ftx 01.dasar humidifikasi, pengukuran, dan adiabatic cl

AZAS TEKNIK KIMIA 2

HUMIDIFIKASI

Teguh AriyantoTeguh AriyantoJurusan Teknik Kimia

FT UGM

Pendahuluan

Udara merupakan salah satu utilitas yang sangat penting di industriUda a e upa a sa a satu ut tas ya g sa gat pe t g d dust

Penggunaan udara untuk apa saja?

Suhu dan kelembaban udara harus disesuaikan dengan aplikasi

Humidifikasi: Cairan akan ditransfer dari badan cairan ke udara(secara sederhana : penguapan )

D h idifik i C i k dit f d i d k b d i

Selain transfer massa dalam kedua proses diatas juga terdapat

Dehumidifikasi: Cairan akan ditransfer dari udara ke badan cairan(secara sederhana : pengembunan )

transfer panas sehingga perlu ditinjau aspek keseimbangan sistemdan energinya

HUMIDIFIKASIHUMIDIFIKASI

BERBAGAI ISTILAHBERBAGAI ISTILAH

Kelembaban dan Kejenuhan (Humidity and Saturation)Kelembaban dan Kejenuhan (Humidity and Saturation)

Percentage Saturation

Humid heatHumid heat

Humid Volume

E th l

Dew point temperature

Enthalpy

Bubble point temperature

Dry Bulb TemperatureVarious types of Various types of temperaturetemperature

Wet Bulb temperature

Kelembaban dan Kejenuhan (Humidity and Saturation)

Dalam absolute humidity, kadar dinyatakan dalam perbandinganantara mol uap/mol gas pembawa atau rasio berat. Hal ini karenamol gas pembawa dianggap tetap (key komponen ) Dalam kasus inimol gas pembawa dianggap tetap (key komponen ). Dalam kasus iniberlaku persamaan gas ideal :

Sehingga absolute humidity:

A AP Pmol AY A A

B t A

Ymol B P P P

= = =−

' A A A AMr P Mr Mrmass A mol AY Y' . .A A A A

B B B B

Y Ymass B mol B Mr P Mr Mr

= = = =

Ada juga pengertian relative saturation, yaitu : humidity yangdin t k n deng n io nt tek n n p i l p d n tek n ndinyatakan dengan rasio antar tekanan parsial uap dan tekananparsial uap saturated

%100APY = %100.AS

r PY =

Untuk campuran udara – uap air, disebut relative humidity (RH)

Percentage Saturation

Merupakan rasio antara humidity sebenarnya dengan humidity saat

100%YY

Merupakan rasio antara humidity sebenarnya dengan humidity saatkondisi saturated, sehingga dirumuskan :

100%ps

Y xY

=

( )/A AP P P−( )( )

100%/

AS AS

A A xP P P

=−

Apabila persamaan ini disubstitusikan pada persamaan di atas didapat:

Dengan:

Apabila persamaan ini disubstitusikan pada persamaan di atas didapat:

( )( )

.ASP RHP P RH⎡ ⎤⎣ ⎦( )

[ ]

.ASP

AS

AS

P P RHY P

P P

⎡ ⎤−⎣ ⎦=

−[ ]AS

Tinggi mana antara Yp dan Yr?

Contoh 1:C t d it d 14 8% t (% l)Campuran uap aseton dan nitrogen mengandung 14,8% aseton (% vol)pada kondisi T : 20 C dan P : 745 mmHg. Hitunglah Yr dan Yp?

Data : Tekanan jenuh uap aseton pada kondisi diatas 184,8 mmHg

Humid heat

P dib t hk t k i k tk h ( t )Panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu gas (persatuan massa)sehingga uap yang terkandung naik suhunya sebesar 1 oF atau 1 oC sehinggadirumuskan :

'C C Y C'.S B AC C Y C= +Dimana CB dan CA adalah specific heat dari gas dan uap

Sehingga total panas yang digunakan :

TCWQ SB ∆= ..

dimana WB adalah massa gas kering yang dipanaskan

Humid Volume

Humid volume dari campuran gas uap adalah volum gabungan dari gas danHumid volume dari campuran gas uap adalah volum gabungan dari gas danuap yang dibawanya persatuan massa udara kering pada tekanan dan suhugas. Persamaan yang digunakan :

2731 ' tY⎛ ⎞ + 2731 '8315 GH

rB rA t

tYM M P

υ⎛ ⎞ +

= +⎜ ⎟⎝ ⎠

dimana :dimana :

=Hυ

=t

Humid volume, m3/kg

Suhu dari gas C=Gt Suhu dari gas, C

Massa molekul dari gas (selain vapor)

Massa molekul dari vapor

=rBM=AM prAM

Absolute humidity, mass A/mass B'Y =Tekanan total, N/m2=tPt

Dew point temperature

Apabila udara lembab didinginkan, uap air yang terkandung dalamcampuran akan mengembun, suhu dimana uap mulai mengembundisebut dengan dew point.disebut dengan dew point.

Dew point temperature adalah suhu dimana campuran gas-uapmenjadi jenuh apabila didinginkan pada tekanan total yang tetap.

Suhu ini merupakan suhu jenuh udara lembab tersebut, sehinggadalam humidity charts akan jatuh pada RH : 100%.

Bubble point temperatureSuhu dimana cairan mulai menguap untuk pertama kalinya pada tekanantertentu

Dry Bulb Temperature

Suhu yang ditunjukan oleh termometer yang diletakkan dalam campurangas dan uap. Suhu inilah yang biasa kita baca saat kita mengukur suhulingkungan kita.

Wet Bulb temperature

Jika bola termometer diselubungi kapas basah dan dibiarkan dalamaliran udara lembab maka air akan menguap.aliran udara lembab maka air akan menguap.

Wet bulb temperature adalah suhu kesetimbangan yang dicapai olehsejumlah cairan yang menguap dalam sistem campuran gas-uap.

( ) ( )

Pada kondisi kesetimbangan tercapai maka panas penguapan hanyadiambil dari udara:

( ) ( ). . . . .G W U y WQ h A T T m k A Y Yλ λ= − − = = −

( ) ( )h T T k Y Y λ− = −( ) ( ). . .G U W y Wh T T k Y Y λ=

( ) ( ).GW U W

hY Y T Tk λ

− = −( ) ( ).yk λ

( ).GW U

h T T= − −( ). W U

yk λ

Enthalpy

Enthalpy (relative) campuran gas uap adalah jumlah relative dariEnthalpy (relative) campuran gas-uap adalah jumlah relative darienthalpy gas – uap yang dikandungnya.

Reference harus ditentukan, dipilih, to sebagai reference untuk kedua komponen (gas dan uap) dg basis komponen A berupa liquid pada to .

Total entalphy akan berupa penjumlahan: sensible heat dari uap, latent heat dari liquid A pada t dan sensible heat dari gas:latent heat dari liquid A pada to , dan sensible heat dari gas:

( ) ( )( )

0 0 0' 'A G B GH Y C t t Y C t tλ= − + + −

( )0 0'S GC t t Y λ= − +dimana :

E th l J/k d k iH =

=Gt

Enthalpy campuran, J/kg udara kering

Suhu gas, C

S h f i Ct Suhu referensi, C=0tLaten heatλ =

Adiabatic CoolingAdiabatic CoolingUdara dingin dapat diperoleh melalui adiabatic cooling :

1. Udara panas dengan RH lebih rendah dikontakkan dengan air p g g(dalam spray chamber, misal)

2. Maka sebagian air akan menguap3. Panas untuk penguapan diambil dari sistem itu sendiri4. Maka akan didapat efek pendinginan tetapi sekaligus juga

humidifikasi (kenaikan kelembaban)5. Garis penjenuhan adiabatic (adiabatic cooling line ) untuk udara

hampir berimpit dengan wet bulb temperature6. Adiabatik cooling termasuk contoh dari evaporative cooling

Adiabatic CoolingAdiabatic Cooling

Air resirkulasi(T jenuh)Menara 

pendingin

Udara pendingin (T jenuh)Udara hangat  (T jenuh)

(T udara)

Air pengisian

Contoh kasus dimana udara dikontakkan dengan cairan dalam coolingAdiabatic Cooling

Contoh kasus, dimana udara dikontakkan dengan cairan dalam coolingtower (misal). Dengan demikian akan terjadi transfer massa dantransfer panas dalam skema ini. Dapat digambarkan skema sebagaiberikut :berikut :

humidityabsY

gasmassGS'

1

'

,

,

humidityabsY

gasmassGS'

2

'

,

,

bulbdrytenthalpyH

G ,1

1,bulbdryt

enthalpyH

G ,2

2 ,

liquidmassL' ,

suhutenthalpyH

q

L

L

,

,

,

,

Neraca massa zat A dalam diagram tersebut :

'2

1'1 YGLYG SS =+

( ) 1'1

'2

21

.

..

LYYG

YGLYG

S

SS

=−

+

………………(1)

Neraca panas dari sistem tersebut :

2'

1' ... HGHLHG SLS =+

( ) 0'

0' λYttCH GS +−=

ABS CYCC +=

2

'

1

21

.

...

HHGLH

HGHLHG

L

SLS

=+

+ ABS CYCC .+

GSDengan mensubtitusikan persamaan (1) didapat :

( ) 2'

1'

21 . HHYYH L =−+ (2)

( ) ( ) ( ) ( )

( ) 2121 . HHYYH L+Dengan menggunakan penjabaran enthalpy akan diperoleh persamaan berikut :

………………(2)

( ) ( ) ( ) ( ) 0'

20220,'

1'

20'

1011 λλ YttCttCYYYttC GSLLAGS +−=−−++−

Jika campuran uap-gas keluar dalam kondisi jenuh, dengan : '' HYtJika campuran uap gas keluar dalam kondisi jenuh, dengan : ,, asasas HYtDengan menggunakan penjabaran humid heat akan diperoleh persamaan berikut :

( ) ( ) ( ) ( )'''' λ ttCYYYttCYttC =+++( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) 0

'0

'0

0,10101101

λ

λ

asasAasasB

asLAasGAGB

YttCYttC

ttCYYYttCYttC

+−+−

=−−++−+−

Dengan modifikasi dan penyederhanaan diperoleh persamaan terakhir sebagai berikut :g

( )( ) ( )( ) ( ) ( )[ ]''

111'

1 ttCttCYC asGSasGAB −=−+

( ) ( ) ( )[ ]0.00'

1' ttCttCYY asLAasAas −−+−−= λ

λasλ( ) ( )'1

'11 .YYttC asasasGS −=− λ

( ) ( )'1'

11 YY

Ctt as

S

asasG −=−

λ

Persamaan akhir pendinginan adiabatik

Mengapa Garis wet bulb untuk sistem uap air – udara sama dengan adiabatic cooling lines…??g g

( ) ( )Was

SW ttCYY −=− 1

11 λ

Persamaan adiabatic cooling (1) :

( ) ( )UWy

GUW TT

khYY −−=− ..λ

Persamaan wet bulb temperature (2) :y

Persamaan (1) diatas dapat ditulis sebagai berikut ( 3 ) :

( ) ( )uWas

SuW ttCYY −−=−

λ1

Persamaan (1) dan (3) akan bernilai sama jika :

GhC =y

S kC =

Hubungan dari ketiga besaran tersebut dapat dinyatakan dalam korelasi lewis berikut (bilangan lewis) :

567.0567.0

Pr.LeSc

Ckh

Sy

G =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

y

GS k

hC =Syy

Harga dari bilangan lewis : 0.335 < Le < 7.2

Khusus untuk sistem udara-air, harga dari Le : 1, sehingga korelasi lewis

SGG ChLeh=→== 1567.0

dapat dituliskan sebagi berikut :

SySy

Ck

LeCk

→1.

Artinya persamaan (1) dan (3) akan benilai sama dan dapat disimpulkan bahwa untuk sistem udara – air : adiabatic cooling line sama dengan wet bulb temperature

Ingat, hal ini tidak berlaku untuk sistem yang lain.

Psychrometric Chart / Humidity Chart :Merupakan suatu grafik yang cukup powerfull untuk mengestimasi besaran besaran yang terlibat dalam humidifikasi Kelemahannyabesaran-besaran yang terlibat dalam humidifikasi. Kelemahannya setiap sistem yang terlibat akan mempunyai satu grafik khusus. Sebagai contoh humidity chart untuk sistem udara – air sbb :

Berbagai Psychrometric Chart

Untuk menggunakan humidity chart tersebut, perhatikan contoh berikut :

Udara kering yang akan digunakan untuk mengeringkan bahan dalamUdara kering yang akan digunakan untuk mengeringkan bahan dalam dryer memiliki suhu 150 F dan dew point temperature 60 F. Dengan menggunakan humidity chart, tentukan data-data yang lain ?

P l iPenyelesaian :

Humidity absolute ( Y ) :

Dari suhu dew point tarik garis horizontal ke atas hingga memotong garisDari suhu dew point tarik garis horizontal ke atas hingga memotong garis RH 100 %, kemudian tarik garis horizontal ke kanan hingga memotong garis skala humidity absolute. Di dapat 0.011 lb uap air/lb udara kering

R l ti h idit ( RH / Y )Relative humidity ( RH / Yr ) :

Dari dry bulb temperature tarik garis vertikal ke atas hingga memotong garis humidity absolute. Titik potong tersebut merupakan nilai RH ( baca

Adiabatic saturated temperature ( TS/TW ) :

dalam skala RH ). Di dapat hasil 5.9 %

D i titik t k t k b RH t b t t ik i j j di b tikDari titik untuk menetukan besaran RH tersebut, tarik garis sejajar adiabatik cooling line hingga memotong adiabatic saturation temperature. Didapat hasil 85 F

Humidity absolute saturation ( YS ) :

Dari adiabatic saturation temperature tersebut tarik garis horizontal ke kanan hingga memotong skala humidity absolute. Didapat hasil 0.026 lb uap air per lb udara kering.

Humid heat ( CS ) :

Dari absolute humidity ( Y ) tarik garis kekiri hingga memotong garis humid heat dan tarik garis vertikal ke atas hingga memotong skala humid heat Didapat hasildan tarik garis vertikal ke atas hingga memotong skala humid heat. Didapat hasil 0.245 Btu/lb udara kering. oF

Humid volume ( vH ) :

Karena data yang tersedia dalam humidity chart adalah saturated volume danspecific vollume maka untuk menentukan Humid volume digunakan persamaan :

( )( )VVSVH SSRHS −+=υSpecific volume dapat ditentukan dengan menarik garis dari dry bulb temperature vertikal ke atas hingga memotong garis specific volume dan tarik garis horizontal ke kiri hingga memotong skala volume. Didapat hasil 15.35 cuft/lb

Sedangkan untuk menentukan saturated volum, sama dengan menarik garis dari dry bulb temperature hingga memotong garis saturated volume dan menarik garis horizontal ke kiri samapai memotong skala volume. Didapat hasil 20.7 cuft/lb

S hi h id lSehingga humid volume :

( )H 35.157.20059.035.15 −+=υ ( )lbcuft /67.15=

Adiabatic CoolingAdiabatic Cooling

Pyscometric Chart Corellations

Faktor koreksi ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

BmassAmass

MrMr

PP

MrMrYY

B

A

B

A

B

A ..'

Psychrometric Chart disusun berdasarkan percobaan dengan tekanan sistem 1 atm. A bil di k k hi d l i kApabila digunakan untuk menghitung data selain tekanan sistem 1 atm (760 mmHg) maka diperlukan faktor koreksi terhadap hasil pembacaan

( ) ( )'1'

1 YYtt as −=−λ

Pendinginan adiabatis :

( ) ( )11 YYC

tt asS

as

Suhu t1 dan tas sebenarnya diukur pada P ≠ 760 mmHg tetapi dipakai untuk membaca grafik dengan sistem P = 760 mmHg

( ) ( )YYYY PasmmHgas −=− '1

'760

'1

'

( )MrA

YYYY mmHgasPasmmHgP

⎞⎜⎛

−+=

11

'760,

',

'760,1

',1

MrBMrA

PPPPYY

ASASASmmHgP ⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−−

+=760

11'760,1

',1

Faktor koreksi

Ud k l d i i i T 110 F d TdUdara panas yang keluar dari pengering mempunyai Tw 110 F dan Td 150 F pada P 740 mmHg. Tentukan berapakah humidity absolute (Y’)?. Data PAS 65,8 mmHg