bab ii. mixing (pengadukan)

Diktat Satuan Operasi (TLI-311)

BAB II

MIXING (PENGADUKAN)

2.1 Umum

Dalam proses pengolahan dibidang Teknik Lingkungan seperti pengolahan air minum

maupun air buangan, hal pengadukan akan sangat penting, karena menyangkut pada

perataan konsentrasi kandungan dalam air olahan dan percepatan kontak antar zat

yang dimaksudkan untuk membentuk reaksi kimia maupun biokimia. Pencampuran

dibedakan atas dua: mixing, merupakan suatu operasi yang dimaksudkan untuk

mencampur dua atau lebih materi hingga mencapai tingkat keseragaman yang

diinginkan biasanya digunakan untuk proses koagulasi. Sedangkan agitasi

dimaksudkan untuk memperoleh turbulensi didalam cairan. Agitasi ditujukan untuk

pertumbuhan flok yang biasa disebut flokulasi.

Pengadukan dapat dilakukan dengan tiga cara: pertama, memanfaatkan pengadukan

alami dengan terjunan air, putaran aliran melewati baffle vertikal maupun horizontal.

Hal ini dikenal dengan pengadukan hidrolis. Kedua dengan cara mekanis,

menggunakan alat-alat pembantu berupa pedal yang digerakan dengan motor. Ketiga

dengan pneumatis, meniupkan gelembung udara ke dalam cairan hingga akan

menyebabkan turbulensi aliran.

Proses yang terjadi saat pengadukan dalam pengolahan air minum:

Pengadukan disini dimaksudkan untuk memberikan kesempatan kontak antara zat

penggumpal/koagulan (biasanya digunakan Aluminium Sulfat, Al2(SO4)3) dengan

partikel yang bersifat koloid atau flokulen yang tersuspensi dalam air olahan,proses

ini disebut dengan koagulasi. Kontak tersebut diharapkan akan membentuk flok yang

akan mengendap akibat gaya beratnya sendiri, proses ini dikenal dengan flokulasi.

Kecepatan suatu partikel berbentuk sferik atau mendekati sferik akan meningkat

sejalan dengan peningkatan ukuran partikel. Karenanya stabilitas suspensi yang

menyebabkan tumbukan antara partikel tersuspensi yang terjadi akan menghasilkan

sedimentasi. Pada gambar 2.1 terlihat bahwa dengan menganggap partikel-partikel

II-1

Diktat Satuan Operasi (TLI-311)berukuran DP1 dan DP2, tersuspensi di dalam suatu cairan dengan kondisi aliran adalah

viskos.

Gambar 2.1 Sketsa Definisi dari Kemungkinan Kontak dalam Flokulasi

Agar terjadi kontak, titik tengah kedua partikel harus ada dalam jarak ½ (DP1 + DP2)

antara satu sama lainnya. Konsekuensinya, jumlah partikel berdiameter DP2 yang akan

kontak dengan partikel berdiameter DP1 per satuan waktu adalah sama dengan jumlah

parttikel kedua N2 per satuan volume cairan yang mengalir melalui radius sferik ½

(DP1 + DP2) dalam satuan waktu. Untuk suatu gradien kecepatan ttitik du/dy, volume

cairan yang mengalir secara laminer melalui ketebalan dx dalam satuan waktu

adalah :

...................................................................(2.1)

aliran total melalui sferik akan :

............................................................................(2.2)

Dengan demikian jumlah kontak yang dibuat oleh partikel-partikel N2 berdiameter

DP2 dengan partikel-partikel berdiameter DP1 adalah:

.....................................................................(2.3)

Untuk partikel-partikel N1 persatuan volume diameter DP1, jumlah total persatuan

waktu adalah :

II-2


...............................................................................................................(2.4)

Dan dalam sistem keseluruhan:

...............................................................................................................(2.5)

dengan: du/dy = G = gradien kecepatan rata-rata di dalam sistem.

Menurut persamaan (2.5), laju flokulasi berbanding langsung terhadap gradien

kecepatan rata-rata yang terjadi di dalam sistem. Laju mencapai nilai tertinggi untuk

konsentrasi tinggi dan partikel-partikel berukuran besar.

2.2 Pengadukan Hidrolis

Pengadukan alami lebih mudah dalam hal operasional dan biaya, namun biasanya

membutuhkan lahan lebih luas. Pengadukan hidrolis dapat dilakukan dengan 3 cara :

2.2.1 Terjunan Air

h

Gambar 2.2 Profil Hidrolis Terjunan Air

2.2.2 Aliran dalam pipa

II-3


d v

Q

L

Gambar 2.3 Profil Aliran Dalam Pipa

............................................................................................(2.6)

2.2.3 Saluran terbuka berbentuk baffle

VL

l

VB

Gambar 2.4 Profil Aliran Dalam Saluran Terbuka Berbentuk Baffle

.......................................................(2.6)

Dimana : L = Panjang saluran total = Σ l nm = koefisien manning

N = Jumlah saluran R = Jari-jari Hidrolis

VL = Kecepatan saluran lurus

VB = Kecepatan slauran belok

Sedangkan power yang dihasilkan akibat gerakan aliran tersebut :

............................................................................................(2.7)

Sehingga gradien kecepatan pengadukannya:

.........................................................(2.8)

Dimana : ρ = Berat jenis air

μ = Viskositas absolut air

V = Volume bak atau kapasitas air yang diolah

Q = Debit aliran air olahanII-4

Diktat Satuan Operasi (TLI-311)td = Waktu detensi

Gradien kecepatan untuk koagulasi (pengadukan cepat) berkisar antara 200-

1200/dt dan waktu detensinya 90-120 dt, sedangkan untuk proses flokulasi

(pengadukan lambat) berkisar antara 10-900/dt dan waktu detensinya 600-1200 dt.

Contoh soal:

Pada sebuah proses pengadukan, air olahan disalurkan pada baffle channel (45

ft x 2,5 ft x 8 ft) dengan kecepatan 0,5 fps dan kecepatan aliran pada belokan 2

fps. Jumlah belokan dalam bak 19 buah. Tentukan (a) headloss dengan

mengabaikan faktor gesekan saluran, (b) power, (c) gradien kecepatan (G) dan

nilai Gtd dengan debit 6,46 mgd (10 cfs), dengan waktu detensi 30 m,

temperatur 500F, μ = 2,74 x 10-5 lb. Force. sec/ ft2, (d) beban saluran (Q/V)!

Penyelesaian :

(a) HL = 20 x (0,5)2/2.g + 19 x (0,5 + 1,5)2/2.g = 1,26 ft

(b) P = 10 x 62,4 x 1,26 = 790 ft.lb / sec

(c) G =

Gtd = 40 x (30 x 60) = 7,2 x 104.

(d) Q/V = 6,46 x 106/ (10x30x60) = 360 gpd/ft3.

2.3 Pengadukan Mekanis

2.3.1 Tipe Mekanis yang Digunakan.

Banyak type 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.

II-5


Gambar 2.5 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 2.6 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.

II-6


Gambar 2.7 Propeller

2.3.2 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 II-7

Diktat Satuan Operasi (TLI-311)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

...........................................................................(2.12)

- Gaya viskos yang digambarkan dalam Bilangan Reynold

...........................................................................(2.13)

- Gaya gravitasi yang dideskripsikan dengan Bilangan Froude

...............................................................................(2.14)

Dimana : gc = faktor konversi hukum newton, 32,17 ft.lb massa/dt2.lb.massa

Hubungan yang dapat disimpulkan dari ketiga gaya tersebut adalah :

.........................................................................(2.15)

Dimana :

K = konstanta

p, q = Eksponen

II-8

Diktat Satuan Operasi (TLI-311)nilai 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 2.8 Karakteristik Daya Mixing Impeller

Untuk kontainer baffle tanpa vorteks:

...........................................................................(2.16)

Kurva ABCD menggambarkan hubungan fungsi daya dan bilangan Reynold

Jika vorteks tidak terbentuk. Dan jika vorteks terbentuk:

........................................................(2.17)

Kurva ABE memberikan hubungan jika terjadi vorteks.

Pada bilangan reynold rendah, kedua kurva bertemu, menunjukkan eksponen q

sama dengan nol dan :

.............................................................................(2.18)II-9

Diktat Satuan Operasi (TLI-311)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)

........................................................(2.19)

..............................................................................(2.20)

Jika kondisi turbulen sepenuhnya terjadi di dalam kontainer dimana vorteks

dihilangkan (dari C ke D pada kurva ABCD) nilai eksponen p adalah nol.

.......................................................................................(2.21)

..............................................................................(2.22)

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 2.1 Viskos Range dan Turebulent Range Beberapa Impeller

IMPELLERVISKOS 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:

.....................................................................................(2.9)

Sedangkan kecepatan relatif yang terjadi akibat pergerakan impeller dan

perlawanan air (va) adalah :

II-10

Diktat Satuan Operasi (TLI-311).........................................................................................(2.9)

Sehingga gaya yang dibutuhkan untuk pengadukan adalah sebesar:

........................................................................(2.10)

Power yang dibutuhkan dalam mendesain mekanis sebagaimana disebutkan

diatas adalah sebesar:

P = FD . v.........................................................................................(2.11)

Contoh soal :

1. Tentukan power dan luas paddle yang dibutuhkan untuk mendapatkan nilai G = 50/dt dalam sebuah tangki bervolume 2500 m3. temperatur 150C, koefisien drug 1,8 dan kecepatan paddle 0,6 m/dt, sedangkan kecepatan relatif 0,75 kali kecepatan paddle!

Penyelesaian:

P = G2.μ..V (μ = 1,1447 x 10-3 N dt/m2 pada T=50oC)P = (50/dt)2.(1,1447 x 10-3 N dt/m2).(2500 m3)P = 7154,375 N m/dt.

P = FD.v =

(ρ = 999,1 Kg/m3 pada T=50oC)

A = 87,314 m 2

2. Sebuah flokulator direncanakan untuk mengolah air dengan debit 20 MGD. Panjang flokulator tersebut 100 ft, lebar 40 ft dan dalamnya 15 ft. Flokulator menggunakan paddle yang berjumlah 4 unit. Paddle tersebut berukuran 40 ft. Dengan lebar 1 ft dan jari-jari 6 ft dari shaft yang terletak ditengah-tengah kedalaman tangki. Setiap paddle memiliki 2 blade yang diputar dengan kecepatan 2,5 rpm. Jika kecepatan air yang timbul adalah ¼ dari kecepatan paddle dan koefisien drugnya 1,8, temperatur air 500F, Viskositas absolut air 2,74 x 10-5 lb force/ft2. tentukan:b. Kecepatan relatifc. Power yang dibutuhkand. Waktu detensie. Gradien kecepatan

II-11

Diktat Satuan Operasi (TLI-311)f. Flokulator loading

Penyelesaian:a. v = vi – va = vi – 0,25.vi

v = 0,75.(2.π.6 ft.2,5 /menit)v = 70,65 ft/menit = 1,18 ft/dt

b. P = FD.v =

P =

P = 916,996 lb ft 2 /dt 3

c. td = V/Q

td =

td = 1938,611 dt.

d. =

G = 23,617 /dt

e. Floading = Q/V = 30,95 ft3/dt : 60.000 ft3

Floading = 5,15x10 -4 /dt

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 II-12

Diktat Satuan Operasi (TLI-311)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 2.9 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:

II-13


Gambar 2.10 Korelasi Koefisien Laju, Sifat Fluida dan Gerakan Fluida

Bilangan Reynold diplot terhadap ψ:

..........................................................................(2.23)

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:

.......................................................(2.24)

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:

............................................................................(2.25)

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):

..............................................................................(2.26)

nilai m tergantung pada geometrik khas tangki serta bentuk, ukuran dan lokasi

impeller serta kelengkapan lain di dalam tangki. Plot eksponen ini terhadap II-14

Diktat Satuan Operasi (TLI-311)rasio daya input persatuan volume di dalam sistem yang secara geometris

sama sebagai fungsi ukuran tangki dapat dilihat pada gambar 2.8 berikut ;

Gambar 2.11 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.

2.4 Pengadukan Pneumatis

Pengadukan dengan memanfaatkan pergerakan naiknya gelembung udara yang

menghasilkan fluid regime dilakukan menggunakan injeksi udara (gambar 2.12).

Gambar 2.12 Pneumatic Mixing

Keuntungan lebih yang didapatkan bila dibanding dua cara sebelumnya:

- Pengadukan lebih besar (G dari pneumatis tinggi);

II-15

Diktat Satuan Operasi (TLI-311)- Penambahan oksigen terlarut ke dalam air olahan.

Hanya saja karena gelembung udara sangat berpengaruh terhadap G. Padahal diameter

gelembung udara yang akan dimanfaatkan harus lebih kecil dari 2 mm, sedangkan

gelembung udara normal berkisar antara 3-8 mm sehingga cara ini jarang dipakai.

Power yang dibutuhkan untuk menghasilkan pengadukan dengan pneumatis ini adalah

sebesar :

...........................................................................(2.27)

Dimana : Qu = Debit alir udara

H = Kedalaman diffuser.

Contoh soal :

Pada sebuah bak koagulasi dasar berbentuk bujursangkar, dengan rasio kedalaman

air terhadap lebar bak = 1,25, debit olahan 2 mgd, gradien kecepatan 790 /dt.

Waktu detensi 40 dt, temperatur air 500F μ = 2,74 x 10-5 lb. force. sec/ ft2 dan letak

diffuser 0,5 ft diatas dasar bak. Tentukan (a) dimensi bak, (b) power yang

dibutuhkan, (c) debit udara yang dibutuhkan!

Penyelesaian :

(a) V = (2 x 106 ) x 40 / (86400 x 7,48) = 123,79 ft3.

V = 123,79 ft3 = P x L x T = L x L x 1,25 L

L = 4,63 ft maka P = 4,63 ft dan T = 5,94 ft

(b) P = (790)2 x 2,74 x 10-5 x 123,79 ft = 2116,85 ft.lb/dt

(c) 371,43 ft3/min

II-16

bab ii. mixing (pengadukan)

Documents