prospen1 introduction

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

CYCLONE SEPARATOR

SIMULASI

23

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