PROSES
PERPINDAHAN 1 (Transport Phenomena)
1
APA PERLUNYA PROSPEN ... ?
• Pertanyaan mendasar yang perlu diajukan adalah: “mengapa seorang sarjana teknik kimia perlu belajar proses perpindahan?”
• Proses perpindahan mempunyai hubungan sangat penting dalam operasi sebuah alat industri :
• perpindahan dan perubahan energi dan perpindahan dan perubahan bahan, tidak hanya dengan cara fisika tetapi juga dengan cara fisika-kimia
2
TEKNIK KIMIA & PROSPEN
• ASAL MULA PROFESI TEKNIK KIMIA TANPA MELALUI PENDIDIKAN FORMAL
• AWAL PENDIDIKAN TEKNIK KIMIA DIMULAI TAHUN 1888 DI MIT • PADA TAHUN 1923, WALKER, LEWIS & McADAMS MENEKANKAN
KONSEP UNIT OPERATIONS (OTK) SEBAGAI PENDEKATAN FUNDAMENTAL DALAM PEMISAHAN SECARA FISIS (MISAL: DISTILASI, EVAPORASI, DRYING, DLL)
• KETIKA PROFESI TEKNIK KIMIA SUDAH MATANG UNTUK BIDANG YANG BERVARIASI OPERASI DISTILASI DIPREDIKSI BERDASARKAN PADA IDE SIMILARITAS ALAT, DAN FUNDAMENTALNYA TANPA MEMPERHATIKAN PROSES
• PRINSIP2 DISTILASI UTK PEMISAHAN OKSIGEN DAN NITROGEN JUGA DIGUNAKAN SEBAGAI PROSEDUR EMPIRIS UNTUK DISTILASI LAINNYA
3
TEKNIK KIMIA & PROSPEN
• PROSES METAMORFOSA TEKNIK KIMIA :
• Dekade 1915-1925
• Dekade 1925–1935
• Dekade 1935–1945
• Dekade 1945–1955
• Dekade 1955–1965
• Dekade 1965–sekarang
4
TEKNIK
KIMIA
UNIT
OPERATIONS
PERSPEKTIF HISTORIS PROSPEN (Dekade 1915-1925)
5
TEKNIK
KIMIA
Unit
Operation
Mat & Energy
Balance
PERSPEKTIF HISTORIS PROSPEN (Dekade 1925-1935)
6
TEKNIK
KIMIA Unit
Operation
Mat & Energy
Balance
ChE
Thermo
Process
Control
Physical
Chemistry
PERSPEKTIF HISTORIS PROSPEN (Dekade 1935-1945)
7
TEKNIK
KIMIA Unit
Operation
Mat & Energy
Balance
ChE
Thermo
Process
Control
Physical
Chemistry
Applied
Kinetics
Process
Design
Organic
Chemistry
PERSPEKTIF HISTORIS PROSPEN (Dekade 1945-1955)
8
TEKNIK
KIMIA Unit
Operation
Mat & Energy
Balance
ChE
Thermo
Process
Control
Physical
Chemistry
Applied
Kinetics
Process
Design
Organic
Chemistry
Applied
Mathematics
Computer
Programing
Transport
Phenomena
PERSPEKTIF HISTORIS PROSPEN (Dekade 1955-1965)
9
TEKNIK
KIMIA Unit
Operation
Mat & Energy
Balance
ChE
Thermo
Process
Control
Physical
Chemistry
Applied
Kinetics
Process
Design
Organic
Chemistry
Applied
Mathematics
Computer
Programing
Transport
Phenomena
Molecular
Engineering
Product
Design
Systems
Anlaysis
PERSPEKTIF HISTORIS PROSPEN (Dekade 1965-sekarang)
10
11
• Tiga pengetahuan dasar inti untuk sarjana teknik kimia : • Teknik Reaksi Kimia (Chemical Reaction
Engineering) • Thermodinamika (Chemical Engineering
Thermodynamics) • Proses Perpindahan (Transport Phenomena)
• Teknik Reaksi Kima : membahas perilaku kimia dalam reaksi yang dicerminkan secara makroskopis.
• Thermodinamika : memberikan gambaran perbedaan kimia yang diwujudkan dalam perilaku fasa makroskopis.
PROSES PERPINDAHAN ... ?
12
• Proses Perpindahan : memberikan jawaban ‘mengapa momentum, panas dan massa dapat bergerak’
• Pentingnya proses perpindahan : • dalam operasi suatu alat industri, terutama yang
berkaitan dgn perpindahan dan perubahan energi serta perpindahan dan perubahan bahan, secara fisika maupun secara fisika-kimia
• dalam perancangan dan operasi satuan operasi teknik kimia akan sangat tergantung pada sifat perpindahan dari bahan yang terlibat
• dalam operasi suatu alat industri kimia diperlukan detil pemodelan untuk merancang dan mengoptimasi
peralatan termasuk penyebabnya
PROSES PERPINDAHAN ... ?
PROSES PERPINDAHAN ... ?
13
• Fenomena perpindahan tersebut digerakkan oleh melekatnya hukum2 dasar, karena itu perlu mengetahui hukum2 dasar tersebut supaya dapat memahami fenomena yang terjadi dengan lebih baik
• Prospen sederhana : misalnya perpindahan panas melalui sebatang logam tipis; tersebarnya tinta ketika diteteskan pada segelas air
• Prospen sangat kompleks : misalnya peristiwa pembakaran batu bara dalam kiln.
PROSES PERPINDAHAN
• Berdasarkan sifat alamiah dasarnya, prospen dapat dikelompokkan menjadi : perpindahan momentum, perpindahan panas dan perpindahan massa
• Perpindahan Momentum : berpindahnya momentum yang terjadi dalam medium bergerak (aliran fluida, sedimentasi, pencampuran)
• Perpindahan Panas : berpindahnya panas dari satu tempat ke tempat lain (pengeringan, penguapan, distilasi)
• Perpindahan Massa : berhubungan dgn masa yang dipindahkan dari satu fasa ke fasa lain yang sama/ berbeda (distilasi, absorpsi, ekstraksi) 14
PENDEKATAN STUDI PROSPEN
• Dalam mempelajari proses perpindahan, terdapat tiga pendekatan : pendekatan mikroskopis (kontinum), pendekatan makroskopis, dan perpindahan antar fasa
• Pendekatan mikroskopis meninjau sistem sebagai elemen volume yang sangat kecil. Persamaan yang dihasilkan umumnya berupa pers. differensial
• Pendekatan makroskopis meninjau sistem dengan volume yang besar dimana persamaan yang dihasilkan berupa pers. integral
• Perpindahan antar fasa mempelajari peristiwa perpindahan antar dua fasa yang berbeda (misal: antara padat-gas, padat-cair, gas-cair)
15
PROSPEN & PEMODELAN
16
• Seorang ‘engineer’ mempunyai tujuan akhir adalah untuk mempengaruhi perubahan dalam dunia nyata
• Pemodelan matematik diperlukan untuk merancang dan mengoptimasi kinerja peralatan
• Pemodelan matematik dikembangkan untuk menggambarkan peristiwa perpindahan
• Model matematik tersebut diturunkan berdasarkan pada hukum kekekalan, persamaan kecepatan dan persamaan keadaan yang terkait
PROSPEN & PEMODELAN
17
• Pemodelan matematik diperlukan untuk merancang dan mengoptimasi kinerja peralatan
• Pemodelan matematik dikembangkan untuk menggambarkan peristiwa perpindahan
• Model matematik tersebut diturunkan berdasarkan pada hukum kekekalan, persamaan kecepatan dan persamaan keadaan yang terkait
• Hukum kekekalan terdiri dari hukum kekekalan massa, kekekalan energi dan kekekalan momentum, yang secara umum dinyatakan bahwa ketiga besaran tersebut tidak dapat musnah tetapi hanya berubah bentuk
• Persamaan kecepatan digunakan untuk menentukan secara kuantitatif seberapa cepat proses2 tersebut berlangsung.
INTERESTING TRANSPORT PHENOMENA
18
GELOMBANG ANGIN & TSUNAMI
19
TSUNAMI ACEH
Phuket, Thailand 20
TSUNAMI ACEH
Bangladesh 21
CYCLONE
22
VISUALISASI SIMULASI
TRAILING VORTEX DALAM TANGKI BERPENGADUK
24
SIMULASI
VISUALISASI
FENOMENA MAKRO INSTABILITAS DALAM TANGKI BERPENGADUK
25
VEKTOR KECEPATAN DALAM TANGKI BERPENGADUK
Velocity Vectors Colored By Velocity Magnitude (m/s)FLUENT 5.0 (3d, segregated, ke)
Jan 19, 2000
2.50e+00
2.29e+00
2.08e+00
1.87e+00
1.66e+00
1.46e+00
1.25e+00
1.04e+00
8.35e-01
6.27e-01
4.19e-01
2.12e-01
4.17e-03
Z
Y
X26
KONTUR KONSENTRASI SOLID DALAM TANGKI BERPENGADUK
Cav = 5% Cav = 20% 27
0,047
0,019
0,03
0,035
0,041
0,046
0,063
0,057
0,0460,052
0,052
0,0680,081
0,181
0,20
1
0,20
1
0,22
1
0,18
1
0,28
1
0,24
1
0,16
1
0,08
VEKTOR KECEPATAN DALAM RUANG BAKAR
28
DISTRIBUSI SUHU DALAM RUANG BAKAR
29
DISTRIBUSI SUHU DALAM RUANG BAKAR
30
(a)
DISTRIBUSI CO2 DALAM RUANG BAKAR
31
DISTRIBUSI O2 DALAM RUANG BAKAR
32
FLOWS ARROUND A SUBMERGED OBJECT
33
MEKANISME PROSPEN
• Umumnya proses perpindahan dapat terjadi dengan tiga mekanisme yaitu:
• mekanisme molekuler • mekanisme konveksi • mekanisme turbulen
• Perpindahan molekuler bisa terjadi karena adanya gaya tarik menarik molekuler; dapat terjadi dalam fasa padat, liquida dan gas
• Perpindahan konveksi terjadi karena dibawa oleh fluida yang bergerak; dengan mekanisme konveksi, momentum, panas dan massa dapat berpindah lebih cepat 34
35
ANALOGI PROSPEN MOLEKULER
MEKANISME PERPAN MOLEKULER
HEAT FLOW
HEAT TRANSFER
FIRE
Resistance
forceDrivingRate
BENTUK
ANALOGI
HK FOURIER
dz
Tcd
A
q pz
Fluks
panas
J/s.m2
Difusivitas
panas,
m2/s
Kons.
panas
J/m3
36
MEKANISME PERMAS MOLEKULER
A B
MOLEKULER MASS TRANSFER HUKUM FICK
dz
dcDJ A
ABAz*
Resistance
forceDrivingRate
BENTUK
ANALOGI
Fluks
massa A mol/s.m2
Difusivitas
molekul A dlm
B, m2/s
Kons.
massa A
mol/m3
37
MEKANISME PERMOM MOLEKULER
MOMENTUM TRANSFER
LAMINAR FLOW
HK NEWTON VISKOSITAS
Resistance
forceDrivingRate
BENTUK
ANALOGI
dz
vd xzx
Fluks mom arah z
akibat komponen
kecepatan x
(kg.m/s)/s.m2
Difusivitas
momentum,
m/
m2/s
Arah
perpindahan
momentum
x
z
38
PERS. PROSPEN MOLEKULER
resistance
forcedrivingtransferofrate
DRIVING FORCE
DIPERLUKAN UNTUK
MENGATASI RESISTANCE
AGAR DAPAT
MEMINDAHKAN
PROPERTI
HUKUM OHM :
ALIRAN LISTRIK SEBANDING
DENGAN BEDA VOLTASE
(DRIVING FORCE) LISTRIK
DAN BERBANDING TERBALIK
DENGAN TAHANAN LISTRIK
(RESISTANCE)
39
zZ
d
d
FLUX PROPERTI :
JML PROPERTI YANG
DITRANSFER PER SATUAN
LUAS PENAMPANG YANG
TEGAK LURUS THD
ARAH z
KONSTANTA
PROPORSIONALITAS
(DIFUSIVITAS)
[m2/s]
KONSENTRASI
PROPERTI
JARAK
PADA ARAH
ALIRAN
PERS. PROSPEN MOLEKULER
STEADY STATE :
z= KONSTAN
40
Transport Flux Difusivitas
(m2/s)
Gradien Konsentrasi
Properti
Umum
Momentum
Panas
Massa or
dz
vx
dz
Tcp
dz
cA
dz
zx
m
pc
k
z
AqZ
z
AJ *J D
SIMILARITAS PROSPEN
41
REFERENSI
1. A. ALTWAY, S. WINARDI & H. SETYAWAN : “PROSES PERPINDAHAN”, ITS PRESS, 2012
2. C.J. GEANKOPLIS : “TRANSPORT PROCESSES AND UNIT OPERATIONS”, EDISI 3, PRENTICE HALL INTERNATIONAL, 1995
3. R.S. BRODKEY & H.C. HERSHEY: “TRANSPORT PHENOMENA, A UNIFIED APPROACH”, INTERNATIONAL EDITION, McGRAW HILL, 1989
4. N. de NEVERS : “FLUID MECHANICS FOR CHEMICAL ENGINEERS”, EDISI 2, McGRAW HILL INTERNATIONAL,1991
42
43
OWARI DESU