Perancangan Dan Simulasi Mesin Mixer Kapasitas 6,9 Liter Putaran 280 Rpm Menggunakan Ansys Fluent 14.0 Dan Pengujian

(1)

PERANCANGAN DAN SIMULASI MESIN MIXER

KAPASITAS 6,9 LITER PUTARAN 280 RPM

MENGGUNAKAN ANSYS FLUENT 14.0

DAN PENGUJIAN

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

WILLY AHTER SIRAIT 100421042

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN EKSTENSI

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN 2013


(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, atas segala karunia dan rahmat-Nya yang senantiasa diberikan kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini. Tugas Sarjana ini yang merupakan salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Tugas Sarjana yang dipilih, diambil dari mata kuliah Elemen Mesin, yaitu “PERANCANGAN DAN SIMULASI MESIN MIXER KAPASITAS 6,9 LITER PUTARAN 280 RPM MENGGUNAKAN ANSYS FLUENT 14.0 DAN PENGUJIAN”. Pada kesempatan ini, penulis menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Kedua orang tua tercinta, ayahanda M. Sirait dan ibunda A.br Manurung dan segenap keluarga terima kasih atas doa serta dukungannya kepada penulis.

2. Bapak Ir. Alfian Hamsi, M.Sc selaku dosen pembimbing Tugas Sarjana yang telah meluangkan waktunya, membimbing dan memotivasi penulis untuk menyelesaikan Tugas Sarjana ini.

3. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Ir.M.Syahril Gultom, MT, Selaku Ketua Dan Sekretaris Jurusan Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

4. Seluruh Staf, Dosen dan Pegawai di Lingkungan Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

5. Mahasiswa Departemen Teknik Mesin khususnya rekan-rekan sesama stambuk 2010 jalur Ekstensi, (Siwan Ediamanta Perangin-angin, Andri Parulian Siregar) yang selalu memberikan motivasi dan kerja sama kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini.

Dalam penulisan ini, dari awal sampai akhir penulis telah mencoba sebaik mungkin guna tersusunnya Tugas Sarjana ini. Untuk itu saran-saran dari semua pihak yang bersifat membangun sangat penulis harapkan demi kesempurnaan Tugas Skripsi ini.


(10)

Akhir kata, penulis mengucapkan terimakasih kepada semua pihak yang turut membantu dalam penyelesaian Tugas Sarjana ini, semoga Tugas Sarjana ini dapat bermanfaat untuk kita semua.

Medan, Oktober 2013 Penulis,

Willy Ahter Sirait NIM.100421042


(11)

ABSTRAK

Pengadukan (mixing) merupakan suatu aktivitas operasi pencampuran dua atau lebih zat agar diperoleh hasil campuran yang homogen. Pada media fase cair, pengadukan ditujukan untuk memperoleh keadaan yang turbulen (bergolak). Mesin mixer dengan daya pengaduk ¼ Hp putaran 2800 rpm dan perbandingan transmisi roda gigi 1;10 menjadikan putaran maksimal 280 rpm. Elemen pemanas yang dipakai jenis stripe Heater dengan daya 2500 watt menghasilkan temperatur maksimal 300o C. LDPE (Low density polyethylene) adalah sejenis bahan thermoplast dengan suhu didih sekitar 115 -120 o C. bahan ini akan diaduk/ dicampurkan dengan remafin blue sebagai pewarna bahan plastik. Pengadukan dilakukan ketika bahan telah dicairkan terlebih dahulu. Dengan kapasitas dari mixer 6,9 liter. Dan kinerja dari Pengaduk disimulasikan dengan ansys CFD (Computational Fluid Dynamic)14.0


(12)

ABSTRAC

Mixing is an operating activity mixing two or more substances in order to obtain a homogeneous mixture results. In the liquid phase medium, stirring aimed to obtain the turbulent state (turbulent). Engine with a power stirrer mixer ¼ hp 2800 rpm rotation and gear transmission ratio of 1, 10, made the rounds maximum 280 rpm. Type of heating element used stripe Heater with 2500 watts of power generating maximum temperature 300o C. LDPE is a kind of material THERMOPLAST the boiling temperature around 115 -120 o C. This material will be stirred / mixed with a blue dye remafin plastic material. Stirring is carried out when the material has melted first. With a capacity of 6.9 liter mixer. And the performance of the mixer is simulated with ansys CFD14.0


(13)

DAFTAR ISI

Halaman

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ... iii

DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR TABEL ... v

DAFTAR GAMBAR ... vi

DAFTAR NOTASI ... x

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar belakang ... 1

1.2 Tujuan penelitian ... 2

1.3 Batasan masalah ... 2

1.4 Sistematika penelitian ... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1 Pengertian Mixing ... 5

2.1.1 Proses Pencampuran ... 6

2.1.2 Alat Pencampur Bahan Cair/liquid ... 10

2.1.3 Alat Pencampur Bahan Padat ... 11

2.1.4 Alat Pencampur Bahan Pasta/viscous ... 12

2.2 Jenis Pengaduk (impeller) ... 13

2.2.1 Pengaduk jenis baling – baling (propeller) ... 14

2.2.2 Pengaduk jenis Dayung (paddle) ... 16

2.2.3 Pengaduk Jenis Turbin (turbine) ... 17

2.3 Kecepatan Pengadukan ... 18

2.3.1 Kecepatan putaran rendah ... 19

2.3.2 Kecepatan putaran sedang ... 19

2.3.3 Kecepatan putaran tinggi ... 19

2.4 Jumlah Pengaduk ... 20

2.4.1 Pemilihan jenis Pengaduk ... 20


(14)

2.5.1 Macam aliran fluida ... 22

2.5.2 Pola Alir Liquid ... 23

2.5.3 Parameter Hidrodinamika dalam Tangki Berpengaduk ... 24

2.6 Polietilena ... 26

2.6.1 Sifat – sifat Polietilena ... 27

2.6.2 Jenis Polietilena ... 27

2.6.3 Polietilena berdensitas rendah Atau LDPE ... 28

2.7 Elemen Pemanas Listrik ... 29

2.8 Computational Fluid Dynamics (CFD) ... 29

2.8.1 Perhitungan Dinamika Fluida (CFD) ... 30

2.8.2 Metode CFD Menggunakan Perangkat Lunak FLUENT .... 36

BAB III PERHITUNGAN ... 37

3.1 Objek ... 37

3.2 Perancanganan Peralatan ... 37

3.2.1 Perancangan Mesin Mixer ... 37

3.2.1.1 Merencanakan Bejana aduk ... 37

3.2.1.2 Menentukan Daya Motor Pengaduk ... 38

3.2.1.3 Menentukan Putaran Pengaduk ... 40

3.2.1.4 Merencanakan Pengaduk (blade) ... 41

3.2.1.5 Menghitung gaya Pada sudu Pengaduk ... 46

3.2.2 Menentukan jarak antara Pengaduk dengan Bejana aduk .... 49

3.2.3 Perencanaan Elemen Pemanas (Heater) ... 50

3.2.3.1 Pemilihan Jenis elemen Pemanas ... 50

3.2.3.2 Merencanakan Panjang elemen Pemanas ... 51

3.2.4 Pengukur Suhu (thermometer) ... 52

3.2.5 System Pengontrol Suhu (Thermostat) ... 53

3.2.6 System Pengontrol Kecepatan ... 54

3.2.7 Timbangan Digital ... 55

3.3 Bahan Pengujian ... 55

3.3.1 LDPE (low density Polyethylene) ... 55

3.3.2 Remafin Blue ... 56


(15)

3.4.1 Waktu dan Tempat ... 57

3.4.2 Komposisi Material Pengujian ... 57

3.4.3 Proses Pengujian ... 58

3.5 Proses Melakukan Simulasi CFD Fluent ... 61

3.5.1 Proses Pre-processing ... 61

3.5.1.1 Pembuatan model 3D pengaduk ... 61

3.5.1.2 Pembuatan Model 3D bejana aduk ... 62

3.5.1.3 Pembuatan Model 3D penutup atas bejana aduk ... 63

3.5.1.4 Pengabungan dari Model 3D Pengaduk dan bejana aduk 63 3.5.2 Proses Grid Generation (Pembuatan Mesh) ... 64

3.5.2.1 Meshing pada penutup atas bejana aduk ... 65

3.5.2.2 Meshing pada dinding bejana aduk ... 65

3.5.2.3 Meshing pada pengaduk ... 66

3.5.3 Menentukan solution solver ... 67

3.5.3.1 Menentukan Jenis aliran ... 67

3.5.3.2 Menentukan Jenis material ... 68

3.5.3.3 Menentukan Kondisi Batas (boundary conditions) ... 69

3.5.4 Menjalankan Simulasi (Run) ... 69

3.6 Diagram Alir Proses Simulasi ... 70

BAB IV PENGUJIAN MESIN DAN SIMULASI ... 71

4.1 Hasil dari Pengujian Alat ... 71

4.2 Hasil dari Simulasi ... 72

4.2.1 Kontur temperature di sekitar Pengaduk ... 73

4.2.1.1 Langkah Menampilkan Kontur ... 73

4.2.1.2 Hasil dari Simulasi ... 75

4.2.2 Kontur Tekanan ... 76

4.2.2.1 Langkah Menampilkan Kontur ... 76

4.2.2.2 Hasil dari Simulasi ... 77

4.2.3 Kontur kecepatan disekitar Pegaduk ... 78

4.2.3.1 Langkah Menampilkan Kontur ... 78

4.2.3.2 Hasil dari Simulasi ... 79


(16)

4.2.4.1 Langkah Menampilkan Kontur ... 80

4.2.4.2 Hasil dari Simulasi ... 82

4.2.5 Kontur Arah Putaran ... 83

4.2.5.1 Langkah Menampilkan Kontur ... 83

4.2.5.2 Hasil dari Simulasi ... 84

4.2.6 Kontur kecepatan Daerah Streamline ... 84

4.2.6.1 Langkah Menampilkan Kontur ... 84

4.2.6.2 Hasil dari Simulasi ... 85

4.3 Hasil Simulasi Pada Putaran 100 rpm ... 86

4.3.1 Kontur temperature di sekitar pemutar ... 86

4.3.2 Kontur Tekanan ... 87

4.3.3 Kontur kecepatan disekitar Pegaduk ... 87

4.3.4 Kontur kecepatan Arah Vertikal ... 88

4.3.5 Kontur Arah Putaran ... 89

4.3.6 Kontur kecepatan Daerah Streamline ... 89

4.4. Perbandingan Hasil Simulasi Dengan Hasil Pengujian ... 90

4.5 Karakteristik Aliran Fluida ... 91

4.5.1 Karakteristik aliran fluida Newtonian ... 91

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 92

5.1 Kesimpulan ... 92

5.2 Saran ... 93


(17)

DAFTAR TABEL

Table 2.1 Kondisi Untuk Pemilihan Pengaduk ... 20

Table 2.2 Daerah penggunaan berbagai type pengaduk... 21

Tabel 3.1 Faktor – faktor koreksi daya yang ditransmisikan ... 39

Tabel 3.2 Parameter dari LDPE ... 56

Tabel 3.3 Spesification Of refalin ... 56

Tabel 3.4 Perbandingan campuran material ... 57

Tabel 3.5 Standarisasi bilangan Reynold ... 67

Tabel 3.6 Penentuan jenis aliran pada simulasi ... 68

Tabel 3.7 material spesifikasi ... 68


(18)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Pengaduk Memakai Baffle ... 7

Gambar 2.2 Aliran yang terjadi dalam bahan ... 7

Gambar 2.3 Jenis Pengaduk propeller ... 15

Gambar 2.4 Pengaduk Jenis Dayung (Paddle) ... 16

Gambar 2.5 Pengaduk Turbin pada bagian variasi ... 18

Gambar 2.6 Pola aliran yang dihasilkan oleh jenis-jenis pengaduk yang berbeda, (a) Impeller, (b) Propeller, (c) Paddle dan (d) Helical ribbon ... 21

Gambar 2.7 Struktur Etilen dan Polietielena ... 26

Gambar 2.8 Konservasi massa pada elemen fluida ... 31

Gambar 2.9 Konservasi momentum pada elemen fluida ... 32

Gambar 2.10 Konservasi enenergi pada elemen fluida ... 34

Gambar 3.1 Bejana Aduk ... 38

Gambar 3.2 Ukuran Utama dari Pengaduk ... 44

Gambar 3.3 Gaya yang bekerja pada pengaduk ... 46

Gambar 3.4 Jarak Pengaduk dengan Tabung ... 50

Gambar 3.5 Elemen Pemanas Type Stripe Heater ... 51

Gambar 3.6 Permukaan Elemen Pemanas ... 52

Gambar 3.7 Thermometer BL type ... 53

Gambar 3.8 Thermostat ... 53

Gambar 3.9 Speed Control ... 54

Gambar 3.10 Timbangan Digital... 55

Gambar 3.11 Biji Plastik LDPE (Low Density Polyethylene)... 56

Gambar 3.12 Refalin – Blue ... 57

Gambar 3.13 LDPE (Low Density Polyethylene) ... 58

Gambar 3.14 Refalin – blue ... 58

Gambar 3.15 Proses Persiapan Alat ... 59

Gambar 3.16 Pencapaian Suhu 1100C ... 59

Gambar 3.17 Proses Perubahan Fasa ... 58

Gambar 3.18 Proses Pengadukan ... 60

Gambar 3.19 Proses Pengeluaran Hasil ... 60


(19)

Gambar 3.21 Model 3D Pengaduk ... 62

Gambar 3.22 Model 3D Bejana Aduk ... 63

Gambar 3.23 Model 3D Tutup Atas Bejana Aduk ... 63

Gambar 3.24 Model 3D Pengabungan dari model pengaduk dan bejana .. 64

Gambar 3.25 Meshing pada tutup bejana ... 65

Gambar 3.26 Meshing Pada dinding bejana aduk ... 65

Gambar 3.27 Meshing pada pengaduk ... 66

Gambar 3.28 Meshing keseluruhan... 66

Gambar 3.29 Diagram Alir Proses Simulasi ... 70

Gambar 4.1 Material sebelum pengadukan ... 71

Gambar 4.2 Hasil Pengujian ... 72

Gambar 4.3 Tampilan utama menu result ansys ... 73

Gambar 4.4 Tampilan ansys kontur temperature dari atas ... 74

Gambar 4.5 Tampilan ansys kontur temperature Tampak depan ... 74

Gambar 4.6 Kontur temperatur tampak atas ... 75

Gambar 4.7 Kontur temperature tampak dari depan ... 75

Gambar 4.8 Tampilan ansys kontur tekanan dari atas ... 76

Gambar 4.9 Tampilan Ansys kontur temperature tampak depan ... 77

Gambar 4.10 Kontur tekanan tampak atas ... 77

Gambar 4.11 Kontur tekanan tampak depan ... 78

Gambar 4.12 Tampilan ansys kontur Kecepatan Tampak atas ... 78

Gambar 4.13 Tampilan ansys kontur Kecepatan Tampak depan ... 79

Gambar 4.14 Kontur kecepatan tampak atas... 79

Gambar 4.15 Kontur kecepatan tampak depan ... 80

Gambar 4.16 Tampilan Kontur Kecepatan Arah Vertikal ... 81

Gambar 4.17 Tampilan Kontur Kecepatan Arah Vertikal ... 81

Gambar 4.18 Kontur kecepatan arah vertikal ... 82

Gambar 4.19 Kontur kecepatan arah vertical tampak depan ... 82

Gambar 4.20 Tampilan kontur arah putaran ... 83

Gambar 4.21 Kontur arah putaran ... 84

Gambar 4.22 Tampilan ansys kontur kecepatan daerah streamline ... 85


(20)

Gambar 4.24 Kontur temperature disekitar pengaduk ... 86

Gambar 4.25 Kontur Tekanan ... 87

Gambar 4.26 Kontur Kecepatan di Sekitar Pengaduk ... 87

Gambar 4.27 Kontur Kecepatan Arah Vertikal ... 87

Gambar 4.28 Kontur Arah Putran ... 89

Gambar 4.29 Kontur Kecepatan Daerah Steamline ... 89

Gambar 4.30 Pengadukan pada pengujian ... 90

Gambar 4.31 Pola aliran menggunakan pengaduk propeller ... 92


(21)

DAFTAR NOTASI

�̇ = Laju perpindahan panas (W) k = Konduktivitas Termal ( W / (m.K))

A = Luas penampang yang terletak pada aliran panas (m2) T2 = Temperatur akhir (°C)

T1 = Temperatur awal (°C) L = Tebal plat (m)

R = Resistansi thermal ( °C/m) Ts = Temperatur plat ( K ) Tf = Temperatur fluida ( K ) Nu = Bilangan Nusselt Re = Bilangan Reynold

ρ = Massa jenis fluida (kg/m3) U = Kecepatan aliran fluida (m/s)

μ = Viskositas (Ns/m2) RaL = Bilangan Rayleigh

β =1/ Tr

g = Percepatan gravitasi (9,81 m/s2) Ts = Temperatur permukaan plat (K) Tr = Temperatur referensi (K)

α = Difusivitas thermal v = Viskositas kinematik

P = Daya nominal motor sebesar Fc = Faktor koreksi daya

Pd = Daya perencanaan n = Putaran normal

�� = Faktor koreksi yang dipilih adalah 3 Cb = Faktor koreksi yang dipilih adalah 2,3

� = Momen puntir

ds = Diameter poros motor

τa = Tegangan geser yang diijinkan


(22)

��1 = Faktor keamanan yang diambil (6)

��2 = Faktor keamanan yang diambil (3) b = Lebar pasak

t = Tinggi pasak

τ = Tegangan geser l = Panjang pasak

d1 = Diamter lingkar jarak roda gigi penggerak (mm) d2 =Diamter lingkar jarak roda gigi penerus (mm)

ɑ = Jarak sumbu poros (mm) H = Kedalaman puncak m = Modul

�� = Kelonggaran puncak Z = Panjang lintasan kontak te = Jarak bagi normal

� = Perbandingan kontak v = Kecepatan keliling Ft = Gaya tangensial Fr = Beban radial Fa = Beban aksial = 0

x = Faktor beban radial = 1 y = Faktor beban aksial = 0

v = Pembebanan pada cincin dalam yang berputar = 1 fn = Faktor keamanan

fh = Faktor umur

C = Kapasitas nominal dinamis Ln = Umur nominal bantalan

a1 = Faktor keandalan 95% , = 0,62 (tabel 4.10 Lit 1 hal 137) a2 = Faktor bahan = 1 (baja dicairkan secara terbuka)

a3 = Faktor kerja = 1 (kondisi kerja normal) Lb = Umur bantalan

Drg = diameter roda gigi z1 = Jumlah gigi Penggerak


(23)

z2 = Jumlah gigi yang digerakkan n1 = Putaran Penggerak (rpm)

n2 = Putaran yang direncanakan (rpm)

ℎ� = koefisien perpindahan panas dari atau ke bejana berjaket

�� = diameter bejana

k = konduktivitas termal fluida cair L = panjang dayung (paddle)

B = jarak antara dayung dengan dasar bejana N = kecepatan agitator

� = massa jenis fluida

� = viskositas fluida C = kapasitas panas


(24)

DAFTAR LAMPIRAN

1. Spesifikasi dari LOW DENSITY POLYETYLENE RESIN 2. Spesifikasi dari Remafin – Blue MX-ST


(25)

ABSTRAK

Pengadukan (mixing) merupakan suatu aktivitas operasi pencampuran dua atau lebih zat agar diperoleh hasil campuran yang homogen. Pada media fase cair, pengadukan ditujukan untuk memperoleh keadaan yang turbulen (bergolak). Mesin mixer dengan daya pengaduk ¼ Hp putaran 2800 rpm dan perbandingan transmisi roda gigi 1;10 menjadikan putaran maksimal 280 rpm. Elemen pemanas yang dipakai jenis stripe Heater dengan daya 2500 watt menghasilkan temperatur maksimal 300o C. LDPE (Low density polyethylene) adalah sejenis bahan thermoplast dengan suhu didih sekitar 115 -120 o C. bahan ini akan diaduk/ dicampurkan dengan remafin blue sebagai pewarna bahan plastik. Pengadukan dilakukan ketika bahan telah dicairkan terlebih dahulu. Dengan kapasitas dari mixer 6,9 liter. Dan kinerja dari Pengaduk disimulasikan dengan ansys CFD (Computational Fluid Dynamic)14.0


(26)

ABSTRAC

Mixing is an operating activity mixing two or more substances in order to obtain a homogeneous mixture results. In the liquid phase medium, stirring aimed to obtain the turbulent state (turbulent). Engine with a power stirrer mixer ¼ hp 2800 rpm rotation and gear transmission ratio of 1, 10, made the rounds maximum 280 rpm. Type of heating element used stripe Heater with 2500 watts of power generating maximum temperature 300o C. LDPE is a kind of material THERMOPLAST the boiling temperature around 115 -120 o C. This material will be stirred / mixed with a blue dye remafin plastic material. Stirring is carried out when the material has melted first. With a capacity of 6.9 liter mixer. And the performance of the mixer is simulated with ansys CFD14.0


(27)

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Dalam sebuah industri, mesin dan alat merupakan sarana penunjang yang paling penting bagi kelancaran produksi. Untuk dapat bersaing dengan yang lain suatu industri harus bekerja secara efekif dan efisien. Cara kerja yang demikian dapat dicapai bila industri tersebut didukung oleh sistem manajemen yang baik dan juga bantuan mesin dan alat penunjang produksi yang tepat.

Proses pencampuran merupakan salah satu proses yang penting dan sering dijumpai pada sebuah industri. Pada proses pencampuran ini sebagian besar produk dihasilkan. Bahan baku dapat diolah dan dicampurkan dengan bahan – bahan lainnya. Mesin yang biasa digunakan untuk proses pencampuran ini disebut mixer atau pengaduk (pencampur). Bila dilihat dari segi fungsinya, mixer dapat digolongkan sebagai mesin pengolah. Mesin pengolah merupakan mesin yang digunakan untuk menyelenggarakan proses pengolahan.

Prinsip pencampuran bahan banyak diturunkan dari prinsip mekanika fluida dan perpindahan bahan akan ada bila terjadi gerakan atau perpindahan bahan yang akan di campur baik secara horizontal ataupun vertical. Prinsip pencampuran didasarkan pada peningkatan pengacakan dan distribusi- distribusi atau lebih komponen yang mempunyai sifat yang berbeda. Derajat pencampuran dapat dikarakterisasi dari waktu yang dibutuhkan, keadaan produk atau bahkan jumlah tenaga yang dibutuhkan untuk melakukan pencampuran. Derajat keseragaman pencampuran, dapat diukur dari sample yang diambil selama pencampuran, dalam hal ini jika komponen yang dicampur telah terdistribusi melalui komponen lain secara random (acak), maka dikatakan pencampuran telah berlangsung dengan baik. Proses pencampuran dimaksudkan untuk membuat suatu bentuk uniform dari beberapa konstituan baik liquid/ solid (pasta) dan kadang liquid-gas. Berbagai proses pencampuran harus dilakukan dalam industri pangan seperti pencampuran susu dengan coklat, tepung dengan gula atau CO2 dengan air.


(28)

Dalam kehidupan nyata alat pencampur (mixer) dapat menghasilkan suatu produk dengan homogenitas yang lebih tinggi dari pada pencampuran bahan yang dilakukan secara manual atau tanpa alat (dengan tangan saja). Pencampuran dapat dikelompokkan menjadi tiga, yaitu: pengadukan pada bahan cair termasuk suspensi di dalamnya, pencampuran bahan bersifat viscous dan pencampuran bahan partikel padat.

Dari pemaparan diatas, jelas bahwa mixer adalah suatu alat pengkombinasi atau pencampur yang dalam proses produksi sangat diperlukan kegunannya, dan mempengaruhi kinerja dalam suatu proses produksi. Berdasarkan fakta diatas, pengujian dan analisa kinerja suatu mixer dengan pemanas dapat memberikan pertimbangan dan pengkombinasiaan suatu campuran yang homogen dan panas yang di transfer merata. Pengujian dan analisa kerja mixer dapat dilakukan dengan dua cara yaitu cara experiment dan cara numerik. Akhir – akhir ini istilah ini masing – masing lebih dikenal dengan istilah Experimental Fluid Dynamics (EFD) dan Computational Fluid Dynamics (CFD).

Dalam hal ini penggunaan alat bantu berupa progam (software) komputer dalam proses penganalisaan kinerja sistem mixer dapat membantu dalam peningkatan kinerja dan efisiensi dari campuran dan heat transfer pada mixer. Salah satu progam yang digunakan adalah CFD FLUENT, karena program ini merupakan program CFD (Computational Fluid Dynamic) yaitu program Komputasi Aliran Fluida Dinamik yang dapat dengan mudah menganalisa dan mensimulasikan aliran fluida yang bekerja pada mixer secara numerik dengan menyelesaikan persamaan Navier Stokes.

1.2 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Merancang Mesin Mixer Bahan Thermoplast dengan kapasitas aduk 6,9 liter dan temperatur yang dihasilkan antara 50 – 3000C.

2. Mensimulasikan hasil dari perancangan mesin mixer dengan software Ansys CFD fluent 14.0 berupa kontur – kontur yang terjadi sebagai bahan acuan penyempurnaan mesin ini.

3. Melakukan Pengujian terhadap mesin mixer yang telah dirancang,dengan Menggunakan LDPE (low density polyethylene) Sebagai bahan pengujian.


(29)

1.3 Batasan Analisa CFD

Dalam penelitian ini akan dibahas tentang simulasi Aliran fluida pada mesin Pengaduk dan heat transfer dengan menggunakan perangkat lunak atau software Ansys CFD. Adapun batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Permodelan dari simulasi untuk pola aliran dari thermoplast yang telah mencair berubah menjadi fluida.

2. Pada perancangan ini material atau fluida yang digunakan berupa Plastic yaitu: low density polyethylene (LDPE) dengan dengan campuran Remalin - blue sebagai bahan pewarna. Pada perancangan ini juga kecepatan putaran mixer yang dipakai 100 dan 280 rpm, dan temperatur 0 – 3000C. 1.4 Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Menambah kepahaman dalam hal merancang suatu mesin.

2. Menambah kepahaman tentang mesin pegaduk atau pencampur serta mensimulasikannya dengan software Ansys CFD.

3. Penelitian yang dilakukan ini juga diharapkan dapat bermanfaat bagi penulis, atau pihak – pihak lain yang berkepentingan.

1.5 Sistematika Penulisan

Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan mempermudah pembaca memahami tulisan ini, maka skripsi ini dibagi dalam beberapa bagian yaitu:

Bab I : Pendahuluan, dibahas mengenai latar belakang dari judul skripsi yang telah ditetapkan, tujuan, manfaat, batasan masalah, sistematika penulisan, dan metodologi penulisan skripsi.

Bab II : Tinjauan Pustaka, dibahas mengenai teori-teori yang berhubungan dengan penulisan skripsi. Dasar teori didapatkan dari berbagai sumber, diantaranya berasal dari : buku - buku pedoman, jurnal, paper, tugas akhir, e-mail, e-book, dan e-news.

Bab III : Perhitungan, dibahas mengenai metode yang akan digunakan untuk menyelesaikan penulisan skripsi. Pada bab ini juga akan dibahas mengenai


(30)

langkah-langkah penelitian, pengolahan, dan analisa data yang akan digunakan untuk menyelesaikan permasalahan dari topik yang diangkat.

Bab IV : Pengujian Dan Simulasi, Pada bab ini akan dianalisis dan dibahas mengenai data-data yang telah diperoleh dari hasil penelitian yang telah dilakukan.

Bab V : Kesimpulan Dan Saran, berisi kesimpulan dari penulisan tugas akhir dan saran-saran untuk penelitian selanjutnya.


(31)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Mixing

Mixer merupakan salah satu alat pencampur dalam sistem emulsi sehingga menghasilkan suatu dispersi yang seragam atau homogen. Terdapat dua jenis mixer yang berdasarkan jumlah propeler-nya (turbin), yaitu mixer dengan satu propeller dan mixer dengan dua propeller. Mixer dengan satu propeller adalah mixer yang biasanya digunakan untuk cairan dengan viskositas rendah. Sedangkan mixer dengan dua propiller umumnya diigunakan pada cairan dengan viskositas tinggi. Hal ini karena satu propeller tidak mampu mensirkulasikan keseluruhan massa dari bahan pencampur (emulsi), selain itu ketinggian emulsi bervariasi dari waktu ke waktu (Suryani, dkk., 2002).

Pencampuran merupakan operasi yang bertujuan mengurangi ketidaksamaan kondisi, suhu, atau sifat lain yang terdapat dalam suatu bahan. Pencampuran dapat terjadi dengan cara menimbulkan gerak di dalam bahan itu yang menyebabkan bagian-bagian bahan saling bergerak satu terhadap yang lainnya, sehingga operasi pengadukan hanyalah salah satu cara untuk operasi pencampuran. Pencampuran fasa cair merupakan hal yang cukup penting dalam berbagai proses kimia. Pencampuran fasa cair dapat dibagi dalam dua kelompok. Pertama, pencampuran antara cairan yang saling tercampur (miscible), dan kedua adalah pencampuran antara cairan yang tidak tercampur atau tercampur sebagian (immiscible). Selain pencampuran fasa cair dikenal pula operasi pencampuran fasa cair yang pekat seperti lelehan, pasta, dan sebagainya; pencampuran fasa padat seperti bubuk kering, pencampuran fasa gas, dan pencampuran antar fasa.

Mixer merupakan proses mencampurkan satu atau lebih bahan dengan menambahkan satu bahan ke bahan lainnya sehingga membuat suatu bentuk yang seragam dari beberapa konstituen baik cair – padat, padat – padat , maupun cair - gas. Komponen yang jumlahnya lebih banyak disebut fasa kontinyu dan yang lebih sedikit disebut fasa disperse. (Fellows, 1988).


(32)

2.1.1 Proses Pencampuran

Proses pencampuran dalam fasa cair dilandasi oleh mekanisme perpindahan momentum di dalam aliran turbulen. Pada aliran turbulen, pencampuran terjadi pada 3 skala yang berbeda, yaitu:

1. Pencampuran sebagai akibat aliran cairan secara keseluruhan (bulk flow) yang disebut mekanisme konvektif.

2. Pencampuran karena adanya gumpalan-gumpalan fluida yang terbentuk dan tercampakkan di dalam medan aliran yang dikenal sebagai eddies, sehingga mekanisme pencampuran ini disebut eddy diffusion.

3. Pencampuran karena gerak molekular yang merupakan mekanisme pencampuran difusi.

Ketiga mekanisme terjadi secara bersama-sama, tetapi yang paling menentukan adalah eddy diffusion. Mekanisme ini membedakan pencampuran dalam keadaan turbulen daripada pencampuran dalam medan aliran laminer.Sifat fisik fluida yang berpengaruh pada proses pengadukan adalah densitas dan viskositas.

Pengadukan dan pencampuran merupakan operasi yang penting dalam industry kimia. Pencampuran (mixing) merupakan proses yang dilakukan untuk mengurangi ketidakseragaman 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 derajat homogenitas yang dapat dicapai, tapi juga mempengaruhi perpindahan panas yang terjadi. Penggunaan peralatan yang tidak tepat dapat menyebabkan konsumsi energi berlebihan dan merusak produk yang dihasilkan. Salah satu peralatan yang menunjang keberhasilan pencampuran ialah pengaduk.

Hal yang penting dari tangki pengaduk dalam penggunaannya antara lain: 1. Bentuk : pada umumnya digunakan bentuk silindris dan bagian bawahnya

cekung.


(33)

3. Kelengkapannya:

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

Gambar.2.1 pengaduk memakai baffle

b. jacket atau coil pendingin/pemanas yang berfungsi sebagai pengendali suhu.

c. Letak lubang pemasukan dan pengeluaran untuk proses kontinu. d. Kelengkapan lainnya seperti tutup tangki, dan sebagainya.

Prinsip pencampuran bahan banyak diturunkan dari prinsip mekanika fluida dan perpindahan bahan, karena pencampuran bahan akan ada bila terjadi gerakan atau perpindahan bahan yang akan dicampur baik secara horizontal ataupun vertikal. Ada dua jenis pencampuran, yaitu (1) pencampuran sebagai proses terminal sehingga hasilnya merupakan suatu bahan jadi yang siap pakai, dan (2) pencampuran merupakan proses pelengkap atau proses yang mempercepat proses lainnya seperti pemanasan, pendinginan atau reaksi kimia.

Aliran yang terjadi di dalam bahan diperkirakan berupa seperti pada gambar berikut sehingga pencampuran akan terjadi dengan cepat dan teratur.

pandangan depan pandangan lintang

→ → → →

← ← ← ←

← ← ← ←

→ → → →


(34)

Kebutuhan tenaga yang diperlukan untuk mencampur 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 untuk cairan dengan viskositas tinggi dimana campurannya pekat, licin dan sebagainya. Kecepatan tinggi biasanya berkisar antara 1400-1800 rpm, kecepatan sedang biasanya adalah 1500 rpm dan kecepatan rendah berkisar antara 100-500 rpm.

Dalam hal mencampurkan dua bahan berbeda kapasitas perlu diperhatikan, dalam hal ini, untuk Menentukan kapasitas Maksimum dari bejana adukan :

� =�

4�

2H ... Pers.1

Menghitung kapasitas dari adukan :

V = ��4 . �2 . Z ... Pers.2 Dimana :

Q = Kapasitas dari Bejana adukan (mm3) V = kapasitas dari adukan (mm3)

D, Dj = Diameter Bejana (mm) H, Z = Tinggi dari Bejana (mm)

Setelah menentukan kapasitas daya motor dapat dihitung, Dari beberapa komponen inilah kita dapat menentukan daya pengaduk. Dari rumus daya pengaduk dapat dihitung dengan cara :

hp = (1,29 � 10−4) (

�1,1) (�2,72) (�2,86) (�0,3) (�0,6) (��) (�0,86)

(Ir.Sri Wuryani, Hal 152) ... Pers 3 Daya perencanaan dihitung dengan rumus :

Pd = P . fc ... Pers 4


(35)

P = Daya nominal motor (kW) fc = Faktor koreksi daya

Momen puntir yang direncanakan pada poros pengaduk dapat dihitung dengan rumus :

Pd =

1000� �(2��1 60)

102 ... Pers 5 Dimana :

T = momen puntir rencana ( kg . mm)

Pd = daya perencanaan (kW)

n1 = putaran normal (rpm)

Menghitung besarnya τa (tegangan geser yang diijinkan) untuk pemakaian umur pada poros dapat diperoleh dengan cara:

τa =

��

��1���2

... Pers 6

dimana : τa = tegangan geser yang diijinkan (kg/mm2)

= kekuatan tarik bahan poros adalah stainless steel (81,55 kg/mm2)

��1 = faktor keamanan yang diambil ��2 = faktor keamanan yang diambil

Merencanakan Diameter poros pengaduk, Untuk merencanakan diameter poros pengaduk dapat dihitung dengan cara :

ds = �

5,1

�� �� Cb �� 1/3

……… Pers 7 dimana : � = Faktor koreksi yang dipilih adalah 1,0


(36)

Cb = Faktor koreksi yang dipilih adalah 1,2

� = momen puntir ()

ds = diameter poros motor (mm)

τa = tegangan geser yang diijinkan (kg/mm2)

Peralatan pencampur dapat dibagi atau diklasifikasikan atas beberapa kategori, yaitu:

1. Berdasarkan jenis bahan yang dicampur yaitu alat pencampur liquid, alat pencampur padat, dan alat pencampur pasta

2. Berdasarkan jenis agitator, yaitu double cone mixer, ribbon blender, planetary mixers, dan propeller mixers.

2.1.2 Alat Pencampur Bahan Cair/liquid

Bahan cair diaduk untuk mencapai beberapa maksud, diantaranya (Mc Cabe et al,1985) :

a. Mensuspensikan partikel padatan.

b. Menggabungkan bahan cair yang dapat saling bercampur. c. Mendispersikan gas dalam bentuk gelembung halus.

d. Mendispersikan bahan cair lain yang tidak dapat bercampur. e. Meningkatkan pindah panas antara bahan cair dan sumber panas.

Pengadukan bahan cair umumnya dilakukan dalam suatu bejana, biasanya berbentuk silinder, yang memiliki sumbu vertikal. Bagian atas dari bejana bisa terbuka terhadap udara atau dapat juga tertutup. Dasar bejana pada umumnya dicekungkan, artinya tidak rata, agar tidak dihindari adanya sudut atau bagian yang tidak bisa dipenetrasi oleh aliran fluida. Sebuah pengaduk (impeller) terakit pada sumbu yang menggantung ke atas. Sumbu ini digerakkan oleh motor listrik yang kadang-kadang langsung dihubungkan ke sumbu tetapi lebih sering melalui kotak gear pengurang kecepatan. Perlengkapan tambahan seperti jalur masuk atau keluar bahan, coil pemanas, jaket atau termometer rendam atau alat pengukur suhu lainnya merupakan komponen tetap alat pencampur bahan cair ini.


(37)

Tiga tipe utama impeller adalah propeller (baling-baling), paddles (pedal), dan turbin. Setiap tipe memiliki banyak variasi dan subtipe. Sekalipun masih terdapat tipe impeller lain yang juga berguna untuk situasi tertentu, akan tetapi ketiga tipe tersebut mungkin dapat mengatasi 95% masalah pencampuran bahan cair yang ada. Untuk pencampuran liquid, propeller mixer adalah jenis yang paling umum dan paling memuaskan.Alat ini terdiri dari tangki silinder yang dilengkapi dengan propeller/ blades beserta motor pemutar.

Bentuk propeller, impeller, blades didesain sedemikian rupa untuk efektifitas pencampuran dan disesuaikan dengan viskositas fluid. Pada jenis alat pencampur ini diusahakan untuk dihindari tipe aliran monoton yang berputar melingkari dinding tangki , penambahan sekat-sekat (baffles) pada dinding tangki juga dapat menciptakan pengaruh pengadukan, namun menimbulkan masalah karena sulit membersihkannya.

2.1.3 Alat Pencampur Bahan Padat

Pada umumnya, untuk mencampur bahan-bahan berpartikel padat digunakan mesin pencampur yang lebih ringan dari pada bahan viscous.Dalam hal ini digunakan ribbon blender dan double cone mixers. Ribbon blender terdiri dari silinder horizontal yang di dalamnya dilengkapi dengan ”screw” berputar dan pengaduk pita berbentuk heliks. Dua pita yang bergerak berlawanan dirakit pada sumbu yang sama. Yang satu menggerakkan padatan perlahan kesatu arah, sedangkan yang lain menggerakkannya dengan cepat ke arah lain. Pita-pita bisa kontinyu maupun terputus-putus. Pencampuran dihasilkan oleh turbulensi yang diinduksi oleh pengaduk yang beraksi berlawanan, jadi tidak oleh gerakan lamban padatan sepanjang rongga aduk. Beberapa ribbon blender beroperasi secara batch yaitu dengan membuat padatan sekaligus dan mengaduknya sampai tercampur rata. Ribbon blender tipe lain bekerja secara kontinue yaitu bahan padatan diumpankan pada salah satu ujung rongga aduk dan dikeluarkan pada ujung lainnya. Ribbon blender adalah pencampur yang efektif untuk tepung – tepungan yang tidak mengalir dengan sendirinya. Beberapa unit batch memiliki kapasitas yang sangat besar sehingga mampu memuat sampai 9000 galon bahan padat. Kebutuhan daya umumnya berukuran sedang.


(38)

Hal ini sesuai dengan pendapat Handoko (1992), yang menyatakan bahwa satu prinsip penerapan untuk mencampur bahan dengan viskositas yang tinggi dan berbentuk pasta adalah kinerja yang tergantung pada kontak langsung antara material pencampur dengan bahan yang akan dicampur. Untuk bahan dengan viskositas tinggi dan berbentuk pasta ini banyak menggunakan model pencampur seperti:pencampur tipe pancim, pencampur dengan pisau berbentuk z.

Planetery mixer merupakan alat pencampur bahan padat yang bekerja berdasarkan perputaran planet dimana beater berputar mengitari bowl sedangkan bowl tidak berputar sehingga menghasilkan adonan yang lembut dan merata. Aplikasi alat ini adalah pada industri bakery (roti dan kue).

Double cone blender adalah alat pencampur yang terdiri dari 2 kerucut yang berputar pada porosnya, jika kerucut berputar maka tepung granula berada di dalam granula yang berada di dalam volume kerucut akan teragitasi dan tercampur. Pencampuran tipe ini memerlukan energi dan tenaga yang lebih besar. Oleh karena itu diperhatikan jangan sampai energi yang dikonsumsi diubah menjadi panas yang dapat menyebabkan terjadinya kenaikan temperatur dari produk. Jenis alat pencampur adonan kadang-kadang harus dilengkapi dengan alat pendingin.

Yang umum ditemui yaitu kneader yang berbentuk sigmoid yang berputar didalam suatu ”can” atau ”vessel” dengan berbagai kecepatan. Prinsip dari alat ini adalah disamping mencampur juga mengadon yaitu membagi, mematahkan dan selalu membuat luas permukaan yang baru sesering mungkin terhadap adonan. 2.1.4 Alat Pencampur Bahan Pasta/Viscous

Dibandingkan dengan pencampuran pada bahan cair, proses pencampuran pada bahan viscous memerlukan tenaga yang lebih banyak. Hal ini disebabkan oleh kenyataan bahwa pada bahan viscous dan juga bahan padat tidak mungkin terbentuk aliran yang dapat memindahkan bagian yang belum tercampur ke daerah pencampuran di sekitar impeller seperti pada pengadukan bahan cair.

Pada pencampuran bahan viscous seluruh bahan yang akan dicampur harus dibawa ke pengaduk atau pengaduknya sendiri yang mendatangi seluruh


(39)

bagian campuran. Aksi pada mesin-mesin pencampuran merupakan kombinasi shear berkecepatan rendah, penyapuan (wiping), pelipatan (folding), pelemasan (stretching), dan penekanan (compressing). Energi mekanik diaplikasikan oleh komponen-komponen yang bergerak langsung pada massa bahan.

Diantara mesin pencampur pasta yang relatif dikenal adalah change - can mixer dan kneaders. Change-can mixer merupakan alat yang memiliki wadah kecil dan dapat dipindah – pindahkan sebagai tempat bahan yang akan dicampur. Wadah ini berukuran sekitar 5 – 10 galon. Pada pony mixer, pengaduk terdiri dari beberapa bilah vertical atau jari yang terpasang pada head yang berputar dan diletakkan di dekat dinding wadah. Pada beater mixer, wadah atau bejana bersifat stationer. Pengaduknya memiliki gerakan melingkar sehingga ketika berputar secara berulang mendatangi seluruh bagian dari bejana.

Gerakan pencampuran pada mixer bahan baik secara horizontal maupun secara vertikal tersebut dapat bervariasi bergantung dari jenis pengaduk/ propeller yang digunakan, sehingga hasil yang didapat akan bervariasi pula. Peralatan Pencampur dengan menggunakan satu pengaduk/ propeller biasanya digunakan untuk mengaduk bahan dengan viskositas rendah, sedangkan peralatan pengaduk dengan lebih dari satu propeller digunakan untuk mengaduk bahan dengan viskositas tinggi.

2.2 Jenis Pengaduk (Impeller)

Pengaduk dalam tangki memiliki fungsi sebagai pompa yang menghasilkan laju volumetrik tertentu pada tiap kecepatan putaran dan input daya. Input daya dipengaruhi oleh geometri peralatan dan fluida yang digunakan. Profil aliran dan derajat turbulensi merupakan aspek penting yang mempengaruhi kualitas pencampuran. Rancangan pengaduk sangat dipengaruhi oleh jenis aliran, laminar atau 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, 1988].

Pencampuran di dalam tangki pengaduk terjadi karena adanya gerak rotasi dari pengaduk dalam fluida. Gerak pengaduk ini memotong fluida tersebut dan


(40)

dapat menimbulkan arus yang bergerak keseluruhan sistem fluida tersebut. Oleh sebab itu, pengaduk merupakan bagian yang paling penting dalam suatu operasi pencampuran fasa cair dengan tangki pengaduk. Pencampuran yang baik akan diperoleh bila diperhatikan bentuk dan dimensi pengaduk yang digunakan, karena akan mempengaruhi keefektifan proses pencampuran, serta daya yang diperlukan. Menurut aliran yang dihasilkan, pengaduk dapat dibagi menjadi tiga golongan: 1. Pengaduk aliran aksial yang akan menimbulkan aliran yang sejajar dengan

sumbu putaran.

2. Pengaduk aliran radial yang akan menimbulkan aliran yang berarah tangensial dan radial terhadap bidang rotasi pengaduk. Komponen aliran tangensial menyebabkan timbulnya vortex dan terjadinya pusaran, dan dapat dihilangkan dengan pemasangan baffle atau cruciform baffle.

3. Pengaduk aliran campuran yang merupakan gabungan dari kedua jenis pengaduk di atas. Menurut bentuknya, pengaduk dapat dibagi menjadi 3 golongan:Propeller, Turbine, Paddles.

Gerakan pencampuran pada mixer bahan baik secara horizontal maupun secara vertikal tersebut dapat bervariasi bergantung dari jenis pengaduk yang digunakan, sehingga hasil yang didapat akan bervariasi pula. Peralatan Pencampur dengan menggunakan satu pengaduk biasanya digunakan untuk mengaduk bahan dengan viskositas rendah, sedangkan peralatan pengaduk dengan lebih dari satu propeller digunakan untuk mengaduk bahan dengan viskositas tinggi. Untuk merencanakan Luas kipas dapat dicari dengan menggunakan rumus;

V = P x Lx t... Pers 8

Di mana;

P = Panjang kipas pengaduk (mm) L = Lebar kipas pengaduk (mm) t = Tebal kipas pengaduk (mm)

Pemilihan pengaduk (impeller) yang tepat menjadi salah satu faktor penting dalam menghasilkan proses dan pencampuran yang efektif. Pengaduk jenis


(41)

baling-baling (propeller) dengan aliran aksial dan pengaduk jenis turbin dengan aliran radial menjadi pilihan yang lazim dalam pengadukan dan pencampuran. Secara umum, terdapat empat jenis pengaduk yang biasa digunakan, yaitu pengaduk baling–baling (propeller), pengaduk turbin (turbine), pengaduk dayung (paddle)

2.2.1 Pengaduk jenis baling-baling (Propeller)

Kelompok ini biasa digunakan untuk kecepatan pengadukan tinggi dengan arah aliran aksial. Pengaduk ini dapat digunakan untuk cairan yang memiliki viskositas rendah dan tidak bergantung pada ukuran serta bentuk tangki. Kapasitas sirkulasi yang dihasilkan besar dan sensitif terhadap beban head. Dalam perancangan propeller, luas sudu biasa dinyatakan dalam perbandingan luas area yang terbentuk dengan luas daerah disk. Nilai nisbah ini berada pada rentang 0.45 sampai dengan 0.55.

Pengaduk propeler terutama menimbulkan aliran arah aksial, arus aliran meninggalkan pengaduk secara kontinu melewati fluida ke satu arah tertentu sampai dibelokkan oleh dinding atau dasar tangki. Ada beberapa jenis pengaduk atau impeller yang biasa digunakan, yaitu:

a. Marine propeller b. Hydrofoil propeller c. High flow propeller


(42)

Baling-baling ini digunakan pada kecepatan berkisar antara 400 hingga 1750 rpm (revolutions per minute) dan digunakan untuk cairan dengan viskositas rendah.

Menghitung gaya pada sudu pengaduk, Gaya atau kakaks adalah apapun yang dapat menyebabkan sebuah benda bermassa mengalami percepatan. gaya sentripetal adalah gaya yang membuat benda bergerak melingkar, sehingga pada perencanaan ini dapat dihitung gaya sentripetal yang terjadi pada pengaduk.

Untuk menghitung Gaya sentripetal (fs) pada sudu poros penggerak dari pengaduk,adalah sebagai berikut:

Fs = m.as (Newton) ... pers 9 Fs = – m�2

� � dengan r = � �

untuk mencari percepatan sentripetal (as) pada pengaduk : as = �

2

(m/s

2

) ... pers 10

dimana :

v = kecepatan linier pengaduk ( m/s) r = jari – jari pengaduk (blade) (m) Kecepatan linier (v) pengaduk dapat dihitung :

v = ���

60 (m/s) ... pers 11 dimana:

d = diameter pengaduk ( m)


(43)

2.2.2 Pengaduk Jenis Dayung (Paddle)

Pengaduk jenis ini sering memegang peranan penting pada proses pencampuran dalam industri. Bentuk pengaduk ini memiliki minimum 2 sudu, horizontal atau vertical, dengan nilai D/T yang tinggi. Paddle digunakan pada aliran fluida laminar, transisi atau turbulen tanpa baffle.

Pengaduk padel menimbulkan aliran arah radial dan tangensial dan hamper tannpa gerak vertikal sama sekali. Arus yang bergerak ke arah horisontal setelah mencapai dinding akan dibelokkan ke atas atau ke bawah. Bila digunakan pada kecepatan tinggi akan terjadi pusaran saja tanpa terjadi agitasi.

Berbagai jenis pengaduk dayung biasanya digunakan pada kecepatan rendah diantaranya 20 hingga 200 rpm. Dayung datar berdaun dua atau empat biasa digunakan dalam sebuah proses pengadukan. Panjang total dari pengadukan dayung biasanya 60 - 80% dari diameter tangki dan lebar dari daunnya 1/6 - 1/10 dari panjangnya. Beberapa jenis paddle yaitu:

a. Paddle anchor

b. Paddle flat beam – basic c. Paddle double – motion d. Paddle gate

e. Paddle horseshoe

f. Paddle glassed steel (used in glass-lined vessels) g. Paddle finger

h. Paddle helix i. Multi paddle


(44)

Pengaduk dayung menjadi tidak efektif untuk suspensi padatan, karena aliran radial bisa terbentuk namun aliran aksial dan vertikal menjadi kecil.Sebuah dayung jangkar atau pagar, yang terlihat pada gambar 6 biasa digunakan dalam pengadukan.Jenis ini menyapu dan mengeruk dinding tangki dan kadang-kadang bagian bawah tangki. Jenis ini digunakan pada cairan kental dimana endapan pada dinding dapat terbentuk dan juga digunakan untuk meningkatkan transfer panas dari dan ke dinding tangki. Bagaimanapun jenis ini adalah pencampuran yang buruk. Pengaduk dayung sering digunakan untuk proses pembuatan pasta kanji, cat, bahan perekat dan kosmetik.

2.2.3 Pengaduk jenis Turbin (turbine)

Istilah turbine ini diberikan bagi berbagai macam jenis pengaduk tanpa memandang rancangan, arah discharge ataupun karakteristik aliran. Turbine merupakan pengaduk dengan sudut tegak datar dan bersudut konstan. Pengaduk jenis ini digunakan pada viskositas fluida rendah seperti halnya pengaduk jenis propeller [Uhl & Gray, 1966]. Pengaduk turbin menimbulkan aliran arah radial dan tengensial. Di sekitar turbin terjadi daerah turbulensi yang kuat, arus dan geseran yang kuat antar fluida. Salah satu jenis pengaduk turbine adalah pitched blade. Pengaduk jenis ini memiliki sudut sudu konstan. Aliran terjadi pada arah aksial, meski demikian terdapat pule aliran pada arah radial. Aliran ini akan mendominasi jika sudu berada dekat dengan dasar tangki.

Pengaduk turbin 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 diameter tangki. Turbin biasanya memiliki empat atau enam daun pengaduk.

Turbin dengan daun yang datar memberikan aliran yang radial. Jenis ini juga berguna untuk dispersi gas yang baik, gas akan dialirkan dari bagian bawah pengaduk dan akan menuju ke bagian daun pengaduk lalu tepotong-potong menjadi gelembung gas. Beberapa jenis turbin yaitu:

a. Turbine disc flat blade


(45)

c. Turbine disc mounted curved blade d. Turbine pitched blade

e. Turbine bar f. Turbine shrouded

Gambar 2.5 Pengaduk Turbin pada bagian variasi

Pada turbin dengan daun yang dibuat miring sebesar 450, seperti yang terlihat pada Gambar 3, 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 daun miring digunakan dalam suspensi padat.Pengaduk dengan aliran aksial menghasilkan pergerakan fluida yang lebih besar dan pencampuran per satuan daya dan sangat berguna dalam suspensi padatan.

2.3 Kecepatan Pengadukan

Komponen radial dan tangensial terletak pada daerah horizontal dan komponen longitudinal pada daerah vertikal untuk kasus tangkai tegak (vertical shaft). Komponen radial dan longitudinal sangat berguna untuk penentuan pola aliran yang diperlukan untuk aksi pencampuran (mixing action). Pengadukan pada kecepatan tinggi ada kalanya mengakibatkan pola aliran melingkar di sekitar pengaduk. Gerakan melingkar tersebut dinamakan vorteks.

Vorteks dapat terbentuk di sekitar pengaduk ataupun di pusat tangki yang tidak menggunakan baffle. Fenomena ini tidak diinginkan dalam industri karena beberapa alasan. Pertama: kualitas pencampuran buruk meski fluida berputar dalam tangki. Hal ini disebabkan oleh kecepatan sudut pengaduk dan fluida sama. Kedua udara dapat masuk dengan mudahnya ke dalam fluida karena tinggi fluida di pusat tangki jatuh hingga mencapai bagian atas pengaduk. Ketiga, adanya


(46)

vorteks akan mengakibatkan naiknya permukaan fluida pada tepi tangki secara signifikan sehingga fluida tumpah.

Salah satu variasi dasar dalam proses pengadukan dan pencampuran adalah kecepatan putaran pengaduk yang digunakan. Variasi kecepatan putaran pengaduk bisa memberikan gambaran mengenai pola aliran yang dihasilkan dan daya listrik yang dibutuhkan dalam proses pengadukan dan pencampuran. Secara umum klasifikasi kecepatan putaran pengaduk dibagi tiga, yaitu : kecepatan putaran rendah, sedang dan tinggi.

2.3.1 Kecepatan Putaran Rendah

Kecepatan rendah yang digunakan berkisar pada kecepatan 100 rpm. Pengadukan dengan kecepatan ini umumnya digunakan untuk minyak kental, lumpur dimana terdapat serat atau pada cairan yang dapat menimbulkan busa. Jenis pengaduk ini meghasilkan pergerakan batch yang empurna dengan sebuah permukaan fluida yang datar untuk menjaga temperatur atau mencampur larutan dengan viskositas dan gravitasi spesifik yang sama.

2.3.2 Kecepatan Putaran Sedang

Kecepatan sedang, berkisar pada kecepatan 1150 rpm. Pengaduk dengan kecepatan ini umumnya digunakan untuk larutan sirup kental dan minyak pernis. Kecepatan rendah, berkisar pada kecepatan 400 rpm. Pengaduk dengan kecepatan ini umumnya digunakan untuk minyak kental, lumpur di mana terdapat serat atau pada cairan yang dapat menimbulkan busa. Untuk menjamin keamanan proses, pengaduk dengan kecepatan lebih tinggi dari 400 rpm sebaiknya tidak digunakan untuk cairan dengan viskositas lebih besar dari 200 cP, atau volume cairan lebih besar dari 2000 L. Pengaduk dengan kecepatan lebih besar dari 1150 rpm sebaiknya tidak digunakan untuk cairan dengan viskositas lebih besar dari 50 cP atau volume cairan lebih besar dari 500 L. Kecepatan pengaduk ditentukan oleh viskositas fluida dan ukuran geometri sistem pengadukan.

Kecepatan sedang yang digunakan berkisar pada kecepatan 1150 rpm. Pengaduk dengan kecepatan ini umumnya digunakan untuk larutan sirup kental dan minyak pernis. Jenis ini paling sering digunakan untuk meriakkan permukaan pada viskositas yang rendah, mengurangi waktu pencampuran, mencampuran


(47)

larutan dengan viskositas yang berbeda dan bertujuan untuk memanaskan atau mendinginkan.

2.3.3 Kecepatan Putaran Tinggi

Kecepatan tinggi yang digunakan berkisar pada kecepatan 1750 rpm. Pengaduk dengan kecepatan ini umumnya digunakan untuk fluida dengan viskositas rendah misalnya air. Tingkat pengadukan ini menghasilkan permukaan yang cekung pada viskositas yang rendah dan dibutuhkan ketika waktu pencampuran sangat lama atau perbedaan viskositas sangat besar.

2.4 Jumlah Pengaduk

Penambahan jumlah pengaduk yang digunakan pada dasarnya untuk tetap menjaga efektifitas pengadukan pada kondisi yang berubah. Ketinggian fluida yang lebih besar dari diameter tangki, disertai dengan viskositas fluida yang lebih besar dan diameter pengaduk yang lebih kecil dari dimensi yang biasa digunakan, merupakan kondisi dimana pengaduk yang digunakan lebih dari satu buah, dengan jarak antara pengaduk sama dengan jarak pengaduk paling bawah ke dasar tangki. Penjelasan mengenai kondisi pengadukan dimana lebih dari satu pengaduk yang digunakan dapat dilihat dalam Tabel 2.1

Tabel 2.1. Kondisi untuk pemilihan pengaduk (sumber:Hardjomidjoo,1992)

Satu Pengaduk Dua Pengaduk

Fluida dengan viskositas rendah Fluida dengan viskositas sedang dang tinggi

Pengaduk menyapu dasar tangki Pengaduk pada tangki yang dalam

Kecepatan balik aliran yang tinggi Gaya gesek aliran besar

Ketinggian permukaan cairan yang bervariasi


(48)

2.4.1 Pemilihan Jenis Pengaduk

Viskositas dari cairan adalah salah satu dari beberapa faktor yang mempengaruhi pemilihan jenis pengaduk. Indikasi dari rentang viskositas pada setiap jenis pengaduk adalah :

a. Pengaduk jenis baling-baling digunakan untuk viskositas fluida di bawah Pa.s (3000 cP).

b. Pengaduk jenis turbin bisa digunakan untuk viskositas di bawah 100 Pa.s (100.000 cp).

c. Pengaduk jenis dayung yang dimodifikasi seperti pengaduk jangkar bisa digunakan untuk viskositas antara 50 - 500 Pa.s (500.000 cP)

d. Pengaduk jenis pita melingkar biasa digunakan untuk viskositas di atas 1000 Pa.s dan telah digunakan hingga viskositas 25.000 Pa.s. Untuk viskositas lebih dari 2,5 - 5 Pa.s (5000 cP) dan diatasnya, sekat tidak diperlukan karena hanya terjadi pusaran kecil.

Gambar 2.6 Pola aliran yang dihasilkan oleh jenis-jenis pengaduk yang berbeda, (a) Impeller, (b) Propeller, (c) Paddle dan (d) Helical ribbon

Tabel 2.2 Daerah Penggunaan Berbagai Tipe Pengaduk Berdasarkan Viskositas (Sumber:Demal didalam Hardjomidjoo,1992)

Tipe Pengaduk

Viscositas (Centipoises)

10 -4 10-3 10-2 10-1 10-0 101 102 Heliks Berulir

Paddle Propeller


(49)

Turbin Keterangan :

Proses Batch

Dari tabel 2.2. Pada Gambar dibawah diperlihatkan pembagian (daerah kegunaan) Tipe Pengaduk berdasarkan viskositas. Pengaduk turbin dapat diguanakan pada kisaran viskositas 0,0001 - 5 Pa.s, sedangkan pengaduk baling - balig (propeller) dapat berkisar 0,0001 - 1 Pa.s

Propeller, turbine dan paddle secara umum digunakan pada sistem yang kekentalannya rendah dan beroperasi pada putaran dengan kecepatan tinggi. Kecepatan dari tipe turbine berada pada 3 m/s. Propeller memiliki kecepatan lebih cepat dan paddle lebih rendah dari tipe turbine.

Secara umum dapat dikelompokkan bahwa propeller, turbine, dan paddle digunakan untuk mencampur dengan kekentalan rendah, campuran antara cairan dengan cairan, membubarkan gas dalam cairan dengan kekentalan rendah, menyingkirkan benda padat pada cairan dengan kekentalan yang rendah. Untuk anchor, helical ribbon dan helical screw digunakan untuk mencampur dengan kekentalan tinggi.

2.5 Aliran Fluida

Fluida adalah suatu zat yang dapat mengalir bisa berupa cairan atau gas.. Pemakaian mekanika kepada medium kontinyu, baik benda padat maupun fluida adalah didasari pada hukum gerak newton yang digabungkan dengan hukum gaya yang sesuai.

Salah satu cara untuk menjelaskan gerak suatu fluida adalah dengan membagi –bagi fluida tersebut menjadi elemen volume yang sangat kecil yang dapat dinamakan partikel fluida dan mengikuti gerak masing-masing partikel ini. Suatu massa fluida yang mengalir selalu dapat dibagi-bagi menjadi tabung aliran, bila aliran tersebut adalah tunak, waktu tabung-tabung tetap tidak berubah bentuknya dan fluida yang pada suatu saat berada didalam sebuah tabung akan


(50)

tetap berada dalam tabung ini seterusnya. Kecepatan aliran didalam tabung aliran adalah sejajar dengan tabung dan mempunyai besar berbanding terbalik dengan luas penampangnya. (pantar,s, 1997)

2.5.1 Macam Aliran fluida

Aliran dapat diklasifikasikan (digolongkan) dalam banyak jenis seperti: turbulen, laminar, nyata, ideal, mampu balik, tak mampu balik, seragam, tak seragam, rotasional, tak rotasional. Aliran fluida terdapat dua jenis aliran yaitu :

1. Aliran laminer 2. Aliran turbulensi

Cairan dengan rapat massa yang akan lebih mudah mengalir dalam keadaan laminer. Dalam aliran fluida perlu ditentukan besarannya, atau arah vektor kecepatan aliran pada suatu titik ke titik yang lain. Agar memperoleh penjelasan tentang medan fluida, kondisi rata-rata pada daerah atau volume yang kecil dapat ditentukan dengan instrument yang sesuai.

Pengukuran aliran adalah untuk mengukur kapasitas aliran, massa laju aliran, volume aliran. Pemilihan alat ukur aliran tergantung pada ketelitian, kemampuan pengukuran, harga, kemudahan pembacaan, kesederhanaan dan keawetan alat ukur tersebut. Dalam pengukuran fluida termasuk penentuan tekanan, kecepatan, debit, gradien kecepatan, turbulensi dan viskositas. Terdapat banyak cara melaksanakan pengukuran – pengukuran , misalnya : langsung, tak langsung, gravimetrik, volumetrik, elektronik, elektromagnetik dan optik. Pengukuran debit secara langsung terdiri dari atas penentuan volume atau berat fluida yang melalui suatupenampang dalam suatu selang waktu tertentu.

Metoda tak langsung bagi pengukuran debit memerlukan penentuan tinggi tekanan, perbedaan tekanan atau kecepatan dibeberapa di titik pada suatu penampang dan dengan besaran perhitungan debit. Metode pengukuran aliran yang paling teliti adalah penentuan gravimerik atau penentuan volumetrik dengan berat atau volume diukur atau penentuan dengan mempergunakan tangki yang dikalibrasikan untuk selang waktu yang diukur.


(51)

Pada prinsipnya besar aliran fluida dapat diukur melalui : 1. Kecepatan (velocity)

2. Berat (massanya)

3. Luas bidang yang dilaluinya 4. Volumenya.

2.5.2 Pola Alir Liquid

Impeller Pitch Blade Turbine ( PBT ) adalah tipe impeller dengan aliran aksial, sirkulasi aliran beroperasi secara pumping down dan pumping up yang mana seringkali digunakan. Menurut Nurtono,et,al ( 2009 ). Aliran yang dihasilkan oleh pumping down PBT terdapat tiga pola aliran yang dikenali yaitu:

1. Double Circulation ( DC )

Pada Pola DC terdapat dua circulation loops, yang utama melalui daerah dintara blades dan yang kedua dekat dengan dasar tangki. Pola ini dipertimbangkan sebagai aliran rata – rata dari impeller PBT. Dua loops dihasilkan dari jet yang diinduksi oleh impeller, mengenai dinding yangki dibawah ketinggian impeller sebelum akhirnya terpisah menjadi dua aliran. Satu langsung turun dan dipantulkan oleh dasar tangki, menjadi loop kedua. Aliran lain bergerak secara aksial mendekati dinding samping dari tangki, dan kemudian kembali pada impeller shaft, mengalir turun menuju impeller menjadi loop utama.

2. Full Circulation Discharge ( FC )

Pada Pola FC menggambarkan dimana impeller menghasilkan pumping down circulation loop yang hampir terjadi diseluruh tangki.

3. Main Circulation Interaction ( IP )

Pada Pola IP menggambarkan aliran yang berpotongan melalui sumbu axis dari tangki. Bagian dari loop kedua yang mengalir diatas dasar tangki berpotongan terhadap boundary diantara loop utama dan kedua pada sisi yang berseberangan.


(52)

2.5.3 Parameter Hidrodinamika dalam Tangki Berpengaduk

Menurut Geankoplis ( 2003 ), dalam suatu peningkatan skala pada tangki berpengaduk, jika kesamaan geometrik peralatan skala kecil ke skala besar dipertahankan pada kondisi yang sama , maka bagian – bagian yang relevan dengan perilaku cairan dalam tangki berpengaduk adalah tenaga yang digunakan untuk agitasi ( P ) dan kecepatan putar pengaduk ( N ). Konsumsi energi oleh tangki berpengaduk digambarkan dengan Bilangan Power ( Power Number ). Bilangan Power merupakan bilangan yang tak berdimensi yang diperoleh dengan persamaan:

Np = �

⍴�35 ...pers12 Dimana :

Np = Bilangan Power

N = Putaran Pengaduk (rpm) D = Diameter Pengaduk (mm) P = Daya

Pergerakan cairan di dalam tangki berpengaduk dapat digambarkan dengan bilangan tak berdimensi lain, yaitu bilangan reynolds ( N Re ). Bilangan Reynolds merupakan rasio antara inersia dengan kekentalan. Bilangan Reynolds ( N Re ) didefinisikan sebagai berikut :

N Re = ⍴�� 2

η ...pers13 Dimana:

N Re = Bilangan Reynold

η = Kekentalan ( kg/m.detik)

⍴ = Densitas cairan dalam tangki ( kg/m3) N = Putaran Pengaduk (Rpm)


(53)

Bilangan tak berdimensi ini menunjukkan perbandingan antara gaya inersia dengan gaya gravitasi. Bilangan Fraude dapat dihitung dengan persamaan berikut :

Fr = �2

��= (��)2

�� = �2

� ...pers14

Dimana:

Fr = Bilangan Fraude

N = Kecepatan putaran pengaduk (Rpm) D = Diameter pengaduk (m)

g = Percepatan gravitasi (m/s2)

Bilangan Fraude bukan merupakan variabel yang signifikan. Bilangan ini hanya diperhitungkan pada sistem pengadukan dalam tangki tidak bersekat. Pada sistem ini bentuk permukaan cairan dalam tangki akan dipengaruhi gravitasi sehinggamembentuk pusaran ( vortex ). Vorteks menunjukkan keseimbangan antara gaya gravitasi dengan gaya inersia.

Menurut Galletti et al. (2004) hubungan antara Bilangan Power ( Np ) dengan Bilangan Reynolds ( N Re ) biasanya digunakan untuk menggambarkan hubungan antara konsumsi energi dengan kecepatan pengadukan. Hubungan ini digambarkan dalam bentuk kurva tenaga ( power – curve ). Kurva ini diperoleh dengan cara memplotkan nilai – nilai Np dan N Re berdasarkan data hasil percobaan yang meragamkan nilai kecepatan pengaduk ( N ), diameter pengaduk (

D ), densitas (Ρ ), dan viskositas (η ) cairan pada tiap – tiap pengaduk yang mempunyai kesamaan geometrik tertentu.

2.6 Polietilena

Polietilena adalah bahan termoplastik yang digunakan secara luas oleh konsumen sebagai produk kantung plastik. Polietilena adalah polimer yang terdiri dari rantai panjang monomer. Di industri polietilena disingkat dengan PE molekul etana C2H4 adalah CH2 = CH2. Dua grup CH2 bersatu dengan ikatan ganda.


(54)

Polietilena dibentuk melalui proses polimerisasi dari etena. Bisa diproduksi melalui proses polimerisasi radikal, adisi ionik, adisi anionik, adisi kationik dan ion koordinasi. Setiap metode menghasilkan PE yang berbeda.

Gambar 2.7 Struktur Etilen dan Polietilena

Polietilena pertama kali disintesis oleh ahli kimia Jerman bernama Hans von Pechmann yang melakukannya secara tidak sengaja pada tahun 1989 ketika sedang memanaskan diazometana. Ketika koleganya, Euger Bamberger dan Friedrich Tschirner mencari tahu tentang substansi putih, berlilin, mereka mengetahui bahwa yang ia buat mengandung rantai panjang -CH2- dan menamakannya polimetilena.

Kegiatan sintesis polietilena secara industri pertama kali dilakukan, lagi-lagi, secara tidak sengaja, oleh Eric Fawcett dan Reignald Gibson pada tahun 1993 di fasilitas ICI di Northwich, Inggris. Ketika memperlakukan campuran etilena dan benzaldehida pada tekanan yang sangat tinggi, mereka mendapatkan substansi yang sama seperti yang didapatkan oleh Pechmann. Reaksi di inisiasi oleh keberadaan oksigen dalam reaksi sehingga sulit mereproduksinya pada saat itu. Namun, Micheal Perrin, ahli kimia ICI lainnya, berhasil mensintesisnya sesuai harapan pada tahun 1935, dan pada tahun 1939 industri LDPE pertama dimulai. 2.6.1 Sifat – Sifat Polietilena

Berdasarkan kristalinitas dan massa molekul, titik leleh, dan transisi gelas sulit melihat sifat fisik polietilena. Temperatur titik tersebut sangat bervariasi bergantung pada tipe polietilena. Pada tingkat komersil, polietilena berdensitas menengah dan tinggi, titik lelehnya berkisar 120oC hingga 135oC. Titik leleh polietilena berdensitas rendah berkisar 105oC hingga 115oC. Kebanyakan LDPE, MDPE, dan HDPE mempunyai tingkat resistansi kimia yang sangat baik dan tidak


(55)

larut pada temperatur ruang karena sifat kristalinitas mereka. Polietilena umumnya bisa dilarutkan pada temperatur yang tinggi dalam hidrokarbon aromatik seperti toluena, xilena, atau larutan terklorinasi seperti triklorometana atau triklorobenzena.

2.6.2 Jenis Polietilena

Polietilena terdiri dari berbagai jenis berdasarkan kepadatan dan percabangan molekul. Sifat mekanis dari polietilena bergantung pada tipe percabangan, struktur kristal, dan berat molekulnya.

1. Polietilena bermassa molekul sangat tinggi (Ultra High Molecular Weight Polyethylene atau UHMWPE)

2. Polietilena bermassa molekul sangat rendah (Ultra Low Molecular Weight Polyethylene atau ULMWPE)

3. Polietilena bermassa molekul tinggi (High Molecular Weight Polyethylene atau HMWPE)

4. Polietilena berdensitas tinggi (High Density Polyethylene atau HDPE) 5. Polietilena cross-linked berdensitas tinggi (High Density Cross-Linked

Polyethylene atau HDXLPE)

6. Polietilena cross-linked (Cross-Linked Polyethylene atau XLPE)

7. Polietilena berdensitas menengah (Medium Density Polyethylene atau MDPE)

8. Polietilena berdensitas rendah (Low Density Polyethylene atau LDPE) 9. Polietilena linier berdensitas rendah (Linear Low Density Polyethylene

atau LLDPE)

10.Polietilena berdensitas sangat rendah (Very Low Density Polyethylene atau VLDPE).

2.6.3 Polietilena Berdensitas Rendah atau LDPE

Polietilena berdensitas rendah (low density polyethylene, LDPE) adalah termoplastik yang terbuat dari minyak bumi. Pertama kali diproduksi oleh Imperial Chemical Industries (ICI) pada tahun 1933 menggunakan tekanan tinggi dan polimerisasi radikal. LDPE dapat didaur ulang, dan memiliki nomor 4 pada


(56)

LDPE dicirikan dengan densitas antara 0.910 - 0.940 g/cm3 dan tidak reaktif pada dapat menyebabkan kerusakan. LDPE dapat bertahan pada temperatur 90 oC dalam waktu yang tidak terlalu lama. LDPE memiliki lebih banyak dari pada HDPE sehingga

LDPE dapat didaur ulang, dan memiliki nomor 4 pada simbol daur ulang. LDPE dicirikan dengan densitas antara 0.910 – 0.940 g/cm3 dan tidak reaktif pada suhu kamar, kecuali oleh oksidator kuat dan beberapa jenis pelarut dapat menyebabkan kerusakan. LDPE dapat bertahan pada temperatur 90 oC dalam waktu yang tidak terlalu lama.

LDPE memiliki percabangan yang banyak, lebih banyak dari pada HDPE sehingga gaya antar molekulnya rendah. Ketahanan LDPE terhadap bahan kimia diantaranya:

1. Tak ada kerusakan dari asam, basa, alkohol, dan ester

2. Kerusakan kecil dari keton, aldehida, dan minyak tumbuh-tumbuhan 3. Kerusakan menengah dari hidrokarbon alifatik, aromatik dan oksidator. 4. Kerusakan tinggi pada hidrokarbon terhalogenisasi.

Ketahanan LDPE terhadap bahan kimia diantaranya:

1. Tak ada kerusakan dari

2. Kerusakan kecil dari

3. Kerusakan menengah dari

4. Kerusakan tinggi pada

LDPE memiliki aplikasi yang cukup luas, terutama sebagai wadah pembungkus. Produk lainnya dari LDPE meliputi:

1. Wadah makanan dan wadah di laboratorium 2. Permukaan anti korosi

3. Bagian yang membutuhkan fleksibilitas 4. Kontong plastik

5. Bagian elektronik


(57)

1. bahan konsumsi lainnya yang cair.

2. HDPE (High Density Polyethylene

terdapat pada botol deterjen.

3. P rnitur, dan

sebagainya.

4. LDPE (Low Density Polyethylene,

terdapat pada pembungkus makanan.

5.

dan beberapa jenis mainan.

6.

daging, cangkir, dan peralatan dapur lainnya. 2.7 Elemen Pemanas Listrik

Electrical Heating Element banyak dipakai dalam kehidupan sehari-hari, baik didalam rumah tangga ataupun peralatan dan mesin industri. Panas yang dihasilkan oleh elemen pemanas listrik ini bersumber dari kawat ataupun pita bertahanan listrik tinggi ( Resistance Wire) biasanya bahan yang digunakan adalah niklin yang dialiri arus listrik pada kedua ujungnya dan dilapisi oleh isolator listrik

2.8 Computational Fluid Dynamics (CFD)

CFD adalah metode penghitungan, memprediksi, dan pendekatan aliran fluida secara numerik dengan bantuan komputer. Aliran fluida dalam kehidupan nyata memiliki banyak sekali jenis dan karakteristik tertentu yang begitu kompleks, CFD melakukan pendekatan dengan metode numerasi serta menggunakan persamaan-persamaan fluida. CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi, luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap-tiap elemen pembaginya. Prinsipnya adalah 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-bagian yang


(58)

terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software.

2.8.1 Perhitungan Dinamika Fluida (Computational Fluid Dynamics)

Dinamika fluida adalah cabang dari ilmu mekanika fluida yang mempelajari tentang pergerakan fluida. Dinamika fluida dipelajari melalui tiga cara yaitu:

− Dinamika fluida eksperimental − Dinamika fluida secara teori, dan − Dinamika fluida secara numerik (CFD)

Computational Fluid Dynamics (CFD) merupakan suatu ilmu untuk memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, reaksi kimia, dan fenomena yang berhubungan, dengan menyelesaikannya menggunakan persamaan-persamaan matematika secara numerik.

1. Hukum Konservasi Massa

Misalkan sebuah elemen fluida dalam kasus tiga dimensi dengan dimensi dx, dy dan dz seperti ditunjukkan pada Gambar 2.8. Konsep dasar dari hukum konservasi massa adalah bahwa jumlah pertambahan massa pada volume control adalah sama dengan jumlah aliran massa yang masuk dan keluar elemen.

Gambar 2.8 Konservasi massa pada elemen fluida

�� ��

+

�(��)

��

+

�(��)

��

+

�(��)

��

= 0

... pers15


(59)

��

��

. (

) = 0

... pers16

Persamaan di atas merupakan bentuk umum dari persamaan konservasi massa yang biasa disebut juga dengan persamaan kontinuitas.

Persamaan (2.13) adalah unsteady, kekekalan massa atau persamaan kontinuitas tiga dimensi pada sebuah titik dalam sebuah fluida kompresibel. Suku pertama pada sisi sebelah kiri kelajuan perubahan dalam waktu dari densitas (massa per satuan volume). Suku kedua menjelaskan neto aliran massa keluar dari elemen melintasi boudarinya dan disebut suku konvektif. Pada persamaan inkompresibel, dimana kerapatan spasial dan temporal diabaikan, persamaan ini dapat disederhanakan dengan menghilangkan ��

��

dari persamaan.

2. Hukum konservasi momentum

Hukum ini dikenal juga dengan hokum Newton II tentang gerak. Tingkat kenaikan momentum partikel fluida sama dengan jumlah gaya gaya pada partikel atau resultan gaya yang bekerja pada suatu objek sama dengan percepatan dikalikan dengan massa objek tersebut. Suatu elemen kecil fluida dengan dimensi dx, dy dan dz ditunjukkan pada Gambar 2.22. Pada gambar tersebut hanya gaya searah x yang ditampilkan. Sebagai catatan, untuk kasus ini, terdapat enam gaya normal dan geser yang bekerja pada permukaan.

a. Gaya-gaya permukaan: − Gaya tekanan − Gaya viskos b. Gaya-gaya badan:

− Gaya gravitasi − Gaya sentrifugal − Gaya coriolis

− Gaya elektromagnetik

Dalam menyoroti kontribusi yang disebabkan gaya-gaya permukaan sebagai bagian tersendiri dalam persamaan momentum dan memasukkan gaya-gaya badan sebagai suku source.


(60)

Gambar 2.9 Konservasi momentum pada elemen fluida

Keadaan tegangan dari sebuah elemen fluida didefinisikan dalam suku - suku tekanan dan sembilan komponen tegangan viskos ditunjukkan dalam Gambar 2.9. Tekanan, sebuah tekanan normal, di tandai oleh . Tegangan-tegangan viskos ditandai oleh .Notasi akhiran yang biasa digunakan untuk menandakan arah tegangan viskos.akhirani dan j dalam menandakan bahwa komponen tegangan bekerja dalam arah j pada sebuah permukaan normal kearah.

Dengan mengacu kepada elemen fluida tersebut, maka persamaan konservasi momentum dapat dituliskan sebagai:

�(��) �� + �(���) �� + �(���) �� + �(���) �� = �� �� + � �� +� 2 3µ �2

�� �� − �� �� − �� ����+ � ���µ �

�� �� −

�� ����+

� �� �µ �

�� �� −

����+���. ... Pers 17 �(��) �� + �(���) �� + �(���) �� + �(���) �� = �� �� + � �� +� 2 3µ �2

�� �� − �� �� − �� ����+ � ���µ �

�� ��−

�� ����+

� ���µ �

�� �� −

����+���. ... Pers 18 Atau dalam bentuk tensor dapat dituliskan sebagai:

�(��) �� + �(��) ��� =− �� ���+ � ����µ �

�� �� −

�� ��� −

2 3���µ

���

����+���


(61)

Dimana i, j, k = 1, 2, 3 yang menyatakan x, y, z.

Persamaan di atas berlaku untuk kondisi tunak (steady). Untuk kondisi tidak tunak (unsteady), maka persamaan dalam hubungannya terhadap waktu, �(���)

�� ,

dihilangkan.

3. Hukum konservasi energy

Hukum konservasi energy mengatakan bahwa laju perubahan energi dalam dan E pada suatu elemen sama dengan jumlah fluks panas yang masuk ke elemen itu dan laju kerja yang bekerja pada elemen oleh gaya yang ada pada bodi dan permukaannya. Hukum ini dapat dituliskan sebagai:

E = Q + W ... Pers

Hukum ini juga dikenal sebagai hokum pertama termodinamika. Gaya yang bekerja adalah gaya karena medan tekanan, karena gaya normal dan gaya geser; dan juga karena gaya bodi seperti di tunjukkan pada Gambar 2.10 di bawah ini.

Gambar 2.10 Konservasi energi pada elemen fluida

Penyelesaian dari kesetimbangan energi pada gambar adalah suatu persamaan konservasi energi yang dituliskan sebagai:

�(���) �� + �(����) �� + �(����) �� + �(����) �� = −�� ��+ � �� �� �� ���+ � �� �� �� ���+ + � �� �� ��

��� �� − �(∇.�) +Φ ... Pers 20


(62)

�(���) �� + �(���) ��� = � ����� �� ���� − � ���

��� +��+Φ

... Pers 21 Dimana i, j, k = 1, 2, 3 yang merupakan sumbu x, y, z

Jika beberapa asumsi dinyatakan, beberapa bagian dari persamaan energi dapat dihilangkan. Sebagai contoh, jika kerapatan massa konstan atau fluida inkompresibel, maka persamaan ����

��� menjadi nol. Selanjutnya, jika disipasi kekentalan diabaikan, maka Φ dapat dihilangkandari persamaan. Dan juga jika energi dalam yang timbul pada elemen sama dengan nol, dapat juga dihilangkan dari persamaan.

Meskipun persamaan pembentuk aliran di atas terlihat sangat rumit, namun persamaan tersebut berasal dari hokum konservasi yang sangat sedarhana yaitu konservasi massa, momentum dan energi. Pada kasus tiga dimensi , humum ini menjadi lima persamaan yang berbeda. Mereka merupakan system yang disatukan dari persamaan diferensial parsialnonlinear.Sampai saat ini belum ada solusi analitik dari persamaan-persamaan tersebut.Dalam hal ini, persamaan ini bukan tidak memiliki solusi namun sampai saat ini belum ditemukan. Metode yang lain yang digunakan untuk menyelesakan persamaan tersebut adalah dengan metode numerik yang dikenal dengan Computational Fluid Dynamics (CFD). Dengan metode ini, persamaan ini akan diselesaikan dengan iterasi untuk menemukan solusi yang mungkin berdekatan dengan solusi sebenarnya.

2.8.2 Metode CFD Menggunakan Perangkat Lunak FLUENT

CFD memungkinkan penyelesaian persamaan pembentuk aliran dengan menggunakan suatu perhitungan numerik yang disebut dengan metode volume hingga (finite volume methods). Untuk memudahkan perhitungan numerik, telah tersedia banyak perangkat lunak computer. Salah satu perangkat lunak yang terkenal dalam perhitungan dan simulasi CFD adalah FLUENT.

FLUENT adalah program komputer yang dikembangkan oleh ANSYS Inc. untuk memodelkan aliran fluida dan perpindahan panas dalam geometri yang kompleks. FLUENT merupakan salah satu jenis program CFD (Computational Fluid Dynamics) yang menggunakan metode diskritisasi volume hingga.


(63)

FLUENT memiliki fleksibilitas mesh, sehingga kasus-kasus aliran fluida yang memiliki mesh tidak terstruktur akibat geometri benda yang rumit dapat diselesikan dengan mudah. Selain itu, FLUENT memungkinkan untuk penggenerasian mesh lebih halus atau lebih besar dari mesh yang sudah ada berdasarkan pemilihan solusi aliran.

Fluent menggunakan teknik control volume untuk mengubah persamaan pembentuk aliran menjadi persamaan algebra sehingga dapat diselesaikan secara numeric. Teknik control volume ini mengandung pengintegralan setiap persamaan pembentuk aliran pada tiap-tiap kontol volume, menghasislkan persamaan-persamaan diskrit yang mengkonservasikan tiap jumlah yang ada pada control volume. Secara lengkap langkah-langkah FLUENT dalam menyelesaikan suatu simulasi adalah sebagai berikut :

1. Membuat geometri dan mesh pada model.

2. Memilih solver yang tepat untuk model tersebut (2D atau 3D). 3. Mengimpor mesh model (grid).

4. Melakukan pemeriksaan pada mesh model. 5. Memilih formulasi solver.

6. Memilih persamaan dasar yang akan dipakai dalam analisa. 7. Menentukan sifat material yang akan dipakai.

8. Menentukan kondisi batas.

9. Mengatur parameter kontrol solusi. 10.Initialize the flow field.

11.Melakukan perhitungan/iterasi. 12.Menyimpan hasil iterasi.

13.Jika diperlukan, memperhalus grid kemudian melakukan iterasi ulang FLUENT menggunakan suatu teknik berbasis volume kendali untuk mengubah bentuk persamaan umum (governing equation) ke bentuk persamaan aljabar (algebraic equation) agar dapat dipecahkan secara numerik.Teknik kontrol volume ini intinya adalah pengintegralan persamaan diferensial umum untuk setiap volume kendali, sehingga menghasilkan suatu persamaan diskrit yang menetapkan setiap besaran pada suatu basis volume kendali. Diskritisasi


(64)

persamaan umum dapat diilustrasikan dengan menyatakan persamaan kekekalan kondisi-steady untuk transport suatu besaran skalar. Hal ini ditunjukkan dengan Persamaan 3.1 yang ditulis dalam bentuk integral untuk volume kendali sembarang.Persamaan 3.1 diterapkan untuk tiap volume kendali atau sel dalam daerah asal komputasi (domain).sebagai berikut:

∮ �Ǿ��.��= ∮ �ǾǾ�.�+∫ � Ǿ�� ... pers 22 Dimana

� = rapat massa

V = vector kecepatan (=ui + vj +wk dalam 3D) A = vector area permukaan

Ǿ = koefisien difusi untuk Ǿ

Ǿ = gradient Ǿ(=(Ǿ/x)i+ Ǿ/y)j+ Ǿ/z)k dalam 3D) Ǿ = sumber tiap satuan volume


(65)

BAB III PERHITUNGAN 3.1 Objek

Pada bab ini akan dibahas tetang Metodologi yang digunakan dalam simulasi adalah metode analisis. Analisis yang dilakukan adalah menentukan spesifikasi data dari bahan dan peralatan, perhitungan manual, pembuatan model 3D dan simulasi dengan perangkat lunak CFD. Digunakan perangkat lunak CFD fluent karena perangkat lebih mudah dalam pengoperasian dan lebih umum digunakan untuk mensimulasikan aliran fluida. Selain itu perangkat lunak ini juga dapat membentuk objek, mesh, dan memunculkan gambar simulasi beserta parameternya

3.2 Perancangan Peralatan

Perancangan dari peralatan yang akan digunakan hal terpenting dalam mendesign suatu mesin mixer, untuk menghindari hal – hal yang tidak diinginkan ketika melakukan pengoperasian/ pengujian alat. Dan mempengaruhi dari kinerja alat ketika beroperasi. Untuk itu hal apa saja yang akan direncanakan adalah: 3.2.1 Perancangan Mesin Mixer

3.2.1.1Merancang Bejana aduk

Bejana aduk berfungsi sebagai media atau tempat pengadukan dilakukan, dalam pemilihan bejana harus diperhatikan pengaruhnya dengan bahan yang akan diaduk, dan tebal juga perlu diperhatikan ini akan membebankan kinerja dari elemen pemanas, sehingga menghasilkan loses transfer panas. Adapun Spesifikasi Bejana Aduk :

Tipe = Stainless Steel 555 Tebal = 1 mm

Diameter : = 28 cm = 0,280 m Tinggi = 24 cm = 0,240 m

Pemilihan Jenis stainless steel 555 dikarenakan tahan terhadap korosi, tidak bereaksi terhadap dengan bahan yang diaduk, serta daya hantar panas yang cukup baik.


(66)

Menentukan kapasitas Maksimum dari bejana adukan : � = �

4� 2H

� =�

4(0,280)

2(0,24)

= 0,01477 = 14,77 liter

Sehingga kapasitas maksimum dari bejana aduk = 14, 77 liter

Gambar 3.1 Bejana aduk

Menghitung kapasitas dari adukan : V = ��4 . �2 . Z

= ��4 . (280)2 . (112) = 6892928 ��3 = 6,9 x 10−3�3 V = 6,9 Liter

3.2.1.2Menentukan Daya Motor Penggerak

Dalam menentukan daya Motor Penggerak, factor yang harus diperhatikan adalah diameter bejana aduk, panjang pengaduk, putaran pengaduk, tinggi dasar bejana aduk ke pengaduk, level kapasitas maksimum, viskositas dan densitas bahan yang akan diaduk. Dari beberapa komponen inilah kita dapat menentukan daya pengaduk. Dari rumus daya pengaduk dapat dihitung dengan cara :


(1)

Gambar 4.31 Pola aliran menggunakan pengaduk propeller.

(a) 100 rpm (b) 180 rpm

Gambar 4.32 Pola aliran Pengadukan LDPE (Newtonian)

Pola aliran fluida yang dihasilkan oleh pengaduk yang bersifat Newtonian dapat dilihat pada gambar 4.32. pada kecepatan rendah 100 rpm diperkirakan bahwa sepertiga bagian dari ½ bejana vertical tidak bergerak secara cepat bahkan stagnan. Hal ini Nampak pada arah aliran bergerak kebejana adukan. untuk kecepatan pengadukan 280 rpm, dapat diamati bahwa pola pengadukan yang terbaik untuk pengadukan LDPE pada fluida Newtonian dicapai pada kecepatan pengadukan ini. Karena kondisi tersebut fluida tampak mulai teraduk merata dan zona stagnan mulai menghilang karena terbentuknya arus resirkulasi (vortex) sekunder pada permukaan.


(2)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan

Berdasarkan analisa hasil pengujian mesin mixer dan simulasi numerik

Ansys Fluent 14.0 dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Dari Hasil Perencanaan dapat diketahui :

Kapasitas Maksimum dari pengadukan adalah 6,9 liter. Daya yang direncanakan untuk motor adalah 0,1865 kW Diameter Poros Pengaduk adalah 8 mm.

Type pengaduk yang digunakan jenis propeller (baling – baling)

2. Dari hasil pengujian dapat disimpulkan bahwa pengadukan dilakukan saat bahan keseluruhan telah mencair. Dan saat proses pengadukan aliran yang dihasilkan adalah aliran turbulen, sesuai dengan hasil perhitungan bilangan reynold (NRe = 5289,29) yang menyatakan aliran tersebut turbulen, dan hasil

simulasi pada pola aliran yang terlihat pada kontur yang dihasilkan.

3. Dari hasil simulasi ansys fluent tersebut terdapat beberapa kontur yang terjadi pada simulasi mesin mixer:

7. Kontur Temperature di sekitar Pengaduk, dapat terlihat aktivitas panas dan Pencampuran yang menyebar disebabkan pengaduk dan secara perlahan temperatur pada fluida dapat merata.

8. Konturn Tekanan, dapat dilihat tekanan pada dinding bejana aduk yang paling tinggi. Disebabkan oleh gaya sentrifugal yang dihasilkan pengaduk.

9. Kontur Kecepatan disekitar Pengaduk, kecepatan yang paling rendah terdapat pada dinding silinder, dikarenakan tekanan pada dinding besar 10. Kontur kecepatan Arah Vertikal, arah putaran yang di hasilkan secara

tidak terarah atau turbulen dan putarannya mengikuti searah putaran jarum jam.

4. Dari hasil simulasi pada putaran 280 rpm dan 180 rpm dapat disimpulkan bahwa beda dari hasil simulasi tersebut terdapat pada kontur tekanan dan kontur kecepatan disekitar pengaduk yang mempengaruhi pencampuran


(3)

bahan. Pada simulasi putaran 280 rpm kontur tekanan terlihat lebih besar, dan kecepatan rendah pada dinding pengaduk lebih sedikit dibanding pada putaran 100 rpm. Hanya kelebihan pada putaran 100 rpm temperatur yang tertransfer lebih merata.

5.2 Saran

1. Untuk peranncangan Mesin Mixer dengan Pemanas diharapkan mempunyai cukup refrensi yang mendukung agar mengurangai tingkat kegagalan. Karena pada perancangan ini banyak materi-materi yang perlu dikuasi antara lain tentang teknik tenaga listrik, elemen mesin, perpindahan panas dan lain lain.

2. Pada perancangan Mesin ini material-material/komponen-komponen yang digunakan banyak diambil dari Toko-toko jalan Asia, karna pada daerah tersebut terdapat banyak ketersedian komponen-komponen mesin Mixer.


(4)

DAFTAR PUSTAKA 1. Ansys Inc. Ansys Fluent Documentation. Ansys Inc

2. D. S. DICKEY .1988“Mechanical Design of Mixing Equipment”. Mix Tech, Inc.

3. Spott,M.F,.”Design Of Machine Element”, Fifth Edition, Prentice - Hall, New – Jersey :1987

4. Wahyuni Sri. Ir,1990 “ Perpindahan Panas” Erlangga : Jakarta

5. Kent’s.1950“Mechanical Engineers’s Handbook”,Twelfh Edition Design and Production Voleme,Tokyo Japan: Wiley Toppan.

6. Rajamani , Gokul Krishnan. 2006. CFD Analysis of Air Flow Interactions in Vehicle Platoons. School of Aerospace, Mechanical and Manufacturing Engineering RMIT University

7. Potter, Merle C. dan David C. Wiggert. 2011. Schaum’s Outlines Mekanika Fluida. Jakarta: Erlangga.

8. FHN, “Penyelesaian Soal-Soal Untuk Perpindahan Panas”2005.Medan 9. B.H.Amstead, “Teknologi Mekanik jilit1 edisi ketujuh versi S-1”


(5)

(6)