PENGARUH TEMPERATUR DAN TEKANAN PADA KOLOM ISIAN VERTIKAL TERHADAP KOEFISIEN DIFUSI GAS (The Effect of Temperature and Pressure at Packed Column on Gas Diffusivity)
Abdul Kahar, S.T, M.Si (Jurusan Kimia, MIPA, Universitas Mulawarman) Abstract The effect of temperature and pressure on gas diffusivity at air-water system with counter current in packed column was studied. The
applied
series
used were packed column with inside diameter 7,5 cm, content material of raschig ring the stack height 140 cm, water circulation pump, and air compressor. The observed variables were water temperature (TA) ranging from 30O – 60OC, water volumetric flow rate (QA) ranging from 1 – 4 L/minute, air volumtric flow rate (QU) 35 – 85 L/minute, wet-bulb temperature (Tw), dry-bulb temperature (Td), and pressure drop ( P). First, the packed column was only flowed with water and air for 60 minutes. Then, the packed column was flowed with water and air, in which thr pumped into the packed column was return again to the storage tank. The collection of data was done after the flow in the packed column in stationary condition for 10 minutes. The air and water volumetric flow rate studied were QU : 60 L/minute and QA : 2,5 L/minute. The value of gas diffusivity, Dv average obtained on the temperatue 40OC is 0,27574 cm2/s. Key word : packed column, gas diffusivity. I. PENDAHULUAN Difusi (pembauran) adalah gerakan suatu komponen melalui suatu campuran yang berlangsung karena rangsangan fisika. Pada umumnya difusi
terjadi karena adanya gradien konsentrasi sehingga cenderung menyebabkan terjadi gerakan komponen itu ke arah yang menyamakan konsentrasi dan menghapuskan gradien. Bila gradien dipertahankan dengan menambahkan komponen yang terdifusi secara terus menerus maka aliran komponen yang terdifusi akan berlangsung secara kontinyu (sinambung). Gerakan inilah yang dimanfaatkan dalam operasi perpindahan massa. Walaupun penyebab difusi umumnya karena gradien konsentrasi, namun difusi dapat juga terjadi karena gradien tekanan, karena gradien suhu, atau karena medan gaya yang diterapkan dari luar seperti pada pemisah sentrifugal. Difusi molekuler yang terjadi karena gradien tekanan (bukan tekanan parsial) disebut difusi tekanan (pressure diffusion), yang disebabkan karena gradien suhu disebut difusi termal (thermal diffusion), sedangkan yang disebabkan oleh medan gaya dari luar disebut difusi paksa (forced diffusion). Difusi tidak terbatas pada perpidahan molekuler melalui lapisan stagnan (diam) zat padat atau zat cair saja, difusi juga terjadi di dalam fase fluida melalui pencampuran fisika dan oleh pusaran (eddy) aliran turbulen, peristiwa ini disebut difusi pusaran (eddy diffusion). Dalam proses pelembaban (humidification) tidak ada difusi fase zat cair karena zat cairnya murni dan tidak mungkin ada gradien konsentrasi di dalam zat cair itu, tetapi uapnya yang terdifusi ke antarmuka zat cair-gas
atau dari
antarmuka itu ke fase gas atau dari fase gas. Koefisien difusi gas dapat diramalkan dengan ketelitian yang tinggi dari teori kinetik. Namun rata-rata perhitungannya lebih rendah 3,7 persen. Ini mungkin merupakan kompensasi kasar atas kenyataan bahwa harga eksperimen sering tinggi akibat gagal dalam menghilangkan pengaruh konveksi. Dalam sistem-sistem yang mengandung air, harga-harga teoritis selalu lebih rendah, ini sebabnya dalam persamaan kita menyertakan sebuah faktor pengali empirik 1,09. (Robert C. Reid dkk, 1991).
A. RUMUSAN MASALAH 1. Seberapa besar pengaruh temperatur dan tekanan terhadap Koefisien Difusi gas pada sistem udara-air dalam kolom isian. 2. Berapakah nilai Koefisien Difusi gas yang diperoleh. B. TUJUAN PENELITIAN 1.
Mengetahui pengaruh temperatur dan tekanan terhadap Koefispen
Difusi gas pada sistem udara-air dalam kolom isian dengan aliran berlawanan arah (counter current). 2.
Menentukan Koefisien Difusi Gas dari kedua variabel tersebut.
II. METODOLOGI PENELITIAN A. Alat dan bahan Peralatan yang digunakan mencakup: kolom isian (packed column), kompressor, pompa, heater, raschig ring, termometer biasa, termometer setting, thermometer regulator, pengaduk, manometer U, rotameter, stopwacth, selang, gelas kimia dan lain-lain. Bahan yang digunakan adalah air dan udara B. Cara Kerja Dalam penelitian ini menggunakan variabel, yaitu variasi laju alir udara, laju alir air dan temperatur air masuk untuk mengetahui pengaruh variabel tersebut terhadap Koefisien Difusi Gas, Dv. Kolom isian (packed column) dipasang pada standar dan kolom berdiri secara vertikal. Penyangga bagian atas, yang terdiri atas : celah untuk air masuk, udara keluar, dan termometer. Penyangga bagian bawah, yang terdiri atas : celah air keluar, udara masuk, dan termometer. Air dipompa dari tangki penampungan dialirkan ke dalam kolom, dengan temperatur yang bervariasi. Udara dialirkan dari kompressor dan laju alirnya diatur dengan menggunakan regulator dan rotameter. Bila kondisi telah stabil maka dilakukan pengukuran temperatur bola basah dan temperatur bola kering untuk udara masuk dan udara keluar serta suhu air masuk dan suhu air keluar. Setelah hasil pengukuran menunjukkan keadaan yang stasioner selama 10 menit,
pengambilan data dapat dilakukan. Hal sama juga dilakukan untuk variasi laju alir udara yang masuk ke dalam kolom berubah dengan suhu air masuk yang konstan. Diagram Alir Proses yang digunakan dalam penelitian ini seperti terlihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 1. Rangkaian peralatan III. HASIL PENELITIAN A. Pengaruh Tekanan Terhadap Koefisien Difusi Gas Dalam kolom isian, aliran dibuat berlawanan arah sehingga menimbulkan friksi antara kedua fluida. Gesekan atau friksi antar fluida, air dan udara, menyebabkan terjadinya perubahan tekanan,
P. Semakin tinggi laju alir, baik
udara maupun air, semakin tinggi pula perubahan tekanannya, seperti terlihat pada Gambar 2 Dalam kolom isian ada limit atas untuk laju alir udara yang dapat menyebabkan pembanjiran (flooding) yang disebut flooding velocity, yang terletak antara laju alir udara 75 – 85 L/menit dengan laju alir air 4 L/menit. Kenaikan pada tekanan menyebabkan penurunan pada koefisien difusi gas, Dv. Pada kondisi laju alir air konstan 1 L/menit dan laju alir udara meningkat dari 35 sampai dengan 85 L/menit, koefisien difusi gas menurun dari 0,27762 sampai dengan 0,2375 cm2/s dan tekanan naik dari 1,0 menjadi 2,7 cm H2O. Begitu juga pada laju alir air yang lebih besar. Kenaikan pada laju alir air meningkatkan
tekanan sehingga sedikit menurunkan nilai koefisien difusi gas. Sebagaimana terlihat pada gambar 3. Gam bar 2. Hubungan Laju Alir Udara dengan Tekanan 70.00
Tekanan, cm H2O
60.00 50.00 1 L/mnt
40.00
2 L/mnt
30.00
3 L/mnt 4L/mnt
20.00 10.00 0.00 35
45 55 65 75 Laju Alir Udara, L/m enit
85
Gambar 2. Hubungan Laju Alir udara dengan Tekanan Gam bar 3. Hubungan Tekanan dengan Difusivitas Gas
Difusivitas Gas,cm2/s
0.28
1 L/mnt 2 L/mnt
0.276
3 L/mnt 4 L/mnt
0.272 0.268 0.264 0.26 0
0.5 1 1.5 Tekanan, log cm H2O
2
Gambar 3. Hubungan Tekanan dengan Koefisien Difusi Gas
Pada kondisi laju alir air meningkat dari 1 sampai dengan 4 L/menit dan laju alir udara konstan 40 L/menit, koefisien difusi gas menurun dari 0,27756 sampai dengan 0,27559 cm2/s dan tekanan naik dari 1,217 menjadi 8,65 cm H2O. Begitu juga pada laju alir udara yang lebih besar. Kenaikan pada laju alir udara meningkatkan tekanan sehingga juga sedikit menurunkan nilai koefisien difusi gas. Sebagaimana terlihat pada gambar 4.
Gambaro 4.5. Hubungan Laju Alir Udara dengan Difusivitas gas
Difusivitas G as,cm 2/s
0.28 0.276
1 L/mnt 2 L/mnt
0.272
3 L/mnt 4 L/mnt
0.268 0.264 0.26 35.00000 45.00000 55.00000 65.00000 75.00000 85.00000 Laju Alir Udara, L/mnt
Gambar. 4. Hubungan Laju alir dengan Koefisien Gas
B. Pengaruh Temperatur terhadap Koefisien Difusi Gas Koefisien difusi gas, Dv naik jika temperatur dinaikkan. Pada kondisi temperatur air masuk yang meningkat dari 30OC sampai dengan 60OC dan tekanan meningkat dari 0,733 cm H2O sampai dengan 32,267 cm H2O, pada laju alir air 1 L/menit dan laju udara konstan 60 L/menit diperoleh koefisien difusi gas meningkat dari 0,26185 sampai dengan 0,31041 cm2/s. Begitu juga pada laju alir dan temperatur air yang lebih besar. Sebagaimana terlihat pada gambar 5. G a m ba r 5 . H ubunga n T em pe ra t ur de nga n D if us iv it a s G as
Difusivitas Gas (Cm2/S)
0.31350
0.29850
1 L/mnt 2 L/mnt 3 L/mnt 4 L/mnt
0.28350
0.26850
0.25350 30
40
50
60
Tem peratur Air (oC)
Gambar 5. Hubungan Temperatur dengan Koefisien Difusi Gas
Pada laju alir udara 40 L/menit dan laju alir air konstan 2,5 L/menit dengan kenaikan temperatur air dari 30OC sampai dengan 60OC dan tekanan meningkat dari 1,65 cm H2O sampai dengan 4,183 cm H2O, diperoleh koefisien
difusi gas meningkat dari 0,26162 sampai dengan 0,3096 cm2/s. Begitu juga pada temperatur air dan laju alir udara yang lebih tinggi. KESIMPULAN A. Kesimpulan 1.
Koefisien difusi gas, Dv makin menurun dengan semakin tinggi
tekanan, dimana kenaikan tekanan disebabkan oleh semakin tingginya laju alir udara dan air. Koefisien difusi gas semakin besar dengan meningkatnya temperatur. 2.
Pada laju alir
volumetrik udara, QU 60 L/menit dan laju alir
volumetrik air, QA 2,5 L/menit, tekanan 5,13 cm H2O, dan temperatur 40OC diperoleh koefisien difusi gas, Dv rata-rata adalah 0,27574 cm2/s DAFTAR PUSTAKA Badger Walter. L dan Julius T. Banchero. 1982. Introduction to Chemical Engineering. Imternational Edition. McGraw Hill International Book Co. New York. Bennet, C.O dan J.E. Myers. 1985. Momentum, Heat and Mass Transfer. International Student Edition. Third Edition. McGraw Hill Inc. New York. Brown, G.G, Donald Katz, Alan S. Foust, dan Richard Scheidewind. Unit Operation. Modern Asia Edition, Jhon Willey and Sons Inc. New York. David M Himmelblau. 1999. Prinsip-prinsip Dasar dan Kalkulasi dalam Teknik Kimia. Edisi Indonesia. Jilid I dan II. Alih bahasa Ita Ananta. PT. Prenhallidi. Jakarta. Maurice G. Lariam. 1958. Fundamental of Chemical Engineering Operation. Maruzen Asian Edition. Prentice Hall Inc. Engelwood Cliffs. N.J. Perrys, R.H. dan Green D. 1984. Perry”s Chemical Engineering Hand Book. Six Edition. Singapore. Robert C. Reid, Jhon M. Prausnitz, dan Bruce E. Poling. 1991. Sifat Gas dan Zat Cair. Edisi ketiga. PT. Gramedia Pustaka Utama. Jakarta.
Mc Cabe. Warlen L, Julian C. Smith dan Peter Harriot. 1990. Operasi Teknik Kimia. Jilid I dan II. Edisi keempat. Terjemaham E. Jasjfi. Erlannga. Jakarta.
