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.