BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Percobaan untuk Pola Aliran Dengan dan Tanpa Sekat Ada jenis impeller yang membentuk pola aliran aksial dan ada juga jenis impeller lain yang membentuk pola aliran radial maupun tangensial. Gambar di bawah ini akan menunjukkan pola aliran yang terbentuk untuk jenis impeller propeller, turbin dan paddle sederhana dalam tangki memakai sekat ataupun tidak memakai sekat. Tabel 4.1 Tabel Pola Aliran untuk Variasi Jenis Impeller Jenis Kecepatan Impeller
Propeller
4
Turbin
4
Paddle
4
Gambar Pola Aliran Tanpa Sekat Dengan Sekat
Tabel 4.1 memaparkan gambar pola aliran yang terbentuk untuk variasi jenis impeller dan pemasangan sekat. Untuk jenis propeller dengan sekat terlihat bahwa pola aliran yang dihasilkan adalah aliran radial karena pelet-pelet plastik dalam tangki bergerak secara horizontal menuju ke pusat propeller lalu turun ke bawah setelah mencapai dinding lalu ke atas dan ke bawah. Sedangkan untuk propeller tanpa sekat terbentuk aliran aksial karena pelet-pelet plastik bergerak secara vertikal. Berdasarkan teori, pola aliran yang terbentuk untuk impeller jenis propeller adalah aliran aksial pada tangki tanpa sekat (Oldshue, 1983) dan untuk tangki dengan sekat adalah aliran aksial seperti yang ditunjukkan pada gambar :
Gambar 4.1 Pola Aliran Aksial untuk Propeller (Nienow, dkk, 1997) Berdasarkan teori yang ada hasil percobaan untuk pola aliran yang terbentuk pada impeller jenis propeller tanpa sekat dan dengan sekat tidak sesuai dengan teori yang ada, yaitu aliran radial pada propeller tanpa sekat. Hal ini disebabkan karena : 1. Ketidakakuratan dalam melihat pola aliran yang terbentuk. 2. Kurang teliti dalam penentuan jenis dari pola aliran. Untuk jenis turbin dengan sekat terlihat bahwa pola aliran yang dihasilkan adalah aliran radial karena pelet-pelet plastik dalam tangki bergerak secara horizontal menuju ke pusat turbin lalu turun ke bawah setelah mencapai dinding lalu ke atas dan ke bawah. Sedangkan untuk tanpa sekat terbentuk aliran aksial karena pelet-pelet plastik bergerak secara vertikal. Berdasarkan teori, pola aliran yang terbentuk pada tangki tanpa sekat untuk impeller jenis turbin 3 atau 4 bilah adalah aliran aksial dan untuk turbin 6 bilah adalah radial (Paul, dkk, 2004), sedangkan yang dipakai dalam percobaan ini adalah turbin 6 bilah sehingga pola alirannya radial. Untuk tangki dengan sekat, pola alirannya adalah aliran radial, seperti yang ditunjukkan pada gambar :
Gambar 4.2 Pola Aliran Radial untuk Turbin (Nienow, dkk, 1997) Berdasarkan teori yang ada hasil percobaan untuk pola aliran yang terbentuk pada impeller jenis turbin tanpa sekat dan dengan sekat tidak sesuai dengan teori yang ada, yaitu aliran aksial pada jenis turbin dengan sekat. Hal ini disebabkan karena : 1. Ketidakakuratan dalam melihat pola aliran yang terbentuk. 2. Kurang teliti dalam penentuan jenis dari pola aliran.
Untuk jenis paddle dengan sekat terlihat bahwa pola aliran yang dihasilkan adalah aliran radial karena pelet-pelet plastik dalam tangki bergerak secara horizontal menuju ke pusat paddle lalu turun ke bawah setelah mencapai dinding lalu ke atas dan ke bawah. Sedangkan untuk tanpa sekat terbentuk aliran aksial karena pelet-pelet plastik bergerak secara vertikal. Berdasarkan teori, pola aliran yang terbentuk untuk impeller jenis paddle, pada tangki tanpa sekat adalah aliran aksial (Nienow, dkk, 1997), dan untuk tangki dengan sekat adalah aliran radial seperti yang ditunjukkan pada gambar :
Gambar 4.3 Pola Aliran Radial untuk Paddle (Sinnott, 2005) Berdasarkan teori yang ada hasil percobaan untuk pola aliran yang terbentuk pada impeller jenis paddle dengan sekat tidak sesuai dengan teori yang ada, yaitu paddle akan menghasilkan aliran aksial aliran, sedangkan untuk tangki tanpa sekat juga tidak sesuai dengan teori yang ada yaitu, membentuk aliran aksial. Hal ini disebabkan karena : 1. Ketidakakuratan dalam melihat pola aliran yang terbentuk.
2. Kurang teliti dalam penentuan jenis dari pola aliran.
Pada percobaan yang tidak menggunakan sekat, terdapat vorteks pada saat impeller mulai dijalankan, yaitu dengan tinggi vorteks masing-masing untuk propeller 1,6 cm, turbin 2,4 cm, dan paddle 2,3 cm. Namun pada percobaan yang menggunakan sekat, tidak terdapat vorteks pada alirannya. Di dalam tangki yang tidak dipasangi sekat maka cairan akan berotasi dan membentuk vorteks (Zlokarnik, 2001). Jadi, hasil percobaan tidak sesuai dengan teori, yaitu pola aliran untuk tangki tanpa sekat adalah radial untuk propeller dan paddle, dan untuk tangki bersekat tergantung jenis impeller yang digunakan, misalnya propeller menghasilkan pola aliran radial, sedangkan turbin dan paddle menghasilkan pola aliran aksial. Hal ini disebabkan karena : 1.
Ketidakakuratan dalam melihat pola aliran yang terbentuk.
2.
Kurang teliti dalam penentuan jenis dari pola aliran.
4.2
Percobaan untuk Dispersi Padatan
4.2.1
Pengaruh Kecepatan Impeller Untuk Tangki Tanpa Sekat Terhadap Waktu Pencampuran
Kecepatan Impeller (rpm)
400
Propeller Turbin
300
Paddle 200
100
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Waktu Pencampuran (s)
Gambar 4.4 Pengaruh Kecepatan Impeller Terhadap Waktu Pencampuran untuk Tangki Tanpa Sekat
Gambar 4.4 menunjukkan pengaruh kecepatan impeller terhadap waktu pencampuran pasir dan air untuk tangki tanpa sekat. Impeller yang digunakan adalah propeller, turbin dan paddle dengan level kecepatan 4, 5, dan 6, atau 206,667 rpm, 255,556 rpm, dan 304,445 rpm untuk masing-masing impeller. Dapat dilihat dari gambar di atas bahwa kecepatan impeller berbanding terbalik dengan waktu pencampuran yang terlihat dari penurunan grafik setiap kenaikan kecepatan. Hal ini dibuktikan dengan propeller pada level kecepatan 4, 5, 6, waktu yang diperlukan adalah 18 detik, 12 detik, dan 10 detik, sedangkan untuk turbin pada level kecepatan yang sama adalah, 12 detik, 9 detik, 5 detik. Untuk paddle pada level kecepatan yang sama, waktu yang diperlukan adalah 13 detik, 7 detik, dan 4 detik. Selain itu juga terbentuk vorteks pada cairan. Waktu pencampuran adalah waktu yang dibutuhkan untuk mencampurkan bahan-bahan menjadi seragam dan lebih kecil bila dibandingkan dengan waktu reaksi (Albright, 2009). Waktu pencampuran meningkatkan banyaknya partikel yang
tersuspensi ke dalam cairan serta semakin besar kecepatan impeller maka waktu pencampuran dari padatan dan cairan semakin kecil (Zlokarnik, 2001). 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 liter. 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 liter. Kecepatan pengaduk ditentukan oleh viskositas fluida dan ukuran geometri sistem pengadukan(itb, 2010). Daya yang dibutuhkan untuk memutar sebuah pengaduk berhubungan dengan diameter dan kecepatan pengaduknya. Sedikit peningkatan kecepatan putaran dan diameter pengaduk akan menyebabkan sebuah penambahan kebutuhan daya yang besar dan pada umumnya pemakaian sekat akan menambah beban pengadukan yang berakibat pada bertambahnya kebutuhan daya pengadukan (Nurhafizah dkk, 2008) Jadi, hasil yang didapat telah sesuai dengan teori dimana waktu pencampuran berbanding terbalik dengan kecepatan impeller (Zlokarnik, 2001), selain itu waktu pencampuran oleh paddle lebih cepat karena paddle merupakan impeller dengan bilah yang besar sehingga biasa digunakan untuk mengaduk cairan dengan viskositas tinggi menghasilkan pergerakan cairan yang viskos di dalam tangki (Holland, 1973). Diikuti dengan turbin yang menghasilkan pola aliran radial yang memiliki tegangan geser yang besar dan bergerak secara radial terhadap dinding tangki (Paul dkk, 2004). Sedangkan, propeller yang memiliki waktu pencampuran paling besar karena arah aliran aksial yang ditimbulkannya hanya bergerak secara paralel terhadap dinding tangki sehingga waktu pencampurannya lebih lama (Oldshue, 1983).
4.2.2
Pengaruh Kecepatan Impeller Untuk Tangki Dengan Sekat Terhadap Waktu Pencampuran
Kecepatan Impeller (rpm)
400
Propeller Turbin
300
Paddle 200
100
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Waktu Pencampuran (s)
Gambar 4.5 Pengaruh Kecepatan Impeller Propeller Terhadap Waktu Pencampuran untuk Tangki Dengan Sekat
Gambar 4.5 menunjukkan grafik pengaruh kecepatan impeller propeller terhadap waktu pencampuran pasir dan air (H2O) untuk tangki tanpa dan dengan sekat. Level kecepatan yang digunakan adalah 4, 5, dan 6 atau 206,667 rpm, 255,556 rpm, dan 304,445 rpm untuk tangki tanpa dan dengan sekat. Dapat dilihat dari gambar di atas bahwa kecepatan impeller berbanding terbalik dengan waktu pencampuran yang terlihat dari penurunan grafik setiap kenaikan kecepatan. Hal ini dibuktikan dengan propeller pada level kecepatan 4, 5,dan 6 , waktu yang diperlukan adalah 13 detik, 9 detik, dan 5 detik, sedangkan untuk turbin pada level kecepatan yang sama adalah, 11 detik, 7 detik, 4 detik. Untuk paddle pada level kecepatan yang sama, waktu yang diperlukan adalah 12 detik, 6 detik, dan 3 detik. Selain itu juga tidak terbentuk vorteks pada cairan. Waktu pencampuran (mixing time) adalah waktu yang dibutuhkan sehingga diperoleh keadaan yang serba sama untuk menghasilkan campuran atau produk dengan kualitas yang telah ditentukan. Sedangkan laju pencampuran (rate of mixing) adalah laju di mana proses pencampuran berlangsung hingga mencapai kondisi akhir.
Salah satu pertimbangan yang sangat penting dalam merancang bejana pengaduk adalah kebutuhan daya untuk memutar impeller. Bila aliran di dalam tangki adalah turbulen, kebutuhan daya dapat diperkirakan dari hasil kali aliran q yang didapat dari impeller dan energi kinetik Ek per satuan volume fluida (Coulson and Richardson, 1999). Turbin merupakan pengaduk dengan sudu tegak datar dan bersudut konstan. Pengaduk jenis ini digunakan pada viskositas fluida rendah seperti halnya pengaduk jenis propeller (Uhl & Gray, 1966). Pemakaian sekat akan meningkatkan laju pencampuran (Albright, 2009) dan proses pencampuran naik menjadi 2 atau 4 kali bila dibandingkan dengan tanpa sekat (Cheremisinoff, 2000). Sekat tidak dibutuhkan pada cairan viskositas tinggi atau pada cairan dengan bilangan Reynold terlalu rendah serta sekat akan menaikkan daya pada agitator (Paul, dkk, 2004). Jadi, hasil percobaan telah sesuai dengan teori yaitu kecepatan impeller berbanding terbalik dengan waktu pencampuran dan pemakaian sekat akan mempercepat pencampuran.
4.2.3 Pengaruh Fraksi Padatan Untuk Tangki Tanpa Sekat Terhadap Waktu Pencampuran 100
Fraksi Padatan (gr)
Propeller 80
Turbin Paddle
60 40 20 0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Waktu Pencampuran (s)
Gambar 4.6 Pengaruh Fraksi Padatan Terhadap Waktu Pencampuran untuk Tangki Tanpa Sekat
Gambar 4.6 menunjukkan pengaruh fraksi padatan terhadap waktu pencampuran pasir dan air untuk tangki tanpa sekat. Impeller yang digunakan adalah propeller, turbin dan paddle dengan fraksi padatan 20 gram,40 gram dan 60 gram . Dapat dilihat dari gambar di atas bahwa fraksi padatan berbanding terbalik dengan waktu pencampuran yang terlihat dari penurunan grafik setiap kenaikan kecepatan. Hal ini dibuktikan dengan propeller pada fraksi padatan 20 gram,40 gram dan 60 gram , waktu yang diperlukan adalah 7 detik, 9 detik, dan 8 detik, sedangkan untuk turbin pada fraksi padatan yang sama adalah, 5 detik, 6 detik, 6 detik. Untuk paddle pada fraksi padatan yang sama, waktu yang diperlukan adalah 4 detik, 6 detik, dan 5 detik. Selain itu juga terbentuk vorteks pada cairan. Dari teori perubahan densitas viskositas daya menghasilkan perbedaan pengadukan untuk kecepatan putaran dan diameter pengaduk yang sama.semakin besar densitas fluida, maka akan semakin besar pergerakannya dan semakin besar viskositas fluida sehingga pergerakan gluida akan semakin kecil untuk kecepatan putaran dan diameter pengaduk yang sama (Nurhafizah, 2010). Kebanyakan padatan tersuspensi di dalam cairan yang bergerak di dalam tangki.bila jumlah padatan sedikit, partikel bergerak mengelilingi tangki tetapi
memiliki perpindahan massa yang lebih lambat dibandingkan campuran zat cair (Mc Cabe, 1993). Jika fraksi padatan tersuspensi semakin banyak maka perpindahan massanya akan semakin lambat sehingga waktu pencampuran untuk mencapai homogen semakin lama. Berdasarkan perbandingan teori dan hasil percobaan di dapatkan bahwa hasil tidak sesuai dengan teori.Dimana pada saat fraksi padatan meningkat terjadi fluktuasi pada fraksi padatan 40 gram dan 60 gram seiring kenaikan waktu pengadukan pada impeller propeller dan paddle. .Hal tersebut dikarenakan : 1.
Tidak menentukan jenis pengaduk dan posisi pengaduk yang paling efisien untuk pengadukan
2.
Perbandingan massa padatan terlalu kecil dengan massa cairan sehingga pergerakan massa susah ditentukan
4.2.4 Pengaruh Fraksi Padatan Untuk Tangki Dengan Sekat Terhadap Waktu Pencampuran
Fraksi Padatan (gr)
100
Propeller
80
Turbin Paddle
60 40 20 0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Waktu Pencampuran (s)
Gambar 4.7 Pengaruh Fraksi Padatan Terhadap Waktu Pencampuran untuk Tangki Dengan Sekat
Gambar 4.7 menunjukkan pengaruh fraksi padatan terhadap waktu pencampuran pasir dan air untuk tangki tanpa sekat. Impeller yang digunakan adalah propeller, turbin dan paddle dengan fraksi padatan 20 gram, 40 gram dan 60 gram .
Dapat dilihat dari gambar di atas bahwa fraksi padatan berbanding terbalik dengan waktu pencampuran yang terlihat dari penurunan grafik setiap kenaikan fraksi. Hal ini dibuktikan dengan propeller pada fraksi padatan 20 gram, 40 gram dan 60 gram. Waktu yang diperlukan adalah 9 detik, 10 detik, dan 9 detik, sedangkan untuk turbin pada fraksi padatan yang sama adalah 5 detik, 8 detik, 7 detik. Untuk paddle pada fraksi padatan yang sama, waktu yang diperlukan adalah 4 detik, 6 detik, dan 5 detik. Selain itu juga tidak terbentuk vorteks pada cairan. Dari teori perubahan densitas viskositas daya menghasilkan perbedaan pengadukan untuk kecepatan putaran dan diameter pengaduk yang sama. Semakin besar densitas fluida, maka akan semakin besar pergerakannya dan semakin besar viskositas fluida sehingga pergerakan gluida akan semakin kecil untuk kecepatan putaran dan diameter pengaduk yang sama (Nurhafizah dkk, 2008). Daya yang dibutuhkan untuk memutar sebuah pengaduk berhubungan dengandiameter dan kecepatan pengaduknya. Sedikit peningkatan kecepatan putaran dan diameter pengaduk akan menyebabkan sebuah penambahan kebutuhan daya yang besar dan pada umumnya pemakaian sekat akan menambah beban pengadukan yang berakibat pada bertambahnya kebutuhan daya pengadukan (Nurhafizah dkk, 2008) Kebanyakan padatan tersuspensi di dalam cairan yang bergerak di dalam tangki.bila jumlah padatan sedikit, partikel bergerak mengelilingi tangki tetapi memiliki perpindahan massa yang lebih lambat dibandingkan campuran zat cair (Mc Cabe, 1993). Jika fraksi padatan tersuspensi semakin banyak maka perpindahan massanya akan semakin lambat sehingga waktu pencampuran untuk mencapai homogen semakin lama. Berdasarkan perbandingan teori dan hasilpercobaan di dapatkan bahwa hasil tidak sesuai dengan teori. Dimana terjadi peningkatan waktu pencampuran pada propeller,turbin dan padlle saat fraksi padatan 60 gram. Hal tersebut dikarenakan : 1.
Tidak menentukan jenis pengaduk dan posisi pengaduk yang paling efisien untuk pengadukan
2.
Perbandingan massa padatan terlalu kecil dengan massa cairan sehingga pergerakan massa susah ditentukan
4.2.5 Pengaruh Posisi Pengaduk Untuk Tangki Tanpa Sekat Terhadap Waktu Pencampuran
Posisi Pengaduk (C/H)
1 4/5
Propeller Turbin
3/5
Paddle 2/5 1/5 0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Waktu Pencampuran (s)
Gambar 4.8 Pengaruh Posisi Pengaduk Terhadap Waktu Pencampuran untuk Tangki Tanpa Sekat
Gambar 4.8 menunjukkan pengaruh posisi pengaduk terhadap waktu pencampuran pasir dan air untuk tangki tanpa sekat. Impeller yang digunakan adalah propeller, turbin dan paddle dengan posisi pengaduk
=
,
, dan
. Dapat dilihat
dari gambar di atas bahwa posisi pengaduk berbanding terbalik dengan waktu pencampuran yang terlihat dari penurunan grafik setiap kenaikan posisi pengaduk. Hal ini dibuktikan dengan propeller pada posisi pengaduk pengaduk dan
= ,
, waktu yang diperlukan adalah 9 detik, 10 detik, dan 9 detik, sedangkan untuk
turbin pada posisi pengaduk yang sama adalah, 5 detik, 8 detik, 7 detik. Untuk paddle pada posisi pengaduk yang sama, waktu yang diperlukan adalah 4 detik, 6 detik, dan 5 detik. Selain itu juga terbentuk vorteks pada cairan. Dari teori, jarak impeller yang lebih besar pembentukan waktu pencampuran yang lebih rendah dibandingkan dengan jarak impeller yang lebih kecil. Dalam beberapa hal ada ketetapan untuk mengubah posisi impeller untuk suspensi padat. Penempatan impeller terbaik adalah dari ujung impeller ke dasar tangki. Kriteria ini dikembangkan Dickey (1984) berdasarkan viskositas cairan dan rasionya dari kedalaman tangki (Wallas, 1990)
Jadi hasil percobaan yang telah dilakukan untuk paddle telah sesuai dengan teori, yaitu pada posisi
=
memiliki waktu pengadukan paling cepat, sedangkan
pada propeller dan turbin waktu pencampurannya lama. Terjadinya fluktuasi pada percobaan dikarenakan aliran turbulen sehingga mengganggu penglihatan saat terjadi keseragaman pencampuran. Hal ini dikarenakan: 1.
Ketidakakuratan di dalam menghitung waktu,
2.
Kurang teliti dalam pembacaan waktu pencampuran
4.2.6 Pengaruh Posisi Pengaduk Untuk Tangki Dengan Sekat Terhadap Waktu Pencampuran
Posisi Pengaduk (C/H))
1 4/5
Propeller Turbin
3/5
Paddle 2/5 1/5 0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Waktu Pencampuran (s)
Gambar 4.9 Pengaruh Posisi Pengaduk Terhadap Waktu Pencampuran untuk Tangki Dengan Sekat
Gambar 4.9
menunjukkan pengaruh posisi pengaduk terhadap waktu
pencampuran pasir dan air untuk tangki tanpa sekat. Impeller yang digunakan adalah propeller, turbin dan paddle dengan posisi pengaduk
= 2/5, 1/3, dan ½. Dapat dilihat
dari gambar di atas bahwa grafik cenderung meningkat pada propeller, turbin dan padlle. Hal ini dibuktikan dengan propeller pada posisi pengaduk
= 2/5, 1/3, dan ½ .
waktu yang diperlukan adalah 12 detik, 12 detik, dan 13 detik, sedangkan untuk turbin pada posisi pengaduk yang sama adalah, 6 detik, 9 detik, 7 detik. Untuk
paddle pada fraksi padatan yang sama, waktu yang diperlukan adalah 7 detik, 18 detik, dan 12 detik. Selain itu juga tidak terbentuk vorteks pada cairan. Dari teori, jarak impeller yang lebih besar pembentukan waktu pencampuran yang lebih rendah dibandingkan dengan jarak impeller yang lebih kecil. Dalam beberapa hal ada ketetapan untuk mengubah posisi impeller untuk suspensi padat. Penempatan impeller terbaik adalah 1/3 dari ujung impeller ke dasar tangki. Kriteria ini dikembangkan Dickey (1984) berdasarkan viskositas cairan dan rasionya dari kedalaman tangki (Wallas, 1990) Jadi pada posisi
= 1/3 harus memiliki waktu pencampuran paling cepat.
Dari percobaan, belum ada yang sesuai dengan teori ini disebabkan karena adanya aliran yang turbulen sehingga mengganggu penglihatan saat keadaan yang seragam.
