Tangki Berpengaduk

BAB I

PENDAHULUAN

1.1  Latar Belakang

      Pengadukan adalah suatu operasi kesatuan yang mempunyai sasaran untuk menghasilkan pergerakan tidak beraturan dalam suatu cairan, dengan alat mekanis yang terpasang pada alat di atas. Walaupun pengadukan sering disalahartikan dengan campuran, dan mereka tidaklah bersinonim. Pengadukan mengacu pada pergerakan dalam suatu material dalam bentuk spesifik; bagaimanapun, ini merupakan suatu distribusi secara acak antara dua atau lebih tahap yang pada awalnya terpisah. Pola aliran yang terjadi dalam cairan yang diaduk tergantung pada jenis pengaduk, karakteristik fluida yang diaduk dan ukuran serta perbandingan ukuran antara tangki, pengaduk dan sekat. Tujuan dari pada operasi pengadukan terutama adalah terjadinya pencampuran. Pencampuran merupakan suatu operasi yang bertujuan mengurangi ketidaksamaan komposisi, suhu atau sifat lain yang terdapat dalam suatu bahan

Yang dimaksud dengan tangki pengaduk ( tangki reaksi ) adalah bejana pengaduk tertutup yang berbentuk silinder, bagian alas dan tutupnya cembung. Tangki pengaduk terutama digunakan untuk reaksi-reaksi kimia pada tekanan diatas tekanan atmosfer dan pada tekanan vakum, namun tangki ini juga sering digunakan untuk proses yang lain misalnya untuk pencampuran, pelarutan, penguapan ekstraksi dan kristalisasi.

1.2  Tujuan Percobaan

Mempelajari karakteristik sistem pengadukan cairan di dalam tangki.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1    PengertianPengadukan

Pengadukan adalah operasi yang menciptakan terjadinya gerakan didalam bahan yang diaduk. Tujuan dari pada operasi pengadukan terutama adalah terjadinya pencampuran. Pencampuran adalah suatu operasi yang bertujuan untuk mengurangi ketidaksamaan komposisi, suhu, atau sifat yang lain yang terdapat dalam suatu bahan atau bisa juga pencampuran adalah penggabungan dua atau lebih bahan yang berbeda fase, seperti fluida atau padatan halus dan hal ini bertujuan untuk mengacak yang satu terhadap yang lain sehingga terjadi distribusi. Pencampuran dapat menimbulkan gerak didalam bahan itu yang menyebabkan bagian-bagian bahan saling bergerak satu terhadap yang lainnya, sehingga operasi pengadukan hanyalah salah satu cara operasi pencampuran.

Istilah pencampuran digunakan untuk berbagai ragam operasi, dimana derajat homogenitas bahan yang “bercampur” itu sangat berbeda. Umpamanya, satu kasus, dimana dua macam gas digabungkan dalam satu tempat hingga seluruhnya bercampur dengan baik, dan kasus lain pasir, kerikil, dan semen diaduk didalam drum putar selama beberapa waktu. Dalam kedua kasus itu bahan-bahan itu pada akhirnya bercampur, namun jelas pula bahwa homogenitasnya berbeda. Cuplikan campuran gas itu betapa pun kecilnya cuplikan itu semuanya mempunyai komposisi yang sama. Sedang cuplikan campuran beton, dipihak lain akan sangat berlainan komposisinya satu sama lain.

Pengadukan zat cair digunakan untuk berbagai maksud bergantung dari tujuan langkah pengolahan itu sendiri. Tujuan pengadukan antara lain :

a.    Untuk membuat suspensi partikel zat padat

b.    Untuk meramu zat cair yang mampu bercampur (miscible), umpamanya metil alkohol dan air.

c.    Untuk menyebarkan (dispersi) gas di dalam zat cair dalam bentuk gelembung-gelembung kecil

d.   Untuk menyebarkan zat cair yang tidak dapat bercampur dengan zat cair yang lain, sehingga dapat membentuk emulsi atau suspensi butiran halus

e.    Untuk mempercepat perpindahan kalor zat cair dengan kumparan atau mentol kalor.

Kadang-kadang pengaduk (agitator) digunakan beberapa tujuan sekaligus seperti dalam hidrogenasi katalitik dari pada zat cair. Dalam bejana hidrogenasi gas hidrogen di dispersi melalui zat cair dimana terdapat partikel-partikel katalis padat dalam suatu keadaan suspensi, sementara kalor reaksi diangkut keluar melalui kumparan atau mantel.

Beberapa tujuan dari pengadukan fluida adalah:

1.      Mencampur dua cairan yang miscible, seperti etil alkohol dan air.

2.      Melarutkan padatan dalam cairan, seperti oksalat dan air.

3.      Mendispersikan gas dalam cairan dalam bentuk gelembung-gelembung kecil. Seperti oksigen dari udara dalam suatu suspensi mikroorganisme untuk fermentasi pada saat proses pengolahan lumpur buangan.

4.      Mendispersikan gas dalam cairan dalam bentuk gelembung-gelembung kecil. Seperti oksigen dari udara dalam suatu suspensi mikroorganisme untuk fermentasi pada saat proses pengolahan lumpur buangan.

5.      Pengadukan fluida untuk menaikkan transfer panas diantara fluida dan suatu coil atau jacket dalam dinding tangki.

Agitasi atau mixing adalah salah satu dari operasi-operasi tertua dan paling sering dijumpai dalam teknik kimia. Agitasi digunakan di dalam banyak aplikasi, termasuk:

1.    Disperse suatu zat terlarut melalui suatu pelarut.

2.    Penyatuanduacairan yang dapatdicampur

3.    Produksi slurry dari padatan halus didalam suatu cairan

4.    Pencampuran reaktan-reaktan dalam suatu reactor.

5.    Pengadukan cairan homogen untuk meningkatkan heat transfer ke cairan

Peralatan pengaduk/agitasi mempunyai bentuk yang bermacam-macam, karena banyaknya variasi aplikasi yaitu:

1.    Axial flow impeller dengan penstabil arah aliran pada ujung-ujungnya.

2.    Flat blade turbine yang menghasilkan aliran turbulen pada arah radial, tapi membutuhkan power yang lebih besar.

3.    Turbine, digunakan sebagai agitator.

4.    Anchor impeller, digunakan untuk tingkat turbulensi yang rendah.

5.    Helical impeller, digunakan untuk menyatukan campuran padat-cair atau untuk mengaduk pasta, lumpur dan adonan.

2.2    TangkiPengaduk

Yang dimaksud dengan tangki pengaduk (tangki reaksi) adalah bejana pengaduk tertutup yang berbentuk silinder, bagian alas dan tutupnya cembung. Tangki pengaduk terutama digunakan untuk reaksi-reaksi kimia pada tekanan diatas tekanan atmosfer dan pada tekanan vakum, namun tangki ini juga sering digunakan untuk proses yang lain misalnya untuk pencampuran, pelarutan, penguapan ekstraksi dan kristalisasi.

Untuk pertukaran panas, tangki biasanya dilengkapi dengan mantel ganda yang di las atau di sambung dengan flens atau dilengkapi dengan kumparan yang berbentuk belahan pipa yang dilas. Untuk mencegah kerugian panas yang tidak dikehendaki tangki dapat diisolasi.

Hal penting dari tangki pengaduk, antara lain :

1.    Bentuk : pada umumnya digunakan bentuk silinder dan bagain bawahnya cekung.

2.    Ukuran : diameter dan tangki tinggi.

3.    Kelengkapannya, seperti :

a.    Ada tidaknya buffle, yang berpengaruh pada pola aliran didalam tangki.

b.    Jacket atau coil pendingin/pemanas, yang berfungsi sebagai pengendali suhu.

c.    Letak lubang pemasukan dan pengeluaran untuk proses kontinu.

d.   Sumur untuk menempatkan termometer atau peranti untuk pengukuran suhu

e.    Kumparan kalor, tangki dan kelengkapan lainnya pada tangki pengaduk.

(Diktat Alat Industri Kimia, halaman 43-46, 1985)

Tangki berpengaduk ini juga merupakan suatu heat exchanger. Cairan didalam tangki dipanaskan oleh aliran cairan didalam jaket (air panas) yang mengelilingi tangki. Cairan didalam diaduk terus menerus untuk menambah perpindahan panas (heat transfer) juga untuk menjaga suhu cairan merata diseluruh bagian tangki. Air yang tersirkulasi didalam jaket dipanaskan oleh aliran uap melalui “steam jet heater”.

Steam jet heater digunakan untuk pemanasan lansung suatu cairan dengan uap pemanas dimana uap tersebut mengembun (terkondensasi) didalam cairan. Didalam pemanas ada nozzle pengembunan yang dilubangi supaya uap dapat masuk kedalam cairan. Untuk air pemanas reactor yang dilengkapi dengan jaket atau coil pemanas dibutuhkan kapasitas pemanas atau pendingin yang berubah-ubah untuk proses pemanasan, penyimpanan dan pendinginan.

          Keuntungan pemakaian tangki berpengaduk, yaitu :

1.      Pada tangki berpengaduk suhu dan komposisi campuran dalam tangki selalu serba sama. Hal ini memungkinkan mengadakan suatu proses isothermal dalam tangki berpengaduk untuk reaksi yang panas reaksinya sangat besar.

2.      Pada tangki berpengaduk dimana volume tangki relative besar, maka waktu tinggal juga besar, berarti zat pereaksi dapat lebih lama beraksi didalam tangki.

Kerugian pemakaian tangki berpengaduk yaitu:

1.      Sukar membuat tangki berpengaduk yang dapat bekerja dengan efesiensi untuk reaksi-reaksi dalam fase gas, karena adanya persoalan pengaduk.

2.      Untuk reaksi yang memerlukan tekanan tinggi.

3.      Kecepatan perpindahan panas per satuan massa pada tangki pengaduk lebih rendah.

4.      Kecepatan reaksi pada tangki berpengaduk adalah kecepatan reaksi yang ditunjukkan oleh komposisi waktu aliran keluar dari tangki.

2.3    Pengaduk.

Pengaduk berfungsi untuk menggerakkan bahan (cair, cair/padat, cair,cair/gas, cair/padat/gas) di dalam bejana pengaduk. Biasanya yang berlangsung adalah gerakan turbulen (misalnya untuk melaksanakan reaksi kimia, proses pertukaran panas, proses pelarutan). Alat pengaduk terdiri atas sumbu pengaduk dan strip pengaduk yang dirangkai menjadi satu kesatuan atau dapat dipisah-pisah menjadi 2-3 bagian pengaduk yang dapat dipisah-pisahkan juga dapat dibongkar pasang didalam satu unit tangki pengaduk.

Pencampuran di dalam tangki pengaduk terjadi karena adanya gerak rotasi dari pengaduk dalam fluida. Gerak dari pengaduk ini memotong fluida tersebut dan dapat menimbulkan arus eddy yang bergerak ke seluruh sistem fluida itu. Oleh karena itu, pengaduk merupakan bagian yang paling penting dalam suatu operasi fase cair dengan tangki berpengaduk.

Pencampuran baik dapat di peroleh apabila di perhatikan bentuk dan dimensi pengaduk yang digunakannya karena akan mempengaruhi keefektifan proses pencampuran, serta daya yang diperlukan.

Zat cair biasanya diaduk di dalam suatu tangki atau bejana biasanya yang berbentuk silinder dengan sumbu terpasang vertikal. Bagian atas bejana itu mungkin terbuka saja ke udara atau dapat pula tertutup. Ukuran dan proporsi tangki itu bermacam-macam, bergantung pada masalah pengadukan itu sendiri.

Didalam tangki itu dipasang impeller pada ujung poros menggantung, artinya poros itu ditumpuh dari atas. Poros itu digerakkan oleh motor, yang terkadang dihubungkan langsung dengan poros itu, namun biasanya dihubungkan melalui peti roda gigi untuk menurunkan kecepatannya. Tangki itu biasanya diperlengkapi pula dengan lubang masuk dan lubang keluar, kumparan kalor, mantel, dan sumur untuk menempatkan termometer atau peranti pengukuran suhu lainnya. Impeller itu akan membangkitkan pola aliran dalam yang menyebabkan zat cair bersirkulasi di dalam bejana untuk akhirnya kembali ke impeller.

Alat pengaduk dapat dibuat dari berbagai bahan yang sesuai dengan bejana pengaduknya, misalnya dari baja, baja tahan karat, baja berlapis email, baja berlapis karet. Suatu alat pengaduk diusahakan menghasilkan pengadukan yang sebaik mungkin dengan pemakaian daya yang sekecil mungkin. Ini berarti seluruh isi bejana  pengaduk  sedapat  mungkin  digerakkan  secara  merata, biasanya     secara turbulen.

Kebutuhan daya dan baik buruknya hasil pengadukan tergantung antara lain pada faktor-faktor berikut :

1.      Jenis alat pengaduk : Bentuk, ukuran, perbandingan diameter daun pengaduk terhadap diameter bejana pengaduk, frekuensi putaran, posisi dalam bejana pengaduk.

2.      Jenis bejana pengaduk : Bentuk, ukuran, perlengkapan di dalamnya, derajat keisian (degree of  fullness).

3.      Jenis dan jumlah bahan : Viskositas, jenis campuran (larutan sejati, suspensi kasar, suspensi halus, dan sebagainya), kerapatan, perbedaan kerapatan dalam campuran, besar dan bentuk partikel padat yang  diaduk.

Ada dua macam impeller pengaduk yaitu jenis pertama membangkitkan arus sejajar dengan sumbu poros impeller, dan yang kedua membangkitkan arus pada arah tangensial atau radial. Impeller jenis pertama disebut impeller aliran aksial (axial flow impeller), sedang yang kedua ialah impeler aliran radial (radial flow impeller ).

Dari segi bentuknya, ada tiga jenis impeler : propeller (baling-baling), dayung (paddle), dan turbin. Masing-masing jenis terdiri lagi atas berbagai variasi dan sub jenis. Propeler merupakan impeler aliran aksial berkecepatan tinggi untuk zat cair berviskositas rendah. Propeler kecil biasanya berputar pada kecepatan motor penuh, yaitu 1.150 atau 1.750 put/min, sedangkan propeller besar berputar pada 400 sampai 800 put/min. Arus yang meninggalkan propeler mengalir melalui zat cair menurut arah tertentu sampai di belokkan oleh lantai atau dinding bejana.

Menurut aliran yang dihasilkan pengaduk dapat dibagi menjadi 3 golongan:

1.    Pengaduk aliran aksial

Pengaduk ini akan menimbulkan arus atau aliran yang sejajar dengan sumbu poros pengaduk.

2.    Pengaduk aliran radial

Pengaduk ini akan menimbulkan aliran yang mempunyai arah tangensial dan radial terhadap bidang rotasi pengaduk. Komponen aliran tangensial akan menyebabkan timbulnya vorteks dan terjadinya suatu pusaran tetapi dapat dihilangkan dengan pemasangan buffle atau cruciform buffle.

3.    Pengaduk aliran campuran

Pengaduk ini merupakan gabungan dari dua jenis pengaduk diatas.

Untuk tugas-tugas sederhana, agitator yang terdiri dari satu dayung datar yang berputar pada poros vertikal merupakan pengaduk yang cukup efektif. Kadang-kadang daun-daunnya di buat miring, tetapi biasanya vertikal saja. Dayung ini berputar di tengah bejana dengan kecepatan rendah sampai sedang dan mendorong zat cair secara radial dan tangensial, hampir tanpa adanya gerakan vertikal pada impeler, kecuali bila daunnya agak miring.

Menurut bentuknya, pengaduk dapat dibagi menjadi tiga golongan yang terdiri :

1.    Propeller

            Merupakan impeller aliran aksial berkecepatan tinggi untuk zat cair berviskositas rendah. Propeller kecil biasanya berputar pada kecepatan motor penuh. Arus yang meninggalkan propeller mengalir melalu zat menurut arah tertentu dan sampai di belokkan oleh lantai dinding bejana. Propeller biasanya digunakan bila kita menghendaki adanya arus yang kuat, umpamanya kita hendak menjaga agar partikel-partikel zat padat yang berada dalam suspensi.

2.    Padel.

Untuk tugas yang sederhana agitator yang terdiri dari satu dayung datar berputar pada poros vertikal merupakan pengaduk yang cukup efektif. Kadang-kadang daunnya dibuat miring tapi biasanya vertikal saja. Dayung ini berputar ditengah bejana dengan kecepatan rendah sampai sedang dan mendorong zat cair secara radial dan tangensial, hampir tanpa adanya gerakan vertikal pada impeller, kecuali bila daunnya agak miring.

(Penuntun Praktikum, 2012. OTK I, Teknik Kimia, FTI, UMI, Makassar).

3.    Turbin,

Kebanyakan turbin menyerupai agitator berdaun banyak dengan daun-daun yang agak pendek dan berputar pada kecepatan tinggi pada suatu poros yang dipasang pada pusat bejana. Daun-daun boleh lurus dan boleh juga lengkung, sudut vertikal. Impellernya mungkin terbuka, setengah terbuka atau terselubung. Diameter impellernya biasanya lebih kecil dari diameter dayung yaitu berkisar antara 30 sampai 50 persen dari diameter bejana. Turbin biasanya efektif untuk jangkauan viskositas cukup luas. Pada cairan berviskositas rendah turbin itu menimbulkan arus yang sangat deras yang berlangsung pada keseluruhan bejana.

 (McCabe, Operasi Teknik Kimia jilid 1. Erlangga, Jakarta. 1991)

Pencampuran didalam tangki pengaduk terjadi karena adanya gerak rotasi dari pengaduk didalam fluida. Gerak pengaduk ini memotong fluida tersebut dan dapat menimbulkan arus eddy yang bergerak ke seluruh system fluida tersebut. Oleh sebab itu pengaduk merupakan bagian yang paling penting dalam suatu operasi pencampuran fase cair dengan tangki pengaduk.

Pencampuran yang baik akan diperoleh bila diperhatiakn bentuk dan dimensi pengaduk yang digunakan, karena akan dipengaruhi keefektifan proses pencampuran, serta daya diperlukan. Zat cair biasanya diaduk di dalam suatu tangki atau bejana biasanya yang berbentuk silinder dengan sumbu terpasang vertikal. Bagian atas bejana itu mungkin terbuka saja ke udara atau dapat pula tertutup.

2.4  Pencampuran

1.      Pencampuran zat cair yang mampu-campur

            Pencampuran zat cair yang mampu-campur (miscible) di dalam tangki merupakan proses yang berlangsung cepat dalam daerah turbulen, impeller akan menghasilkan arus kecepatan tinggi, dan fluida itu mungkin dapat bercampur, baik di daerah sekitar impeller Karena adanya keturbulenan yang hebat. Pada waktu arus itu melambat karena adanya membawa ikut zat cair lain dan mengalir di sepanjang dinding terjadi juga pencampuran radial sedang pusaran-pusaran besar pecah menjadi kecil, tetapi tidak banyak terjadi pencampuran pada arah aliran. Fluida akan mengalami satu lingkaran penuh dan kembali ke pusat impeller, di mana terjadi lagi pencampuran yang hebat.

2. Pencampuran tanpa-gerak

            Gas dan zat cair yang tidak viskos dapat dicampurkan dengan baik dengan melewatikannya melalui sepotong pipa kosong atau pipa yang diperlengkapi dengan sekat. Pencampuran yang lebih sulit bias dilakukan dengan menggunakan pencampuran tanpa-gerak (motionless mixer), yaitu suatu peranti yang digunakan secara komersial di mana terdapat berganti-ganti elemen-elemen yang membagi dan menyatukan kembali bagian-bagian arus fluida.

3. Memilih pencampuran

            Hubungan langsung antara daya yang terpakai dengan derajat pencampuran tidak selalu ada. Bila zat cair berviskositas rendah menggelora di dalam bejana tak bersekat, partikel-partikelnya mungkin menjalani lintasan kecil selama-lamanya dan mungkin tidak bercampur. Tetapi bila bejana itu di pasang sekat, pencampuran terjadi lebih cepat. Lebih banyak bagian energi yang digunakan untuk pencampuran dan lebih sedikit untuk aliran lingkar.

Bila waktu campur merupakan waktu yang kritis, pencampur yang baik adalah yang dapat mencampur dalam waktu yang di tentukan dengan penggunaan daya yang sekecil-kecilnya.

Dalam banyak hal, diinginkan waktu campur yang singkat tetapi hal ini tidak selalu paling menentukan, sebab biasanya yang dicari adalah kompromi yang mempertimbangkan biaya energi untuk pencampuran dan biaya investasi alat pencampur. Untuk mencampurkan pereaksi di dalam tangki umpan atau untuk mencarkan hasil dari berbagai tumpak (batch) pengolahan dalam tangki penimbun dapat digunakan pencampur yang ukurannya relatif kecil, walaupun alat itu memerlukan beberapa menit untuk menyelesaikan pencampuran.

Suspensi partikel zat padat di dalam zat cair  di buat untuk berbagai tujuan umpamanya untuk membuat campuran yang homogen yang akan diumpamakan ke dalam unit pengolah, atau untuk melarutkan zat padat untuk mempercepat reaksi kimia atau untuk mempercepat pembentukan kristal didalam larutan lewat jenuh.

Bila zat padat di suspensikan di dadalam tangki yang diaduk ada beberapa cara untuk mendefinisikan kondisi suspensi itu. Proses yang berbeda akan memerlukan derajat suspensi yang belainan pula dan karena itu kita perlu menggunakan definisi yang tepat dan korelasi yang semestinya di dadalam merancang atau dalam penerapan ke skala besar. Derajat suspensi yang diberikan di bawah ini disusun dalam urutan keseragaman suspensi yang makin baik dan pemasukan daya yang makin tinggi.

1.    Mendekati suspense penuh

                        Kebanyakan zat padat benda dalam keadaan suspense di dalam zat cair tetapi masih terdapat kelompok-kelompok zat padat terkumpul di dasar tangki agak kepinggir, atau di tempat lain.

2.    Partikel bergerak penuh

                        Seluruh partikel berada dalam suspendsi atau bergerakdi sepanjang dasar tangki. Partikel-partikel yang bergerak di dasar tangki mempunyai koefisien perpindahan massa yang jauh lebih kecil dari pada partikel dalam susupensi, hal mana dapat mempengaruhi untuk kerja unit.

3.    Suspensi penuh atau suspensi di luar dasar

                        Seluruh partikel berada dalam keadaan suspensi dan tidak ada yang terdapat di dasar tangki atau tidak berada di dasar tangki, selama lebih dari 1 atau 2 detik. Pada waktu keadaan ini baru tercapai, biasanya terdapat gradient konsentrasi di dalam suspensi itu dan terdapat bagian-bagian yang mengandung zat cair tanpa susupensi di bagian atas.

4.    Suspensi seragam

                        Pada kecepatan pengaduk yang jauh lebih tinggi daripada yang diperlukan untuk membuat suspense penuh tidak kelihatan lagi adanya zat cair jernih di deakat permukaan tangki dan suspense itu tampak seragam. Akan tetapi masih mungkin terdapatd gradient konsentrasi pada arah vertical, lebih-lebih bila zat padat itu mempunyai ukuran beragam dengan sebaran ukuran yang agak luas dan dalam hal ini kita harus berhati-hati dalam mengambil cuplikan dari tangki.

2.4    PolaAliran

Jenis aliran didalam bejana yang sedang diaduk bergantung pada jenis impeller, karakteristik fluida, dan ukuran serta perbandingan (proporsi) tangki, sekat, dan agitator. Kecepatan fluida pada setiap titik dalam tangki mempunyai tiga komponen, dan pola aliran keseluruhan didalam tangki itu tergantung pada variasi dari ketiga komponen itu dari satu lokasi ke lokasi lain. Komponen kecepatan yang pertama ialah komponen radial yang bekerja pada arah tegak lurus terhadap poros impeller. Komponen kedua, ialah komponen tangensial, atau rotasional, yang bekerja pada arah singgung terhadap lintasan terhadap lintasan lingkar disekeliling poros.

Dalam keadaan biasa, dimana poros itu vertikal, komponen radial dan tangensial berada dalam satu bidang horizontal, dan komponen longitudinalnya vertikal.

Komponen radial dan komponen longitudinal sangat aktif dalam memberikan aliran yang diperlukan untuk melakukan pencampuran. Bila poros itu vertikal dan terletak persis dipusat tangki, komponen tangensial biasanya kurang menguntungkan. Arus tangensial itu mengikuti suatu lintasan berbentuk lingkaran disekeliling poros, dan menimbulkan voteks pada permukaan zat cair, seperti terlebih dalam gambar.

Adanya sirkulasi aliran laminar, cenderung membentuk stratifikasi pada berbagai laisan tanpa adanya aliran longitudinal antara lapisan-lapisan itu.

Pola aliran yang terjadi dalam cairan yang diaduk tergantung pada jenis pengaduk. Karakteristik fluida yang diaduk dan ukuran serta perbandingan ukuran antara tangki, pengaduk dan sekat. Kecepatan partikel fluida disetiap titik dapat diuraikan dalam tiga komponen yaitu:

a.         Komponen radial, bekerja dalam arah tegak lurus terhadap sumbu pengaduk.

b.         Komponen longitudinal, bekerja dalam arah sejajar sumbu.

c.         Komponen tangensial atau rotasional, bekerrja dalam arah garis singgung lintasan melingkar sekeliling sumbu. Aliran tangensial yang mengikuti lintasan melingkar sekeliling sumbu, menimbulkan vorteks dipermukaan cairan. Jika tangki tidak bersekat, maka pengaduk jenis aliran axial maupun radial akan menghasilkan aliran melingkar. Karena pusaran itu terlalu kuat, pola aliran akan sama saja untuk semua jenis pengaduk dan vorteks yang terbentuk akan mencapai pengaduk, sehingga gas diatas permukaan akan terhisap.

Ada tiga cara untuk mencegah pusaran dan vorteks antara lain ;

1.    Pengadukdipasang off center atau miring.

2.    Pada dinding tangki dipasang sekat vertikal.

3.    Pemakaian diffuser ring pada tangki pengaduk jenis turbin.

 (McCabe, Operasi  Teknik Kimia jilid 1. Erlangga, Jakarta. 1991)

Jika di dalam system itu terdapat partikel zat padat, arus sirkulasi itu cenderung melemparkan partikel-partikel itu, dengan gaya sentrifugal kearah luar dan dari situ bergerak ke bawah dan sesampai ke dasar tangki lalu ke pusat karena itu, bukannya pencampuran yang berlangsung, tetapi sebaliknya pengumpulan yang terjadi. Jadi, karena dalam aliran sirkulasi zat cair bergerak menurut arah gerakan daun impeller, kecepatan relatif antra daun dan zat cair itu berkurang dan daya yang dapat diserap zat cair itu menjadi terbatas. Dalam bejana yang tak bersekat, aliran putar itu dapat dibangkitkan oleh segala jenis impeller, baik aliran aksial maupun radial. Jadi, jika putaran zat cair itu cukup kuat, pola aliran di dalam tangki itu dapat dikatakan tetap bagaimanapun bentuk mungkin sedemikian dalamnya, sehingga mencapai impeller, dan gas dari atas permukaan zat cair akan tersedot ke dalam zat cair itu. Biasanya hal demikian tidaklah di kehendaki.

Aliran lingkaran (circulatory flow) dan arus putar (swirling) dapat di cegah dengan menggunakan salah satu dari tiga cara  di bawah ini. Dalam tangki-tangki kecil, impeller dipasang di luar sumbu tangki (ekstentrik). Porosnya di geser sedikit dari garis pusat tangki, lalu dimiringkan dalam suatu bidang yang      tegak-lurus terhadap pergeseran itu. Dalam tangki-tangki yang lebih besar, agitatornya di pasang di sisi tangki, dengan porosnya pada bidang horizontal, tetapi membuat sudut dengan jari-jari tangki.

Pada tangki-tangki besar yang mempunyai agitator vertikal, cara yang paling baik untuk mengurangi arus putar ialah dengan memasang sekat-sekat (buffle) yang berfungsi merintangi aliran rotasi tanpa mengganggu aliran radial dengan memasang bilah-bilah vertikal terhadap dinding tangki. Kecuali untuk tangki yang sangat besar, biasanya empat buah sekat saja sudah memadai untuk mencegah pembentukan arus putar dan vorteks. Bahkan bila terdapat kesulitan memasang sekat sebanyak itu, satu atau dua sekat saja pun sudah akan memberi  pengaruh besar terhadap pola alir dan lingkar. Untuk turbin, lebar sekat yang diperlukan tidak lebih dari seperdelapan belas diameter tangki. Dengan propeller yang dipasang dari sisi, yang miring atau yang tidak di tempatkan di pusat, tidak di perlukan sekat.

Jika arus putar sudah dapat di hentikan, pola aliran spesifik di dalam bejana itu sekarang bergantung pada jenis impeller yang dipergunakan. Agitator propeller biasanya mendorong zat cair ke bawah sampai kedasar tangki, di mana arus itu lalu menyebar secara radial ke segala arah menuju dinding, lalu mengalir lagi ke atas disepanjang dinding dan kembali diisap oleh propeller dari atas.

Propeller biasanya digunakan bila kita menghendaki adanya arus yang kuat, umpamanya bila kita hendak menjaga agar partikel-partikel zat padat yang berada dalam suspensi. Propeller kecil biasanya berputar pada kecepatan motor penuh, Propeller  jarang dipakai bila viskositas zat cair lebih dari kira-kira 50.Merupakan impeller aliran aksial berkecepatan tinggi untuk zat cair berviskositas rendah.

Turbin dengan daun miring 45^o dan mendorong ke bawah juga biasa digunakan untuk mendapatkan arus aksial yang kuat yang di perlukan untuk membuat suspensi zat padat.

Agitator dayung dan turbin berdaun datar memberikan aliran radial yang baik dalam bidang impeller itu, dimana aliran itu lalu membelah diri di dinding, membentuk dua pola lingkar yang terpisah. Satu bagian yang mengalir ke bawah di sepanjang dinding dan kembali ke pusat impeller dari bawah sedang satu bagian lagi mengalir ke atas menuju permukaan dan kembali ke impeller dari atas. Pada tangki tanpa sekat terdapat aliran tangensial yang kuat serta pembentukan vorteks, walaupun kecepatan poros hanya sedang-sedang saja. Tetapi, bila ada sekat, aliran vertikal itu meningkat, dan pencampuran zat cair pun berlangsung lebih cepat. Pada tangki berbentuk silinder vertical, ke dalaman zat cair harus sama dengan diameter tangki, atau sedikit lebih besar dari itu. Jika di perlukan kedalaman yang lebih besar, dapat dipasang dua impeller atau lebih pada satu poros, dimana masing-masing impeller berfungsi sebagai satu pencampur tersendiri. Masing-masing impeller membangkitkan dua arus sirkulasi. Impeller yang di sebelah bawah, baik yang jenis turbin maupun yang jenis propeller, di pasang pada jarak kira-lira sama dengan diameter impeller dari dasar tangki.

3.6 Proses Pencampuran

Proses pencampuran dalam fase cair dilandasi oleh mekanisme perpindahan momentum di dalam aliran turbulen, pencampuran terjadi pada tida skala yang berbeda yaitu :

1.        Pencampuran sebagai akibat aliran cairan secara keseluruhan (bulk flow) di sebut mekanisme konvektif.

2.        Pencampuran karena adanya gumpalan-gumpalan fluida yang terbentuk dan tercampakkan di dalam medan aliran, di kenal sebagai “eddies”.

3.        Pencampuran karena gerak molekul air, merupakan mekanisme pencampuran yang di kenal sebagai difusi.

     Ke tiga mekanisme terjadi secara bersama-sama, tetapi yang paling menentukan adalah Eddy Diffution. Mekanisme ini membedakan pencampuran dalam aliran  laminar.

Pencampuran fase cair dapat di bagi dalam dua kelompok yaitu :

1.    Pencampuran antara cairan yang saling tidak bercampur sebagian (immisible).

2.    Pencampuran cairan yang tercampur (miscible)

     Istilah pencampuran digunakan untuk berbagai ragam operasi, dimana derajat homogenitas bahan yang “bercampur” itu sangat berbeda. Umpamanya, satu kasus, dimana dua macam gas di gabungkan dalam satu tempat hingga seluruhnya bercampur dengan baik, dan kasus lain pasir, kerikil, dan semen di aduk di dalam drum putar selama beberapa waktu. Dalam kedua kasus itu bahan-bahan itu pada akhirnya bercampur, namun jelas pula bahwa homogenitasnya berbeda. Cuplikan campuran gas itu betapa pun kecilnya cuplikan itu semuanya mempunyai komposisi yang sama. Sedang cuplikan campuran beton, di lain pihak akan sangat berlainankomposisinya satu sama lain.

(Warren L. Mc Cabe CX, Smith, dan Peter Harriot, halaman 226-227, OTK Jilid 1, 1985)

     Waktu pencampuran merupakan lamanya operasi pencampuran sehingga diperoleh keadaan yang serba sama. Pada operasi pencampuran dengan menggunakan tangki pengaduk, waktu pencampuran ini dipengaruhi oleh beberapa hal sebagai berikut:

1.    Yang berkaitan dengan alat, yaitu :

a.         Ada tidaknya baffle atau cruciform baffle

b.         Bentuk dan jenis pengaduk (turbin, propeler, padel)

c.         Ukuran pengaduk (diameter, tinggi)

d.        Laju perputaran pengaduk

e.         Kedudukan pengaduk pada tangki

a)    Jarak terhadap dasar tangki

b)   Pola pemasangannya

c)    Center, vertikal

d)   Off center, vertikal

e)    Miring (inclined) dari atas

f)    Horizontal

f.          Jumlah daun pengaduk

g.         Jumlah pengaduk yang terpasang pada poros pengaduk

2.    Yang berhubungan dengan cairan yang diaduk

a.         Perbandingan kerapatan (density) cairan yang diaduk

b.         Perbandingan viskositas cairan yang diaduk

c.         Jumlah kedua cairan yang diaduk

d.        Jenis cairan yang diaduk (miscible, immiscible)

(Staf Lab. OTK , Penuntun Praktikum Laboratorium OTK I, 2012)

Aliran osilasi di dalam kolom bersekat merupakan satu metoda yang mampu meningkatkan pencampuran pada aliran laminar di dalam sebatang kolom. Pencampuran aliran osilasi dapat dicapai sekiranya aliran berosilasi sepenuhnya melewati plat sesekat. Akan tetapi, aplikasi aliran osilasi melalui kolom bersekat menyebabkan pencampuran balik berlaku di antara peringkat.

Pencampuran balik akan mengurangkan keberkesanan pencampuran di dalam kolom dan ia merupakan suatu kelemahan apabila aliran plug merupakan suatu system yang diinginkan dengan menggunakan perangkat lunak fluent 5.3v suatu simulasi telah dilakukan pada menentukan pola aliran yang terbentuk di dalam kolom bersekat dengan aliran osilasi, dan untuk memastikan terjadinya pencampuran balik di dalam sisitem kolom yang di bina. Simulasi CFD (Computational Fluida Dynamic) dilakasanakan di dalam kolom tegak dua peringkat setinggi 28,2 cm dan diameter dalam 9,4 cm. Plat sesekat di pasang di dalam kolom pada jarak 1,5x diameter kolom. Simulasi aliran bertujuan untuk menggambarkan keadaan sebenarnya dari fenomena fisik yang terlibat di dalam dinamik dan simulasi keadaan steady. Simulasi keadaan steady tidak bergantung dengan waktu sedangkan simulasi dinamik adalah tergantung dengan waktu dan banyak di gunakan dalam menganalisis perubahan paola aliran dan masalah system kontrol. Fluent 5.3v merupakan perangkat lunak yang banyak di pilih untuk tujuan simulasi dinamik. Perangkat lunak ini adalah sesuai untuk menggambarkan aliran turbulen yang kompleks, reaksi kimia, pembakaran, dan aliran berbilang fasa. Pipa alir bebas akan menyebabkan geseran bend alir di dalam system bertambah sehingga arah dan kecepatan aliran akan dapat dikontrol, Nungham (1972) melaksanakan ujikaji satu fasa didalam kolom Oldshue-Rushton dengan diameter 15,24 cm. Beliau mendapati, selain kadar aliran hadapan, maka penggunaan pipa alir bebas akan mengurangi kadar pencampuran balik dengan berkesan. Pada putaran motor pengaduk dan kadar alir kehadapan tertentu, pipa alir bebas dengan L/D (rasio panjang pipa alir bebas dan diameter plat sesekat) lebih besar dari pada 0,33, akan mengurangi kecepatan pencampuran balik menjadi nol. Ujikaji yang dihalankan oleh Vidaurri dan Sherk (1985) adalah di dalam tangki berpengaduk dengan diameter 20,3 cm. Seluruh kajian dilakukan menggunakan pipa alir bebas yang disambungkan kepada plat sesekat bukaan lubang tengah,Vidaurri dan Sherk (1985) menemukan bahwa pencampuran balik berkurang mejadi nol dengan meningkatnya rasio L/D, kadar alir kehadapan dan viskositas fluida yang di gunakan.

Factor-faktor yang mempengaruhi proses pencampuran dan energi yang di perlukan untuk pencampuran adalah :

1.    Aliran

              Aliran yang turbulen dan laju alir bahan yang tinggi biasanya menguntungkan proses pencampuran

2.    Ukuran partikel / luas permukaan

            Semakin luas permukaan kontak bahan-bahan yang harus di campur maka semakin kecil partikel dan semakin mudah gerakannya di dalam campuran maka proses pencampuran semakin baik.

3.    Kelarutan

Semakin besar kelarutan maka semakin baik pencampuran.

(McCabe, Operasi  Teknik Kimia jilid 1. Erlangga, Jakarta. 1991)

2.7 Kebutuhan Daya

Untuk melakukan perhitungan dalam spesifikasi tangki pengaduk telah dikembangkan berbagai teori dan hubungan empiris. Para peneliti telah mengembangkan beberapa hubungan empiris yang dapat untuk dapat memperkirakan ukuran alat dalam pemakaian yang atas dasar percobaan yang dilakukan pada skala laboratorium.

Persyaratan dari pada pengunaan hubungan empiris tersebut adalah adanya:

a.    Kesamaan geometris, yang menetukan kondisi batas peralatan, artinyabentuk kedua alat harus sama dan  perbandingan ukuran-ukuran geometris berikut ini sama untuk keduanya

b.      Kesamaan dinamik dan kesamaan kinetic yaitu terdapat kesamaan harga  perbandingan antara gaya yang bekerja disuatu kedudukan (gaya viskos terhadap gaya grafitasi, gaya inersia terhadap gaya viskos, dsb)

c.     Factor yang mempengaruhi kebutuhan daya atau power untuk pengadukan adalah :

1. Diameter pengaduk

2. Kekentalan cairan

3. Kerapatan cairan

4. Medan grafitasi

5. Laju putaran pengaduk

Parameter Hidrodinamika dalam Tangki berpengaduk :

a.    Bilangan Reynold

Bilangan tak berdimensi yang menyatakan perbandingan antara gaya inersia dan gaya viskos yang terjadi pada fluida. System pengadukan yang terjadi bila diketahui bilangan Reynold-nya

Dalam system pengadukan terdapat 3 jenis bentuk aliran yaitu laminar, transisi dan turbulen. Bentuk aliran laminar terjadi pada bilangan Reynold hingga 10, sedangkan turbulen terjadi pada bilangan Reynold 10 hingga 10⁴ dan transisi berada di antara keduanya.

b.    BilanganFraude

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

Bilangan Fraude merupakan variable yang signifikan. Bilangan ini hanya diperhitungkan pada system pengadukan dalam tangki tidak bersekat. Pada system ini permukaan cairan dalam tangki akan dipengaruhi gravitasi, sehingga membentuk pusaran (vortex). Vortex menunjukkan keseimbangan antara gaya gravitasi dengan gaya inersia.