PENGARUH TEMPERATUR DAN TEKANAN PADA KOLOM ISIAN

VERTIKAL TERHADAP KOEFISIEN DIFUSI GAS

(The Effect of Temperature and Pressure at Packed Column

on Gas Diffusivity)

Abdul Kahar, S.T, M.Si

(Jurusan Kimia, MIPA, Universitas Mulawarman)

Abstract

The effect of temperature and pressure on gas diffusivity at air-water

system with counter current in packed column was studied. The applied series

used were packed column with inside diameter 7,5 cm, content material of raschig

ring the stack height 140 cm, water circulation pump, and air compressor. The

observed variables were water temperature (TA) ranging from 30O – 60OC, water

volumetric flow rate (QA) ranging from 1 – 4 L/minute, air volumtric flow rate

(QU) 35 – 85 L/minute, wet-bulb temperature (Tw), dry-bulb temperature (Td), and

pressure drop (�P). First, the packed column was only flowed with water and air

for 60 minutes. Then, the packed column was flowed with water and air, in which

thr pumped into the packed column was return again to the storage tank.

The collection of data was done after the flow in the packed column in

stationary condition for 10 minutes. The air and water volumetric flow rate

studied were QU : 60 L/minute and QA : 2,5 L/minute. The value of gas

diffusivity, Dv average obtained on the temperatue 40OC is 0,27574 cm2/s.

Key word : packed column, gas diffusivity.

I. PENDAHULUAN

Difusi (pembauran) adalah gerakan suatu komponen melalui suatu

campuran yang berlangsung karena rangsangan fisika. Pada umumnya difusi

terjadi karena adanya gradien konsentrasi sehingga cenderung menyebabkan

terjadi gerakan komponen itu ke arah yang menyamakan konsentrasi dan

menghapuskan gradien. Bila gradien dipertahankan dengan menambahkan

komponen yang terdifusi secara terus menerus maka aliran komponen yang

terdifusi akan berlangsung secara kontinyu (sinambung). Gerakan inilah yang

dimanfaatkan dalam operasi perpindahan massa.

Walaupun penyebab difusi umumnya karena gradien konsentrasi, namun

difusi dapat juga terjadi karena gradien tekanan, karena gradien suhu, atau karena

medan gaya yang diterapkan dari luar seperti pada pemisah sentrifugal. Difusi

molekuler yang terjadi karena gradien tekanan (bukan tekanan parsial) disebut

difusi tekanan (pressure diffusion), yang disebabkan karena gradien suhu disebut

difusi termal (thermal diffusion), sedangkan yang disebabkan oleh medan gaya

dari luar disebut difusi paksa (forced diffusion).

Difusi tidak terbatas pada perpidahan molekuler melalui lapisan stagnan

(diam) zat padat atau zat cair saja, difusi juga terjadi di dalam fase fluida melalui

pencampuran fisika dan oleh pusaran (eddy) aliran turbulen, peristiwa ini disebut

difusi pusaran (eddy diffusion).

Dalam proses pelembaban (humidification) tidak ada difusi fase zat cair

karena zat cairnya murni dan tidak mungkin ada gradien konsentrasi di dalam zat

cair itu, tetapi uapnya yang terdifusi ke antarmuka zat cair-gas atau dari

antarmuka itu ke fase gas atau dari fase gas.

Koefisien difusi gas dapat diramalkan dengan ketelitian yang tinggi dari

teori kinetik. Namun rata-rata perhitungannya lebih rendah 3,7 persen. Ini

mungkin merupakan kompensasi kasar atas kenyataan bahwa harga eksperimen

sering tinggi akibat gagal dalam menghilangkan pengaruh konveksi. Dalam

sistem-sistem yang mengandung air, harga-harga teoritis selalu lebih rendah, ini

sebabnya dalam persamaan kita menyertakan sebuah faktor pengali empirik 1,09.

(Robert C. Reid dkk, 1991).

A. RUMUSAN MASALAH

1. Seberapa besar pengaruh temperatur dan tekanan terhadap Koefisien

Difusi gas pada sistem udara-air dalam kolom isian.

2. Berapakah nilai Koefisien Difusi gas yang diperoleh.

B. TUJUAN PENELITIAN

1. Mengetahui pengaruh temperatur dan tekanan terhadap Koefispen

Difusi gas pada sistem udara-air dalam kolom isian dengan aliran berlawanan arah

(counter current).

2. Menentukan Koefisien Difusi Gas dari kedua variabel tersebut.

II. METODOLOGI PENELITIAN

A. Alat dan bahan

Peralatan yang digunakan mencakup: kolom isian (packed column),

kompressor, pompa, heater, raschig ring, termometer biasa, termometer setting,

thermometer regulator, pengaduk, manometer U, rotameter, stopwacth, selang,

gelas kimia dan lain-lain. Bahan yang digunakan adalah air dan udara

B. Cara Kerja

Dalam penelitian ini menggunakan variabel, yaitu variasi laju alir udara,

laju alir air dan temperatur air masuk untuk mengetahui pengaruh variabel

tersebut terhadap Koefisien Difusi Gas, Dv.

Kolom isian (packed column) dipasang pada standar dan kolom berdiri

secara vertikal. Penyangga bagian atas, yang terdiri atas : celah untuk air masuk,

udara keluar, dan termometer. Penyangga bagian bawah, yang terdiri atas : celah

air keluar, udara masuk, dan termometer.

Air dipompa dari tangki penampungan dialirkan ke dalam kolom, dengan

temperatur yang bervariasi. Udara dialirkan dari kompressor dan laju alirnya

diatur dengan menggunakan regulator dan rotameter. Bila kondisi telah stabil

maka dilakukan pengukuran temperatur bola basah dan temperatur bola kering

untuk udara masuk dan udara keluar serta suhu air masuk dan suhu air keluar.

Setelah hasil pengukuran menunjukkan keadaan yang stasioner selama 10 menit,

pengambilan data dapat dilakukan. Hal sama juga dilakukan untuk variasi laju alir

udara yang masuk ke dalam kolom berubah dengan suhu air masuk yang konstan.

Diagram Alir Proses yang digunakan dalam penelitian ini seperti terlihat

pada gambar dibawah ini.

Gambar 1. Rangkaian peralatan

III. HASIL PENELITIAN

A. Pengaruh Tekanan Terhadap Koefisien Difusi Gas

Dalam kolom isian, aliran dibuat berlawanan arah sehingga menimbulkan

friksi antara kedua fluida. Gesekan atau friksi antar fluida, air dan udara,

menyebabkan terjadinya perubahan tekanan, �P. Semakin tinggi laju alir, baik

udara maupun air, semakin tinggi pula perubahan tekanannya, seperti terlihat pada

Gambar 2

Dalam kolom isian ada limit atas untuk laju alir udara yang dapat

menyebabkan pembanjiran (flooding) yang disebut flooding velocity, yang terletak

antara laju alir udara 75 – 85 L/menit dengan laju alir air 4 L/menit.

Kenaikan pada tekanan menyebabkan penurunan pada koefisien difusi gas,

Dv. Pada kondisi laju alir air konstan 1 L/menit dan laju alir udara meningkat dari

35 sampai dengan 85 L/menit, koefisien difusi gas menurun dari 0,27762 sampai

dengan 0,2375 cm2/s dan tekanan naik dari 1,0 menjadi 2,7 cm H2O. Begitu juga

pada laju alir air yang lebih besar. Kenaikan pada laju alir air meningkatkan

tekanan sehingga sedikit menurunkan nilai koefisien difusi gas. Sebagaimana

terlihat pada gambar 3.

Gambar 2. Hubungan Laju Alir Udara dengan Tekanan

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

35 45 55 65 75 85Laju Alir Udara, L/menit

Teka

nan,

cm

H2O

1 L/mnt

2 L/mnt

3 L/mnt

4L/mnt

Gambar 2. Hubungan Laju Alir udara dengan Tekanan

Gambar 3. Hubungan Tekanan dengan Difusivitas Gas

0.26

0.264

0.268

0.272

0.276

0.28

0 0.5 1 1.5 2Tekanan, log cm H2O

Difu

sivi

tas

Gas

,cm

2/s

1 L/mnt

2 L/mnt

3 L/mnt

4 L/mnt

Gambar 3. Hubungan Tekanan dengan Koefisien Difusi Gas

Pada kondisi laju alir air meningkat dari 1 sampai dengan 4 L/menit dan

laju alir udara konstan 40 L/menit, koefisien difusi gas menurun dari 0,27756

sampai dengan 0,27559 cm2/s dan tekanan naik dari 1,217 menjadi 8,65 cm H2O.

Begitu juga pada laju alir udara yang lebih besar. Kenaikan pada laju alir udara

meningkatkan tekanan sehingga juga sedikit menurunkan nilai koefisien difusi

gas. Sebagaimana terlihat pada gambar 4.

Gambaro 4.5. Hubungan Laju Alir Udara dengan Difusivitas gas

0.26

0.264

0.268

0.272

0.276

0.28

35.00000 45.00000 55.00000 65.00000 75.00000 85.00000

Laju Alir Udara, L/mnt

Dif

usi

vita

s G

as,c

m2/

s

1 L/mnt

2 L/mnt

3 L/mnt

4 L/mnt

Gambar. 4. Hubungan Laju alir dengan Koefisien Gas

B. Pengaruh Temperatur terhadap Koefisien Difusi Gas

Koefisien difusi gas, Dv naik jika temperatur dinaikkan. Pada kondisi

temperatur air masuk yang meningkat dari 30OC sampai dengan 60OC dan tekanan

meningkat dari 0,733 cm H2O sampai dengan 32,267 cm H2O, pada laju alir air 1

L/menit dan laju udara konstan 60 L/menit diperoleh koefisien difusi gas

meningkat dari 0,26185 sampai dengan 0,31041 cm2/s. Begitu juga pada laju alir

dan temperatur air yang lebih besar. Sebagaimana terlihat pada gambar 5.

Gambar 5 . H ubungan T emperatur dengan D ifusiv itas Gas

0.25350

0.26850

0.28350

0.29850

0.31350

30 40 50 60

Temperatur Air (oC)

Dif

usi

vita

s G

as (

Cm

2/S

)

1 L/mnt2 L/mnt3 L/mnt4 L/mnt

Gambar 5. Hubungan Temperatur dengan Koefisien Difusi Gas

Pada laju alir udara 40 L/menit dan laju alir air konstan 2,5 L/menit

dengan kenaikan temperatur air dari 30OC sampai dengan 60OC dan tekanan

meningkat dari 1,65 cm H2O sampai dengan 4,183 cm H2O, diperoleh koefisien

difusi gas meningkat dari 0,26162 sampai dengan 0,3096 cm2/s. Begitu juga pada

temperatur air dan laju alir udara yang lebih tinggi.

KESIMPULAN

A. Kesimpulan

1. Koefisien difusi gas, Dv makin menurun dengan semakin tinggi

tekanan, dimana kenaikan tekanan disebabkan oleh semakin tingginya laju alir

udara dan air. Koefisien difusi gas semakin besar dengan meningkatnya

temperatur.

2. Pada laju alir volumetrik udara, QU 60 L/menit dan laju alir

volumetrik air, QA 2,5 L/menit, tekanan 5,13 cm H2O, dan temperatur 40OC

diperoleh koefisien difusi gas, Dv rata-rata adalah 0,27574 cm2/s

DAFTAR PUSTAKA

Badger Walter. L dan Julius T. Banchero. 1982. Introduction to Chemical Engineering. Imternational Edition. McGraw Hill International Book Co. New York.

Bennet, C.O dan J.E. Myers. 1985. Momentum, Heat and Mass Transfer.

International Student Edition. Third Edition. McGraw Hill Inc. New York. Brown, G.G, Donald Katz, Alan S. Foust, dan Richard Scheidewind. Unit

Operation. Modern Asia Edition, Jhon Willey and Sons Inc. New York. David M Himmelblau. 1999. Prinsip-prinsip Dasar dan Kalkulasi dalam

Teknik Kimia. Edisi Indonesia. Jilid I dan II. Alih bahasa Ita Ananta. PT. Prenhallidi. Jakarta.

Maurice G. Lariam. 1958. Fundamental of Chemical Engineering Operation.

Maruzen Asian Edition. Prentice Hall Inc. Engelwood Cliffs. N.J. Perrys, R.H. dan Green D. 1984. Perry”s Chemical Engineering Hand Book.

Six Edition. Singapore. Robert C. Reid, Jhon M. Prausnitz, dan Bruce E. Poling. 1991. Sifat Gas dan

Zat Cair. Edisi ketiga. PT. Gramedia Pustaka Utama. Jakarta.

Mc Cabe. Warlen L, Julian C. Smith dan Peter Harriot. 1990. Operasi Teknik Kimia. Jilid I dan II. Edisi keempat. Terjemaham E. Jasjfi. Erlannga. Jakarta.