PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II MODUL 3 CONDENSING VAPOR LABORATORIUM RISET DAN OPERASI TEKNIK KIMIA PROGRAM STUDI TEKNIK KIMA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UPN VETERAN JAWA TIMUR SURABAYA
CONDENSING VAPOR TUJUAN Menentukan koefisien perpindahan panas (koefisien pengembunan) dari uap pada pipa pengembunan vertical dan horizontal dengan menggunakan persamaan Nusselt. TEORI Condensing vapour (pengembunan uap) terjadi akibat peristiwa perpindahan panas yang diikuti terjadinya perubahan fasa yaitu dari fasa uap menjadi fasa cair. Berdasarkan jenis embun yang terbentuk, ada dua macam pengembunan dari uap jenuh murni, yaitu : a. Pengembunan berbentuk titik-titik (Drop Wise Condensation) b. Pengembunan berbentuk lapisan (Film Wise Condensation) Besarnya koefisien pengembunan dipenaruhi oleh panas laten pengembunan, densitas fluida, perbedaan suhu uap dengan dinding dalam, viskositas fluida medan gravitasi, juga tergantung pada posisi kondensornya (vertical atau horizontal). Drop Wise Condensation Bila suatu permukaan kondensasi tercampur oleh suatu bahan yang mencegah kondensat membasahi permukaan, maka uap akan berkondensasi dalam tetesan-tetesan dan bukan sebagai lapisan yang kontinue, hal ini dikenal sebagai kondesasi tetes ( Drop Wise Condesation). Pada kondensasi (uap air) pembentukannya sering didorong oleh adanya tetesan minyak yang terdapat sebagai kotoran didalam minyak. Kondensasi jenis ini lebih mudah terdapat pada permukaan licin dari pada permukaan kesetimbangan. Film Wise Condensation Besarnya koefisien pemngembunan dipengaruhi oleh panas laten pengembunan, densitas fluida, perbedaan suhu uap dengan diding dalam, viskositas fluida, medan gravitasi, juga tergantung pada posisi kondensornya (vertikal atau horizontal). Kondensasi pada Kondensat Vertikal Laju dari perpindahan panas air pendingin yang melewati fase uap yang kemudian pada kondensat akan terbentuk lapisan film, untuk laju dari air pendingin diberikan persamaan, yaitu :
Q / A = k (t t) / y = W = h (t t) (.1) Dimana: = panas latent dari penguapan W = berat kondensat (lb m / hr ft) y = tebal dari kondensat film Sedangkan untuk kondensating vapour diberikan persamaan : W = k (t t) / y (.) Aliran liquid turun dari atas permukaan kondensat dengan kecepatan u dari o pada lapisan dalm dan mempengaruhi permukaan luar dari condensator. Aliran samping dari permukaan pendingin vertikal adalah tenaga tangensial keatas dan membantu dari tube. Untuk aliran dalam pendingin vertikal adalah tangensial penurunan laju dari zat cair. Differensial tangensial mungkin dapat dipengaruhi gaya gravitasi. = dx dy 1 = (T dt/dy. dy/) (T + dt/dy. dy/) = -dt (.3) pada unit area, dx. Dz = 1 Dari dasar definisi dari viscositas Tangensial Stress didefinisikan sebagai du / dy = V / Y (lb f ) (hr) / ft dimensi dari viscositas namun pada bab ini menggunakan dimensi (lb m ) / (hr) (ft) T = du / g dy (.4) DT / dy = d U / g dy = - P (.5) / konstan, maka : d U / g dy = - g / (.6) U = - gy / + C 1 y + C (.) Pada lapisan luar (permukaan kondensat) tidak ada tegangan tangensial dan dari T = du/dy dimana y = y (du/dy) y=y = = - gy 1 / + C 1 C 1 = gy 1 / (.8) U = g / (yy y /) Pada jarak x dari atas pada permukaan kondensing kecepatan rata-rata penurunan adalah : y' x - 1/y U dy = g / 3. y (.9)
Ketika arah x dari ats dinding vertikal adalh diambil dari salah satu unit seperti terlihat pada gambar, jumlah dari laju penurunan melewati area horizontal y dari kondensat adalah : Persamaan (.9) jika dideferensialkan dengan menggabungkan y dari x ke x + dx. d( y ) = d ( py / 3 ) = ( p y / ) dy (.1) x dx W Dan persamaan ini berpengaruh pada kondensasi luaran dari uap dan menuju lapisan kondensat. d( y ) = W 1 dx dimana W adalah aliran luar kondensat dari uap dan normal untuk penurunan kondensat per unit luasan. Dari persamaan (.) dimana W telah didefinisikan dalam suhu pada proses perpindahan panas. W = k(t -t) / y Substitusi dari W pada persamaan (.1) dan (.). k/ y (t -t)dx = ( p y / ) dy (.11) (t -t)dx = ( g y / k ) dy (.1) Untuk setiap perubahan t t,,, dan k konstan lalu diintegralkan ketika y =, x =. Y ( g y / 4k ) = (t t) x (.13) Koefisien perpindahan panas yang melewati lapisan kondensat pada arah x permukaan setiap unit pers.. (.1). hx = Qx/ A t' - t x Substitusi y dari persamaan (.14). = k / y (.14) hx = [ k 3 g / 4 (t t) ] 1/4. 1/x 1/4 (.15) Total panas aliran kondensat dari o sampai x adalah Q x. x Q x = hx (t'- t) dx (t'- t)dx/x 3 = [ k g / 4 (t'- t)] 1/4 = 4 3/4 / 3 (k 3 g / ) 1/4 [(t t)] 1/4 (.16) 1/4 dari luas
Rata-rata koefisien pada bab II persamaan diatas adalah ĥ = (Q x ) x=l = 4 3/4 / 3 (k f 3 f g / f ) 1/4 [(t t)] 1/4 / (t t)l ĥ =,943 (k f f g / f L 4 t f ) 1/4 (.1) Kondensasi pada Kondensat Horizontal Aliran massa dari uap menuju lapisan kondensator pada area r dx dan dengan tebal lapisan y dihubungkan dengan persamaan konduktivitas. W = k (t t) r dx / y Luasan dari kondensasi jika didefernsailkan r dx adalah d( y ) dan untuk persamaan (.1) d( y ) = g d(y sin ) = W dx Substitusi untuk W dengan persamaan (.11) adalah : jika k (t t) r dx / y = = g d(y sin ) / 3 k3 (t t) r dx / g = = y d(y sin ) m = k3 (t t) r / g m dx = y d(y sin ) dideferensialkan, maka : m dx = y (3y sin α dy + y cos α dx) Pada persamaan (.18) = 3y sinα + y cosα dx (.18) 3y dy = ¾ dy Masukkan persamaan (.18) dan substitusikan. dx = 3/4m. sin α dy 4 + y /m. cos α dx dengan y 4 /m = 4 = z d α= 3/4m.sin αdz+ z cos α dx (.19) 3/4 sin α dz/d + z cos α - 1 = (.) Persamaan (.) adalah persamaan differensial linier dimana persamaannya adalah : Z = 1/sin 3/4 α ( 4/3 sin 1 / 3 d Cg ) (.1) Ketika α = o, Cg = Z = 4/3. 1/sin 4/3 α Dari substitusi pada persamaan (.19) sin 1/3 d (.) Y = m 1/4 = [ 3 k (t t) r / g ] 1/4 (.3) Seperti terlihat pada persamaan (.15), hx = k / y Pertukaran panas local pada tiap saat adalah : h α=k/y =1/ [k 3 g / 3 k (t t) r] (.4)
Rata-rata koefisien perpindahan panas h dari segment antara 1 dan adalah : hα 1 =k/m 1/4 (α 1 - α ) 1 dα/ (.5) Menurut methoda grafik sebelumnya, dimana Do adalah diameter luar dari tube (pipa) koefisien perpindahan panas rata - rata dapat dicari dengan : 9 hα 18 hα 9 =,86 (k 3 g / Do t f ) 1/4 =,589 (k 3 g / Do t f ) 1/4 Dari sampai 18 adalah hanya untuk satu pipa, sedangkan untuk yang lain sama. ħ =,5 (k f 3 f g / Do t f ) PROSEDUR Peralatan Yang Dipakai a. Satu unit peralatan condensing vapour b. Termometer c. Stop watch d. Beaker glass e. Gelas ukur Bahan Yang Digunakan a. Air b. Uap air
1 5B 5A 4B 4A 6 3 8 Gambar Seperangkat Alat Condensing Vapour Keterangan Gambar : 1. Penampung Air. Penampung Uap 3. Bejana Penguap 4. A. dan 4.B. Kondensor Vertikal 5. A. dan 5.B. Kondensor Horizontal 6. Barometer. Termometer 8. Elemen Pemanas Cara melakukan percobaan 1. Mengisi tangki penampung air pendingin sampai over flow. Memanaskan tangki pembangkit uap yang berisi air kurang lebih ¾ bagian, tunggu hingga terbentuk uap yang cukup. 3. Selanjutnya mengalirkan uap dengan cara membuka kran aliran uap. Bersamaan dengan mengalirkan uap, alirkan juga air pendingin dengan cara mem buka pula kran aliran air pendingin ke pipa pengembunan, dengan laju alir yang ditentukan. 4. Mencatat suhu uap masuk dan keluar, suhu air pendingin masuk dan keluar.
5. Mencatat pula laju alir pendingin dan kondensat yang terbentuk tiap selang waktu yang ditentukan dan amati jenis (embun) yang terbentuk 6. Mengulangi percobaan diatas dengan variasi diameter pipa, letak pipa (vertikal dan horizontal) dan laju alir fluida yang berbeda ( dengan bukaan / putaran kran (valve) yang berbeda.