Download - H. WWC OTK
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 (m
2/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 :
o
o
s
ss
s
kg Loc dsKgL
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 :
AAo
X Loc dAX
dA
…………………..………..(6)
A = 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:
. .AY
dWJ D
dz
………………….…..…..(8)
Persamaan (7) dan (8) akan menghasilkan hubungan :
(1 ) . .A
A AY
dXW X J D
dz
……….…….……..(9)
Dengan menggunakan (4) maka persamaan (9) dapat diubah menjadi :
0
. . .
(1 ) ( )A
A A A
dX kg loc Ddz
X X X W
……………....(10)
……………..(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 10
-
10 – 10
-9 m
2/s dan untuk solid 10
-14 -10
-10 m
2/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 = peprindahan massa molar zat A
∆τA = 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 film
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)
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
Laju Alir Udara Tetap = 1500
Laju Alir Air Tetap = 20
Variabel Berubah : Laju Alir Rotameter Udara =1000, 1200, 1400, 1600,
1800
Laju Alir Rotameter Air = 20, 40, 60, 80, 100
III.3 Gambar Alat Utama
Gambar 3.1. Alat Praktikum WWC
2
Va Aliran Air
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.