tugas 2 pbpam desi ratna komala (0910941014)
Post on 31-Jul-2015
335 Views
Preview:
TRANSCRIPT
MAKALAH
PERENCANAAN BANGUNAN PENGOLAHAN AIR MINUM
KLASIFIKASI DAN KRITERIA KELAS MUTU AIR BERDASARKAN
PERATURAN PEMERINTAH NOMOR 82 TAHUN 2001
OLEH :
DESI RATNA KOMALA
BP. 0910941014
DOSEN:
ESMIRALDA, MT
JURUSAN TEKNIK LINGKUNGAN
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS ANDALAS
PADANG
2012
KOAGULASI DAN KRITERIA DESAIN METODE PENGADUKAN MEKANIS
1.1 Koagulasi
Pengertian koagulasi adalah penambahan dan pengadukan cepat (flash mixing) koagulan yang
bertujuan untuk mendestabilisasi partikel-partikel koloid dan suspended solid (Reynolds,
1982). Sedangkan menurut Kawamura (2001) koagulasi didefinisikan sebagai proses
destabilisasi muatan koloid dan padatan tersuspensi termasuk bakteri dan virus, dengan suatu
koagulan. Pengadukan cepat (flash mixing) merupakan bagian integral dari proses koagulasi.
Tujuan pengadukan cepat adalah untuk mempercepat dan menyeragamkan penyebaran zat
kimia melalui air yang diolah. Pengadukan cepat yang efektif sangat penting ketika
menggunakan koagulan logam seperti alum dan ferric chloride, karena proses hidrolisisnya
terjadi dalam hitungan detik dan selanjutnya terjadi adsorpsi partikel koloid. Waktu yang
dibutuhkan untuk zat kimia lain seperti polimer (polyelectrolites), chlorine, zat kimia alkali,
ozone, dan potasium permanganat, tidak optimal karena tidak mengalami reaksi hidrolisis
(Kawamura, 1991).
Menurut Kawamura (1991), keefektifan pengadukan cepat dipengaruhi :
1. Tipe koagulan yang digunakan;
2. Jumlah zat kimia yang diberikan dan karakteristiknya masing-masing;
3. Kondisi lokal, misalnya kondisi daerah, temperatur, kelayakan suplai energi dan
sebagainya;
4. Karakteristik air baku;
5. Tipe pengaduk zat kimia;
6. Kehilangan tekanan (headloss) yang tersedia untuk pengadukan cepat;
7. Variasi aliran pada instalasi;
8. Jenis proses selanjutnya;
9. Biaya;
10. Dan lain-lain.
Kawamura (1991) menyebutkan bahwa pemilihan koagulan sangat penting untuk
menentukan desain kriteria pengadukan cepat dan untuk proses flokulasi dan sedimentasi agar
berjalan efektif. Koagulan yang sering digunakan adalah koagulan garam logam seperti :
alumunium sulfat, ferric chloride, dan ferric sulfate. Polimer buatan seperti polydiallyl
dimethyl ammonium (PDADMA) dan polimer kation alam seperti chitosan (terbuat dari kulit
udang) juga dapat digunakan. Perbedaan antara koagulan logam dengan polimer kation adalah
pada reaksi hidrolisnya dengan air. Garam logam mengalami hidrolisis ketika dimasukkan ke
dalam air sedangkan polimer tidak. Reaksi hidrolisis ini menghasilkan hydroxocomplex
seperti:
Al( H2 )63+ , Fe ( H2 O)3
3+ , AlOH 2 +
dan Fe(OH )2+
.
Selain koagulan, biasanya dalam pengolahan air bersih ada penambahan zat kimia yang
dibubuhkan dalam pencampuran cepat. Zat kimia yang sering digunakan adalah alum, polimer
kationik, potasium permanganat, chlorine, powerded activated carbon (PAC), amonia, kapur
soda, serta anionic dan nonionic polymers. Pemilihan zat kimia yang tepat sangat penting
khususnya pada air baku yang tidak memiliki alkalinitas yang cukup (Kawamura, 1991).
Jenis koagulan yang sering dipakai (Reynolds, 1982) adalah :
1. Alumunium Sulfat (Alum)
Alum [Al2(SO4)3.18H2O] adalah salah satu koagulan yang umum digunakan karena
harganya murah dan mudah didapat. Alkalinitas yang ada di dalam air bereaksi dengan
alumunium sulfat (alum) menghasilkan alumunium hidroksida sesuai dengan persamaan :
Al2(SO4)3.14H2O + 3Ca(HCO3)2 → 3CaSO4 + 2Al(OH)3 + 6CO2 + 14 H2O
Bila air tidak mengandung alkalinitas untuk bereaksi dengan alum, maka alkalinitas perlu
ditambah. Biasanya alkalinitas dalam bentuk ion hidroksida yaitu berupa kalsium
hidroksida (Ca(OH)2) dengan reaksi :
Al2(SO4)3.14H2O + 3Ca(OH)2 → 2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 14 H2O
Alkalinitas bisa juga ditambahkan dalam bentuk ion karbonat dengan penambahan natrium
karbonat. Kebanyakan perairan memiliki alkalinitas yang cukup sehingga tidak ada
penambahan zat kimia selain alumunium sulfat. Nilai pH optimum untuk alum sekitar 4,5–
8,0.
2. Ferrous Sulfate (FeSO4)
Ferrous sulfate membutuhkan alkalinitas dalam bentuk ion hidroksida agar menghasilkan
reaksi yang cepat. Senyawa Ca(OH)2 biasanya ditambahan untuk meningkatkan pH
sampai titik tertentu dimana ion Fe2+ diendapkan sebagai Fe(OH)3. Reaksinya adalah :
2FeSO4. 7H2O + 2Ca(OH)2 + ½ O2 → 2Fe(OH)3 + 2CaSO4 + 13 H2O
Agar reaksi di atas terjadi, pH harus dinaikkan hingga 9,5. Selain itu, ferrous sulfate
digunakan dengan mereaksikannya dengan klorin dengan reaksi :
3FeSO4.7H2O + 1,5Cl2 → Fe2(SO4)3 + FeCl3 + 21H2O
Reaksi ini terjadi pada pH rendah sekitar 4,0.
3. Ferric Sulfate dan Ferric Chloride
Reaksi sederhana ferric sulfate dengan alkalinitas bikarbonat alam membentuk ferric
hydroxide dengan reaksi :
Fe2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 → 2Fe(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2
Sedangkan reaksi ferric chloride dengan alkalinitas bikarbonat alami yaitu :
2FeCl3 + 3Ca(HCO3)2 → 2Fe(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2
Apabila alkalinitas alami tidak cukup untuk reaksi, Ca(OH)2 ditambahkan untuk
membentuk hidroksida. Reaksinya adalah :
2FeCl3 + 3Ca(OH)2 → 2Fe(OH)3 + 3CaCl2
Menurut Kawamura (1991), pengadukan cepat bisa dilakukan dengan sistem difusi secara
hidrolis, mekanis maupun dengan pompa. Tipe pengadukan cepat yang umum digunakan,
berdasarkan keefektifan, kemudahan pemeliharaan serta biaya, urutan pilihannya adalah
sebagai berikut :
1. Diffusion mixing dengan water jet bertekanan (Gambar 1.1)
Keuntungan dari sistem ini adalah bahwa air baku tanpa penambahan zat kimia atau sudah
mengalami destabilisai sebagian bisa digunakan dalam sistem injeksi zat kimia. Valve
yang dipasang pada pompa bisa digunakan untuk mengontrol kecepatan pemompaan dan
variasi energi input untuk aliran yang bervariasi dan berjenis-jenis zat kimia koagulasi.
Sistem ini mempunyai durasi pengadukan sekitar 0,5 detik dan nilai G sekitar 1000 detik-
1 (AWWA, 1997).
Gambar 1.1. Jet Injection Sistem Pengadukan CepatSumber : Montgomery, 1985
2. In-line static mixing (Gambar 1.2.)
Pengaduk ini dikenal dengan pengaduk statis tidak bergerak. Pengaduk ini cukup efektif
dalam proses koagulasi. Kelebihan pengaduk ini adalah (1) tidak adanya bagian yang
bergerak, (2) tidak membutuhkan energi luar untuk menjadi input (masukan) ke dalam
sistem, (3) lebih sedikit terjadinya penyumbatan daripada tipe pengadukan difusi dengan
pompa. Kekurangannya adalah bahwa tingkat dan waktu pengadukannya merupakan
fungsi debit aliran. Panjang pengadukan biasanya 1,5 – 2,5 diameter pipa. Dalam
penerapannya, maksimum headloss yang melintasi unit koagulasi adalah 0,6 m. Desain
instalasi pegolahannya harus mempunyai screen pada intake di bagian hulu dari pengaduk
statis sehingga sampah-sampah besar tidak merusak pengaduk statis (Kawamura, 1991).
Gambar 1.2. In-line Static MixerSumber : Montgomery, 1985
Nilai G dirumuskan sebagai berikut :
G=( Pμ .V )
0 . 5
Untuk pengadukan cepat dengan static mixer besarnya P dapat diperoleh melalui persamaan
(Kawamura, 1991) :
P=Qwh
h=( 0 , 009( N−1)Q2Sμ0,1
D4 )N
Dimana :
P = energi pengadukan, (Watt = N.m/s) = viskositas absolut air (N.s/m2) = 1,336.10-3 N.s/m2 pada 10° CV = volume zone pengadukan (m3)Q = debit aliran (m3/s)
w = berat air = 1000,15615 kg/m3h = tekanan jatuh (m)S = specific gravity = 1,00N = jumlah elemen pengadukan
Pengadukan cepat dengan in-line static mixer mempunyai kriteria desain tersendiri yaitu
(Kawamura, 1991) :
G x t = 350 – 1700 (rata-rata 1000)
t = 1 – 5 detik
3. Mechanical mixing (Gambar 1.3)
Pengaduk mekanis secara umum merupakan tipe pengaduk paddle atau propeller. Lebih
dari satu set blade propeller atau paddle tersedia pada sebuah shaft. Pengaduk mekanis
sering dirancang dengan penggerak shaft vertikal dengan sebuah penurun kecepatan dan
motor elektrik. Nilai desain untuk kebanyakan sistem pengaduk cepat secara mekanis
yaitu waktu detensi 10 – 60 detik dan nilai G sebesar 600 – 1000 detik-1 (AWWA, 1997).
Menurut Reynolds, 1982:
Gradien kecepatan : G2 = P
μ . v
Menurut Fair & Geyer, 1986:
Daya pengadukan yang dibutuhkan
- Untuk single blade :
P = 5.74 x 10-4. Cd . . (1 – K )3 n3 r3 A
- Untuk multiple blade :
P = 1.44 x 10-4 CD . . (1 – K )3 n3 b (r4 - r04 )
Cd = Koefisien Drag , harganya ditentukan sbb :
Tabel 1.1. Harga Koefisien Drag
No Panjang : Lebar Cd1 5 1,22 20 1,53 1,9
Sumber: Reynolds, 1982
Keterangan : P : Daya pompa (watt) n : jumlah putaran permenit (rpm) : viskositas dinamis (Ns/m2) r : jari-jari blade/impeller (m)
v : volume (m3) A : luas blade/impeller (m2) Cd: koefisien drag b : lebar blade/impeler (m)
: berat jenis air (kg/m3) td : waktu tinggal (jam) G : gradien kecepatan (1/dt) k : ratio kecepatan fluida terhadap kecepatan blade/impeller
Gambar 1.3. Mechanical MixerSumber : Montgomery, 1985
4. In-line mechanical mixing (Gambar 1.4)
Tipe pengaduk ini menghasilkan pengadukan cepat yang lebih efisien walaupun letaknya
tetap. Keuntungan menggunakan tipe ini adalah bisa mencapai dispersi atau penyebaran
zat kimia yang cepat. Pengaduk ini beroperasi pada watu detensi yang pendek (kurang dari
satu detik) dan pada nilai G yang tinggi. Namun, hal tersebut menjadi pertimbangan
penting karena menjadi kelemahan alat ini dalam air yang membutuhkan waktu reaksi
yang lebih lama dan lebih dari satu zat kimia untuk pembentukan flok (AWWA, 1997).
Gambar 1.4. In-line Mechanical MixerSumber : Montgomery, 1985
5. Hydraulic mixing dengan terjunan (Gambar 1.5)
Pengadukan hidrolis dapat dilakukan dengan menggunakan V-notch, saluran air, orifice,
aliran turbulen sederhana yang disebabkan oleh kecepatan dalam pipa, fitting atau saluran.
Total headloss untuk pengadukan zat kimia koagulan tidak lebih dari 3,2 m. Energi dari
suatu terjunan efektif setinggi 30 cm menyediakan nilai G sebesar 1000 s-1 pada suhu 20°
C (AWWA, 1997).
Gradien kecepatan (G) : 400-1000 /dt
Waktu detensi (td) : 60 detik (untuk kekeruhan tinggi)
G x td : 20.000 – 30.000
G=[ g .hυ .td ]
12
(2-11)
dimana, G =gradien kecepatan (1/detik)
g =percepatan gravitasi (m/s2)
h =tinggi terjunan
=viskositas kinematis
Gambar 1.5. Koagulasi Tipe Terjunan
6. Diffusion dengan pipe grid (Gambar 1.6)
Tipe pengadukan cepat ini tergantung pada turbulensi yang diciptakan oleh pipa grid.
Koagulan atau zat kimia lainnya ditambahkan ke dalam aliran melaui injeksi orifice di
dalam grid. Masalah yang umum terjadi adalah tersumbatnya orifice setelah beberapa
bulan hingga satu tahun instalasi beroperasi. Di bawah kondisi normal, pengaduk ini tidak
direkomendasikan (Kawamura, 1991).
Gambar 1.6. Diffusion Flash MixerSumber : Montgomery, 1985
Salah satu jenis pengadukan cepat tipe hidrolis adalah pengadukan dalam pipa. Panjang pipa
yang diperlukan untuk pengadukan cepat berdasarkan kecepatan aliran dan waktu
pencampuran, dengan rumus perhitungan sebagai berikut (Darmasetiawan, 2001) :
td=Lv
L= g Hf v
υ G2
V= Q / A
Dimana : L = panjang pipa (m) V = kecepatan aliran dalam pipa (m/detik) = 2.5 – 4 m/detik Q = kapasitas pengolahan (m3/detik) td = waktu pencampuran (detik) A = luas penampang pipa (m) = ¼ π D2 G = gradien kecepatan (/dt)υ
= viskositas kinematik (1,306x10-6 m/s pada suhu 10°C)
Gradient kecepatan 350-1700 /dt /detik. Dengan rumus sebagai berikut :
G=( g Hfυ td )
0.5
Dimana :
G = gradient kecepatan (per detik) g = percepatan gravitasi (9,81 m/det2) Hf = kehilangan tinggi tekanan sepanjang aliran (m) td = waktu pencampuran υ
= viskositas kinematis ( 1,306 x 10-6 m2/det pada temperatur 10 °C)
Peavy (1985) menjelaskan bahwa parameter desain untuk pengadukan cepat adalah waktu
pengadukan (t) dan gradien kecepatan (G). Untuk mendapatkan flok yang baik dilakukan
pengadukan yang bertahap dan gradien kecepatannya makin lama makin menurun.
Tabel 1.2. Kriteria Desain Unit Koagulasi
No Keterangan UnitKawamura (1)
Al-Layla (2)
Reynolds (3)
Darmasetiawan (4)
Peavy (5)
Montgomery (6)
1G
dtk-1 300700 - 1000
700 - 1000600 - 1000
1000
2 Td dtk 10 - 30 30 - 60 20 - 60 20 - 40 10 - 603 G x Td 300 - 1600 20000 - 30.000 1000 - 20004 pH alum opt. 4 4,5 - 8,0 5,0 - 7,5
Sumber: 1.Kawamura, 1991; 2.Al-Layla, 1980; 3.Reynolds, 1982; 4.Darmasetiawan, 2001; 5.Peavy, 1985; 6. Montgomery, 1985
1.2 Metode Pengadukan Mekanis
1.2.1 Tipe Mekanis yang Digunakan.
Banyak tipe mekanis yang dapat digunakan dalam operasi mixing dan agitasi ini.
Diantaranya:
1. Paddle
Impeller paddle bervariasi dalam desain. Dari paddle tunggal dan datar pada shaft
vertikal sampai flokulator banyak blade yang dipasang pada shaft horizontal yang
panjang seperti terlihat pada gambar 2.5 berikut ini.
Gambar 1.7 Impeller Paddle Shaft Horizontal
Paddle dapat berjalan pada kecepatan rendah sampai sedang (2 sampai 150 rpm)
dan terutama digunakan sebagai agitator untuk melarutkan suspensi atau sebagai
pencampur pada aplikasi viskositas tinggi. Arus utama yang diperoleh merupakan
radial dan tangensial terhadap rotating paddle.
2. Turbine
Turbine impeller merupakan istilah yang digunakan untuk berbagai macam bentuk
impeller. Yang banyak digunakan adalah turbine impeller jenis yang terlihat pada
gambar 2.6. jenis ini terdiri dari beberapa blade lurus yang terpasang vertikal pada
suatu piringan datar. Rotasi berlangsung pada kecepatan sedang dan aliran fluida
terbentuk pada arah radial dan tangensial.
Gambar 1.8 Turbine Impeller
3. Propeller
Impeler tipe marine propeller merupakan yang berukuran kecil namun
berkecepatan tinggi (400 rpm untuk propeller beerdiameter besar sampai 175 rpm
untuk yang berdiameter kecil) dan digunakan secara luas dalam aplikasi viskositas
rendah. Impeller ini mempunyai laju pemindahan aliran tinggi dan menghasilkan
arus kuat pada arah aksial.
Gambar 1.9 Propeller
1.2.2 Hal-hal yang perlu diperhitungkan dalam mendesain pengadukan menggunakan
alat mekanis
Dalam operasi pengadukan dengan mekanis beberapa hal yang perlu diperhitungkan
diantaranya:
1. Baffling
Komponen aliran tangensial yang diinduksi oleh rotating impeller memberikan
pergerakan rotasi yang lebih dikenal dengan vorteks disekitar tiang impeller.
Vorteks menghalangi operasi pengadukan dengan cara mengurangi kecepatan
impeller relatif terhadap cairan. Sehingga lebih lanjutnya konsumsi daya yang
dibutuhkan menjadi lebih sulit dihitung. Karenanya vorteks dapat dikurangi dengan
baffling yang tepat. Pembatas vertikal ditempatkan sepanjang dinding tangki untuk
memecah pergerakan rotasi dengan mengalihkan cairan kembali terhadap tiang
impeller. Untuk operasi turbin impeller, kelebaran baffle harus lebih kecil 1/10
sampai 1/12 diameter tangki.sedangkan pada operasi propeller, lebar yang lebih
kecil dapat digunakan.
2. Fluid Regime
Rotating impeller terjadi di dalam suatu pola aliran massa fluida yang terbentuk
tidak hanya akibat bentuk, ukuran dan kecepatan impeller tetapi juga karena
karakteristik kontainer fluida dan adanya baffling. Jika aliran bersifat viskos, tidak
ada mixing yang terjadi di dalam akibat difusi. Namun jika aliran turbulen, partikel
fluid bergerak dalam semua arah dan pengadukan terjadi terutama akibat dari
penempatan konveksi. Transfer moment yang berhubungan dengan penempatan ini
menghasilkan tegangan geser yang kuat di dalam fluida. Biasanya aliran massa dan
turbulensi atau hasilnya berupa tegangan fluida penting dalam operasi pengadukan.
Kebanyakan turbulensi dihasilkan dari adanya kontak antara aliran fluida
berkecepatan tinggi dengan yang berkecepatan rendah. Aliran sepanjang sisi
kontainer, blade impeller dan sepanjang baffle memberikan turbulensi dalam
tingkat yang lebih rendah. Desain operasi pengadukan mecakup dua hal:
- Identifikasi fluida regime tertentu yang diperlukan dengan melihat: pertama,
hubungan yang ada antara gaya-gaya yang terlibat dalam regime. Hal ini tentu
harus komplit dan menghasilkan kesamaan geometrik, kinematik dan dinamik
pada operasi scaling up. Kedua, dari beberapa hal lainnya seperti input daya per
unit volume cairan untuk menghasilkan proses tertentu. Walaupun hasilnya
kurang lengkap karena hanya menghasilkan kesamaan geometrik dan kinematik
saja;
- Sintesa suatu operasi untuk menghasilkan regime.
3. Kurva Daya
Fluida regime yang terjadi akibat rotating impeller, sehingga gaya-gaya mayor
yang terjadi dalam fluida adalah:
-Gaya inersia yang ditandai dengan Power Number
N P=P .gc
ρ .n3 . D5
-Gaya viskos yang digambarkan dalam Bilangan Reynold
NRe=n. D2 . ρ
μ
Gaya gravitasi yang dideskripsikan dengan Bilangan Froude
N Fr=D .n2
g
Dimana : gc = faktor konversi hukum newton, 32,17 ft.lb massa/dt2.lb.massa
Hubungan yang dapat disimpulkan dari ketiga gaya tersebut adalah :
N P=K .NRep . N
Fr q
Dimana : qqK = konstantaqp, q = Eksponennilai K,p dan q tergantung situasi pengadukan.
Gaya gravitasi yang digambarkan dalam bilangan Froude menjadi efektif hanya
jika aliran turbulen dan oleh karenanya jika vorteks terbentuk disekitar impeller.
Plotting logaritmik persamaan (2.15) untuk impeller tertentu diperlihatkan pada
gambar 2.8 berikut. Disini bilangan Reynold diplotkan terhadap fungsi daya:
Gambar 1.10 Karakteristik Daya Mixing Impeller
Untuk kontainer baffle tanpa vorteks:
φ=N P=P . gc
ρ .n3 . D5
Kurva ABCD menggambarkan hubungan fungsi daya dan bilangan Reynold Jika
vorteks tidak terbentuk. Dan jika vorteks terbentuk:
φ=NP
NFr q
=P . gc
ρ .n3 .D5 (D .n2
g )−q
Kurva ABE memberikan hubungan jika terjadi vorteks.
Pada bilangan reynold rendah, kedua kurva bertemu, menunjukkan eksponen q sama
dengan nol dan :
φ=N P=K . NRep
Berlaku untuk kedua kurva diatas.
Sampai pada bilangan reynold 10, kemiringan kurva daya mendekati sama dengan –1.
Substitusi nilai ini untuk p pada persamaan (2.18)
N P=P .gc
ρ . n3 . D5=K ( μ
D .2 .n . ρ )P= K
gc
. μ .n2 . D3
Jika kondisi turbulen sepenuhnya terjadi di dalam kontainer dimana vorteks
dihilangkan (dari C ke D pada kurva ABCD) nilai eksponen p adalah nol.
φ=N P=K
P= Kgc
.ρ .n3 . D5
Dalam sistem diatas, turbulensi terjadi pada bilangan reynold = 100.000.
Bagian kurva ABE yang terjadi pada daerah aliran turbulen adalah irregular.
Konsekuensinya, tidak ada persamaan yang dapat dibuat untuk input daya jika aliran
turbulen dan adanya pembentukkan vorteks. Nilai konstanta K tergantung pada
bentuk, ukuran impeller serta jumlah baffle dan variabel lainnya yang tidak termasuk
dalam persamaan daya. Berikut tabel nilai konstanta K pada beberapa jenis impeller:
Tabel 1.3 Viskos Range dan Turebulent Range Beberapa Impeller
IMPELLER VISKOS RANGE (PERS. 2.20)
TURBULENT RANGE (PERS. 2.22)
Propeller, square pitch, 3 bladePropeller, 2 pitch, 3 bladeTurbine, 6 flat bladeTurbine, 6 curved bladeTurbine, 6 arrowhead bladeFan turbine, 6 bladeFlat paddle, 2 bladeShrouded turbine, 6 curved bladeShrouded turbine, with stator (no baffle)
41.043.571.070.071.070.036.597.5172.5
0.321.006.304.804.001.651.701.081.12
Sumber: Unit Operation Of Sanitary Engineering, Rich, 1961
Kecepatan impeller adalah sebesar:
v i=2 π . r . n
Sedangkan kecepatan relatif yang terjadi akibat pergerakan impeller dan perlawanan
air (va) adalah :
v=v i−v a
Sehingga gaya yang dibutuhkan untuk pengadukan adalah sebesar:
FD=12
. ρ . CD . A . v2
Power yang dibutuhkan dalam mendesain mekanis sebagaimana disebutkan diatas
adalah sebesar:
P = FD . v
4. Scale up
Hanya sedikit informasi yang ada hubungannya dengan operasi pengadukan pada
kinerja proses. Maka konsekuensinya, identifikasi fluid regime optimum untuk
mencapai hasil proses yang diinginkan. Sehingga harus didapatkan informasi
berdasarkan percobaan laboratorium atau pilot-plant. Jika fluid regime optimum
teridentifikasi, metode scaling up untuk operasi skala kecil dapat digunakan untuk
mendesain operasi dengan ukuran yang diinginkan yang memiliki dinamika yang
sama. Dua sistem yang sama secara geometrik jika rasio dimensi dalam satu sistem
sama dengan rasio pada sistem yang lainnya kesamaan kinematik tercapai jika gerakan
fluida sama pada kedua sistem yang secara geometrik sama. Sistem-sistem akan
memiliki kesamaan dinamik jika selain sama secara geometrik dan dinamik, juga
mempunyai rasio-rasio gaya yang sama pada titik tertentu di dalam sistem. Jadi sejauh
ini scale up akan tepat tercapai hanya di dalam sistem yang secara dinamik sama.
Untuk pemakaian daya tertentu, rasio aliran massa-intensitas geser dapat divariasikan
dengan menggunakan impeller dengan ukuran berbeda dan secara geometrik sama.
Sehingga pada tingkat pilot plant, pertimbangkan dengan baik rasio diameter impeller-
tangki yang memberikan hasil proses optimum. Pengaruh ukuran impeller terhadap
laju reaksi pada dua jenis proses dapat dilihat pada grafik berikut:
Gambar 1.11 Grafik Pengaruh Ukuran Impeller terhadap Laju Reaksi pada Input Daya
yang Sama
Karena rasio aliran massa terhadap intesitas geser dapat divariasikan pada input daya
sama dengan menggunakan impeller berbeda ukuran yang secara geometrik sama,
hanya sedikit justifikasi yang diperoleh dengan berbagai variasi bentuk impeller.
Seperti telah disinggung sebelumnya, bilangan Reynold berhubungan dengan
intensitas geser yang terjadi pada fluida turbulen. Jadi, data laju reaksi yang
tergantung pada ketebalan film cairan dapat dikorelasikan dengan bilangan Reynold.
Korelasi ini didemonstrasikan oleh Ruhton. Jika impeller dirotasikan pada kecepatan
berbeda dalam kisaran aliran yang sepenuhnya turbulen (dari C ke D gambar 2.5), data
yang diperoleh akan memberikan hubungan seperti pada gambar 2.10 berikut:
Gambar 1.12 Korelasi Koefisien Laju, Sifat Fluida dan Gerakan Fluida
Bilangan Reynold diplot terhadap ψ:
Ψ =h . Dk ( cP . μ
k )−w
Dimana : h = koefisien Transfer panas (BTU)/(ft2)(jam)(oF) K= kondukrivita termal (BTU)(ft)/(ft2)(jam)(oF) cp= panas spesifik pada tekanan konstan (BTU)/(lb)(oF) w= eksponen
Dalam bentuk persamaan hubungannya adalah:
h .Dk
=K '( D2 .n . ρμ )m( cP .μ
k )w
Dimana : m = kemiringan kurva korelasi
Untuk menghasilkan nilai tertentu dari koefisien transfer h dalam sistem secara
geometris sama untuk ukuran berbeda, hubungan scale up dapat diperoleh dengan
membagi hubungan pada persamaan (2.24) yang diekspresikan dalam perbandingan
ukuran yang satu terhadap yang lain, jika fluida tidak berubah:
n2
n1
=( D1
D2)
(2 m−1 )/m)
Dimana : 1 dan 2 merujuk pada ukuran yang berbeda.
kebutuhan daya yang harus dipenuhi pada scale up ditentukan dari hubungan yang
dikembangkan dengan mengkombinasikan persamaan (2.22) dan (2.25):
P2
P1
=( D2
D2)
( 3−m ) /m
nilai m tergantung pada geometrik khas tangki serta bentuk, ukuran dan lokasi
impeller serta kelengkapan lain di dalam tangki. Plot eksponen ini terhadap rasio daya
input persatuan volume di dalam sistem yang secara geometris sama sebagai fungsi
ukuran tangki dapat dilihat pada gambar 2.8 berikut ;
Gambar 1.13 Hubungan Daya –Volume Terhadap Skala Eksponen
Terlihat dari kurva bahwa secara umum input daya persatuan volume bervariasi
dengan scale up. Selain itu, rasio bervariasi terhadap nilai m.
top related