bab ii landasan teori ii.1 mixing/pencampuran

II-1

BAB II

LANDASAN TEORI

II.1 Pengertian Mixing/Pencampuran

Mixing/pencampuran adalah suatu prosesimencampurkan satu atau lebih

bahan dengan menambahkan satu bahan ke bahan lainnya, sehinggaimembuat suatu

bentukiyang seragam dari beberapa konstituen seperti cair-cair, cair-padat, padat-

padat, ataupun cair-gas. Komponen yang jumlahnya lebih banyak disebut fasa

kontinyu sendangkan komponen yang jumlahnya lebih sedikit disebut fasa disperse

(W.L, C. Smith, & E Jasjfi, 1999). Terdapat dua jenis Mixer berdasarkan jumlah

impeller nya yaitu Mixer dengan satu impeller dan Mixer dengan dua impeller.

Mixer dengan satu impeller adalah Mixer yang biasanya digunakan untuk cairan

dengan viskositas rendah. Sedangkan untuk Mixer dengan dua impeller umumnya

digunakan pada cairan dengan viskositas tinggi. Hal ini karena satu impeller tidak

mampu mensirkulasikan keseluruhan massa dari bahan pencampur (emulsi), selain

itu ketinggian emulsi bervariasi dari waktu ke waktu (Suryani, Illah, & Erliza, 2002)

Pencampuranidapat terjadi dengan caraimenimbulkan gerak di dalamibahan

yang menyebabkanibagian-bagian bahan saling bergerakisatu terhadapilainnya.

Pencampuranifasa cair merupakani hal yang cukupipenting dalam berbagai proses

kimia. Pencampuran fasa cair dapatidibagi dalam duaikelompok. Pertama,

pencampuran antara cairan yang saling tercampur (miscible), dan kedua adalah

pencampuran antara cairan yang tidak tercampur atau tercampur sebagian

(immiscible). Selain pencampuran fasaicair dikenal pula operasiipencampuranifasa

cair yang pekatiseperti lelehan, pasta, dan sebagainya sedangkan untuk

pencampuranifasa padat seperti bubuk kering, pencampuranifasa gas, dan

pencampuraniantar fasa.

II.1.1 Proses Mixing/Pencampuran

Proses pencampuran dalam fasa cair dilandasiioleh mekanisme perpindahan

momentum di dalam aliran turbulen. Aliran turbulen yaitu, pencampuraniterjadi

pada 3 skalaiyang berbeda diantaranya:

II-2

1. Pencampuranisebagai akibat aliranicairan secara keseluruhan (bulk flow) yang

disebut mekanisme konvektif;

2. Pencampuran karena adanyaigumpalan-gumpalan fluida yang terbentuk

didalam medan aliran yang dikenal sebagai eddies, sehinggaimekanisme

pencampurani ini disebut eddy diffusion;

3. Pencampuranikarena gerak molekular yang merupakan mekanisme

pencampuran difusi.

Ketiga mekanismeiterjadi secaraibersama-sama, tetapi yang paling

menentukaniadalah eddy diffusion. Mekanisme ini membedakan pencampuran

dalam keadaan turbulen dari pada pencampuran dalam medan aliran laminar. Sifat

fisikifluida yang berpengaruhipada proses pencampuran adalah densitas dan

viskositas.

Pencampuran merupakanioperasi yang penting dalamiindustri kimia ataupun

industri farmasi. Pencampuranimerupakan proses yang dilakukaniuntuk

mengurangiiketidakseragaman 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 derajatihomogenitas yang idapat dicapai, tapi juga

mempengaruhi perpindahan panas yang terjadi. Penggunaan peralatan yang tidak

tepat dapat menyebabkanikonsumsi energi berlebihan dan merusak produk yang

dihasilkan.

Proses pencampuran di dalam suatu tangki dapat terlaksana dengan baik

apabila faktor-faktor yang menentukan dari suatu proses pencampuran dipilih

dengan benar. Sehingga ada banyak faktor yang menentukan suatu performa dari

suatu pengaduk yang digunakan di dalam tangki, yaitu seperti banyaknya bilah

yang digunakan disuatu pengaduk, derajat kemiringan dari suatu bilah, putaran

pengaduk, jenis pengaduk yang digunakan, serta fluida yang diaduk, oleh karena

itu untuk menjaga performa dari suatu pengaduk maka kita harus memilih suatu

jenis pengaduk yang sesuai dengan fluida yang akan digunakan, karena jika salah

menggunakan suatu jenis pengaduk maka hal ini mempengaruhi dari hasil

pencampuran yang telah dilakukan, yaitu kemungkinan suatu proses pencampuran

II-3

akan menjadi lebih lama maupun hasil dari proses pencampuran menjadi kurang

baik, sehingga pada akhirnya akan berujung pada kurangnya efisien dari pengaduk

itu sendiri.

Prinsipipencampuran bahan banyak iditurunkan dari prinsip mekanika fluida

dan perpindahan bahan, karenai pencampuran bahan akan adaibila terjadi gerakan

atau perpindahan bahan yang akan dicampuribaik secara horizontal ataupun

vertikal. Gambar 2.1 merupakan aliran yang terjadi dalam bahan.

Gambar 2. 1 Aliran Yang Terjadi Dalam Bahan

(Unit Operations in Chemical Engineering, Mc Cabe, 1993)

Kebutuhan tenaga yang diperlukan untukimencampur suatu jumlah tertentu

bahan (cairan) tergantung pada viskositas cairan tersebut. Selain itu kecepatan

Mixer juga berbeda-beda sesuai dengan kebutuhan bahan-bahan tersebut. Mixer

dengan kecepatan rendah biasanya digunakan untukicairan dengan viskositas tinggi

dimanaicampurannya pekat, licin dan sebagainya. Kecepatan tinggi biasanya

berkisar antara 1400-1800 rpm sedangakanikecepatan sedang biasanya adalah 1500

rpm dan kecepatanirendah berkisar antara 100-500 rpm.

II.2 Komponen Pada Mixer

Di dalamiMixer terdapat beberapa komponen utama yang memiliki

karakteristik dan fungsi yang berbeda. Komponen-komponen tersebut adalah

Pengaduk (Implller), Tangki Pengaduk (Bowl) dan Motor Penggerak.

II.2.1 Komponen Pengaduk (Impeller)

Sumber energi utama di dalam Mixer adalah daya yang terbuang oleh putaran

impeller, menghasilkan sirkulasi cair dan turbulensi sehingga menahan semua

II-4

partikel pada dasar tangki (Kasat dan Pandit, 2005). Pemilihan impeller yang sesuai

untuk memenuhi persyaratan suspensi sangatlah penting. Impeler yang berbeda

menghasilkan pola aliran cairan yang berbeda yang menyebabkan hidrodinamika

yang berbeda sehingga mempengaruhi efisiensi energi pada impeller.

Berbagai macam impeller konvensional tersedia di pasaran untuk

pengoperasian suspensi padatan. Tapi impeller yang paling sering digunakan adalah

turbin Rushton (aliran radial), angle blade impeller, propeller, Lightnin A310

impeller (aliran aksial), dan upward and downward pumping, pithced blade

turbines (aliran campuran). Masing-masing impeller ini menghasilkan pola aliran

yang khas dan mempengaruhi kecepatan impeller minimum yang diperlukan untuk

suspensi aliran off-botom saja. Studi ekstensif telah dilakukan untuk menentukan

desain impeller yang sesuai yang akan membantu meminimalkan daya masukan

impeller pada sistem campuran padat-cair. Impeller aliran aksial atau impeller

aliran campuran telah terbukti lebih hemat energi dibandingkan dengan impeller

aliran radial yang berada dalam kondisi under baffled, terutama pada sistem

campuran yang tidak beraturan (Zwietering, 1958).

Turbin Rushton umumnya dikenal sebagai impeller hemat energi paling

rendah dalam sistem pencampuran baffled padat-cair. Daya yang ditarik oleh turbin

Rushton terutama terdisipasi dalam turbulensi di sekitar impeller dan bukan di dasar

tangki. Salah satu sirkulasi aliran cairan dihasilkan oleh impeller yang bergerak di

bawah impeller, sampai ke dasar tangki, dan mengalir ke bagian tengah tangki

ketika partikel cenderung menurun. Efisiensi pencampuran yang buruk untuk

impeller aliran radial dikaitkan dengan ketersediaan sebagian energi yang dikirim

oleh sirkulasi yang berulang-ulang menjadi suspensi zat cair dan hilangnya energi

selama aliran cairan di dekat dinding tangki, permukaan cairan, baffle, dan di sudut-

sudut dasar tangki (Raghava Rao dkk, 1988).

Beberapa penelitian telah dilakukan untuk mengetahui pengaruh jenis

impeller terhadap konsumsi daya pada konsentrasi padatan yang tinggi. Impeller

aliran radial sedikit lebih hemat energi dari pada impeller aliran aksial untuk

mensuspensi padatan pada kondisi off-bottom saja pada kondisi unbaffled (Wang et

al, 2012). Selain itu, mereka menemukan bahwa akan lebih hemat energi jika

menggunakan impeller aliran aksial dibandingkan dengan impeller aliran radial

II-5

dalam kondisi unbaffled. Namun, impeller aliran radial lebih unggul dibandingkan

dengan impeller aliran aksial dalam suspensi padatan dalam kondisi unbaffled pada

konsentrasi padatan yang sangat tinggi (Cv = 0,49 (v / v)) (Wu et al, 2002).

Pengaduk dalam tangkiimemiliki fungsi sebagai pompa yang menghasilkan

laju volumetrik tertentu pada tiap kecepatan putaran dan input daya. Input daya

dipengaruhi oleh geometri peralatan danifluida yang digunakan. Profil aliran dan

derajat turbulensi merupakan aspek penting yang mempengaruhiikualitas

pencampuran. Rancangan pengaduk sangat dipengaruhi oleh jenis aliran seperti

laminar ataupun 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, 1998)

Menurut aliran yang dihasilkan, pengaduk dapat dibagi menjadi tiga

golongan:

1. Pengaduk aliran aksial yangiakan menimbulkan aliran yang sejajar dengan

sumbu putaran;

2. Pengaduk aliraniradial yang akan menimbulkan aliran yang berarah tangensial

dan radial terhadap bidang rotasi pengaduk. Komponenialiran tangensial

menyebabkan timbulnya vortex dan terjadinya pusaran;

3. Pengaduk aliran campuran yangimerupakan gabungan dari kedua jenis

pengaduk di atas. Menurut bentuknya, pengaduk dapat dibagi menjadi 3

golongan yaitu Propeller, Turbine dan Paddles.

Gerakanipencampuran pada Mixer baik secara horizontal maupun secara

vertikal tersebut dapat bervariasi bergantung dari jenis pengaduk yang digunakan,

sehingga hasil yang didapat akan bervariasiipula. Peralatan pencampur dengan

menggunakan satu pengaduk biasanya digunakan untuk mengaduk bahan dengan

viskositas rendah, sedangkan peralatan pengaduk dengan lebih dari satu impeller

digunakan untukimengaduk bahan dengan viskositas tinggi. Terdapat 3 jenis tipe

pengaduk yaitu pengaduk baling-baling (propeller), pengaduk dayung (paddle)

pengaduk turbin (turbin) dan pengaduk helicaliribbon.

1. Pengaduk Jenis Baling-Baling (Propeller)

Kelompok ini biasa digunakan untuk kecepatan pencampuran tinggi dengan

arah aliran aksial. Pengaduk ini dapat digunakan untuk cairan yang memiliki

II-6

viskositas rendah dan tidak bergantung pada ukuran serta bentuk tangki. Kapasitas

sirkulasi yang dihasilkan besar dan sensitif terhadap beban head. Perancangan

propeller, luas sudu biasaidinyatakan dalam perbandingan iluas area yang terbentuk

dengan luas daerah disk. Nilaiiberada pada rentang 0.45 sampai dengan 0.55.

Gambar 2.2 merupakan jenis pengaduk propeller yang biasa digunakan, yaitu:

a) Marine propeller;

b) Hydrofoil propeller;

c) High flow propeller.

Gambar 2. 2 Jenis Pengaduk Propeller

(Mechanical Design of Mixing Equipment, 2004)

Baling-baling iniidigunakan pada kecepatan berkisar antara 400 hingga 1750

rpm (revolutions per minute) dan digunakan untukicairan dengan viskositas rendah.

Pengaduk propeller terutama menimbulkan aliran arah aksial, arus aliran

meninggalkan pengaduk secaraikontinyu melewati fluida ke satu arah tertentu

sampaiidibelokkan oleh dinding atau dasaritangki. Berikut ini adalah kelebihan dan

kekurangan pengaduk jenis Marine Propeller (Ludwig E. E., 1995).

Kelebihan pengaduk Marine Propeller

1. Dapat beroperasi dengan kecepatan 400-17500 Rpm;

2. Arah pengaduknya aksial sejajar dengan poros dan pola aliran biasanya

kebawah;

3. Dapat membersihkan diri secara otomatis dengan kata lain kotoran

terbawa oleh aliran dan tidak mengendap di sela-sela blade;

4. Masa umur pakai blade panjang dan tidak mudah korosif;

5. Dapat dapat beroperasi pada kekentalan (viskositas) yaitu antara (0-30

cP).

II-7

6. Harga Marine Propeller : sedang.

7. Efisiensi tinggi.

Kekurangan pengaduk Marine Propeller

1. Tidak efektif pada viskositas tinggi atau cairan kental.

2. Pengaduk Jenis Dayung (Paddle)

Pengaduk jenis ini seringimemegang peranan penting pada proses

pencampuran dalam industri. Bentuk pengaduk ini memilikiiminimum 2 sudu,

horizontal atauivertikal, dengan nilai D/T yang tinggi. Paddle digunakan pada

aliran fluida laminar, transisi atau turbulen tanpa baffle. Pengaduk padlle

menimbulkan aliran arah radial dan tangensial dan hampir tanpa gerak vertikal

sama sekali. Arus yang bergerak ke arah horizontal setelah mencapaiidinding akan

dibelokkan ke atas atau ke bawah. Bila digunakan pada kecepatan tinggi akan

terjadi pusaran saja tanpa terjadi agitasi.

Berbagai jenis pengadukidayung biasanya digunakan pada kecepatan rendah

diantaranya 20 hingga 200 rpm. Paddle datar berdaunidua atau empatibiasa

digunakanidalam sebuah proses pencampuran. Panjang total dari pencampuran

jenis Paddle biasanya 60 - 80% dari diameter tangki danilebar dari daunnya 1/6 -

1/10 dariipanjangnya. Gambar 2.3 merupakan jenis pengaduk dayung (paddle)

yang biasa digunakan, yaitu :

a) Paddle anchori

b) Paddle flat beam – basici

c) Paddle double – motioni

d) Paddle gateii

e) Paddle iglassed steel (used in glass-lined vessels)

f) Paddlei finger

g) Paddleihelix

h) Multiipaddle

II-8

Gambar 2. 3 PengadukiJenis Dayung (Paddle)


Pengaduki dayung imenjadi tidak efektifiuntuk suspensi padatan, karena

aliran radial bisa terbentukinamun aliran aksial dan vertikal menjadi kecil. Jenis ini

menyapu dan mengeruk dinding tangkiidan kadang-kadangibagian bawah tangki.

Jenis ini digunakanipada cairan kental dimana endapan pada dinding dapat

terbentuk dan juga digunakan untukimeningkatkan transfer panas dari dan ke

dinding tangki. Bagaimanapun jenis iniiadalah pencampuran yang buruk. Pengaduk

dayung seringidigunakan untuk proses pembuatan kanji, cat, bahaniperekat dan

kosmetik.

3. Pengaduk Jenis Turbin (Turbine)

Istilah turbin ini diberikanibagi berbagai macam jenis pengaduk tanpa

memandangirancangan, arah discharge ataupun karakteristik aliran. Pengaduk jenis

turbin merupakanipengaduk dengan sudut tegak datar dan bersudut konstan.

Pengaduk jenis ini digunakan pada viskositas fluidairendahiseperti halnya

pengaduk jenis propeller (Uhl & Gray, 1966). Pengaduk turbin menimbulkan aliran

arah aksial dan tengensial. Di sekitar turbin terjadi daerahiturbulensi yang kuat, arus

dan geseran yang kuat antari fluida. Salah satu jenis pengaduk turbin adalah Pitched

Blade. Pengaduk jenis ini memiliki sudut suduikonstan. Aliran terjadi pada arah

II-9

aksial, meski demikianiterdapat pula aliran pada arah radial. Aliran ini akan

mendominasi jika sudu berada dekat dengan dasar tangki.

Pengadukiturbin adalah pengaduk dayung yang memiliki banyak daun

pengaduk dan berukuran lebih pendek, digunakan pada kecepatan tinggi untuk

cairan dengan rentang kekentalan yang sangat luas. Diameter dari sebuah turbin

biasanya antara 30 - 50% dari diameteri tangki. Turbin biasanya memiliki empat

atau enam daun pengaduk.

Turbinidengan daun yang idatar memberikani aliran yang radial. Jenis ini juga

berguna untukidispersi gas yang baik, gas akan dialirkan dari bagian bawah

pengaduk dan akan menuju ke bagian daunipengaduk lalu tepotong-potong menjadi

gelembung gas. Gambar 2.4 merupakan jenisipengaduk turbin (turbine) yang biasa

digunakan, yaitu :

a) Turbine disc flat bladei

b) Turbine hub mounted curved bladei

c) Turbine disc mounted curved bladei

d) Turbine pitched bladei

e) Turbine bari

f) Turbineishrouded

Gambar 2. 4 Pengaduk Jenis Turbin (Turbine)

(Chemical Procces Equipment, 1998)

II-10

Jenis turbinidengan daun yang dibuatimiring sebesar 450, beberapa aliran

aksial akan terbentuk sehingga sebuah kombinasi dari aliran aksial dan radial akan

terbentuk. Jenis ini berguna dalam suspensi padatan kerena aliran langsung ke

bawah dan akan menyapu padatan ke atas. Terkadang sebuah turbin dengan hanya

empat blade miring digunakan dalam suspensi padat dan cairan.iPengaduk dengan

aliran aksial menghasilkan pergerakanifluida yang lebih besar danipencampuran

per satuan daya dan sangatiberguna dalam suspensiipadatan. Berikut ini adalah

kelebihan dan kekurangan pengaduk jenis Pitch Blade Turbine (Ludwig E. E.,

1995).

Kelebihan Pengaduk Jenis Pitch Blade Turbine

1. Tidak mudah mengalami kerusakanidan tidak membutuhkan

perawatan khusus di dalam pengoprasiannya, kal ini dikarenakan

bentuknya yang sederhana;

2. Dapat digunakan untuk arah aliran aksial dan radial (sesuai dengan

bentuk bejana);

3. Dapat digunakan dalam beberapa tingkatan kekentalan (viskositas)

material yang berbeda, yaitu antara (0-100 cP);

4. Digunakan untuk tingkat geser dan turbulensi yang cukup tinggi

terutama turbulensi didekat blade.

5. Dapat beroperasi dengan kecepatan tinggi yaitu 500-1700 Rpm;

6. Dapat digunakan pada suspensi padatan dan cairan;

7. Harga Pitch Blade Turbine: sedang;

8. Efisiensi tinggi.

4. Pengaduk Helical-Ribbon

Jenisipengaduk ini digunakan pada larutanipada kekentalan yang tinggi dan

beroperasi pada rpm yangirendah pada bagian laminar. Ribbon (bentuk seperti pita)

dibentuk dalam sebuah bagian helical (bentuknya sepertiibaling-baling helikopter

daniditempelkan ke pusat sumbu pengaduk). Cairanibergerak dalam sebuah bagian

aliraniberliku-liku pada bagian bawah dan naik keibagian atas pengaduk. Gambar

2.5 merupakan jenis pengaduk dayung (paddle) yang biasa digunakan, yaitu :

a) Ribbon impeller

b) Double Ribbon impelleri

II-11

c) Helical screw impelleri

d) Sigma impelleri

e) Z-bladesi

f) M-8 Impeller

Gambar 2. 5 Pengaduk Jenis Helical-Ribbon


II.2.2 Komponen Tangki Pengaduk (Bowl)

Tangki pengaduk adalah tangki tertutup yang berbentuk silinder. Umumnya

pada alas atau bagian bawah tangki berbentuk cekung sedangkan pada bagian

tutupnya berbentuk cembung, hal tersebut berfungsi untuk memudahkan saat

pembersihan kerak atau kotoran yang mengendap pada tangki. Tangki pengaduk

biasanya digunakaniuntuk reaksi-reaksi kimia pada tekanan diatas atmosfer dan

pada tekanan vakum, namun tangkiipengaduk sering digunakan untuk proses yang

II-12

lain misalnya untuk proses pencampuran, pelarutan, penguapan ekstraksi ataupun

kristalisasi.

Hal yang pentingidari tangki pengaduk dalam penggunaannya antara lain:

1. Bentuk: pada umumnyaidigunakan bentuk silindrisidan bagian bawahnya

cekung.

2. Ukuran: yaitu diameter dan tinggi tangkii

3. Kelengkapannyai:

a. Ada tidaknya baffle, yang berpengaruh pada pola aliran di dalam tangki.

Gambar 2.6 adalah contoh pengaduk memakai baffle.

Gambar 2. 6 Pengaduk Memakai Baffle

(Chemical Process Equipment, Walas, 1988)

b. Jacket atau coil pendingin/pemanas yangiberfungsi sebagai pengendali

suhu.

c. Letak lubang pemasukan dan pengeluaran untuk proses kontinyu.

d. Kelengkapanilainnya seperti tutup tangki, dan sebagainya.

II.2.3 Komponen Motor Penggerak

Motor adalah bagian penting dari proses Mixing, karena motor berfungsi

sebahai unit penggerak impeller yang akan mengaduk bahan-bahan formulasi

hingga bahan tercampur sampai homogen. Gambar 2.7 adalah penempatan motor

pada Mixer.

II-13

Gambar 2. 7 Penempatan Motor Pada Mixer

(Unit Operation Of Chemical Engineering, Mc Cabe, 1993)

II.3 Pengehematan Energi Pada Mesin Mixer

Penghematan energiiatau konservasiienergi adalah tindakanimengurangi

jumlah penggunaan energi. Penghematanienergi dapat dicapaiidengan penggunaan

energi secara efisienidimanaimanfaat yang sama diperoleh denganimenggunakan

energi yang lebih sedikit, ataupunidengan mengurangi konsumsiidan kegiatan yang

menggunakan energi. Penghematanienergi dapat menyebabkaniberkurangnya

biaya, serta meningkatnyainilai lingkungan, keamananinegara, keamanan pribadi,

serta kenyamanan. Organisasi-organisasiiserta perseorangan dapatimenghemat

biaya dengan melakukanipenghematan energi, sedangkan pengguna komersial dan

industri dapat meningkatkan efisiensi dan keuntunganidengan melakukan

penghematanienergi. (Jupri et al., n.d.) Menurut Gokhale et al., dalam Mehta,

Rekhi, & Parikh, 2005 beberapa penghematan proses pencampuran dapat dilakukan

dengan cara :

1. Merubah Proses Variabel seperti jumlah masa bahan baku bowl dan

kecepatan impeller;

2. Mengubah desain tangki seperti mengubah posisi impeller dari horizontal

ke vertikal atau mengubah jenis impeller;

3. Mengubah formula obat;

II-14

4. Scale-up proses;

5. Menyesuaikan jenis motor pengaduk terhadap beban atau memasang

teknologi VSD (Variable Speed Drive) pada motor.

II.4 Pedoman Cara Pembuatan Obat Yang Baik (CPOB) Pada Mesin Mixer

Peralatan untukipembuatan obat hendaklahimemiliki desain dan konstruksi

yang tepat, ukuran yangimemadai serta ditempatkan dan dikualifikasiidengan tepat,

agar mutu obat terjaminisesuai desain sertaiseragam dari bets ke betsidan untuk

memudahkan pembersihan serta perawatan. (Pedoman Cara Pembuatan Obat Yang

Baik, 2006). Desain dan konstruksi peralatan Mixer ihendaklah memenuhi

persyaratan sebagai berikut :

1. Peralatanihendaklah didesain danidikonstruksikan sesuai dengan tujuannya;

2. Permukaan peralatan yang bersentuhanidengan bahan awal, produk antara

atau produk jadi tidak bolehimenimbulkan reaksi, adisi atau absorbsi yang

dapatimemengaruhi identitas, mutu atau kemurnian di luar batas yang

ditentukan;

3. Bahan yangidiperlukan untuk pengoperasianialat khusus, misalnya pelumas

atau pendingin tidak boleh bersentuhanidengan bahan yang sedangidiolah

sehingga tidak memengaruhi identitas, mutu atau kemurnian bahan awal,

produk antara ataupun produk jadi;

4. Peralatan tidakiboleh merusak produk akibatikatup bocor, tetesan pelumas

dan hal sejenis atau karenaiperbaikan, perawatan, modifikasi dan adaptasi

yangitidak tepat;

5. Peralatan hendaklah didesain sedemikian rupa agar mudah dibersihkan.

Peralatanitersebut hendaklah dibersihkan sesuai proseduritertulis

yangirinci.

II.5 Tahapan Perancangan Mixer

Tahapan perancangan mesin Mixer ini referensi yang digunakan adalah buku

“Process Equipment Design” dan “Chemichal Engineering Design ” dimana pada

buku tersebut menjelaskan dibutuhkan asumsi untuk memilih bahan kontruksi

Mixer, volume Mixer, dimensi Mixer, menentukan tebal shell, tebal head dan tinggi

head, menetukan dimensi pengaduk, menentukan jumlah pengaduk, menentukan

II-15

putaran pengaduk, menentukan jumlah pengaduk, menentukan jenis pengaduk dan

menetukan power pengaduk. Perancangan Mixer Liquid ini memiliki syaratidalam

penentuan nilai-nilai tersebut yaitu berdasarkan pressure tank dan H/D. Ketentuan

untuk pressure tank yang harus digunakan adalah 400 psi sedangkan H/D adalah

1,4 (Dickey, 1984 Hal. 288). Jikaiketentuan tersebut belum tercapai maka

penentuan dimensi harus diulang kembali sampai ketentuan tersebut tercapai.

Adapaun langkah-langkahidalam perancangan mesin Mixer ini dapat dilihat

sebagai berikut.

II.5.1 Menentukan Bahan Kontruksi Mixer

Langkah pertama yang perlu dilakukan dalam perhitungan perancangan ini

adalah menentukan bahan kontruksi pada mesin Mixer. Dalam menentukan bahan

yang akan digunakan perlu dipilih bahan kontruksi yang sesuai dengan kondisi

proses yang akan dicampur. Tiper Mixer dapat dilihat pada lampiran B.14 (Ulrich,

1982).

II.5.2 Menghitung Kapasitas/Volume Desain Tangki

Kapasitas/volume desianitangki meliputiijumlah volume pelarut danivolume

terlarut ditambahidengan faktoridesain, sehingga untuk menghitung volume desain

tangki dapat menggunakan persamaan sebagai berikut :

Vumpan = ΣVFluida Pelarut + ΣVFluida Terlarut (2.1)

Turunan rumus :

Volume komponen V1 menggunakan persamaan berikut :

V1 = 𝑚1

𝜌1 (2.2)

Fraksi volume 𝜑1 menggunakan persamaan berikut :

𝝋𝟏 = 𝑣1

ΣV1 (2.3)

Massa jenis campuran 𝜌𝑚𝑖𝑥 menggunakan persamaan berikut :

𝝆𝒎𝒊𝒙 = Σ𝜑1𝜌𝑚𝑖𝑥 (2.4)

Kemudian setelah didapat volume umpan maka selanjutnya mencari Volume

desain tangki, dengan rumus yang digunakan sebagi berikut :

VDesain = VUmpan ( 1 + FD) (2.5)

II-16

Keterangan :

V = Volume komponen (m3)

𝜑1 = Fraksi volume

𝜌 = Densitas (kg/m3)

m = Massa (kg)

FD = Faktor Desain

II.5.3 Menentukan Tekanan Desain Tangki (PDesain)

Untuk menentukan tekanan desain tangki dapat menggunakan persamaan

sebagai berikut :

Tekanan Hidrostatik PH = ρgHL (2.6)

Tekanan Sistem PSistem = PH + POperasi (2.7)

SafetyiFactor SF = 10% (2.8)

TekananiDesain PDesain = 1,1 PSistem (2.9)

Keterangan :

ρ : density campuran (kg/m3)

g : gravitasi (m/s2)

HL : tinggi cairan dalam tangki (m)

II.5.4 Menghitung tebal Shell, Tebal Head dan Tinggi Head

1. Tebal Shell

Untuk menghitung tebal shell pada tank dapat menggunakan persamaan

sebagai berikut :

𝒕 =𝑃𝐷𝑒𝑠𝑎𝑖𝑛 .𝑟𝑖

(𝑓𝐸−0,6𝑃𝐷𝑒𝑠𝑎𝑖𝑛)+ 𝑐 (2.10)

c = 2 k t

Keterangan :

p = Tekanan perancangan (psi)

ri = jari-jariidalam tangki (in)

E = Efisiensiipengelasan

f = Maximum allowable stress (psi)

t = life time

C = corrosion allowance

II-17

Untuk nilai f dan E didapatkan dari tabel yang tertera pada lampiran B.2 dan

B.6 (Appendix D brownell & young).

2. Tebal Head

Untuk menghitung tebal head pada tank dapat menggunakan persamaan

sebagai berikut :

t =0,885 𝑃𝑑𝑒𝑠𝑎𝑖𝑛 𝑟

(2𝑓𝐸−0,2𝑝)+ 𝑐 (2.11)

Keterangan :

p = Tekanan perancangan (psi)

E = Efisiensi pengelasan

t = Tebal head (in)

f = Maximum allowable stress (psi)

C = corrosion allowance

Untuk nilai f dan E didapatkan dari tabel yang tertera pada lampiran B.2 dan

B.6 (Appendix D brownell & young). Sedangkan untuk nilai W menggunakan

persamaan :

W=1

4(3 + √𝑟𝑐 − 𝑟𝑖) (2.12)

3. Tinggi head

Untuk menghitung tinggi head dengan tipe menggunakan jenis Torisperical

Dishead dengan standar straightiflange (Sf) disesuai pada tebal dan diameteritangki

yangidigunakan dan menggunakan persamaan sebagai berikut :

𝑯𝒉𝒆𝒂𝒅 = 𝑡ℎ𝑒𝑎𝑑 + 𝐼𝑐𝑟 + 𝑆𝑓 (2.13)

Keterangan :

sf = Untuk mencari nilai standard straight flange (sf) berdasarkan tabel pada

lampiran B.5.

Untuk bentuk design head pada tank dapat dilihat pada gambar 2.8 adalah

menghitung dimensi tinggi head :

II-18

Gambar 2. 8 Menghitung Dimensi Head

II.5.5 Menghitung Dimensi Pengaduk

Sebelum menentukan dimensi pengaduk, terlebih dahulu mengetahui jenis

impeller yang akan digunakan dengan viskositas tertentu maka impeller dapat

ditentukan sesuai dengan kondisi bahan pencampur yang akan digunakan. Sesuai

dengan tabel 2.1 adalah jenis impeller dengan viskositas tertentu.

Tabel 2. 1 Jenis Impeller Dengan Viskositas Tertentu

Untuk menghitung dimensi pengaduk dapat menggunakan persamaan sebagai

berikut :

II-19

Diameter impeller (Di) = 1/2 Dt (2.14)

Lebar Blade (Wi) = 0,1 Di (2.15)

Tinggi Cairan Maximum (ZL) = 1,4 Dt (2.16)

Tinggi Impeller (Zi) = 0,75 Di – 1.3 Di (2.17)

Jumlah Implller (H/D) = 1,4 (2.18)

Kecepatan Putaran (N) = 𝑛

𝜋𝑥𝐷𝑖𝑥√

𝑍𝐿

2𝑥𝐷𝑖 (2.19)

Keterangan :

Dt = diameter dalam mixer (m)

Di = diameteripengaduk (m)

Zi = jarakipengadukidari dasar mixer (m)

ZL = tinggi cairan dalan tangki (m)

w = lebar baffle (m)

L = panjang blade (m)

N = Putaran impeller perancangan (rpm)

n = Putaran impeller existing (rpm)

H/D = Jumlah Impeller (Tabel B.10 Rasio Kriteria H/D)

II.5.6 Menentukan Daya Motor

Untuk menghitung daya motor dapat menggunakan persamaan sebagai

berikut :

Reynolds Number NRe = 𝜌𝑁𝐷𝑖2

𝜇 (2.20)

Daya Pengaduk P = (KTNDi3ρ)/g (2.21)

Daya Motor PM = eff x P (2.22)

Keterangan :

ρ : Massaijenisilarutan (kg/m3)

N : Putaranipengaduk (rps)

Di : Diameteriimpeller (m)

𝜇 : Viskositasilarutan (Ns/m2)

eff : efisiensi motor (%)

II-20

II.6 Computational Fluid Dynamics (CFD)

CFD adalahimetode penghitungan, memprediksi, danipendekatan aliran

fluida secarainumerik denganibantuan komputer. Aliran fluida dalam kehidupan

nyata memiliki banyak sekali jenis dan karakteristikitertentu yang begituikompleks,

CFD melakukanipendekatan denganimetode numerasiiserta menggunakan

persamaan-persamaan fluida. CFD merupakan metode penghitungan dengan

sebuahikontrol dimensi, luas dan volumeidengan memanfaatkan bantuan

komputasi komputeriuntuk melakukan perhitungan pada tiap-tiap elemen

pembaginya. Prinsipnyaiadalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan

penghitungan dibagi-bagi menjadi beberapa bagian, hal ini sering disebut dengan

sel dan prosesnya dinamakan meshing. Bagian-bagianiyang terbagi tersebut

merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau

software.

II.6.1 Metode CFD Menggunakan Perangkat Lunak ANSYS Workbench

CFD memungkinkanipenyelesaianipersamaan pembentuk aliran dengan

menggunakan suatuiperhitungan numerik yang disebutidengan metode volume

hingga (finite volume methods). Untukimemudahkan perhitungan numerik, telah

tersedia banyak perangkatilunak computer. Salah satuiperangkat lunak yang

terkenal dalam perhitungan dan simulasi CFD adalah FLUENT.

FLUENT adalah programikomputer yang dikembangkan oleh ANSYS Inc.

untuk memodelkanialiran fluida daniperpindahan panas dalamigeometri yang

kompleks. FLUENT merupakan salahisatu jenis program CFD (Computational

Fluid Dynamics) yang menggunakanimetode diskritisasi volume hingga. FLUENT

memiliki fleksibilitas mesh, sehingga kasus-kasus aliranifluida yang memiliki mesh

tidak terstrukturiakibat geometriibenda yang rumit dapat diselesikan dengan

mudah. Selain itu, FLUENT memungkinkan untukipenggenerasian mesh lebih

halus atau lebih besar dari mesh yang sudah ada berdasarkan pemilihan solusi

aliran. Fluent menggunakaniteknik controlivolume untuk mengubahipersamaan

pembentukialiran menjadiipersamaan algebra sehingga dapat diselesaikan secara

numerik. Teknik control volume ini mengandung pengintegralanisetiap persamaan

pembentuk aliran pada tiap-tiap control volume, menghasislkan persamaan-

persamaan diskrit yangimengkonservasikan tiap jumlah yang ada pada control

II-21

volume. Secarailengkap langkah-langkah FLUENT dalamimenyelesaikan suatu

simulasi adalah sebagai berikut :

1. membuatigeometri seluruh part menggunakan software bantuan seperti

Solidwork.

2. mengimport file assembly dari SolidWork dengan format IGES dengan aplikasi

Ansys Workbench

3. proses Meshing menggunakan Ansys Workbench.

4. melakukan setup pada penentuan arah aliran fluida.

5. mengatur sifat material yang digunakan pada dan menentukan kondisi batas

pada Solution.

6. memilihipersamaan dasar yang akan dipakai dalam analisa menggunakan

Result.

7. melakukan perhitungan/iterasi.

8. menyimpan hasil iterasi beserta gambar simulasi. Secara keseluruhan dapat

disimpulkan seperti gambar 2.9 adalah skematik metode analisis CFD

menggunakan ANSYS.

Gambar 2. 9 Skematik Metode Analisis CFD Menggunakan ANSYS

(Ansys Inc. Ansys Fluent Documentation)

II-22

FLUENTimenggunakan suatu teknikiberbasis volume kendaliiuntuk

mengubahibentuk persamaaniumum (governing equation) ke bentukipersamaan

aljabar (algebraic equation) agaridapat dipecahkan secara numerik. Teknik kontrol

volume ini intinya adalah pengintegralan persamaanidiferensial umum untuk setiap

volumeikendali, sehingga menghasilkan suatu persamaanidiskrit yangimenetapkan

setiapibesaran pada suatuibasis volume kendali.

II.7 Analisa Peluang penghematan Energi

Metode untuk analisis peluang penghematan energi terdapat beberapa cara

untuk mengefisienkan dan menghemat energi pada proses Mixing. Berdasarkan

studi literatur yang mengacu pada buku “Chemical Enggineering Communications”

terdapat beberapa cara untuk mengurangi penggunaan energi yaitu :

1. pengubahan jenis impeller yang digunakan pada proses Mixing;

Sehingga untuk mengetahui besarnya konsumsi energi yang digunakan dalam

1 kali proses, maka perlu dilakukan terlebih dahulu analisis perhitungan

Kesetimbangan Energi dan Intensitas Konsumsi Energi Spesisifik guna untuk

mengetahui berapa masaa input yang masuk, energi yang digunakan dan massa

produk yang dihasilkan.

II.7.1 Intensitas Energi

Intensitasienergi merupakan perbandinganiantara input energi dan output

yang dihasilkan. Intensitasienergi merupakan salah satuiindikator kinerjaienergi

(SKKNI, 2015).

II.7.2 Kesetimbangan Energi

Neraca Massa Dan Energi adalah kesetimbangan massa atau zat dan

kesetimbangan energi atau kalor yang masuk dengan yang keluar sistem atau

kesetimbangan beban luar dengan beban di dalam. NME pada proses mixing dapat

dihitung dengan persamaan sebagai berikut :

(Energi Input + Energi Listrik) = (Energi Proses + Energi Keluar) (2.23)

Energi Input = ṁ cp ΔT x Waktu Operasi (2.24)

Energi Listrik = √3 𝑥VL-L x IL-L Cos θ x Waktu Operasi (2.25)

II-23

Keterangan : ṁ = Laju alir massa (kg/s)

cp = Kapasitas Panas (kJ/kg°C)

T = Temperatur (°C)

V = Tegangan (Volt)

I = Arus (Ampere)

Cos θ = Cos Phi

II.7.3 Kapasitas Panas

Kapasitas panas adalah energi panas yang diperlukan untuk menaikan

suhu sejumlah zat sebesar 1°C,°F,°K, karena energi bisa dipindahkan dengan cara

perpindahan panas dalam proses tertentu.

Satuan Kapasitas panas (Cp):

Kal/gr°C, Btu/lb°F,J/Gk

Konversi 1Btu

𝑙𝑏℉=

4,184 𝐽

𝑔𝐾=

1𝑘𝑎𝑙

9℃= 4.14

𝑘𝐽

𝑘𝑔

II.7.4 Intensitas Konsumsi Energi Spesifik (IKES)

Intensitas Konsumsi Energi Spesifik (IKES) merupakan berapa banyak energi

listrik (KWH) yang diperlukan untuk mencampurkan bahan baku obat (Ton bahan

baku). Jadi IKES merupakan perbandingan antara konsumsi energi (listrik) selama

1 jam dengan banyaknya produk yang dihasilkan selama satu jam.

IKES =Daya Input (listrik) Total Yang Digunakan (kWh)

𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑘 𝑌𝑎𝑛𝑔 𝐷𝑖ℎ𝑎𝑠𝑖𝑙𝑘𝑎𝑛 (𝑇𝑜𝑛) (2.26)

II.7.5 Daya Poros

Poros adalah suatu bagianistasioner yang beputar, biasanyaiberpenampang

bulat dimanaiterpasang elemen-elemeniseperti roda gigi (gear), pulley, flywheel,

engkol, sprocket dan elemenipemindah lainnya. Poros bisaimenerima beban

lenturan, beban tarikan, ibeban tekan atauibeban puntiraniyang bekerja sendiri-

sendiri atau berupaigabungan satu denganilainnya. (Josep Edward Shigley, 1983).

𝐃𝐚𝐲𝐚 𝐏𝐨𝐫𝐨𝐬 = Daya Listrik x Efisiensi (Watt) (2.27)

𝐃𝐚𝐲𝐚 𝐏𝐨𝐫𝐨𝐬 = T x ω (Watt) (2.28)

𝐓𝐨𝐫𝐬𝐢 (𝐓) =Daya Poros

ω (2.29)

II-24

𝛚 = 2𝜋𝑛

60(𝑟𝑎𝑑/𝑠) (2.30)

𝛈 =Daya Poros Total

Daya Listrik 𝑥 100% (2.31)

Keterangan : ṁ = Laju alir massa (kg/s)

cp = Kapasitas Panas (kJ/kg°C)

T = Torsi (N/m)

P = Daya Poros (kW)

V = Tegangan (Volt)

I = Arus (Ampere)

Cos θ = Cos Phi

𝛚 = kecepatan sudut/omega (rad/s)

bab ii landasan teori ii.1 mixing/pencampuran

Documents