PERPINDAHAN PANAS TANGKI BERPENGADUK RRED TA NK REACTOR (STI RRED )
1. Tujuan Percobaan
Dapat menghitung koefisien keseluruhan perpindahan panas untuk STR.
Dapat menghitung koefisien film perpindahan panas untuk STR.
Dapat memahami proses perpindahan panas didalam tangki berjaket berjaket berpengaduk yang tergolong dalam kelompok proses unsteady state. state.
2. Alat yang Digunakan
Stirred tank reactor
: 1 unit
Termokopel
: 1 buah
Termometer
: 2 buah
Ember
: 4 buah
Gelas Piala (Plastik)
: 1 buah
3. Bahan Yang Digunakan
Air 100 liter
4. Dasar Teori Perpindahan panas dalam tangki berpengaduk berjaket sangat berbeda dengan proses perpindahan yang biasa anda jumpai. Hal ini disebabkan karena proses yang terjadi adalah proses tak tetap (unsteady (unsteady state). state). Jadi koefisien perpindahan panas (U) tidak dapat digunakan dalam persamaan Fourier persamaan Fourier . Q = U.A.Δt. Persamaan Fourier Persamaan Fourier hanya hanya dapat digunakan bila tangki beroperasi kontinu ( steady steady state). state). Persamaan
yang
harus
digunakan
adalah
persamaan
untuk
tangki
berpengaduk dengan pemanas dengan pemanas peman asnon-isothermal non-isothermal (air). (air). dQ dt Mc
Mc dt dθ
dt dθ
WcT1 T2 UAdt
WcT1 T2 .....................................................................................................1
berjaket
Ln
T1 t 1 T2 t 2
K 1 e
rA
Wc
Wc K 1 1
θ ............................................................................................2
K Mc 2
.......................................................................................................................3
Dari persamaan 1 kita dapatkan harga W (laju alir fluida panas) yang kemudian disubstitusikan ke persamaan 2 untuk mendapatkan harga K 1 dan persamaan 3 kita dapatkan harga U. Untuk perhitungan koefisien film dinding kita mempergunakan hubungan sebagai berikut :
L2 Nρ a K μ
h 1D1
1
3
Qμ μ W
0,14
Dimana : h
: Koefisien film dinding dalam
Di
: Diameter dalam tangki
L
: Diameter pengaduk
N
: Putaran pengaduk per unit waktu
μ
: Viskositas cairan
ρ
: Density/kerapatan Density/kerapatan rata-rata cairan
μw
: Viskositas permukaan
K
: Konduktivitas thermal
Hukum Fourier
Hubungan dasar yang menguasai aliran kalor melalui konduksi ialah berupa kesebandingan yang ada antara laju alir kalor melintas permukaan isotermal dan gradien suhu yang terdapat pada permukaan itu. Hubungan umum ini berlaku pada setiap lokasi di dalam suatu benda, pada setiap waktu disebut Hukum Fourier yang Fourier yang ditulis sebagai : dq dA
k
T n
Dimana : A
: Luas permukaan isotermal
n
: Jarak, diukur normal (tegak lurus) terhadap permukaan itu
q
: Laju alir kalor melintasi permukaan itu pada arah normal terhadap permukaan.
T
: Suhu
K
: Konstanta proporsionalitas (tetapan kesebandingan)
Pada keadaan steady, keadaan steady, T hanya merupakan fungsi posisi semata-mata, dan laju aliran kalor pada setiap titik pada dinding itu konstan. Sehingga persamaannya dapat ditulis : q A
k
dT dn
Konduktivitas Termal
Hukum Fourier Hukum Fourier menyatakan menyatakan bahwa k tidak tergantung pada gradien suhu tetapi tidak selalu demikian halnya terhadap suhu itu sendiri. Di lain pihak, k merupakan fungsi suhu. Walaupun bukan fungsi kuat. Untuk jangkauan yang tidak konstan, k dapat dianggap konstan. Tetapi untuk jangkauan suhu yang lebih besar, konduktivitas termal dapat didekati dengan persamaan dalam bentuk : K = a + bT Dimana : a dan b = konstanta empirik
Konduksi Keadaan Steady
Konduksi dalam keadaan steady keadaan steady dapat ditulis : q A
k
dT dx
atau dT
q kA
dx
Oleh karena hanyalah x dan T yang merupakan variabel dalam persamaan, integral langsung akan menghasilkan : q A
k
T1 T2 X 2 X1
k
ΔT
B
Dimana : X2 dan X1
= B = tebal lempengan
T1 – T – T2
= Δt = penurunan suhu (beda suhu) melintang lempeng
Nilai k dapat dihitung dengan mencari rata-rata aritmetik dan k pada kedua suhu permukaan, T1 dan T2 atau dengan menghitung rata-rata aritmetik suhu dan menggunakan nilai k pada suhu itu. Sehingga dapat dituliskan dalam bentuk :
q
ΔT
R
KONDUKSI KALOR KEADAAN TAK STEADY Persamaan konduksi satu dimensi
T TT dx x xx Jika kalor keluar lempeng pada x dx tentulah : kA( kA(
T TT dx)dt x xx
Kelebihan masukan kalor terhadap kalor yang keluar, yang merupakan penumpukan pada lapisan dx adalah :
T T TT 2T kA dt kA( dx)dt kA dxdt x x xx x 2
Stirred Tank Reactor (STR)
Stired Tank (tangki berpengaduk) dalam industri kimia digunakan untuk reaksi-reaksi batch ‘tumpak’ dalam skala kecil. Alat ini terdiri dari tangki silindris yang dilengkapi dengan agitator ‘pengaduk’. Tangki ini digunakan untuk pemanasan atau pendinginan, dipakai jaket sehingga air panas atau air dingin dapat dialirkan (dipindahkan). Pengadukan dipakai dalam berbagai aplikasi, misalnya dispersi suatu zat terlarut dalam suatu pelarut, penyatuan dua cairan yang dapat dicampur, produksi slurry produksi slurry dari padatan halus didalam suatu cairan, pengadukan suatu cairan homogen untuk meningkatkan heat transfer ke transfer ke cairan. Peralatan pengaduk mempunyai berbagai macam variasi menurut aplikasinya. 1. Axial flow impeler, untuk cairan viskositas sedang yang memerlukan gerakan cepat. 2. Flat blade turbine, yang menghjasilkan aliran turbulen pada arah radial, tetapi memerlukan power memerlukan power yang yang lebih besar. 3. Turbin untuk pengadukan yang merata sekali. 4. Anchor impeller, untuk tingkat turbulensi rendah dan efektif digunakan untuk tangki yang dipanaskan atau didinginkan dengan jaket.
5. Helical impeller , untuk pengadukan padat cair atau untuk mengaduk pasta, lumpur, atau adonan.
Gambar 1. Batch Stirred Reactor
Proses perpindahan panas dalam tangki berpengaduk dapat digolongkan sebagai proses non isothermal , unsteady state karena aliran panas dan suhu berubah terhadap waktu. Penurunan dan penggunaan persamaan neraca energi dan persamaan yang menghubungkan bilangan tak berdimensi mengikuti asumsi-asumsi berikut : 1. U bernilai
bernilai
konstan
untuk
proses
dan
pada
seluruh
permukaan
perpindahan panas, sehingga U proses adalah constan. 2. Laju alir fluida panas adalah konstan. 3. Panas spesifik fluida panas dan fluida dingin konstan selama proses. 4. Suhu fluida pemanas yang masuk dalam jacket konstan 5. Pengadukan menghasilkan suhu cairan yang merata. 6. Tidak terjadi perubahan fasa parsial. 7. Panas yang hilang dapat diabaikan
Reactor r : Uraian Proses Sti rr ed Tank Reacto
Keran udara tekan dibuka untuk menghidupkan kontrol panel dan menggerakkan katup pneumatik. Kemudian keran air dibuka dan air dipompakan ke dalam jaket. Air akan memenuhi jaket dan keluar pada bagian outlet menuju ke Y Joint Y Joint , disini air akan dipanaskan dengan bantuan steam yang diinjeksikan oleh katup pneumatik (sebelumnya valve steam dibuka terlebih dahulu). Air yang panas masuk ke separator separator dimana gas yang terbentuk akan mengalir ke atas sedangkan cairannya akan kembali ke dalam jaket dan bersirkulasi. Air panas didalam jaket akan memanaskan cairan didalam reaktor sampai suhu mencapai set mencapai set point
o
(70 C). Gas dari separator akan terjebak didalam steam didalam steam trap sehingga terkondensasi menjadi cairan dan di kembalikan ke tangki penampung.
5. Gambar Alat (Terlampir)
6. Langkah Kerja
Persiapan 1. Mempelajari gambar dan menguasainya. 2. Membuka katup/kran udara tekan. 3. Menghidupkan saklar utama. 4. Menghidupkan peralatan proses PCT 10 untuk ukuran T2. 5. Membuka keran utama air yang menuju ke kondensor kecil (dari tangki utama penyimpanan air). 6. Menghidupkan pompa sirkulasi air dalam jaket (tombol hijau). Menunggu sampai tekanan stabil. 7. Membuka katup kran utama uap. 8. Pada panel kontrol TIC 7 (suhu masuk air pemanas = T1)
Menekan SP (Set (Set Point ) tombol hijau
Memasukkan angka 70
Menekan lagi sampai PV ( processing processing value) value) menyala merah
9. Pada panel control TIC 6
Menekan sampai pv ( processing processing value) value) menyala merah
Mematikan semua tombol kuning dan hijau
10. Untuk mempercepat proses pemanasan awal, mengatur TIC 7 secara manual (pembukaan katup V5).
Menekan tombol kuning (manual) sampai sampai menyala
Menekan sampai harga naik mencapai 90% atau maksimal.
Bila air didalam jaket mencapai 50%, menekan sampai menunjukkan 60%
Mematikan tombol kuning.
11. Menunggu sampai keadaan suhu air pemanas dalam 70 °c. 12. Menyiapkan air sebanyak 100 kg/liter
13. Menentukan kecepatan putaran pengaduk dan hitung rpm-nya. 14. Mematikan pengaduk.
Pengamatan 15. Bila suhu air telah stabil, memastikan pengaduk dalam keadaan tidak berputar. Segera memasukkan semua air bersih tadi dengan menggunakan pompa listrik. 16. Menghidupkan stopwatch bersamaan dengan pengaduk setelah memasukkan semua air (100 liter). 17. Mencatat data-data t, T1, T2 setiap interval 4 menit. 18. Menghentikan pengambilan data bila suhu T1 = T2 atau bila isi reaktor mencapai set point nya. nya. 19. Mengukur ketinggian air dari dasar tangki. 20. Mengatur kecepatan pengaduk (rpm) untuk percobaan berikutnya, kemudian mematikan. 21. Mengosongkan isi reaktor/tangki.
7. Data Pengamatan o
Waktu
Reaktor ( C)
o
Jacket ( C)
C o
(menit)
t1
t2
T1
T2
(kal/g C)
0
43
48
63
58
1,0
2
48
50
65
60
1,0
4
50
52
66
62
1,0
6
52
53
67
64
1,0
8
56
58
69
66
1,0
10
58
60
70
67
1,0
12
60
62
70
68
1,0
14
62
63
71
69
1,0
16
63
63
72
70
1,0
Diketahui :
L = 0,105 m D = 1,14 m
W = 100
N = 800
8. Perhitungan
Penentuan harga K dan koefisien perpindahan panas (U) Diketahui :
W
=
A
= 1,02 m
2
= 0,01 Cp
Penyelesaian :
Untuk t = 2 menit
[ ] ⁄⁄ Mc = W . C (T1 – T – T2) =
0,122 k 1 = 0,4 k 1 – 0,4 – 0,4 k 1 = 1,438
1,438 =
Ln 1,438 = 0,0000102 . U U = 35613,06
Penentuan harga K dan koefisien perpindahan panas (U) Untuk t = 2 menit
[] [] Dimana :
Q = U. A. dt
= 35613,06 x 1,02 x 2 = 72650,642
( ) 0,792 hi =
hi = 42,86479
dengan cara yang sama maka perhitunhan pada tiap menit ke- dapat dianalogikan dalam tabel beikut ini.
Waktu
K 1
U
hi
2
1,438
35613,06
42,86
4
1,143
13109,59
27,41
6
1,119
11075,77
25,55
8
1,043
4144,79
17,57
10
1,111
10354,79
24,87
12
1,122
11358,03
25,82
14
1,098
4731,29
18,44
16
0
0
0
9. Analisa Percobaan Dari praktikum yang telah dilakukan dapat dianalisa bahwa terjadi perpindahan panas melalui alat stired tank reator (STR). Perpindahan panas pada STR ini dapat terjadi secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Pada alat STR ini dilengkapi jacket yang berfungsi sebagai media pemanas yang dihasilkan dari steam yang kemudian secara konduksi mentransfer panas ke dalam reaktor yang berisi umpan. Selain dilengkapi dengan jacket, alat STR ini juga dilengkapi dengan agitator (pengaduk). Pengaduk ini berfungsi sebagai dispers suatu zat terlarut dalam suatu pelarut dan pengadukan suatu cairan homogen untuk meningkatkan heat transfer ke cairan.
Secara diagram alir pada STR ini, air dari sumber air masuk kea alat STR sebelumnya terbagi menjadi dua aliran yaitu sebagai pendingin pada condenser tipe shower dan aliran utama yang menuju jacket dikontakkan dengan steam pada suatu temuan atau penghubung yang terbentuk y. selanjutnya air panas yang telah terkontak dengan steam tadi akan menuju jacket kembali dan terjadi sirkulasi secara terus-menerus hingga didapatkan set point yang diinginkan. Kemudian dicatat temperatur masuk dan keluar reactor serta temperatur masuk dan keluar jacket sebagai data yang digunakan untuk perhitungan koefisien film dinding dalam. Dari perhitungan yang didapatkan untuk waktu t = 2 menit, nilai hi nya yaitu 42,86 sedangkan untuk waktu 16 menit nilai hi = 0 karena temperatur in dan out reaktor adalah sama o
yaitu 63 C.
10. Kesimpulan Pada percobaan stirred percobaan stirred tank reactor yang reactor yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa :
Perpindahan panas terjadi yaitu secara konveksi dan konduksi.
Proses perpidahan panas STR terjadi secara unsteady state (tidak mantap) dan non isothermal
Nilai hi untuk t = 2 menit yaitu 42,86 sedangkan untuk t = 16 (akhir) yaitu 0
11. Daftar Pustaka Holman, J.P. 1994. Perpindahan 1994. Perpindahan Kalor Edisi 6 . Jakarta : Erlangga http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/IMMOB/stirredt.htm diakses tanggal 9 Mei 2011 http://www.angelfire.com/ak5/process_control/stirred.html diakses tanggal 9 Mei 2011 http://www.scribd.com/doc/46208685/Stirred-Tank2 diakses tanggal 9 Mei 2011 Kepala Seksi Laboratorium Pilot Plant. 2011. Penuntun 2011. Penuntun Praktikum Pilot Plant . Politeknik Negeri Sriwijaya : Palembang
Gambar Alat
Stir red Tank Reacto Reactor r
LAPORAN TETAP PILOT PLANT PERPINDAHAN PANAS TANGKI BERPENGADUK (STIRED TANK REAKTOR)
Disusun Oleh : Kelompok 2 (6 KB) Fhiya Ratna Puspita Kartika Meilinda Krisna M. Agus Budi Kusuma Maimunah Noermatia Nyimas Nurkomala Nurkomala Dewi Oky Pratama Yustisia
0610 3040 0344 0610 3040 0346 0610 3040 0348 0610 3040 0349 0610 3040 0350 0610 3040 0351 0610 3040 0352
Instruktur : Adi Syakdani.,S.T.,M.T Syakdani.,S.T.,M.T
POLITEKNIK NEGERI SRIWIJAYA JURUSAN TEKNIK KIMIA 2013
