Perpindahan massa merupakan perpindahan suatu komponen dari suatu campuran, yang terjadi karena adanya perubahan dalam keseimbangan sistemnya yang disebabkan karena adanya perbedaan konsentrasi. Adanya perbedaan konsentrasi zat kimia antara bahan dan lingkungan disebut sebagai driving force atau gaya penggerak dari proses transfer massa. Perpindahan tersebut dapat terjadi dalam satu fase maupun antara satu fase dengan fase lainnya (Singh and Heldman, 2001). Proses transfer massa dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu: Luas permukaan kontak bahan dengan air perendam, kadar air di dalam bahan, konsentrasi, jarak dari permukaan ke pusat bahan, waktu, karakteristik bahan (hubungannya dengan koefisien difusi bahan) dan suhu serta tekanan osmosis.
Pada umumnya kebanyakan perpindahan massa larutan antara gas dan cairan melalui sebuah aliran dipelajari dengan menggunakn kolom wetted wall.Suatu porses dimana terjadi suatu perpindahan suatu unsur pokok dari daerah yang berkonsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah dinamakan perpindahan massa. Perpindahan massa yang terjadi dari suatu unsur yang berkonsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah dipengaruhi oleh ciri aliran cairan, seperti pada kasus heat transfer, mekanisme perpindahan massa terjadi dengan cepat. Jika sejumlah campuran gas yang terdiri dari dua jenis molekul atau lebih, di mana konsentrasi masing-masing berbeda, maka masing-masing molekul ini cenderung menuju ke komposisi yang sama (seragam). Proses ini terjadi secara alami.
Perpindahan massa makroskopis ini tidak tergantung pada konveksi dalam sistem. Proses ini didefinisikan sebagai difusi molekul. Beberapa contoh sederhana dari proses perpindahan massa adalah evaporasiair ke atmosfer, penjernihan darah pada ginjal dan liver, serta distilasi alkohol. Pada proses industri, operasi perpindahan massa termasuk pemisahan komponen kimia pada kolom distilasi, adsorber seperti scrubber, adsorber seperti activated carbon bed, dan ekstraksi liquid-liquid. Perpindahan massa digunakan oleh berbagai ilmu
sains untuk proses dan mekanisme yang berbeda-beda, namun frasa ini banyak digunakan pada ilmu teknik untuk proses fisika yang melibatkan difusi molekuler dan transport konveksi suatu speses kimia dalam sistem. Perpindahan massa pada umumnya digabungkan dengan proses perpindahan untuk penerapannya seperti pada menara pendingin industri.
Guna menelaah perpindahan massa dalam wetted wall column, perhatikan gambar berikut ini:
Gambar 2.1. Bagian Penampang Membujur dari Wetted Wall (Sumber: Nugraha, 2007)
Ditinjau sistem setinggi dz. Neraca material komponen A yang dilakukan terhadap segmen tersebut menghasilkan persamaan differensial sebagai berikut:
d(W . XA)
dz =JAY. D
....
... (2.1)Keterangan:
W = laju alir massa gas dalam arah z (gr mole/det)
Dengan menggunakan kenyataan bahwa penambahan laju alir massa dalam arah z hanyalah karena adanya fluks massa JAy maka dapat dituliskan hubungan sebagai berikut:
dW
Persamaan 2.1 dan persamaan 2.2 akan menghasilkan hubungan berikut :
W .d XA
dz =
(
1−XA)
. JAY. π . D ... (2.3)Proses absorpsi yang terjadi didalam wetted wall absorption column dapat menggambarkan adanya perpindahan massa didalam kolom tersebut. Perpindahan massa ini terjadi akibat adanya penyerapan (dalam hal ini berupa absorpsi) yang terjadi didalam kolom tersebut. Dengan adanya perpindahan massa yang terjadi, maka akan ditemui pula suatu bilangan yang merupakan koefisien perpindahan massa. Dimana koefisien perpindahan massa itu sendiri merupakan besaran empiris yang diciptakan untuk memudahkan persoalan-persoalan perpindahan massa antarfase. Pada wetted wall columns, cairan murni yang mudah menguap dialirkan ke bawah di dalam permukaan pipa circular sementara itu gas ditiupkan dari atas atau dari bawah melalui pusat inti pengukuran kelajuan penguapan cairan ke dalam aliran gas diatas permukaan.
Perpindahan massa merupakan perpindahan satu unsur dari konsentrasi yang lebih tinggi ke konsentrasi yang lebih rendah. Misalnya kita masukan gula ke dalam secangkir kopi, dimana gula akan larut dan kemudian berdifusi secara seragam ke dalam secangkir kopi. Perpindahan massa merupakan proses penting dalam proses industri, misalnya dalam penghilangan polutan dari suatu aliran keluaran pabrik dengan absorpsi, pemisahan gas dari air limbah, difusi neutron dalam reaktor nuklir.Absorpsi gas merupakan operasi dimana campuran gas dikontakan dengan cairan yang bertujuan untuk melewatkan suatu komposisi gas atau lebih dan menghasilkan larutan gas dalam cairan.
rendah. Ini berarti perpindahan komponen/molekulnya terjadi karena adanya perbedaan konsentrasi (Singh and Heldman, 2001). Proses difusi itu terbagi ke dalam 3 jenis yaitu :
1) Difusi cair
Dikatakan difusi cair apabila terjadi perpindahan molekul cairan dari konsentrasi yang tinggi ke konsentrasi yang rendah. Contohnya yaitu ketika kita merendam kedelai di dalam air pada saat proses pembuatan tempe. Selama perendaman akan terjadi difusi air dari lingkungan luar (yang kadar airnya tinggi) ke dalam kedelai (yang kadar airnya rendah).
2) Difusi padat
Dikatakan difusi padat jika terjadi perpindahan molekul padatan dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Contohnya yaitu ketika kita melakukan perendaman buah dengan larutan gula dalam pembuatan manisan buah. Selama perendaman selain terjadi difusi air dari lingkungan luar ke dalam buah juga terjadi difusi molekul gula (molekul padatan) ke dalam buah dan ini berarti difusi padatan juga terjadi dalam pembuatan manisan buah ini. Selama ini batasan antara kapan terjadinya difusi air dengan difusi padatan masih belum jelas karena prosesnya sering terjadi bersamaan dan susah untuk dibedakan.
3) Difusi gas
Dikatakan difusi gas jika terjadi perpindahan molekul gas dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Contohnya yaitu difusi O2 pada pengemas plastik. Ketika kita menggunakan pengemas plastik untuk membungkus suatu bahan, maka selama penyimpanan akan terjadi difusi oksigen dan uap air dari lingkungan luar ke dalam plastik pengemas. Jumlah oksigen dan uap air yang dapat masuk ke dalam plastik pengemas bervariasi tergantung permeabilitas dari plastik pengemas tersebut. Semakin banyak jumlah oksigen dan uap air yang dapat masuk ke dalam plastik pengemas berarti kualitas plastik pengemasnya semakin buruk. Disini, difusi oksigen merupakan difusi gas dan difusi uap air merupakan difusi cair.
JA,Z = –DAB dτA
dZ ...
(2.4) Keterangan :
JA,Z = molar flux pada Z dτA
dZ = perubahan konsentrasi
DAB = difusitas massa atau koefisien difusitas komponen A yang terdifusi melalui komponen B
Karena perpindahan massa atau difusi hanya terjadi dalam campuran, maka pengaruh dari tiap komponen harus diperhitungkan. Misalnya untuk mengetahui laju difusi dari setiap komponen relatif terhadap kecepatan campuran. Kecepatan campuran harus dihitung dari kecepatan rata-rata tiap komponen. Persamaan di atas dikenal dengan persamaan Hukum Frek’s ,di mana DAB adalah koefisien
difusivitas. Koefisien difusivitas tergantung pada tekanan, temperatur, dan komposisi sistem. Koefisien difusivitas masing-masing fase berbeda-beda. Koefisien difusivitas untuk gas lebih tinggi, yaitu antara 5.10-6sampai 10-5 m2/s ;
untuk cairan 10-10sampai 10-9 m2/s dan untuk padatan 10-14sampai 10-10 m2/s.
Perpindahan massa konvektif termasuk perpindahan antara fluida yang bergerak atau dua fluida yang bergerak yang tidak tercampur. Model ini tergantung pada mekanisme perpindahan dan karakterisitk gerakan fluida. Persamaan laju perpindahan massa konvektif sebagai berikut:
NA = k . A... (2.5)
Keterangan:
NA = perpindahan massa molar zat A
A = perbedaan konsentrasi permukaan dengan konsentrasi rata-rata fluida. K = koefisien perpindahan massa konvektif
humidifikasi. Persamaan yang digunakan untuk menggambarkan koefisien
Persamaan ini diperoleh dari teori lapisan atau film theori, di mana gas melewati permukaan cairan. Teori lapisan ini didasarkan pada model dimana tahanan untuk berdifusi dari permukaan cairan ke aliran gas diasumsikan terjadi
dalam suatu stagnant film atau laminer film tebal. Dengan kata lain,
menunjukkan tebal lapisan cairan, perpindahan massa dari gas ke falling liquid film, dan perpindahan massa padawetted wall column.
Kebanyakan data dari perpindahan massa dan aliran fluida telah dapat ditentukan dengan menggunakan wetted wall columns. Alasan mendasar mengapa menggunakan kolom-kolom ini untuk penyelidikan perpindahan massa adalah untuk mengontakkan luas area antara dua fase sehingga dapat dihitung dengan tepat. Koefisien perpindahan massa konvektif untuk falling liquid film dikorelasikan oleh Vivian dan Peacemen dengan korelasi :
KLZ
DAB = difusivitas massa antara komponen A dan B
= densitas cairan B
g = percepatan gravitasi
Sc = Schmidt Number (dievaluasikan pada temperature film liquid)
Re = Reynold number
Koefisien film cairan lebih rendah 10 sampai 20% daripada persamaan secara teoritis untuk absorpsi dalam film laminer.Untuk menghitung koefisien perpindahan massapada fase gas, gunakan perbedaan gas-gas dan cairan menghasilkan variasi. Untuk itu, Sherwood dan Gilland menetapkan nilai-nilai untuk Re dari 2000 sampai 35000, sc dari 0,6 sampai 2,5 dan tekanan gas 0,1 sampai 3 atm.Hubungan data-data tersebut secara empirik adalah
Shav=0,023 Re 0,83
sc
1
3 ...
(2.8) Keterangan:
Sh = Sherwood number
Re = Reynold number
Sc = Schmidt number
Dalam beberapa operasi dari perpindahan massa, massa berubah antara dua fase. Contohnya yaitu seperti dalam peristiwa absorpsi. Salah satu alat yang akan digunakan untuk mempelajari mekanisme yang terjadi di dalam operasi perpindahan massa adalah wetted wall column. Pada wetted-wall column, area kontak antara dua fase dibuat sedemikian rupa.
Dalam operasi ini aliran lapisan tipis cairan (Thin Liquid Film) sepanjang dinding kolom kontak dengan gas. Dalam percobaan ini gas yang digunakan adalah udara biasa. Lama waktu kontak dengan gas dan lcairan ini relatif singkat selama operasinya normal. Karena hanya sejumlah kecil massa yang terabsorpsi sedangkan cairan diasumsikan konstan atau tidak berubah. Kecepatan falling film sebenarnya tidak dipengaruhi oleh proses difusi. Pada proses ini terjadi perpindahan massa dan perpindahan momentum.Persamaan differensial untuk perpindahan momentum:
dτxy
Keterangan:
dalam absorben cair tergantung pada kesetimbangan yang ada, karena itu diperlukan karakteristik kesetimbangan sistem gas-liquid. Bila sejumlah gas tunggal dikontakkan dengan cairan yang tidak mudah menguap, yang akan larut sampai tercapai keadaan setimbang. Konsentrasi gas yang larut disebut kelarutan gas pada kondisi temperatur dan tekanan yang ada. Pada T tetap, kelarutan gas akan bertambah bila P dinaikkan pada absorben yang sama. Gas yang berbeda mempunyai kelarutan yang berbeda. Pada umumnya kelarutan gas akan menurun bila T dinaikkan.
2.2. Sistem Multi Komponen
Bila campuran gas dikontakkan dengan cairan pada kondisi tertentu, kelarutan setimbang, gas tidak akan saling mempengaruhi kelarutan gas, yang dinyatakan dalam tekanan parsial dalam campuran gas. Bila dalam campuran gas ada gas yang sukar larut maka kelarutan gas ini tidak mempengaruhi kelarutan gas yang mudah larut. Pada beberapa komponen dalam campuran gas mudah larut dalam cairan, kelarutan masing-masing gas tidak saling mempengaruhi bila gas tidak dipengaruhi oleh sifat cairan. Ini hanya terjadi pada larutan ideal. Larutan Ideal merupakan larutan yang memiliki interaksi antar molekul komponen larutan sama besar dengan interaksi antar molekul komponen-komponen tersebut pada keadaan murni, terbentuklah suatu idealisasi.
Larutan dikatakan ideal jika larutan tersebut mengikuti Hukum Roult pada kisaran komposisi sistem, yaitu bahwa tekanan uap pelarut (cair) berbanding tepat lurus dengan fraksi mol pelarut dalam larutan. Larutan yang benar-benar ideal tidak terdapat di alam, namun beberapa larutan memenuhi Hukum Raoult sampai batas-batas tertentu. Contohnya larutan yang dapat dianggap ideal adalah campuran dari benzene dan toluene. Karakteristik larutan ideal yaitu: gaya rata-rata tolak-menolak dan tarik-menarik dalam larutan tidak berubah, dalam campuran bahan, volume larutan berubah secara linear, pada pencampuran bahan tidak ada panas yang diserap maupun yang dilepaskan, tekanan uap total larutan berubah secara linear dengan komposisi.
sekunder atau menara yang dilengkapi dengan pemasukan gas dan ruang distribusi pada bagian bawah, pemasukan zat cair dan distributornya pada bagian atas, sedang pengeluaran gas dan zat cair masing-masing pada bagian atas dan bagian bawah serta tower packing. Penyangga itu harus mempunyai fraksi ruang terbuka yang cukup besar untuk mencegah terjadinya pembanjiran pada piring penyangga itu. Zat cair yang masuk disebut weak liquor berupa pelarut murni atau larutan encer zat terlarut di dalam pelarut, didistribusikan di atas isian itu dengan distributor, sehingga pada operasi yang ideal membebaskan permukaan isian secara seragam.
Gas yang mengandung zat terlarut disebut fat gas, masuk ke ruang pendistribusian yang terdapat di bawah isian dan mengalir ke atas melalui celah-celah antara isian berlawanan arah dengan aliran zat cair. Isian itu memberikan permukaan yang luas untuk kontak zatcair dan gas serta membantu terjadinya kontak antara kedua fase. Persyaratan pokok yang diperlukan untuk isian menara ialah:
1) Harus tidak bereaksi kimia dengan fluida di dalam menara, 2) Harus kuat, tetapi tidak terlalu berat,
3) Harus mengandung cukup banyak laluan untuk kedua arus tanpa terlalu banyak zat cair yang terperangkap atau menyebabkan penurunan tekanan terlalu tinggi,
4) Harus memungkinkan terjadinya kontak yang memuaskan antara zat cair dengan gas,
5) Harus tidak terlalu mahal.
Kalor absorpsi zat terlarut menyebabkan naiknya suhu larutan, penguapan pelarut cenderung menyebabkan suhu turun. Efeknya secara menyeluruh ialah peningkatan suhu larutan, tetapi di dekat dasar kolom suhu itu bisa sampai melewati maksimum. Bentuk profil suhu bergantung pada laju penyerapan zat terlarut, penguapan dan kondensasi pelarut, serta perpindahan kalor antara kedua fase. Laju absorpsi dapat dinyatakan dengan 4 cara yang berbeda yaitu:
1) Menggunakan koefisien individual,
2) Menggunakan koefisien menyeluruh atas dasar fase gas atau zat cair, 3) Menggunakan koefisien volumetrik,
4) Menggunakan koefisien persatuan luas.
2.3. Tipe Kolom Absorpsi 2.3.1. Wetted Wall Tower
Liquid dengan lapisan film yang tipis mengalir turun pada bagian dalam pipa vertikal dengan aliran gas cocurrent atau countercurrent yang disebut dengan wetted wall tower. Seperti yang telah digunakan pada studi teoritis perpindahan massa, karena permukaan interfacial diantara fase dapat dikontrol dan mampu diukur.Di industri, alat ini digunakan sebagai absorber hydrochloricacid, dimana absorbsi disertai oleh panas yang sangat tinggi.
Dalam keadaan ini wetted wall tower dikelilingi dengan aliran cooling water. Alat multitube yang digunakan untuk distilasi dimana liquid film dihasilkan pada bagian atas oleh kondensasi parsial dari kenaikan vapour. Penurunan tekanan gas dalam tower ini mungkin lebih lambat dari pada alat kontak gas-cair lainnya, untuk memberi perlengkapan kondisi operasi.
2.3.2. Spray Tower dan Spray Chambers
tekanan dengan spray nozzle. Kecenderungan untuk menaikkan zat cair oleh sisa gas dan kabut pembersih akan hampir selalu dibutuhkan. Kecuali kalau diameter/ratio panjang sangat kecil, gas akan lebih baik dicampur sepenuhnya oleh spray dan keuntungan aliran counter-current tidak akan didapatkan. Diameter/ratio panjang tidak dapat dibuat sangat kecil karena itu spray harus dengan cepat mencapai dinding tower dan menjadi tidak berguna sebagai spray. 2.3.3. Packed Tower
