Modul Operasi Teknik Kimia 3

OPERASI TEKNIK KIMIA 3 (E – Modul)

MENU UTAMA MENUJU

BAB

MATERI

Kata Pengantar dari Penulis Garis-Garis Besar Pokok Pengajaran (GBPP) dan Satuan Acara Pengajaran (SAP)

Disusun Oleh Dr. Ir. Suhendrayatna, M.Eng Dr. Ir. Muhammad Zaki, M.Sc

Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Syiah Kuala Darussalam, Banda Aceh Edisi 1 (2006)

1

Pengantar Operasi Teknik Kimia

2

Operasi Stage

3

Kaidah Fasa

4

konsep proses pemisahan phase gas-cair,

5

Distilasi

6

Efisiensi plate untuk distilasi

7

Absorbsi

8

Efisiensi plate untuk Absorbsi

9

Absorpsi dengan plate dan packed tower

10

Ekstraksi Cair – cair

11

Leaching untuk zat cair-padat

12

Efisiensi plate untuk Ekstraksi dan Leaching

13

Proses pemisahan dengan membran

Modul Kuliah

OPERASI TEKNIK KIMIA 3

Disusun Oleh Dr. Ir. Suhendrayatna, M.Eng Dr. Ir. Muhammad Zaki, M.Sc

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SYIAH KUALA Jalan Tgk. Syech Abdurrauf No. 7, Darussalam, Banda Aceh

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

2

Kembali Ke Menu Utama

PENGANTAR dari PENYUSUN

Pengajar mata kuliah Operasi Teknik Kimia 3 telah berhasil menyusun materi pengajaran Tekniik Kimia yang disajikan dalam bentuk Modul Kuliah. Modul Kuliah yang disusun ini menampilkan sebagian dari materi Operasi Teknik Kimia 3 dan didesain agar mudah dimengerti oleh pembaca. Penyusunan Modul Kuliah ini diharapkan dapat memberikan hasil yang lebih baik, serta dapat melengkapi materi kuliah untuk mahasiswa Program S1 Teknik Kimia Unsyiah. Disadari bahwa penyusunan Modul Kuliah ini masih banyak terdapat kelemahannya sehingga penyempurnaan di masa depan masih sangat diperlukan dan diharapkan sehingga mendapatkan tingkat kesempurnaan yang lebih tinggi. Kepada semua pihak yang telah membantu serta mendukung penyusunan Modul Kuliah ini diucapkan banyak terima kasih.

Darussalam, April 2006 Tim Penyusun,

Dr. Ir. Suhendrayatna, M. Eng Dr. Ir. Muhammad Zaki, M. Sc

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

3

BAB 1 Kembali Ke Menu Utama

PENGANTAR OPERASI TEKNIK KIMIA

1. UNIT OPERASI DALAM TEKNIK KIMIA Teknik kimia didefinisikan sebagai “penerapan prinsip ilmu-ilmu fisika bersama dengan prinsip ekonomi dan hubungan antar manusia yang berhubungan langsung dengan proses dan alat proses dimana semua itu di olah untuk mempengaruhi perubahan keadaan, energy, atau komposisi”. Definisi ini sangat tidak jelas serta mempunyai cakupan yang sangat luas. Hal yang harus ditekankan bahwa titik berat yang dapat dipertimbangkan ditempatkan pada proses dan alat proses. Pekerjaan sarjana teknik kimia sebaiknya disebut proses engineering. Proses yang melibatkan perubahan komposisi kimia atau perubahan fisik pada bahan yang yang disiapkan, diproses, dipisahkan atau dimurnikan. Pekerjaan chemical engineer meliputi pemilihan langkah-langkah yang sesuai dalam susunan formula sebuah proses untuk menyelesaikan operasi pembuatan bahan kimia, pemisahan, atau pemurnian. Karena setiap langkah penyusun proses merupakan subyek variasi, proses engineer harus menentukan kondisi yang tepat untuk setiap langkah operasi sering dengan pengembangan proses dan peralatan harus dirancang, chemical engeneer akan bekerja sama dengan chemical dan civil engeneer. Semua pekerjaan seseorang engeneer harus quantitatif dan matematika menjadi fundamental tools bagi engeneer. Sayangnya, pemahaman kita akan matematika terbatas pada domain matematika linier, dan perilaku molekul kimia jarang bersentuhan dengan aturan matematika linier. Perhitungan neraca massa dan energi, yang merupakan dasar untuk setiap proses studi, biasanya dapat dinyatakan dengan ketelitian matematika linier, selama kita mengabaikan proses atom dan nuklir. Dalam studi ekonomi untuk menentukan kondisi proses yang paling menguntungkan dan dalam perhitungan penerimaan penjualan dan distribusi pemasukan terhadap keuntungan dan harga, termasuk penggantian pabrik perhitungan matematika biasa digunakan. Keberadaan sebuah proses mengacu bahwa semua material yang dihasilkan akan dibayar pelanggan. Sehingga harus difikirkan jiumlah, kualitas dan harga yang dapat diterima pelanggan. Bahan yang dihasilkan oleh industri kimia direncanakan dan dibuat dalam pabrik sebelum real market dikembangkan. Untuk produk baru, beberapa perkiraan pasar harus dibuat, dan pabrik sebaiknya diskala secara proposional. Aspek human-relation dari praktek engineer biasanya tidak dititik beratkan pada undergraduated training karena banyaknya teknik dan informasi teknik yang harus dipelajari. Semua engineers harus menyadari bahwa industri dimana mereka bekerja memerlukan usaha dari tiap orang. Informasi yang berharga dapat diperoleh dari operator. Orang yang telah lama bekerja dibidang operasi mungkin telah mengamati perilaku, pengaruh dan metode kontrol secara detail yang tidak dapat didekati hanya dengan penghargaan yang layak untuk semua fakta yang ada tanpa mengindahkan sumbernya. Proses baru atau perbaikan teknik dari proses yang ada tanpa memperhitungkan saran operator biasanya mengalami kegagalan. Start-up pabrik baru atau instalasi yang mengalami perubahan teknik akan jauh lebih lancar dan biaya operasinya jauh lebih murah jika personal operasi mengerti obyeknya. 2. BEBERAPA KONSEP DASAR Sebelum berusaha menggambarkan operasi yang melengkapi proses kimia, perlu mengenalkan beberapa konsep dasar yang harus dimengerti sebelum penggambaran operasi. 2.1 Kesetimbangan Untuk semua kombinasi fase sebuah kondisi zero net interchange of properties biasa disebut kesetimbangan. Sedangkan, perbedaan konsentrasi beberapa sifat pada kondisi yang ada dan kondisi setimbang disebut driving force atau beda potensial, dan dia cenderung untuk mengubah sistim menuju kondisi setimbang. Penggambaran kesetimbangan massa lebih rumit dari Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

4

pada pernyataan kesetimbangan suhu yang menggambarkan kesetimbangan energi molekul. Massa akan mengalir dari daerah dengan konsentrasi tinggi ke daerah dengan konsentrasi rendah. Untuk kesetimbangan antara cairan dan uapnya, kurva tekanan uap bisa digunakan. Kurva ini menyatakan unit tekanan konsentrasi uap yang kesetimbangan dengan cairan murni ketika keduanya pada suhu tertentu. Pada kasus campuran cairan, kesetimbangan harus ada antara fase cairan dan fase uap, untuk campuran biner, hubungannya merupakan sebuah penggambaran konsentrasi yang relatif sederhana atau tekanan parsial masing-masing kontituen pada fase uap yang kesetimbangan pada campuran multi komponen antara fase cair dan uapnya atau antara dua fase cair memenuhi kelarutan partial. Pada setiap kasus, kondisi harus disesuaikan sehingga potensial masing-masing kontituen indentik, pada semua fase setimbang dari sistim tertentu. 2.2 Driving force Ketika dua substance atau fase tidak pada kondisi kesetimbangan dikontakkan, ada cenderung untuk berubah yang akan menghasilkan kondisi setimbang. Perbedaan antara kondisi yang ada dan kondisi setimbang adalah driving force yang menyebabkan perubahan ini. Perbedaan dapat dinyatakan dalam konsentrasi bermacam-macam sifat substance. Sebagai contoh, jika air pada fase cair dengan konsentrasi energi rendah dikontakkan dengan uap yang mempunyai konsentrasi energi tinggi akan dipindahkan dari fase uap ke fase cair sampai konsentrasi energi sama antara kedua fase. Pada kasus ini jika jumlah cairan besar dalam perbandingan dengan uap, kedua fase menjadi satu dengan kondensasi uap karena energinya dipindahkan ke air dingin. Campuran akhir akan menjadi sejumlah air fase cair dengan jumlah yang meningkat pada suhu yang lebih tinggi dari pada kondisi awalnya, dan pengurangan jumlah uap. Kombinasi ini mencapai kesetimbangan sangat cepat pada suhu dimana tekanan uap air sama dengan tekanan fase uap. Ada tipe driving force yang terjadi ketika sebuah larutan aceticacid dan air dikontakkan dengan isopropyl ether. Ketiga komponen akan terpisah dalam dua fase cair, masing-masing berisi sebagian dari ketiga komponen. Konsentrasi masing-masing komponen pada tiap fase harus diketahui untuk menggambarkan kondisi setimbang jika kedua fase yang tidak pada kesetimbangan dikontakkan bersama-sama. Perpindahan analog dengan elektris dan energi thermal akan terjadi. Hasilnya merupakan perpindahan fase isopropyl ether kedalam air acid dan perpindahan air dan asam kedalam fase eyher sampai potensial tiap konstituen sama pada kedua fase. Tidak ada pernyataan yang sederhana untuk potensial kimia, sehingga jumlah perunit volume, atau konsentrasi massa pada sebuah fase biasanya dirancang. Konsentrasi massa tidak terdefinisi secara tegas, tetapi fungsi aktifitas, fugasitas dan energi bebas gibbs yang lebih akurat dan komplek memerlukan pengetahuan tentang kimia fisika yang lebih advanced. Pada contoh sebelumnya konsentrasi massa komponen berbeda pada tiap fase pada kesetimbangan. Pada semua kasus yang dibicarakan diatas, pontensial (konsentrasi) substance yang ada atau campuran bila dibandingkan dengan potensial pada kondisi setimbang menghasilkan sebuah perbedaan potensial atau driving force yang cenderung mengubah kondisi sistem yang menuju kondisi setimbang. Driving force, atau perbedaan potensial energi cenderung menghasilkan perubahan pada kecepatan yang secara langsung proposional dengan perbedaan dari potensial keseimbangan. 2.3 Pemisahan Pemisahan sebuah larutan atau campuran homogen yang baru, memerlukan preferental transfer of constituen untuk fase kedua yang dapat dipisahkan dari campuran residual. Sebagi gambaran adalah dehumidifikasi udara dengan mengembunkan atau membekukan sebagian moisture, atau menggunakan solvent cair yang tidak larut pada bahan tidak terekstrak. Dua fase padat mungkin sangat sulit untuk dipisahkan, sementara itu cairan, gas, atau padatan biasanya mudah dipisahkan. Sedangkan dua cairan yang mempunyai densitas sama dan tidak ada gaya interfasial dapat menghambat semua pemisahan yang dapat dijalankan. 2.4 Pola aliran Pada berbagai operasi untuk memindahkan energi atau material dari satu fase ke fase lain, kedua aliran perlu dikontakkan agar terjadi perubahan menuju kesetimbangan energi atau meterial atau keduanya. Perpindahan dapat dicapai dengan kedua stream mengalir pada arah yang sama Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

5

(courrent flow) dan jika ini digunakan, batasan jumlah perpindahan yang dapat terjadi ditetapkan oleh kondisi setimbang yang akan dicapai antara dua stream yang dikontakkan. Jika kedua stream yang dikontakkan dialirkan pada arah yang berlawanan (counter-courrent flow) perpindahan material atau energi dengan jumlah yang lebih besar mungkin terjadi. Sebagai gambaran, jika sebuah stream merkuri panas dan stream air dingin dibiarkan mencapai kesetimbangan thermal, suhu akhir dapat diperkirakan dengan neraca panas yang mencakup jumlah relatif stream, suhu awal, dan kapasitas panas. Jika stream mengalir simultan dari titik, pemasukan yang sama menuju titik pengeluaran yang sama, akan dicapai dengan suhu kesetimbangan tertentu. Dan modelnya ditunjukkan pada gambar 1.1a. jika stream dibuat mengalir pada arah berlawanan, dengan membiarkan merkuri mengalir kebawah melalui aliran air yang naik keatas, memungkinkan untuk memasukan aliran merkuri panas untuk meningkatkan suhu aliran air dingin. Seperti ditunjukkan gambar 1.1b. prinsip counter flow digunakan operasi teknik kimia untuk memperoleh perpindahan yang lebih besar. 2.5 Operasi kontinyu dan batch Dalam operasi proses kimia, akan lebih ekonomis untuk melakukan proses kontinu dan steady, dengan minimum gangguan dan shut down. Hal ini tidak selalu dapat dilakukan pada operasi skala kecil atau dalam kondisi yang sangat korosif yang mendorong seringnya dilakukan perbaikan. Karena produktifitas yang lebih besar untuk peralatan yang beroperasi secara kontinyu dan beda unit cost yang lebih rendah, biasanya menguntungkan mengoperasikan alat proses secara kontinyu. Hal ini berarti waktu bukan sebuah variabel dalam analisis untuk proses tersebut, kecuali selama start up dan shut down. Kecepatan waktu transfer dan reaksi penting dalam menentukan ukuran dan kapasitas alat, tetapi untuk kerja diharapkan sama sepanjang waktu pada kondisi operasi yang sama. Ketika sejumlah kecil material dilakukan pemprosesan sering kali dilakukan dengan memasukkan seluruh material kedalam alat proses, diproses ditempat dan mengeluarkan produk yang dihasilkan. Proses ini disebut proses batch. Pada operasi batch hampir semua cyele merupakan start up transiennt dan shut down transiennt. Pada operasi kontinyu, waktu selama start up transiennt berlangsung mungkin sangat pendek dibandingkan dengan operasi stedy state. Analisis transiennt suatu operasi batch biasanya lebih kompleks dari pada operasi steady state. Perbedaan analisis operasi transiennt dengan operasi steady state hanya pada penambahaan variabel waktu. Variabel-variabel ini mempersulit analisis tidak merubahnya secara fundamental. 3. UNIT OPERASI (OPERASI TEKNIK KIMIA) Proses kimia terdiri dari bermacam rangkaian langkah. Dalam perancangan sebuah proses, setiap langkah yang digunakan dapat dipelajari sendiri jika langkah-langkah tersebut dikenal. Beberapa langkah adalah reaksi kurva dan yang lain adalah perubahan-perubahan fisik. Konsep unit operasi dalam teknik kimia didasarkan pada filosofi bahwa rangkaian langkah dapat direduksi menjadi operasi atau reaksi sederhana, yang identik dalam fundamental material yang diproses. Prinsip ini yang menjadi dikenal para pendahulu selama perkembangan industri kimia, yang pertama kali dikemukakan oleh A.D.Little pada tahun 1915.

Any chemical process, on whatever scale conducted, may be resolved into a coordinated series of what may be termed “unit actions”,as pulverizing, mixing, heating, roasting, absorbing, condensing, lixiviating, precipitating, crystallzing, filtering, dissolving, electrolyzing ada so on. The number of these basic unit operations is not very large and relatively few of tjem are involved in any particular process. The complexity of chemical engineering results from the variety conditions as to temperature, pressure,ect., under which the unit actionss must be carried out in different process and from the limitations as to materials of construction and design of apparatus imposed by the physical and chemical character of reacting substancees.

Daftar lebih dari dua belas jenis operasi diatas tidak semuanya mempertimbangkan unit operasi. Operasi lain yang dikenal adalah fluida flow, perpindahan panas, destilasi, humadifikasi, absorpsi, sendimentasi klasifikasi, agitasi, dan sentrifugasi. Disamping tiu, seiring dengan perkembangan jaman dan peningkatan pemahaman akan teknologi baru muncul proses baru yang lebih terintegrasi. Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

6

Semua unit operasi didasarkan atas prinsip ilmu pengetahuan yang diubah sehingga dapat diaplikasikan dalam industri. Aliran fluida sebagai contoh, telah dipelajari dalam hidrodinamika atau mekanika fluida. Dibidang teknik sipil dikenal dengan nama hidrolika yang banyak digunakan dalam teknik sanitasi. Perpindahan panas telah menjadi subjek investigasi teoritis oleh ahli fisika dan matematika. Perpindahan panas memainkan peranan penting dalam power generation dari fuel, seperti dikembangkan oleh sarjana teknik mesin. Lewat industri, seseorang menemukan contoh unit operasi dalam pemanfaatannya pada persoalan di bidang teknik lain. Sarjana teknik kimia harus dapat mengoperasikan bermacam-macam unit operasi atas material dengan beragam kondisi fisik dan properti kimia pada kondisi tekanan dan suhu tertentu. 3.1 Integrasi unit operasi Pada pengolahan kompleks, interaksi dari setiap langkah mendorong engineer untuk mempertimbangkan keseluruhan proses, atau sistem sebagi satu kesatuan. Konsep tradisional dari menjelaskan masing-masing unit operasi sebagai suatu paket dan dijelaskan secra terpisah dan jarang dijelaskan secara overlap. Korelasi ini menjadi perlu jika dilihat pada monograph beberapa unit operasi secara lengkap tanpa memperhatikan pengaruh fakta lainnya. Secara spesifik, perpindahan panas yang merupakan sistim alir tidak dapat dinyatakan secara lengkap tanpa pertimbangan mekanika fluida. Perpindahan massa tidak dapat dipisahkan dari perpindahan panas dan menikan fluida. 3.2 Analisa unit operasi Unit operasi dapat dianalisis dan dikelompokkan mengunakan satu dari tiga metode yang mungkin digunakan. Sebuah unit operasi dapat dianalisa menggunakan simple physical model yang menghasilkan kembali aksi dari operasi yang dilakukan dengan mempertimbangkan peralatan yang digunakan untuk operasi, atau dianalisis dengan pernyataan matematika yang menggambarkan aksi dan diuji menggunakan data eksperimen. Physical model merupakan model yang dikembangkan dari studi basic physical mechanism, dan bersifat ideal sehingga perlu beberapa koreksi untuk penerapannya pada operasi nyata. Pengelompokan dapat juga diselesaikan dengan pengelompokan peralatan yang sama atau yang memeiliki kesamaan fungsi. Operasi dapt juga dikelompokkan dalam kesamaan persamaan matematika dasar operasi. Metode ini tidak begitu memuaskan karena adanya sifat nonliniaritas dan juga adanya keadaan batas dari perubahan satu phase ke phase yang lain. Physical model dari operasi fundamental merupakan pendekatan yang paling memuaskan. Persamaan dengan pendekatan ini memberikan dasar yang paling baik untuk memahami operasi. 3.3 Dua karakteristik Physical models Model yang secara luas dipakai untuk unit operasi adalah alat dengan dua stearm, atau phase, dibawa bersama-sama untuk mencapai kesetimbangan, kemudian dipisahkan. Diasumsikan bahwa stream yang keluar pada kesetimbangan, dan model ini disebut stage kesetimbangan. Pada model lain untuk perpindahan properti antara dua stream, digambarkan pembawa properti, evaluasi angka dan kecepatan migrasi, dan kecepatan transfer antara dua stream pada kontak yang kontinyu. Kecepatan perpindahan ini dikalikan dengan waktu kontak menghasilkan pernyataan jumlah perpindahan. Kebanyakan unit operasi dapat dipelajari dalam kedua basis. Banyak diantaranya dilakukan dalam peralatan kontak yang kontinyu dan kadang dalam peralatan stage. 3.4 Operasi stage. Model stage setimbang biasanya dipakai untuk operasi stage. Dua arus masuk stage dan dua arus meninggalkan stage pad kondisi kesetimbangan. Pada Gambar 1.1 digambarkan dua aliran masuk (merkuri dan air) kontak secara kontinyu. Panas ditransfer secara kontinyu dari arus panas ke arus dingin. Jika aliran panas dan dingin bercampur dengan baik dan diumpankan ke settler, aliran keluar akan mempunyai suhu yang sama dan suhu kesetimbangan dapat dihitung dengan neraca massa dan neraca panas.

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

7

3.5 Operasi kecepatan/rate operation Unit operasi yang melibatkan countinuons contact tergantung pada kecepatan transfer, sehingga disebut rate operation. Perpindahan sejumlah besar material mengikuti pernyataan matematika dasar sebagai fungsi gradien konsentrasi : ∂Γ ∂ 2Γ --- = ∂ ----∂θ ∂x2 Dengan

Γ = konsentrasi yang dipindahkan x = jarak terukur dalam arah perpindahan θ = waktu ∂ = konstanta propersional sistem Dan persamaan di atas disebut diffusion equation. Pada kasus yang paling sederhana, kecepatan perpindahan harganya konstan dengan waktu dan posisi dalam suatu sistem. Driving force dapat diasumsikan konstan dan terdistribusi pada path dengan panjang dan area yang tetap. Sifat fisis dari path dianggap konstan agar nilai faktor ∂ juga konstan. Kecepatan perpindahana dikenal dengan hukum ohm : Driving force/unit distance Rate of transport = --------------------------------------Resitance/unit of path Untuk rate operation, analisis kasus didasarkan pada driving force yang menyebabakan perubahan, waktu selama driving force bekerja, dan jumlah material saat bekerja. Persamaan difusi di atas menyatakan konisi transient dari sejumlah sifat yang dipengaruhi driving force. Dibidang teknik kimia, massa, momentum dan energi termal merupakan tiga hal yang sering terlibat dalam fenomena perpindahan. Pada semua kasus, konsentrasi menyatakan jumlah properti per unit volume fase yang diproses. Jumlah yang dipindahkna dapat dinyatakan pada unit pengukuran absolut, seperti British thermal unit atau point mols. 3.6 Operasi unsteady state Persamaan difusi hanya dapat di aplikasikan pada perpindahan satu arah dan merupakan fungsi waktu, padahal perpindahan mungkin terjadi lebih dari satu arah. Penyelesaian menyeluruh memerlukan keadaan batas dan interaksi variabel. 3.7 Perkembangan umum Pemahaman prinsip fisik sebuah operasi dan formulasi prinsip ke dalam pernyataan matematika merupakan syarat pertama untuk pengaplikasikan prinsip-prinsip unit operasi. Permasalahan yang sama dapat didiskusikan dengan design engineer penentuan spesifikasi peralatan, operating engineer dalam pemeriksaan untuk kerja peralatan, atau engineer lain dalam melalukan perbaikan kualitas maupun kuantitas, sehingga penyelesaian matematika atau grafik untuk mengetahui komposisi, jumlah suhu atau jumlah stage dapat dilakukan. Proses terbaik dapat dirancang dengan basic kimia, kinetika dan termodinamika. Perancangan alat melibatkan engineer dari berbagai disiplin ilmu tidak hanya chemical engineer saja. Obyek dalam engineering adalah akumulasi keuntungan dari operasi. Keuntungan terbesar, setelah semua cost dihitung memerlukan eksploitasi semua faktor teknik yang terlibat,hubungan antar manusia dalam tim produksi, pengetahuan yang akurat tentang jumlah produk yang dapat dijual untuk keuntungan maksimal.

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

8

Kembali Ke Menu Utama

Bab 2 OPERASI STAGE

1. PENDAHULUAN Hampir semua proses kimia memerlukan pemisahan fase padat, cairan, gas menjadi komponen-komponennya. Pemisahan semacam itu sering kali dilakukan dengan mempertemukan fase satu dengan fase yang lainnya. Dua fase yang terjadi kemudian dipisahkan dan diproses lebih lanjut. Bahan mentah, arus ‘intermediate’, hasil akhir sering kali dimurnikan dengan menggunakan proses pemisahan. Misalnya, dalam pembuatan ‘es kering’, karbon dioksida diambil dari campuran bersama udara dengan mempertemukan campuran gas itu dengan suatu cairan (seperti larutan diethanolamine) yang melarutkan karbon dioksida tetapi tidak memerlukan udara. Kemudian karbon dioksida murni diperoleh kembali hanya dengan memanaskan larutan amin. Istilah proses pemisahan meliputi unit operasi yang menyebabkan pemisahan komponenkomponen dengan perpindahan massa diantara fase-fase. Pemisahan seluruh fase, seperti dalam penyaringan, dpat juga diikutsertakan. Namun disini hanya akan dibicarakan operasi-operasi yang menyebabkan terjadinya pemindahan komponen diantara fase-fase. Dalam proses pemilihan unit operasi yang harus digunakan tergantung pada sifat-sifat fisis campuran yang akan dipisahkan. Alat yang dipakai untuk operasi perpindahan massa tergantung pada fase-fase yang harus diproses. Kadang kala, fase-fase itu berulang kali dipertemukan dan kemudian dipisahkan ketika lewat melalui alat itu. Stage seimbang adalah model fisis yang digunakan untuk menganalisa operasi perpindahan massa, dalm stage ini secara bergantian fase dipertemukan dan dipisahkan beberapa kali. Maka, istilah operasi stage menyatakan bahwa proses pemisahan yang dapat dilukiskan dengan model stage seimbang. Dalam alat jenis lain, dua fase secara terus menerus dipertemukan sedemikian hingga sejauh mana perpindahan massa terjadi sangat tergantung pada kecepatan perpindahan dan pad waktu kontak. Dalam hal ini, model fisis harus mencakup factor-faktor kecepatan perpindahan massa dan waktu untuk kontak operasi perpindahan massa dianalisa dengan menggunakan model continous contact. Perhitungan dasar diperlukan untuk merancang alt bagi berbagai operasi stage didasarkan pada konsep yang sama. Disini akan ditinjau konsep umum yang dipakai dalam perancangan proses pemisahan stage ganda. Jika macam-macam operasi stage berbeda, masing-masing dibicarakan tersendiri, tetapi bila mungkin operasi ditinjau sebagai satu kesatuan. 2. OPERASI PERPINDAHAN MASSA Bila dua fase yang mempunyai komposisi berbeda dikontakkan, dapat terjadi perpindahan komposisis dari satu fase ke fase yang lainnay, dan juga sebaliknya. Ini merupakan dsra fisis operasi perpindahan massa. Jika dua fase dibiarkan berkontak cukup lama, akan dicapai setimbang, dan tak akan terjadi perpindahan netto komponen-komponen diantara fase-fase itu. Kejadian yang paling banyak dijumpai yaitu perpindahan massa dengan dua fase hanya sebagian saja melarut sempurna (bercampur sempurna), sehingga pad kesetimbangan masih ada dua fase dapat dipisahkan satu dari yang lain. Biasanya dua fase ini mempunyai komposisi yang berbeda dari satu dengan lainnya dan juga berbeda dari komposisi-komposisi dua fase yang semula dikontakkan. Jadi jumlah relative komponen-komponen yang terpindahkan diantara fase-fase itu berbeda, sehingga dicapai pemisahan. Pada kondisi tertentu perulangan kontak dan pemisahan fase dapat memberikan pemisahan komponen yang hampir sempurna. Komposisi-komposisi yang tak sama pada fase kesetimbangan merupakan dasar fisis untuk proses pemisahan dengan menggunkn alat stage ganda seperti terlihat pada Gambar 2.1. 2.1 Proses pemisahan Bila dihadapkan kepda maslah pemisahan komponen-komponen dari suatu campuran homogen, kita menggunkan perbedaan sebab zat penyusun campuran untuk mempengaruhi pemisahan. Berbagai sifat kimia dan fisis dari zat penyususn campuran diselidiki untuk mengetahui komponen-komponen itu, sebab semakin besar beda sifat-sifatnya lazimnya makin mudah dan makin ekonomis pemisahannya. Sudah tentu kita harus memikirkan factor-faktor lainnya untuk Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

9

sampai pada pemilihn proses pemishan, persyaratan tenaga, biaya dan ad tidaknya proses kimia, semuanya memberikan andil dalam menentukan proses pemisahan yang secara ekonomis paling menarik. Unit operasi bersangkut paut dengan proses pemisahan yang tergantung pda perbedaan sifat-sifat fisis, bukan pada sifat kimia. Prosaes-proses semacam itu tergantung baik pada perbedaan komposisi dari fase-fase pad kesetimbangan ataupun pad perbedan kecepatan perpindahan massa dari zat penyusun suatu campuran. Disini akan dibicarakan proses-proses pemisahan yang menggunakan ke dua dasar fisis tersebut, terutama dititik beratkan pada pemisahan yang didasarkan pada perbedaan komposisi dari fase-fase yang setimbang. 2.1.1 Distilasi Proses pemisahan yang paling banyak digunakan dalam industri kimia adalah distilasi. Unit operasi ini disebut juga sebagi distilasi fraksional. Pemisahan zat didasrkan pada perbedaan volatilitas. Dalam distilasi, fase uap berkontak dengan fase cair, dan massa dipindahkan baik dalam cairan ke uap maupun dari uap ke cairan. Umumnya cairan dan uap mengandung komponen yang sama tetapi berbeda jumlah relatifnya. Cairan pada titik didihnya dan uap setimbang dengannya pada titik embunnya. Massa secara serta merta dipindahkan dari cairan dengan penguapan dan dari uap dengan pengembunan. Pengaruh neto adalah bertambahnya konsentrasi dari komponen yang lebih volatile dalam uap dan bertambahnya komponen kurang volatile dalam cairan. Peguapan dan pengembunan melibatkan panas laten penguapan dari komponen-komponen, maka dari itu pengaruh panas harus ditinjau dalam perhitungan distilasi. Dalam larutan ideal (seperti campuran benzene dan toluene), volatilitas dapat dihubungkan langsung dengan tekanan uap komponen murni dari masing-masing komponen. Dalam larutan bukan ideal (seperti larutan etanol dan air), tak ada hubungan yang sederhana. Distilasi banyak digunakan untuk memisahkan campuran cairan menjadi komponen-komponen yang sedikit banyak murni. Karena distilasi melibatkan penguapan dan pengembunan campuran, maka diperlukan banyak tenaga. Keuntungan besar daru distilasi yaitu tidak memerlukan komponen tambahan untuk mempengaruhi pemisahan. Akan terlihat nanti bahwa banyak proses pemisahan komponen lainnya, yang kemudian harus dihilangkan dalam langkah pemisahan berikutnya. Suhu dan volume bahan yang didihkan tergantung pada tekanan. Mungkin digunakan tekanan tinggi untuk memperkecil volume dan atau menaikkan suhu untuk mempermudah pengembunan, mungkin diperlukan tekanan rendah untuk menurunkan titik didih dibawah titik dekomposisi thermal. Pengunaan distilasi sangat bermacam-macam. Oksigen murni, yang digunakan dalam pembuatan baja, dan juga bidang kedokteran, dibuat dengan mendistilasi udara yang telah dicairkan. Minyak bumi mentah mula-mula dipisahkn menjadi fraksi-fraksi (seperti gas ringan, nafta, bensin, kerosin, minyak bakar, minyak pelumas dan aspal). Dalam kolom distilasi dengan ukuran besar. Fraksi-fraksi ini kemudian diproses lebih lanjut menjadi hasil akhir, dan distilasi digunakan dalam tahapan intermediet pengolahan hasil akhir. Distilasi lebih sering dilakukan dalam multistage equipment; continous-contact equipment juga digunakan. 2.1.2 Absorpsi dan Desorpsi Gas Absorbsi gas melibatkan perpindahan komponen gas yang dapat larut ke dalam absorben cair yang tidak volatile. Desorpsi adalah kebalikannya, pemindahan sebuah komponen didalam cairan yang dikontakkan dalam gas. Pada kasus absorbsi gas yang paling sederhana, tidak satu pun dari absorben cair menguap, dan gas terdiri dari satu komponen yang dapat larut. Sebagai contoh ammonia diserap dari campuran udara-ammonia dengan cara mengkontakkan gas dengan air pada temperatur kamar. Ammonia dapat larut dalam air, tetapi udara hampir tidak larut. Air tidak menguap cukup banyak pada suhu kamar. Sebagai hasil, perpindahan massa hanya pada ammonia dari fase gas ke fase cair. Konsentrasi ammonia di fase cair meningkat sampai kadar ammonia terlarut di fase cair setimbang dengan konsentrasi ammonia di fase gas biasanya tidak terdiri dari komponen yang sama. Pengaruh panas dalam absorpsi timbul karena panas larutan dari gas yang terabsorpsi. Berlainan dengan panas penguapan dan pengembunan yang terlibat dalam distilasi.

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

10

Absorpsi melibatkan penmbahan komponen pada system (yaitu,absorpsi cair). Kebanyakan, solute harus diambil dari absorben. Pengambilan ini mungkin memerlukan kolom distilasi, desorber atau proses pemisahan lainnya. Desorpsi atau stripping adalah kebalikan dari absorpsi. Dalam desorpsi ini gas yang dapat larut dipindahkan dari cairan ke fase gas, sebab konsentrasi dalan cairan lebih besar dari pada yang ada dalam keadaan yang setimbang dengan gas. Misalnya ammonia dapat di “strip” dari larutan dalam air dengan menggelembungan udara segar melewati larutan itu. Udara yang masuk tidak mengandung ammonia sedang dalam cairan ada ammonianya, jadi perpindahan berlangsung dari cairan ke gas. Absorpsi dan stripping banyak digunakan dalam industri kimia. Asam hidro chloride dibuat dengan absorpsi gas hidro choride dalam air, fermentasi aerobic Lumpur dalam saluran buangan memerlukan absorpsi udara. Karbonasi minuman segar dengan absorpsi karbon dioksida, desporsi terjadi jika botol dibuka dan tekanan berkurang. Baik absorpsi maupun “stripping” dilakukan dalm alat continous-contact. 2.1.3 Ekstraksi Cair-Cair Kadang campuran cairan dapat dipisahkan dengan mengontakkna dengan cairan pelarut ke dua. Komponen-komponen dari campuran dapat larut bermacam-macam dalam cairn pelarut. Idealnya komponen yang harus diekstraksi dapat larut dalam pelarut dan komponen-komponen lainnya tidak dapat larut. Jadi solute merupakan satu-satunya komponen yang dapat dipindahkan dari campuran semula ke fase pelarut. Campuran pelarut menjadi ekstrak karena telah mengambil solute. Dalam praktek, semua komponen kiranya dapat larut, dan pemisahan hanya mungkin bila kelarutannya cukup berbeda. Banyak dijumpai, komponen yang tidak terekstraksi harus tidak larut supaya menghasilkan dua fase yang dapat dipisahkan. Ekstraksi cair-cair juga disebut ekstraksi (memakai) pelarut. Dasar-dasarnya sebagai berikut dengan mengambil contoh sistem tiga komponen : satu solute, satu pelarut, dan pelarut kedua. Contoh disini disederhanakan sekali dan akan dijelaskan lanjut nanti. Pemisahan satu komponen dari larutan homogen dilakukan dengan menambahkan zat lain yang tak dapat larut, pelarut, dan dalam pelarut ini zat yang diinginkan dari larutan, solute, akan cenderung larut, dan akan mendifusi kedalam pelarut itu dengan kecepatan tertentu sampai dalam masing-masing fase solute mencapai kesetimbangan. Misalnya, asam asetat dapat dipisahkan dari larutan air dengan mengkontakkan dengan pelarut isopropyl ether. Walaupun air sedikit larut dalam ether tetapi merupakan komponen rafinat tak terekstraksi yang utama. Ekstraksi memakai pelarut dipakai untuk menghilangkan komponen-komponen yang tidak diinginkan dari minyak pelumas dan fraksi-fraksi minyak mentah lainnya, untuk memisahkan niobium dari tantalum, untuk membuat asam posphat pekat dan untuk keperluan-keperluan yang banyak sekali. Dipakai baik alat stage ganda maupun alat kontak kontinyu. Kebanyakan masih perlu memisahkan ekstrak yang diperoleh menjadi komponen-komponennya. 2.1.4 Ekstraksi Cair-Padat Komponen-komponen dari suatu fase padat dapat dipisahkan dengan secara selektif melarutkan bagian dari zat padat itu yang dapat larut memakai pelarut yang cocok. Operasi ini juga disebut leaching atau washing. Zat padat itu harus dihancurkan sampai halus sehingga pelarut cair dapat kontak dengan semuanya. Biasanya komponen yang diinginkan dapat larut, dan sissanya dari zat padat tidak dapat larut. Kemudian solute harus diambil kembali dari larutan ekstrak dalam tahap pemisahan selanjutnya. Contoh sehari-hari dari ekstraksi cair-padat adalah membuat minuman kopi. Disini zat dalam tepung kopi yang dapat larut dipisahkan dari sisanya dengan melarutkanya dalam air panas. Jika dibiarkan cukup lama, larutan kopi akan mencapai kesetimbangan dengan sisa zat padat. Larutan yang terjadi dipisahkan dari sisa tepung kopi. Ekstraksi cair-padat juga digunakan dalam industri dalam pembuatan kopi”instant” yaitu mengambil kembali kopi yang larut. Pemakaian dalam industri lainnya yaitu ekstraksi minyak dari kacang dengan menggunakan hexan sebagai pelarut dan pengambilan kembali uranium dari bijih mutu rendah dengan ekstraksi memakai asam sulfat atau larutan karbonat natrium. Karena salah

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

11

satu fase adalah padat yang tak dapt mengalir seperti fluid, maka diperlukan alat khusus untuk ekstraksi cair-padat. 2.1.5 Adsorbsi Adsorpsi adalah proses perpindahan zat dari suatu fluid kepermukaan suatu fase padat. Supaya pemisahan sempurna, zat yang teradsorpsi harus diambil dari zat padat, fase fluid dapat gas maupun cairan. Jika beberapa zat teradsorpsi, sering kali dapat juga memisahkan menjadi komponen-komponen yang relatif murni. Banyak adsorben berupa adsorben padat. Istilah adsorben biasanya digunakan bagi zat padat yang menyerap solute dipermukaannya dengan physical force, misalnya adsorpsi uap organik dengan arang. Fraksi-fraksi lebih ringan dari gas akan dipisahkan dengan menggunakan bed adsorben yang bergerak. Kebanyakan proses industri lainnya mengunakan “fixed bed” dan proses “batch” atau siklis bukannya alat stage ganda sebab sulit mengerakkan zat padat. Ayakan molekul adalaah adsorben khusus yang dapat digunakaan untuk memisahkan campuran karena perbedaan ukuran molekul, polaritas atau kejenuhan ikatan karbon. Misalnya molekul air relatif kecil sangat polar, jadi cenderung lebih teradsorpsi oleh adsorben ayakan molekul. Jadi adsorben-adsorben ini berguna dalam mengeringkan gas dan cairan. Ayakan molekul digunakan untuk memisahkan prafui nermal dari arus hidrokarbon dalam kilang minyak untuk membuat “detergen biodegradable”. Yang sangat erat kaitannya dengan adsorpsi adalah proses pemisahan yang menahan solute dalam zat padat dengan berbagai cara. Salah satu proses itu adalah ion exchange. Dalam proses ini solute ditahan karena reaksi kimia dengan dammar padat ion exchange. Dalam proses ini, ion-ion dalam larutan dapat diambil dengan proses ini. Banyak digunakan untuk membuat air yang sangat murni. Pemakaian lainnya adalah mengambil kembali antibiotika dari kaldu fermentasi dan pemisahan unsur-unsur tahan yang jarang ada. Clathration adalah gejala fisis yang telah dipakai untuk memisahkan campuran berdasarkan bangun molekul. Senyawa clathration adalah gejala fisis yang telah dipakai untuk memisahkan campuran berdasarkan bangun molekul. Senyawa clathrate padat menarik dan menahan molekulmolekul yang bangunya tertentu. Misalnya proses industri yang memisahkan paraxylen dari metaxylene dengan menjebak para xylene dalam senyawa clathrate. Kedua senyawa ini mempunyaim sifat fisis dan kimia yang hampir sama sehingga tidak dapat dipakai proses pemisahan secara konvensional. Senyawa clathrate dapat dianggap sebagai adsorben jenis khusus. Damar ion-change , ayakan molekul dan senyawa clathrate merupakan senyawa relatif mahal dibandingkan dengan adsorben konvensional seperti arang dan gas silika. Maka adsorben khusus digunakan dalam pemisahan dan tak dapat di lakukan dengan cara-cara konvensional. Proses pemisahan khusus ini dilakukan dengan proses “batch” dalam fixed-bed adsorber, bukannya dalam alat stage dan aliran kontinu. Operasi perpindahan massa yang melibatkan perpindahan ke fase padat kadang kala disebut sorption prosess , termasuk juga semua jenis gaya-gaya tarik zat padat. Campuran beberapa solute yang dapat diadsorpsi dapat dipisahkan dengan menggunakan fixed bed dari adsorben,mula-mula sedikit campuran diumpankan ke bed, dalam bed ini diadsopsi sempurna dekat saluran masuk. Kemudian saluran kontinu dari pelarut dilakukan lewat bed. Sebagian campuran solute didesorpsi dan keluar bersama pelarut. Kecepatan dari masing-masing solute yang melewati bed tergantung pada adsorpsi ketimbangan pada zat padat.jika suatu komponen terlalu berat tertarik oleh adsorbent akan pelan-pelan melewati bed, sedangkan komponen yang tk erat melekat bergerak cepat melewati dan meninggalkan bed. Jadi komponenkomponen mengalir meninggalkan bed pada waktu yang berbeda-beda dan dengan demikian dapat terpisah. Proses pemisahan ini disebut Chromatografi. Pemisahan secara chromatografi banyak digunakan untuk analisis kimia dengan sampel kecil. Penggunaan besar-besaran dalam industri terbatas. Pemisahan unsure tanh yang jarang secra ion exchange tersebut diatas merupakan contoh pemisahan secara chromatografi. 2.1.6 Pemisahan dengan membrane Beberapa proses pemisahan melibatkan perpindahan massa melalui membran plastis tipis walaupun operasi ini penggunakannya relative terbatas, tapi menunjukkan harapan untuk masalah Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

12

pemisahan yang khusus. Teori tentang pemisahan dengan membrane tidak ditinjau sepenuhnya tapi sebagai gambaran, pemisahan ini dianggap ada hubungannya dengan ukuran molekul. Molekul-molekul yang kecil mudah lewat melalui pori-pori yang kecil dari membrane. Jadi, jika digunakan gaya dorong untuk mendorong molekul-mplekul melewati membrane molekul-molekul secara selektip akan terpisah. Ada juga molekul-molekul yang besar melewati membrane, jadi pemisahan tidak sempurna. Dialysis adalah proses pemisahan dengan massa dipindahkan melintasi membrane karena gaya dorong gradien konsentrasi. Dalam industri hidroksida natrium dipisahkan dari larutan air memakai selusosehemi dalam pembuatan rayau viskus. Larutan mengalir melewati salah sisi membrane dan air murni mengalir pada sisi lainnya dari membrane. Hidroksida natrium didorong melewati membrane karena perpindahan konsentrasi diantara larutan dan air murni, tetapi semiselulosa dalam suspensi koloid dalam larutan dan terlalu besar untuk lewat melalui pori-pori membrane. Dialysis juga dipakai untuk mengambil kembali asam sulfat dari pemurnian tembaga yaitu dari cairan buangan dan dalam pemurnian darah dalam ginjal tiruan. Elektrodialysis memakai beda potensial listrik sebagai gaya dorong untuk ion-ion dalam larutan ion positif lewat melalui membran tertentu ketika ditarik keterminal negatif, dan ion-ion negatif bergerak kearah yang berlawanan melalui membrane keterminal positif. Dengan cara ini, baik ion positif maupun negatif dapat diambil. Elektrodialysis dipakai untuk mengambil kembali asam buangan dan menghilangkan garam dalam air sumur yang masin. Dapat juga digunakan dalam pemurnian air laut jika biaya membrane dan tenaga dapat diperkecil. Dialysis dan elektrodialisis keduanya melibatkan perpindahan massa melintasi suatu membrane dari satu fase ke fase kedua. Kedua fase sama sekali tak saling melarut, jadi membrane juga berpindah mencegah kedua fase bercampur. Proses pemisahan membrane yang akhir-akhir ini dikembangkan menggunakan beda tekanan untuk memaksa molekul-molekul pelarut melalui melewati membrane, sedangkan molekul molekul solute tertinggal. Proses ini tidak melibatkan perpindahan massa antara fase-fase. Lebih mirip dengan penyaringan yaitu zarah-zarah padat yang tersuspensi dipisahkan dari caiaran dengan memaksa campuran lewat melalui medium saringan porus sehingga cairan lewat melalui saringan dan zat padatnya tertahan. Pemakaian membrane dapat juga berpindah sebagai penyaring larutan homogen yang tak dapat dipisahkan dengan saringan biasa. Berdasarkan hal ini prose itu disebut ultra filtrasi. Tekanan yang harus lebih besar dari tekanan osmose kadng kala proses itu disebut proses reverse osmosis. Disamping molekul-molekul yang besar, gara ion-ion ionik dengan berat molekul kecil dapat dipisahkan jika dipakai membrane ionik yang cocok. Muatan membrane bertindak mencegah lewatnya ion-ion bermuatan, sehingga hanya pelarut yang dapat lewat. Kebalikan osmose digunakan untuk mengambil air murni dari air laut secara besar-besaran. Difusi gas adalaah proses pemisahan yang mirip dengan ultra filtrasi, walaupun mekanisme fisis berbeda. Dalam difusi gas dan campuran gas dipaksa melalui sekat logam yang porous. Komponen gas dengan berat molekul kecil mengalir lebih cepat sehingga gas diseberang sekat lebih kaya akan komponen itu. Hanya fraksi gas yang mengalir pada sekat yang lewat misalnya yang tak mengandung lagi komponen yang ringan, diambil untuk proses selanjutnya. Biaya tenaga untuk kompresi gas sangat tinggi, sehingga difusi gas hanya salah satu pilihan dalam industri : pemisahan uranium-235 dari uranium-238. berjuta-juta dolar untuk difusi gas dalam pemisahan ini untuk menghasilkan U-235 yang sudah diperkaya bagi bahan baker reactor nuklir. 2.1.7 Proses pemisahan lainnya Beberapa operasi penting yang melibatkan pemisahan komponen-komponen dari campuran, tetapi operasinya tidak seperti proses pemisahan biasa, dapat dikelompokkan menjadi : Penguapan/evaporation, kristalissasi/crystallization dan pengeringan/drying melibatkan perpindahan massa dan panas secara simultan. Dalam penguapan larutan cair dipekatkan dengan penguapan sebatgai pelarutnya. Keperluan panas banyak sebab panas laten dari penguapan pelarut harus disediakan. Penguapan banyak dipakai di industri jika harus memekatkan larutan. Misalnya distilasi air laut adalah proses penguapan untuk memperoleh air yang dapat diminum. Jika suatu larutan diuapkan sampai jenuh dengan solute, penguapan atau pendinginan selanjutnya menghasilkan endapan kristal padat. Ini merupakan dasar fisis untuk kristalisasi, yaitu Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

13

unit operasi yang dipakai untuk memisahkan solut dari larutan. Kristalisasi dalam industri digunakan untuk membuat garam-garam anorganik. Kristalisssasi dapat juga digunakan untuk memisahkan campuran garam dengan kristalisasifraksional. Pengeringan/drying. Memisahkan cairan dari zat padat dengan menguapkan cairan itu. Dehumidifikasi/dehumidification memisahkan komponen uap dari fase gas dengan mendinginkan gas sampai uap mengembun. Campuran fase ganda dapat dipisahkan menjadi dua atau lebih fraksi dengan berbagai operasi. Dalam hal ini, campuran fase harus heterogen ; yaitu fase-fase harus secara fisis berbeda satu sama lain, sekatpun sangat halus dan bercampur akarap. Campuran zarah-zarah zat padat dipisahkan menjadi macam kelompok ukuran dengan sceening, elutriation jigging atau classification. Zarah-zarah zat padat dapat dipisahkan dari cairan dengan filtrasi, centrifugasi atau sedimentasi. Fase-fase cairan yang tak dapat saling melarut juga dapat dipisahkan dengan sentrifugasi, seperti dalam pemisahan cream zat padat dapat disahkan dari gas atau cairan dan cairan-cairan daapat dipisahkan daari gas dengan alat pemisah siklon. Operasi pemisahan ini tidak melibatkan perpindahan massa seperti istilah yang didefinisikan diatas, maka dari itu, operasi itu bukan perpindahan massa. Komponen-kompnennya secara fisis sudah berbeda, sehingga diperlukan cara mekanis bukan perpindaahan massa untuk memisahkannya. Operasi pemisahan mekanis yang disebut disini untuk menunjukkan betapa banyak ragamnya prinsip secara fisis untuk pemisahan.

3. KONSEP STAGE stage dapat didefinisikan sebagai unit suatu alat, dan dalam unit alat ini ada dua fase yang tak sama dikontakan, kemudian secara mekanis dipisahkan. Selama kontak berbagai komponen yang mendifusi terdistribusi diantara fase-fase itu. Dua fase yang terjadi dalam keadaan setimbang, karena itu mempunyai komposisi yang berbeda dari fase-fase semula. Dengan pemisahan dan kontak yang berturut-turut dari fase yang tak sama (operasi stage ganda), dapat terjadi perubahan besar dalam komposisi-komposisi fase-fase itu. Dalam stage setimbang dua fase tercampur baik selama waktu secukupnya sehingga dimungkinkan trjadinya kesetimbangan termodinamis diantara fase-fase yang meninggalkan stage. Pada kesetimbangan tak terjadi perubahan dalam komposisi dari fase-fase itu pada kondisi operasi tertentu. Dalam alat industri sebenarnya, tidaklah menguntungkan membiarkan kontaknya fase cukup lama sampai dicapai kesetimbangan. Maka daaari itu stage sebenarnya tidak melaksanakan perubahan komposisi sebesar seperti oleh stage setimbang. Efisiensi stage didefinisikan sebagai perbandingan dari perubahan komposisi dalam stage sebenarnya terhadap perubahan komposisi dalam stage setimbang. Efisiensi stage untuk alat industri berkisar antara beberapa persen sampai 100 persen. Karena stage setimbang memberikan kemungkinan perubahan komposisi terbesar untuk seperangkat kondisi operasi tertentu, maka stage setimbang juga disebut stage ideal atau teoritis. Sekalipun kondisi kesetimbang jarang diperoleh dalam alat sebenarnya, stage setimbang merupakan smodelfisis yang bermanfaat dalam analisis operasi stage. Sebagai mana sering terjadi dalam teknik kimia, model fisis merupakan versi yang diidealkan dari unit yang sebenarnya. Persyaratan alat yang diperhitungkan untuk operasi-operasi stage ganda dalam industri biasanya terdiri dari penentuan jumlah stage setimbang disertai efisiensi stage untuk memperoleh jumlah stage sebenarnya yang diperlukan. Efisiensi stage merupakan “faktor korekso” untuk menerapkan model fisis dari suatu stage setimbang di dalam penggunaan praktek dari alat industri. Efisiensi stage tergantung pada kecepatan perpindahan massa dan pada waktu dan luas kontak dalam satu stage. Faktor-faktor ini merupakan fungsi komplek dari gelombang stage dan kecepatan air dari fase-fase. 4. ALAT UNTUK OPERASI STAGE Alat untuk operasi stage sangat banyak macamnya dan ukurannya dan konstruksi terincinya, tetapi terdapat banyak kesamaan dasarnya. Umumnya, setiap stage dari alat mencampur dua fase terus menerus sehingga bahan dapat dipindahkan sepat mungkin dari fase Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

14

satu ke fase lainnya. Kemudian setiap stage harus memisahkan dua fase yang terjadi sesempurna mungkin danmeneruskan ke stage berikutnya. Ada alat industri yang terjadi dari satu stage tetapi lebih banyak terdiri dari unit-unit stage ganda memungkinkan perubahan komposisi lebih besar dari dua fase itu dari pada fase yang diberikan oleh satu stage. Alat untuk mencampur dan memisahkan dua fase tergantung pada sifat-sifat fase-fase itu sendiri. Andaikan fase L adalah cairan atau zat pada halus atau; fase V adalah gas, uap atau cairan, tergantung pada proses pemisahannya. Gas dan cairan mudah mengalir dari satu stage kestage lainnya, tetapi zai padat sukardipindahkan. Berdasarkan hal ini operasi stage yang melibakan gerakkan zat padat berlawanan arah dengan fase fluid kurang lazimdilakukan, zat padat yang sangat halus dapat dialirkan seperti fluid, jadi campuran ini digunkan untuk mengarah zat padat. Ada kalanya zat harus di pindahkan secara mekanis dari srage ke stage lain. Dari segi ekonomi, stage harus melaksanakan kontak dan pemisahan sesederhan mungkin. Misalnya, gaya grafitasi digunakan untuk memisahkan fase dan dorongan untuk mengalir, mengalir, menghindari keperluan alat yang mahal seperti pompa atau sentrifuge. Namun ada kalanya pemisahan sulit, mau tidak mau diperlukan alat yang mahal. 5. MENGKONTAKKAN CAIRAN-GAS Perbedaan besar dalam dalam densitas gas dan cairan menyebabkan pemisahan fase-fase itu relatife mudah. Dua fase dapat dicampur dengan menggelembungkan gas ke dalam cairan. Gelembung-gelembung gas terpisah dari cairan masuk ke bdalam fae gas bila gelembunggelembung itu mencapai permukaan cairan. Stage dibangun dalam suatu kolom tegak sehingga cairan dapat mengalir kebawah karena grafitasi, dari stage ke stage lainnya. Gas mengalir ke atas karena beda tekanan yang dijaga tetap dengan suatu kompresor atau blower atau dengan boiler. Stage-stage sebenarnya dalam kolom tegak disebut plat-plat dan talam-talam. Plate-plate banyak ragamnya; hanya beberapa saja yang akan ditinjau. Plate bubble cap selama bertahun-tahun telah banyak dipakai untuk kolom absorpsi. Buble cap (Gb.2-2) dirancang untuk mendispersi fase gas menjadi gelembung-gelembung halus dalam cairan, juga mencegah cairan jangan mengalir ke bawah melalui lintasan gas pada kecepatan gas yang kecil. Buble cap dibuat dengan ukuran dan bentuk yang bermacam-macam. Pola aliran dalam kolom buble cap dapat dilihat pada Gb.2-3. dalam kolom ini cairan mengalir melintasi plat dan masuk ke dalam down comer ke plate dibawahnya. Gas mengalir ke atas melalui buble cap ke dalam cairan. Gb.2-3 merupakan bagan sederhana dari kolom buble cap. Plate buble cap sebenarnya dapat dilihat pada Gb.2-4. kolom buble cap dapat dioperasikan untuk batas kecepatan alir fase luas dengan efisiensi stage tinggi. Sedikit cairan dapat menembus (bocor) melalui lintasan gas, dan tinggi cairan pada masing-masing talang talang dapat diatur tetap seperti yang diinginkan. Jadi kontak cairan-gas berlangsung baik pada batas kecepatan alir yang luas, sehingga memungkinkan deperoleh efisiensi yang relative konstan. Karena bubble cap relative mahal, maka terdesak oleh jenis-jenis tray baru. Perforated plate, pada akhir-akhir ini menjadi terkenal kesederhanaannya dan murah harganya. Jenis plate berulang paling banyak dijumpai adalah sieve tray seperti pada Gb.2-6. sieve tray adalah plate logam yang berlubang banyak. Lubangnya biasanya berdiameter 1/5 sampai ½ inci. Cairan mengalir kebawah dan gelembung gas mengalir ke atas melalui lubanglubang. Gas pada kecepatan tinggi mencegah cairan mengalir melalui lubang-lubang, tetapi pada kecepatan aliran gas yang kecil dapat terjadi kebocoran atau weeping ini dapat mengurangi efidiensi stage dengan menyolok. Ini merupakan keterbatasan sieve tray yang harus dipikirkan betul-betul dalam perancangan. Perkembanhgan pervaporated plate pada akhir-akhir ini ialah dengan munculnya valve tray. Lubang-lubang dalam valve tray ditutupi oleh penutup yang dapat terangkat, lihat Gb.2-7. penutup terangkat ketika gas mengalir ke atas melalui lubang, dan akan jatuh menutupi lubang lagi jika kecepatan gas berkurang. Dengan cara ini sangat mengurangi weeping pada kecepatan gas rendah. Disamping itu penutup-penutup mengarahkan aliran gas mendatar ke dalam cairan sehingga memberikan pencampuran yang lebih besar dari pada sieve tray. Lubang –lubang dalam walve tray sering kali lebih besar dibanding denga lubang-lubang dalam sieve tray kira-kira sebesar 1 ½ inci diameternya. Kolom valve tray dengan aliran cross-flow dapat dioperasi pada batas-batas kecepatan air yang lebih luas dari pada bats-batas untuk valve tray. Harganya terletak antara Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

15

harga-harga sieve tray dan talam bulbe cap. Efisiensi stage tingi dan hampir konstan pada batasbatas kecepatan gas yang luas. Sieve tray dan valve tray telah menggantikan pemakaian bulbe cap pada beberapa industri. Perancangan alat pengkontak cair gas melibatkat masalah yang komplek dalam mekanika fluida. Disini akan dibicarakan secara garis besarnya dan secara singkat tentang masalah-masalh itu. Tugas utama tray adalah mengkontakkan gas dan cairan. Ruang diatas tray hendak diisi dengan campuran cairan-gas, juga harus ada ruang/tempat untuk berpisahnya dua fase. Diameter tray ditentukan oleh volume fase gas yang lewat keatas melalui menara. Kecepatan gas yang besar melalui tray harus dihindari sebab menghasilkan pressure drop fase gas yang tinggi memerlukan jarak antar tray yang besar untuk hydraulic head yang diperlukan supaya cairan dapat mengalir kebawah dari tray ke tray. Presure drop fase harus rendah dalam kolomkolom yang bekerja pada keadaan vakum. Aliran cairan menyilang/across tray harus memberikan kedalaman yang cukup (tinggi tray) supaya dapat melingkupi volume gas secukupnya pada semua kecepatan gas. Hal inimemerlukan pola aliran yang komplek dengan beberapa saluran keluar pada tray yang besar. Gb. 2-9, memperlihatkan valve tray dengan aliran terbagi/split flow dam Gb. 2-10 memperlihatkan terracing pada tray 40-ft yang diperlukan untuk menjaga supaya kedalaman cairan seragam. Kedalaman airan di atur oleh kecepatan airan dan tinggi ruang keluar/weir. Presure drop fase gas juga tergantung pada tingi cairan diatas ruang gas. Maka dari itu tinggi cairan harus cukup melingkupi volume gas tetapi tidak boleh lebih sebab dapat menyebutkan pressure drop yang tak semestinya. Entraiment, adalah fae gas ke palte atas. Hal ini tak diinginkan sebab akan menurunkan secara efektif efisiensi stage. Entrainment terjadi pada kecepatan alir gas yang tinggi , sehingga diameterkolom harus diatur supuaya kecepatan gas (untuk pungutan langsung massa tertentu) akan mengurangi entrainmeint. Disamping itu, entrainment menurunkan efisiesi stage, sehingga diperlukan stage tembahn supaya menghasilkan pemisahan terteuntu. Mencegah entrainment dapat memerlukan suatu kolom yang berdiameter besar. Maka dari itu perlu dilakukan perhitungan ekonomi diantaaara jumlah tray dan diameter kolom bila menentukan sejauh mana entrainment akan kikurangi dihilangkan. Walaupun buih diatas plate memberikan luas permukaan cairan-gas yangt besar dan menghasilkan kecepatan perpindahan massa yang tinggi, pembuihan yang berlegihan dapat memenuhi ruang diantara tray dan menghasilkan terlalu banyak entrainment. Flooding trjadi bila entrainment yang berlebihan atau bila berlebihan cairan yang kembali keatas dalam down comer. Flooding terjadi bila cairan terlalu banyak atau gas terlalu banyak melewati kolom. Mencegah flooding adalah factor utama dalam memilih diameter kolom. Jarak antar kolom harus cukup supaya ada ruang diatas olakan cairan sehingga entrainment dapat diperkecil. Dalam kolom-kolom yang besar jarak antar tray paling sedikit harus 2 ft supaya orang dapat merangkak diantara tray-tray. Makin besar jarak antar tray makin tinggi menaranya dengan sendirinya harganya makin mahal. Sekali lagi, perlu dibuat evaluasi ekonomi antara jarak antara tray dan entrainment. Makin pendek jarak antar tray makin pendek kolom dan makain murah tetapi dapat menimbulkan entrainment yang mendorong untuk menambah jumlah tray, tinggi kolom. Dalam sieve tray ukuran dan jumlah lubang harus benar-benar dipilih. Makin besar lubangnya akan memberikan pressure drop rendah, tetapi disperse gas jelek. Luas total lubang yang besar memberikan pressure drop rendah tetapi juga kecepatan gas rendah yang dapat menyebabkan weeping/kebocoran yang berlebihan. 6. MENGKONTAKKAN CAIRAN-CAIRAN. Dalam ekstraksi memakai pelarut, dua cairan yang tak saling larut sempurna harus dicampur terus menerus dan kemudian dipisahkan. Dalam kontak cairan- gas perbedaan densitas yang besar diantara dua fase itu memungkinkan menggunakan gaya grafitasi untuk mendorong mengalir dan mendispersikan gas dalam cairan, tetapi dalam ekstraksi, perbedaan densitas kedua fase adalah kecil, sehingga grafitasi jauh lebih kecil pengaruhnya untuk disfersi fase. Bubble cap dan valve tray tidak dipakai untuk ekstraksi cir-cair karena cairan berdasar gravitas tidak membeikan disperse fase secukupnya. Fase yang lebih ringan yang mengalir ke atas melalui tray tidak bisa menjadi gelembung-gelembung yang cukup halus ketika melewati buble cap. Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

16

Sieve tray dengan down comer, banyak dipakai untuk mengkontakkan cairan, walaupun konstruksi kolom berbeda dari alat kontak cair-gas. Baik dalam cairan ringan maupun berat mungkin dapat didispersi. Supaya diperoleh disferensi yang baik pada talam ayakan, cairan yang tidak membasahi tray hendaknya yang didispersi. Cairan yang lebih membasahi tray hendaknya merupakan fase yang kontinu. Dengan cara ini, fase terdisperse terpisahkan segera dari tray memberikan gelembung-gelembung kecil. Kolom khusus dengan fase ringan terdisversi dapat dilihat pada Gb. 2-11a. Kolom ini mirip kolom sieve tray cair –gas, denga cairan ringan analog dengan gas. Kolom dengan cairan berat ter disperse (Gb. 2-11b.) pada dasrnya merupakan kolom kebalikan kolom fase ringan terdipersi. Domn comer melewatkan fase ringan keatas, dan fase berat terdispersi dibawah setiap tray. Lubang-lubang dalam tray ayakan berlisar dari 1/8 sampai ¼ inci diameternya jumlah lubang dalam satu tray ditetntukan oleh keceptan alir total daro fase terdispersi. Untuk divperse yang memadai, cairan mempunyai kecepatan yang cukup ketika lewat melalui lubang-lubang. Ketinggian cairan diatas tray ditentukan oleh tekanan yang diperlukan supuya diperoleh kecepatan alir yang diingikan dapat melalui lubang-lubang . Misalnya, Gb. 2-11b, ketinggian fase berat diatas talam cukup dapat mendorong fase melalui lubang-lubang pada kecepatan yang diperlukan supaya disperse baik. Luas down comer dipilih supaya kecepatan alir fase kontinu cukup rendah untuk mencegah tetes-tetes fase terdispersi terbawa melalui down comer. Gb. 2.1 memperlihatkan dua kolom ekstraksi stage ganda yang besar. Alat pencampur mekanis digunakan untuk mendispersi fase-fase lebih gigih dari pada yang dimungkinkan dalam kolom dalam ayakan. Setelah pencampuaran, campuran dua fase dilewatkan tanki settling, disini fase-fase itu dibiarkan terpisah secara “grafiti settling”. Unit-unit ini disebut mixer-settler. Bagian dari mixer-settler terlihat pada Gb. 2-12a. Mixeer-settler digunakan secara bederet memberikan pemisahan stage ganda (Gb.2.12b). Derajat pemisahan adalah variabel bebas yang dapat diubah dengan mengubah kecepatan dan bangun impeller. Walaupun dinginkan pencampuran yang baik, namun dapat terbentuk emulsi yang tak dapat dipisahkan dengan grafiti settling jika pencmpurannya terlalu kuat. Ukuran tanki settler ditentukan oleh kecepatan alir dan kecepatan terendapnya fase terdispersi. Jika densitas fase hampir-hampir sama, settling sangat lambat sehingga diperlukan centrifuge. Perlu diketahui bahwa centrifuge memberikan gaya centrifugal jauh lebih besar dari pada gaya grifitasi. Emulsi dapat juga dipisahkan dalam centrifuge. Beberapa model alairan telah digunakan dalam mixer-settler. Stage dapat disusun tegak untuk aliran garafitasi dari kedua fase. Gb. 2. 12b, dapat digunakan untuk aliran grafitasi dengan unit-unit yang terlalu besar disusun tegak. Susunan mendatar memerlukan pemompaan salah satu atau kedua fase. Mixer-settler dengan pompa (Gb.12) menggunakan impeller baik untuk mencampur maupun untuk mendorong aliran dari stage. Mixer-settler terkenal karena pencampuran yang sempurna memberikan efisiensi cukup tinggi (90-100 %). Akan tetapi, penggunaan pompa yang digerakkan oleh motor dan tanki settling menaikkan harga persstage, bila dibandingkan dengan sieve tray. 7. MENGONTAKKAN CAIR-PADAT Kontaknya zat pada butiran dengan suatu cairan atau gas dalam system stage ganda kontinu menjadi rumit oleh masalah transportasi fase padat dari stage ke stage. Zat padat dapat digerakkan dalam basket-basker seperti terlihat pada Gb. 2.14. Pada aliran yang terjadi adalah dalan stage-stage tetapi berlawanan arah hanya dalam separu system. Zat padat yang dihaluskan mengalir seperti fluida pada kondisi tertentu. Umumnya hal ini melibatkan gas atau cairan yang mengalir melalui zat padat sampai fluida padat itu ter fuidisasi. Dasar dari zat padat terfluidisasi telah dipakai untuk merancang sejulmlah alat pengkontak cairan-padat. Adsorber slaka besar dalam industri menggunakan adsorben gas-fluidized sebanyak lima stage dapat dilihat pada Gb. 2.15. untuk pemisahan padat-cair secara besar-besaran seperti yang terjadi dalam memproses bijih logam, digunakan thickener. Zat padat dilewatkan stage sebagai luluhan/slurry dengan air.

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

17

BAB 3

Kembali Ke Menu Utama

KAIDAH FASE 1. PENDAHULUAN Sebagaimana telah dibicarakan dimuka bahwa pemilihan operasi perpindahan massa yang digunakan untuk memisahkan campuran multi komponen, tergantung faktor-faktor kelayakan operasi, penerapan tepri kimia fisika dan ekonomi. Ukuran yang diinginkan dari unit opersi dan demikian biaya dan dapat tidaknya beroperasi dapat dihitung dari pengertahua/keetrangan tentang batas-batas kesetimbangan fase dan kecepatan perpindahan yang dapat diperoleh. Disini akan ditinjau kerangka teori dasar yang dipakai dalam memperkirakan komposisi dari fase-fase dalam kesetimbangan, membicarakan beberapa kaidah yang empiris yang dipakai untuk menghubungkan data keseimbangan fase, dan menunjukkan beberapa contoh khusus tentang data yang ada. Dari keterangan yang ringkas ini dapat dilakukan perhitungan perancang. Perhitungan-perhitungan ini tidak saja memerlukan komposisi-komposisi seimbang, tetapi juga perubahan nilai-nilai kesetimbangan jika suhu dan tekanan berubah. 2. DASAR UMUM KESETIMBANGAN FASE Sebelum kaidah fase untuk sistem tertentu dibicarakan akan ditinjau secara singkat dasar umum kesetimbangan fase. Analisis kuantitaif dari kesetimbangan fase didasrkan pada karya J Willard Gibbs yang terdapat dalam semua pustaka termodinamika dasar. J. W. Gibbs mengatakan bahwa kesetimbangan antar fase-fase memerlukan kesetimbvang semua potensial termasuk tidak saja P dan T tetapi juga potensial kimia masing-masing

µ1 I = µ1 II = µ

II

(3.1)

1

dengan µ= potensial kimia, indeks bahwa untuk komponen, indeks atas untuk fase. Gibbs mendefinisikan potensial kimia berdasarkan fungsi termodinamika dasar secara kualitatif, potensial kimia menyatakan kecendrungan komponan untuk meniggal fase atau keadaan kimiawi yang bersangkutan. Kadi potensial kimia adalah ukuran ketidak stabilan komponen. Ahli-ahli setelah Gibbs menunjukkan bahwa fugusitas (didefinisikan dengan rumus µ= RT lu fi + θ, fi mendekati Pi jika Pi mendakati 0 dan θ adalah fungsi suhu saja) dapat dipakai sebagai ganti potensial kimia maka

f1i = f1ii = f 1iii

(3.2)

fungsional menpunyai beberapa keunggulan dari pada potensial kimia paling tidak dalam konsep, sebeb dapat dikaitkan dengan sifat-sifat fisis yang dapat diukur. Jika jumlah variabel dalam suatu sistem dengan beberapa komponen dalam kondisi seimbang diantara beberapa fase dikaitkan dengan jumlah persaman yang menghubungkannya seperti tersebut diatas, maka F=C+2–P (3.3) Dengan F = jumlah variabel intensif yang dapat diubah-ubah secara bebas. C = jumlah komponen sistim P = jumlah fase dalam sistim Fase didefinisikan sebagai bagian dari suatu sistim yang secara fisi homogen dan dapat dibedakan adri yang lain, dapat berupa padat, cair atau gas. Pada zat padat dan cairan dapat terjadi beberapa fase padat dan fase cair, tetapi pada gas sama sekali dapat saling larut sempurna satu sama lain sehingga hanya ada satu fase gas variabel intersif tak tergantung pada seluruh jumlah fase. Misalnya suhu, tekanan dan konsentrasi dari suatu fase adalah variabel intensif. Sebaliknya volume total dari fase tergantung pada kuantitas, maka dari itu disebut variable ekstensif. Demikian juga komposisi keseluruhan dari suatu sistem dengan beberapa fase tergantung pada besarnya fase jadi merupakan variable ekstensif. Untuk keseimbangan fase, jumlah komponen dari suatu fase dapat didefinisikan sebagai jumlah terkecil zat kimia yang diperluklan ntuk membentuk fase. Aturan fase berguna dalam memperkirakan jumlah variable intensif yang dapat diubahubah secara bebas dalam setiap sistem. Misalnya air, karena murni, C = 1. dengan satu fase cair, P Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

18

= 1 dan dengan persamaan (3.3), F = 2. maka dari itu dimungkinkan mengubah-ubah baik suhu maupun tekanan dari fase tunggal cair. Pada campuran setimbang air vdan uap air terlihat bahwa C = 1, P= 2 dan F = 1. jadi hanya satu sifat intensif yang dapat diubah-ubah secara bebas. Jika suhu ditentukan, dengan sendirinya tekanan tertentu. Jika antara fase diterapkan pada campuran setimbang dari etanol dan air, ternyata C = 2, P = 2 dan F = 2. jadi dua variable dapat diatur. Kedua variable itudapat pasangan dari dua antara tiga variable suhu, tekanan dan konstruksi fase. Misalnya jika komposisi dan tekanan dari suatu fase ditentekan, suhunya akan tertentu. Pemakain aturan fase selanjutnya akan berguna dalam meninjau sistim-sistim tertentu sebagai berikut. Perhitungan untuk distilasi dan adsorpsi gas memerlukan keterangan tentang kesetimbangan cair-gas. Jadi persamaan 3.2 menjadi

f aG = f aL

(3.2a)

fugasitas fase gas dapat diganti dengan tekanan partial dari gas itu pada tekanan yang bersangkutan jika sifat gasnya ideal pada tekanan yang sangat rendah. Sebaliknya diperhitungkan koreksi yang menghubungkan sifat gas ideal dengan gas sebenarnya, maka:

⎛f ⎞ f aG = ⎜⎜ ⎟⎟ . py a ⎝ p ⎠a

(3.4a)

dengan ya = fraksi nol dari a dlam uap.

⎛ f ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ = perbanding andarifuga sitasaterh adaptekana nnol ⎝ p⎠ P = tekanan nol. Fugasitas fase cair sama dengan fugasitas fase gas pada tekanan uap dari a murni, karena kesetimbangan terjadi pada tekanan itu. Andaikan fraksi mol menghubungkan fugasitas komponen murni dengan fugasitas dari komponen dalam campuran cairan ideal, dan mendefinisikan koefisien aktivitas γ sebagai perbandingan dari fugasutas a dlam larutan sebenarnya terhadap fugasitas a dalam larutan ideal, maka fugasitas cairan adalah

f aL = Pa X a γa

(3.4b)

dengan P = tekana uap dari a pada sushu kesetimbangan X = fraksi mol a dalam cairan Dengan menggabungkan persamaan-persamaan 3.2a, 3.4a dan diperoleh kaidah kesetimbangan fase cair-uap yang umum sebagai berikut :

⎛f⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ py a = p a x a y a ⎝ p ⎠a

(3.4)

Termodinamika teknik kimia telah banyak mencurahkanperhatian untuk berusaha menerapkan pengetahuan yang ada melalui kimia fisika untuk memperkirakan koefisien fugasitas (f/p)a dan koefisien aktifitas γabagi sifat-sifat molekul yang asasi. Usaha ini telah berhasil memuaskan untuk komponen-komponen non asosiasi sederhana. Jika non idealitas fase air dapat diabaikan, misalnya dengan senyawa-senyawa non polar termasuk deret homolog (misalnya hdrokarbon ringan), γa = 1. maka koefisien fugasitas harus ditentukan. Karena parameter ini merupakan fungsi dari sifat-sifat fase gas saja, maka dapat ditentukan dari persamaan keadaan fase gas. Telah ada persamaan keadaan yang tepat, sehingga usaha ini teelah dilaksanakan dengan baik. Keuntungan yang diperoleh khususnya adalah bahwa kesetimbsngsn cair-uap dapat diungkapkan secara analisis dan dapat ditulis kedalam program kruput. Bila terjadi non idealitas fase cair, perlu ditentukan koefisien aktivitasnya dari keterangan medan gaya antar molekul atau menghubungkan data hasil percobaan secara empiris. Kedua pendekatan telah dilakukan. Pendekatan gabungan yang telah berhasil memuaskan pada suhu rendah telah diperlihatkan oleh Zellner. Dasar-dasar teoritis untuk ini dan untuk lainnya telah disajikan oleh Prausnittz. Jika fase gas bertabiat sebagai sag ideal, (f/P)a = 1, dan jika fase cairan adalah larutan ideal, γa = 1. dalam hal ini dapat diperoleh hukum Raoult : (3.5) Pya = PaXa Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

19

Pasanan ini menunjukkan bahwa uap yang timbul dari campuran cairan adalah suatu campuran yang mempunyai komponen sama seperti yang dari cairan. Uap biasanya akan lebih kaya akan komponen yang mempunyai tekanan uap lebih tinggi pada suhu penguapan. Komponen murni tak akan pernah muncul dari campuran cairan, walaupun dalam keadaan terbatas tekanan uap dari salah satu komponen biasa demikian rendahnya sehingga komponen itu praktis itu tidak volatile. Hukum Raoult hanya tepat memperkirakan kesetimbangan cair-uap untuk larutan ideal yang setimbang dengan campuran gas ideal larutan yang memperlihatkan penyimpangan dari idealitas yang dapat diabaikan meliputi larutan yang komponen-komponennya mempunyai struktur dan sifat fisis yang sama, seperti benzena-toluen, propana-butan, methanol-etanol. Hukum Raoult menunjukkan bahwa komposisi dalam campuran yang setimbang tergantung pada tekanan tolak dari sistim dan pada tekanan uap komponen. Tekanan uap berubah dengan suhu tetapi tidak dengan komposisi atau tekanan ideal.. Dalam perhitungan teknik, sering kali lebih mengungkapkan kesetimbangan fase dengan rumus : (3.6) Ya = Ka xa Ka adalah konstanta yang ditentukan dengan percobaan. Ka sering kali hanya sedikit tergantung pada konsentrasi, sekalipun untuk sistim yang tidak mengikuti hukum Raoult; biasa disebut nilai K. Dalam kebayakan sistim, tekanan uap dari solute dalam larutanyang sangat encer dapat digunakan rumus hukum Raoult sebagai konstanta yang berlaku bagi batas-batas konsentrasi tertentu. Ini merupakan dasar dari hukum Henry, yang paling sering ditulis : (3.7) Pa = Hca Pa = tekanan partial dari a dalam uap H = Konstanta hukum Henry, diukur dengan percobaan Ca = konsentrasi a dalam cairan Dalam sistim biner (dua komponen), komponen denngan tekanan uap lebih tinggi pada suhu tertentu disebut sebagai komponen yang lebih volatile, sedangkan yang dengan tekanan uap lebih rendah disebut komponen kurang volatile. Umumnya komposisi dari campuran biner akan dinyatakan sebagai konsentrasi dari komponen yang lebih volalite. Untuk sistim biner dengan a adalah komponen yang lebih vilalite dan b adalah komponen yang kurang volalite, dengan anggapan hukum Raoult berlaku.

y a xb p = a xa yb pb

(3.8)

Karena yb = 1 – ya dan xb = 1 - xa

⎡ y a ⎤ ⎡1 − xa ⎤ p a = α ab ⎢ ⎥⎢ ⎥= ⎣ x a ⎦ ⎣1 − y a ⎦ p b

(3.9)

Persamaan (3.9) mendifinisikan volatilitas relatif (α ab) dari komponen a relatif terhadap b. Untuk sistim yang tidak mengikuti hukum Raoult, volatilitas relatip didefinisikan sebagai α ab = K a /K b . Volalitas relatif akan konstan bila baik Hukum Henry maupun Raoult berlaku. Jika hukum Henry atau Raoult tak diikuti, volatilitas relatip akan berubah dengan komposisi. Gambar. 3.1 menunjukkan data komposisi cair-uap untuk dua sistim dengan volatilitaas relatif konstan dan juga untuk dua sistim denan volatilitas relative yang berubah-ubah dengan komposisi. Sistim yang diperlihatkan pada Gambar.3.3 adalah pada tekanan tetap, tetapi suhu berubah-ubah denan komposisi. Berubah-ubahnya suhu dapat dilihat pada Gambar 3.2 dan Gambar 3.3

Contoh 3.1. Suatu campuran butan dan pentan setimbang pada tekanan 300 kN/m dan uap. (a) dengan menggunakan holum Raoult, dan (b) dengan menggunakan harga dari Ka yang diperoleh dari percobaan dan persamaan 3.6. Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

20

Penyelesaian (a) Tekanan uap didapat dari table data fisis (lihat Appendix D-1). o

Tekanan uap pentan pada 40 C = 117 kN/m o

2

2

Tekanan uap butan pada 40 C = 373 kN/m , tekanan total = 300 kN/m Untuk butan : y B =

Untuk pentan :

yp =

2

PB 373 xB= x B =1,24 x B P 300

pp 1147 xp = x p = 1,24 x p p 300

Karena hanya buatan dan pentan yang ada dalam cairan dan uqp, XB + Xp = 1, dan yB + yp = 1. sekarang ada empat persamaan dan empat yang belum diketahui pemecahannya : Yb + yp = 1 = 1,24 xB + 0,39 xp = 1,24 xB + 0,39 xp (1- xB), dst. yB = 0,89 XB = 0,72 yp = 0,11 Xp = 0,20 (b). Harga Kdari percobaan pada 300 kN/m2 dan 400CD untuk butan, Kb = 1,2 dan untuk petan, Kp = 0,38 (lihat Appendix D-2). Maka dari itu, yp = 1,2 xB dan yp = 0,38 xp yB = 0,91 xB = 0,76 yp = 0,09 xp = 0,24 perbedaan kecil antara harga-harga pada jawaban (a) dan (b) terletak pada ketelitian pembacaan chart untuk tekanan uap dan K. Maka dari itu, campuran buatan dan pentan mengikuti hukum Raoult makin besar pada tekanan makin tinggi. Contoh 3.2. Beberapa volatilitas relatif butan terhadap pentan pada sushu 40 0C dan 465 psia ?

Penyelesaian. Andaikan hukum Raoult berlaku pada tekanan tinggi Dari persamaan 3.9 dengan

α B− p =

373x10 3 = 3,18 117 x10 3

Dengan menggunakan harga K dari percobaan pada 465 psia (Appendix D-2), Kb = 0,27, Kp = 0,10

α B− p =

0,27 = 2,70 0,10

dari hasil ini terlihatbahwa pada 465 psia campuran butan pentan penyimpangan dari hukum Raoult kira-kira 18%. Suatau campuran tidak akan mendidih pada suatu suhu untuk tekanan total konstan, berlawanan dengan tabiat cairan murni. Suhu saat campuran dengsn komposisi tertentu mulai menguap jika suhu bertambah disebut titik didih. Sebaliknya suhu saat campuran uap perrtama kalin mengembun pada pendinginan disebut titik embun. Untuk cairan murni, titik didih dan titik embun adalah sama dan sama dengan titik didih; komponen murni menguap dam mengembun pada satu suhu. Titik embun dan titik didih campuran ideal dapat dihitung dari hukum Raoult. Untuk campuran lainnya, harga K dapat V dihitung.

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

21

Contoh 8.3 Hitung titik embun gas yang mengandung 20 % mol benzena, 3,0 mol toluene dan 50% mol xylene pada tekanan 100 kN/m2.

Penyelesaian.

Pada tekanan sedang untuk senyawa-senyawa yang sama ini hukum Raoult cukup teliri. Tekanan uap dari ketiga komponen tergantung pada suhu, yang harus ditentukan. Diperlukan cara cobacoba (trial and error), karena tekanan uap tak dapat diungkapkan dengan fungsi matematiksederhana dari suhu.

pB 0,2 x10 5 x B = 0,2; x B = Untuk benzena ; y B = pB 1x10 5 Untuk toluene :

pT T 0,3x10 5 yr = x = 0,3; xT = pT 1x10 5

px 0,5 x10 5 x x = 0,5; x x = Unruk xylene : y x = px 1x10 5 Pada suhu yang besar, XB + XT + XX = 1,0

0,2 x10 5 0,3x10 5 0,5 x10 5 + + =1 pB pT px jika suhu tertentu, tekanan uap dapat dicari dari (Appendix d-1) dan sisi kiri persamaan diatas dapat dihitung. Jika sisi kiri tidak sama dengan 1, harus dicoba suhu lain. Andaikan T = 40 0C, PB = 24,13 x 103 N/m2 ; pT = 7,58 x 103 ; Px = 2,96 x 103 N/m2.

0,2 x10 5 0,30 x10 5 0,5 x10 5 + + = 21,67 > 1. 0,24 x10 5 0,076 x10 5 0,026 x10 5 Maka dari itu, pengadaian pertama T = 40 0C terlalu rendah Andaikan T = 130 0C. PB = 365,4 x 103 N/m2 ; PT = 158,6 x 103 N/m2 Px = 72,4 x 103 N/m2.

0,2 x10 5 0,30 x10 5 0,5 x10 5 + + = 0,93 < 1. 0,65 x10 5 1,586 x10 5 0,7246 x10 5 Maka dari itu suhu harus lebih dari 130 0C Andaikan T = 128 0C. PB = 351,6 x 103 N/m2 ; PT = 151,7 x 103 N/m2 Px = 67,2 x 103 N/m2.

0,2 x10 5 0,30 x10 5 0,5 x10 5 + + = 1,00 3,516 x10 5 1,176 x10 5 0,672 x10 5 Setelah diperiksa pada 128 C, ternyata dekat dengan titik embun campuran. Pada titik embun, cairan yang pertama kali terbentuk mempunyai komposisi sedemikian hingga tekanan yang diberikan oleh setiap komponen dari cairan sama dengan partial dari komponen dalam uap komposisi dari cairan setimbang byang pertama kali terbentuk ketika pengembunan mulai pada 128 0C adalah

0,2 x10 5 = 0,057 3,516 x10 5 0,3 x10 5 = 0,198 xT = 3,517 x10 5 0,5 x10 5 = 0,744 xx = 0,672 x10 5 xB =

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

22

Perhitungan kesetimbangan fase seperti contoh 3.3 dengan mudah dapat dilakukan pada computer digital. Akan tetapi ingkapan kesetimbangan fase harus diberikan dalam bentuk analisis. Jika hukum Raoult digunkan, rumus tekanan uap harus dipertimbangkan. Persamaan Antoine ternyata cocok untuk kebanyakan data tekanan uap. Log Pa = Aa + Ba/(ca + T) Dengan, Aa, Ba, dan Ca : konstante percobaan (lihat Appendix D-2e untuk harga-harga beberapa cairan yang umum dijumpai). Jika harus dicari titik didih untuk campuran yang mengikuti hukum Raoult, gabungan persamaan neraca bahan dengan hukum Raoult dan persamaan Antoine memberikan.

xa(10 )aa + Ba /(Ca +T ) + xb(10)ab + Bb /( Cb +T ) + xc(10) Ac + Bc /(Cc +T )

Konstante tekanan uap diketahui, bersama-sama dengan komposisi cairan semula dan tekanan total, dan persamaan ini maka dapat diselesaikan suhu titik didih, satu-satunya yang belum diketahui. Cara konvergensi sistematis, seperti cara Newton, akan diperlukan supaya penyelesaian interaktif sempurna. Titik embun dan titik didih dari campuran biner adalah fungsi komposisinya, seperti terlihat pada Gambar.3.2. untuk sistim benzene-toluene. Kurva dibuat berdasarkan data tekanan uap, dengan menganggap hukum Raoult berlaku untuk sistim ini. Titik embun dan titik didih sama pada xa, ya = 0 dan xa, ya = 1 sebab komposisi ini menggambarkan toluene dan benzene murni. Satusatunya harga suhu pada komposisi ini adalah titik didih komponen murni. Jika suatu campuran cairan mengandung 0,4 fraksi mol benzene dipanasi (dilukiskan dengan mengikuti garis tegak pada gambar 3.2) akan mulai menguap pada titik didihnya (titik a), yaitu 203,5 F, dan komposisinya (b) adalah 0,625 fraksi mol benzene. Jika suhu dinaikkan (dari a ke c ), lebih banyak cairan menguap sampai cairan terakhir menguap pada 215 F (d). Selama proses penguapan, komposisi (cairan) berubah-ubah dari 0,4 sampai 0,215 dan uap dari sisi keseluruhan dari campuran uap-air tetap pada 0,4 fraksi mol benzene. Daerah dibawah kurva titik didih melukiskan fase cair. Cairan pada suhu di bawah titik didihnya dapat disebut sebagai cairan subcooled, sedangkan pada titik didihnya disebut cairan jenuh. Demikian pula uap pada titik embunnya disebut uap jenuh. Diantara kurva-kurva titik didih dan titik embun adalah daerah dua fase tempat bersama-sama adanya cairan jenuh dan uap jenuh. Jumlah relative cairan dan uap dalam daerah dua fase dapat dihitung dengan neraca bahan. Diatas kurva titik embun terletak daerah uap superheat/superheated steam. Larutan yagn tidak ideal dapat mempunyi kurva komposisi suhu cukup berbeda dari kurva gambar 3.2. misalnya, gambar 3.3 melukiskan dua sisitim tidak ideal, isopropanol propylene chloride dan avetone chloroform. Masing-masing bentuk sisitim adalah azeotropis suatu campuran dengan uap setimbang yang berkomposisi sama dengan koimposisi cairan. Pada komposisi azeotrop, titik embun dan titik didih sama, dan campuran menguap pada satu suhu. Kesimpulan ini dapat ditarik dengan menggunakan kaidah gase. Dalam sistim biner uap-cair akan ada dua variable bebas. Biasaya tekanan tertentu jadi tinggal satu variable. Definisi azeotrop mengakebatkan komposisi-komposisi dari dua fase sama satu sama lain, pembatasan ini meniadakan variable bebas yang tunggal satu tadi. Maka dari itu suhu telah tertentu pada satusatunya harga. Misalnya dalam isopropanol propylene chloride, komposisi cair dan uap yang setimbang menjadi 0,68 fraksi mol isopropanol. Karena titik didih dan titik embun juga sama pada komposisi ini campuran akan menguap pada satu suhu, seperti halnya cairan murni. Berdasarkan hl ini, azeotrop sering disebut campuran dengan titik didih konstan. Azeotrop ini menjadi pada suhu lebih rendah dari pada baik titik didih esopropanol murni maupun propylene chloride murni. Sistim seperti ini disebut campuran dengan titik didih minimum. Sebaliknya, sisim acetone chloroform mempunyai azeotrop dengan titik didih maksimum pada 0,34 fraksi mol acetone (gambar 3.3b). Penyajian keterangan x,y, T pada tekanan konstan, seperti pada Gambar.3.2. sering kali merupakan pilihan yang menguntungkan, akan tetapi dalam perhitungn neraca bahan yang bersangkutan dengan fase yang dilakukan pada tekanan tertentu, suhunya mungkin belum ditentukan. Untuk perhitungan ini, grafik x terhadap y seperti pada Gb.3.1 jauh lebih menguntungkan. Jika perlu tempat T terhadap x atau y dapat ditambahkan. Dalam perhitungan-perhitungan proses distalasi dan perpindahan lainnya, neraca tenaga demikian pula nerac massa akan diperlukan. Jadi diperlukan ukuran tenaga sistim. Ini biasanya Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

23

adalah entalpi, didefinisikan sebagai tenaga dalam ditambah hasil kali P atau V. Data konsentrasi entalpi untuk etanol air pada Gambar.3.4 dan untuk ammonia air dan nitrogen oksitgen pada appendiz D. Entalpi molar digrafikkan pada sumbu tegak dan fraksi mol komponen yang lebih volatile pada sumbu mendatar. Setiap titik pada diagram menyatakan baik entalpi maupun komposisi dari campuran biner. Grafik yang sama dapat dilukiskan dengan menggunakan fraksi massa. Entalpi campuran biner adalah relative terhadap suatu kondisi referensi sembarang yang dipilih untuk komponen-komponen murni. Misalnya, pada gambar 3.4. entalmp-entalpi cair murni pada 32 F dan air murni pada 32 F dipilih sama dengan nol. Campuran etanol dan air dapat mempunyai entalpi-entalpi yang berbeda dari mol pada 32 F sebab ada perubahan entalpi pada pelarutan dan pengeceran. Perubahan kecil untuk sistim air-etanol. Campuran cairan pada suhuselain 32 F akan mempunyai entalpi tidak nol sebab perubahan entalpi pada pemanasan, sebagaimana dihitung dari kapasitas panas dan perubahan suhu. Jika campuran diuapkan, entalpinya akan naik sebesar panas laten penguapan. Semua perubahan entalpi ditinjau dalam membuat diagram komposisi entalpi untuk sistim biner dengan menggunakan data percobaan terhadap kapasitas panas, panas pelarutan, dan panas penguapan. Pada gambar 3.4 kurva diberi tanda H menggambarkan uap pada titik embun (uap jenuh) dan kurva yang diberi tanda h menggamberkan cairan pada titik didih (cairan jenuh). Jarak tegak diantrara kurva-kurva karenanya adalah panas laten penguapan dari campuan. Dianrarea dua kurva adalah daerah dua fase uap-air. Untuk menentukan titik-titik pada kurva uap jenuh dan kurva cairan jenuh, yang setimbang satu sama lain, digunakan kurva kesetimbangan dibawah diagram. Harga komposisi uap (y a )dapat dipilih pada kuva entalpi uap (H). Dari kurva kesetimbangan, harga (x a )yang setimbang dengan (y a ) yang dipilih dapat dicari. Harga (x a ) kemudian dapat dilukis pada kurva (h), entalpi cairan. Kemudian garis penghubung (tie-line) dapat dilukis yang menghubungkan dua titik yang menggambarkan komposisi-komposisi yang setimbang. Garis-garis yang bertanda suhu dalam daereah dua fase adalah garis penghubung. Jika suhu setimbang ditentukan, komposisi cvairan dan uap diperoleh dari grafik koimposisi suhu, seperti pada gab.3.3a untuk sistim C 3 H 7 OH-C 3 H 6 CL 2 . Daerah Di Bawah Kurva Cairan Jenuh Menggambarkan Subcooled. Garis-Garis Isoterm(Suhu Konstan) dilukis didaerah ini. Dalam sistim air etanol, panas pelarutan dan pengecoran kecil, sehingga isoterm-isoterm mendekati garis lurus, menunjukkan entalpi konstan. Di atas kurva uap jenuh adalah daerah uap superheat. Keadaaan khusus, naiknya tekanan menaikkan suhu, dan pada suhu ini terjadi kesetimbangan cair-uap, dan juga mengurangnya ketajaman pemisahan antara komposisi cairan dan uap hal ini dilukiskan pada gamb.3.5. untuk sistim air etanol. Komposisi uap yang setimbang dengan cairan yang mengandung 0,2 fraksi moil etanol akan mengandung 0,53 fraksi mol etanol jika tekanan sistim satu atmosfer (14,7 psia), tetapi akan menjadi 0,42 fraksi mol etanol pada tekanan sistim 300 psia. Juga komposisi azeotrop bergeser menjadi lebih kaya akan etanol jika tekanan berkurang.

Contoh 3.4. Bagaimana komposisi uap yang setimbang dengan cairan jenuh dengan 0,5 fraksi mol etanol dan 0,5 fraksi mol air.

Penyelesaian. Pada gambar.3.6. ditarik kebawah garis tegak dari kurva etanol carian pada xa = 0,5. nilai kesetimbangan dari (Ya) ditentukan oleh perpotongandari garis tegak dengan kurva kesetimbangan dan dapat dibaca dari sumbu tegak sebelah kanan, yaitu ya = 0,66. untuk memindahkan harga ini ke sumbu mendatar, garis mendatar ditarik dari kurva kesetimbangan ke diagonal, kemudian garis tegak ditarik ke kurva entalpi uap jenuh. Harga pada kurva H dapat dihubungkan dengan harga semula pada kurva h dengan tie-line. Suhu campuran setembang dapat dengan referensi pada Gambar 3.3a. kira-kira 176 F. Contoh. 3.5. tentukan komposisi dari fase-fase yang pada kondisi-kondisi sebagai berikut : (a). Etanol air pada 177 F, 1 atm. Konsentrasi “bulk” adalah 50 % etanol Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

24

(b). Amonia air pada 1 atm, xa = 0,3 (c). Etaol air pada 100 F dan 1 atm (d). Amonia air pada 100 psia, H = 10.000, fraksi mol keseluruhan NH 3 =0,5 (e). Amonia air pada 100 psia, H = 20.000, fraksi mol keseluruhan ammonia = 0,4.

Penyelesaian :

(a). Komposisi paling mudah dicari dari gambar 3.4. Tie-line pada 177 F memotong garis titik didih dan garis titik embun pada komposisi setimbang xa = 0,42, ya=0,63. (b). Dari kurva kesetimbangan (Appendix D) pada xa = 0,3, ya = 0,93 (c). Karena komposisi belum diketahui, campuran tak dapat dilukis tepat pada gambar 3.4. Akan tetapi, pada 100 F semua campuran etanol dan air adalah cairan subcooled , yang dilukiskan oleh isoterm 100 F. Maka dari itu, hanya fase cair yang akan adan pada 100 F dan 1 atm, dan tak ada uap yang setimbang. (d). Titik (H = 10.000 Btu/eb mol, z a = 0,5) terlukis pada diagram Appendix D. Karena titik terletak dalam daerah dua fase akan ada cair dan uap yang setimbang. Perlu dicari tie-line melalui titik itu. Pertama kali dilakukan pendekatan dengan menarik tie line melalui titik itu dengan “ slope “ antara isoterm 250 dan 200 F. Harga-harga x a dan y a yang diperoleh karena perpotongan tie line denga kurva entalpi diperiksa pada diagram kesetimbangan yang ada dibawahnya. Nilai yang x a = 0,17, y a = 0,74 (e). Titik (H = 20.000 Btu/etanol, z a = 0,4) terlukis pada diagram Appendix D. Karena titik di dalam daerah uap superhead, maka hanya fase uap yang dengan komposisi ya=0,4 saja yang ada. Absorpsi gas dalam perhitungannya sering memerlukan data pada kesetimbangan antara gas yang terlarut dalam fase cair dan fase gtas. Kesetimbangan sering kali dapat diungkapkan dengan Holum Henry atau hokum Roult untuk Solute. Jika persamaan-persamaan tidak tepat, data dapat disusun dalam table atau digrafikkan pada diagram udsara ke dalam air, kelarutan sedikit udara dapat diabaikan, dan konsentrasi ammonia dalam cairan dapat disusun dalam table sebagai fungsi dari tekanan partial ammonia dalam gas (Appendix D). 3. KESETIMBANGAN CAIR-CAIR Dalam ekstraksi cair, salah satu komponen dalam larutan di pindahkan ke fase cair lainnya yang relative tidak larut dalam larutan pertama. Keadaan paling sederhana, solute terbagi diantara dua fase cair yang tidak larut. Data ketidaksetimbangan untuk ini dapat dicatat sebagai perbandingan berat solute tehadap pelarut dalam masing-masing fase pada kesetimbangan. Misalnuya terbaginya nitrat uranil diantara larutan asam nitrat dan pelarut organic, seperti terlihat pada Gambar 3.7. Dalam prakteknya banyak dijumpai dua pelarut sebagian larut satu sama lain; disamping itu, konsentrasi solute dapat mempengaruhi salaing melarutnya pelarut-pelarut itu. Jika demikian, data kesetimbangan harus digrafikkan pada diagram tiga komponen. Penerapan kaidah fase pada dua fase, tiga komponen menunjukkan bahwa dapat ada tiga variable bebas. Dalam hal ini ada empat variable komponen ke tiga tidak bebas sama sekali sebab ditetapkan bahwa ke dua fase setimbang. Maka dari itu jika suhu, tekanan dan salah satu konsintrasi tertentu, kedua konsentrasi lainnya terntentu. Data untuk sistem ter-ner sering kali dilaporkan pada diagram segitiga sama sisi; akan tetapi, untuk perhitungan teknik segitiga siku-siku lebih baik untuk melaporkan data, karena kertas grafik koordinat tegak dapat digunakan dalam membuat diagram. Jika perhitungan hanya menyangkut konsentrasi solute yang relative rendah, hanya sebagian diagram itu kiranya yang akan dilukis dengan memperluas skala mendatar supaya diperoleh ketelitian grafik yang lebih besar. Sistim terner isopropil eter-asam asetat-air (gambar 3.8)merupakan contoh sistim dengan satu pasang cairan sebagian saling melarut sempurna dan dua pasang lainnya saling larut semua. Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

25

Gambar3.8, masing-masing titik sudut segitiga menggambarkan komponen murni; sudut siku-siku air murni; puncak isopropil eter murni, titik sudut kanan asam asetat murni. Umumnya sudut sikuy-siku menggambrkan fase murni yang mengandung komponen utama dari rafinat yang tidak terkstraksi (b). (komponen rafnat tak terekstraksi); titik sudut puncak, pelarut murni yang dipakai dalam ekstraksi (c); dan titik sudut kanan slute murni (a) yang harus diekstraksi dari rafinat degnan pelarut. Garis segetiga menggambarkan campuran solute dan komponen rafinat tak rafinat tak terekstraksi, tanpa adanya pelarut. Sisi tegak menggambarkan campuran biner dari komponen tak terekstraksi dan pelarut. Karena x a +x b +x c =1, hanya perlu melukiskan 2 komponen saja. Komponen yang ketiga selalu dapat dihitung. Pada diagram segitiga siku-siku, campuran paling mudah dilukiskan denga fraksi massa solute (Xa atau ya) dan fraksi massa pelarut (xc atau yc). Fraksi massa komponen rafinat tak terekstrasi (yb atau xb) tak perlu dilukis. Sisi miring segi tiga menggambarkan campuran dengan xb = 0 atau yb = 0. sumbu koordinat untuk komponen b sebenarnya adalah titik sudut siku-siku. Karena sumbu koordinat ketiga tidak perlu maka tidak dilukis. Setiap titik dalam segitiga menggambarkan campuran tiga komponen. Komponen keseluruhan tertentu ada sebagai satu fase cair, sedangkan lainnya dapat terbagi menjadi dua fase cair. Kurva nopqr (gambar 3.8) memisahkan daerah dua fase (sebelah kiri) dari dearah satu fase (sebelah kanan) dan disebut kantong fase. Komposisi-komposisi dari fase setimbang harus terletak pada kantong fase. Campuran dibagian dari komponen tak terekstrasi disebut fase ratinat. Campuran pada bagian atas kantong (seperti 0 ) kaya akan pelarut dan disebut ekstrak. Komposisi-komposisi fase yang setimbang dapat dihubungkan dengan tie line, seperti 0-p. Atau komposisi setimbang dapat ditentukan dengan menggunakan kurva setimbang dibawah diagram. Pada titik plait (p) tie line menjadi satu titik dan disini ekstrak dan rafinat sama. Perlu dicatat bahwa kurva setimbang berakhir pada titik plait pada xa = ya. Sistim dietilen glikol-stiren-etil benzena merupakan contoh sistim dengan dua dari tiga pasang cairan sebagaian pelarut (gambar 3.9). Dalam sistim ini fase ekstrak dan fase rafinat dilukiskan oleh kurva sendiri-sendiri, tak ada titik plait (jalin). Garis untuk fase ekstrak pada diagram terlalu pendek untuk perhitungan stage. Keadaan ini dapat diperbaiki dengan menggambarkan lagi diatas dasar bebas pelarut. (gambar 3.10) pada sumbu mendatar terlukis :

xa , ya ,

massasolut e massakompo nenrafinat takterekst rasi

pada sumbu tegak terlukis :

xc , yc ,

massapelar ut massasolut e + komponenra finattakte rekstarsi

Penyebut dari masing-masing besaran ini adalah campuran yang dipisahkan, salah satu komponen dekenal sebagai solute dan lainnya sebagai komponen yan tak akan terekstrasi secara menyolok. Dasar penentuan ukuran komposisi ini adalah bebas pelarut. Bahan bukan pelarut dapat dicirikan menurut konsentrasi salah komponen logikanya solutesebagaimana dilakukan untuk xa dan ya. Sembarang jumlah pelarut dapat ditambahkan persatuan bahan bukan oelarut. Denan definisi ini, xa + xb = 1 dan xc mempunyai harga sembarang. Dmikian juga ya + yb = 1, dan yc dapat beberapa pun. Misalnya untuk pelarut murni tak terhingga. Contoh 3.6 : Hitung data untuk gambar 3.10 dari ketentuan pada gambar 3.9.

Penyelesaian : pada kurva ekstrak dari gambar 3.9 pada yc, ya = 0,10, yc = 0,83. Maka dari itu, yb = 0,07. Dasar perhitungan 1 1b ekstrak ini.

ya =

massasolut e 0,10 = = 0,59 massasolut ekomponent ekterekstr asi 0 ,10 + 0 ,07

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

26

yc =

massasolute 0,83 = = 4,88 massasolutekomponenrafinattakterekstraksi 0,10 + 0,07

Titik ( y a =0,59, y c =4,88 ) dapat dilukis sebagai titik pada kurva ekstrak dari gambar 3.10. titiktitik lainnya dapat dicari secara sama, maka kurva ekstrak dapat dilukis. Pada kurva rafinat dari gambar 3.9 pada x a =0,8; x c =0,22 dan x b =0,178. xa =

0,8 = 0,817 ; 0,8 + 0,178

xc=

0,022 = 0,0225 0,8 + 0,178

maka dari itu

Titik-titik ini dapat dilukis pada kurva rafinat dari gambar 3.10. Titik-titik lainnya pada kurva rafinat dilukis dengan cara yang sama. Karena konsentrasi pelarut dari rafinat kecil, kurva hampir berimpit dengan x c = 0 untuk sistem ini. Dua bagian dari Gambar 3.9 memerlukan dua bagian dalam Gambar 3.10 untuk penyajian atas dasar bebas pelarut. Konsentrasi dari solute dalam bahan pelarut adalah sumbu mendatar dari masing-masing bagian dari diagram. Sumbu tegak dari salah satu bagian adalah konsentrasi slute dalam ekstrak, dan sumbu lainnya adalah banyaknya pelarut per satuan bahan bukan pelarut. Analogi dari pelarut dalam ekstraksi cair-cair, absorbent padat dalam pemisahan adsorpsi dan entalpi dalam distilasi akan dibicarakan nanti dan diperlihatkan perbedaan kesamaannya. Sistim propane-asam oleat-minyak biji kapas (gambar 3.11) memperlihatkan sifat kelarutan dari suatu sistim dapat berubah-ubah dengan suhu. Dalam hal ini, naiknya suhu mengurangi saling melarutnya, berlawanan dengan lazimnya bahwa naiknya suhu menyebabkan bertambahnya kelarutan. Sistim yang membentuk dua fase pada suhu rendah dapat saling melarut sempurna pada suhu tinggi. Gambar 3.11. juga memperlihatkan penggunaan sebagian segitiga dan perubahan skala, yang sering diperlukan untuk ketelitian perhitungan dengan grafik. Tak ada satu data pun untuk sistim yang diluar x a = 0,5, jadi diagram diluar titik ini dihilangkan dan diagram sisanya diperbesar skalanya. 4. KESETIMBANGAN GAS PADAT. Adsorpsi, kesetimbangan padat gas yang paling umum, ternyata terjadi baik dengan mekanisme fisis maupun kimiawi. Adsorpsi fisis terjadi bila gaya antar molekul, gaya tarik-menarik diantara molekul-molekul fluid sendiri. Molekul-lolekul fluid melekat pada permukaan adsorbent padat, dan kesetimbangan terjadi di antara fluid teadsorpsi dan yang tinggal dalam fase fluid. Isoterm-isoterm adsorpsi fisis dari percobaan untuk sejumlayh uap hidrokarbon murni pada silica gel diperlihatkan pada gambar 3.12. adsorpsi dari campuran gas menghasilkan komposisi dalam adsorbat yang berbeda dari yang ada dalam gas. Maka dari itu dimungkinkan campuran gas dengan adsorpsi selektif. Komposisi-komposisi setimbang dari fase gas dan adsorbat untuk campuran propan propilen diperlihatkan pada gambar 3.13. diagram kembangan ini sangat mirip dengan diagram kesetimbangan untuk distilasi (gambar 3.10). dapat ditarik analogi diantara adsorbent dalam adsorpsi, entalpi dalam distilasi dan pelarut dalam ekstraksi. Patut diingat bahw fase gas (v) terjadi pada y c =0, dan fase padat (L) mempunyai harga-harga x c lebih besar dari pada nol, belawanan dengan diagram analog untuk ekstraksi cairan, seperti gambar 3.9 Data untuk adsorpsi fisis sering kali dapat diungkapkan dengn persamaan emperis. Persamaan-persamaan umum untuk isotherm adsorpsi adalah : Freundlich : x = k 1 p

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

1/ n

27

Langmuir : x =

k zp 1 = k3 p = k 2 p untuk harga p kecil

dengan x =

beratadsorbat satuanberatadsorbent

p = tekanan partial dari gas yang teradopsi dalam fase gas n, k 1 , k 2 , k 3 , = konstante emperis. Adsorpsi kimiawi, atau chemisorption, melibatkan interaksi kimiawi diantara fluid teradsorpsi dan zat padat adsorben. Dalam banyak hal adsorpsi bersifat tak dapat balik, dan sulit memisahkan adsorbal dari adsorbent. Berdasarkan hal ini hanya adsorpsi fisis memberikan kemungkinan untuk operasi stage kontinu. Adsorpsi dipakai untuk memproses cairan maupun gas. Adsorbent yang umum dipakai meliputi silica gel, arang, alumina, zeolit sintetis dan macam-macam lempung. Bentuk kesetimbangan padat gas yang benar-benar sederhana terjadi pada sublimasi zat padat menjadi fase gas, atau langsung kristalisasi zat padat dari gas. Disini konsep tekanan uap digunakan tepat seperti yang dipakai dalam perssaan-persamaan 3.4 – 3.7. akan tetapi hanya satu komponen mengkristalkan atau mensublimasi, maka x = 1,0 untuk terkondensasi. Penukaran ion merupakan operasi cair padat lainnya, tetapi operasi yang mirip adsorpsi kimiawi. Damar padat penukar ion dibuat mencakup ion yang akan digesr tempatnya oleh ion adalah “zeolite water softener” (pelunak air dengan zeolit ), disini ion-ion natrium dalam dammar ditukar oleh ion-ion kalsium dalam air. Operasi penukaran ion di industri adalah kontak batch atau kontinu bukannya stage, jadi akan dibicarakan di tempat lain. 5. KESETIMBANGAN CAIR PADAT Dalam ekstraksi cair padat, pelarut cair digunakan untuk larutan zat padat yang tak dapat larut dari zat padat yang dapat larut. Larutan yang terjadi ada yang melekat pada sias yang tak larut. Stage setimbang dapat didefinisikan sebagai stage dengan cairan yagn melekat pada zat padat yang meninggalkannya mempunyai komposisi seperti fase ekstrak cair yang meninggalkannya. Kemudian perlu menentukan secara percobaan massa cairan yang melekat per satuan massa zat padat yang tak larut. Data semacam itu dapat dilukiskan pada diagram terner, seperti pada gambaaar 3.14. kurva yang terjadi disebut underflow loci dan tidak menggambarkan kondisi setimbang. Sebenarnya didalamnya tergambar pula kurva untuk perbanding yang konstan dari pelarut terhadap inert dan larutan terhadap inert dan kurva hasil percobaan untuk hati ikan dengan eter sebagai pelarut. “underflow” melukiskan zat padat inert murni, dan hipotenusa dari diagram terner menggambarkan larutan jernih. Setiap garis yang menghubungkan komposisi larutan jernih pada hepotenusa dengan sudut siku memotong underflow loci pada komposisi underflow. Maka dari itu, bagian dari garis berasal dari hepotenusa ke underflow loci adalah equilibrium tieline. Underflow locus menentukan kuantitas relative dari larutan yang melekat pada zat padat inert. Data dari gambar 3.14 melukiskan underflow loci. Bila data tersedia data hasil percobaan, hendaknya itu yang dipakai. Bila data terbatas, kurva seperti (1) dan (2) dapat digunakan sebagai pendekatan.

massapelarutyangmelarut =1 massainert massalarutyangmelarut Kurva (2) = Rasio konstan dari =1 massainert

Kurva (1) = Rasio konstan dari

Kurva (3) = kurva dari hasil percobaan hati dan eter

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

28

BAB 4

Kembali Ke Menu Utama

DISTILASI Distilasi yaitu proses pemisahan campuran cair-cair berdasarkan perbedaan titik didih atau tekanan uap. Pemisahan dari campuran liquid yang terdiri dari berbagai komponen menjadi komponennya masing-masing adalah merupakan salah satu bagian utama dari “Industri Proses”. Proses distilasi adalah yang paling banyak digunakan untuk mencapai tujuan tersebut khususnya pada oil refinery. Kolom distilasi dilengkapi dengan beberapa stage untuk memisahkan bagian uap dan liquid. Sebagai contoh pemisahan campuran benzene dari toluene hanya membutuhkan unit distilasi yang sederhana seperti ditunjukkan oleh Gambar 1.

Gambar 1. Pemisahan campuran biner (contoh Benzen dan Toluen) Walaupun pemisahan benzene dan toluene sangat sederhana, namun untuk mendapatkan produk dengan tingkat kemurnian yang tinggi dibutuhkan kolom distilasi dengan penyusunan yang lebih kompleks seperti ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2 Pemisahan campuran multi komponen (benzene dan toluene dalam crude styrene) 2.

KESETIMBANGAN VAPOUR–LIQUID Komposisi uap dan cair di dalam kesetimbangan telah dilakukan secara eksperimental di dalam kolom distilasi. Hasilnya seperti ditunjukkan pada diagram komposisi dan temperatur seperti ditunjukkan pada Gambar 3.

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

29

Gambar 3. Diagram Temperatur - Komposisi Kurva ABC pada Gambar 3a menunjukkan komposisi cairan yang mendidih pada setiap titik didihnya, dan kurva ADC menunjukkan komposisi pada temperature uapnya. Komposisi liquid x1 akan mendidih pada temperature didihnya T1, dan uap pada kesetimbanggannya ditunjukkan oleh titik D dari komposisi y1. Terlihat untuk setiap komposisi cairan x uap yang terbentuk akan lebih banyak didalam volatile komponen, dimana x adalah mole fraction dari volatile component didalam liquid, dan y di dalam vapour. Gambar 3b dan c memperlihatkan komposisi critical dimana xg yang merupakan uap mempunyai komposisi yang sama dengan liquidnya. Campuran pada kondisi kritik ini dinamakan juga azeotropes. Untuk tujuan distilasi, akan sangat memudahkan apabila diplotkan terlebih dahulu y terhadap x pada tekanan konstan, karena pada umumnya di dalam industri pengoperasian distilasu dilakukan pada tekanan yang konstan seperti ditunjukkan oleh Gambar 4.

Gambar 4 Komposisi uap sebagai fungsi komposisi liquid pada tekanan konstan 2.1

Penguapan parsial dan kondensasi parsial Apabila campuran benzene and toluene dipanaskan di dalam vessel yang tertutup dan temperature dijaga pada tekanan atmosfir seperti ditunjukkan pada Gambar 5, maka kurva pada titik didihnya ditunjukkan oleh ABCJ dan terhadap titik embunnya ditunjukkan oleh ADEJ terhadap temperatur. Jika suatu campuran dengan komposisi x2 pada temperature T3 dibawah titik didih, T2, seperti ditunjukkan oleh titik G pada diagram, kemudian dipanaskan pada pada tekanan konstan, beberapa hal berikut akan terjadi: (a) Ketika temperature mencapai T2, cairan akan mendidih, seperti ditunjukkan oleh titik B, dan dan uap pada komposisi y2, seperti ditunjukkan oleh titik E. (b) Pada pemanasan lanjut komposisi liquid akan berubah karena hilangnya komponen yang mudah menguap menjadi uap titik didihnya akan naik menjadi T’. Pada temperature ini liquid akan mempunyai komposisi seperti ditunjukkan oleh L, dan komposisi uapnya Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

30

ditunjukkan oleh titik N. Dikarenakan tidak ada material yang hilang dari system, akan terjadi perubahan bagian cair mencadi uap dengan rasio: (c) Pada pemanasan lanjut sampai T1, semua cairan akan diuapkan menjadi uap D dengan komposisi yang sama seperti y1. Superheated vapour ditunjukkan oleh titik H, setelah didinginkan pada titik D uap tersebut terkondensasi menjadi liquid pada titik K.

Gambar 5. Pengaruh penguapan parsial dan kondensasi parsial terhadap titik didih.

Gambar 6. Tekanan parsial dari campuran ideal

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

31

2.2

Tekanan Partial, dan Hukum Dalton’s, Raoult’s serta Henry’s Hukum Dalton’s untuk tekanan partial, P = ∑PA, yang merupakan total tekanan parsial. Tekanan parsial untuk gas ideal adalah: PA = yAP (4.1) Untuk campuran ideal berlaku hukum Raoult’s dimana tekana parsial bergantung pada konsentrasi liquid:

PA = PAo x A

(4.2) Dimana PoA adalah tekanan uap murni A pada temperature yang sama. Untuk liquid A yang terlarut pada solvent B berlaku hukum Henry’s: PA = H’xA (4.3) Garis OA pada Gambar 6 menunjukkan tekanan parsial PA dari campuran A, dan CB tekanan parsial PB, sementara total tekanan ditunjukkan oleh garis BA. Pada campuran komposisi D, tekanan parsial PA ditunjukkan oleh DE, PB oleh DF, dan total tekanan P oleh DG.

Gambar 7. Tekanan parsial untuk campuran non-ideal Gambar 7 menunjukkan tekanan parsial dari komponen A yang di plot terhadap fraksi mol dari camgaris 0C campuran mengikuti hukum Henry’s, dan untuk garis BA mengikuti hukum Raoult’s. Sehingga : dan

:

dengan demikian: (5.4) akan tetapi:

menjadi: (6.5)

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

32

Contoh Perhitungan 4.1 Tekanan uap dari n-heptane dan toluene pada 373 K adalah 106 dan 73.7 kN/m2. Berapakah fraksi mol dari n-heptane di dalam fdase uap dan cair pada 373 K jika tekanan total nya adalah 101.3 kN/m2 ?

Penyelesaian Sehingga dengan menggunakan pers 5 menjadi:

dan dengan menggunakan persamaan 4 : 2.3 Volatilitas Relative Hubungan antara komposisi uap yA dan liquid xA didalam kesetimbangan ditunjukkan di dalam perhitungan distilasi. Jika rasio tekanan parsial terhadap fraksi mol sebagai fungsi volatilitas, maka:

Rasio dari kedua volatilitas dikenal dengan volatilitas relative α yaitu:

Dengan mensubstitusikan PyA untuk PA dan PyB untuk PB diperoleh:

atau

Untuk campuran biner, yA = 1 – xA, dan yB = 1 – xB, maka:

(4.6)

atau

dan

(4.7)

(4.8) 2.4 Sistim Non-ideal Untuk sistim non-ideal system istilah γ, untuk koefisien aktifitas ditunjukkan oleh: (4.9) Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

33

atau (10) Koefisien aktifitas untuk fasa liquid γ1 dan γ2 tergantung pada temperature, tekanan dan konsentrasi. 3.

DISTILASI UNTUK CAMPURAN BINER (2 KOMPONEN) Kurva a dari Gambar 4 menunjukkan campuran biner dari komponen y – x., uap selalu lebih banyak pada komponen yang volatile. Ada 3 metoda utama yang diguinakan dalam teknik distilasi yaitu: (a) Differential distillation. (b) Flash atau equilibrium distillation, dan (c) Rectification. Dari kesemuanya itu, rectification adalah yang paling penting, dan berbeda dari yang lainnya dimana uap yang terkondensasi dikembalikan lagi ke dalan kolom sedang metoda yang lainnya, uap dibuang atau dikondensasi sebagai produk. 3.1

Differential distillation Contoh distilasi batch yang paling sederhana adalah distilasi satu tahap. Jika S adalah jumlah mol bahan didalam still, x adalah fraksi mol komponen A dan sejumlah dS, mengandung fraksi mol y dari A, kemudian diuapkan, sehingga material balance komponen Amenjadi:

dan

(4.11) Integrasi dari sisi kana persamaan diatas tersebut dapat diselesaikan secara grafik jika hubungan kesetimbangan y – x tersedia. Jika hubungan kesetimbangan berupa garis lurus seperti y = mx + c, kemudian:

atau

dan

(4.12)

(4.13)

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

34

Dengan persamaan di atas tersebut banyaknya liquid yang akan didistilasi dapat dihitung, begitu pula dengan material balance nya. Jika volatilitas relative dianggap konstan, maka y = αx/(1 + (α 1)x), persamaan (4.7) dapat disubstitusikan ke dalam persamaan 4.11 menjadi

(4.14) 3.2

Flash atau equilibrium distillation Distilasi kilat terdiri dari penguapan sebahagian tertentu zat cair sehingga uap yang keluar berada dalam kesetimbangan dengan zat cair yang tersisa, kemudian uap tersebut dipisahkan dari zat cair dengan kondensasi.. Distilasi kilat digunakan terutama untuk memisahkan komponenkomponen yang sangat berbeda titik didihnya. Metode ini tidak terlalu efektif untuk memisahkan komponen-komponen yang volatilnya sebanding, karena baik uap hasil kondensasi dan zat cair sisa tidak akan murni. Metode ini tidak terlalu efisien untuk distilasi skala industri bila kita menghendaki komponen yang hamper murni. Neraca bahan total: F = D + B Neraca Komponen: F.XF = D XD+B.XB Eliminasi B :

-qC

Enriching Section (Rektifikasi)

Distilat (Hasil Atas)

D XD

D XF − XB = F XD −XB

Eliminasi D :

Umpan F XF

B XD − XF = F XD −XB

Stripping Section (Pelucutan)

B XB

qr Hasil Bawah Gambar 8 Kolom Distilasi yang menunjukkan neraca massa Distilasi secara flash atau equilibrium kadang juga merupakan proses kontinyu yang terdiri dari penguapan fraksi liquid didalam kesetimbangan dan residunya sendiri juga liquid. Umpan biasanya dipompa melalui fired heater dan memasuki still melalui valve dimana tekanannya berkurang. Still ini biasanya memisahkan bagian uap diatas dan selanjutnya adan dikondensasikan lagi, sedangkan liquid pada bagian bawahnya. Untuk campuran biner A dan B, proses didalm distilasi adalah sbb: F = moles per unit waktu dari mol fraksi umpan xf dari A, V = moles per unit time dari uap yang terbentuk dengan y fraksi mol A, dan S = moles per unit time dari liquid dengan x fraksi mol komponen A, Sehingga, total neraca massa nya adalah:

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

35

F=V+S Dan untuk komponen yanhg lebih volatile: Fxf = Vy + Sx Sehingga:

atau (4.15)

Gambar 9. Data kesetimbangan untuk benzene–toluene Persamaan (4.15) tersebut menunjukkan garis lurus dengan slope: (4.16)

Gambar 10. Diagram titik didih untuk benzene–toluene Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

36

yang melewati titik (xf , yf ). Harga-harga dari x and y harus sesuai dengan data kesetimbangn. Harga-harga tersebut dapat diperoleh dari grafik x – y seperti ditunjukkan pada Gambar 9.

Contoh.6 Suatu campuran equimolar dari benzene – toluene akan dipisahkan dengan flah distilatin pada 100 kN/m2. Dengan menggunakan data kesetimbangan yang ditunjukkan Gambar 9, tentukan komposisi dari fraksi cair dan uap yang meninggalkan separator jika 25% umpan diuapkan. Untuk kondisi ini diagram titik didih seperti pada gambar 10 dapat digunakan untuk menentukan temperature cairan yang keluar.

Penyelesaian Fraksi penguapan = V/F = f (asumsi) Dengan m,enggunakan persamaan (16), slope adalah:

Jika f = 0.25, maka slope nya adalah: -(1 - 0.25)/0.25 = -3.0 Dengan meletakkan slope -3 pada gambar (9) dari titik (0.5, 0.5) maka akan diperoleh harga x = 0.42 dan y = 0.63. Dari diagram titik didih pada Gbr. (10) untuk x = 0.42 akan diperoleh harga untuk temperature liquid 366.5 K. Rektifikasi (Rectification) Untuk dua proses, dimana uap meninggalkan still didalam kesetimbangan pada waktu tertentu dan yang tertinggal adalah liquid, dan biasanya akan terjadi sedikit peningkatan konsentrasi dari komponen volatile. Kegunaan yang paling mendasar dari rectification adalah membuat dapat meninggalkan still dan liquid tertinggal. 3.3

3.4

Distilasi batch Pada distilasi batch, komponen yang lebih volatile diuapkan melalui still dimkana bagian uapnya akan meningkat secara progressive. 4.

KOLOM FRAKSINASI (FRACTIONATING COLUMN)

4.1

Proses Fraksinasi Bentuk umum dari kolom fraksinasi adalah seperti ditunjukkan oleh Gambar 11. Sederetan trays dipasang dimana alirang uap bisa mengalir keatas melalui tray. Liquid reflux mengalir melalui setiap tray diatas weir dan turun melaui downcomer ke tray dibawahnya. Uap yang terbentuk dari tray paling atas masuk ke condenser dan melalui accumulator atau reflux drum dan a reflux divider, dimana bahagian ini digambarkan sebagai produk overhead D, dan bahagian yang dikembalikan sebagai reflux adalah R. Cairan di bagian bawah dari kolom biasanya dipanaskan, apakah pakai steam atau aliran minyak panas dan uap akan naik dari tray bagian paling bawah. Dalam menganalisa operasi pada setiap tray sangatlah penting memperhatikan, uap yang naik dan reflux yang turun tidak berada dalam kesetimbangan.

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

37

Gambar 11. Kolom fraksinasi dengan bagian rectifying dan stripping (proses kontinyu) Pada setiap tray sistim cenderung mencapai keadaan setimbang, karena: (a) Beberapa komponen volatile terkondensasi dari uap yang naik menjadi liquid sehingga menaikkan konsentrasi komponen volatil. (b) Beberapa komponen yang kaya akan volatile diuapkan dari liquid pada tray, sehingga menurunkan konsentrasi komponen volatile didalam liquid. 4.2. Jumlah plate yang dibutuhkan di dalam kolom distilasi Dalam merancang unit distilasi sangatlah penting mengetahui berapa jumlah plate yang dibutuhkan. Perlu diketahui juga aliran material dan panas di tray, condenser, reboiler, dan data thermodynamicnya. Empat aliran yang terlibat dalam perpindahan massa dan panas disetiap tray ditunjukkan oleh Gambar 12. Gambar 12 memperlihatkan plate n menerima liquid Ln+1 dari plate n + 1, dan vapour Vn-1 dari plate n - 1 dibawahnya. Plate n mensuplai liquid Ln ke plate n - 1, dan vapour Vn ke plate n + 1.

Gambar 12 Material balance pada plate Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

38

Heat balance pada plate

A heat balance melalui plate n dapat ditulis sbb:

Ln +1 H nL+1 + Vn −1 H nV−1 = Vn H nV − Ln H nL + losses + panas _ karena _ pengadukan (17) Dimana:

H nL

H

: Enthalpi per mol liquid pada plate n

V n

: Enthalpi per mol vapor pada plate n Persamaan tersebut sangat sulit diaplikasikan untuk campuran cair, sehingga diperlukan beberapa asumsi. Untuk tenggang waktu yang jauh, panas yang hilang bias diabaikan, dan untuk system yang ideal panas karena pencampuran adalah nol. Untuk campuran, panas molar penguapan adalah konstan dan tidak tergantung pada konsentrasi. Sehingga 1 mol uap Vn-1 pada proses kondensasi melepaskan panas yang cukup untuk membebaskan vapor Vn. Hal ini mengikuti Vn = Vn-1, sehingga molar vapour yang mengalir adalah konstan. Perubahan temperature dari plate L yang satu dengan yang lainnya adalah kecil, sehingga H nL adalah sama dengan H n +1 begitu juga untuk Ln = Ln+1, sehingga Vn and Ln adalah constant pada daerah rectifying, and Vm and Lm adalah constant pada bahagian stripping.

Menghitung jumlah plate menggunakan metoda Lewis–Sorel

Suatu unit operasi seperti pada gambar 13, dimana feed F didistilasi menghasilkan produk atas D dan produk bawah W, dengan xf , xd, dan xw adalah fraksi mol dari masing-masing komponen volatile dan uap Vt timbul dari top plate dikondensasi, kemudian sebagiannya dikembalikan lagi sebagai liquid pada titik didihnya ke column as reflux, sisanya dilepas sebagai produk, kemudian material balance pada plate n, ditunjukkan oleh loop I pada Gambar 13 memberikan:

Vn = Ln+1 +D

(4.18)

Persamman yang menunjukkan neraca untuk komponen volatil: Thus:

ynVn = Ln+1xn+1 + Dxd

(4.19)

Gambar 13. Material balances pada top dan bottom dari kolom distilasi Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

39

Persamaan 4.19 di atas tersebut untuk komposisi uap yang naik ke plate atas liquid yang ada diatas feed plate., Karena molar liquid overflow adalak konstan Ln dapat digantikan dengan Ln+1 sehingga:

(4.20) Dengan cara yang sama, total material balance untuk semua aliran dan komponen volatile dari bawah sampai atas plate m, ditunjukkan oleh loop II pada Gambar 13, dimana Lm = Lm+1 sehingga: Lm = Vm +W (4.21) dan: ymVm = Lmxm+1 – Wxw sehingga: (4.22)

Gambar 14. Perhitungan jumlah plate dengan metoda Lewis–Sorel Persamaan (4.22) ini sama dengan persamaan (4.20) yang menunjukkan hubungan antara komposisi uap yang yang mencapai plate dan liquid yang ada pada plate untuk bahagian di bawah feed plate.

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

40

Contoh 11.7 Suatu campuran benzene dan toluene mengandung 40 persen mol benzene dipisahkan menghasilkan 90 persen mol benzene pada bagian atas, dan pada bagian bawah mengandung 10 persen mol benzene. Umpan memasuki kolom pada titik didihnya, dan uap meninggalkan kolom dikondensasi, tetapi tidak didinginkan, kolom juga dilengkapi dengan reflux. Kolom dioperasikan rengan reflux ratio 3 kmol/kmol produk. Hitung berapa plate teoritis yang dibutuhkan dan posisi umpan masuk. Diagram kesetimbangan pada 100 kN/m2 ditunjukkan oleh Gambar 14.

Penyelesaian Total neraca massa untuk umpan 100 kmol adalah: 100 = D + W Neraca massa untuk more volatile component (MVC) benzene adalah:

(100 × 0.4) = 0.9 D + 0.1 W selanjutnya: 40 = 0.9(100 - W) + 0.1 W dan: W = 62.5 and D = 37.5 kmol Dengan menggunakan notasi seperti pada Gambar 13 menjadi: Ln = 3D = 112.5 and: Vn = Ln + D = 150 Kemudian, dari pers (20) diperoleh top operating line:

(37.5)(0.9) ⎛ 112.5 ⎞ yn = ⎜ ⎟ x n +1 + 150 ⎝ 150 ⎠ y n = 0.75 x n +1 + 0.225

(i)

Karena umpannya semuanya liquid pada titik didihnya, kesemuanya tersebut akan dan menaikkan reflux pada plate dibawahnya. Kemudian: Lm = Ln + F = (112.5 + 100) = 212.5 Juga: Vm = Lm - W = 212.5 - 62.5 = 150 = Vn Selanjutnay:

⎛ 62.5 ⎞ ⎛ 212.5 ⎞ ym = ⎜ ⎟(0.1) ⎟ x m +1 − ⎜ ⎝ 150 ⎠ ⎝ 150 ⎠ y m = 1.415 x m +1 − 0.042

(ii)

Dari kedua persamaan (i) and (ii) dan kurva kesetimbangan, komposisi dari beberapa plate dapat dihitung apakah dari still ke condenser maupun sebaliknya. Karena semua uap dari kolom dikondensasi di condenser, komposisi uap dari plate atas yt sama dengan pada produk xd,dan liquid tersebut dikembalikan sebagai reflux xr. Komposisi liquid xt dari plate atas didapatkan dari kurva kesetimbangan, karena komposisi uap dalam kesetimbangan, yt = 0.90, xt = 0.79. Harga dari yt-1 didapatkan dari persamaan (i) yaitu:

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

41

yt-1 = (0.75 × 0.79) + 0.225 = (0.593 + 0.225) = 0.818 xt-1 didapatkan dari kurva kesetimbangan yaitu 0.644 yt-2 = (0.75 × 0.644) + 0.225 = (0.483 + 0.225) = 0.708 xt-2 dari kurva kesetimbangan = 0.492 yt-3 = (0.75 × 0.492) + 0.225 = (0.369 + 0.225) = 0.594 xt-3 dari kurva kesetimbangan = 0.382

Komposisi xt-3 hampir sama dengan nilai umpan yang diumpankan ke plate (t - 3). Untuk kolom yang lebih dibawahnya, dapat digunakan persamaan (ii). Sehingga:

yt.4 = (1.415 × 0.382) - 0.042 = (0.540 - 0.042) = 0.498 xt-4 dari kurva kesetimbangan = 0.298 yt-5 = (1.415 × 0.298) - 0.042 = (0.421 - 0.042) = 0.379 xt-5 dari kurva kesetimbangan = 0.208 yt-6 = (1.415 × 0.208) - 0.042 = (0.294 - 0.042) = 0.252 xt-6 dari kurva kesetimbangan = 0.120 yt-7 = (1.415 × 0.120) - 0.042 = (0.169 - 0.042) = 0.127 xt-7 dari kurva kesetimbangan = 0.048 Liquid xt-7 lebih encer dari minimum yang diinginkan dan dibuang sebagai bottom produt. Kemudian, xt-7 bisa disamakan dengan reboiler, sehingga akan ada 7 plate pada kolom tersebut. Metoda McCabe danThiele

Beberapa assumsi untuk memudahkan yang digunakan adalah panas molar penguapan konstan, tidak ada panas yang hilang, dan tidak ada panas pencampuran, hal ini akan membuat molar aliran uap konstan dan aliran molar reflux konstan pada setiap bagian dari kolom, yaitu: Vn = Vn+1, Ln = Ln+1, dan selanjutnya. Dengan menggunakan assumsi diatas tersebut, kedua persamaan di atas menjadi:

(4. 20) dan

(4. 22) Persamaan-persamaan tersebut digunakan oleh Lewis–Sorel untuk menghitung hubungan antara komposisi liquid di plate dan uap yang menguap dari plate. McCabe dan Thiele menyatakan bahwa persamaan-persamaan tersebut merupakan garis lurus yang menghubungkan antara yn dengan xn+1 dan ym dengan xm+1, garis tersebut juga dapat digambarkan pada kurva kesetimbangan dan merupakan jumlah stage yang diperlukan. Sehingga persamaan (20) tersebut akan melewati titik-titk 2, 4 dan 6 seperti ditunjukkan pada gambar 14, dan dengan cara yang sama persamaan (22) akan melewati titik-titik 8, 10, 12 dan14. Jika xn+1 = xd pada persamaan (20), maka:

dan persamaan tersebut menunjukkan garis yang memotong titik yn = xn+1 = xd. Jika xn+1dianggap nol, maka yn = Dxd/Vn, akan memberikan titik kedua yang mudah sekali ditentukan. Kemudian garis operasi diatas digambarkan melalui dua titik koordinat (xd, xd ) dan (0, (Dxd/Vn)). Untuk garis operasi pada bagian bawah, persamaan (14), jika xm+1 = xw, maka: Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

42

Karena Vm = Lm - W, persamaan tersebut akan mengikuti ym = xw. Kemudian garis operasi bawah akan pmelewati titik C, yaitu (xw, xw), dan mempunyai slope Lm/Vm. Jika kedua garis operasi telah digambarkan, jumlah stage yang dibutuhkan dapat ditentukan dengan menggambarkan antara garis operasi dan kurva kesetimbangan dimulai dari titik A. Metoda ini adalah salah satu konsep yang paling penting pada teknik kimia yang merupakan alat untuk menyelesaikan permasaalahan distilasi. Asumsi molar overflow konstan tidak dibatasi karena perbedaan molar panas penguapan Cuma 10 persen. Metoda ini tidak punya batasan-batasan, tetapi jangan digunakan untuk volatilitas relative antara 1.3 – 5, reflux ratio kurang dari 1.1 kali minimum, atau jika lebih dari 25 jumlah tray yang dibutuhkan.

Gambar 15. Menghitung jumlah plate dengan metoda McCabe – Thiele

Contoh 8 Perhitungan plate dengan metoda McCabe-Thiele Contoh 7 dikerjakan dengan metoda ini sekarang. Kemudian, dengan komposisi feed , xf = 0.4, komposisi bagian atas, xd harus bernilai 0.9 dan komposisi bawah, xw harus 0.10. Relux ratio, Ln/D = 3.

Penyelesaian (a) Dari material balance untuk umpan 100 kmol: Vn = Vm = 150; Ln = 112.5; Lm = 212.5; D = 37.5 dan W = 62.5 kmol Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

43

(b) Kurva equilibrium dan garis diagonal digambarkan seperti pada Gambar 15. (c) Persamaan untuk garis operasi atas adalah: yn = 0.75xn+1 + 0.225 (i) Sehingga, garis AB digambarkan melalui titik A (0.9, 0.9) dan B (0, 0.225). (d) Persamaan untuk garis operasi bawah adalah: (ii) ym = 1.415xm+1 - 0.042 Persamaan tersebut ditunjukkan oleh garis CD melalui titik C (0.1, 0.1) pada slope 1.415. (e) Dimulai dari titik A, garis horizontal digambarkan memotong garis kesetimbangan pada titik 1. Garis lurus vertical ditarik ke bawah dari titik 1 ke garis operasi pada titik 2 dan prosedur ini diulang untuk mencapai titik-titk 3–6. (f) Garis horizontal ditarik dari titik 6 memotong garis kesetimbangan pada titik 7 dan garis vertical dari titik 7 ke garis operasi bawah pada titik 8. Prosedur ini diulang untuk mendapatkan titik-titk 9 – 16. g) Jumlah stage dihitung pada titik-titk 2, 4, 6, 8, 10, 12, dan 14 yang memberikan jumlah plate sebanyak 7 buah.

Kolom Enrichment dan Kondensor

Titik 16 pada Gambar 15 menunjukkan konsentrasi liquor di dalam still. Konsentrasi uap ditunjukkan oleh titik 15, sehingga enrichment ditunjukkan oleh kenaikan 16–15 yang dicapai oleh boiler atau still body. Konsentrasi dari top plate ditunjukkan oleh titik 2, tetapi konsentrasinya ditunjukkan oleh titik 1, dan konsentrasi uap yang dikondensasi oleh kondensr ditunjukkan oleh titik A. Sehingga still dan condenser secara bersama memperkaya (16 - 15) + (1 - A), yang setara dengan satu ideal stage. Dengan kata lain jumlah plate teoritis sebenarnya yang dibutuhkan adalah dikurang satu dari jumlah plate yang ditunjukkan pada diagram. Dari cairan didalam still, dari titik 16 sampai ke produk pada titik A, ada 8 tahap, walaupun stage yang dibutuhkan secara teoritis Cuma tujuh pada kolom tersebut.

Intercept Garis Operasi

Dari Gambar 15 terlihat umpan masuk berupa liquid pada titik didihnya dimana dua garis operasi berpotongan pada koordinat titik X dari xf. Jika perpotongan ke dua garis operasi pada koordinat (xq, yq ), maka dari persamaan (4.20) dan (4.22): dan: atau:

Vnyq = Lnxq + Dxd

(4.23)

Vmyq = Lmxq - Wxw

(4.24)

yq(Vm - Vn) = (Lm - Ln)xq - (Dxd + Wxw)

(4.25)

Material balan pada feed plate nya adalah: atau:

F + Ln + Vm = Lm + Vn Vm - Vn = Lm - Ln -F

(4.26)

Untuk mendapatkan hubungan antara Ln dan Lm, dibutuhkan enthalpy balance pada plate, dan apa yang terjadi pada saat feed masuk ke dalam kolom. Jika semua feed dalam bentuk liquid pada titik didihnya, reflux Lm yang tumpah ke plate di bawahnya menjadi Ln + F. Jika temperature feed (liquid) Tf, dibawah titik didihnya, sebagian uap dari plate di bawahnya akan terkondensasi dan memberikan panas yang cukup pada umpan mencapai titik didihnya.

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

44

Jika Hf adalah enthalpy per mol umpan, dan Hf s adalah enthalpy sati mol umpan pada titik didihnya, kemudian panas yang disupply untuk membuat feed pada titik didihnya F(Hf s - Hf ), dan jumpah panas yang dibutuhkan untuk menguapkan per mol umpan adalah F(Hf s - Hf )/λ, dimana λ panas laten molar dari uap. Reflux liquor nya adalah:

Lm = Ln + F +

F ( H fs − H f )

λ

⎛ λ + H fs − H f = Ln + F ⎜⎜ λ ⎝ = Ln + qF

⎞ ⎟⎟ ⎠

dimana:

q=

(4.27)

panas _ untukmenguapkan _ 1 _ mol _ umpan panas _ laten _ molar _ umpan

Kemudian, dari persamaan (26): Vm - Vn = qF – F

(4.28)

Gambar 16. Pengaruh kondisi umpan pada perpotongan garis operasi untuk reflux ratio terbatas Material balance untuk komponen yang mudah menguap pada seluruh kolom adalah:

Fxf = Dxd + Wxw Kemudian, dari persamaan (4.25): F(q - 1)yq = qFxq - Fxf Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna)

45

atau:

⎛ xf ⎞ ⎛ q ⎞ ⎟⎟ ⎟⎟ x q − ⎜⎜ y q = ⎜⎜ ⎝ q −1⎠ ⎝ q −1⎠

(4.29)

Persamaan ini dikenal dengan persamaan garis-q. Jika xq = xf, maka yq = xf . Sehingga perpotongan dua garis operasi merupakan garis lurus dengan slope q/(q - 1) melewati titik (xf , xf ). Jika yq = 0, xq = xf /q. Berdasarkan definisi garis-q, slope garis-q disebabkan oleh keadaan sebagai berikut. q>1 q line / (a) Umpan yang dingin sebagai cairan q=1 q line | (b) Umpan pada titik didihnya q line (c) Umpan sebagian uap 01 q=1 0