Materi Kuliah Transport Phenomena Pertemuan 1 Semester Ganjil 2019 2020 [PDF]

Citation preview

Transport Phenomena Dosen : Dr. Herti Utami, S.T., M.T.



KONTRAK KULIAH Deskripsi Perkuliahan: • •



•



•



Membahas tentang Perpindahan momentum : estimasi besaran fisis yaitu pada perpindahan momentum mencakup viskositas gas dan cairan serta karakteristiknya, fluida statis dan fluida dinamik, konsep dasar perpindahan momentum dan fluida Newton yang mencakup tentang Newtonian fluid dan non Newtonian fluid, konsep dasar transfer momentum secara molekuler dan hukum Newton, transfer momentum secara aliran, perpindahan momentum aliran laminar satu dimensi dalam cairan dan padatan Perpindahan massa meliputi: estimasi besaran fisis yaitu pada perpindahan massa mencakup difusivitas gas dan cairan serta karakteristiknya, konsep dasar perpindahan massa dan Hukum Fick tentang difusivitas massa, konsep dasar difusi massa secara molekuler, perpindahan massa antar fasa, perpindahan massa aliran laminar satu dimensi dalam cairan dan padatan Sedangkan pada perpindahan panas bahasan materi meliputi: estimasi besaran fisis yaitu konduktivitas dan karakteristiknya, konsep dasar perpindahan energi/panas, Hukum Fourier tentang konduktivitas termal, perpindahan panas aliran laminar satu dimensi dalam cairan dan padatan



Kompetensi Baku : • Mampu menjelaskan prinsip-prinsip perpindahan (momentum, massa dan panas) dalam bidang Teknik Kimia dan manfaatnya, mampu menyusun neraca momentum, neraca energi dan neraca massa dan kondisi batasnya serta menyelesaikannya pada kasus-kasus sederhana. • Menganalisis fenomena secara fisis dan matematis fenomena transport yang mencakup penerapan persamaan gerak, energi dan massa



• Mampu menjelaskan perilaku viskositas material • Mampu menjelaskan perilaku konduktivitas material • Mampu menjelaskan perilaku difusivitas material • Mampu merumuskan dan menganalisis distribusi kecepatan pada aliran laminer • Mampu merumuskan dan menganalisis distribusi temperatur pada padatan dan aliran laminer • Mampu merumuskan dan menganalisis distribusi konsentrasi pada padatan dan aliran laminer



Penilaian Pertemuan kuliah dipadatkan 4 SKS/minggu (2 pertemuan ) x 6 minggu = 12 pertemuan Quiz :1x UAS :1x Penilaian : 1. Tugas 20% 2. Quiz 35% 3. Ujian Akhir Semester 45%



Tabel Konversi angka nilai akhir ke huruf mutu Range Nilai



Huruf



Angka Mutu



Akhir (NA)



Mutu



(AM)



Rentang



(HM) ≥ 76



A



4,0



Lulus



71 ≤ nilai < 76



B+



3,5



Lulus



66 ≤ nilai < 71



B



3



Lulus



61 ≤ nilai < 66



C+



2,5



Lulus



56 ≤ nilai < 61



C



2



Lulus



50 ≤ nilai < 56



D



1



Lulus



< 50



E



0



Tidak Lulus



Catatan Penting • Semua tugas dikumpulkan pada waktu yang ditentukan • Toleransi keterlambatan 15 menit • Ujian dilarang nyontek atau bekerja sama jika terbukti melakukan maka nilai E • Presensi minimal 80% dari total perkuliahan 1 semester • Pembelajaran : active learning-----perlu menulis!



Referensi : 1) 2) 3) 4) 5)



Bird, R.B., Stewart, W.E., and Lightfoot, E.N., 1960, Transport Phenomena, John Wiley and Sons, Inc., New York (UTAMA) Welty, J.F., Wilson, R.F., and Wicks, C.E, 1984, Fundamental of Momentum, Heat and Mass Transfer, John Wiley and Sons, Inc., New York Brodkey, R.S. and Hershey H.C., 1988, “Transport Phenomena: A Unified Approach, Mc.Graw Hill Book, Co Treyball, 1981, Mass Transfer Operation, Mc Graw Hill, New York Geankoplis, C.J., 1993, Transport Process and Unit Operations, 3rd ed, Prentice-Hall Inc., New Jersey



Dan textbook2 lainnya yang membahas materi yang berkaitan yang banyak tersedia



Perpindahan Massa • Tujuan : Untuk hitung fluks massa dan evaluasi distribusi konsentrasi dalam padatan dan aliran laminar



Definisi Perpindahan Massa • Perpindahan suatu komponen dari satu lokasi ke lokasi lain dikarenakan adanya ketidakseimbangan konsentrasi
Proses : contoh peristiwa difusi
Driving force : Adanya perbedaan (gradien) konsentrasi



• Perpindahan suatu komponen dari konsentrasinya tinggi menuju ke konsentrasi yang rendah • Transfer massa : gerakan molekul-molekul dari elemen fluida yang disebabkan adanya suatu gaya pendorong (driving force ) • Misal : difusi molekuler, difusi olakan dan transfer massa konveksi



• Contoh peristiwa transfer massa dalam kehidupan sehari-hari apa saja ??? Dinamika sistem berpengaruh terhadap kecepatan transfer massa • Gula yang diberikan dalam air teh yang diaduk ternyata akan jauh lebih cepat melarut dan menyebar ke dalam air teh, dibandingkan dengan apabila air teh tersebut tdak diaduk



Difusi • Disebabkan oleh gerakan molekuler secara random • Kecepatan bervariasi, bisa sangat lambat Dalam fasa gas : 10 cm/menit Dalam fasa cair : 0,05 cm/menit Dalam fasa padat : 0,00001 cm/menit • Bisa menjadi faktor yang mengontrol suatu peristiwa Misal : reaksi dengan katalis padatan berpori



Dimana peristiwa transfer massa ditemui?? • Alat-alat industri Pemurnian bahan baku Pemisahan hasil



• Transport nutrient di sel makhluk hidup



• Dispersi pollutan



• Air yang menguap dari permukaan sungai/danau/laut ke udara yang mengalir di atasnya



Gerakan Fluida • Mikroskopis : suatu fluida yang berada dalam suatu volum dapat dilihat sebagai kumpulan molekul yang bergerak secara acak dalam suatu sistem (gerak Brown) • Makroskopis : fluida tersebut tidak tampak bergerak karena memang fluida tersebut tidak dalam keadaan mengalir



Gerak Brown • Gerak zig zag atau acak suatu molekul • Semakin tinggi suhu, makin cepat gerak Brown karena energi kinetik molekul meningkat sehingga menghasilkan tumbukan yang lebih kuat



Model Transfer Massa • Berdasar gerakan acak dari molekul-molekul
model Difusi Fick • Berdasar jumlah massa yang berpindah dari satu titik ke titik lain
model umum proses kecepatan (rate processes)



Model Difusi Fick • Menurut Fick, besarnya massa yang ditransfer per satuan waktu per satuan luas (fluks massa) dari satu posisi ke posisi yang lain proporsional terhadap gradien konsentrasinya. Dalam persamaan matematis :



• J = massa yang ditransfer per satuan waktu per satuan luas (fluks massa) • D = diffusivitas atau koefisien difusi • C = konsentrasi • z = posisi



Model Umum Rate Processes • Model umum suatu rate processes yang reversible : Rate = constant x driving force • Laju (rate) sama dengan konstanta laju dikalikan dengan gaya penggerak (driving force) • Pada perpindahan massa : driving force adalah adanya beda konsentrasi N = k. ∆C N = kecepatan (laju) massa persatuan luas (fluks massa) k = koefisien transfer massa ∆C = beda konsentrasi



Analisis Peristiwa • Setiap peristiwa dapat didekati dengan salah satu model tersebut • Model dengan basis koefisien difusi (model 1) akan memberikan hasil berupa harga yang lebih fundamental dibandingkan dengan model dengan basis koefisien transfer massa (model 2) • Tinjauan yang hanya melibatkan satu fasa biasanya digunakan model difusi Fick, sedangkan untuk tinjauan yang melibatkan dua fasa (antar fasa) digunakan model rate processes.



Estimasi Difusivitas (koefisien difusi), DAB untuk gas dan cairan



Koefisien Difusi • DAB yaitu suatu faktor perbandingan yang disebut koefisien difusi atau difusivitas massa • Satuan dalam ft2/jam atau cm2/det (L2/t ) • Koefisien difusi merupakan sifat spesifik sistem yang tergantung kepada suhu, tekanan dan komposisi sistem



Koefisien Difusi Gas (Welty, 1984) • Untuk memperkirakan harga koefisien difusi gas Hirschfelder, Bird dan Spotz dengan menggunakan tegangan Lennard-Jones, memberikan sebuah persamaan untuk difusivitas pasangan gas-gas non polar yaitu :



• DAB adalah difusivitas massa A melalui B dalam cm2/det • T adalah suhu dalam K, P tekanan dalam atm • MA berat molekul A dan MB berat molekul B • adalah diameter tumbukan , suatu parameter Lennard Jones dalam Angstrom • Ω adalah integral tumbukan (tak berdimensi)



• Besaran Ω sebagai fungsi dari • dapat dilihat pada appendix K (Welty) • k adalah konstanta Boltzman = 1,38 x 10-16 erg/K • єAB adalah tenaga molekuler, yaitu tenaga interaksi untuk sistem biner AB yang merupakan parameter Lennard-Jones dalam erg • Untuk sistem biner pasangan molekul non polar dan



• Jika tanpa adanya data eksperimental, parameter Lennard-Jones dapat juga diperkirakan dari hubungan empiris berikut :



• Dimana Vb adalah volum molar pada titik didih normal dalam cm3/gmol (bisa dievaluasi dengan Tabel 24.3, Welty) • Vc adalah volum molar kritis dalam cm3/gmol • Tc adalah suhu kritis dalam K • Tb adalah titik didih normal dalam K • Pc adalah tekanan kritis dalam atm



• Persamaan Hirschfelder menunjukkan bahwa difusivitas gas sebanding dengan suhu dan berbanding terbalik dengan tekanan, serta fungsi tumbukan. Persamaan dapat dituliskan



• Hubungan difusivitas gas dengan tekanan berlaku untuk tekanan sedang sd 25 atm • Umumnya harga • Sehingga persamaan dapat disederhanakan menjadi :



• Difusivitas suatu gas melalui suatu campuran gas multikomponen dapat ditentukan dengan persamaan :



• DAm adalah difusivitas gas A melalui campuran gas multikomponen • DAB , DAC , DAD adalah difusivitas A melalui B, C, D dan seterusnya • yB ,yC,yD adalah fraksimol komponen B, C, D dan seterusnya dengan dasar bebas A



Koefisien Difusi Cairan (Welty, 1984) • Difusivitas cairan harganya berubah-ubah dengan konsentrasi • Diperkirakan dengan menggunakan korelasi empiris, untuk larutan bukan elektrolit encer, Wilke and Chang mengajukan korelasi berikut:



DAB adalah difusivitas solut A melalui solven B dalam cm2/det μ adalah viskositas larutan dalam cp T adalah suhu dalam K MAB berat molekul solven VA adalah volum molar solut dalam cm3/gmol (ditentukan dengan Hukum Kopp, dievaluasi dari Tabel 24.5, Welty) • Ф B adalah parameter asosiasi solven B, parameter asosiasi untuk beberapa solven dapat dilihat pada hal 417, Welty



• • • • •



Tugas 1 1.



2.



3. 4. • • •



Dilaporkan dari hasil percobaan difusivitas khloroform dalam udara pada 25OC dan 1 atm harganya 0,095 cm2/det . Hitunglah koefisien difusinya dengan menggunakan persamaan Hirschfelde, dan bandingkan harganya dengan hasil percobaan. Tentukan difusivitas gas berikut ini. MEK-udara pada 35OC dan 1 atm Furfural-udara pada 45OC dan 1 atm Fenol-udara pada 35OC dan 1 atm Tentukan difusivitas N2melalui campuran gas yang komposisinya (O2 sebanyak 10%, CO sebanyak 8%, CO2 sebanyak 15%, dan N2 sebanyak 67%). Campuran gas mempunyai suhu 80OC dan tekanan 1,5 atm Dengan menggunakan persamaan Wilke and Chang, tentukan difusivitas cairan dari solut yang ditransfer melalui larutan encer sebagai berikut: Karbon tetra khlorid dalam benzen pada suhu 30OC Karbon dioksid dalam etanol pada 40OC Metanol dalam air pada 35OC *****