Stired Tank

PERPINDAHAN PANAS PADA TANGKI BERJAKET

BERPENGADUK

(STIRRED TANK REACTOR)

I. TUJUAN PERCOBAAN

a. Memahami proses perpindahan panas di dalam tangki

berjaket berpengaduk yang tergolong dalam kelompok

proses unsteady state

b. Memahami perpindahan panas pada tangki berjaket dan

berpengaduk dengan memvariasi kecepatan putaran

c. Menghitung koefisien keseluruhan perpindahan panas pada

tangki berpengaduk

II. DASAR TEORI

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 dari padatan

halus didalam suatu cairan, pengadukan suatu cairan homogen

untuk meningkatkan heat transfer ke cairan.

Peralatan pengaduk mempunyai berbagai macam variasi

menurut aplikasinya.

- Axial flow impeler untuk cairan viskositas sedang yang

memerlukan gerakan cepat.

- Flat blade turbine yang menghasilkan aliran turbulen

pada arah radial, tetapi memerlukan power yang lebih

Laporan Praktikum Stirred Tank

1

besar.

- Turbin yang digunakan sebagai Agitator.

- Anchor impeller untuk tingkat turbulensi rendah dan

efektif digunakan untuk tangki yang dipanaskan atau

didinginkan dengan jaket.

- Helical impeller untuk pengadukan padat cair atau

untuk mengadauk pasta, lumpur, atau adonan.

Konsep Dasar dan Teori Perpindahan Panas

Panas adalah energi yang dipindahkan oleh karena perbedaan

suhu.

Proses perpindahan panas dapat berlangsung secara :

- konduksi : perpindahan panas dari suatu bagian lain

dari benda yang sama, atau antara dua benda yang

berhubungan fisik, tanpa pertukaran partikel-partikel

dari benda-benda tersebut.

- Konveksi : berpindahnya panas dari satu titik ke titik

yang lain didalam suatu fluida, atau antara satu fluida

dan zat padat atau fluida lain oleh karena gerakan

atau pencampuran fluida-fluida tersebut.

- Radiasi : berpindahnya panas oleh karena

penyerapan pancaran energi.

Perpindahan panas dan energi pada proses tangki

berpengaduk berjaket pada praktikum ini terjadi sangat

berbeda dengan proses perpindahan panas yang sering kita

jumpai Hal ini disebabkan karena proses yang terjadi adalah

proses tak tetap (unsteady state). Jadi koefesien perpindahan

panas (U) tidak dapat digunkan dalam persamaan Fourier,

yaitu Q = U.A.T. Persamaan Fourier tersebut hanya bisa

digunakan bila tangki beroperasi secara sinambung/steady

state. Dalam semua kasus, laju total perpindahan panas dapat

diekspresikan dalam bentuk daya gerak penurunan temperatur

dan hambatan.


2

Persamaan Fourier

Q = U . A . (T1 – T2)

Dimana:

Q = laju perpindahan panas ;

T1 = temperatur pada titik 1 ;

T2 = temperatur pada titik 2 ;

U = koefisien keseluruhan perpindahan panas ;

A = luas permukaan yang dilalui panas.

Hubungan perpindahan panas dari cairan yang teraduk di dalam

tangki ke dinding berjaket adalah:

Dimana, h = koefisien film untuk dinding dalam (W/m2.K)

Df = diameter dalam tangki (m)

L = diameter pengaduk (m)

N = jumlah putaran pengaduk per unit waktu (rps)

ρ = density rata-rata cairan (kg/m3)

µ = viskositas cairan (Pa.s)

k = konduktivitas thermal (W/m.K)

µw = viskositas pada temperatur permukaan (Pa.s)

III. ALAT DAN BAHAN

a. Tangki berpengaduk

b. PCT 10 dan Termokopel

c. Ember 15 L

d. Air ledeng 100 L /100 g

IV. LANGKAH KERJA

1. Buka katup udara tekan

2. Hidupkan tombol kontrol udara tekan

3. Hidupkan tombol utama (Main switch)


3

4. Peralatan PCT 10 untuk pengukuran T1,T2, dan t

5. Buka kran utama air yang menuju ke pengembun kecil (dari

tangki utama air)

6. Pompa sirkulasi air di dalam jaket dihidupkan

7. Katup steam dibuka

8. Dilakukan pengesetan suhu T1 sebesar 60 oC. Katup utama

steam diatur supaya T1 cepat tercapai, dan setelah suhu

penyetingan tercapai dilakukan supaya kondisi tetap

konstan (60 oC).

9. Sambil menunggu tercapainya suhu 60 oC, dilakukan

penentuan putaran pengaduk pada 80 rpm.

10. Pengaduk dimatikan, air umpan dimasukan sebanyak 100

liter.

11. Jalankan pengaduk dan dilakukan pencatatan suhu T1(air

pemanas masuk), T2 (air pemanas keluar), dan t (suhu air

dalam tangki) dengan selang waktu 2 menit. Dilakukan

sampai T1 sama dengan t.

Lakukan langkah diatas untuk kecepatan putaran 80, 90, dan

100 rpm, dengan mengkondisikan umpan di dalam tangki pada

saat awal pencatatan sekitar 30 oC.


4

V. DATA PERCOBAAN

Data Run I (80 rpm)

Waktu

(min)

Temp, t

(°C)

Inlet, T1

(°C)

Outlet,

T2 (°C)

T1 – t

(°C)

T1 – T2

(°C)

0 27,9 60,0 55,7 32,1 4,3

2 36,8 58,8 53,1 22,0 5,7

4 41,1 60,8 55,2 19,7 5,6

6 44,7 60,9 55,8 16,2 5,1

8 47,8 62,7 57,3 14,9 5,4

10 50,4 59,1 54,8 8,7 4,3

12 52,2 62,0 57,8 9,8 4,2

14 54,1 59,9 55,9 5,8 4,0

16 55,3 62,1 58,0 6,8 4,1

18 56,8 60,3 56,7 3,5 3,6

20 57,8 61,4 57,7 3,6 3,7

22 58,5 60,0 56,6 1,5 3,4

24 59,3 62,1 58,7 2,8 3,4

26 59,9 61,2 57,9 1,3 3,3

28 60,4 60,4 57,3 0 3,1


5

Data Run II (90 rpm)

Waktu

(min)

Temp, t

(°C)

Inlet, T1

(°C)

Outlet,

T2 (°C)

T1 – t

(°C)

T1 – T2

(°C)

0 30,9 60,0 56,4 29,1 3,4

2 38,0 59,1 53,1 21,1 6,0

4 41,2 56,9 51,6 15,7 5,3

6 44,1 61,2 56,0 17,1 5,2

8 46,5 58,0 53,0 11,5 5,0

10 48,0 57,4 53,8 9,4 3,6

12 49,9 61,6 57,1 11,7 4,5

14 51,9 61,7 57,2 9,8 4,5

16 53,5 60,3 56,1 6,8 4,2

18 54,5 60,6 57,2 6,1 3,4

20 56,0 62,3 58,2 6,3 4,1

22 57,0 60,5 56,8 3,5 3,7

24 57,5 59,3 56,1 1,8 3,2

26 58,5 59,4 56,5 0,9 3,3

28 58,7 60,2 57,9 1,5 2,3

30 59,2 61,4 58,0 2,2 3,4

32 59,6 60,2 57,1 0,6 3,1

34 59,8 59,8 56,8 0 3


6

Data Run III (100 rpm)

Waktu

(min)

Temp, t

(°C)

Inlet, T1

(°C)

Outlet,

T2 (°C)

T1 – t

(°C)

T1 – T2

(°C)

0 31,0 60,0 56,6 29 3,4

2 39,0 59,1 52,9 20,1 6,2

4 43,1 60,1 55,2 17 4,9

6 46,5 61,4 56,1 14,9 5,3

8 49,1 60,5 56,0 11,4 4,5

10 51,1 61,5 57,1 10,4 4,4

12 52,9 60,6 56,4 7,7 4,2

14 54,4 60,1 56,4 5,7 3,7

16 55,6 59,4 55,9 3,8 3,5

18 57,0 62,7 58,9 5,7 3,8

20 57,6 61,2 57,6 3,6 3,6

22 58,9 60,0 56,8 1,1 3,2

24 59,6 61,8 58,9 2,2 2,9

26 60,1 61,3 57,7 1,2 3,6

28 60,5 60,5 57,5 0 3


7

VI. PERHITUNGAN

N = 80 rpm , pada waktu 8 menit dan 10 menit

Kondisi fluida didalam tangki :

t8 = 47,8 °C

t10 = 50,4 °C

Kondisi fluida di dalam jaket :

T110 = 59,1 oC T210 = 54,8 oC

Δt = 50,4 – 47,8 = 2,6 oC H1 = 10,52 kJ/kg

(interpolasi)

ΔT10 = 59,1 – 54,8 = 4,3 oC H2= 18,46 kJ/kg

(interpolasi)

m1 . H1 = m2 . H2

V1 = 100 liter = 0,1 m3 , ρ = 983,24 kg/m3

m1 = V1 x ρ

= 0,1 m3 x 983,24 kg/m3

= 98,324 kg

m2 =

=

= 56,032 kg (selama 2 menit)

= = 0,467 kg/dtk

Q =

= = 4,748 x 10-4 m3/dtk

V =


8

= = 5,28 x 10-4 m/dtk


9



t8 = 46,5 °C

t10 = 48,0 °C


T110 = 57,4 oC T210 = 53,8 oC

Δt = 48,0 – 46,5 = 1,5 oC H1 = 5,276 kJ/kg

(interpolasi)

ΔT10 = 57,4 – 53,8 = 3,6 oC H2= 15,096 kJ/kg

(interpolasi)

Dengan cara yang sama pada perhitungan sebelumnya kita

dapat mengetahui:

m2 = 34,36 kg (selama 2 menit)

W/s = 0,286 kg/det

Q = 2,912 x 10-4 m3/det

V = 3,235 x 10-4 m/det



t8 = 49,1 °C

t10 = 51,1 °C


T110 = 61,5 oC T210 = 57,1 oC

Δt = 51,1 – 49,1 = 2,0 oC H1 = 8,366 kJ/kg

(interpolasi)

ΔT10 = 61,5 – 57,1 = 4,4 oC H2= 18,464 kJ/kg

(interpolasi)

Dengan cara yang sama pada perhitungan sebelumnya kita

dapat mengetahui:

m2 = 44,55 kg (selama 2 menit)


10

W/s = 0,371 kg/det

Q = 3,77 x 10-4 m3/det

V = 4,195 x 10-4 m/det

Koefisien film perpindahan panas untuk dinding dalam (h) dan

luar (ho)

Data dari Literatur :

Dj (Diameter dalam tangki) = 0,60 m

D (Tebal jaket) = 0,05 m

L (Diameter pengaduk) = 0,58 m

a untuk agitator jenis anchor = 0,36

b untuk agitator jenis anchor = 2/3

ρ = 983,24 kg/m3

k = 0,6559 W /m.K

c = 4,186 kJ/kg.K

D’ (Diameter Luar jaket) = 0,7 m

µ = 0,4283 x 10-3

untuk N = 80 rpm = 1,33 rps

h =

h = 560,146 W/m2K


11


dengan cara yang sama menggunakan perhitungan diatas

didapat :

h = 596,84 W/m2 K

ho = 0,0541 W/m2 K

hoi = 0.0463

U = 0,0462 W/m2 K


dengan cara yang sama menggunakan perhitungan diatas

didapat :

h = 652,44 W/m2 K

ho = 0,0774 W/m2 K

hoi = 0.0663

U = 0,0662 W/m2 K

VII. KURVA


12


13

Δt dan ΔT (80 rpm)

Δt dan ΔT (90 rpm)

Δt

dan

ΔT

Δ

t d

an Δ

T

VIII. PEMBAHASAN

Praktikum ini bertujuan untuk mengetahui faktor-faktor

yang mempengaruhi dalam proses pengadukan. Dimana yang

dapat kita gunakan sebagai variable yang dapat kita amati

misalnya adalah kekentalan, suhu, bentuk pengaduk dan lain-

lain.

Dalam praktikum ini harus mengendalikan proses yang terjadi,

yaitu perpindahan panas antara lingkungan ke jaket, jaket

dengan steam, steam dengan tangki pengaduk, tangki

pengaduk ke cairan, dan akumulasi panas yang dtsebabkan

oleh pengaduk.

Pengesetan suhu pada cairan tangki sebesar 60 derajat

celcius disebabkan beberapa hal. Karena kita ingin mengetahui

hubungan panas yang terhadap perubahan waktu, maka

variable lain yang ada harus dibuat konstan. Sesuai dengan

rumus:


14

Δt dan ΔT (100 rpm)Δ

t d

an Δ

T

Q = m Cp ∆T

Q = panas

m = massa

Cp = kapasitas panas zat

∆T = perbedaan panas

Untuk mengetahui faktor perpindahan panas yang ada

dengan tetap menjaga massa. Untuk menjaga massa air pada

tangki dengan tekanan yang lebih rendah dari 1 atm dengan

mengeset suhu pada 60 °C. Alasan pengesetan suhu T1 pada

angka 60 °C adalah agar tidak terjadi perubahan fasa dari air

yang dapat menyebabkan perubahan massa.

Pengaruh kecepatan pengadukan pada perpindahan panas

dalam tangki berpengaduk dan berjaket dengan sistem batch

untuk masing kecepatan pengaduk yaitu 80, 90, dan 100 rpm.

Cairan yang dipanaskan berupa air ledeng dalam tangki

tersebut dengan volume pada masing-masing RUN sebesar 100

L (100 kg) dan temperatur operasi dijaga 60 °C. Hal ini

dimaksudkan agar tidak terjadi pengurangan jumlah cairan

dalam tangki tersebut sehingga parameter jumlah cairan tidak

mempengaruhi dalam perpindahan panas yang dilakukan.

Media pemanas yang digunakan adalah air yang dipanaskan

dengan steam dengan temperatur ketika masuk jaket

dikendalikan pada 60 °C sebagai nilai acuan (set point).

Tangki tersebut dselimuti dengan jaket dimaksudkan agar

tidak ada kehilangan panas ke lingkungan.

Untuk mengatahui seberapa besar panas yang

dipindahkan dari air dalam jaket atau yang diserap oleh cairan

(air) dalam tangki maka digunakan parameter suhu. Suhu air

dalam tangki diukur, begitu juga suhu air pemanas masuk dan

keluar jaket. Perbedaan suhu antara suhu air dalam tangki dan


15

air masuk jaket (T1-t) diplotkan terhadap waktu sampai waktu

tertentu dan beda suhunya mendekati nilai set point atau sama

dengan set point.

Dari data-data praktikum yang di peroleh didapat

pengaruh hubungan kecepatan putaran pengaduk terhadap

lamanya perpindahan panas yang terjadi yaitu semakin cepat

pengdukan yang dilakukan maka akan semakin cepat pula

perpindahan panas yang terjadi (cepat menacapai keadaan set

point), seperti terlihat dalam grafik hubungan T (T1-t) Vs

Waktu pada masing-masing kecepatan putaran pengaduk

(agitator). Hal ini disebabkan karena dengan adanya

pengadukan yang semakin cepat maka perpindahan panas pun

akan semakin cepat homogen dan sudah tentu lajunya pun

akan semakin cepat. Disamping itu juga dengan adanya

pengadukan maka kluas permukaan kontak untuk perpindahan

panas semakin besar. Pembesaran luas kontak dapat dilakukan

berbagai cara yaitu dengan mengubah jenis stirred yang bisa

menyebabkan kehomogenan dapat cepat tercapai dalam cairan

tsb.

IX. KESIMPULAN

1. Semakin besar kecepatan pengadukan maka waktu yang

dibutuhkan untuk mencapai set point semakin cepat, koefisien

perpindhan panas semakin besar sehingga proses perpindahan

panas semakin baik.

2. Nilai koefisien film perpindahan panas pada dinding dalam (h)

dan dinding luar (ho) serta koefisien perpindahan panas

keseluruhan (U) yang diperoleh pada percobaan ini adalah:

N (rpm) h (W/m2K) ho (W/m2K) U

(W/m2K)

80

90

560,146

596,84

0,0500

0,0541

0,0427

0,0462


16

100 652,44 0,0774 0,0662

X. DAFTAR PUSTAKA

Job sheet praktikum ‘Tangki Berpengaduk’, Laboratorium Pilot

Plant. Jurusan Teknik Kimia. PEDC.

Geankoplis, Christie J. ‘Transport Process and unit Operation’.

Prentice – Hall. Third edition.


17

Documents

Stired Tank