PERPINDAHAN PANAS TANGKI BERPENGADUK

(STIRRED TANK REACTOR)

1. Tujuan Percobaan

Dapat menghitung koefisien keseluruhan perpindahan panas untuk STR.

Dapat menghitung koefisien film perpindahan panas untuk STR.

Dapat memahami proses perpindahan panas didalam tangki berjaket berpengaduk

yang tergolong dalam kelompok proses unsteady state.

2. Alat yang Digunakan

Stirred tank reactor : 1 unit

Termokopel : 1 buah

Termometer : 2 buah

Ember : 4 buah

Gelas Piala (Plastik) : 1 buah

3. Bahan Yang Digunakan

Air 100 liter

4. Dasar Teori

Perpindahan panas dalam tangki berpengaduk berjaket sangat berbeda dengan proses

perpindahan yang biasa anda jumpai. Hal ini disebabkan karena proses yang terjadi adalah

proses tak tetap (unsteady state). Jadi koefisien perpindahan panas (U) tidak dapat digunakan

dalam persamaan Fourier. Q = U.A.Δt. Persamaan Fourier hanya dapat digunakan bila tangki

beroperasi kontinu (steady state).

Persamaan yang harus digunakan adalah persamaan untuk tangki berjaket

berpengaduk dengan pemanas dengan pemanas non-isothermal (air).

.....................................................................................................1

............................................................................................2

.......................................................................................................................3

Dari persamaan 1 kita dapatkan harga W (laju alir fluida panas) yang kemudian

disubstitusikan ke persamaan 2 untuk mendapatkan harga K1 dan persamaan 3 kita dapatkan

harga U. Untuk perhitungan koefisien film dinding kita mempergunakan hubungan sebagai

berikut :

Dimana :

h : Koefisien film dinding dalam

Di : Diameter dalam tangki

L : Diameter pengaduk

N : Putaran pengaduk per unit waktu

μ : Viskositas cairan

ρ : Density/kerapatan rata-rata cairan

μw : Viskositas permukaan

K : Konduktivitas thermal

Hukum Fourier

Hubungan dasar yang menguasai aliran kalor melalui konduksi ialah berupa

kesebandingan yang ada antara laju alir kalor melintas permukaan isotermal dan gradien suhu

yang terdapat pada permukaan itu. Hubungan umum ini berlaku pada setiap lokasi di dalam

suatu benda, pada setiap waktu disebut Hukum Fourier yang ditulis sebagai :

Dimana :

A : Luas permukaan isotermal

n : Jarak, diukur normal (tegak lurus) terhadap permukaan itu

q : Laju alir kalor melintasi permukaan itu pada arah normal terhadap permukaan.

T : Suhu

K : Konstanta proporsionalitas (tetapan kesebandingan)

Pada keadaan steady, T hanya merupakan fungsi posisi semata-mata, dan laju aliran

kalor pada setiap titik pada dinding itu konstan. Sehingga persamaannya dapat ditulis :

Konduktivitas Termal

Hukum Fourier menyatakan bahwa k tidak tergantung pada gradien suhu tetapi tidak

selalu demikian halnya terhadap suhu itu sendiri. Di lain pihak, k merupakan fungsi suhu.

Walaupun bukan fungsi kuat. Untuk jangkauan yang tidak konstan, k dapat dianggap konstan.

Tetapi untuk jangkauan suhu yang lebih besar, konduktivitas termal dapat didekati dengan

persamaan dalam bentuk :

K = a + bT

Dimana : a dan b = konstanta empirik

Konduksi Keadaan Steady

Konduksi dalam keadaan steady dapat ditulis :

atau

Oleh karena hanyalah x dan T yang merupakan variabel dalam persamaan, integral langsung

akan menghasilkan :

Dimana :

X2 dan X1 = B = tebal lempengan

T1 – T2 = Δt = penurunan suhu (beda suhu) melintang lempeng

Nilai k dapat dihitung dengan mencari rata-rata aritmetik dan k pada kedua suhu

permukaan, T1 dan T2 atau dengan menghitung rata-rata aritmetik suhu dan menggunakan

nilai k pada suhu itu.

Sehingga dapat dituliskan dalam bentuk :

KONDUKSI KALOR KEADAAN TAK STEADY

Persamaan konduksi satu dimensi

Jika kalor keluar lempeng pada tentulah :

Kelebihan masukan kalor terhadap kalor yang keluar, yang merupakan penumpukan pada

lapisan dx adalah :

Stirred Tank Reactor (STR)

Stired Tank (tangki berpengaduk) dalam industri kimia digunakan untuk reaksi-reaksi

batch ‘tumpak’ dalam skala kecil. Alat ini terdiri dari tangki silindris yang dilengkapi dengan

agitator ‘pengaduk’. Tangki ini digunakan untuk pemanasan atau pendinginan, dipakai jaket

sehingga air panas atau air dingin dapat dialirkan (dipindahkan).

Pengadukan dipakai dalam berbagai aplikasi, misalnya dispersi suatu zat terlarut

dalam suatu pelarut, penyatuan dua cairan yang dapat dicampur, produksi slurry dari padatan

halus didalam suatu cairan, pengadukan suatu cairan homogen untuk meningkatkan heat

transfer ke cairan.

Peralatan pengaduk mempunyai berbagai macam variasi menurut aplikasinya.

1. Axial flow impeler, untuk cairan viskositas sedang yang memerlukan gerakan cepat.

2. Flat blade turbine, yang menghjasilkan aliran turbulen pada arah radial, tetapi

memerlukan power yang lebih besar.

3. Turbin untuk pengadukan yang merata sekali.

4. Anchor impeller, untuk tingkat turbulensi rendah dan efektif digunakan untuk tangki yang

dipanaskan atau didinginkan dengan jaket.

5. Helical impeller, untuk pengadukan padat cair atau untuk mengaduk pasta, lumpur, atau

adonan.

Gambar 1. Batch Stirred Reactor

Proses  perpindahan  panas  dalam  tangki berpengaduk  dapat digolongkan sebagai

proses non isothermal, unsteady state karena aliran panas dan suhu berubah terhadap

waktu. Penurunan dan penggunaan persamaan neraca energi dan persamaan yang

menghubungkan bilangan tak berdimensi mengikuti asumsi-asumsi berikut :

1. U bernilai  bernilai  konstan  untuk  proses  dan  pada  seluruh  permukaan

perpindahan panas, sehingga U proses adalah constan.

2. Laju alir fluida panas adalah konstan.

3. Panas spesifik fluida panas dan fluida dingin konstan selama proses.

4. Suhu fluida pemanas yang masuk dalam jacket konstan

5. Pengadukan menghasilkan suhu cairan yang merata.

6. Tidak terjadi perubahan fasa parsial.

7. Panas yang hilang dapat diabaikan

Uraian Proses Stirred Tank Reactor :

Keran udara tekan dibuka untuk menghidupkan kontrol panel dan menggerakkan katup

pneumatik. Kemudian keran air dibuka dan air dipompakan ke dalam jaket. Air akan

memenuhi jaket dan keluar pada bagian outlet menuju ke Y Joint, disini air akan dipanaskan

dengan bantuan steam yang diinjeksikan oleh katup pneumatik (sebelumnya valve steam

dibuka terlebih dahulu). Air yang panas masuk ke separator dimana gas yang terbentuk akan

mengalir ke atas sedangkan cairannya akan kembali ke dalam jaket dan bersirkulasi. Air

panas didalam jaket akan memanaskan cairan didalam reaktor sampai suhu mencapai set point

(70oC). Gas dari separator akan terjebak didalam steam trap sehingga terkondensasi menjadi

cairan dan di kembalikan ke tangki penampung.

5. Gambar Alat (Terlampir)

6. Langkah Kerja

Persiapan

1. Mempelajari gambar dan menguasainya.

2. Membuka katup/kran udara tekan.

3. Menghidupkan saklar utama.

4. Menghidupkan peralatan proses PCT 10 untuk ukuran T2.

5. Membuka keran utama air yang menuju ke kondensor kecil (dari tangki utama

penyimpanan air).

6. Menghidupkan pompa sirkulasi air dalam jaket (tombol hijau). Menunggu sampai

tekanan stabil.

7. Membuka katup kran utama uap.

8. Pada panel kontrol TIC 7 (suhu masuk air pemanas = T1)

Menekan SP (Set Point) tombol hijau

Memasukkan angka 70

Menekan lagi sampai PV (processing value) menyala merah

9. Pada panel control TIC 6

Menekan sampai pv (processing value) menyala merah

Mematikan semua tombol kuning dan hijau

10. Untuk mempercepat proses pemanasan awal, mengatur TIC 7 secara manual

(pembukaan katup V5).

Menekan tombol kuning (manual) sampai menyala

Menekan sampai harga naik mencapai 90% atau maksimal.

Bila air didalam jaket mencapai 50%, menekan sampai menunjukkan 60%

Mematikan tombol kuning.

11. Menunggu sampai keadaan suhu air pemanas dalam 70 °c.

12. Menyiapkan air sebanyak 100 kg/liter

13. Menentukan kecepatan putaran pengaduk dan hitung rpm-nya.

14. Mematikan pengaduk.

Pengamatan

15. Bila suhu air telah stabil, memastikan pengaduk dalam keadaan tidak berputar.

Segera memasukkan semua air bersih tadi dengan menggunakan pompa listrik.

16. Menghidupkan stopwatch bersamaan dengan pengaduk setelah memasukkan

semua air (100 liter).

17. Mencatat data-data t, T1, T2 setiap interval 4 menit.

18. Menghentikan pengambilan data bila suhu T1 = T2 atau bila isi reaktor mencapai

set pointnya.

19. Mengukur ketinggian air dari dasar tangki.

20. Mengatur kecepatan pengaduk (rpm) untuk percobaan berikutnya, kemudian

mematikan.

21. Mengosongkan isi reaktor/tangki.

7. Data Pengamatan

Data Temperatur Awal Jaket

Temperatur set point = 70 °C

Waktu (menit) T steam masuk (°C) T steam keluar (°C)

4

8

12

16

20

24

28

28

44

50

56

62

68

72

26,4

32,9

38,9

44

51,4

56,6

64

Data Temperatur Air Dalam Reaktor dan Temperatur Jaket

Waktu (menit)T air dalam

reaktor (°C)

Temperatur Jaket (°C)

Temperatur

steam masuk

(°C)

Temperatur

steam keluar

(°C)

4

8

12

16

48

58

68

71

70

70

70

72

64,2

63,3

66,2

68,3

Rata-rata 61,25 70,5 65,5

8. Perhitungan

Di = 51 cm = 0,51 m

Do = 54 cm = 0,54 m

Tebal Tangki = 1,5 cm

Volume air = 100 liter

Jaket :

T rata-rata =

dT = (70,5-65,5) °C = 5 °C

Dari literatur J.P. Holman ”Perpindahan Kalor” halaman 593 didapatkan :

T (oC) Cp (kJ/kg oC) μ (kg/ms) k (W/m °C) ρ (kg/m3)

65,55

71,11

4,183

4,186

4,3

4,01

0,659

0,665

980,3

977,3

Dengan rumus interpolasi y = y1 + pada T = 68 oC didapatkan :

Cp = 4,184322 kj/kg °C

μ = 4.172212 kg/ms

k = 0,661644 W/m °C

ρ = 978,9781 kg/m3

Reaktor :

T rata-rata = 61,5 °C

Dari literatur J.P. Holman ”Perpindahan Kalor” halaman 593 didapatkan :

T (oC) Cp (kJ/kg oC) ρ (kg/m3)

60

65,55

4,179

4,183

983,3

980,3

Dengan rumus interpolasi y = y1 + pada T = 61,5 oC

didapatkan :

Cp = 4,179901 kJ/kg °C

ρ = 982.6243 kg/m3

dt = (61,25-48) °C= 13,25°C

Menghitung massa fluida dalam tangki

Menghitung laju alir panas

Menghitung NRe

Menghitung Npr

Menghitung harga hi

Menghitung harga hio

Menghitung Koefisien keseluruhan perpindahan panas

9. Analisa Percobaan

Pada percobaan stirred tank reactor yang telah dilakukan ini, dimana stirred tank 

reactor merupakan suatu reaktor yang terdiri dari tangki silindris yang dilengkapi dengan

pengaduk (agitator) dan jaket. Sistm kerja dari alat ini, mula-mula air yang dipakai sekitar 100

L dan akan dimasukkan kedalam reaktor kemudian dipanaskan menggunakan air pemanas

yang berasal dari jaket. Suhu pada air pemanas diatur denag set point pada suhu 70 oC dengan

bantuan steam. Air di dalam reaktor diaduk dengan agitator dengan tujuan untuk

memperlancar perpindahan panas sehingga suhu air dapat tersebar secara merata dengan

kecepatan yang dipakai sebesar 73 rpm.

Proses perpindahan panas dalam stirred tank  termasuk proses yang  bersifat non

isotermal  dan unsteady state karena aliran panas dan suhu berubah terhadap waktu.

Perpindahan panas terjadi secara konveksi dan konduksi. Konveksi terjadi pada dinding

reaktor yang dipanaskan oleh air pemanas, sedangkan konveksi terjadi pada air di dalam

reaktor yang bergerak turbulen akibat pengadukan.

Pada percobaan ini data yang diambil yaitu temperatur air inlet dan outlet jaket juga

temperatur air di dalam reaktor setiap 4 menit. Dengan mula-mula temperatur air inlet harus

sama atau sesuai dengan set pointnya sekitar suhu 700C. Setelah suhu sama, maka akan

dilakukan proses penamasan didalam reaktor dengan air sebagai fluidanya serta dengan

adanya bantuan pengaduk agar panas yang dihasilkan sama. Dari pengamatan diketahui

bahwa temperatur air masuk jaket lebih besar dari temperatur keluar jaket karena sebagian

panasnya telah berpindah ke air di dalam reaktor. Temperatur air di dalam reaktor mendekati

temperatur air inlet jaket. Adanya perbedaan ini disebabkan adanya proses perpindahan panas

sehingga temperatur air di dalam reaktor lebih kecil dari pada temperatur air inlet jaket.

10. Kesimpulan

Pada percobaan stirred tank reactor yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa :

Stirred tank reactor (reaktor tangki berpengaduk) terdiri dari

tangki silindris yang dilengkapi dengan pengaduk (agitator)  dan jaket.  

Perpindahan panas terjadi yaitu secara konveksi dan konduksi.

Konveksi terjadi pada dinding reaktor yang dipanaskan oleh air pemanas, sedangkan

konveksi terjadi pada air di dalam reaktor yang bergerak turbulen akibat pengadukan.

Nilai koefisien film perpindahan panas yaitu

Nilai koefisien perpindahan panas (U) yang di dapat yaitu :

11. Daftar Pustaka

Holman, J.P. 1994. Perpindahan Kalor Edisi 6. Jakarta : Erlangga

http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/IMMOB/stirredt.htm diakses tanggal 9 Mei 2011

http://www.angelfire.com/ak5/process_control/stirred.html diakses tanggal 9 Mei 2011

http://www.scribd.com/doc/46208685/Stirred-Tank2 diakses tanggal 9 Mei 2011

Kepala Seksi Laboratorium Pilot Plant. 2011. Penuntun Praktikum Pilot Plant. Politeknik Negeri Sriwijaya : Palembang

Gambar Alat :

Stirred Tank Reactor