13
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Pencampuran zat cair dilakukan untuk berbagai maksud, tergantung
dari tujuan langkah itu sendiri. Pencampuran adalah pendistribusian
secara acak, dimana bahan yang satu menyebar ke dalam bahan yang
lain atau sebaliknya. Dalam proses mixing atau pencampuran biasanya
digunakan impeller sebagai mixer yang akan mencampurkan 2 (dua)
fase atau lebih yang terpisah.Tujuan pencampuran antara lain adalah
:
1) Untuk menyebarkan zat cair yang tidak dapat bercampur dengan
zat cair lain, sehingga membentuk emulsi atau suspensi
butiran-butiran halus.2) Untuk memilih suspensi partikel zat
padat.
3) Untuk menyebarkan gas didalam zat cair dalam bentuk gelembung
kecil.
4) Untuk mempercepat perpindahan kalor antara zat cair dengan
kumparan atau mantel kalor.5) Untuk meramu zat cair yang mampu
larut, misalnya metil alkohol dan air.Kadang-kadang pengaduk
digunakan untuk beberapa tujuan sekaligus, misalnya dalam
hidrogenasi katalitik dan zat cair. Dalam bejana hidrogenasi
didispersikan melalui zat cair dimana terdapat partikel-partikel
katalis padat dalam keadaan suspensi, sementara kalor reaksi
diangkut keluar melalui kumparan atau mantel.
Pengadukan menunjukkan gerakan yang terinduksi menurut cara
tertentu pada suatu bahan di dalam bejana, dimana gerakan itu
biasanya mempunyai semacam sirkulasi.2.1 Mechanically Agitated
Mixing2.1.1 Vessel
Vessel biasanya berbentuk tanki silinder vertikal dimana di
dalamnya akan diisikan fluida dengan kedalaman yang sama dengan
diameter tanki. Tetapi pada beberapa sistem pengontakan gas atau
cairan dengan kedalaman cairan sekitar 3 kali diameter tanki maka
akan digunakan banyak impeller. Diameter Vessel berkisar antara 0,1
meter untuk unit yang kecil hingga 10 meter ataupun lebih untuk
instalasi industri besar.Sering pula digunakan 2 buah impeller pada
bagian atas. Walaupun bawah Vessel untuk memperoleh pencampuran
yang sempurna. Pada design mixer atau settler untuk solvent
extraction biasanya digunakan tanki segi empat karena pertimbangan
harga yang lebih murahh untuk kapasitas yang besar dan juga lebih
mudah mengkombinasikannya dengan settler.Bagian dasar tangki dapat
berbentuk datar, lengkungan atau lancip (kerucut) tergantung pada
faktor kemudahan pada saat pengurasan atau pada zat padat yang
terlarut. Bentuk yang sering digunakan adalah bentuk lengkungan
karena sudut yang ada sangat minimalis sehingga zat padat tidak ada
yang terselip dan akan rata tercampur. Sedangkan jika bentuk
kerucut (cone) yang digunakan makan harus dipastikan bahwa
pencampuran dapat dilakukan dengan sempurna dengan cara menurunkan
posisi impeller, tetapi hal ini akan sangat berbahaya jika
immpeller terlalu dekat dengan permukaan dinding Vessel terutama
jika sampai bersentuhan akan mengakibatkan alat menjadi
rusak.2.1.2. Baffle Baffle biasanya tidak menempel pada dinding
Vessel sehingga secara kebetulan akan terdapat celah antara baffle
dengan dinding Vessel. Baffle umumnya tidak digunakan pada cairan
dengan viscositas tinggi dimana pembentukan vortex bukanlah menjadi
masalah yang penting. Untuk mencegah terjadinya pembentukan ruang
udara (vortex) pada saat cairan-cairan dengan viskositas rendah
diaduk dalam tanki silinder vertikal dengan impeller yang berada
pada pusatnya, maka digunakanlah baffle yang dipasang pada dinding
Vessel. Baffle yang digunakan biasanya memiliki jarak yang sama
sekitar 1 - 10 dari diameter tanki.
Baffle dipasang pada Mixing Vessel untuk menambah turbulensi.
Walaupun penggunaan baffle menaikkan jumlah tenaga atau energi,
tetapi di sisi lain memilki keuntungan yaitu terjadinya perpindahan
panas secara terus menerus dan waktu yang dibutuhkan untuk
mencampur lebih cepat. Ketika waktu yang digunakan pada proses
pencampuran sangatlah sedikit, pencampur yang terbaik adalah
pencampur dengan jumlah tenaga yang terkecil dan waktu yang sangat
pendek.2.1.3 Impeller
Impeller inilah yang akan membangkitkan pola aliran di dalam
sistem, yang menyebabkan zat cair bersikulasi di dalam bejana untuk
akhirnya kembali ke impeller. Ada dua macam impeller pengaduk
yaitu:a) Impeller aliran aksial yang membangkitkan arus sejajar
dengan sumbu poros impeller
b) Impeller aliran radial yang membangkitkan arus pada arah
tangensial atau radial.Dari segi bentuknya, ada tiga jenis
impeller: Propeller (baling-baling), dayung (padle), dan turbin
(turbine). Masing-masing jenis terdiri lagi atas berbagai variasi
dan sub-jenis. Ada lagi jenis-jenis impeller lain yang dimaksudkan
untuk situasi-situasi tertentu, namun ketiga jenis itu agaknya
dapat digunakan untuk menyelesaikan 95 persen dari semua masalah
agitasi zat cair.
Jenis-jenis impeller yang lain :
a) The marine type Propeller
b) Flat blade turbine
c) The disk flat blade turbine
d) The curved blade turbine
e) The pitched blade turbine
f) The shrouded turbine
2.1.3.1 PropellerPropeller merupakan impeller aliran aksial
berkecepatan tinggi untuk zat cair berviskositas rendah. Propeller
kecil biasanya berputar pada kecepatan motor penuh, yaitu 1.150
atau 1.750 rpm, sedang Propeller besar berputar pada 400 sampai 800
rpm. Arus yang meninggalkan Propeller mengalir melalui zat cair
menurut arah tertentu samapi dibelokkan oleh lantai atau dinding
bejana. Kolom zat cair yang berputar dengan sangat turbulennya itu
meninggalkan impeller dengan membawa ikut zat cair stagnan yang
dijumpainya dalam perjalanannya itu, dan zat cair stagnan yang
terbawa ikut itu mungkin lebih banyak dari yang dibawa kolom arus
sebesar itu kalau berasal dari nosel stasioner. Daun-daun Propeller
merobekkan menyeret zat cair itu. Oleh karena arus aliran ini
sangat gigih, agitator Propeller sangat efektif dalam bejana
besar.
Propeller yang berputar membuat pola heliks di dalam zat cair,
dan jika tidak tergelincir antara zat cair dan Propeller itu, satu
putaran penuh Propeller akan memindahkan zat cair secara
longitudinal pada jarak tertentu, bergantung dari sudut kemiringan
daun Propeller. Rasio jarak ini terhadap diameter dinamakan
jarak-bagi (pitch) Propeller itu. Propeller yang mempunyai jarak
bagi 1,0 disebut mempunyai jarak-bagi bujur-sangkar (square
pitch).2.1.3.2 PaddleUntuk tugas-tugas sederhana, agitator yang
terdiri dari satu dayung datar yang berputar pada poros vertikal
merupakan pengaduk yang cukup efektif. Kadang-kadang daun-daunnya
dibuat miring, tetapi biasanya vertikal saja. Dayung (Paddle) ini
berputar di tengah 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. Arus yang terjadi bergerak ke luar ke arah dinding, lalu
membelok ke atas atau ke bawah. Dalam tangki-tangki yang dalam,
kadang-kadang dipasang beberapa dayung pada satu poros, dayung yang
satu di atas yang lain. Dalam beberapa rancang, daunnya disesuaikan
dengan bentuk dasar bejana, yang mungkin bulat atau cekung, piring,
sehingga dapat mengikis atau menyapu permukaan pada jarak sangat
dekat. Dayung (padle) jenis tersebut dinamakan agitator jangkar
(anchor agitator). Jangkar ini sangat efektif untuk mencegah
terbentuknya endapan atau kerak pada permukaan penukar kalor,
seperti umpamanya, dalam bejana proses bermantel, tetapi tidak
terlalu efektif sebagai alat pencampur. Jangkar ini biasanya
dioperasikan bersama dengan dayung berkecepatan tinggi atau
agitator lain, yang biasanya berputar menurut arah yang
berlawanan.
Agitator dayung yang digunakan di industri biasanya berputar
dengan kecepatan antara 20 dan 150 rpm. Panjang total impeller
dayung biasanya antara 50 sampai 80 persen dari diameter-dalam
bejana. Lebar daunnya seperenam sampai sepersepuluh panjangnya.
Pada kecepatan yang sangat rendah, dayung dapat memberikan
pengadukan sedang di dalam bejana tanpa-sekat, pada kecepatan yang
lebih tinggi diperlukan pemakaian sekat, sebab jika tidak, zat cair
itu akan berputar-putar saja mengelilingi bejana itu dengan
kecepatan tinggi, tetapi tanpa adanya pencampuran.2.1.3.3
Turbin
Turbin biasanya efektif untuk jangkau viskositas yang cukup
luas. Pada cair berviskositas rendah, turbin itu menimbulkan arus
yang sangat deras yang berlangsung di keseluruhan bejana, menabrak
kantong-kantong yang stagnan dan merusaknya. Di dekat impeller itu
terdapat zone arus deras yang sangat turbulen dengan geseran yang
kuat. Arus utamanya bersifat radial dan tangensial. Komponen
tangensialnya menimbulkan vorteks dan arus putar, yang harus
dihentikan dengan menggunakan sekat (baffle) atau difuser agar
impeller itu menjadi sangat efektif.
Beberapa di antara berbagai ragam bentuk rancang turbin adalah
turbin daun-lurus terbuka, turbin piring berdaun dan turbin piring
lengkung vertikal. Kebanyakan turbin itu menyerupai agitator-dayung
berdaun banyak dengan daun-daunnya yang agak pendek, dan berputar
pada kecepatan tinggi pada suatu poros yang dipasang di pusat
bejana. Daun-daunnya boleh lurus dan boleh pula lengkung, boleh
bersudut, dan boleh pula vertikal. impellernya mungkin terbuka,
setengah terbuka, atau terselubung. Diameter impeller biasanya
lebih kecil dari diameter dayung, yaitu berkisar antara 30 sampai
50 persen dari diameter bejana.Penggunaan impeller diatas
tergantung pada geometri Vessel (tanki), visikosita cairan.
a. Untuk viscositas yang lebih kecil dari 2000 cP, maka
digunakan impeller dengan tipe Propeller.
b. Untuk viscositas antara 2000 cP - 50000 cP, maka digunakan
impeller dengan tipe turbin.
c. Untuk viscositas antara 10000 cP - 1000000 cP, maka digunakan
impeller tope anchor, helical ribon dan Paddled. Untuk viscositas
diatas 1 juta cP, digunakan pencampuran khusus, seperti banburg
mixer, kneaders, extrudes, sigma mixer dan beberapa tipe
lainya.Ukuran impeller tergantung pada jenis impeller dan kondisi
operasi seperti yang dijelaskan oleh Reynolds, Froude,and Power
sebagai suatu karakteristik yang saling mempengaruhi. Untuk
impeller jenis turbin, perbandingan diameter dari impeller dan
Vessel berada pada range, d/D = 0,3 -0,6, harga terendah berada
pada rpm yang tinggi sebagai contih dipersi gas.
Kecepatan impeller standar yang digunakan untuk kepentingan
komersil (industri) adalah 34, 45, 56, 68, 84, 100, 125, 155, 190,
dan 320 rpm. Tenaga yang dibutuhkan biasanya tidak cukup untuk
digunakan secara kontinue untuk mengatur gerakan steam turbin. Dua
kecepatan driver mungkin dibutuhkan pada saat torques awal sangat
tinggi.
Jenis aliran di dalam bejana yang sedang diaduk bergantung pada
:
a. Jenis impellerb. Karakteristik fluida
c. Ukuran serta perbandingan (proporsi) tangki, sekat, dan
agitator. Kecepatan fluida dalam setiap titik dalam tangki
mempunyai tiga komponen, dan pola aliran keseluruhan di dalam
tangki itu bergantung pada variasi dari ketiga komponen itu dari
satu lokasi ke lokasi lain. Ketiga komponen itu yaitu :
a. Komponen radial yang bekerja pada arah tegak lurus terhadap
poros impeller.
b. Komponen longitudinal, yang bekerja pada arah paralel dengan
poros.
c. Komponen tangensial, atau rotasional, yang bekerja pada arah
singgung terhadap lintasan lingkar di sekeliling poros. Dalam
keadaan biasa, di mana poros itu vertikal, komponen radial dan
tangensial berada dalam satu bidang horisontal, 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
di pusat tangki, komponen tangensial biasanya kurang menguntungkan.
Arus tangensial itu mengikuti suatu lintasan berbentuk lingkaran di
sekitar poros, dan menimbulkan vorteks pada permukaan zat cair, dan
karena adanya sirkulasi aliran laminar, cenderung membentuk
stratifikasi pada berbagai lapisan tanpa adanya aliran longitudinal
antara lapisan-lapisan itu.
Jika di dalam sistem itu terdapat pula partikel zat padat, arus
sirkulasi itu cenderung melemparkan partikel-partikel itu, dengan
gaya sentrifugal, ke arah luar, dan dari situ bergerak ke bawah,
dan sesampai di dasar tangki, lalu ke pusat. Karena itu, bukannya
pencampuran yang berlangsung di sini, tetapi sebaliknya
pengumpulanlah yang terjadi. Jadi, karena dalam aliran sirkulasi
zat cair begerak menurut arah gerakan daun impeller, kecepatan
relatif antara daun dan zat cair itu berkurang, dan daya yang dapat
diserap zat cair itu menjadi terbatas.
Dalam bejana yang tak bersekat, alir putaran itu dapat
dibangkitkan oleh segala jenis impeller, baik aliran aksial maupun
yang radial. Jadi, jika putaran zat cair itu cukup kuat, pola
aliran di dalam tangki itu dapat dikatakan tetap, bagaimanapun
bentuk rancangan impeller. Pada kecepatan impeller tinggi vorteks
yang terbentuk mungkin sedemikian dalamnya, sehingga mencapai
impeller; dan gas dari atas permukaan zat cair akan tersedot ke
dalam zat cair itu. Makanya hal demikian tidaklah dikehendaki.
Aliran tingkat (circulatory flow) dan arus putar (swirling)
dapat dicegah dengan menggunakan salah satu dari tiga cara di bawah
ini. Dalam tangki-tangki kecil impeller dipasang di luar sumbu
tangki (eksentrik). Porosnya digeser sedikit dari garis pusat
tangki, lalu dimiringkan dalam suatu bidang yang tegak lurus
terhadap pergeseran itu. Dalam tangki-tangki yang lebih besar,
agitatornya dipasang di sisi tangki, dengan porosnya pada bidang
horisontal, tetapi membuat sudut dengan jari-jari tangki.2.2
In-line Static Mixer
In-line static mixers digunakan untuk operasi pencampuran dan
pelarutan dalam jumlah yang besar. Sebuah unit tetap diletakkan
dalam sebuah pipa dan pencampur dimasukkan oleh sistem pemompaan.
Untuk kasus pencmpuran liquid kental secara laminer, pencampuran
dilakukan dengan mekanisme slicing dan folding. Proses pencampuran
ini memberikan peningkatan dalam produk campuran sebagai jumlah
dari elemen pencampuran yang diulang meningkat. Dalam kasus
pelarutan liquid/liquid dan gas liquid seperti mekanisme diatas
tidak berpengaruh dan biasanya operasi terjadi secara turbulen.2.3
In-Line Dynamic Mixer
Untuk operasi pencampuran dimana membutuhkan produksi continue
dari solid yang dilarutkan dan emulsi, In-Line Dynamic Mixers
adalah salah satu bentuk mixer yang dapat digunakan. Alat ini
terdiri dari sebuah rotor dimana spin adalah kecepatan tinggi di
dalam sebuah casing dan umpan material dipompakan secara continue
menuju unit. Di dalam casing, shear force fluida yang tinggi
digunakan pada operasi pelarut.2.4 Jet Mixer
Pencamuran dalam sebuah Vessel; dilakukan untuk viskositas
rendah dengan menggunakan jet nozzle yang dimasukkan dalam Vessel
dimana cairan dengan viskositas tinggi dialirkan kedalam jet
nozzle. Pompa digunakan untuk mengeluarkan sebagian liquid dari
Vessel dan dikembalaikan melalui nozzle melalui Vessel. Transfer
momentum dari jet viskositas tinggi menuju liquid dalam Vessel
menyebabkan aksi pencmpuran sirkulasi dalam tanki.2.5 Mills
Beberapa kegiatan kimia termasuk pelarutan solid dan
pengemulsian tidak dapat dilakukan di dalam Vessel yang dicampur
secara mekanik karena tidak mungkin dapat menurunkan tegangan
tinggi untuk memecah partikel agregat dalam memperoleh kualitas
pelarutan atau menciptakan emulsi yang stabil. Mills dapat
digunakan dalam operasi pelarutan dimana pelarutan partikel
dilakukan dengan crushing atau shearing.2.6 Valve Homogenizers
Unit ini mempunyai bagian pemompaan untuk menyuplai material
yang akan dilarutkan melalui sebuah orifice terkecil. Tekanan
tinggi akan diturunkan mendekati tekanan fluida melalui sebuah
orifice sehingga menghasilkan shear force tinggi dimana emulsi dan
suspensi koloid akan dihasilkan secara continue.2.7 Ultrasonic
Homogenizers
Material yang akan diproses dipompakan pada tekanan tinggi
(diatas 150 bar) melalui orifice yang didesain secara khusus untuk
menghasilkan aliran dengan kecepatan tinggi melalui sebuah blade
yang digoyangkan atau digetarkan pada ftrekwensi ultrasonic.2.8
Unit Pelarutan dengan Kecepatan Tinggi
Type peralatan ini serupa dengan In-Line Dynamic Mixer, tetapi
dalam kasus ini alat digunakan dalam sebuah Vessel. Alat pencampur
ini terdiri dari rotor kecepatan tinggi di dalam Vessel dimana
fluida dimasukkan ke aksi shearing intensif.2.9 Extruders
Pelarutan dalam industri plasit biasanya dilakukan dalam
extruders. Feed yang biasanya mengandung polimer utama dalam bentuk
granular atau bubuk, bersama-sama dengan aditif seperti stabilizer,
plastizer, pigmen berwarna, dll. Selama proses dalam extruders
dikeluarkan pada tekanan tinggi dan laju kontrol dari extruders
untuk pembentukan.
Parameter yang mempengaruhi klasifikasi agotator:
1) Parameter Proses
a. viskositas rendah
b. kelarutan zat terlarut
c. konduktivitas termal fluida dan zat terlarut jika terjadi
perpindahan panas
d. densitas fluida
e. ukuran partikel solid
2) Parameter Mekanik
a. diameter impellerb. rotasi impeler permenit
c. bentuk impeler
d. volume Vessele. bentuk Vesself. letak agitator terhadap
Vessel
Keberhasilan operasi suatu proses pengolahan tergantung pada
efektifitas pengadukan dan pencampuran zat dalam proses. Pengadukan
diartikan sebagai gerakan terinduksi menurut cara tertentu pada
suatu bahan didalam bejana dimana gerakan terinduksi menurut cara
tertentu menurut bahan didalam bejana, dimana gerakan mempunyai
pola sirkulasi. Sedangkan pencampuran adalah peristiwa menyebarnya
bahan-bahan secara acak dimana bahan yang satu menyebar kedalam
bahan yang lain, sedangkan kedua bahan tersebut tadinya terpisah
dalam dua fase yang berbeda.2.10 Pencampuran Solid-Liquid
Bila zat padat disuspensikan dalam tanki yang diaduk, ada
beberapa cara untuk mendifinisikan kondisi suspensi itu. Proses
yang berbeda akan memerlukan derajat suspensi yang berlainan pula,
dan karena itu kita perlu menggunakan definisi yang tepat dan
korelasi yang semestinya didalam merancang atau dalam penerapan ke
skala besar. Cara mendefinisikan kondisi suspensi, yaitu:1)
Mendekati suspensi penuh
yaitu suspensi dimana masih terdapat sebagian kecil
kelompok-kelompok zat padat yang terkumpul didasar tanki agak
kepinggir atau ditempat lain.
2) Partikel bergerak penuh
yaitu seluru partikel berada dalam suspensi atau bergerak
disepanjang dasar tanki.3) Suspensi penuh atau Suspensi diluar
dasar
yaitu seluruh partikel berada dalam keadaan suspensi dan tidak
ada didasar tanki atau tidak berada didasar tanki selama leih dari
1 atau 2 detik.2.11 Pencampuran Liquid-Liquid
Pencampuran zat cair-cair (misible) didalam tanki merupakan
proses yang berlangsung cepat dalam daerah turbulent. impeller akan
menghasilkan arus kecepatan tinggi, dan fluida itu mungkin dapat
bercampur baik disekitar impeller karena adanya keterbulenan yang
hebat. Pada waktu arus itu melambat katrena membawa ikut zat cair
lain dan mengalir disepanjang dinding, terjadi juga pencampuran
radial sedang pusaran-pusaran besar pecah menjadi kecil, tetapi
tidak banyak terjadi pencampuran pada arah aliran.2.12 Pencampuran
Gas-Liquid Dalam proses pencampuran gas dengan liquid, gas akan
tersuspensi dalam bentuk gelembung-gelembung kecil dengan tekanan
tertentu.3
