PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II MODUL 7
WETTED WALL COLUMN
LABORATORIUM RISET DAN OPERASI TEKNIK KIMIA PROGRAM STUDI TEKNIK KIMA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UPN”VETERAN” JAWA TIMUR SURABAYA
PERCOBAAN
WETTED WALL COLOUMN I.
TUJUAN
Tujuan dari percobaan ini adalah untuk menentukan harga koefisien perpindahan massa dan panas serta untuk mempelajari pengaruh laju alir udara dan air terhadap koefisien perpindahan massa dan juga panas
II.
LANDASAN TEORI Penguapan air ke udara untuk memperbesar humidity udara disebut dengan humidifikasi.
Yang berhubungan dengan operasi adalah penguapan air ke udara dengan tujuan mendinginkan air. Dehumidifikasi adalah operasi pengembunan uap air dari udara untuk memperkecil humidity udara. Humidifikasi dan dehumidifikasi menyangkut perpindahan material antara fase liquid murni dan gas yang tidak larut. Humidifikasi, misalnya terjadi pada perpindahan air dari fase liquid ke campuran udara dan uap air. Dehumidifikasi terjadi sebaliknya dimana uap air berpindah dari keadaan uap ke keadaan liquid. Humidity (H) didefinisikan sebagai jumlah massa uap yang dibawa oleh satuan massa gas bebas uap. H = MA . PA MB(1 – PA)
……………………..(1)
Dimana : H
= Humidity (lb air/lb udara kering)
PA = Tekanan Parsial Uap (atm) MA = Berat Molekul Uap (misal uap H2O) MB = Berat Molekul Gas (misal udara) Hubungan antara humidity dan mol fraksi uap (yA) : yA =
H/MA 1/MB + H/MA
……………………..(2)
Biasanya H/MA lebih kecil bila dibandingkan dengan 1/MB sehingga sama dengan H Saturated Humidity adalah keadaan gas dimana uap yang dibawa dalam kesetimbangan dengan liquid pada suatu gas.
Hs = MA . PA’ MB(1 – PA’)
……………………..(3)
Dimana : PA’ = Tekanan uap liquid (atm) Relatif Humidity adalah perbandingan dari tekanan partial uap dengan tekanan uap pada tempertur gas. HR = 100 (PA/PA’) Dimana : HR = Relatif Humidity ADIABATIK SATURATION HUMIDITY
Spray Chamber
Gas mutlak
gas keluar
H, T
Make up Water Ts Gambar. 1 Gas dengan humidity H dari suhu T mengalir masuk ke Spray Chamber dengan diisolasi sehigga prosesnya adiabatic. Liquid disirkulasi dengan pompa dari reservoir yang ada dibagian bawah spray chamber yang dispraykan lewat C dan dikembalikan ke reservoir. Gas yang lewat ke dalam chamber menjadi dingin dan terjadi humidifikasi dimana suhu diturunkan dan humidity dinaikkan. Pada keadaan steady state, suhu liquida mencapai Ts dan disebut adiabatic saturation temperature. Jika gas tidak jenuh, suhu adiabatic saturation akan lebih rendah dari suhu gas masuk. Bila gas dan liquid berkontak cukup lama sehingga liquid dan gas keluar berada dalam kesetimbangan, maka gas yang keluar akan jenuh pada suhu Ts dan kelembaban Hs. Untuk mengatasi kehilangan liquid karena penguapan dalam chamber tersebut diperlukan make up liquid yang ditambahkan ke reservoir pada suhu Ts. Jika dibuat balance dengan suhu reperence Ts dianggap kerja pompa = 0, entalpi make up of liquid = 0, maka diperoleh ; Cs (T – Ts) + H . λs = Hs . λ Dimana :
………………..(4)
Hs = Saturation humidity pada Ts (lb air/lb udara) Λs = Panas latent pada Ts (Btu/lb) Cs = Humidity pada suhu Ts (Btu/lboF) Maka :
H Hs C s T Ts s WET BULB TEMPERATUR Merupakan suhu dalam keadaan steady dan tidak setimbang jika sejumlah kecil liquid dikontakkan dengan gas yang kontiyu pada keadaan adiabatic. Jika gas (udara) tidak jenuh dan pada keadaan tetap (steady), maka akan dicapai suhu liquid tertentu sedemikian hingga panas yang diperlukan untuk menguapkan liquid tertentu sedemikian hingga panas sensible mengalir dari gas ke liquid., suhu ini disebut wet bulb temperature (Tw). Tw merupakan fungsi dari T dan H dan tidak tergantung pada kecepatan gas. Suhu yang sesungguhnya yaitu suhu yang ditunjukkan oleh temperature disebut Dry bulb temperatur (Td). Wet bulb temperatur pada permukaan menyamai adiabatic saturation temperatur. Untuk campuran antara udara air harga Tw dan Td mendekati sama. Pengukuran Tw dapat dilakukan dengan menggunakan termometer yang dibungkus dengan kapas basah yang akan berkontak dengan udara.
WETTED WALL COLUMN Koefisien perpindahan massa merupakan besaran empiris yang dipakai untuk memudahkan penyelesaian persoalan – persoalan perpindahan massa antar fase, yang dibiarkan disini adalah koefisien perpindahan massa dari fase gas ke fase liquid atau sebaliknya. Pada penguapan air dari permukaan cairan ke udara, terjadi perpindahan massa dari fase air ke fase gas pada bidang batas cairan dan gas (interface). Salah satu cara untuk menentukkan koefisien perpindahan massa dalam fase gas adalah dengan menggunakan wetted wall column dengan mengetahui luas kontak antara dua fase pada kondisi operasi, Wetted Wall Column merupakan tube vertikal dengan aliran liquida dari atas turun melewati sisi tabung (gelas kaca) sedangkan fase gas mengalir secara searah atau berlawanan arah.
Jika liquida murni digunakan maka tahanan perpindahan massa terjadi pada fase gas dari interface ke gas. Tahanan didalam kolom dapat dianggap konstan jika pressure drop pada kolom kecil dibandingkan dengan tekanan total. Untuk menentukan koefisien perpindahan massa pada wetted wall column, dapat ditinjau pada jarak dz. Persamaan ratio perpindahan massa pada kondisi steady state : dNA = KG (PAi – PAG) dA
......................................(5)
Dimana : dNA = Rate perpindahan massa (lb mol/jam) KG
= Koefisien perpindahan massa fase gas (lb mol/jam ft2 atm)
PAi
= Tekanan partial uap air pada interface (atm)
PAG
= Tekanan partial uap air pada gas (atm)
dA
= Luas permukaan perpindahan massa (ft2)
a = air L2
V2
X2
Y2 L+dL X+dX
dz
L1
b = udara
X1
V1 (Gambar.2)
V+dV Y+dY
Y1
Ditinjau dari dz, neraca massa total dan neraca massa komponen dapat dibuat dL = dV d (L . V) = d (V . Y) = dNA Dimana : L = Laju alir air (ml/s) V = Laju ali udara (ml/s) X = Fraksi mol air dalam fase liquid Y = Fraksi mol air dalam fase gas (uap air) Karena X = 1, maka : dNA = dL = d (V . Y) = V . dy + y . dV dL – y . dV = V . dy, dimana dL = dV dL – y . dL = V . dy
dL(1 – y) = V . dy dL = V . dy = dimana dNA = dL (1 – y) dNA = V . dy (1 – y) KG (Pi – PG) dA
V . dy = (1 – y) Pi – PG
.............................(6) .............................(7)
b (yi – y)
=
Persamaan (3) menjadi V . dy = (1 – y) dA
=
KG . P . (yi – y)
V . dy KG . P(yi – y)(1 – y)
Integrasi A o∫
dA
=
y1
∫ y2
V . dy KG . P(yi – y)(1 – y)
Untuk menyelesaikan integrasi diatas, diperlukan beberapa asumsi. Dianggap harga KG/F mendekati konstan. Dan hanya variabel yang tidak berkaitan dengan y yaitu = yi. Harga yi dipengaruhi oleh temperatur interface yang berbeda – beda pada tiap bagian kolom. Untuk itu diambil harga yi yang konstan. Jika beda temperatur liquid yang tidak terlalu besar, yi dapat diambil sebagai harga rata – rata pada saat masuk dan keluar,disimpulkan sebagai yi. Diasumsikan pula pada kondisi yang disebutkan diatas, perbedaan temperatur bulb dan temperatur interface dari liquid kecil sehingga digunakan temperatur bulb liquid sebagai pengganti temperatur interface. Persamaan menjadi : ∫ y2
A
=
V KG . P
A
=
V KG . P(1 – yi’)
KG . P. A V
=
y1
1 (1 – yi’)
dy (1 – y)(y’ – y) ln (yi’ – yi) (1 – y2) (yi’ – y2) (1 – y1) ln (yi’ – yi) (1 – y2) (yi’ – y2) (1 – y1)
Jika harga yi’ dan y sangat kecil, maka harga (1 – y) mendekati satu dan persamaan menjadi : KG . P. A V
= ln (yi’ – y1) (yi’ – y2)
...............................(8)
Harga log mean didefinisikan sebagai : (yi’ – y) lm
=
(yi’ – y1) (yi’ – y2) ................................(9) ln(yi’ – yi)/(yi’ – yi)
Substitusi persamaan (4) dan (5) KG . P. A V KG
=
y2 – y1 (yi’ – y) lm
V (y2 – y1) P . A (yi’ – y) lm
=
Dimana : KG = Koefisien perpindahan massa antara udara dan liquid (lbmol/jam ft2atm) P = Tekanan udara V = Kecepatan linier ( m/s ) A = Luas permukaan pipa gelas (m2) Y1= fraksi mol udara (kolom atas) Y2= Fraksi mol udara (kolom bawah) Y’ = Fraksi mol uap di interfase Pada wet bulb temperatur, panas yang dikeluarkan udara sama dengan yang diterima oleh air, panas yang dikeluarkan udara (panas sensible) q = (hG + hR) A (t – tw)
...............................(10)
dimana : hG = Koefisien perpindahan panas antara gas dan permukaan liquid (Btu/jam ft2 oF) hR
Koefisien perpindahan panas karena radiasi (Btu/jam ft oF)
=
t
=
Temperatur gas (oF)
tw
=
Temperatur Wet bulb (oF) Panas yang diterima oleh liquid : q = MA . NA . λw
...............................(11)
dimana : MA = Berat molekul air Λw = Panas latent air pada tw (Btu/lb) Dengan anggapan bahwa tidak ada gradien suhu dalam liquid maka t1 = tw Sehingga persamaan rate perpindahan massa dari air interfase : NA = KG . A (Pw – P) Dari persamaan (6) , (7) dan (8)
.............................(12)
(hG + hR) A (t – tw) = MA . λw . KG . A(Pw – P) jika hR <<< dibandingkan hG, maka : hG (t – tw) = MA . λw . KG(Pw – P)
.............................(13)
jika H = P . MA/MB dan Hw = Pw . MA/MB dimana H
= Humidity
MB = Berat molekul rata – rata udara Maka persamaan (9) menjadi : hG(t – tw) = MB . λw . KG(Hw – H) hG = 29 λw . KG(Hw – H) (t – tw)
B TW2 Td2
V1
V3
V2
A
G
V5
F
V4
TW1 Td1 V6
C
E H
Gambar Rangkaian Alat Wetted Wall Column Keterangan gambar : A = kolom WWC
E = Tangki ekspansi udara
V = Valve
B = Tangki overflow
F = Manometer
= aliran air
C = Tangki feed
G = Manometer
= aliran udara
D = Pompa
H = Kompresor
III. PROSEDUR PERCOBAAN 1. Isi tangki penampung atas sampai penuh dan bukalah kran yang ada di bawah tangki (dibuka sedikit), lalu biarkan beberapa saat sehingga terjadi overflow pada constant head tank. Selanjutnya atur aliran air pada suatu harga tertentu dan ukur laju alirnya, aliran air tersebut harus dapat membentuk film air yang tipis dan merata pada setiap dinding ppa gelas (perhatikan tangki penampung air yang paling atas harus seringkali diisi dengan air). 2. Jalankan kompresor untuk mengalirkan udara ke dalam pipa gelas, bila keadaan sudah mantap (steady state), atur laju alir pada suatu harga dan catat harga ini. 3. Bila keadaan sudah mantap, kemudian amati data di bawah ini (tabelkan) : a. Laju alir air b. Laju alir udara c. Suhu air masuk dan keluar d. Suhu ruangan e. Tekanan barometer f. Diameter pipa gelas dan panjang pipa dimana terjadi kontak udara dan air. 4. Bila keadaan memungkinkan, ulangi untuk variabel laju alir udara dan air.
DAFTAR PUSTAKA
Bedger, W.L., 1995, “Introduction to Chemical Engineering” International Student Edition, hal 369-384, Mc grow Hill Book Company, New York. Geankoplis, C.J., 1978, “Transport Process and Unit Operation”, Second Edition, hal 514-520, Ailyn and Bacoh Inc, Boston. John H, Perry, “Chemical Engineering Hand Book”, Third Edition, hal 170-173, Mc growHill Book Company, Japan. Mc Cabe, W.L., 1983, “Unit Operation of Chemical Engineering”,Foutrh Edition, Hal 597-599, Mc grow Hill Company, New York.
