BAB I PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang Perpindahan massa antar fase hampir dijumpai disetiap proses dalam teknik kimia, sebagai contoh: ekstraksi cair-cair, leaching, distilasi, absorbsi, pengeringan, dan pendinginan. Kontak antar fase gas dan cairan dapat terjadi dalam berbagai cara, misalnya: peristiwa dimana cairan dilewatkan kedalam bentuk lapisan film yang bergerak melalui cairan gas dilewatkan melalui tray tower. Dengan adanya kontak antar gas dan cairan, maka akan terjadi perpindahan massa antara gas dan cairan. Oleh karena itu diperlukan koefisien perpindahan massa dari fase gas ke cairan (kgg) atau sebaliknya (kgl).
I.2. Rumusan Masalah Praktikum WWC (Wetted Wall Coloumn) merupakan praktikum yang membahas tentang perpindahan massa antar fasa, yaitu gas dan cairan. Pada praktikum
ini akan didapatkan besarnya koefisien perpindahan massa (kgl),
kondisi operasi (temperature, tekanan, laju alir udara dan laju alir air) yang mempengaruhi besarnya kgl dan nilai bilangan tak berdimensi yaitu pengaruh bilangan Reynold terhadap bilangan Sheerwood.
I.3. Tujuan Instruksional Khusus 1. Menentukan besarnya kgl pada berbagai variabel operasi. 2. Menentukan pengaruh bilangan tak berdimensi NRe terhadap NSh.
I.4. Manfaat Percobaan 1. Mengetahui kondisi operasi yang mempengaruhi kgl 2. Mengetahui fenomena yang terjadi pada saat praktikum Wetted Wall Column
BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1. HUMIDIFIKASI Humidifikasi adalah proses perpindahan/penguapan air dari fase cair ke dalam campuran gas yang terdiri dari udara dan uap air karena adanya kontak antara cairan yang temperaturnya lebih tinggi dengan campurannya. Dalam proses humidifikasi, tergantung pada beberapa parameter, diantaranya:
Temperature Dry Bulb Temperature dry bulb adalah temperatur yang terbaca pada termometer terkena udara bebas namun terlindung dari radiasi dan kelembapan. Temperatur dry bulb sering disebut sebagai temperatur udara, sehingga tidak menujukkan adanya jumlah uap air di udara.
Temperature Wet Bulb Temperature wet bulb adalah temperatur kesetimbangan yang dicapai apabila sejumlah kecil cairan diuapkan ke dalam jumlah besar campuran uap gas yang tidak jenuh. Metode yang dapat digunakan untuk mengukur temperature wet bulb adalah dengan menggunakan termometer yang diselubungi kapas atau kain basah kemudian dialirkan gas yang mempunyai properties T dry dan humidity H. Pada keadaan steady state, air akan menguap ke dalam aliran gas. Kapas atau kain basah akan mengalami pendinginan hingga suhu konstan. Suhu inilah yang disebut T wet bulb. Dalam penerapannya, T wet bulb digunakan untuk menentukan humidity dari campuran air-udara.
Dew point Dew point adalah temperatur udara saat saturasi atau temperatur dimana uap air mulai mengembun ketika campuran udara dan uap air didinginkan.
Enthalpi Enthalpi adalah banyaknya kalor (energi) yang ada dalam udara setiap satu satuan massa.
Relative humidity Relative humidity adalah perbandingan antara fraksi mol uap dengan fraksi mol udara basah pada suhu dan tekanan yang sama (%).
Persen humidity Persen humidity adalah besarnya kandungan uap air dalam udara kering. % humidity = berat uap air (basis kering) × 100% berat campuran udara dan uap air Humidity dinyatakan dengan y. Nilai y dapat dicari dengan menggunakan diagram psikrometrik, dengan mengetahui nilai temperature dry bulb dan temperature wet bulb.
II.2. Wetted Wall Column
Gambar 2.1. Wetted Wall Column Ketika dinding kolom dibasahi dan terisolasi dari lingkungannya sehingga sistem operasi merupakan sistem adiabatik dan cairan diresirkulasi dari bagian
dasar kolom melalui reservoir ke puncak kolom, system operasi digambarkan sebagai humidifikasi adiabatik. Dalam keadaan ini, hubungan antara komposisi gas dan suhu gas dan cairan dapat dihitung dari termodinamika properti dan neraca massa dan energi. Berdasarkan pertimbangan, dinding kolom yang dibasahi sebagai humidifier adiabatik dengan ketentuan untuk kontrol suhu cairan di reservoir dan penambahan "make up" cairan ke reservoir pada suhu terkontrol. Asumsikan bahwa gas dan cairan seluruh sistem pada awalnya pada suhu yang sama. Massa dari cairan ditransfer sebagai proses penguapan, penurunan suhu yang diperlukan sebagai panas laten penguapan. Suhu cairan yang jatuh di bawah suhu gas, panas ditransfer dari gas ke cairan. Dengan cara ini gas didinginkan dan dilembabkan. Jika cairan masuk ke puncak kolom, harus dipertahankan pada suhu cairan keluar, tingkat suhu menurun cair, dan gradien suhu cairan melalui kolom menurun sedangkan suhu dan kelembaban gas yang masuk tetap konstan . Suhu gas yang keluar akan menurun karena suhu cairan berkurang karena kecepatan transfer panas yang lebih besar diperoleh dengan perbedaan besar dalam suhu antara gas dan cairan. Suhu gas buang akan selalu lebih tinggi dari cairan masuk. Proses pendinginan ini akan berlanjut sampai laju transfer panas dari gas ke cairan hanya setara dengan panas laten yang dibutuhkan untuk menguapkan cairan. II.3. BILANGAN TAK BERDIMENSI Terdapat beberapa faktor bilangan yang mempengaruhi koefisien perpindahan massa (kgl) diantaranya meliputi: Bilangan Reynold (NRe) Dalam mekanika fluida, bilangan Reynolds adalah rasio antara gaya inersia (vsρ) terhadap gaya viskos (μ/L) yang mengkuantifikasikan hubungan kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi aliran tertentu. Bilangan ini digunakan untuk mengidentifikasikan jenis aliran yang berbeda, misalnya laminar dan turbulen. Dengan perumusan nilai bilangan sebagai berikut.
Dimana: vs = kecepatan fluida, L = panjang karakteristik, μ = viskositas absolut fluida dinamis, ν = viskositas kinematik fluida: ν = μ / ρ, ρ = kerapatan (densitas) fluida. Bilangan Schmidt Bilangan Schmidt merupakan rasio dari momentum dan difusivitas massa. Bilangan ini digunakan untuk menentukan sifat aliran-aliran fluida dimana pada aliran tersebut proses konveksi-difusi momentum dan massa berlangsung secara simultan. Dengan perumusan sebagai berikut. Sc = Dimana V = viskositas kinematis (
dalam satuan unit (m2/s)
D = difusivitas massa (m2/s) viskositas dinamis dari aliran fluida (N.s/m2)
= densitas dari fluida (kg/m3) Bilangan Sheerwood Bilangan Sheerwood (Nusselt) merupakan bilangan tak berdimensi yang digunakan untuk mengetahui besarnya koefisien transfer massa (kgl) dimana merupakan rasio dari koefisien konveksi transfer massa dengan difusivitas transfer massa. Sh =
; dimana L = panjang kolom perpindahan massa (m) D = difusivitas massa (m2.s-1) K=Koefisien transfer massa (m.s-1)
II.4. PENGERTIAN TENTANG KOEFISIEN PERPINDAHAN MASSA Koefisien perpindahan massa adalah besaran empiris yang diciptakan untuk memudahkan persoalan-persoalan perpindahan massa antar fase, yang akan dibahas disini adalah koefisien perpindahan massa dari fase gas ke fase cair atau
sebaliknya dari sifat-sifat zat untuk menekan. Hal ini dapat diperhatikan pada gambar di dasar ini:
Gambar 2.2. Pengaruh koefisien perpindahan massa dari fase gas ke fase cair atau dari fase cair ke fase gas Koefisien perpindahan massa dipengaruhi oleh beberapa hal, diantaranya: 1. Kondisi Operasi Kondisi operasi dapat berupa laju alir, temperatur dan tekanan. 2. Kondisi Alat Kondisi alat meliputi diameter dan tinggi/panjang alat. 3. Sifat Bahan Sifat bahan dapat berupa densitas, viskositas, diffusivitas. Bila terjadi perpindahan massa dari fase cair ke fase gas pada bidang selang film, gas – cair dalam hal ini adalah penguapan dari permukaan cairan ke permukaan atau aliran udara. NAy = JAy + XA ( HAy + NBy) ……………………(1) Dimana : NAy
= fluks massa komponen A (dalam hal ini air) dalam arah y karena terbawa aliran fluida (gr mole / cm2 det)
NBy
= fluks massa komponen B (dalam hal ini udara) dalam arah y karena dimana aliran fluida (gr mole / cm2 det)
XA
= fraksi mol uap air difase gas yang merupakan fungsi dari y dan z
JAy
= fluks massa komponen A dalam arah y karena difusi molekuler (gr mol / cm2 det)
Maka persamaan (1) dapat ditulis kembali sebagai berikut : NAy – XA ( HAy + NBy ) = Jay……....………. (2) Menurut Hukum Fid pertama, maka JAy = – C DAB XA / y………......….…………(3) Pemecahan persamaan (3) untuk menentukan besarnya JAy memerlukan persyaratan bahwa XA/y diketahui lebih dulu. Untuk memecahkan persoalan yang rumit pada aliran, maka penggunaan persamaan (3) akan sangat menyulitkan. Oleh karena itu, didefinisikan koefisien perpindahan massa. JAy∝ = kg. LoC ( XAo – XA )……….………….(4) Dimana ( XAo – XA) adalah beda konsentrasi dan dinyatakan dengan fraksi mol dalam arah perpindahan massa y. Pendefinisian ( XAo – XA) ini menentukan definisi yang tepat dari kg, LoC (tanda LoC dari fase gas diganti huruf g). pernyataan lokal disini dimaksudkan untuk menunjukkan bahwa kg dapat berbeda-beda dari satu posisi lain pada permukaan bidang selang perpindahan terjadi. Agar lebih memudahkan pemakaian, maka didefinisikan kg rata-rata yang dinyatakan dengan KgL sebagai berikut :
KgL
s
so
kg Loc ds
s
so
ds
……………………...….(5)
Menurut definisi dipuncakmaka kgL = harga rata-rata kg . LoC untuk seluruh permukaan perpindahan massa J. Tentang ( XAo – XA) pada umumnya dilakukan pendefinisian sebagai berikut : XAo
= fraksi mol kompenan A pada fase gas tepat dipergunakan bidang selang
XA
= fraksi mol rata-rata komponen A, difase gas atau dengan rumus :
X Ao A
X A Loc dA dA …………………..………..(6)
= luas penampang aliran gas yang tegak lurus terhadap permukaan perpindahan massa
XA = seperti didefinisikan dipuncakjuga sehingga “cap-muxing arrage” dari XA. LoC.
II.5. PERPINDAHAN MASSA PADA WETTED WALL COLUMN Guna menelaah perpindahan massa dalam wetted wall column, perhatikan gambar berikut ini:
Gambar 2.3. Penampang membujur dari watted wall column untuk bagian dimana perpindahan massa fasa diukur/ditelaah. Kita tinjau sistem setinggi dz. Neraca material komponen A yang dilakukan terhadap segmen tersebut menghasilkan persamaan differensial sebagai berikut : d(W . XA) / dz = JAy D ………....…………..(7) dimana, W = laju alir massa gas dalam arah z (gr mole/det) Dengan menggunakan kenyataan bahwa penambahan laju alir massa dalam arah z hanyalah karena adanya fluks massa JAy maka dapat dituliskan hubungan sebagai berikut:
dW J AY . . D dz ………………….…..…..(8) Persamaan (7) dan (8) akan menghasilkan hubungan :
W
dX A (1 X A ) J AY . . D dz ……….…….……..(9)
Dengan menggunakan (4) maka persamaan (9) dapat diubah menjadi :
dX A kg. loc. . D dz (1 X A ) ( X A0 X A ) W ……………....(10)
Dalam menyelesaikan persamaan (10) maka perlu penganggapan bahwa XA
rata-rata
(lihat
persamaan
(6)),
maka
anggapan
tersebut
dapat
digunakan. Selanjutnya dengan mengabaikan perubahan total dari W sepanjang kolom, mka integrasi persamaan (10) untuk Z = 0 sampai Z = L menghasilkan :
…….(11) Ruas kiri adalah definisi kg,l sedang ekspansi parsiil, ruas kanan dapat dengan mudah diintegrasikan.
..…..(12) Dengan persamaan ini maka kgl dapat ditentukan dari data percobaan. Korelasi empiris dimensi dapat diketahui bahwa kg,l dipengaruhi oleh NRe, NSc, dan factor geometris kolom (L/D). Pengaruh faktor-faktor tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut ….…………(13) NRe = bilangan Reynold untuk aliran gas NSc = bilangan Schmidt untuk fasa gas L/D = perbandingan panjang kolom terhadap diameter kolom Suatu proses dimana terjadi suatu perpindahan suatu unsur pokok dari daerah yang berkonsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah dinamakan perpindahan massa, Perpindahan massa yang terjadi dari suatu unsur yang berkonsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah dipengaruhi oleh ciri aliran liquid, seperti pada kasus heat transfer, mekanisme perpindahan massa terjadi dengan cepat. Jika sejumlah campuran gas yang terdiri dari dua jenis molekul atau lebih, dimana konsentrasi masing-masing berbeda, maka masing-masing molekul ini cenderung menuju ke komposisi yang sama seragam. Proses ini terjadi secara alami. Perpindahan massa makroskopis ini tidak tergantung pada konveksi dalam sistem. Proses ini didefinisikan sebagai difusi molekul. Pada persamaan perpindahan massa ditunjukkan hubungan antara flux dari substan yang terdifusi dengan gradient konsentrasi.
Dimana JA,Z merupakan molar flux pada Z, merupakan perubahan konsentrasi serta DAB adalah diffusivitas massa atau koefisien diffusivitas komponen A yang terdifusi melalui komponen B. Karena perpindahan masssa atau diffui hanya terjadi dalam campuran, maka pengaruh dari tiap komponen harus diperhitungkan. Misalnya, untuk mengetahui laju diffusi dari setiap komponen relative terhadap kecapatan campuran. Kecepatan campuran harus dihitung dari kecepatan rata-rata tiap komponen. Persamaan diatas dikenal dengan persamaan Hukum Frek’s, dimana DAB adalah koefisien diffusivitas. Koefisien diffusivitas tergantung pada: 1. Tekanan 2. Temperatur 3. Komposisi Sistem Koefien
diffusivitas
masing-masing
fase
berbeda-beda.
Koefien
diffusivitas untuk gas lebih tinggi, yaitu antara 5.10-6 – 10-5 m2/s , untuk liquid 1010
– 10-9 m2/s dan untuk solid 10-14 -10-10 m2/s. Perpindahan massa konvektif termasuk perpindahan antara fluida yang
bergerak atau dua fluyida yang bergerak yang tidak tercampur. Model ini tergantung pada mekanisme perpindahan dan karakteristik gerakan fluida. Persamaan laju perpindahan massa konvektif sebagai berikut: NA = kτ . ∆τA Dimana, NA ∆τA
= peprindahan massa molar zat A = perbedaan konsentrasi antara permukaan dengan konsentrasi rata-rata fluida
kτ
= koefien perpindahan massa konvektif
Mekanisme perpindahan massa antar permukaan dan fluida termasuk perpindahan massa molekul melalui lapisan tipis fluida stagnan dan aliran laminar. Beberapa operasi perpindahan massa yang termasuk difusi suatu komponen gas ke suatu komponen
yang tidak berdifusi anatara lain adalah
absorbsi dan humidifikasi. Persamaan yang digunakan untuk menggambarkan koefisien perpindahan massa konvektif adalah: ( Dimana: NAZ
= laju perpindahan molar
DAB
= diffuisivitas
P
= tekanan
R
= konstanta gas
T
= temperature
Z
= jarak
Persamaan ini diperoleh dari teori lapisan atau film theory, dimana gas melewati permukaan liquid. Teori lapisan ini didasarkan pada model dimana tahanan untuk berdifusi dari permukaan liquid ke aliran gas diasumsikan terjadi dalam suatu stagnan film atau laminar film tebal. Dengan kata lain, menunjukkan tebal lapisan liquid. 1. Transfer massa dari gas ke film falling liquid 2. Transfer massa dalam wetted wall column Kebanyakan data dari transfer massa antara perm pipa dan aliran fluida telah ditentukan dengan menggunakan wetted wall columns. Alasan mendasar untuk menggunakan kolom-kolom ini untuk penyelidikan transfer massa adalah untuk mengontakkan luas area antara 2 fase sehingga dapat dihitung dengan tepat. Koefisien
transfer
massa
konvektif
untuk
jatuhnya
liquid
dikorelasikan oleh Vivian dan pecamenet dengan korelasi: (
1/6
(Re)0,4
Dimana: Z
= panjang
DAB
= diffuisivitas massa antara komponen A dan B
ρ
= densitas liquid B
µ
= viskositas liquid B
g
= percepatan gravitasi
Sc
= schimdt number (dievaluasikan pada tempeartur film liquid)
film
Re
= Reynold number
II.6. TEORI PENETRASI Teori penetrasi yang dinyatakan oleh Trey Ball menyatakan kontak 2 fluida. Pada gambar (a) gelembung gas membesar melalui liquid yang mengabsorbsi gas. Partikel liquid mulamula berada di puncak gelembung dimana partikel liquid siap sepanjang permukaan gelembung. Pada gambar (b) terlihat dimana liquid dengan gerakan turbulen memperlihatkan arus eddy constant
(a)
(b)
Gambar 2.4. Teori Penetrasi Mula-mula partikel gas terlarut tidak seragam dan mula-mula arus eddy dianggap diam, jika arus eddy dibiarkan berkontak dengan gas pada permukaannya, konsentrasi liquid permukaan gas Ca yang berada pada kelarutan keseimbangan gas dari liquid selama partikel liquid menjadi penentu difusi unsteady state atau penetrasi solute pada arah Z. Untuk waktu yang pendek dan difusinya berlangsung pelan di dalam molekul solute yang larut tidak pernah mencapai kedalaman Zp sesuai dengan ketebalan arus eddy. Keadaan puncak yang ada pada fenomena transfer massa dalam dinding kolom yang dibasahi adalah : CA0 pada 9 = 0 , untuk semua Z CA pada Z = 0 , 9 > 0 CA0 pada Z = ∞ , untuk semua 9
TEORI FILM Gambar di dasar ini memperlihatkan cairan yang sedang jatuh pada lapisan (film) dengan aliran laminer ke dasar pada permukaan rotameter yang vertikal berkontak dengan gas A yang larut ke dalam cairan dengan konsentrasi A yang seragam C A0 dari pada A pada puncaknya.
Gambar 2.5. Teori Film Pada permukaan cairan, konsentrasi gas terlarut CA , yang berada dalam keseimbangan dengan tekanan A pada fase gas karena CA > C
A0
gas terlarut ke
dalam cairan. Koefisien perpindahan massa Kgl dengan sejumlah gas terlarut setelah liquid terjenuh sejauh L dan dihitung. Masalah ini dapat dipecahkan dengan penyelesaian simultan persamaan kontinuitas. Untuk komponen A dengan persamaan yang menggambarkan liquid yaitu persamaan laminer. Persamaan simultan dan jumlah persamaan diferensial partikel menjadi lebih mudah dengan beberapa asumsi : 1. Tidak ada reaksi kimia 2. Pada arah A kondisinya tidak berubah 3. Kondisinya steady state 4. Kecepatan adsorbsi gas sangat kecil. 5. Difusi A pada arah yang diabaikan dibandingkan dengan gerakan ke dasar. 6. Sifat-sifat fisiknya constan
BAB III METODE PERCOBAAN III.1 Alat dan Bahan yang Digunakan Bahan: -
Udara
-
Air
Alat: -
Stopwatch
-
Thermometer
III.2 Variabel percobaan Variabel Tetap
: Waktu Kalibrasi Air
= 10 detik
Volume Wet Test Meter = 4 L
Variabel Berubah
Laju Alir Udara Tetap
= 1500
Laju Alir Air Tetap
= 20
: Laju Alir Rotameter Udara =1000, 1200, 1400, 1600, 1800 Laju Alir Rotameter Air
= 20, 40, 60, 80, 100
III.3 Gambar Alat Utama Va Aliran Air
2
Gambar 3.1. Alat Praktikum WWC
Keterangan : 1. Blower 2. Rotameter udara 3. Rotameter air 4. Kolom perpindahan massa III.4 Respon 1. Kalibrasi Rotameter Air Volume air yang ditampung (ml) dan waktu 10 detik pada setiap laju alir. 2. Kalibrasi Rotameter Udara Waktu yang dibutuhkan (detik) untuk 1 kali putaran dengan volume wet test meter 4L. 3. Tahap Operasi Suhu (0C) Wet Bulb dan Dry Bulb di dasar dan puncak kolom pada variabel laju alir air dan variabel laju alir udara pada waktu 10 menit. 4. Analisa Data Hasil Percobaan Mahasiswa diharapakan dapat: a. Membuat kurva hubungan koefisien transfer massa (kgl) dengan laju alir dan dapat menjelaskan fenomena-fenomena yang terjadi b. Mengetahui pengaruh NRe terhadap NSh c.
Mencari konstanta a dan b dari persamaan bilangan tak berdimensi yang telah disusun
III. 5 Prosedur Percobaan Pelaksanaan pekerjaan dapat dibagi dalam dua tahap yaitu tahap persiapan dan tahap operasi. A. Tahap Persiapan 1. Kalibrasi Rotameter Air
Mengalirkan air dengan membuka kran pada jarak tertentu
Membaca skala rotameter pada penunjuk tertentu
Mengalirkan air selama 10 menit dan menampung airnya untuk mengetahui volumenya.
Mengukur volume air
Mengulangi sampai 3x
Mengulangi langkah diatas untuk skala rotameter yang lain
2. Kalibrasi Rotameter Udara
Menjalankan rotameter udara
Mengisi wet test meter volume 4 liter dengan air sehingga putaran jarum konstan
Memasang wet test meter dengan air sehingga putaran jarum konstan
Mengatur skala rotameter pada penunjukkan waktu tertentu (use valve)
Menghitung waktu yang diperlukan untuk jarum pada wet test meter melakukan satu putaran
Ulangi langkah di atas untuk skala rotameter udara yang lain
B. Tahap Operasi 1. Mengalirkan air dari kran air pada penunjukkan skala rotameter tertentu 2. Mengalirkan udara pada penunjukkan skala rotameter udara tertentu 3. Mengukur suhu wet bulb (ujung termometer diselubungi kapas basah) dan dry bulb pada puncak dan dasar kolom 4. Membaca dan mencatat suhu pada termometer 5. Ulangi langkah 1-4 sebanyak 4 skala lainnya.
DAFTAR PUSTAKA Bird ,RB. Stewart, Wt and Light Foote, E.N. “Transport Phenomena”. John Willey and Jason. 1968. Mc Cabe, WL and J Smith. “Unit Operation”. Mc Graw Hill. New York.1956. Treybal, RE. .Mass Transfer Operation. 3rd ec. Mc Graw Hill Book Co. Book of Japan.1980.
