## PENGARUH JUMLAH DAN KEMIRINGAN SUDU MIXER POROS VERTIKAL (VERTICAL STIRRED MIXER) TERHADAP UNJUK KERJA PENCAMPURAN
Untung Suryadhiyanto 1 , Ikhwanul Qiram 2
1 Staf Pengajar Prodi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas PGRI Banyuwangi
2 Staf Pengajar Prodi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas PGRI Banyuwangi Jl. Ikan Tongkol 22 Banyuwangi 68416
Email: u.suryadhianto@gmail.com

## ABSTRACT
Mixing process use to mix liquid, viscous and granular materials. One of common mixing device is vertical stirred mixer which use a tank and a vertical shaft that rotate mixing blades. This research is done to get the  effect of  blade’s  number  and  angle  inclination  due  to  mixing performance.  Mixing  performance  is defined as stretching and folding. The research is done by experiment. The blade’s number vary as 2, 3 and 4 blades. Blade’s inclination is vary as 90 o , 80 o , 70 o and 60 o . The blades are rotated 10 rpm. A cylinder with 18 cm diameter and 12 cm height use as mixing tank. White wall paint is use as mixing material. Black wall paint use as tracker. Mixing processes are observed by a camera on top of the mixer.  The mixing processes are arranged for 2 mixer shaft rotations. Video data are captured frame by frame and analyzed using image software. The result shows that blade’s number and angle inclination have effect due to mixing performance. Blade’s number tends to decrease stretching and folding. Blade’s angle inclination also tends to decrease stretching and folding.
Keywords: vertical stirred mixer, blade’s inclination, stretching, folding

## PENDAHULUAN
Proses pencampuran bahan ( mixing ) banyak  dilakukan  di  dunia  industri  maupun kehidupan  sehari-hari.  Salah  satu  peralatan  yang banyak  digunakan  adalah mixer poros  vertikal ( vertical  stirred  mixer ).  Bahan  yang  dicampur pada  umumnya  berbentuk  cairan  yang  relatif kental.  Bahan-bahan  lain  yang  diproses  adalah proses fermentasi  mikroba  [1], pasir  [2], material obat  [3]  dan  bubuk  granular  [4].  Proses pencampuran  bahan  di mixer poros  vertikal merupakan  unit  operasi  utama  yang  banyak dilakukan untuk proses produk-produk kimiawi [3, 5, 6], obat-obatan [5, 6], pengolahan cat dan kertas [6], pengolahan  makanan dan pengelolaan air  [5] serta  aktivitas  di  pertambangan  [3,  4].  Proses pencampuran  bahan  umumnya  dilakukan  pada kondisi  stedi  dengan  pengaduk  dengan  putaran konstan  dan  diposisikan  di  garis  tengah  sumbu tangki [6]. Fenomena aliran fluida di tangki mixer dipicu dengan sebuah motor penggerak atau lebih yang  berputar  di  dalam  fluida.  Rotor  dapat didesain  dalam  berbagai  bentuk  tergantung  pada target  hasil  proses  pencampuran.  Aliran  fluida dapat  terjadi  dalam  bentuk  aliran  seragam,  radial atau  aksial.  Pencampuran  bahan  secara  industri melibatkan sistem fase tunggal maupun multi fase [5].
Struktur mekanik tangki pengaduk menentukan  faktor  pemilihan  sudu  pengaduk, bentuk  tangki,  dan  struktur  sirip  penghalang ( buffle ). Penelitian peralatan  proses pencampuran
bahan untuk kebutuhan rumah tangga dan industri yang difokuskan pada sudu pengaduk dan struktur sirip penghalang telah menghasilkan perkembangan yang pesat pada teknologi pencampuran.  Pemilihan  tangki,  sudu  dan  sirip serta posisinya di dalam tangki pencampuran dapat meningkatkan  unjuk  kerja  pencampuran  bahan tersebut.  Penelitian  banyak  diarahkan  pada konfigurasi desain tangki pengaduk yang optimum dengan effisiensi yang baik [7].
Penelitian  perbandingan  bentuk  sudu dilakukan untuk bentuk sudu piringan pejal dan 4 buah sudu impeller. Hasil penelitian menunjukkan bahwa  pada  angka  Reynold  200,  variasi  4  sudu menghasilkan  peningkatan  yang  tajam  pada kecepatan di dekat sumbu bawah tangki pengaduk yang menghasilkan aliran yang bergulung ke atas. Sudu  piringan  pejal  dapat  diaplikasikan  untuk kondisi  laminer  [3].  Eksperimen  pengukuran pemanjangan  atau stretching dilakukan  untuk visualisasi  pencampuran  2  dimensi.  Kontur  area campuran  pasif  ditemukan  terjadi  pada  garis paralel yang dikategorikan sebagai large stretching .  Besarnya stretching lokal  bervariasi sebanyak  12  urutan  ukuran  [8].  Penelitian  waktu pencampuran  dilakukan  secara  numerik  dan eksperimen. Hasil penelitian menunjukkan kesesuaian antara 2 metode ini. Waktu pencampuran sangat dipengaruhi oleh ukuran sudu [5]. Penelitian  eksentrisitas  poros  dilakukan untuk  perbandingan  2  posisi  poros  pengaduk.
Posisi  poros  berpengaruh  terhadap  aliran  bahan yang diproses. [9]. Penelitian tangki ellip bersirip dilakukan  dengan  memposisikan  sirip  di  dasar tangki. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sirip sangat  berpengaruh  terhadap  aliran  bahan  dan unjuk kerja pencampuran [7]. Penelitian visualisasi  pencampuran  dilakukan  untuk  sudu koaksial  tunggal  pada  daerah  laminer  dengan  Re 2.68.  Pengamatan  dilakukan  untuk  fenomena aliran  radial  tunggal  dan  ganda  yang  disebabkan putaran  sudu  pengaduk.  Pengamatan  dilakukan dengan  metode  visual.  Penggunaan  sudu  jenis radial  ini  terbukti  mampu  meningkatkan  unjuk kerja pemompaan bahan [10]. Simulasi pencampuran  dilakukan  untuk mixer poros vertikal.  Hasil  penelitian  menunjukkan  adanya aliran vorteks di antara bilah sudu pengaduk [11].
Mixer poros vertikal ( vertical stirred mixer ) banyak  digunakan  dalam  rumah  tangga  dan industri.  Desain  yang  optimum  akan  dapat menurunkan konsumsi daya listrik yang dibutuhkan motor penggerak. Dalam sektor usaha, mixer poros vertikal yang membutuhkan konsumsi energi  listrik  yang  rendah  dapat  mengurangi kebutuhan  operasional  usaha  sehingga  dapat digunakan sebagai bentuk upaya perbaikan usaha. Tangki  pengaduk  umumnya  berbentuk  silinder dengan  diameter  tertentu.  Poros  pengaduk diposisikan di garis sumbu tangki. Poros pengaduk juga dapat diposisikan bergeser dari sumbu poros atau  eksentrisitas.  Sudu  dengan  ukuran  tertentu diposisikan  dengan  jarak  tertentu  terhadap  dasar tangki.  Gerak  putar  poros  pengaduk  berpengaruh terhadap aliran fluida dan direpresentasikan dalam angka Reynold [3].
 2 Re ND = (1)
Dimana: N = kecepatan putar poros (rpm) D = Diameter sudu (m)
 = viskositas kinematik = kg m/dt 2
Gambar 1. Skema penjejak [12]
Pengamatan proses
pencampuran dilakukan  dengan  menggunakan  bahan  penjejak yang  direkam  sebuah  kamera.  Bahan  penjejak akan mengalami gerakan karena pengaruh gerakan poros  pengaduk  dan  sudunya.  Gerakan  dapat berupa  gerak  translasi atau rotasi  sehingga  bahan penjejak akan mengalami perpanjangan
( stretching )  seperti  gambar  1a  dan  penekukan ( folding )  seperti  gambar  1  b  dan  1c.  Fenomena stretching dan folding diteliti  untuk  unjuk  kerja pencampuran  pada  kondisi chaos .  Dua  jenis fenomena  ini  merupakan  indikator  unjuk  kerja proses pencampuran bahan [12].
Optimasi penggunaan mixer poros vertikal dalam  proses  pencampuran  bahan  berkaitan dengan  konsumsi  energi  listrik.  Energi  listrik  ini digunakan sebagai tenaga penggerak motor listrik yang akan  memutar sudu pengaduk. Desain  yang optimum  akan  menghasilkan  unjuk  kerja  proses pencampuran  yang  efisien.  Proses  pencampuran akan berjalan optimum dengan penggunaan energi listrik  yang  relatif  kecil.  Jumlah  sudu  pengaduk akan  mempengaruhi  hambatan  gerak  sudu  dalam fluida  yang  diproses.  Demikian  halnya  dengan sudut  kemiringan  sudunya.  Efek  hambatan  ini berpengaruh  terhadap  tenaga  yang  dibutuhkan dalam  gerak  sudu  pengaduk  sehingga  akan berpengaruh  pula  terhadap  kebutuhan  energi listriknya.  Untuk  itu  diperlukan  suatu  penelitian pengaruh jumlah dan kemiringan sudu mixer poros vertikal  ( vertical  stirred  mixer )  terhadap  unjuk kerja proses pencampuran.

## METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian  dilakukan  dengan mixer poros vertikal  dengan  tangki  berdiameter  18  cm  dan tinggi 12 cm seperti skema pada gambar 3. Jumlah sudu  divariasikan  sebesar  2, 3  dan  4  sudu.  Sudut kemiringan sudu divariasikan sebesar 90 o , 80 o , 70 o dan 60 o . Sudut kemiringan ini adalah posisi sudut sudu  pengaduk  terhadap  garis  sumbu  vertikal lengan  pemegang  sudu.  Putaran  poros  pengaduk sebesar  10  rpm  dengan  penggerak  motor  listrik yang  dilengkapi  transmisi  puli.  Bahan  yang diproses  adalah  cat  tembok  putih.  Cat  tembok hitam  digunakan  sebagai  bahan  penjejak  pola pencampuran.  Pengamatan  dilakukan  dengan sebuah  kamera  yang  diposisikan  di  atas  tangki pengaduk.
Kamera Motor listrik Sudu Transmisi puli Kemiringan sudu
Gambar 2. Skema peralatan penelitian
Prosedur  pengambilan  data  dilakukan dengan tahapan berikut:
1. Persiapan alat dan bahan.
2. Cat warna putih dimasukkan sejumlah 0,8 liter.
3. Meneteskan bahan penjejak ± 1 cm 2 .
4. Menghidupkan motor listrik.
5. Merekam  proses  pencampuran  sampai  2 putaran poros pengaduk.
6. Mengulangi percobaan untuk variasi yang lain.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Tabel 1. Data stretching (2 putaran poros)
Kemiringan sudu ( o ) 2 sudu 3 sudu 4 sudu 60 25.86 26.04 26.73 70 26.19 25.81 24.17 80 24.51 22.38 20.94 90 21.38 18.64 18.25 Tabel 2. Data folding (2 putaran poros)
Kemiringan sudu ( o ) 2 sudu 3 sudu 4 sudu 60 5 4 4 70 4 3 3 80 3 3 2 90 3 2 2 (a) (b) (c) (d)
Gambar 4. Foto mixing 2 sudu (a) 90 o , (b) 80 o , (c) 70 o dan (d) 60 o (a) (b) (c) (d)
Gambar 5. Foto mixing 3 sudu
(a) 90 o , (b) 80 o , (c) 70 o dan (d) 60 o
(a)
(b) (c) (d)
Gambar 6. Foto mixing 4 sudu (a) 90 o , (b) 80 o , (c) 70 o dan (d) 60 o
Foto-foto mixing pada  gambar  4  sampai  6 menunjukkan  pola  penyebaran  bahan  penjejak. Foto-foto ini menunjukkan pola-pola yang berbeda sesuai  dengan  jumlah  sudu  pengaduk.  Sudu berjumlah 2 buah  menunjukkan garis penyebaran bahan  penjejak  yang  cenderung  berbentuk  ellip. Sudu  berjumlah  3  buah,  garis  penyebaran  bentuk ellipnya  cenderung  melebar.  Sudu  berjumlah  4 buah  menunjukkan  pola  garis  yang  cenderung membentuk  lingkaran.  Foto-foto mixing juga menunjukkan  bagian  ujung  sudu  menyebabkan pola  penyebaran  bahan  penjejak  yang  cenderung menjauhi titik pusat poros penggerak.
Gambar 7. Grafik stretching ( 2 putaran poros)
Grafik pada gambar 7 menunjukkan bahwa semakin  besar  sudut  kemiringan  sudu  maka stretching cenderung  semakin  besar.  Grafik  juga menunjukkan bahwa semakin banyak jumlah sudu maka stretching juga  cenderung  semakin  besar. Stretching maksimum terjadi pada jumlah sudu 4, sudut  kemiringan  90 o yaitu  sebesar  26,19  cm. Stretching minimum  terjadi  pada  jumlah  sudu  2, sudut kemiringan 60 o yaitu sebesar 18,25 cm. Str etc hin g … Sudut kemiringan … 2 s…
Gambar 8. Grafik folding (2 putaran poros)
Grafik pada gambar 8 menunjukkan bahwa semakin  besar  sudut  kemiringan  sudu  maka folding cenderung  semakin  besar.  Grafik  juga menunjukkan bahwa semakin banyak jumlah sudu maka folding juga  cenderung  semakin  besar. Folding maksimum  terjadi  pada  jumlah  sudu  4, sudut  kemiringan  90 o yaitu  sebesar  5. Folding minimum terjadi pada jumlah sudu 2 dan 3, sudut kemiringan 60 o yaitu sebesar 2.
Semakin  besar  sudut  kemiringan  sudu maka stretching cenderung semakin besar. Hal ini disebabkan karena sudut kemiringan menyebabkan  luasan  sudu  yang  mengalami  gaya hambat  dalam  pengadukan  juga  semakin  kecil. Luasan  ini  merupakan  luasan  yang  tegak  lurus dengan  arah  gerak  putar  sudu.  Kemiringan  sudu menyebabkan  luasan  yang  mengaduk  bahan menjadi  lebih  kecil.  Hal  ini  menyebabkan  bahan penjejak  tidak  terbawa  oleh  gerakan  sudu  secara optimal. Grafik juga menunjukkan bahwa semakin banyak  jumlah  sudu  maka stretching juga cenderung  semakin  besar.  Hal  ini  disebabkan karena semakin banyak jumlah sudu maka luasan yang mengaduk bahan juga semakin besar. Luasan yang  semakin  besar  ini  mampu  menyebabkan penyebaran bahan penjejak yang lebih besar pula.
Semakin  besar  sudut  kemiringan  sudu maka folding cenderung  semakin  besar.  Luasan sudu yang kecil kurang dapat menyebarkan bahan penjejak  dan  hanya  sedikit  membuat  pola-pola tekukan  karena  bahan  yang  dipindahkan  juga relatif  lebih  sedikit.  Grafik  juga  menunjukkan bahwa semakin banyak jumlah sudu maka folding juga cenderung semakin besar. Jumlah sudu yang lebih  banyak  menyebabkan  garis  penyebaran bahan  penjejak  mendapatkan  pengaruh  gerak sudu-sudu mixer sehingga  garis  penyebaran  ini mengalami perubahan yang lebih besar.
Stretching Folding Lapis ke-2 Percabangan Gambar 9. Stretching dan folding
Pola  penyebaran  pencampuran  bahan  dalam bentuk stretching dan folding dapat  dilihat  pada gambar 9. Pola stretching menunjukkan kecenderungan  perubahan  dimensi  lebar  garis stretching yang semakin mengecil. Garis stretching cenderung  mendekati  sumbu  poros pengaduk seperti yang terlihat pada garis lapis ke- 2. Pola folding terjadi karena pengaruh gerak sudu, terutama  saat  bagian  ujung  sudu  bergerak menyeret  garis stretching .  Garis  yang  mendekati sumbu  poros  ini  selanjutnya  dapat  menghasilkan pola folding yang lebih baik, dimana folding yang terjadi tidak hanya dalam bentuk penekukan garis tetapi telah menghasilkan pola percabangan. Pola percabangan  ini  merupakan  pola  penyebaran bahan penjejak yang lebih besar.
Mengacu  pada  persamaan  (1)  di  bagian latar  belakang,  dengan  nilai  kecepatan  putar  dan diameter sudu yang relatif kecil maka akan didapat nilai bilangan Reynold (Re) yang relatif kecil pula. Bilangan  Reynold  yang  rendah  menunjukkan bahwa aliran bahan termasuk dalam kategori aliran laminar.  Dalam  sistem mixing aliran  laminar, bahan  yang  diproses  memiliki  ketergantungan yang relatif rendah terhadap waktu karena adanya gaya  viskos.  Pencampuran  dengan  aliran  laminar cenderung  menyebabkan  area  pencampuran  yang terbatas sebagai akibat terbatasnya gerak sudu. Hal ini dapat menyebabkan waktu pencampuran yang relatif lama dan membutuhkan energi yang relatif besar untuk mencapai keseragaman hasil pencampuran [13].
Jumlah  dan  sudut  kemiringan  sudu  yang berbeda menyebabkan perbedaan luasan permukaan  yang  bergerak  tegak  lurus  ke  arah bahan.  Perbedaan  terletak  hambatan  gerak  yang berbeda pula. Hal ini terkait dengan gaya hambat ( drag )  yang  terjadi.  Gaya  hambat  ini  selanjutnya akan  menentukan  besarnya  daya  ( power )  yang dibutuhkan  oleh  sumber  penggerak.  Sumber penggerak  berupa  motor  listrik  akan  menentukan besarnya  energy  listrik  yang  dikonsumsi.  Jumlah sudu  yang  semakin  besar  memang  menghasilkan stretching dan folding yang lebih besar tetapi akan membutuhkan  energy  gerak  yang  lebih  besar. Penelitian  lebih  lanjut  dapat  dilakukan  untuk mengkaji  kombinasi  yang  optimal  dalam  proses pencampuran bahan.

## Jumlah
…

## Sudut kemiringan …
2… 3…

## KESIMPULAN
Secara umum, jumlah dan kemiringan sudu berpengaruh  terhadap mixer poros  vertikal berpengaruh  terhadap  unjuk  kerja  pencampuran. Pengaruhnya adalah:
a. Semakin  besar  sudut  kemiringan  sudu  maka stretching cenderung semakin besar.
b. Semakin  besar  sudut  kemiringan  sudu  maka folding cenderung semakin besar.
c. Jumlah  sudu  membentuk  pola  penyebaran bahan penjejak yang berbeda.

## SARAN
Penelitian  selanjutn  ya  dapat  dilakukan untuk mengkaji gaya hambat dan konsumsi energi yang dibutuhkan sumber penggerak. Hal ini dapat dilakukan  untuk  mendapatkan  model mixer yang optimum untuk proses pencampuran bahan.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian  ini  dilakukan  melalui  skim Penelitian  Dosen  Pemula  (PDP)  Kemeristekdikti TA 2016/2017.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Ibrahim S. 2007. Mixing in the Mechanically Agitated  Bioreactor:  ‘A  Matter  of  Being Stirred, not Shaken’ . Journal - The Institution of Engineers, Malaysia 68(3): pp. 43-48
[2] Syrjanen  J,  Haavisto  S,  Koponen  A. manninen  M.  2009. Particle  Velocity  and Concentration  Profiles  of  Sand  –  Water Slurry  in  Stirred  Tank  –  Measurements  and Modelling . Seventh International Conference on  CFD  in  the  Minerals  and  Process Industries CSIRO, Melbourne, Australia
[3] Hormann  T,  Suzzi  D,  Khinast  JG.  2011. Mixing  and  Dissolution  Processes  of Pharmaceutical  Bulk  Materials  in  Stirred Tanks: Experimental and Numerical Investigations .  Ind.  Eng.  Chem.  Res.  2011, 50: pp. 12011–12025
[4] Tran  ALH.  2015. Powder  Flow  In  Vertical High  Shear  Mixer  Granulators .  Thesis. School  of  Chemical  Engineering.  The University of Queensland
[5] Mununga  L,  Hourigan  K,  Thompson  M. 2001. Comparative Study of Flow in a Mixing Vessel  Stirred  by  a  Solid  Disk  and  a  Four Bladed  Impeller .  14 th Australasian  Fluid
Mechanics Conference Adelaide University, Adelaide, Australia
[6] Hartmann  H, Derksen  JJ,  Van  den  Akker HEA .  2006. Mixing  Times  in  a  Turbulent Stirred  Tank  by  Means  of  LES .  AIChE Journal 52(11): pp. 3696-3706
[7] Xuedong  L,  Zhiyan  L.  2010. Numerical Simulation of Flow Field in a Elliptic Bottom
Stirred Tank with Bottom Baffles . International Journal of Mechanical, Aerospace,  Industrial,  Mechatronic  and Manufacturing  Engineering  4(5):  pp.  428- 432
[8] Voth  GA,  Haller  G,  Gollub  JP.  2002. Experimental  Measurements  of  Stretching Fields  in  Fluid  Mixing .  Physical  Review Letters 88(25): pp. 254501-1 - 254501-4
[9] Montante G, Bakker A, Paglianti A, Magelli F . 2006. Effect of the Shaft Eccentricity on the Hydrodynamics  of  Unbaffled  Stirred  Tanks .
Chemical Engineering Science 61: pp. 2807– 2814
[10] Millan  AH,  Taboada  B,  Vega-Alvarado  L, Zenit  R,  Ascanio  G.  2012. Enhancement  of Laminar  Mixing  in  Stirred  Vessel  using Geometrical  Perturbations .  Journal  of Applied  Research  and  Technology  10:  pp. 520-533
[11] Dagadu  CPK,  Stegowski  Z,  Sogbey  BJAY, Adzaklo  SY.  2015. Mixing  Analysis  in  a Stirred  Tank  Using  Computational  Fluid Dynamics .  Journal  of  Applied  Mathematics and Physics 3: pp. 637-642
[12] Ma  T,  Ouellette  NT,  Bollt  EM,  2016. Stretching and Folding in Finite Time . Chaos 26: pp. 023112-1 - 023112-11
[13] Zhang J, Li X, He R, Liang J, 2015, Study on Double-Shaft  Mixing  Paddle  Undergoing Planetary  Motion  in  the  Laminar  Flow Mixing  System ,  Advances  in  Mechanical Engineering 2015, Vol. 7(7): pp. 1–12
[14] Data  hasil  percobaan  berupa  rekaman  video di- capture frame by frame untuk mendapatkan  foto-foto  pola  pencampuran. Foto-foto  ini  selanjutnya  dianalisis  dengan software Kinovea 0.8.15 untuk mendapatkan nilai stretching dalam  satuan  panjang  (cm). Data foto juga digunakan untuk menghitung banyaknya folding yang  terjadi  pada  setiap varias