Submitted : 19 Oktober 2018 Revised : 29 November 2018 Accepted : 15 Desember 2018

## PENGARUH KECEPATAN ALIR UDARA DAN TEMPERATUR TERHADAP NILAI KOEFISIEN
PERPINDAHAN MASSA PADAT DAN GAS (BOLA NAFTALENA-UDARA)

## DALAM SISTEM KOLOM AKRILIK
Martin 1* , Lindawati 1
1 Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Surya Jl. M.H. Thamrin KM 2.7, Tangerang, Banten, Indonesia
* Email: martinea03@gmail.com, lindawati@surya.ac.id

## Abstrak
Fenomena  perpindahan  massa  merupakan  fundamental  penting  dan  aplikatif  dalam  proses  industri,  tanpa terkecuali  proses  industri  kimia.  Proses  sublimasi,  adsorpsi,  dan  pengeringan  merupakan  contoh  proses  yang merepresentasikan  proses  perpindahan  massa  fase  padat  dan  gas.  Penelitian  ini  dilaksanakan  dengan  tujuan untuk  mengetahui  pengaruh  perubahan  temperatur  dan  kecepatan  alir  udara  terhadap  nilai  koefisien perpindahan massa fase padat dan gas yang direpresentasikan oleh sistem bola naftalena dan udara. Selain itu, diharapkan produk hasil penelitian dapat dijadikan modul praktikum yang dapat dimanfaatkan untuk keperluan pembelajaran.  Penelitian  ini  dilakukan  dengan  metode  observasi.  Hasil  observasi  menunjukkan  bahwa peningkatan temperatur dan kecepatan alir udara akan meningkatkan nilai koefisien perpindahan massa padat dan gas (K G ). Nilai koefisien perpindahan massa padat dan gas tertinggi diperoleh pada variasi temperatur 75 o C dan kecepatan alir udara 4,98 m/s.
Kata Kunci : Perpindahan Massa, Padat, Gas, Temperatur, Kecepatan Udara

## Abstract
Mass  transfer  phenomenon  is  one  of  the  fundamental  and  applicative  knowledge  in  industrial  process,  including chemical  industrial  process.  Sublimation,  adsorption,  and  drying  are  the  examples  of  the  processes  representing mass transfer phenomenon of solid and gas. The purpose of this study was to determine the effect of temperature and air velocity in the solid and gas mass transfer coefficient. Furthermore, the output of this study can be used for learning  purposes  concerning  solid  and  gas  mass  transfer.  The  research  was  done  by  observation  method.  The observation  result  shows  that  the  increase  of  temperature  and  air  velocity  will  cause  the  increasing  of  solid-gas mass transfer coefficient (K G ). Highest value of solid-gas mass transfer coefficient obtained at 75 o C and 4,98 m/s.
Keywords : Mass Transfer, Solid, Gas, Temperature, Air Velocity

## 1. PENDAHULUAN
Perpindahan  massa  merupakan  salah  satu  kajian studi fundamental yang dipelajari di dalam ilmu teknik kimia.  Jika  didefinisikan,  perpindahan  massa merupakan  suatu  fenomena  di  mana  terjadi perpindahan  sejumlah  materi  (dapat  berupa  aliran, fase,  fraksi,  dan/atau  komponen)  dari  satu  lokasi  ke lokasi  lainnya.  Secara  spesifik,  perpindahan  massa merupakan  suatu  fenomena  yang  ditimbulkan  oleh perbedaan  konsentrasi  di  antara  kedua  titik  sehingga
terjadi  perpindahan  materi  (massa)  dari  area  dengan konsentrasi  yang  lebih  tinggi  ke  area  dengan konsentrasi  yang  lebih  rendah;  fenomena  ini  dikenal sebagai peristiwa difusi (Treybal, 1980).
Berdasarkan  fasenya,  perpindahan  massa  sendiri dapat  terjadi  dalam  berbagai  alternatif,  salah  satunya adalah  perpindahan  massa  sistem  padat  dan  gas (Treybal,  1980).  Sublimasi  kapur  barus  berbahan dasar naftalena di udara merupakan contoh fenomena perpindahan massa padat dan gas yang dapat diamati

## JURNAL INTEGRASI PROSES
Website: http://jurnal.untirta.ac.id/index.php/jip
dalam  kehidupan  sehari-hari.  Dalam  peristiwa  ini, naftalena  akan  berpindah  (berdifusi)  secara  kontinu dari  bola  kapur  barus  dengan  konsentrasi  naftalena yang  tinggi  menuju  udara  dengan  konsentrasi naftalena  yang  rendah  sehingga  pada  suatu  titik, kandungan naftalena di dalam kapur barus akan habis.
Koefisien  perpindahan  massa  merupakan  suatu parameter  yang  dapat  digunakan  sebagai  basis  untuk menggambarkan fenomena perpindahan massa secara matematis,  termasuk  fenomena  difusi  naftalena  dari kapur  barus  ke  udara.  Rodriguez,  dkk.  (1998)  dalam jurnalnya “ A Simple Experiment of Mass Transfer ” dan Utgikar  (2015)  dalam  jurnalnya  “ Facilitating  Active Learning  of  Concepts  in  Transport  Phenomena : Experiment with a Subliming Solid ” merupakan contoh penelitian  yang  telah  melakukan  kajian  terhadap variabel-variabel  yang  mampu  memengaruhi  nilai koefisien perpindahan massa (naftalena-udara).
Teknik  yang  digunakan  di  dalam  dua  penelitian tersebut  adalah  memodelkan  fenomena  perpindahan massa  naftalena-udara  di  dalam  suatu  kolom  yang telah dilengkapi serangkaian instrumen dengan tujuan untuk  memvariasikan  variabel-variabel  yang  dinilai mampu  memengaruhi  nilai  koefisien  perpindahan massa.  Adapun  fokus  dari  kedua  penelitian  tersebut adalah  mengetahui  pengaruh  massa  awal  dan diameter  sampel  bola  naftalena  terhadap  nilai koefisien  perpindahan  massa  padat-gas  tanpa mempertimbangkan  pengaruh  kecepatan  alir  udara dan temperatur; kecepatan alir udara dan temperatur dijaga  konstan.  Padahal,  kecepatan  alir  udara  dan temperatur  merupakan  contoh  variabel  yang  mampu memengaruhi  nilai  koefisien  perpindahan  massa padat-gas (Treybal, 1980).
Penelitian  ini  didesain  untuk  tidak  hanya mengetahui  pengaruh  kecepatan  alir  udara  dan temperatur  terhadap  nilai  koefisien  perpindahan massa saja melainkan juga untuk menciptakan sebuah unit operasi teknik kimia yang dapat digunakan untuk keperluan pembelajaran mengenai konsep perpindahan  massa  sistem  padat-gas,  terutama perpindahan  massa  bola  naftalena-udara.  Di  dalam penelitian ini, sebuah kolom akrilik akan dimodifikasi sedemikan rupa dengan menggunakan instrumen dan peralatan  yang  tersedia  sehingga  didapatkan  sebuah unit  operasi  yang  reliabel  untuk  keperluan pembelajaran mengenai fenomena perpindahan massa sistem  padat-gas,  terkhusus  pengaruh  kecepatan  alir udara  dan  temperatur  terhadap  nilai  koefisien perpindahan massa bola naftalena-udara. Diharapkan, penelitian ini dapat memfasilitasi proses pembelajaran mengenai fenomena perpindahan massa padat dan gas yang murah, cepat, dan aman.

## 2. BAHAN DAN METODE
Peralatan  yang  digunakan  di  dalam  penelitian  ini adalah  sistem  kolom  akrilik  yang  telah  dimodifikasi, blower , hair dryer (Phillips), thermocouple , anemometer,  jangka  sorong, stopwatch ,  dan  neraca analitik (Kern).
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah kapur barus berbahan dasar naftalena merek Swallow dengan geometri berbentuk bola dan berwarna putih.
Metode  penelitian  yang  dilakukan  adalah  metode eksperimental.  Di  dalam  penelitian  ini  dilakukan eksperimen  untuk  mengetahui  pengaruh  perubahan kecepatan alir udara dan temperatur sistem terhadap nilai koefisien perpindahan massa padat dan gas dari sistem  bola  naftalena-udara  dengan  menggunakan kolom akrilik.
Variabel  yang  divariasikan  dalam  eksperimen  ini adalah  kecepatan  alir  udara  dan  temperatur.  Untuk variasi kecepatan alir udara, digunakan kecepatan alir udara  1,84  m/s,  3,62  m/s,  dan  4,98  m/s  sedangkan untuk variasi temperatur, digunakan temperatur 45 o C, 57 o C, dan 75 o C. Data yang diperoleh dalam penelitian ini meliputi massa  dan  diameter  sampel  bola  naftalena, temperatur  kolom,  dan  kecepatan  alir  udara.  Data kemudian  diolah  dengan  menggunakan  persamaan  di bawah  ini  (Rodriguez,  Henriquez,  &  Macias-Machin, 1998):
(1)

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Modifikasi Alat
Konsep  awal  sistem  kolom  akrilik  didesain dengan  menggunakan  kompresor  sebagai  penyuplai udara  dan hair  dryer sebagai  penyuplai  panas  ke dalam  kolom.  Setelah  dilakukan  percobaan  dengan desain konsep awal, ditemukan berbagai kendala yang menyebabkan  desain  ini  tidak  reliabel  untuk diaplikasikan dalam penelitian ini. Pertama, kompresor  tidak  mampu  memberikan  suplai  udara secara  stabil  selama  180  menit  karena  pada  titik tertentu,  kompresor  akan  melakukan  proses pengambilan udara sehingga dikhawatirkan data yang diperoleh menjadi tidak akurat dan valid.
Kedua,  perbedaan  diameter  selang  sebagai lintasan  udara  dari  kompresor  menuju  kolom  akrilik (0,90 cm) terhadap diameter kolom akrilik yang relatif besar,  yaitu  4,95  cm  (pengukuran  dengan  jangka sorong) menimbulkan fenomena bottleneck . Fenomena  ini  menyebabkan  aliran  udara  dari kompresor  kehilangan  sejumlah  energi  internalnya dan  berimplikasi  kepada  penurunan  kecepatan kecepatan  alir  udara.  Akibat  yang  ditimbulkan  dari fenomena  ini  adalah  udara  yang  masuk  ke  dalam sistem  tidak  dapat  terukur  oleh  rotameter  karena kecepatan alir udara yang terlalu kecil.
Ketiga, penggunaan cone pada bagian atas kolom akrilik berimplikasi kepada akumulasi panas di dalam sistem.  Penyebabnya,  laju  alir  panas  keluar  melalui ujung cone tidak  sebanding  dengan  laju  alir  panas yang  masuk  ke  dalam  kolom  melalui hair  dryer . Akumulasi  panas  di  dalam  kolom  menyebabkan peningkatan  temperatur  sistem  secara  signifikan  dan pada  waktu  yang  bersamaan hair  dryer yang dilengkapi  dengan thermosetting akan  ternonaktifkan
secara  otomatis.  Jika  desain  ini  dipertahankan, pengaruh  perubahan  temperatur  terhadap  nilai koefisien  perpindahan  massa  bola  naftalena-udara tidak dapat dikaji.
Meninjau  desain  awal  alat  yang  tidak  reliabel untuk  digunakan  dalam  eksperimen,  dilakukan modifikasi sebagai berikut:
1. Mengganti unit kompresor dengan blower
Blower memiliki tingkat stabilitas yang lebih baik dalam menyuplai udara ke dalam sistem kolom akrilik jika dibandingkan dengan kompresor.
2. Menggunakan pipa PVC sebagai lintasan udara Pipa  PVC  dengan  diameter  yang  lebih  besar dibandingkan  dengan  selang  mampu  mencegah terjadinya fenomena bottleneck pada aliran udara
3. Menggunakan valve pada pipa
Penggunaan valve bertujuan  untuk  melakukan variasi  terhadap  kecepatan  alir  udara  yang diumpankan  ke  dalam  kolom  dengan  cara  mengatur bukaan valve sehingga  jumlah  aliran  udara  dapat ditambahkan  atau  dikurangi  sesuai  dengan  variasi yang diharapkan.
Gambar 1. Desain awal sistem kolom akrilik
Gambar 3. Desain alat dengan hair dryer
Desain  alat  tanpa hair  dryer (gambar  2) digunakan  untuk  melakukan  analisis  nilai  koefisien perpindahan  massa  padat  dan  gas  untuk  temperatur 45 o C  pada  berbagai  kecepatan  alir  udara  sedangkan desain  alat  dengan hair  dryer (gambar  3)  digunakan untuk  melakukan  analisis  nilai  koefisien  perpindahan massa padat dan gas untuk temperatur 57 o C dan 75 o C pada berbagai kecepatan alir udara.
3.2    Analisis  Pengaruh  Kecepatan  Alir  Udara  dan Temperatur  Sistem  terhadap  Nilai  Koefisien Perpindahan Massa Bola Naftalena-Udara Menurut Rodriguez, dkk. (1998), laju perpindahan  massa  padat  dan  gas  (laju  sublimasi) memiliki  hubungan  matematis  dengan  koefisien perpindahan  massa  padat  dan  gas  yang  dapat dinyatakan  melalui  persamaan  berikut  (Rodriguez, Henriquez, & Macias-Machin, 1998):
= K G ·A·(C s - C g ) (2)
Menjabarkan  konsentrasi  pada  permukaan partikel (C s ) sebagai fungsi molekul didapatkan:
= K G ·A· (3)
Pada  kasus  sublimasi  bola  naftalena,  Rodriguez, dkk.  (1998)  menyatakan  tekanan  uap  jenuh  senyawa naftalena  ditentukan  melalui  persamaan  berikut (Rodriguez, Henriquez, & Macias-Machin, 1998): log(P s ) = 13,575 -
(4)
Menyatakan  persamaan  (4)  dalam  neraca  massa diperoleh  (Rodriguez,  Henriquez,  &  Macias-Machin, 1998):
(5)
Secara matematis, perhitungan W dapat didekati dengan menggunakan persamaan matematis sederhana untuk geometri bola, yaitu sebagai berikut:
W =  πr 3 ρ s (6)
Kemudian,  luasan  area  interfasial  untuk  sampel bola naftalena dapat dinyatakan sebagai berikut:
A = 4πr 2 (7)
Menggabungkan  kedua  persamaan  sebelumnya diperoleh persamaan baru sebagai berikut:
A = (8)
Setelah  persamaan  (8)  diperoleh,  persamaan  ini dapat  disubstitusikan  ke  dalam  persamaan  (5) sehingga didapatkan:
(9)
Melakukan integrasi terhadap persamaan di atas, didapatkan persamaan (1) sebagai berikut:
(1)
Untuk  masing-masing  variasi  temperatur  dan kecepatan  alir  udara,  sampel  massa  bola  naftalena ditimbang  dengan  menggunakan  neraca  analitik selama  180  menit  dengan  interval  15  menit. Kemudian,  data  massa  sampel  bola  naftalena  yang telah  diperoleh,  dikonversikan  menjadi  data  rasio massa  sampel  terhadap  waktu.  Data  rasio  massa sampel  terhadap  waktu  diplot  ke  dalam  grafik sehingga  terbentuk  sebuah  persamaan  linear  dengan nilai slope tertentu.
Gambar 4. Grafik perubahan rasio massa sampel pada 45 o C
Gambar 5. Grafik perubahan rasio massa sampel pada 57 o C
Gambar 6. Grafik perubahan rasio massa sampel pada 75 o C
Dengan  menggunakan  persamaan  (1),  nilai slope yang  diperoleh  dari  masing-masing  persamaan  linear dapat dioperasikan secara matematis untuk mendapatkan nilai koefisien perpindahan massa padat dan gas untuk bola naftalena-udara (K G ). Nilai K G yang diperoleh dirangkum melalui tabel berikut:
Tabel 1. Data nilai K G pada berbagai variasi
v (m/s) Temperatur 45 o C 57 o C 75 o C 1,84 0,0216 0,0438 0,1714 3,62 0,0323 0,1104 0,2566 4,98 0,0427 0,1413 0,3641
Dari tabel di atas, dapat diambil simpulan bahwa untuk  temperatur  yang  sama,  nilai  koefisien perpindahan  massa  akan  semakin  meningkat  seiring dengan  meningkatnya  kecepatan  alir  udara  yang diumpankan  ke  dalam  kolom.  Jika  ditinjau  secara fisika,  peningkatan  kecepatan  alir  udara  akan mendorong  kecenderungan  fluida  untuk  mengalir secara  turbulen.  Dengan  sifat  aliran  fluida  yang turbulen,  lapisan  film  gas  yang  terbentuk  selama proses perpindahan massa berlangsung akan semakin tipis  sehingga  proses  perpindahan  massa  (difusi) antara  senyawa  naftalena  berlangsung  dengan  lebih intens.
Selain itu, untuk kecepatan alir udara yang sama, peningkatan  temperatur  memberikan  implikasi kepada  peningkatan  nilai  koefisien  perpindahan massa.  Secara  fisik,  peningkatan  temperatur  akan meningkatkan  energi  internal  molekul  (terutama energi  kinetik)  yang  menyebabkan  partikel-partikel padatan  bergerak  dengan  frekuensi  yang  lebih  tinggi. Sebagai  akibatnya,  proses  perpindahan  massa  pada temperatur  tinggi  akan  semakin  intens  jika dibandingkan dengan proses perpindahan massa pada temperatur menengah atau rendah.
Kecenderungan  yang  diperoleh  juga  dapat dianalisis dengan menggunakan pendekatan matematis  melalui  bilangan  Reynolds  dan  Sherwood. Dari bilangan Reynolds (Cengel & Ghajar, 2015):
(10)
dapat diamati bahwa parameter kecepatan udara dan bilangan  Reynolds  memiliki  hubungan  yang  saling berbanding lurus. Artinya, peningkatan kecepatan alir udara  akan  meningkatkan  nilai  bilangan  Reynolds secara signifikan.
Peningkatan bilangan Reynolds akan memberikan  dampak  terhadap  peningkatan  bilangan Sherwood,  seperti  yang  digambarkan  melalui persamaan (11) (Cengel & Ghajar, 2015): (11) Perubahan bilangan Sherwood kemudian memberikan  pengaruh  terhadap  perubahan  nilai koefisien perpindahan massa, seperti yang digambarkan melalui persamaan (12):
(12)
Melalui  persamaan  di  atas,  dapat  dinyatakan suatu kecenderungan di mana pada temperatur tetap,
peningkatan bilangan Sherwood yang disebabkan oleh peningkatan  kecepatan  alir  udara  akan  meningkatan nilai koefisien perpindahan massa.
Untuk  pengaruh  temperatur,  semakin  tinggi temperatur yang digunakan maka akan semakin besar pula nilai K G yang diperoleh. Kecenderungan ini dapat dibuktikan  dengan  memodifikasi  persamaan  (3) sebagai berikut:
=  · (13)
Dari  persamaan  di  atas,  dapat  diamati  bahwa variabel  temperatur  dan  nilai  K G memiliki  hubungan yang saling berbanding lurus.
Tidak  hanya  itu,  pengaruh  temperatur  terhadap nilai koefisien perpindahan massa padat dan gas juga dapat  dianalisis  melalui  pendekatan  tidak  langsung dengan menggunakan persamaan Wilke-Lee (Treybal, 1980):
(14)
Dari persamaan di atas, dapat dinyatakan bahwa peningkatan  temperatur  akan  meningkatkan  nilai difusivitas  (D AB )  karena  kedua  parameter  tersebut saling berbanding lurus. Secara fisik, peningkatan nilai difusivitas  akan  mengakibatkan  proses  perpindahan massa  antara  bola  naftalena  dengan  udara  berjalan dengan  frekuensi  yang  lebih  intens  yang  pada akhirnya akan meningkatkan nilai koefisien perpindahan  massa  bola  naftalena-udara  secara signifikan.
4. KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  penelitian  yang  telah dilakukan, dapat diambil simpulan sebagai berikut:
1. Nilai koefisien perpindahan massa padat dan gas (bola  naftalena-udara)  memiliki  hubungan  yang berbanding lurus terhadap perubahan temperatur  sistem  dan  kecepatan  alir  udara  di mana  peningkatan  kedua  variabel  tersebut  akan berimplikasi  kepada  peningkatan  nilai  koefisien perpindahan massa bola naftalena-udara
2. Modifikasi  unit  eksperimen  serta  metode penelitian  dapat  digunakan  sebagai  dasar  untuk penerbitan  modul  praktikum  yang  dapat digunakan  untuk  kepentingan  pembelajaran mengenai  prinsip  perpindahan  massa  padat  dan gas.
5. ACKNOWLEDGMENT/UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada Hilman  Daniswara,  S.Si.  selaku  laboran  Laboratorium Teknik  Kimia  Universitas  Surya.  Kepada  Cindy, Pauline, dan Betsy yang telah mengerjakan rancangan alat  awal  untuk  keperluan  eksperimen  ini.  Kepada Program  Studi  Teknik  Fisika  Universitas  Surya  yang telah menyumbangkan kolom akrilik dan blower untuk keperluan penelitian ini.

## 6. DAFTAR PUSTAKA
Cengel,  Y.  A.,  &  Ghajar,  A.  J.  2015.  Heat  and  Mass
Transfer:  Fundamentals  and  Applications  5 th Edition. McGraw-Hill, New York.
Goldstein,  R.  J.,  &  Cho,  H.  H.  1995.  A  Review  of  Mass Transfer  Measurements  Using  Naphthalene Sublimation.  Experimental  Thermal  and  Fluid Science 10(4): 416-434.
Merck. 2018. Naphthalene. www.sigmaaldrich.com.
Rodriguez,  J.  M.,  Henriquez,  V.,  &  Macias-Machin,  A. 1998.  A  Simple  Experiment  for  Mass  Transfer. Chemical Engineering Education: 142-145.
Treybal,  R.  E.  1980.  Mass-Transfer  Operations  3 rd Edition. McGraw-Hill, New York.
Utgikar,  V.  P.  2015.  Facilitating  Active  Learning  of Concepts  in  Transport  Phenomena:  Experiment with  a  Subliming  Solid.  Chemical  Engineering Education 49(4): 215-220.

## 7. NOMENKLATUR
A
: Luas Permukaan (m 2 )
ρ s : Densitas Naftalena (kg/m 3 )
C s
: Konsentrasi pada Permukaan (kg/m 3 ) C g : Konsentrasi pada Udara (kg/m 3 )
: Laju Sublimasi (kg/detik)
K G : Koefisien Perpindahan Massa (m/s)
P
: Tekanan Kolom (N/m 2 )
P s : Tekanan Uap Jenuh Naftalena (N/m 2 ) W 0
: Massa Sampel Awal (kg) W : Massa Sampel Setiap Saat (kg)
R : Konstanta Gas (8,314 J/mol.K) T s
: Temperatur Permukaan (K)
T : Temperatur Absolut (K) t : Waktu (menit)
D AB : Difusivitas (m 2 /s) M s : Berat Molekul Naftalena (kg/mol) M A , M B : Berat Molekul A dan B (kg/kmol)
r AB : Molecular Separation at Collision (nm)
: Energi Gaya Tarik Molekul
k : Konstanta Boltzmann’s