HUMIDIFIKASI

BAB III

HUMIDIFIKASI

Pendahuluan

            Secara harafiah operasi humidifikasi berarti operasi kelembaban. Namun di dalam praktek, operasi humidifikasi mempunyai arti yang lebih luas yang tidak saja terbatas pada operasi kelembaban saja, tetapi juga meliputi operasi dehumidifikasi (menurunkan kelembaban), pendinginan cairan, pendinginan gas dan pengukuran kelembaban gas. Bahan yang ditransfer diantara fase-fase dalam operasi humidifikasi meliputi bahan fase cair murni yang ditransfer dengan cara penguapan atau pengembunan. Di dalam operasi humidifikasi ini, disamping terjadi transfer massa juga terjadi transfer panas, sehingga di dalam operasi ini disamping perlu mengetahui karakteristik keseimbangan sistem, juga perlu diketahui karakteristik entalpi sistem.       

            Dalam operasi humidifikasi, lebih-lebih bila diterapkan pada sistem udara-air, ada beberapa dafinisi yang lazim digunakan. Perhitungan keteknikan disini biasanya ialah satuan massa gas bebas-uap, dimana dengan “uap” dimasukkan adalah bentuk gas dari komponen yang juga terdapat sebagai zat cair, dan :”gas” adalah komponen yang hanya terdapat dalam bentuk gas saja. Dalam pembahasan ini, kita akan menggunakan satuan massa gas bebas-uap sebagai dasar perhitungan. Dalam fase gas, uap akan dinamakan komponen A dan gas tetap komponen B. Oleh karena sifat-sifat campuran gas-uap itu berubah sesuai dengan tekanan totalnya, tekanan harus ditetapkan dulu. Kecuali bila dinyatakan lain, kita andaikan tekanan total 1 atm. Demikian pula, kita andaikan bahwa gas dan uap itu mematuhi hukum gas ideal.

            Kelembaban (humidity) ialah massa uap yang dibawah oleh satu satuan massa gas bebas-uap. Menurut defini ini, kelembaban hanya bergantung pada tekanan bagian uap di dalam campuran bila tekanan total dibuat tetap. Jadi tekanan bagian uap adalah P_A atm, rasio molal antara uap dan gas pada 1 atm adalah  P_A/(1 – P_A)

3.1.       Kurva Tekana Uap

Setiap cairan akan memberikan tekanan uap keseimbangan, yang harganya

tergantung kepada temperatur. Apabila tekanan uap keseimbangan, yang sering juga disebut tekanan uap, dibuat grafik terhadap temperatur maka akan diperoleh gambar 3-1. Kurva tekanan uap setiap zat adalah khas, namun bentuk umumnya adalah seperti yang terlihat pada gambar 3-1. Kurva cairan dibatasi oleh dua buah titik, yaitu titik kritis C dan titik tripel T. Pada kurva ini, cairan dan uap berada dalam keseimbangan. Pada titik kritis perbedaan antara fase cair dan fase uap sudah tidak ada lagi, dan semua sifat-sifat cairan seperti rapat massa, kekentalan, indeks  bias dan lain-lain menjadi sama dengan sifat-sifat uap. Di dalam gambar 3-1 tersebut juga dilukiskan kurva keseimbangan yang menunjukkan hubungan keseimbangan antara zat padat dengan cairan, dan antara zat padat dan uap. Dengan adanya ketiga kurva TA, TB dan TC tersebut, maka daerah didalam diagram dibagi menjadi 3 daerah, yaitu daerah zat padat, cairan dan uap

Titik P didalam diagram, menunjukkan zat dalam keadaan cair pada tekanan 1 atmosfir dan temperatur tertentu. Kalau zat ini dipanaskan pada tekanan tetap, maka zai ini akan mendidih pada titik Q. Pemanasan selanjutnya, zat ini akan tetap berada pada titik Q, selama zat cair masih ada. Kalau semua zat cair telah berubah menjadi uap, pemanasan akan mengakibatkan titik bergerak kekanan, misalnya sampai titik R. Panas yang digunakan untuk memanaskan cairan dari P sampai Q, atau untuk memanaskan uap dari Q sampai R disebut panas sensible, sedangkan panas untuk menguapkan cairan pada Q disebut panas laten penguapan. Perlu diperhatikan bahwa pada panas sensible tidak ada perubahan fase, sedangkan pada panas laten terjadi perubahan fase. Selanjutnya temperatur dimana cairan mendidih apabila tekanan luar sama dengan 1 atmosfir disebut titik didih normal.

3.2.       Interpolasi Antar Data

Pada kurva tekanan uap, gambar 3-1, terlihat bahwa kurva tekanan uap berupa suatu garis lengkung. Suatu cara yang biasa digunakan untuk interpolasi tekanan uap diantara data tekanan uap yang tersedia yaitu berdasrkan persamaan Clapeyron.

                             …………….  (3-1)

Dimana : dP/dT  adalah kecepatan perubahan tekanan terhadap temperature yang merupakan lereng kurva tekanan uap,  l  adalah pans penguapan molar, T adalah temperature absolute, V_V dan V_L masing-masing adalah volume molar uap dan cairan.

            Kalau volume molar cairan diabaikan terhadap volum molar uap, dan kalau dianggap bahwa uap mengikuti persamaan hokum gas ideal yaitu PV  = RT, maka persamaan (3-1) dapat dituliskan :

                                               …………….  (3-2)

Apabila untuk suatu daerah temperature yang ditinjau,  l dianggap tetap, maka integrasi persamaan (3-2) memberikan :

                                        …………….  (3-3)

            Persamaan (3-3) berarti bahwa apabila  ln P  dibuat grafik terhadap 1/T, maka untuk daerah temperature yang ditinjau akan diperoleh suatu garis lurus. Apabila persamaan (3-2) diintegralkan antara batas temperature T₁ dan T₂ yang sesuai dengan tekanan P₁ dan P₂ dengan anggapan bahwa  l harganya tetap untuk daerah temperature ini, maka diperoleh :

                                      …………….  (3-4)

Atau

                                      …………….  (3-5)

Selanjutnya persamaan (3-4) dan (3-5) dapat digunakan untuk menentukan tekanan P₂ pada T₂, apabila tekanan P₁ pada T₁ diketahui.

3.3.Campuran Gas – Uap

Pada dasarnya, secara fisis tidak ada perbedaan antara gas dengan uap. Namun dalam pembicaraan operasi humidifikasi perlu dibedakan antara keduanya. Uap adalah zat dalam fase gas yang relative dekat dengan temperatur kondensasinya, sedangkan gas adalah zat dalam fase gas yang jauh dari temperature kristisnya. Didalam pembicaraan selanjutnya uap diberi simbol A dan gas diberi simbol B. Beberapa istilah yang banyak dijumpai dalam operasi humidifikasi ialah :

Ø   Kelembaban Absolut

Kelembaban absolute adalah perbandingan antara massa gas. Ada 2 macam kelembaban absolute, yaitu kelembaban absolute massa ’  dan kelembaban absolute molar  yang masing-masing didefinisikan sebagai :

                                          …………….  (3-6)

                                    …………….  (3-7)

            Untuk campuran gas, perbandingan mole adalah sama dengan perbandingan fraksi mole dan perbandingan tekanan parsial, sehingga persamaan (3-7) dapat ditulis :

                                …………….  (3-8)

            Selanjutnya hubungan antara kelembaban absolute massa dengan kelembaban absolute molar ialah :

                          …………….  (3-9)

Ø   Persentase  Kelembaban

Persentase kelembaban atau persentase kejenuhan () ialah rasio kelembaban nyata (actual) terhadap kelembaban jenuh () pada suhu gas, juga atas dasar persen, atau :

    …………….  (3-10)

Campuran gas-uap dengan berbagai persentase kelembaban relative dapat ditunjukkan dalam diagram yang menyatakan hubungan antara tekanan uap dengan temperature, seperti terlihat pada gambar 3-2 dibawah.

Semua kurva dengan persentase kejenuhan tetap akan memotong garis titik didih pada titik yang tidak terhingga jauhnya.

Ø   Kelembaban Relatif

Kelembaban relative () didefinisikan sebagai rasio antara tekanan bagian uap dan tekanan uap zat cair pada suhu gas. Besaran ini biasanya dinyatakan atas dasar persen, sehingga kelembaban 100 persen berarti gas jenuh, sedang kelembaban 0 persen berarti gas bebas uap. Sesuai definisi,

                                               …………….  (3-11)

Ø   Gas Jenuh (Saturated Gas)

Gas jenuh ialah gas dimana uap berada dalam keseimbangan dengan zat cair pada suatu gas. Tekanan bagian uap didalam gas jenuh sama dengan tekanan uap zat cair pada suhu gas. Jika () adalah kelembaban jenuh, dan P’_A tekanan uap zat cair, maka

                             …………….  (3-12)

Ø   Kalor Lembab (humid Heat)  =  C_S

Kalor lembab ialah energi kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 lb atau 1 g gas, beserta segala uap yang dikandungnya, sebesar 1 ^oF atau 1 ^oC. Jadi,

            C_S   =  C_PB  +  C_PA . H            …………….  (3-13)

Dimana C_PB  dan  C_PA masing-masing ialah kalor spesifik gas dan kalor spesifik uap pada tekanan tetap.

Ø   Volume Lembab (humid Volume)  =  V_H

Volume lembab ialah volume total satu satuan massa gas bebas uap beserta segala uap yang dikandungnya, pada tekanan 1 atm dan suhu gas. Sesuai dengan hukum gas, V_H dalam satuan fps dihubungkan dengan kelembaban dan suhu oleh persamaan,

                …………….  (3-14)

Dimana T adalah suhu absolute dalam derajat Rankine. Dalam satuan SI, persamaan itu adalah :

                        …………….  (3-15)

Dimana V_H adalah dalam meter kubik per gram dan T dalam Kelvin. Untuk gas bebas uap,  H  =  0, dan  V_H  adalah volume spesifik gas tetap. Untuk gas jenuh,  , dan  V_H   menjadi volume jenuh (saturated volume).

Ø   Titik Embun (Dew Point)

Titik embun campuran gas-uap adalah temperature dimana campuran gas-uap menjadi jenuh, apabila didinginkan pada tekanan total yang tetap tanpa berkontak dengan cairan. Misalnya suatu campuran yang tidak jenuh yang ditunjukkan oleh titik M pada gambar 3-2, apabila didinginkan pada tekanan total yang tetap, akan bergerak mengikuti garis MN. Pada N campuran menjadi jenuh. Temperatur yang sesuai dengan kondisi terakhir ini adalah titik embun campuran (t_eb). Semua campuran yang mempunyai kelembaban absolute yang sama, mempunyai titik embun yang sama pula. Kalau campuran yang jenuh  N didinginkan lebih lanjut maka cairan akan memisah dan campuran akan bergerak mengikuti kurva 100% kejenuhan, misalnya sampai titik O. Jumlah cairan yang memisah untuk satu satuan berat gas adalah selisih kelembaban campuran gas-uap awal dan akhir, yaitu : H ₁’   -  H’₂’.

Ø   Entalpi Total  (Total Enthalpy)  =  H

Entalpi total ialah entalpi satu satuan massa gas ditambah uap yang terkandung didalamnya. Untuk menghitung H, diperlukan dua keadaan rujukan, satu untuk gas, satu lagi untuk uap. Umpamakan To ialah suhu acuan yang dipilih untuk kedua komponen, dan entalpi komponen B pada B cair kita dasarkan pada suhu To ini. Umpamakan suhu gas ialah T dan kelembabannya H . Entalpi total ialah jumlah ketiga faktor, yaitu kalor sensible uap, kalor laten zat cair pada To, dan kalor sensible gas bebas uap, jadi :

        ………….  (3-16)

Di mana   ialah kalor laten zat cair pada suhu T_o.  Dari persamaan (3-13) persamaan ini menjadi :

                                                    ………….  (3-17)

Ø   Keseimbangan Fase

Dalam operasi humidifikasi dan dehumidifikasi, fase zat cair adalah komponen tunggal. Tekanan bagian keseimbangan zat terlarut di dalam fase gas, oleh karena itu merupakan fungsi tunggal dari suhu bila tekanan total sistem itu dibuat konstan. Demikian pula pada tekanan sedang, tekanan bagian keseimbangan hampir tidak tergantung pada tekanan total dan dapat dikatakan sama dengan tekanan uap zat cair. Menurut hokum Dalton, tekanan bagian keseimbangan dapat dikonversikan menjadi fraksi mol keseimbangan y_e dalam fase gas. Oleh karena zat cairnya murni, x_e selalu satu. Data keseimbangan biasanya disajikan sebagai grafik y_e Vs suhu pada suatu tekanan total tertentu, seperti terlihat untuk sistem udara-air pada 1 atm dalam gambar 3-3. Fraksi mol keseimbangan y_e dihubungkan dengan kelembaban jenuh, sehingga persamaan menjadi,

                                              ………….  (3-18)

                

Gambar  (3-3)  Keseimbangan untuk sistem udara-air pada 1 atm

Ø   Suhu Jenuh Adiabtik

Perhatikan proses pada gambar 3-4. Gas dengan kelembaban awal H  dan suhu T mengalir secara kontinu didalam alat kontak A yang diisolasi sempurna sehingga prosesnya adiabtik. Zat cair disirkulasikan oleh pompa B dari reservoir pada dasar alat kontak (kamar siram) melalui alat semprot C dan kembali ke dalam reservoir. Gas yang mengalir melalui kamar siram itu menjadi lebih dingin dan lembab. Suhu zat cair itu akan mencapai suatu keadaan steadi T_S yang disebut suhu jenuh adiabatic (adiabatic saturation temperature). Kecuali jika gas yang masuk itu jenuh, suhu jenuh adiabatic selalu lebih rendah dari suhu gas masuk. Jika kontak antara zat cair dan gas itu cukup baik sehingga zat cair dan gas keluar berada keseimbangan, gas yang keluar akan jenuh pada suhu T_S. Oleh karena zat cair yang menguap ke dalam gas itu hilang dari kamar itu, maka diperlukan tambahan zat cair pengganti. Untuk menyederhanakan analisis kita, penambahan zat cair ke dalam reservoir itu diandaikan pada suhu T_S.

Gambar  (3-4)   Penjenuhan adiabati

     

Sekarang kita dapat membuat neraca entalpi pada proses ini. Kerja pompa kita abaikan, dan neraca entalpi kita dasarkan atas suhu dasar T_S. Entalpi zat cair penambah oleh karena itu , adalah nol, dan entalpi total gas masuk sama dengan gas keluar. Oleh karena total gas keluar berada pada suhu rujukan, entalpinya hanyalah  , dimana  ialah kelembaban jenuh dan   ialah kalor laten, keduanya pada suhu T_S. Dari persamaan (3-17), entalpi total gas masuk ialah :

, dan neraca entalpi menjadi,

                                   ………….  (3-19)

Ø   Grafik Kelembaban

Diagram yang menunjukkan sifat-sifat campuran udara dan air pada 1 atm disebut grafik kelembaban (humidity chart), seperti yang disajikan pada gambar (3-5), grafik ini didasarkan atas grafik Grosvenor. Pada gambar (3-5), suhu dipetakan sebagai absis sedang ordinatnya adalah kelembaban. Setiap titik pada grafik itu menunjukkan satu campuran tertentu antara udara dan air. Garis kurva bertanda 100% menunjukkan kelembaban udara jenuh sebagai fungsi suhu udara. Dengan menggunakan tekanan uap air, koordinat titik-titik pada garis ini bisa didapatkan dari persamaan (3-12). Setiap titik yang terletak di atas dan sebelah kiri dari garis jenuh itu menunjukkan suatu campuran udara dan air. Daerah ini hanya penting untuk memeriksa pembentukan kabut (fog). Setiap titik yang terletak di sebelah bawah garis jenuh menunjukkan udara yang tidak jenuh, dan titik-titik pada sumbu suhu adalah udara kering. Garis-garis lengkung antara garis jenuh dan sumbu suhu yang ditandai dengan persen menunjukkan campuran udara-air pada persen kelembaban tertentu. Sebagaimana terlihat dari persamaan (3-10), interpolasi lurus antara garis jenuh dan sumbu suhu dapat digunakan untuk menentukkan letak garis-garis dengan kelembaban konstan.

Garis-garis miring ditarik ke bawah dan kekanan garis jenuh disebut gari-garis pendinginan adiabatic (adiabatic-cooling lines). Garis-garis ini merupakan pemetaan dari persamaan (3-19), di mana masing-masingnya menunjukkan satu nilai konstan suhu jenuh adiabtik. Untuk setiap nilai T_s tertentu, Hs dan l_S adalah tetap, dan garis H  _VS T dapat kita petakan dengan memberikan nilai-nilai pada H  dan menghitung nilai-nilai T yang bersangkutan. Pemeriksaan terhadap

Gambar  (3-5)   Grafik kelembaban udara-air pada 1 atm

 

persamaan  (3-19) menunjukkan bahwa kemiringan garis pendinginan adiabatik, jika digambarkan pada koordinat yang benar-benar siku-siku, ialah  -  C_S/l_S, dan dari persamaan (3-13), kemiringan ini bergantung pada kelembaban. Pada koordinat siku-siku, oleh karena itu, garis-garis pendinginan adiabatik tidaklah lurus dan tidak pula sejajar. Pada gambar (3-5), ordinatnya telah diubah sedemikian rupa untuk menghasilkan garis adiabatik yang lurus dan sejajar satu sama lain, sehingga memudahkan interpolasi diantara garis-garis itu. Ujung garis adiabatik gambar itu diberi tanda dengan suhu jenuh adiabatik yang bersangkutan.

            Pada gambar (3-5) tertera pula garis-garis mengenai volume spesifik udara kering dan volume jenuh. Kedua garis itu merupakan grafik volume terhadap suhu. Volume dibaca pada skala sebelah kiri. Koordinat titik-titik pada garis ini dihitung dengan menggunakan persamaan (3-14). Interpolasi antara garis, atas dasar persen kelembaban memberikan volume lembab udara tak jenuh. Demikian pula, hubungan antara kalor lembab C_S dan kelembaban juga digambarkan  sebagai satu garis pada gambar (3-5). Garis ini adalah penggambaran dari persamaan (3-13). Skala untuk C_S dicantumkan pada bagian atas diagram.

Ø   Penggunaan Grafik Kelembaban

Manfaat grafik kelembaban sebagai sumber data menganai campuran udara-air tertentu dapat ditunjukkan dengan merujuk kepada gambar (3-6), yang merupakan sebagian dari grafik pada gambar (3-5). Andaikan bahwa suatu arus tertentu udara yang belum jenuh berada pada suhu T₁ dan persen kelembaban . Udara ini ditunjukkan oleh titik A pada grafik. Titik ini merupakan titik potong

Gambar  (3-6)  penggunaan grafik kelembaban