MIXING

Pengadukan (mixing) merupakan suatu aktivitas operasi pencampuran dua atau lebih zat agar diperoleh hasil campuran yang homogen. Pada media fase cair, pengadukan ditujukan untuk memperoleh keadaan yang turbulen (bergolak).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.Proses PencampuranProses pencampuran dalam fasa cair dilandasi oleh mekanisme perpindahan mementum 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 konvektif2) pencampuran karena adanya gumpalan-gumpalan fluida yang terbentuk dan tercampakkan di dalam medan aliran yang dikenal sebagai eddies, sehinggamekanisme pencampuran ini disebut eddy diffusion3) 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 cekung2. Ukuran: yaitu diameter dan tinggi tangki3. Kelengkapannya:a) ada tidaknya baffle, yang berpengaruh pada pola aliran di dalam tangkib) jacket atau coil pendingin/pemanas yang berfungsi sebagai pengendali suhuc) letak lubang pemasukan dan pengeluaran untuk proses kontinud) kelengkapan lainnya seperti tutup tangki, dan sebagainya.Jenis PengadukPengaduk 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 larena adanya gerak rotasi dari pengaduk dalam fluida. Gerak pengaduk ini memotong fluida tersebut dan dapatmenimbulkan arus eddy 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 putaran2) 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 baffle3) Pengaduk aliran campuran yang merupakan gabungan dari kedua jenis pengaduk di atas. Menurut bentuknya, pengaduk dapat dibagi menjadi 3 golongan:

1. PropellerKelompok 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.

2. TurbineIstilah turbine ini diberikan bagi berbagai macam jenis pengaduk tanpa memandang rancangan, arah discharge ataupun karakteristik aliran. Turbine 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]. Pengaduk turbinmenimbulkan aliran arah radial dantengensial. 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.

3. PaddlesPengaduk 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.

Disamping itu, masih ada bentuk-bentuk pengaduk lain yang biasanya merupakan modifikasi dari ketiga bentuk di atas :1. Flate Blade2. Curved Blade3. Pitched BladeTipe-tipe pengaduk jenis turbina. Standard three baldesb. Weedlessc. GuardedTipe-tipe pengaduk jenis propellera. Basicb. Anchorc. GlassedKecepatan PengadukKecepatan pengaduk yang umumnya digunakan pada operasi industri kimia adalah sebagai berikut: Kecepatan tinggi, berkisar pada kecepatan 1750 rpm. Pengaduk dengan kecepatan ini umumnya digunakan untuk fluida dengan viskositas rendah misalnya air. 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.Pola Aliran dalam Tangki BerpengadukPada tangki berpengaduk, pola aliran yang dihasilkan bergantung pada beberapa faktor antara lain geometri tangki, sifat fisik fluida dan jenis pengaduk itu sendiri. Pengaduk jenis turbine akan cenderung membentuk pola aliran radial sedangkan propeller cenderung membentuk aliran aksial. Pengaduk jenis helical screw dapat membentuk aliran aksial dari bawah tangki menuju ke atas permukaan cairan.Pola aliran fluida di dalam tangki berpengaduka) flat-blade turbineb) marine propeller c) helical screw

Pada dasarnya terdapat 3 komponen yang hadir dalam tangki berpengaduk yaitu:a. komponen radial pada arah tegak lurus terhadap tangkai pengadukb. komponen aksial pada arah sejajar (paralel) terhadap tangkai pengadukc. komponen tangensial atau rotasional pada arah melingkar mengikuti putaran sekitar tangkai pengaduk.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. Upaya berikut ini dapat dilakukan untuk menghindari vorteks, yaitu:1. menempatkan tangkai pengaduk lebih ke tepi (off-center)2. menempatkan tangkai pengaduk dengan posisi miring3. menambahkan baffle pada dinding tangki.Laju dan Waktu Pencampuran (Rate & Time for Mixing)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 [Coulson and Richardson, 1999].Pada operasi pencampuran dengan tangki pengaduk, waktu pencampuran ini dipengaruhi oleh beberapa hal,1. Yang berkaitan dengan alat, seperti:a. ada tidalnya baffle atau cruciform baffleb. bentuk atau jenis pengaduk (turbin, propeler, padel)c. ukuran pengaduk (diameter, tinggi)d. laju putaran pengaduke. kedudukan pengaduk pada tangki, sepertif. jarak terhadap dasar tangkig. pola pemasangannya:- center, vertikal- off center, vertical- miring (inciclined) dari atas- horisontalh. jumlah daun pengaduki. jumlah pengaduk yang terpasang pada poros pengaduk2. Yang berhubungan dengan cairan yang diaduk:a. perbandingan kerapatan/ densitas cairan yang diadukb. perbandingan viskositas cairan yang diadukc. jumlah kedua cairan yang diadukd. jenis cairan yang diaduk (miscible, immiscible)Untuk selanjutnya faktor-faktor tersebut dapat dijadikan variabel yang dapat dimanipulasi untuk mengamati pengaruh setiap faktor terhadap karakteristik pengadukan, terutama terhadap waktu pencampuran.Kebutuhan DayaUntuk melakukan perhitungan dalam spesifikasi tangki pengaduk telah dikembangkan berbagai teori dan hubungan empiris. Para peneliti telah mengembangkan beberapa hubungan empiris yang dapat memperkirakan ukuran alat dalam pemakaian nyata atas dasar percobaan yang dilakukan pada skala laboratorium. Perkiraan kebutuhan daya yang diperlukan untuk mengaduk cairan dalam tangki pengaduk dapat dihitung atas dasar percobaan pada skala laboratorium. Persyaratan penggunaan hubungan empiris tersebut adalah adanya:1. Kesamaan geometris yang menentukan kondisi batas peralatan, artinya bentuk kedua alat harus sama dan perbandingan ukuran-ukuran geometris2. Kesamaan dinamik dan kesamaan kinematik, yaitu terdapat kesamaan harga perbandingan antara gaya yang bekerja di suatu kedudukan (gaya viskos terhadap gaya gravitasi, gaya inersia terhadap gaya viskos, dan sebagainya).

PROSEDUR KERJAPertama-tama tangki berpengaduk dikalibrasi

Tangki diisi dengan air sebanyak 8 Liter

Dibuat larutan garam 25 % dalam 2 L aquadest

Larutan garam dimasukkan ke dalam tangki yang telah berisi air

Sebelum diaduk, diambil sebanyak 100 ml larutan ke dalam erlemeyer untuk dianalisa viskositas dan densitasnya.

Pengaduk dinyalakan dengan kecepatan pengaduk yang konstan

Sampel larutan diambil sebanyak 100 ml setiap 5 menit untuk dianalisa densitasnya.

Setelah densitas yang diperoleh konstan, maka viskositas akhir setiap larutan diukur

Kemudian, diameter tangki diukur untuk penentuan diameter pengaduk serta ketinggian larutan dalam tangki diukur.

Perlakuan sama juga dilakukan untuk larutan garam 50% dalam 2 L aquadest

DATA PENGAMATANPenentuan Berat JenisBerat piknometer kosong = 22.7112 gramBerat piknometer + air = 47.8413 gram1. Larutan Garam 25%No.t (menit)Bobot pikno+sampel (gram)

1048.7342

25548,6905

36048,7114

47048,706

57548,7051

68048,7048

78548,7047

89048,705

99548,7051

1010048,7048

2. Larutan garam 50%Not (menit)Berat piknometer + sampel (gram)

1049,7689

2549,5586

31049,5261

41549,5159

52049.5119

62549,512

73049,5099

83549,5045

94049,5055

104549,5181

115049,517

125549,5198

136049,5117

Waktu alir air pada viscometer = 1,02 detikWaktu alir larutan garam 25% pada viscometer awal = 1,04 detikWaktu alir larutan garam 25% pada viscometer akhir = 1,04 detikWaktu alir larutan garam 50% pada viscometer awal = 1,07 detikWaktu alir larutan garam 50% pada viscometer akhir = 1,07 detikKecepatan rotasi pengaduk larutan garam 25% = 85rpm=1,4167 rpsKecepatan rotasi pengaduk larutan garam 50% = 87rpm=1,45 rps Keliling tangki = 1,06 m Ketinggian larutan dalam tangki (Zi) = 0,35 m

PERHITUNGAN Penentuan Densitas- Berat air = (Berat piknometer + air) (Berat piknometer kosong)= (47.8413 22.7112) g = 25,1301 gair = 1 gr/ml- Volume piknometer= 25,1301 mL

1. Untuk larutan 25% Densitas awal = {(Berat pikno + sampel) - (berat pikno kosong)}/ Volume piknometer = (48.7342-22.7112) g/ 25.1301 ml = 1.035531 g/ml = 1035.531 kg/m3No.t (menit)Bobot pikno+sampel (gram)Densitas (g/ml)

1048.73421,035531

25548,69051,03379

36048,71141,03462

47048,7061,03440

57548,70511,03437

68048,70481,03436

78548,70471,03435

89048,7051,03436

99548,70511,03437

1010048,70481,03436

2. Untuk larutan garam 50%

Not (menit)Berat piknometer + sampel (gram)Densitas (g/ml)

1049,76891.0767

2549,55861.06833

31049,52611.06663

41549,51591.06647

52049.51191.06647

62549,5121.06648

73049,50991.06639

83549,50451.06618

94049,50551.06622

104549,51811.06671

115049,5171.06668

125549,51981.06679

136049,51171.06647

Penentuan Viskositas 1. Untuk larutan garam 25%Spesifik grafity =1,04

Konstanta viscometer (k)= 0,0008013 Pa Viskositas sampel = k x sg x t sampel = 0,0008013 Pa x 1,04 x 1,04 s = 0,0008664 Pa. s= 0,0008664 kg/m.s

2.Untuk larutan 50%Spesifik grafity = 1,0814Konstanta viscometer (k) = 0,0007706 Pa Viskositas sampel = k x sg x t sampel = 0,0007706 Pa x 1,0814 x 1,07 s = 0,0009 Pa .s= 0,0009 kg/m.s

Penentuan diameter pengadukKeliling tabung = 1,06 mKeliling = 2r 1,06 m = 2.(3,14) .r r = 0,169 mDiameter tangki = 2 x r = 2 x 0,169 m = 0,338 mDiameter pengaduk = 1/3 diameter tangki = 1/3 x 0,388 m = 0,113 m

Penentuan Bilangan Reynold1.Larutan garam 25%Re= 21620,54 (aliran turbulen)

2. Larutan garam 50% Re = 22150,17 (aliran turbulen)Dengan nilai bilangan Reynold tersebut, maka dapat ditentukan nilai dari Po pada grafik bilangan power dan bilangan Reynold (Buku Unit Operations, GG. Brown hal. 507).Maka,1. Untuk larutan 25%Po= 0,30P = Po x Densitas x N3 x D5P = 0,30 x 1035,5 kg/m3 x (1,4167 rps)3 x (0,113 m)5P = 0,01625 kWP = 16,25 WJadi, Power Motor = 16,25 W2. Untuk larutan 50%Po= 0,30P = Po x Densitas x N3 x D5P = 0,30 x 1076,7 kg/m3 x (1,45 rps)3 x (0,113 m)5P = 0,01812 kWP = 18,12 WJadi, Power Motor = 18,12 WPEMBAHASANDari hasil perhitungan densitas dari masing-masing larutan, maka diperoleh grafik hubungan antara densitas dan waktu dimana grafik ini menunjukkan bagaimana proses pencampuran berlangsung hingga diperoleh larutan yang homogen.Grafik 1 untuk larutan garam 25% Grafik 2 untuk larutan garam 50% :Dari grafik 1 terlihat bahwa proses homogenitas tidak berlangsung dengan baik. Dimana larutan garam 25% memerlukan waktu yang lama untuk mencapai titik konstan. Hal ini disebabkan oleh konsentrasi dari larutan garam yang rendah sehingga molekul-molekulnya sukar untuk berpindah dari larutan garam dan memerlukan waktu yang lama untuk dapat tercampur dengan baik. Sesuai dengan konsep perpindahan massa, suatu zat akan lebih mudah berpindah dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah.Sedangkan untuk grafik 2, proses homogenitas berlangsung dengan cepat karena konsentrasi larutan garam lebih tinggi dibandingkan larutan garam 25%. Sehingga molekul-molekul dari larutan garam 50% berpindah dengan cepat ke konsentrasi air yang rendah. Kedua grafik menunjukkan bahwa densitas awal kedua larutan lebih tinggi dibandingkan dengan densitas setelah terjadinya homogenisasi. Secara teori, larutan air memiliki densitas yang lebih rendah daripada larutan garam sehingga jika dilakukan pengambilan sampel untuk analisa densitas awal maka densitas awal harus lebih rendah dari pada densitas selanjutnya karena letak air yang berada di bawah dan larutan garam berada di bagian atas sebelum pengadukan. Serta sebelum pengadukan air dan larutan garam belum tercampur maksimal hanya antar permukaan saja yang selanjutnya akan pelan-pelan tercampur dan meningkatkan densitas dari larutan hingga konstan. Salah satu penyebab tingginya densitas awal yakni keran tangki belum bersih secara menyeluruh sehingga masih memiliki sisa-sisa garam hasil praktikum sebelumnya. Sehingga pada saat pengambilan sampel awal ada molekul garam yang terikut.Selain itu untuk konsentrasi larutan garam 50% penyebab lain densitas awal yang lebih tinggi dibandingkan densitas selanjutnya yakni pada saat pembuatan larutan garam 1 kg dalam 2 L air terjadi kejenuhan dari garam yang dibuat. Sedangkan volume yang diinginkan dalam tangki adalah 10 L sehingga larutan garam 50% yang telah larut dimasukkan ke dalam tangki dan garam yang jenuh tadi ditambahkan air dari dalam tangki agar volume tidak berubah yang dilakukan berulang hingga garam larut semua. Hal itulah yang menyebabkan tingginya densitas awal untuk larutan garam 50%. Molekul dari konsentrasi tinggi merembes ke molekul air yang berkonsentrasi rendah dan pencampuran terjadi sebelum pengaduk dinyalakan walaupun belum maksimal. Pada perhitungan data yang telah dilakukan dapat dilihat bahwa densitas dan viskositas sangat mempunyai pengaruh yang besar terhadap penentuan bilangan Reynold, power motor dan power input dari masing-masing larutan.Konsentrasi larutan yang tinggi menyebabkan larutan tersebut memiliki viskositas (kekentalan) yang tinggi pula sehingga mempengaruhi bilangan Reynoldnya. Walaupun viskositas berbanding terbalik dengan bilangan Reynold, tetapi dengan densitas yang besar maka bilangan reynoldnya akan bertambah. Dengan bilangan Reynold maka akan diketahui bilangan powernya melalui grafik. Dari bilangan Reynold dapat dilihat perbandingan antara kebutuhan energi untuk menghomogenkan larutan dengan konsentrasi rendah dan larutan dengan konsentrasi tinggi. Adanya peningkatan konsentrasi dari larutan yang akan dicampur maka dibutuhkan energy yang lebih dibanding mencampur larutan dengan konsentrasi rendah. Energi yang dibutukan pengaduk lebih besar karena larutan dengan viskositas yang tinggi memiliki momentum yang berpindah akibat tumbukan antara molekul-molekul yang bergerak secara acak dari lapisan yang satu kelapisan lain yang berbeda kecepatan dibanding dengan larutan dengan kekentalan lebih rendah sehingga membutuhkan energy yang besar untuk merenggangkan gaya antar molekul tersebut agar lebih tercampur dengan merata.KESIMPULANAdanya peningkatan konsentrasi dari larutan yang akan dicampur, maka akan memperbesar energy yang dibutuhkan oleh pengadukPeningkatan kecepatan pengadukan akan meningkatkan kebutuhan energy pengadukKonsentrasi larutan yang tinggi lebih cepat terhomogenkan dibandingkan dengan konsentrasi yang rendahHomogenisasi bergantung pada viskositas zat, kecepatan pengadukan, jenis pengadukan, berat jenis zat, konsentrasi zat, ketinggian zat di dalam tangki, ada tidaknya baffle, ukuran pengaduk, dan jenis zat.