Proses Transfer - Massa

Download Proses Transfer - Massa

Post on 17-Sep-2015

28 views

Category:

Documents

12 download

Embed Size (px)

DESCRIPTION

massa

TRANSCRIPT

<ul><li><p>BAHAN AJAR </p><p>MATA KULIAH </p><p>PROSES TRANSFER Bagian III: Transfer Massa </p><p>oleh: Nurul Hidayati Fithriyah, S.T., M.Sc., Ph.D. </p><p>Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik </p><p>Universitas Muhammadiyah Jakarta 2012 </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 2 Pertemuan ke-11 TIU (Tujuan Instruksional Umum) : Mahasiswa memahami mekanisme transfer massa TIK (Tujuan Instruksional Khusus) : 1. Mahasiswa memahami hubungan difusivitas bahan dan mekanisme transport massa 2. Mahasiswa mampu menuliskan persamaan hukum Fick untuk difusi massa 3. Mahasiswa memahami pengaruh berbagai parameter terhadap difusivitas bahan 4. Mahasiswa mampu menjelaskan proses transfer mol dan massa secara konvektif </p><p>BAB VII Difusitivitas Massa dan Mekanisme Transfer Massa </p><p> Difusivitas massa biner DAB adalah kemampuan bahan A bergerak melalui campuran biner A dan B karena perbedaan konsentrasi A antara titik masukan dan keluaran. Kita akan memulai pembahasan bab ini dengan hukum Fick untuk difusi biner, diikuti pengaruh berbagai parameter terhadap difusivitas, dan diakhiri dengan transfer mol dan massa konvektif. 7.1 Hukum Fick untuk Difusi (Transfer Massa Molekuler) dalam Sistem Biner Kita tinjau sebuah lempengan tipis (pelat) bahan silika padat (B) pada posisi horisontal, dengan luas A dan ketebalan Y. Kita bayangkan bahwa pada kondisi awal (pada t &lt; 0), kedua permukaan lempengan bahan padat tersebut berkontak dengan udara yang tidak dapat larut dalam bahan silika. Pada t = 0, udara di bawah pelat secara tiba-tiba diganti dengan helium (A) yang dapat larut dalam silika. Helium perlahan menembus pelat karena gerakan molekulnya dan akhirnya keluar dari permukaan atas pelat. Transfer molekul suatu zat relatif terhadap zat lainnya inilah yang disebut difusi (disebut juga difusi massa, difusi konsentrasi atau difusi biasa). Udara di atas pelat berganti dengan cepat sehingga akumulasi helium dapat diabaikan. Konsentrasi zat dinyatakan dengan fraksi massa , sehingga fraksi massa helium = A0. Pada t &gt; 0 (belum tunak), terbentuk profil linier fraksi massa dengan A = A0 pada bagian bawah pelat dan A = 0 pada bagian atas pelat. Pada kondisi tunak (t &gt;&gt; 0), berlaku persamaan (7.1). </p><p> (7.1) Laju alir massa A sejajar sumbu y (wAy) tiap satuan luas penampang transfer massa (A) sebanding dengan perbedaan fraksi massa antara kedua tepi medium transfer massa (A0 - 0) tiap satuan jarak transfer massa (Y), dengan konstanta kesebandingannya adalah hasil perkalian densitas medium transfer massa () dan diffusivitas massa (DAB) untuk sistem biner yang terdiri dari zat yang berdifusi (A) dan medium difusinya (B). Diferensiasi persamaan (7.1) menghasilkan persamaan Hukum Fick (7.2), di mana fluks massa dilambangkan dengan jAy. </p><p> (7.2) Secara umum, kecepatan rata-rata fluida campuran biner sepanjang sumbu y sesuai massa komponennya (vy) merupakan rerata dari kecepatan semua komponen (vAy dan vBy) setelah dikalikan dengan fraksi massanya masing-masing (A dan B). </p><p> (7.3) Analogi persamaan (7.2) untuk relasi (7.3) menghasilkan persamaan (7.4). </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 3 </p><p> Gambar 4.1 Profil suhu sejak kondisi awal hingga mencapai tunak pada lempengan bahan padat </p><p>yang terletak di antara dua pelat sejajar (Sumber: Bird et al., 2002). </p><p> (7.4) Generalisasi persamaan (7.2) untuk tiga sumbu koordinat meghasilkan persamaan (7.5). </p><p> (7.5) Beberapa peristiwa transfer seringkali terjadi bersamaan. Untuk menyederhanakan perhitungan, beberapa parameter kunci yang terlibat dibandingkan menjadi bilangan tak berdimensi sebagai berikut: </p><p> Bilangan Prandtl menghubungkan peristiwa transfer momentum dan panas, bilangan Schmidt menghubungkan peristiwa transfer momentum dan massa, dan bilangan Lewis menghubungkan peristiwa transfer panas dan massa. 7.2 Pengaruh Berbagai Parameter terhadap Difusivitas Massa Sistem Biner Di samping suhu dan tekanan, difusivitas sistem biner juga dipengaruhi oleh berbagai parameter lainnya. Tabel 7.1 4 memuat data hasil eksperimen untuk difusivitas berbagai sistem biner. </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 4 </p><p>Tabel 7.1 Data Eksperimen Difusivitas dan Bilangan Schmidt Sistem Biner Gas pada 1 atm </p><p> (Sumber: Bird et al., 2002) </p><p>Tabel 7.2 Data Eksperimen Difusivitas Sistem Biner Gas dan Polimer (10-6 cm2/s) pada 298 K (untuk N2 dan O2) dan 198 K (untuk CO2 dan H2) </p><p> (Sumber: Bird et al., 2002) </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 5 </p><p> Tabel 7.3 Data Eksperimen Difusivitas Sistem Biner Zat Cair </p><p> (Sumber: Bird et al., 2002) </p><p>Tabel 7.3 Data Eksperimen Difusivitas Sistem Biner Zat Padat </p><p> (Sumber: Bird et al., 2002) </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 6 7.3 Aliran Massa (tanpa reaksi) dan Mol (dengan reaksi) Konvektif </p><p> Tabel 7.5 8 merangkum berbagai notasi dan persamaan terkait proses difusi. </p><p>Tabel 7.5 Notasi Konsentrasi </p><p> (Sumber: Bird et al., 2002) </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 7 </p><p> Tabel 7.6 Notasi Kecepatan dalam Sistem Multikomponen </p><p> (Sumber: Bird et al., 2002) </p><p>Tabel 7.7 Notasi Aliran Massa dan Mol </p><p> (Sumber: Bird et al., 2002) </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 8 </p><p> Tabel 7.8 Berbagai Bentuk Persamaan Hukum Fick untuk Difusi Biner </p><p> (Sumber: Bird et al., 2002) </p><p> 7.4 Contoh Soal </p><p> (Sumber: Bird et al., 2002) </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 9 </p><p> (Sumber: Bird et al., 2002) </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 10 </p><p> (Sumber: Bird et al., 2002) </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 11 </p><p> (Sumber: Bird et al., 2002) </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 12 </p><p> (Sumber: Bird et al., 2002) </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 13 Pertemuan ke-12 TIU (Tujuan Instruksional Umum) : Mahasiswa memahami neraca massa untuk berbagai sistem transfer massa TIK (Tujuan Instruksional Khusus) : 1. Mahasiswa dapat memahami penyusunan neraca massa untuk mendapatkan persamaan </p><p>distribusi konsentrasi 2. Mahasiswa memahami prinsip transfer massa dalam berbagai sistem (difusi melalui medium </p><p>diam atau fluida gas/cair, dengan/tanpa reaksi kimia homogen/heterogen, dan membran) 3. Mahasiswa dapat menyelesaikan berbagai soal perhitungan transfer massa </p><p>BAB VIII Distribusi Konsentrasi dalam Medium Padat dan Aliran Laminar </p><p> 8.1 Neraca Massa atau Mol Shell dan Syarat-Syarat Batas Fluks mol gabungan: </p><p> (8.1) Persamaan laju reaksi: </p><p> Syarat-syarat batas yang digunakan dalam menyusun neraca massa / mol: </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 14 </p><p> 8.2 Profil Konsentrasi dalam Berbagai Sistem </p><p>a. Difusi melalui gas diam </p><p> Gambar 8.1 Difusi molekul uap A pada kondisi tunak melalui gas B yang diam di mana posisi antarfasa cair-gas diasumsikan tetap. Profil konsentrasi menyimpang dari garis lurus karena pengaruh mekanisme konveksi terhadap fluks massa. </p><p>Penerapan model difusi melalui gas diam antara lain dalam peristiwa penguapan, sublimasi, reaksi fasa gas di permukaan katalis, dan penentuan difusivitas sistem biner. </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 15 </p><p> (8.2) Persamaan 8.2 adalah profil distribusi konsentrasi A dalam fraksi mol di mana xA1 = pAvap / p. </p><p>(xB)ln = (8.3) </p><p>Persamaan 8.3 adalah logarithmic mean concentration difference (LMCD) atau nilai rata-rata konsentrasi B. Persamaan ini diperlukan dalam penentuan fluks mol pada persamaan 8.4. </p><p> (8.4) </p><p> Gambar 8.2 Model transfer massa difusi A dari permukaan zat cair melalui lapisan tipis gas diam hipotetis. Profil konsentrasi tampak linier setebal lapisan tipis ini. Contoh-contoh soal: </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 16 </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 17 </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 18 </p><p> b. Difusi melalui reaksi heterogen (diffusion-controlled reaction) Reaksi heterogen yang dimaksud adalah reaksi katalitik menggunakan katalis padat. Sebagai contoh adalah reaksi dimerisasi 2A B. Lapisan gas diam di permukaan partikel katalis dianggap isotermal dengan mengabaikan perubahan suhunya akibat reaksi. Laju reaksi heterogen pada permukaan katalis dikendalikan oleh difusi internal (diffusion-controlled reaction) di dalam pori-pori katalis (tahap adsorpsi dan desorpsi). </p><p> (8.5) Persamaan 8.5 adalah profil konsentrasi A, di mana adalah ketebalan lapisan gas diam di permukaan katalis, xA adalah konsentrasi A pada jarak difusi z dari sisi masuk, xA0 adalah fraksi mol A pada sisi masuk. </p><p> (8.6) </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 19 Persamaan 8.6 adalah fluks mol A dari kontribusi difusi saja. </p><p> Gambar 8.3 Skema reaktor katalitik (a) dan model difusi di permukaan partikel katalis </p><p> Perhitungan kontribusi reaksi dapat dilihat dalam contoh soal yang melibatkan bilangan Damkhler: </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 20 </p><p> c. Difusi melalui reaksi homogen (reaction-controlled diffusion) </p><p> Gambar 8.4 Absorpsi gas A oleh cairan B yang melibatkan reaksi homogen (non-katalitik) </p><p> Reaksi homogen yang dimaksud adalah reaksi yang tidak melibatkan katalis, meskipun melibatkan dua atau lebih fasa yang bereaksi. Profil konsentrasi A diturunkan menjadi persamaan hiperbolik 8.6, sementara fluks massa A tampak pada persamaan hiperbolik 8.7 </p><p> (8.6) Modulus Thiele = (k1L2/ DAB) mencerminkan kontribusi laju reaksi (cA0k1) dan difusi (cA0DAB/L2) terhadap distribusi konsentrasi. </p><p> (8.7) Contoh soal: </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 21 </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 22 </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 23 </p><p>d. Difusi gas melalui lapisan cair jatuh (absorpsi gas) </p><p> Gambar 8.5 Absorpsi gas A ke dalam lapisan cairan B yang jatuh </p><p> Absorpsi gas ke dalam aliran fluida cair melibatkan konveksi paksa. Persamaan kecepatan menggunakan hasil perhitungan neraca momentum untuk koordinat silinder. </p><p> (8.8) Persamaan 8.8 menggunakan parameter erf (error function) dan erfc (complementary error function). Fungsi ini terdapat dalam aplikasi lembar kerja (spreadsheet) semacam Excel. </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 24 </p><p> dan Laju alir mol dihitung sebagai berikut: </p><p> (8.9) Contoh soal: </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 25 </p><p>e. Difusi partikel padat melalui aliran fluida cair (pelarutan) </p><p> Gambar 8.6 Padatan A melarut ke lapisan tipis cairan B berprofil kecepatan parabolik </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 26 </p><p> (8.10) Persamaan 8.10 adalah profil konsentrasi padatan A dalam proses pelarutan ke dalam cairan B (Gambar 8.6). Persamaan tersebut menggunakan fungsi gamma (), di mana (4/3) = 1/3(1/3) = 0,89297. Laju alir mol A dihitung menggunakan persamaan 8.11. </p><p> (8.11) Dalam persamaan 8.11, nilai (7/3) = 4/3(4/3) = 1,19063. Fungsi gamma juga terdapat dalam aplikasi lembar kerja. </p><p>f. Difusi internal di dalam pori-pori katalis (reaksi heterogen) </p><p> Gambar 8.7 Skema difusi internal di dalam pori-pori katalis: partikel bulat katalis berpori (sebelah kiri) dan pori-pori di dalam katalis tempat terjadinya difusi dan reaksi kimia (sebelah kanan). Reaksi di permukaan aktif katalis didahului dan dilanjutkan oleh difusi internal di dalam pori-pori partikel katalis yang berliku (Gambar 8.7). Laju difusi internal ini dihitung sebagai nilai rata-rata. </p><p> (8.12) </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 27 Persamaan 8.12 adalah profil konsentrasi A pada proses difusi internal di dalam pori-pori katalis, yang melibatkan modulus Thiele. Nilai rata-rata laju difusi dinyatakan dengan faktor efektivitas . Persamaan 8.13 adalah laju mol pada permukaan luar katalis, di mana a adalah luas permukaan katalis yang tersedia untuk reaksi dibagi total volum partikel katalis (padatan dan lubang pori). </p><p> (8.13) Laju reaksi katalitik dapat dinyatakan sebagai laju mol absolut di permukaan katalis (persamaan 8.14). Nilai faktor efektivitas dan modulus Thiele umum dihitung dengan persamaan berikutnya. </p><p> (8.14) </p><p> Gambar 8.8 Faktor efektivitas untuk berbagai bentuk katalis padat berpori </p><p> Gambar 8.8 menunjukkan bahwa katalis berbentuk partikel rata (lembaran), misalnya lempung, memiliki efektivitas paling tinggi, diikuti bentuk partikel silindris panjang (pelet) dan bola. </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 28 8.3 Perpindahan Massa Difusif dan Konvektif Melalui Membran </p><p> (Sumber: Bird et al., 2002) </p><p> Membran adalah bahan tipis dengan permeabilitas (sifat tembus) tertentu yang dapat melewatkan molekul tertentu dan tidak dapat ditembus molekul yang lain. Karena itu membran dapat digunakan sebagai separator untuk memisahkan zat tertentu dari pelarutnya. Kecepatan transfer massa melalui membran melalui mekanisme konveksi diwakili oleh parameter v, di mana adalah ketebalan membran dan v kecepatan gerak pelarut melewati membran, sedangkan yang melalui mekanisme difusi diwakili oleh parameter difusivitas efektif solut (Deff). Bilangan Pclet membandingkan kecepatan transfer massa melalui kedua mekanisme ini dengan persamaan: P = v / Deff . Berdasarkan nilai P-nya, membran dapat dikelompokkan menjadi dua jenis: 1. Membran dengan P &gt;&gt; 1 (konveksi mendominasi, difusi dapat diabaikan) Membran jenis ini antara lain digunakan sebagai penyaring mikro, ultra dan nano, serta untuk osmosis balik dalam desalinasi / demineralisasi air laut. 2. Membran dengan P </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 29 8.4 Contoh-Contoh Soal </p><p> (Sumber: Bird et al., 2002) </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 30 </p><p> (Sumber: Bird et al., 2002) </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 31 </p><p> (Sumber: Bird et al., 2002) </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 32 </p><p> (Sumber: Bird et al., 2002) </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 33 </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 34 </p><p> (Sumber: Bird et al., 2002) </p></li><li><p>Modul Pembelajaran Proses Transfer 35 </p><p> (Sumber: Bird et al., 2002) </p></li></ul>