TRANSPORT PHENOMENA

Dasar – dasar Transfer Massa

Mengapa transfer massa perlu dipelajari? Peristiwa perpindahan massa atau transfer massa atau difusi

banyak dijumpai di dalam kehidupan sehari-hari, di dalam ilmu pengetahuan dan di industri. Contoh peristiwa transfer massa adalah: larutnya kristal gula dalam air, artinya komponen gula mendifusi

ke fase air. larutnya kopi ke dalam air, terjerapnya zat beracun ke dalam

arang, larutnya oksigen ke dalam darah, Pada proses fermentasi, nutrisi dan oksigen yang terlarut dalam

larutan mendifusi ke mikroorganisme, Pengambilan uranium dari batuan, dengan cara ekstraksi

menggunakan pelarut organik, misal heksan. Penghilangan logam berbahaya dari limbah cair menggunakan

adsorben, dll.

Di Industri, pemisahan komponen-komponen dari campurannya

menggunakan alat transfer massa seperti absorbsi, distilasi terjadi karena adanya transfer massa.

Kondisi optimum suatu proses dapat ditentukan jika mekanisme dalam

peristiwa transfer massa diketahui. Apa saja yang dapat mempercepat pelarutan

gula? Bagaimana suatu industri minuman melarutkan gula dalam jumlah banyak? Mengapa kain basah yang dijemur dapat kering?

Pengertian Transfer massa adalah perpindahan salah satu

konstituen dari daerah dengan konsentrasi yang lebih tinggi ke daerah dengan konsentrasi yang lebih rendah.

Transfer massa adalah dasar terjadinya banyak proses biologi dan kimia.

Pada proses biologi mencakup oksigenasi darah dan transport ion melewati membran –membran dalam ginjal.

Pada proses kimia meliputi deposisi, proses doping, aerasi, dan pemurnian bijih dan isotop

Jenis – jenis transfer massa Transfer massa molekuler Transfer massa konvektis

Transfer massa molekuler Pada tahun 1815 parrot mengamati secara

kualitatif bahwa bilamana suatu campuran gas terdiri dari dua atau lebih spesies ( jenis ) molekuler, yang konsentrasi relatifnya bervariasi dari satu titik ke titik lain, maka kan terjadi suatu proses yang tampaknya alamiah yang cenderung akan mengurangi adanya ketidaksamaan komposisi. Transport massa makroskopis ini, yang tidak tergantung pada ada atau tidaknya konveksi di dalam sistem, didefinisikan sebagai difusi molekuler.

DIFUSI MOLEKULER Difusi molekuler merupakan transfer mssa yang disebabkan gerakan molekuler secara acak dalam fluida diam, atau dalam fluida

yang mengalir secara laminer. Transfer molekuler juga disebut transfer molekul dalam satu

fase. Gerak molekul ini disebabkan karena adanya gradien atau

perbedaan konsentrasi. Difusi molekuler dapat terjadi di fluida ( gas

atau cairan) dan di dalam padatan. Difusi molekuler di dalam padatan lebih lambat daripada di

dalam fluida, hal ini karena tidak ada gerak padatan dalam padatan. Transfer massa (difusi) molekuler dalam fluida diam/laminer

mengikuti hukum Fick. Ditinjau difusi A dalam campuran biner (A+B)

sepanjang Z :

Koefisien difusi Kesebandingan hukum Fick, DAB, dikenal

sebagai koefisien difusi. Dimensi dasarnya, yang dapat diperoleh persamaan ( 24-15 )

Satuan SI untuk ini adalah m2/s yang 10-4 kali lebih kecil. Dalam sistem inggris biasanya digunakan ft2/jam. Konversi sistem – sistem ini menggunakan hubungan – hubungan yang sederhana.

>>> (24-26 )

Contoh soal 1Komposisi udara seringkali dinyatakan hanya dalam komposisi dari kedua spesies utama di dalam campuran gas

Oksigen O2 y O2 = 0,21Nitrogen N2 y N2 = 0,79Tentukan fraksi massa dari oksigen dan nitrogen dan berat

molekuler rata-rata dari udara jika udra dipertahankan pada 25 °C (298 K) dan 1 atm (1,013 x 10⁵ Pa), berat molekuler oksigen adalah 0,032 kg/mol dan berat molekuler nitrogen adalah 0,028 kg/mol.

Sebagai dasar perhitungan, perhatikan 1 mol campuran gas :

Oksigen yang ada = ( 1mol )( 0,21 ) = 0,21 mol =

Nitrogen yang ada = ( 1mol )(0,79) = 0,79 mol =

Massa total yang ada = 0,00672 + 0,0221 = 0,0288 kg

Karena 1 mol dari campuran gas diatas mempunyai massa

0,0288 kg, berat molekul rata-rata udara haruslah 0,0288.

bila komponen lain yang ada di udara ikut diperhitungkan,

maka berat molekul rata-rata dari udara seringkali

dibulatkan menjadi 0,029 kg/mol.

Soal ini juga dapat dipecahkan dengan menggunakan hk gas

sempurna , PV = nRT. Pada kondisi ideal, 0°C atau 273 K

dan tekanan 1 atm atau 1,013 x 10⁵ Pa , konstanta gasnya

adalah

Difusivitas Massa gas Persamaan – persamaan teoritis untuk koefisien

difusi di dalam campuran gas berdensitas rendah sebagai suatu fungsi dari properti-properti molekuler sistem di turunkan oleh sutherland, jeans dan chapman dan cowling dengan menggunakan teori kinetik gas sebagai landasannya.

Koefisien difusi diri di definisikan sebagai ( 24-27 )

Dan λ adalah panjang jejak bebas rata-rata dari spesies A, diberikan oleh ( 24-28 )

Dimana u adalah keceptana rata-rata spesies A yang berhubungan dengan kecepatan rata-rata molar

( 24-29 ) Jika persamaan ( 24-28 ) dan ( 24-29 ) dimasukkan

kedalam persamaan ( 24-27 ), kira peroleh( 24-30 )

Secara spesifik, koefisien difusi fasa-gas merupakan suatu fungsi inversi dari tekanan sistem total

( 24-31 ) Dan suatu fungsi pangkat 3/2 dari temp. Absolut

( 24-32 )

Potensial Lennard Jones( 24-33 )

Parameter lennard –jones σ dan ϵA , biasanya diperoleh dari data viskositas. Apendiks K.2 memuat nilai-nilai ini. Tanpa data eksperimen, nilai-nilai untuk komponen murni dapat diestimasi dari hubungan empiris berikut :

( 24-34 )( 24-35 )( 24-36 )( 24-37 ) dan( 24-38 )

Untuk sistem biner yang terdiri dari pasangan molekuler nonpolar, parameter Lennard Jones dari komponen murninya dapat dikombinasikan secara empiris lewat hubungan berikut:

( 24-39 ) dan( 24-40 )

Dengan menyederhanakan persamaan ( 24-33 ), kita dapat memprediksi koefisien difusi pada temperatur berapapun dan pada semua tekanan di bawah 25 atmosfer yang nilainya didapt dari eksperimen dengan menggunakan

( 24-21 )

Contoh soal 2 Hitunglah koefisien difusi karbon dioksida di

udara pada 200C dan tekanan atsmofer. Bandingkan nilai ini dengan nilai eksperimen di Tabel Apendiks J.1

Dari Tabel Apendiks K2 diperoleh nilai – nilai

Nama zat σ , dalam Ȧ ϵA/K , dalam K

Karbon dioksida 3,996 190

Udara 3,617 97

Parameter – parameter untuk persamaan (24-33) dapat dihitung sebagai berikut :

Dengan mensubtitusi nilai – nilai ini ke dalam persamaan ( 24-33 )

Didapatkan :

Dari tabel apendiks. J.1 untuk CO2 di udara pada 273 K, 1 atm, didapatkan persamaan ( 24-41) akan digunakan untuk mengoreksi perbedaan temperatur

Nilai – nilai untuk 𝛺D dapat dihitung sebagai berikut : pada T2 = 273 ϵAB/KT = = 0,498 Pada T1 = 293 = 1,074 = 1,047 ( perhitungan terdahulu )

Nilai yang telah dikoreksi untuk koefisien difusi pada 200C adalah =

persamaan (24-33) dikembangkan untuk gas-gas renggang ( dilute gas ) yang terdiri dari molekul-molekul monoatomik yang nonpolar,sferis.

Korelasi empiris yang dirokemendasikan oleh fuller, schettler, dan gildings membuat evaluasi difusitas dapat dilakukan ketika parameter Lennar-jones yang andal, σi , ϵi , tak tersedia. Korelasi fuller tersebut adalah

(24-42)

Contoh soal 3 Hitunglah kembali koefisien difusi dari karbon

dioksida di udara pada 200C dan tekanan atmosfir dengan menggunakan persamaan Fuller, schettler, dan Giddings serta bandingkan nilai baru ini dengan nilai yang didapatkan di contoh 2.

Transfer massa konvektif Transfer massa antara suatu fluida bergerak ( moving

fluid ) dan suatu permukaan atau antara fluida –fluida bergerak imisibel ( immiscible, tidak dapat dicampur ) yang dipisahkan oleh suatu antarmuka ( interface ) yang mobile ( mudah bergerak ) ( seperti dalam suatu kontaktor gas/cairan atau kontaktor cairan/cairan ) seringkali dibantu oleh karakteristik dinamika fluida yang bergerak. Mode transfer ini dinamakan transfer massa konvektif.

Transfer konvektif sangat tergantung pada properti transport dan karakteristik dinamik dari fluida yang bergerak.

Persamaan laju untuk transfer massa konvektifnya, digeneralisir dengan cara yang mirip dengan “hukum“ pendinginan Newton ( 15 – 11 ) adalah

...................................... ( 24-68 )

= transfer massa molar dari spesies A diukur relatif terhadap koordinat spasial yang dibuat tetap

= selisih antara konsentrasi permukaan batas dan konsentrasi rata – rata dari arus fluida dari spesies berdifusi A

= koefisien transfer – massa konvektif

Contoh soal Suatu gas pembawa nitrogen murni mengalir

pararel terhadap permukaan seluas 0,6 dari suatu aseton cair yang terletak didalam sebuah tangki terbuka. Temperatur aseton dipertahankan pada 290 K. Jika koefisien transfer massa rata – rata, untuk trasfer massa aseton kedalam arus nitrogen ini adalah 0,0324 m/s , tentukan laju total pelepasan aseton dalam satuan kg. Mol/s .

Penyelesaian Laju molar total untuk transfer aseton dari

cairan menjadi fasa gas adalah :

Luas trasnfer massa adalah 0,6 . Pada 290 K, aseton memberikan tekanan upa sebesar 161 mmHg atau 2,148 x Pa. Karena itu, Konsentrasi aseton di dalam fasa gas pada permukaan aseton adalah

Dan konsentrasi aseton dalam gas pembawa nitrogen mendekati nol, karena laju aliran molar dari gas pembawa jauh lebih besar daripada laju transfer aseton. Jadi,