikal, adisi ionik, adisi anionik, adisi kationik dan ion koordinasi. Setiap metode menghasilkan PE yang berbeda.

Gambar 2.7 Struktur Etilen dan Polietilena Polietilena pertama kali disintesis oleh ahli kimia Jerman bernama Hans von Pechmann yang melakukannya secara tidak sengaja pada tahun 1989 ketika sedang memanaskan diazometana. Ketika koleganya, Euger Bamberger dan Friedrich Tschirner mencari tahu tentang substansi putih, berlilin, mereka mengetahui bahwa yang ia buat mengandung rantai panjang -CH2- dan menamakannya polimetilena. Kegiatan sintesis polietilena secara industri pertama kali dilakukan, lagilagi, secara tidak sengaja, oleh Eric Fawcett dan Reignald Gibson pada tahun 1993 di fasilitas ICI di Northwich, Inggris. Ketika memperlakukan campuran etilena dan benzaldehida pada tekanan yang sangat tinggi, mereka mendapatkan substansi yang sama seperti yang didapatkan oleh Pechmann. Reaksi di inisiasi oleh keberadaan oksigen dalam reaksi sehingga sulit mereproduksinya pada saat itu. Namun, Micheal Perrin, ahli kimia ICI lainnya, berhasil mensintesisnya sesuai harapan pada tahun 1935, dan pada tahun 1939 industri LDPE pertama dimulai. 2.6.1

Sifat – Sifat Polietilena Berdasarkan kristalinitas dan massa molekul, titik leleh, dan transisi gelas

sulit melihat sifat fisik polietilena. Temperatur titik tersebut sangat bervariasi bergantung pada tipe polietilena. Pada tingkat komersil, polietilena berdensitas menengah dan tinggi, titik lelehnya berkisar 120oC hingga 135oC. Titik leleh polietilena berdensitas rendah berkisar 105oC hingga 115oC. Kebanyakan LDPE, MDPE, dan HDPE mempunyai tingkat resistansi kimia yang sangat baik dan tidak


larut pada temperatur ruang karena sifat kristalinitas mereka. Polietilena umumnya bisa dilarutkan pada temperatur yang tinggi dalam hidrokarbon aromatik seperti toluena, xilena, atau larutan terklorinasi seperti triklorometana atau triklorobenzena. 2.6.2

Jenis Polietilena Polietilena terdiri dari berbagai jenis berdasarkan kepadatan dan

percabangan molekul. Sifat mekanis dari polietilena bergantung pada tipe percabangan, struktur kristal, dan berat molekulnya. 1. Polietilena bermassa molekul sangat tinggi (Ultra High Molecular Weight Polyethylene atau UHMWPE) 2. Polietilena bermassa molekul sangat rendah (Ultra Low Molecular Weight Polyethylene atau ULMWPE) 3. Polietilena bermassa molekul tinggi (High Molecular Weight Polyethylene atau HMWPE) 4. Polietilena berdensitas tinggi (High Density Polyethylene atau HDPE) 5. Polietilena cross-linked berdensitas tinggi (High Density Cross-Linked Polyethylene atau HDXLPE) 6. Polietilena cross-linked (Cross-Linked Polyethylene atau XLPE) 7. Polietilena berdensitas menengah (Medium Density Polyethylene atau MDPE) 8. Polietilena berdensitas rendah (Low Density Polyethylene atau LDPE) 9. Polietilena linier berdensitas rendah (Linear Low Density Polyethylene atau LLDPE) 10. Polietilena berdensitas sangat rendah (Very Low Density Polyethylene atau VLDPE). 2.6.3

Polietilena Berdensitas Rendah atau LDPE Polietilena berdensitas rendah (low density polyethylene, LDPE) adalah

termoplastik yang terbuat dari minyak bumi. Pertama kali diproduksi oleh Imperial Chemical Industries (ICI) pada tahun 1933 menggunakan tekanan tinggi dan polimerisasi radikal. LDPE dapat didaur ulang, dan memiliki nomor 4 pada simbol daur ulang.


LDPE dicirikan dengan densitas antara 0.910 - 0.940 g/cm3 dan tidak reaktif pada temperatur kamar, kecuali oleh oksidator kuat dan beberapa jenis pelarut dapat menyebabkan kerusakan. LDPE dapat bertahan pada temperatur 90 oC dalam waktu yang tidak terlalu lama. LDPE memiliki percabangan yang banyak, lebih banyak dari pada HDPE sehingga gaya antar molekulnya rendah. LDPE dapat didaur ulang, dan memiliki nomor 4 pada simbol daur ulang. LDPE dicirikan dengan densitas antara 0.910 – 0.940 g/cm3 dan tidak reaktif pada suhu kamar, kecuali oleh oksidator kuat dan beberapa jenis pelarut dapat menyebabkan kerusakan. LDPE dapat bertahan pada temperatur 90 oC dalam waktu yang tidak terlalu lama. LDPE memiliki percabangan yang banyak, lebih banyak dari pada HDPE sehingga gaya antar molekulnya rendah. Ketahanan LDPE terhadap bahan kimia diantaranya: 1. Tak ada kerusakan dari asam, basa, alkohol, dan ester 2. Kerusakan kecil dari keton, aldehida, dan minyak tumbuh-tumbuhan 3. Kerusakan menengah dari hidrokarbon alifatik, aromatik dan oksidator. 4. Kerusakan tinggi pada hidrokarbon terhalogenisasi. Ketahanan LDPE terhadap bahan kimia diantaranya: 1. Tak ada kerusakan dari asam, basa, alkohol, dan ester. 2. Kerusakan kecil dari keton, aldehida, dan minyak tumbuh-tumbuhan. 3. Kerusakan menengah dari hidrokarbon alifatik dan aromatik dan oksidator. 4. Kerusakan tinggi pada hidrokarbon terhalogenisasi. LDPE memiliki aplikasi yang cukup luas, terutama sebagai wadah pembungkus. Produk lainnya dari LDPE meliputi: 1. Wadah makanan dan wadah di laboratorium 2. Permukaan anti korosi 3. Bagian yang membutuhkan fleksibilitas 4. Kontong plastik 5. Bagian elektronik Jenis kode plastik yang umum beredar diantaranya:


1. PET (Polietilena tereftalat). Umumnya terdapat pada botol minuman atau bahan konsumsi lainnya yang cair. 2. HDPE (High Density Polyethylene, Polietilena berdensitas tinggi) biasanya terdapat pada botol deterjen. 3. PVC (polivinil klorida) yang biasa terdapat pada pipa, rnitur, dan sebagainya. 4. LDPE (Low Density Polyethylene, Polietilena berdensitas rendah) biasa terdapat pada pembungkus makanan. 5. PP (polipropilena) umumnya terdapat pada tutup botol minuman, sedotan, dan beberapa jenis mainan. 6. PS (polistirena) umum terdapat pada kotak makanan, kotak pembungkus daging, cangkir, dan peralatan dapur lainnya. 2.7

Elemen Pemanas Listrik Electrical Heating Element banyak dipakai dalam kehidupan sehari-hari,

baik didalam rumah tangga ataupun peralatan dan mesin industri. Panas yang dihasilkan oleh elemen pemanas listrik ini bersumber dari kawat ataupun pita bertahanan listrik tinggi ( Resistance Wire) biasanya bahan yang digunakan adalah niklin yang dialiri arus listrik pada kedua ujungnya dan dilapisi oleh isolator listrik 2.8

Computational Fluid Dynamics (CFD) CFD adalah metode penghitungan, memprediksi, dan pendekatan aliran

fluida secara numerik dengan bantuan komputer. Aliran fluida dalam kehidupan nyata memiliki banyak sekali jenis dan karakteristik tertentu yang begitu kompleks, CFD melakukan pendekatan dengan metode numerasi serta menggunakan

persamaan-persamaan

fluida.

CFD

merupakan

metode

penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi, luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap-tiap elemen pembaginya. Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi-bagi menjadi beberapa bagian, hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing. Bagian-bagian yang


terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software. 2.8.1 Perhitungan Dinamika Fluida (Computational Fluid Dynamics) Dinamika fluida adalah cabang dari ilmu mekanika fluida yang mempelajari tentang pergerakan fluida. Dinamika fluida dipelajari melalui tiga cara yaitu: − Dinamika fluida eksperimental − Dinamika fluida secara teori, dan − Dinamika fluida secara numerik (CFD) Computational Fluid Dynamics (CFD) merupakan suatu ilmu untuk memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, reaksi kimia, dan fenomena yang berhubungan, dengan menyelesaikannya menggunakan persamaan-persamaan matematika secara numerik. 1. Hukum Konservasi Massa Misalkan sebuah elemen fluida dalam kasus tiga dimensi dengan dimensi dx, dy dan dz seperti ditunjukkan pada Gambar 2.8. Konsep dasar dari hukum konservasi massa adalah bahwa jumlah pertambahan massa pada volume control adalah sama dengan jumlah aliran massa yang masuk dan keluar elemen.

Gambar 2.8 Konservasi massa pada elemen fluida 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕

+

𝜕𝜕(𝜌𝜌𝜌𝜌 ) 𝜕𝜕𝜕𝜕

+

𝜕𝜕(𝜌𝜌𝜌𝜌 ) 𝜕𝜕𝜕𝜕

+

𝜕𝜕(𝜌𝜌𝜌𝜌 ) 𝜕𝜕𝜕𝜕

= 0 ....................... pers15

Atau menggunakan operator divergen dapat dituliskan sebagai:


𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕

∇. (𝑉𝑉 ) = 0 .................................................. pers16

Persamaan di atas merupakan bentuk umum dari persamaan konservasi massa yang biasa disebut juga dengan persamaan kontinuitas. Persamaan (2.13) adalah unsteady, kekekalan massa atau persamaan kontinuitas tiga dimensi pada sebuah titik dalam sebuah fluida kompresibel. Suku pertama pada sisi sebelah kiri kelajuan perubahan dalam waktu dari densitas (massa per satuan volume). Suku kedua menjelaskan neto aliran massa keluar dari elemen melintasi boudarinya dan disebut suku konvektif.

Pada persamaan

inkompresibel, dimana kerapatan spasial dan temporal diabaikan, persamaan ini dapat disederhanakan dengan menghilangkan 2. Hukum konservasi momentum

𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕

dari persamaan.

Hukum ini dikenal juga dengan hokum Newton II tentang gerak. Tingkat kenaikan momentum partikel fluida sama dengan jumlah gaya gaya pada partikel atau resultan gaya yang bekerja pada suatu objek sama dengan percepatan dikalikan dengan massa objek tersebut. Suatu elemen kecil fluida dengan dimensi dx, dy dan dz ditunjukkan pada Gambar 2.22. Pada gambar tersebut hanya gaya searah x yang ditampilkan. Sebagai catatan, untuk kasus ini, terdapat enam gaya normal dan geser yang bekerja pada permukaan. a. Gaya-gaya permukaan: −

Gaya tekanan

−

Gaya viskos

b. Gaya-gaya badan: − Gaya gravitasi − Gaya sentrifugal − Gaya coriolis − Gaya elektromagnetik Dalam menyoroti kontribusi yang disebabkan gaya-gaya permukaan sebagai bagian tersendiri dalam persamaan momentum dan memasukkan gaya-gaya badan sebagai suku source.


Gambar 2.9 Konservasi momentum pada elemen fluida

Keadaan tegangan dari sebuah elemen fluida didefinisikan dalam suku suku tekanan dan sembilan komponen tegangan viskos ditunjukkan dalam Gambar 2.9. Tekanan, sebuah tekanan normal, di tandai oleh . Tegangan-tegangan viskos ditandai oleh .Notasi akhiran yang biasa digunakan untuk menandakan arah tegangan viskos.akhirani dan j dalam menandakan bahwa komponen tegangan bekerja dalam arah j pada sebuah permukaan normal kearah. Dengan mengacu kepada elemen fluida tersebut, maka persamaan konservasi momentum dapat dituliskan sebagai: 𝜕𝜕(𝜌𝜌𝜌𝜌) 𝜕𝜕(𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌) 𝜕𝜕(𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌) 𝜕𝜕(𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌) + + + 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 =

𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕

+

𝜕𝜕

𝜕𝜕𝜕𝜕

2

+ � µ �2 3

𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕

−

𝜕𝜕𝜕𝜕

𝜕𝜕𝜕𝜕

−

𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕

𝜕𝜕

�� +

𝜕𝜕𝜕𝜕

�� +

𝜕𝜕𝜕𝜕

𝜕𝜕𝜕𝜕

�µ �

𝜕𝜕𝜕𝜕

−

𝜕𝜕𝜕𝜕

𝜕𝜕𝜕𝜕

𝜕𝜕𝜕𝜕

�� +

𝜕𝜕𝜕𝜕

𝜕𝜕𝑢𝑢𝜕𝜕𝑧𝑧+𝜌𝜌𝑓𝑓𝑥𝑥. ...................................................................

𝜕𝜕(𝜌𝜌𝜌𝜌) 𝜕𝜕(𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌) 𝜕𝜕(𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌) 𝜕𝜕(𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌) + + + 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 =

𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕

+

𝜕𝜕

𝜕𝜕𝜕𝜕

2

+ � µ �2 3

𝜕𝜕𝜕𝜕

𝜕𝜕𝜕𝜕

−

𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕

−

𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕

𝜕𝜕

�µ �

𝜕𝜕𝜕𝜕

𝜕𝜕𝜕𝜕

−

𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕

𝜕𝜕

�� +

𝜕𝜕𝑤𝑤𝜕𝜕𝑦𝑦+𝜌𝜌𝑓𝑓𝑦𝑦. ..................................................................

𝜕𝜕𝜕𝜕

�µ �

𝜕𝜕𝜕𝜕

Pers 17

𝜕𝜕

𝜕𝜕𝜕𝜕

�µ �

𝜕𝜕𝜕𝜕

Pers 18

−

−

Atau dalam bentuk tensor dapat dituliskan sebagai:

𝜕𝜕(𝜌𝜌𝑢𝑢𝑖𝑖 ) 𝜕𝜕(𝜌𝜌𝑢𝑢𝑖𝑖 𝑢𝑢𝑗𝑗 ) 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 2 𝜕𝜕𝑢𝑢𝑘𝑘 + =− + �µ � − � + 𝜌𝜌𝑓𝑓𝑦𝑦 � − 𝛿𝛿𝑖𝑖𝑖𝑖 µ 3 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑖𝑖 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑗𝑗 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑘𝑘 ...........................................................................................

Pers 19


Dimana i, j, k = 1, 2, 3 yang menyatakan x, y, z. Persamaan di atas berlaku untuk kondisi tunak (steady). Untuk kondisi tidak tunak (unsteady), maka persamaan dalam hubungannya terhadap waktu,

𝜕𝜕(𝜌𝜌𝑢𝑢 𝑖𝑖 )

dihilangkan.

𝜕𝜕𝜕𝜕

,

3. Hukum konservasi energy Hukum konservasi energy mengatakan bahwa laju perubahan energi dalam dan E pada suatu elemen sama dengan jumlah fluks panas yang masuk ke elemen itu dan laju kerja yang bekerja pada elemen oleh gaya yang ada pada bodi dan permukaannya. Hukum ini dapat dituliskan sebagai: E = Q + W ........................................................................

Pers

Hukum ini juga dikenal sebagai hokum pertama termodinamika. Gaya yang bekerja adalah gaya karena medan tekanan, karena gaya normal dan gaya geser; dan juga karena gaya bodi seperti di tunjukkan pada Gambar 2.10 di bawah ini.

Gambar 2.10 Konservasi energi pada elemen fluida Penyelesaian dari kesetimbangan energi pada gambar adalah suatu persamaan konservasi energi yang dituliskan sebagai: 𝜕𝜕(𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌) 𝜕𝜕(𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌) 𝜕𝜕(𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌) 𝜕𝜕(𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌) + + + 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 =− + �𝑘𝑘 � + �𝑘𝑘 � + + �𝑘𝑘 � 𝜌𝜌𝜌𝜌 − 𝑝𝑝(∇. 𝑣𝑣) + Φ 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 ..........................................................................................

Pers 20

Atau dapat dituliskan dalam tensor sebagai:


𝜕𝜕 𝜕𝜕(𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌) 𝜕𝜕(𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌) 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝑢𝑢𝑖𝑖 + = + 𝜌𝜌𝜌𝜌 + Φ �𝑘𝑘 � − 𝑝𝑝 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑖𝑖 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑖𝑖 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑖𝑖 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑖𝑖

.........................................................................................

Pers 21

Dimana i, j, k = 1, 2, 3 yang merupakan sumbu x, y, z Jika beberapa asumsi dinyatakan, beberapa bagian dari persamaan energi dapat dihilangkan. Sebagai contoh, jika kerapatan massa konstan atau fluida inkompresibel, maka persamaan 𝑝𝑝

𝜕𝜕𝑢𝑢 𝑖𝑖 𝜕𝜕𝑥𝑥 𝑖𝑖

menjadi nol. Selanjutnya, jika disipasi

kekentalan diabaikan, maka Φ dapat dihilangkandari persamaan. Dan juga jika

energi dalam yang timbul pada elemen sama dengan nol, dapat juga dihilangkan dari persamaan. Meskipun persamaan pembentuk aliran di atas terlihat sangat rumit, namun persamaan tersebut berasal dari hokum konservasi yang sangat sedarhana yaitu konservasi massa, momentum dan energi. Pada kasus tiga dimensi , humum ini menjadi lima persamaan yang berbeda. Mereka merupakan system yang disatukan dari persamaan diferensial parsialnonlinear.Sampai saat ini belum ada solusi analitik dari persamaan-persamaan tersebut.Dalam hal ini, persamaan ini bukan tidak memiliki solusi namun sampai saat ini belum ditemukan. Metode yang lain yang digunakan untuk menyelesakan persamaan tersebut adalah dengan metode numerik yang dikenal dengan Computational Fluid Dynamics (CFD). Dengan metode ini, persamaan ini akan diselesaikan dengan iterasi untuk menemukan solusi yang mungkin berdekatan dengan solusi sebenarnya. 2.8.2 Metode CFD Menggunakan Perangkat Lunak FLUENT CFD memungkinkan penyelesaian persamaan pembentuk aliran dengan menggunakan suatu perhitungan numerik yang disebut dengan metode volume hingga (finite volume methods). Untuk memudahkan perhitungan numerik, telah tersedia banyak perangkat lunak computer. Salah satu perangkat lunak yang terkenal dalam perhitungan dan simulasi CFD adalah FLUENT. FLUENT adalah program komputer yang dikembangkan oleh ANSYS Inc. untuk memodelkan aliran fluida dan perpindahan panas dalam geometri yang kompleks. FLUENT merupakan salah satu jenis program CFD (Computational Fluid Dynamics) yang menggunakan metode diskritisasi volume hingga.


FLUENT memiliki fleksibilitas mesh, sehingga kasus-kasus aliran fluida yang memiliki mesh tidak terstruktur akibat geometri benda yang rumit dapat diselesikan dengan mudah. Selain itu, FLUENT memungkinkan untuk penggenerasian mesh lebih halus atau lebih besar dari mesh yang sudah ada berdasarkan pemilihan solusi aliran. Fluent menggunakan teknik control volume untuk mengubah persamaan pembentuk aliran menjadi persamaan algebra sehingga dapat diselesaikan secara numeric. Teknik control volume ini mengandung pengintegralan setiap persamaan pembentuk aliran pada tiap-tiap kontol volume, menghasislkan persamaanpersamaan diskrit yang mengkonservasikan tiap jumlah yang ada pada control volume. Secara lengkap langkah-langkah FLUENT dalam menyelesaikan suatu simulasi adalah sebagai berikut : 1. Membuat geometri dan mesh pada model. 2. Memilih solver yang tepat untuk model tersebut (2D atau 3D). 3. Mengimpor mesh model (grid). 4. Melakukan pemeriksaan pada mesh model. 5. Memilih formulasi solver. 6. Memilih persamaan dasar yang akan dipakai dalam analisa. 7. Menentukan sifat material yang akan dipakai. 8. Menentukan kondisi batas. 9. Mengatur parameter kontrol solusi. 10. Initialize the flow field. 11. Melakukan perhitungan/iterasi. 12. Menyimpan hasil iterasi. 13. Jika diperlukan, memperhalus grid kemudian melakukan iterasi ulang FLUENT menggunakan suatu teknik berbasis volume kendali untuk mengubah bentuk persamaan umum (governing equation) ke bentuk persamaan aljabar (algebraic equation) agar dapat dipecahkan secara numerik.Teknik kontrol volume ini intinya adalah pengintegralan persamaan diferensial umum untuk setiap volume kendali, sehingga menghasilkan suatu persamaan diskrit yang menetapkan setiap besaran pada suatu basis volume kendali. Diskritisasi


persamaan umum dapat diilustrasikan dengan menyatakan persamaan kekekalan kondisi-steady untuk transport suatu besaran skalar. Hal ini ditunjukkan dengan Persamaan 3.1 yang ditulis dalam bentuk integral untuk volume kendali sembarang.Persamaan 3.1 diterapkan untuk tiap volume kendali atau sel dalam daerah asal komputasi (domain).sebagai berikut: ∮ 𝜌𝜌Ǿ𝘢𝘢𝘢𝘢. 𝑑𝑑𝑑𝑑 = ∮ 𝛤𝛤Ǿ ∇Ǿ 𝑑𝑑. 𝐴𝐴 + ∫𝑣𝑣 𝑠𝑠Ǿ 𝑑𝑑𝑑𝑑 ...............................

pers 22

Dimana 𝜌𝜌

= rapat massa

V

= vector kecepatan (=ui + vj +wk dalam 3D)

A

= vector area permukaan

𝛤𝛤Ǿ

= koefisien difusi untuk Ǿ

∇Ǿ 𝑠𝑠Ǿ

= gradient Ǿ(=(𝟃𝟃Ǿ/𝟃𝟃x)i+ 𝟃𝟃Ǿ/𝟃𝟃y)j+ 𝟃𝟃Ǿ/𝟃𝟃z)k dalam 3D) = sumber tiap satuan volume


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents