Materi-2,Minggu-2,pertemuan3,4-DIFUSI MOLEKULER.pptx

Dr. Ir.H. Muhammad Yerizam, M.T Dr. Ir.H. Muhammad Yerizam, M.T

Jurusan Teknik Kimia Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Sriwijaya Politeknik Negeri Sriwijaya

OPERASI

OPERASI TEKNIK

TEKNIK KIMIA

KIMIA II

M

Miingnggguu kkee : 2: 2 Pe

4. W

4. WAKT

AKTU PERK

U PERKULIA

ULIAHAN = 19

HAN = 19 MING

MINGGU

GU

Min

Mingguggu keke 1 1 : : DasDasar ar OpeOperasrasi i TeTeknik knik KimKimia ia II M

Miinngggguu kkee 22--55 : : DDiiffuussii M

Miinngggguu kkee 66 : : PPeerrppiinnddaahhaann MMaassssa a AAnnttaarr FFaassaa M

Miinngggguu kkee 77--88 : : KKooeeffiissiieenn PPeerrppiinnddaahhaann MMaassssaa M

Miinnggggu ku ke 9e 9 : : UUTTSS M

Miinngggguu kkee 1100--1122 : : AAbbssoorrppssii M

Miinngggguu kkee 1133--1166 : : EEkkssttrraakkssii CCaaiirr--ccaaiirr M

Miinngggguu kkee 1177--1188 : : EEkkssttrraakkssii PPaaddaatt--CCaaiirr ((LLeeaacchhiinngg)) M

MATERI

MATERI

PERPINDAHAN MASSA DIFUSIONAL PERPINDAHAN MASSA DIFUSIONAL

DIFUSI DIFUSI

1

1.. DDIIFFUUSSII MMOOLLEEKKUULLEERR DDAALLAAMM G

GAASS ((11)) 2

2.. DDIIFFUUSSII MMOOLLEEKKUULLEERR DDAALLAAMM CAIRAN

CAIRAN 3

3.. DDIIFFUUSSII MMOOLLEEKKUULLEERR DDAALLAAMM LA

LARURUTTAANN BIBIOLOLOGOGII DDANAN GEGELSLS 4

4.. DDIIFFUUSSII MMOOLLEEKKUULLEERR DDAALLAAMM PADATAN PADATAN MINGGU KE-2 MINGGU KE-2 MINGGU KE-3 MINGGU KE-3 MINGGU KE-5 MINGGU KE-5 MINGGU KE-4 MINGGU KE-4

PENGERTIAN PENGERTIAN

Di

Difu

fusi

si ad

adal

alah

ah pe

peri

rissti

tiw

wa

a me

meng

ngal

alir

irn

ny

ya/

a/

be

berpi

rpind

ndahn

ahny

ya

a sua

suatu

tu za

za

t

t

d

da

alla

am

m p

pe

ella

arru

utt d

da

arrii

b

ba

ag

giia

an

n b

be

errkonsentrasi

konsentrasi

ttiin

ng

gg

gii k

ke

e b

ba

ag

giia

an

n

ya

yang

ng berk

berkonsen

onsentr

trasi

asi rend

rendah.

ah.

*

*p

pe

em

mb

be

erriia

an

n g

gu

ulla

a p

pa

ad

da

a cca

aiirra

an

n tte

eh

h tta

aw

wa

arr*

*

u

u

a

a

p

p

a

a

i

i

r

r

dari

dari cerek

cerek

ya

yang

ng ber

berdif

difusi

usi dal

dalam

am

udara

DIFUSI MOLEKULER

Difusi molekuler merupakan perpindahan massa

yang disebabkan gerakan molekuler secara acak

dalam fluida diam atau dalam fluida yang mengalir secara laminer.

Perpindahan massa molekuler juga disebut

perpindahan massa molekul dalam satu fase. Gerak molekul ini disebabkan karena adanya gradien atau

perbedaan konsentrasi. Difusi molekuler dapat

terjadi di fluida (gas atau caiaran) dan di dalam padatan.

Difusi molekuler di dalam padatan lebih lambat

daripada di dalam fluida, hal ini karena tidak ada gerak padatan dalam padatan.

PERSAMAAN DIFUSI MOLEKULER

resistance force driving transfer a of  rate  ...(1)

Difusi molekuler untuk momentum, panas and massa

dz d

_Γ

δ

ψ

z   ...(2)

Difusi molekuler untuk Perpindahan

Momentum dengan densitas konstan

mengikuti Persamaan NEWTON

z  ρ)  (   ρ  μ  _X   zx            ...(3)

MOMENTUM TRANSFER/s.m2 _{Viskositas kenimatik. m}2 /s

momentum. m3

Jarak difusi. m

DIFUSI MOLEKULER PADA PERPINDAHAN

MOMENTUM, PANAS DAN MASSA

Difusi molekuler untuk perpindahan

 panas konveksi dengan densitas (ρ) dan kapasitas panas (Cp) konstan mengikuti Hukum Fourier z T) c ( A q_x p     _     _...(4) Fluks panas, W/m2 Difusitas termal. m2 /s J/m3

DIFUSI MOLEKULER PADA PERPINDAHAN

MOMENTUM, PANAS DAN MASSA

Difusi molekuler untuk perpindahan

massa dengan total konsentrasi

konstan mengikuti Hukum Fick”s

z   C   A *        AB  Az  D  J  ...(5)

Fluks molar komponen A

arah z, kgmol A/s.m2 _{Difusivitas molekul}

dari A ke B. m2 /s

Konsentrasi A ,kgmol/m3

Jarak difusi. m

DIFUSI MOLEKULER PADA PERPINDAHAN

MOMENTUM, PANAS DAN MASSA

Difusi turbulent untuk Perpindahan

Momentum dengan densitas konstan

mengikuti Persamaan NEWTON

z  ρ)  (   ρ  μ  _X   zx   _                       t  ...(6) MOMENTUM TRANSFER/s.m2 DIFUSI EDDY MOMENTUM. m2 /s momentum. m3 Jarak difusi. m

DIFUSI TURBULENT PADA PERPINDAHAN

MOMENTUM, PANAS DAN MASSA

Difusi turbulent untuk perpindahan

 panas konveksi dengan densitas (ρ) dan kapasitas panas (Cp) konstan mengikuti Hukum Fourier





z T) c ( A q_x p      _{  }     t  ...(7) FLUKS PANAS, W/m2 _DIFUSIVITAS TERMAL. m2 /s J/m3

DIFUSI TURBULENT PADA PERPINDAHAN

MOMENTUM, PANAS DAN MASSA

DIFUSI EDDY TERMAL. m2

Difusi turbulent untuk perpindahan

massa dengan total konsentrasi

konstan mengikuti Hukum Fick”s

  z   C   A *         M   AB  Az  D  J  _  ...(8) Fluks molar komponen A

arah z, kgmol A/s.m2

Difusivitas molekul dari A ke B. m2 /s Konsentrasi A ,kgmol/m3 Jarak difusi. m

DIFUSI TURBULENT PADA PERPINDAHAN

MOMENTUM, PANAS DAN MASSA

DIFUSI EDDY MASS, m2

HUKUM FICK’S UNTUK DIFUSI MOLEKULER

ΔZ ΔC D Z C D fluks Area.time # AB A AB AZ A          # C C ΔC # Z Z ΔZ 1 2 1 2         # # # -D_AB     ...(9)

HUKUM FICK’S UNTUK DIFUSI MOLEKULER

z x D z C D N A AB A AB AZ A           C .

Laju difusi komponen A menuju B = N_A

Laju difusi komponen B menuju A = N_B

z x D z C D N B BA B BA BZ B           C .

Pada keadaan Steady State :

Laju difusi komponen = N = N  _A + N _B

...(10)

...(11)

HUKUM FICK’S UNTUK DIFUSI MOLEKULER

I II I II kg kmol _kg kmol Awal : Akhir : H₂O H₂O C₂H₅OH C₂H₅OH AIR Ethanol 100 100 Total Total 44.08 44.08 55.92 55.92 88.16 5.55 2.45 0.96 3.41 2.17 3.10 111.84 1.21 4.31

HUKUM FICK’S UNTUK DIFUSI MOLEKULER

I II AIR Ethanol Difusi  J _A : A B  J _A ...(13) A A A N.x   J   N   _{ }





Z   C   D   -  C   C   N   N   N   A AB   A B   A A     ...(14)  J _B Difusi  J _B : ...(15) B  B  B  N.x   J  N   





Z   C   D   -  C   C   N  N  N  B  BA B  B  A B  _    ...(16)

HUKUM FICK’S UNTUK DIFUSI MOLEKULER





Z   C   D   -  C   C   N   N   N  _{A A B}   A _AB   A    





Z   C   D   -  C   C   N   N   N   B   BA B   B   A B      









Z   C   D   Z   C   D   -  C   C   N  N  C   C   N  N  N  N  B  BA A AB  B  B  A A B  A B  A           C   C   C  _{A  B   } DIMANA : SEHINGGA : Z   C   D   Z   C   D   B  BA A AB       ...(17) ...(14) ...(16) +

DIFUSI MOLEKULERSTEADY STATE DALAM FLUIDA UNTUK ALIRAN LAMINER





Z   C   D   -  C   C   N   N   N  _{A A B}  A _AB  A     _...(14)





A A B  A A AB  - N   C   C   N   N   Z   C   D       X

C 



N  N 



.C  - N  .C  Z  C  C.D  A _{A B  A A} AB     





C.D  Z   1  .C  N  -  .C  N  N  C  AB  A A B  A A _{ }  



















2  1  A2  A1  Z   Z   AB  C  C  A A A B  A _Z   C.D  1  N  N  C  -  .C  N  C  . ...(18)

DIFUSI MOLEKULER STEADY STATE DALAM FLUIDDA UNTUK ALIRAN LAMAINER









     2  1  A2  A1  Z   Z   AB  C   C   A A A B  A _Z   C.D   1  N  N  C   -  .C   N  C   .







A B 



AB  A1  A B  A A2  A B  A C.D   Z   N  N  C   -  .C   N  N  N  C   -  .C   N  N  N  _    . . ln 1    N  N   -  C  /C   /   N   /C  C  -  N  N   /   N  ln  Z   .C  D  N  N  N  N  A1  B  A A A2  B  A A AB  B  A A A     TUGAS 1A

KERJAKAN

KERJAKAN

TUGAS 1B ...(18) ...(19) ...(20)

DIFUSI MOLEKULER DALAM GAS (1)

•

Aplikasi gas ideal

•

Difusi melalui media diam

•

Difusi A danB Berlawanan arah

•

Contoh soal

•

Latihan Soal

TERDIRI DARI :

APLIKASI GAS IDEAL

Persamaan Gas Ideal : P.V = n.R.T

Hukum Roult’s : _A t   A A  _y   P    p  C   C     Dimana :

 p _A= tekanan parsil komponen A

Pt = tekanan total

y  _A= konsentrasi fraksi mol

R.T   P   V    n  t     C  ...(21)

Sehingga persamaan (20) menjadi :







_{A B} 



_{t  A1}  A A2  t  B  A A t  AB  B  A A A p  -  P  N  N   /   N  p  -  P  N  N   /   N  R.T.Z   .P  D  N  N  N  N  ] [ ] [ ln     ...(22)

Atau dalam bentuk mol fraksi persamaan (20) menjadi :







_{A B} 



_A1  A A2  B  A A t  AB  B  A A A  y  -  N  N   /   N   y  -  N  N   /   N  R.T.Z   .P   D   N  N  N  N      ln ...(23) Contoh :

Metan direngkah pada sebuah katalis dengan reaksi, CH₄ C + 2 H₂

Pada kondisi tersebut Metan (A) berdifusi ke permukaan perengkahan dan H₂(B) berdifusi balik, reaksi stoichiometri mengikuti N _B = - 2 N   _A Jawab : B  A A N   N   N     A komponen difusi laju 1 2      _A A A A A N  N  N  N  N 

DIFUSI MELALUI MEDIA DIAM

Peristiwa yang mengikuti keadaan ini adalah :

1. Penguapan komponen volatil di dalam botol terbuka, panjang lintasan difusi adalah jarak dari permukaan cairan sampaitutup botol. Komponen volatil akan

mendifusi ke udara, tetapi udara tidak mendifusi ke A 2. Komponen volatil tumpah ke lantai, kemudian

mendifusi ke udara, tetapi udara tidak mendifusi ke komponen volatil.

3. Penguapan komponen volatil dalam tangki.

Contoh :

Amoniak (A) diserap dari udara (B) kedalam air. Dalam fasa gas sehingga udara tidak larut dlam air, dan juga penguapan air di abaikan. Oleh karena itu hanya amoniak yang berdifusi. Sehingga

N _B = 0 ; N  _A = Konstan Jawab : 1   _B  A A N   N   N  

Pada kondisi ini persamaan (22) dapat dipergunakan

A1  t  A2  t  t  AB  A  p  -  P    p  -  P   R.T.Z   .P   D  N   ln B1  A1  t  B2  A2  t  -  p   p   ; P  -  p   p  P  mana  bila    A2  A1  B1  B2   p   p  p   p     ...(23)

B1  B2  B1  B2  A2  A1  t  AB  A

 p 

 p 

 p 

- 

 p 

 p 

- 

 p 

R.T.Z 

.P 

D 

N 

 ln M  B, B1  B2  B1  B2 

 _p 

 p 

(p 

 p 

- 

 p 



)

/

ln ...(24) ...(25) Kemudian Misal juga : Kemudian

)

(

_{A1  A2}  M  B, t  AB  A

 p 

- 

p 

R.T.Z.p 

.P 

D 

N 

 ...(26)

DIFUSI A DAN B BERLAWANAN ARAH

N 

 _A

= -

N 

_B

= Konstan

Contoh peristiwa yang mengikuti keadaan ini adalah: a. Reaksi A B di permukaan katalis padat

Badan utama fluida

 A dari badan uama fluida mendifusi dengan kecepatan N_A di permukaan katalis

 Di permukaan katalis terjadi reaksi A B.

 B yang terbentuk mendifusi

ke badan utama fluida

dengan kecepatan N_B. Besar N_B = N_A tetapi berlawnan arah, sehingga N_A = -N_B. B A Katalis N_A N_B

Pada kondisi ini persamaan (22) Juga dapat dipergunakan





dz  dp  R.T   D  P    p  N  N  N  AB  A t  A B  A A   

Atau, Untuk hal ini

dz  dp  R.T   D  N  AB  A A  





  2 1 2 1  A  A  p  p  z   z  A A AB  _dp  R.T.N  D  dz 



_{A1  A2} 



AB  A  p  p  R.T.z  D  N    ...(27) ...(28) ...(29)

1. Difusi Molekuler dalam GAS

Hitung laju difusi He ke N

₂

?

Contoh Soal :

D_AB = 0,687 x 10-4 _m2_/det He N₂

Z = 0,2 m

P

_A1

=

0,6

atm

P

_A2

= 0,2 atm

Penyelesaian :

Dik : P_A1 = 0,60 atm P_A2 = 0,20 atm D_AB= 0,678 x 10-4 m2_/det z = 0,2 m Dit : N_AB ? Jawab : PV = nRT  C   RT   P  V  n   V  n  RT   P  C  V  n  RT   P  C   A  A  A  A     2 2 1 1

lanjutan

_

2 _{ }

_

1 2 1 *  Z   Z   A CA CA  AB  A dZ   D d C   J  ) ( . ) ( 1 2 2 1 *  Z   Z  T   R  P   P   D  J   AB  A A  A    m  K   K  kgmol  atm m  x atm m  x  J  _A ) 0 20 , 0 .( ) 25 273 )( . . 10 06 , 82 ( ) 20 , 0 06 , 0 ( det 10 687 , 0 ( 3 3 2 4 *       2 6 * . det 10 63 , 5 m  A kgmol   x  J  _A   1 2 2 1 * ( )  Z   Z  C  C   D  J   AB  A A  A   

Difusi Molekuler gas berlawanan arah

A1   p  A1   p  A2   p  A2   p  *  A  J  *  B  J   p  atau   ,  p   ,  p _{A B}  B1   p  B2   p   p  z  P    p _B1  P    p _B2  1 2

Contoh Soal :

•

Gas Amonia (A) berdifusi kedalam gas N

₂

(B) didalam tabung sepanjang 0,10 m pada

tekanan 1,0132 x 10

5

Pa dan suhu 298 K.

Pada keadaaan 1 P

_A1

= 1,013 x 10

4

Pa dan

pada keadaan 2 = 0,507 x 10

4

Pa. Difusivitas

D

_AB

= 0,230 x 10

-4

m

2

/det.

a. Hitunglah fluks J*

_A

pada keadaan Steady

b. Ulangi untuk J*

_B

Jawab :

2  *  A det.m  A kgmol   J     4,70 m  K   kgmol.K   .Pa  m  Pa  det  m   )  Z   R.T(Z    )  P   (P   D   J  ₃  2  1  2  A2  A1  AB  *  A 0) (0.10 25) )(273 (8314 ) 0,507x10 )(1,013x10 (0,23x10 a) 4 4 4         2  *  A det.m  A kgmol   J    4,70 m  K   kgmol.K   .Pa  m  Pa  det  m   )  Z   R.T(Z    )  P   (P   D   J  Pa  P   P   P   Pa  P   P   P   3  2  1  2  B2  B1  AB  *  A A2  t  B2  A1  t  B1  0) (0.10 25) )(273 (8314 ) 9,625x10 )(9,119x10 (0,23x10 9,625x10 0,507x10 1,0132x10 9,119x10 1,013x10 1,0132x10 : adalah 2 dan 1 titik  di tekanan maka B, komponen Untuk  b) 4 4 4 4 4 5 4 4 5                  

Difusi gas A ke gas B yang tidak berdifusi

•

Perhatikan gambar dibawah ini :

2 1 Gas Cairan P_A1 P_A2 Z_f  Z = Z₂- Z₁ N_A A A A AB  A

N 

P 

 p 

dz 

dp 

R.T 

D 

N 







dz  dp  R.T   D   P    p  N  A AB  A A              1



2   



_ 1  A2  A1  Z   Z    p  P   A A AB  A  /P    p  1  dp  R.T   D   dz  N  A1  A2  1  2  AB  A  p  P    p  P   ln   )  Z   R.T(Z   .P   D   N      )] A1  A2  A2  A1  B1  B2  B1  B2  BM   p   )/(P    p  ln[(P    p   p   )   /p  ln(p   p  -   p   p        )   p  -  (p   )p  Z  R.T(Z  .P  D  N  _{A1  A2}  BM  1  2  AB  A  

Contoh Soal :

Air (A) dalam tabung pada suhu 298 K

berdifusi kedalam udara sepanjang 0,1524

m. dimana udara berada pada kondisi 1 atm,

298 K. Difusivitas D

_AB

= 0,250 x 10

-4

m

2

/det.

Asumsi sistem isotermal.

Penyelesaian : Diketahui : D_AB = 0,250 x 10-4 m2/det P = 1 atm = 1,01325 x 105 _Pa T = 298 K Z = z₂ - z₁ = 0,1524 m R = 8314 m3_.pa/kgmol.K Dit anya : N_A ? Jawab :

Rumus yang digunakan

)

(

)

(

.

2 1 1 2  A  A  BM   AB  A  P  P   P   z   z   RT   P   D  N  _  

Dari Tabel A2.2 APPENDIX A.2 (Geankoplis, 1979)

Tekanan Uap air pada 25

o

C = 23,76 mmHg

= 23,76/760 = 0,031263 atm

P

_A1

= 0,031263 (1,01325 x 10

5

) = 3,1677 x 10

3

Pa

P

_A2

= 0

atm  P   P   P  atm  P   P   P   A  B  A  B 0 , 1 0 00 , 1 968737 , 0 031263 , 0 00 , 1 2 2 1 1            Pa  x atm  Ln  P   BM  3 10 001 , 1 988 , 0 ) 968737 , 0 0 , 1 ( 968737 , 0 0 , 1     ) ( . 1 2 1 2  B  B  B  B  BM   P   P   Ln  P   P   P   

)

(

)

(

.

2 1 1 2  A  A  BM   AB  A  P  P   P   z   z   RT   P   D  N  _  

)

10

001

,

1

)(

1524

,

0

)(

293

(

8314

)

0

10

341

,

2

)(

10

01325

,

1

)(

10

250

,

0

(

3 3 5 4  x  x  x  x  N   A     s m kmol   x  N   A 2 7

/

10

595

,

1

 

SOAL LATIHAN

:

1. Campuran Gas CH₄ dan He didalam suatu pipa pada kondisi 101,32 kPa dan 298K. Tekanan methane pada kondisi awal 60,79 kPa kemudian berdifusi sepanjang 0,02 m tekanan nya menjadi 20,26 kPa. Difusitas terjadi sebesar 0,675x10-4 _m2_{/det Tekanan total dalam pipa dianggap tetap pada kondisi} atmosfeer. Hitung Fluks gas methane pada kondisi Steady untuk aliran berlawanan arah?

2. Gas CO2 berdifusi pada keadaan steady dalam pipa sepanjang 0,20 m dengan diameter 0,01 m kedalam gas N₂ pada 298K, 101,32 kPa. Tekanan Parsil gas CO₂ pada masing-masing kondisi yaitui 456 mmHg dan 76 mmHg. Difusivitas nya sebesar 1,67x10-5 _m2_{.det pada 298K. Hitung Fluks CO}

2 dalam sisitem CGS dan Sistem SI untuk aliran berlawanan arah ?

3. Gas Helium dan gas Nitrogen berada pada pipa dengan panjang 0,1 m dan

diameter 5 mm pada kondisi 298K, 1,0 atm abs. Tekanan parsil He pada masing-masing kondisi awal dan akhir didalam pipa adalah 0,060 atm dan 0,020 atm. Difusitas gas Helium ke Nitrogen adalah 0,687x10-4 _m2_{/det. Aliran berlawanan} arah. Hitunglah :

a. Fluks He dalam kgmol/det.m2 _{dan gmol/det.cm}2 b. Fluks gas N₂