PEMISAHAN DIFFUSIONAL Didalam Industri Kimia, selain proses kimia terlibat juga operasi fisika, yang pada umumnya tidak tunggal (banyak), walaupun untuk satu macam produk yang disebut “UNIT OPERATION” ( OTK ) Macam operasi teknik kimia : 1. Transport ( Padat , cair, gas, Campuran ) 2. Pemisahan Mekanik ( Filtrasi, Sedimentasi , Pengayakan, dll. 3. Pemisahan Difusional . Distilasi . Ekstraksi . Absorpsi . Humidifikasi . Adsorpsi . Pengeringan PEMISAHAN DIFUSIONAL Difusi : Perpindahan massa yang diakibatkan perbedaan konsentrasi ( internal ). Bentuk‐bentuk perpindahan massa •
•
Konveksi ( aliran ) 9 Penyebabnya beda konsentrasi eksternal 9 Perpindahan relatif cepat 9 Searah aliran Difusi ( bisa dengan atau tanpa aliran ) 9 Penyebabnya beda konsentrasi internal 9 Perpindahan relatif lambat 9 Tegak lurus aliran ( bila ada aliran )
Tujuan perpindahan ini secara umum adalah untuk mencapai kesetimbangan yang lebih mantab ( Keadaan serba sama )
PRINSIP SEPARASI ( PEMISAHAN ) Semua proses separasi / pemisahan dijalankan dengan membuat dua atau lebih zone keberadaan bersama, yang dapat berbeda dalam hal : suhu, tekanan, komposisi atau fasanya ( Perry R. H ) PRINSIP DISTILASI Distilasi dijalankan dengan memilih zone keberadaan bersama adalah fasa cair dan uap ( yang berkesetimbangan ), pada suhu dan tekanan yang sama, sedang perbedaan yang dikehendaki adalah komposisi ( dikedua fasa ! )
Untuk membuat kedua fasa berkontak dengan intim, digunakan sejumlah alat disebut piring ( tray ) atau pelat, yang disusun didalam silinder, yang disebut kolam / menara distilasi. PENDEKATAN MASALAH •
Distilasi kilat ( Flash, satu tahap )
•
Distilasi Biner
•
Distilasi Multikomponen
•
Distilasi Azeiotrop
VARIASI MASALAH •
Reflex dan reflek rasio
•
Jumlah tahap
•
Jumlah pelat
•
Letak pelat umpan
•
Kondensor total / partial
•
Neraca massa dan panas
VARIASI ALAT ‐
Pelat : 1. bubble cup tray
2. Sieve tray ‐
Unggun ( Isian ): 1. Raschig ring 2. Berl Saddle
VARIASI METODA
•
Metoda Mc. Cabe – Thiele
•
Metoda Ponchon – Savarit
•
Metoda Fenske – Underwood
•
Metoda Thiele – Geddes
•
Metoda lainnya
DISTILASI Adalah cara pemisahan komponen dengan menggunakan sifat perbedaan distribusi komponen pada fasa uap dan fasa cair, bila masing‐masing komponen berada pada kedua fasa. Bandingkan dengan pemisahan lain berikut : 9 Larutan garam dapur dipanaskan. Air dengan sempurna dapat menguap tanpa mengubah jumlah garam didalam larutan, karena garam bersifat non‐volatil. ( Operasi ini disebut Evaporasi ) 9 Pada distilasi masing‐masing komponen adalah volatil. Bila larutan amonia dikontakkan dengan udara maka amonia akan terpisah dengan air. Tetapi hal ini bukan pemurnian karena amonia sekarang bercampur dengan udara. 9 Bila larutan amonia diuapkan sebagian maka terbentuk fasa uap, yang isinya amonia dan air. Fasa uap lebih kaya akan amonia daripada fasa cair, dengan demikian telah terjadi pemurnian, terbatas. 9 Hal tersebut dapat diulang‐ulang sampai kemurnian yang diinginkan 9 Pada distilasi tidak diperlukan bahan lain, sebagai medium pemisah ( bebrbeda dengan absorbsi dan ekstraksi ) Dengan demikian dapat lebih murni. KESETIMBANGAN UAP‐CAIR Untuk campuran A‐B dengan A lebih Volatil, tekanan uap murni A pada sembarang suhu, akan lebih besar daripada tekanan uap murni B. Kesetimbangan uap‐cair zat murni digambarkan diagram tekanan uap – suhu.
Bagaimana kalau tidak murni ? Untuk larutan ( yang ditinjau biner ) ada variabel yang ikut berperan yaitu konsentrasi, biasanya sebagai molfraksi KESETIMBANGAN PADA TEKANAN TETAP 9 Kurva atas menunjukan hubungan t‐y 9 Kurva bawah menunjukan hubungan t‐x 9 Uap dan cair yang berkesetimbangan adalah pada t dan p yang sama, sehingga posisinya digambarkan garis DF. ( DF ) 9 Titik D menggambarkan cair jenuh 9 Titik F menggambarkan uap jenuh 9 Titik E menggambarkan campuran uap‐cair, dengan hubungan. Mol D ( Cair ) = Panjang EF Mol F ( uap ) Panjang DE 9 Hubungan dalam kurva ini dapat ditampilkan dengan cara lain, yaitu XA Vs YA
• •
•
Semakin jauh jarak kurva kesetimbangan terhadap diagonal maka semakin jauh komposisi uap terhadap komposisi larutan, sehingga pemisahan dengan distilasi semakin mudah. Kemudahan pemisahan dihitung sebagai faktor pemisahan, atau volatilitas relatif ( ) / ………………………………………. 2 ) / Bila Y* = X maka £ = 1 artinya tidak terjadi pemisahan.semakin besar £ diatas pemisahan semakin mudah.
KESETIMBANGAN BERBAGAI TEKANAN HUKUM RAOULT Tekanan parsial kesetimbangan, suatu komponen pada suhu tertentu, besarnya sama dengan hasil kali tekanan uap murni pada suhu tersebut dengan fraksi molnya. A* = PA . XA ………………………………………………………………………… ( 3 ) 1 , = PA . XA + PB ( 1 – XA ) ………………………………………….….. ( 4 )
yA
1
yA
.
… … … … … … … … … … … … … … … … … … … 5
1
… … … … … … … … … … … … … . 6
Sehingga dari hub (2) dapat dihitung α =
DUA CARA DISTILASI a) Tanpa Reflek Campuran zat cair dididihkan untuk membuat uap. Uap yang terbentuk dipisahkan dan diembunkan, tanpa mengembalikan sama sekali embunannya. b) Dengan Reflek Uap yang dipisahkan, setelah diembunkan dikembalikan sebagian ke dalam kolom didih, agar mengalami kontak akarb dengan uap yang menuju kondensor. Masing‐masing cara dapat dioperasikan secara batch / tumpak atau kontinu / sinambung. DISTILASI KILAT – CAMPURAN BINER Adalah distilasi satu tahap, dengan cara menguapkan sebagai cairan, sehingga berkesetimbangan dan memisahkan uapnya untuk diembunkan. Dimisalkan mol campuran cairan dipanaskan sehingga fraksi mol yang menjadi uap adalah f. Neraca bahan untuk zat yang lebih volatil XF . 1 = f . yD + ( 1 – f ) XB ……………………………………………………… ( 6 ) Besaran yang tidak diketahui adalah XB, YD Hal tersebut harganya didapat dari kurva kesetimbangan, karena YD dan XB adalah koordinat dari satu titik.
Bila, yD diganti y dan XB diganti X, Maka didapat 1 y … … … … … … … … … … … … … … … … … … . 7 koef. Arah garis y Vs x Diberlakukan untuk umpan X=XF ‐Æ Y = XF = X ‐‐‐‐‐> pada garis diagonal • Bila umpan cair jenuh ( f = o ) 1 ∞ ; 90 • Bila umpan uap jenuh (f = 1 ) 1 0 ; 0
180
a = umpan cairan dingin b = umpan campuran uap – cair c = umpan uap lewat panas Distilasi kilat / flash digunakan untuk memisahkan komponen campuran yang volatilitasnya jauh. Bila volatilitasnya dekat maka hasilnya kurang murni, karena perbedaan komposisi uap dengan cairan kecil. Kemurnian menjadi tinggi bila proses ini diulang‐ulang. Dan inilah dasar dari metode Rektifikasi. REKTIFIKASI DISTILASI KONTINU – DENGAN REFLUX Susunan banyak piring / pelat, diberi nomer dari atas ke bawah. Yang terlibat dengan piring n
• Uap keluar Vn, Komposisi Yn • Cair keluar Ln, komposisi Xn • Uap masuk Vn + 1 • Cair keluar Ln – 1 komposisi Xn – 1 FAKTOR PERANCANGAN KOLOM • Jumlah piring yang diperlukan • Diameter kolom • Kalor dibuang dalam reboiler • Jarak antar piring • Jenis piring yang dipilih, dan • Rincian kontruksi piring Modal untuk menetapkan faktor‐faktor tersebut Neraca bahan Neraca energi Keseimbangan fase NERACA BAHAN Neraca total : F = D + B .............................................................................................. ( 8 ) Neraca Komp A : F.XF = D x D + B.XB ......................................................................... ( 9 ) Dengan mengeliminasi B didapat = XF – XB .................................................................................................................... ( 10 ) F XD ‐ XB
Dengan mengeliminasi D didapat = XD – XF ................................................................................................................ ( 11 ) F XD ‐ XB Pers ( 10 ) berlaku untuk daerah diatas pelat umpan. Pers ( 11 ) berlaku untuk daerah dibawah pelat umpan. LAJU ALIRAN NETO •
•
Diatas piring umpan D = Vn + 1 – Ln ............................................................................................... (12 ) D.XD = Vn + 1 . Yn + 1 – Ln . Xn ....................................................................... ( 13 ) Dibawah Piring Umpan B = Lm – Vm + 1 ........................................................................................... ( 14 ) B.XB = Lm. Xm – Vm + 1 . Ym + 1 ................................................................... ( 15 )
GARIS OPERASI •
Kolom Bagian atas ( Reaktifikasi ) Yn
•
1
.
.
.......................................................................... ( 16 )
Kolom Bagian Bawah ( Stripping ) Ym
1
.
.
....................................................................... ( 17 )
Persamaan diatas meskipun disusun berdasar neraca massa tetapi mempunyai makna ( besar ) untuk penyelesaian secara grafis ! Mengapa ? • • •
Hub Y Vs x berupa garis lurus Koefisian arah Intersep ( ordinat bila harga X = 0 )
ANALISA DENGAN METODA Mc. CABE – THIELE • • • • •
Digunakan pers ( 16 ) dan ( 17 ) bersama kurva kesetimbangan pada diagram X Vs Y Dari Pers ( 16 ) dan ( 17 ) besaran Ln dan Lm menjadi penentu apakah kurva akan berupa garis lurus Dalam kenyataan, besaran Ln dan Lm mendekati konstan. Untuk metoda ini besaran tersebut “dianggap” konstan ( constant molal overflow ) Dengan demikian indeks n‐1, n, n + 1 dan m‐1, m, m + 1 dapat dihilangkan ( bila perlu ! ) Selanjutnya karena garis operasi berupa garis lurus maka garis tersebut dapat dibuat bila diketahui koordinat dua titik saja.
RASIO REFLUX •
Adalah rasio reflux terhadap hasil atas
Pers ( 16 ) dapat diubah menjadi
Yn
1
/
atau
...................... ( 18 )
( Garis operasi bagian rektifikasi ) Untuk menggambarkan dapat menggunakan •
Titik ke – 1 1
XD dan R merupakan kondisi yang ditentukan perancangan •
Titik ke – 2
Diambil Xn = XD , Sehingga pers ( 18 ) menjadi Yn + 1 = XD, artinya garis operasi atas memotong titik ( XD, XD ) pada diagonal. Piring Atas
Kondensor Total Kondensor Parsial Garis Operasi Bawah Bila pers ( 17 ) ditulis untuk limpahan molal konstan, maka didapat Ym
1
L B
. L B
.................................................................................... ( 19 )
•
Pada saat Xm = XB maka Ym + 1 = XB, artinya garis operasi bawah melalui titik ( XB, XB ) pada diagonal
•
Selanjutnya dari titik tersebut dapat ditarik garis dengan kemiringan
Piring terbawah dan pendidihan ulang Umpan Kondisi umpan mempunyai 5 kemungkinan : a) b) c) d) e)
Cair dingin Campuran uap – cair Uap lewat panas Cair jenuh Uap jenuh
Kelima kemungkinan kondisi ini diwakili oleh simbul tunggal q, dimana Umpan dingin , q > 1 Umpan cair jenuh, q = 1 Umpan campuran uap – cair , o < q < 1 Umpan uap jenuh , q = 0 Umpan uap leawat panas, q < 0 Umpan cair dingin mengikuti hubungan q
1
Umpan uap lewat panas mengikuti hubungan q
1
, dimana
Cpl, Cpv = kalor spesifik cair dan uap Tf
= suhu umpan
Tb, Td = tituik gelembung, titik embun
= kalor penguapan
•
Garis umpan mempunyai persamaan y
•
1
1
Garis ini memotong diagonal pada X = Xf
MENARIK GARIS OPERASI 1. Tentukan letak garis umpan 2. Hitung
RD
3. Tarik garis operasi atas, dari ( XD, XD ) ke
RD
4. Tarik garis operasi bawah, dari ( XB, XB) ke titik potong garis operasi dengan garis umpan LETAK PIRING UMPAN • •
Gambarkan garis operasi atas dan bawah Tentukan banyaknya piring ideal dengan segitiga berjenjang mulai XD ke bawah
•
• •
Pada saat mencapai sekitar titik potong antar garis operasi timbul masalah, garis mana yang akan diikuti untuk meneruskan membuat segitiga ( kapan mulai pindah ? ) Pedomannya adalah harus memberikan perkayaan maksimum, arti lain adalah jumlah piring minimum. Letak piring umpan adalah segitiga yang memuat titik potong kedua garis operasi
PEMANAS DAN PENDINGIN Kehilangan kalor ke sekeliling dapat diabaikan, karena kolom diisolasi. Perpindahan kalor selalu terjadi pada kondensor untuk membuat kondensat, dan pada reboiler, untuk membuat uap. Bila umpan berupa cairan pada titik gelembung maka kalor yang diberikan melalui reboiler sama dengan kalor yang diambil pada kondensor. Kalor yang ditambahkan pada reboiler
V = Uap Reboiler
= kalor laten campuran
Jika digunakan uap jenuh maka diperlukan sebanyak ms
.
Jika digunakan air pendingin pada kondensor maka diperlukan sebanyak .
mc
2
1
t2 ‐ t1 = kenaikan suhu air Contoh Soal : Merancang kolom fraksionasi untuk memisahkan 30.000 lb/jam campuran yang terdiri dari 40% benzena dan 60% toluena, menjadi hasil atas yang mengandung 97% benzena dan hasil bawah 98% toluena Rasio reflek dipilih 3,5 mol reflex /mol hasil panas laten benzena 7960 kal/gmol dan untuk benzena – toluena mempunyai volatilitas relatif 2,5. Titik didih umpan 95o pada 1 atm. a) Hitunglah banyaknya mol hasil atas dan hasil bawah per jam b) Tentukan banyaknya piring ideal dan letak piring umpan, bila : i. Umpan berupa cair pada titik didihnya ii. Umpan berupa cair pada 20oC ( kalor spesifik 0,44) iii. Umpan berupa 2/3 uap dan Y3 cair. c) Jika pemanas dipakai uap 20 lbf/in3 , berapa diperlukan pada masing‐masing kasus b) bila reflek adalah cair jenuh d) Jika air pendingin masuk kondensor 80oF berapa banyaknya air diperlukan. Jawab : BM Benzena = 78 ; BM toluen = 92 /
XF
0,44 ;
/
BM Umpan rata‐rata =
/
85,8
Panas penguapan umpan, rata – rata 0,44 7360 = 7696 kal/gmol
0,56 7960
0,97 ;
/
0,0235
Dari Umpan , F =
.
350
, D
Umpan hubungan ,
/
F
Didapat D = 153,4 lbmol/jam B = 196,6 lbmol/jam (i) Langkah pertama menggambarkan diagram keseimbangan, menarik garis vertikal XD, XF, dan XB. Garis tersebut sampai memotong diagonal. Berikutnya menarik garis umpan karena q = 1 maka tinggal meneruskan garis X = XF Garis
operasi ,
RD
atas
0,216
,
ditarik ,
dari ,
ordinat
sebesar
Garis operasi bawah ditarik dari titik ( XB, ... ) dan titik potong garis operasi atas dengan garis umpan. Membuat jenjang‐jenjang segitiga siku‐siku antara garis operasi dan garis kesetimbangan. Perpindahan dari garis operasi atas ke garis operasi bawah pada jenjang ke tujuh. Terdapat 12 langkah ( satu reboiler dan 11 piring ideal ) Kalor laten penguapan = 7696 kal / gmol = 161,5 Bt / lb Dari q
1
maka
q = 1,37 karena penamaan garis umpan y
maka koefisien arahnya ,
,
,
3,7
Setelah dikonstruksi seperti langkah ( i ) maka didapat gambar ( ii ) , yang memuat : • •
11 langkah ( sebuah reboiler dan 10 piring ) Umpan masuk piring kelima
( ii ) untuk q = 1/3 maka koefisien arah = ‐ 0,5 Hasil akhirnya adalah diperoleh : •
13 langkah ( sebuah reboiler dan 12 piring )
•
Umpan masuk piring ke tujuh.
Uap puncak yang diembunkan 4,5 mol/mol hasil atas, atau 4,5 x 153,4 = 690 mol/j 1
Dari V=
maka
690
350 1
Dipakai kalor penguapan toluen , = 7960 kal/gmol Ata = 14,328 Btu/lbmol Panas laten uap 20 lbf/in = 939 Btu / lb .
=
.
=
,
690
350 1
Dari harga‐harga q pada situasi b) dimasukkan maka didapat . Q Ms, Lb/jam piring 1,0 10,530 11 1,37 12,500 10 0,33 6,970 12 d ) Air pendingin diperlukan untuk ketiga situasi diatas adalah sama ,
. 2
1
141,230 /
JUMLAH PIRING MINIMUM Kemiringan garis operasi atas
akan bertambah dengan bertambahnya rasio reflek pada
saat garis operasi atas berimpit dengan diagonal maka kondisi ini disebut reflek total dan akan mendapatkan jumlah piring minimum. Situasi ini ditinjau oleh FENSKE sebagai :
min
1
log
1 log
1
/ PB
REFLUK MINIMUM • • • •
Untuk refluk < refluk total maka jumlah piring akan makin banyak Pada suatu harga refluk tertentu maka jumlah piring menjadi tak berhingga Situasi ini disebut rasio refluk minimum Pada saat ini berlaku hubungan
EFISIENSI PIRING Karena berbagai alas an maka uap pada piring tertentu sudah meninggalkan piring sebelum mencapai kesetimbangan. Dengan demikian efisiensi piring berkurang dan untuk suatu pemisahan diperlukan piring lebih banyak dari jumlah ideal, yang terhitung.
Alasan penurunan efisiensi piring antara lain adalah karena: • • • • • •
Timbulnya busa Adanya zat ikutan yang berlebihan Distribusi uap yang tidak merata Aliran pintas dari cairan Tiris s/d tumpah Efisiensi piring didefinisikan sebagai rasio jumlah piring ideal terhadap jumlah piring nyata, sehingga : Jumlah piring nyata , n =
.
Konsep efisiensi yang terkenal adalah efisiensi MURPHERE , η
(Yn‐Yn+1)/(Yn*‐Yn+1)
Yn = Konsentrasi uap keluar piring n Yn + 1 = konsentrasi uap masuk piring n Yn* = konsentrasi keseimbangan uap piringan
; yaitu :
KONDISI DAN DIMENSI MENARA PIRING KOMPONEN DAN SUSUNAN MENARA BATAS OPERASI DISTILASI • • • •
Bila kecepatan uap terlalu rendah maka tekanannya tidak mampu menahan aliran cairan turun, melalui lubang‐lubang piring, sehingga terjadi tiris ( weeping ) Bila kecepatan uap terlalu besar maka zat cair akan terbawa naik secara berlebihan sehingga menyebabkan banjir ( flooding ) Laju alir antara keadaan tiris dan banjir dapat berlipat 3‐4 kali Penanganan kedua keadaan itu lebih didasarkan rumus empiric
Uc = Kecepatan maksimum Kv = koefisien empiric
KETENTUAN UMUM •
Jarak Piring ‐ Selain harga juga dipertimbangkan pemeliharaan, pengawasan terhadap banjir dan pengotor ‐ Untuk menara tinggi jarak piring biasa dipilih 15 cm ( 6 in ) ‐ Bila tinggi menara tidak merupakan kendala maka dipilih minimum 50 cm ( 20 in ) • Diameter menara ‐ Diameter dan luas penampang harus menjamin operasi dengan aman ‐
‐
Pada saat banjir ( flooding ) berlaku hubungan VF
VF = kecepatan uap saat flooding ( kecepatan volumetric uap ( Q ) / luas penampang neto ( An) ) An = luas penampang menara ( At ) – luas penampang down spout ( Ad ) = konstanta empiris V yang dipakai perancangan adalah 80‐85% VF ; untuk cairantidak berbusa, ≤ 75 % VF , untuk cairan berbusa 2
‐
Hitung
‐
Aliran melintas piring dibatasi 0,015 m3 / s cairan setiap meter diameter menara (0,015 m3 / s = 0,165 ft3 / ft.s ) Bila dengan pertimbangan batas diatas memberikan diameter menara bagian atas dan bawah berbeda ≥ 20% maka dapat dibuat diameter yang berbeda Diameter menara akan semakin kecil dengan semakin besarnya jarak antar piring. Dengan demikian untuk menentukan harga perlu optimasi jarak piring.
‐ ‐
Saluran Turun ( downspout ) • •
Bentuk saluran dapat berupa pipa atau bagian dari penampang menara ( tembereng ) Karena uap menyembur melalui cairan yang mengalir maka waktu tinggal perlu diatur agar yang masuk saluran hanya cairan saja.
Tanggul •
Untuk menjamin agar aliran seragam maka panjang tanggul ditentukan 60 – 80 % dari diameter menara .
SOAL UJIAN OTK – 3 Campuran yang terdiri dari 80% metanol dan 20% air akan didistilasi menjadi hasil atas ( 99,99% mol metanol) dan hasil bawah ( 0,005% mol metanol) umpannya dingin dan untuk setiap mol umpan 0,2 mol uap mengembun pada piring umpan. Rasio reflek pada puncak adalah 1,35 dan reflek pada titik gelembung. Hitunglah a. Jumlah piring minimum b. Ratio reflek minimum c. Jumlah piring bila menggunakan kondensor total dan sebuah pendidih ulang, bila efisiensi Murphee 70% d. Jumlah piring bila menggunakan pendidih ulang dan sebuah kondensor parsial dimana reflek masuk dengan kondisi mendidih. Data keseimbangan metanol – air x
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
y
0,417
0,579
0,669
0,729
0,780
x
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
y
0,825
0,871
0,915
0,959
1,0
Strategi penyelesaian umum : •
Pendekatan secara grafis sehingga perlu disiapkan.
•
XF
/
/
0,69
a. Jumlah piring minimum • Akan terjadi pada kondisi reflek total • Garis operasi atas akan berimpit dengan garis diagonal.
• Garis operasi mulai dari ( 0,9999 ; 0,9999 ) sampai ( 0,0005 ; 0,0005 ) • Buat segitiga –segitiga diantara keduanya • Jumlah piring minimum ≈ 7 buah b. Rasio reflek minimum • Terjadi pada saat garis operasi atas dan bawah perpotongan tepat pada titik potong garis umpan dan garis kesetimbangan. •
RD min dihitung dari intersep =
•
Untuk menentukan garis umpan, kemiringannya, ditentukan dari hubungan
y
•
1 1 q = mol cairan yang mengalir pada bagian bawah piring umpan setiap masuknya satu mol umpan. Dari data q = 1 + 0,2 = 1,2 1,2 q 6 1 1,2 1 q Sudut umpan dengan kemiringan arc tg 6
•
Bila intersep 0,75
•
, maka 0,75
,
atau RDM = 0,33
c dan d •
Untuk RD = 1,35 maka intersep garis operasi atas adalah
c.
, ,
0,425
Jumlah tahap ideal dari gambar adalah 9 • •
Eff murphee = 0,7 sehingga jumlah tahap nyata
,
12,8
Karena menggunakan kondensor total ( tanpa kesetimbangan ) dan reboiler maka berarti ada satu tahap. • Jumlah piring 12,8 – 1 = 11,8 ≈ 12 d. Karena menggunakan kondensor parsial ( dengan kesetimbangan ) dan reboiler maka berarti ada dua tahap. • Jumlah piring 12,8 – 2 = 10,8 ≈ 11
PENGANTAR DISTILASI MULTI – KOMPONEN • • •
•
Pada kenyataanya campuran yang akan dipisahkan dengan distilasi selalu berupa campuran multi komponen Diperlukan perhitungan panjang untuk menentukan “distribusi” komponen, sehingga pada umumnya menggunakan komputer Seperti pada distilasi biner perhitungan didasarkan pada : Neraca massa Neraca entalpi Kesetimbangan uap – cair Perbedaan kerumitan terletak pada unsur keseimbangan fasa.
KOEFISIEN DISTRIBUSI ( K ) •
Keseimbangan fasa ( uap – cair ) dinyatakan oleh koefisien
•
Menurut Hukum raoult : Pi = Xi . Pi Menurut hukum Dalton : Xi = Pi / P
•
Sehingga K
. .
•
Harga koefisien K sangat dipengaruhi t dan atau P
•
Rasio faktor K disebut volatilitas relatif α
/ /
Bila memberlakukan hukum raoult
/
TITIK GELEMBUNG + TITIK EMBUN •
Persamaan untuk titik gelembung ( bubble point ).
•
,
1,0
Persamaan titik embun ( dew point )
=
1,0
Nc = banyaknya komponen •
•
Cara menggunakannya : ‐ Asumsikan suhu , t1 ‐ Harga Ki dicari untuk suhu t1 ‐ Hitung Ki , Xi ‐ Check Ki , Xi , bila harganya ≠ 1,0 maka coba dengan suhu yang lain, t2 ‐ Dst Bila ruas kanan sudah dianggap mendekati = 1,0 maka komposisi dapat ditentukan dari y
•
K . X ∑ K . X
Untuk menentukan titik embun digunakan mekanisme yang sama.
Contoh perhitungan Tentukan suhu titik gelembung dan titik embun serta komposisi uap dan cairan yang setimbang dari campuran 33% mol n‐Heksana, 37% mol n‐Heptana dan 30% mol n‐oktana, pada tekanan total 1,2 atm. Data tekanan uap murni ( atm ) 960C
1050C
1100C
Heksana
2,16
2,68
3,0
Heptana
0,93
1,21
1,380,64
Oktana
0,41
0,554
Komponen
Titik gelembung •
Ambil t = 1050C ( karena P Heptana 1,21 atm ) Komponen Pi’ Ki = Pi’ / 1,2
Xi
yi = Ki Xi
Heksana
2,68
2,23
0,33
0,7359
Heptana
1,21
1,01
0,37
0,3737
Oktana
0,554
0,462
0,30
0,1386
•
yi = 1,248 dinilai terlalu besar ( t terlalu >> ) coba dengan data yang lebih rendah , t = 960C Komponen
Xi
Ki
Pi’
Ki . Xi
yi
C6
2,16
1,8
0,33
0,594
0,604
C7
0,93
0,775
0,37
0,287
0,292
C8
0,41
0,342
0,30
0,102
0,104
•
yi = 0,983
= 1,00
Suhu yang lebih tepat dapat didekati dengan interpolasi 96 1,0 0,983 105 96 1,248 0,983 Sehingga t = 96,6 ≈ 970C Komposisi dapat menggunakan data kolom 6
•
Titik Embun Suhu titik embun > titik gelembung Coba suhu t = 1050C Komponen
Ki
Yi / Ki
C6
2,23
0,33
0,148
C7
1,01
0,37
0,37
C8
0,46
0,30
0,655
•
Yi
= 1,173
Yi / Ki terlalu jauh dari 1,0 sehingga dicoba untuk lebih tinggi ( 1100C) Komponen Yi Yi / Ki Ki Pi’
Xi
C6
3,0
2,5
0,33
0,132
0,130
C7
1,38
1,15
0,37
0,322
0,317
C8
0,64
0,53
0,30
0,563
0,553
= 1,016
1,000
•
Titik embun yang lebih tepat dihitung dengan ekstrapolasi, didapat t =110,50C komposisi sesuai hasil pada kolom 6
PERANCANGAN FRAKSIONAL • • • • •
Langkah utamanya sama dengan perancangan system biner yaitu tentukan tahap ideal lalu dikoreksi dengan efisiensi piring Kondisi pembatasnya adalah reflek total dan reflek minimum Dipilih dua komponen yang keberadaannya pada distilat atau hasil bawah menentukan keberhasilan distilasi tersebut, dan disebut sebagai komponen kunci ( key component ) Komponen kunci yang lebih volatil disebut kunci ringan dan yang kurang volatil disebut kunci berat. Pemilihan komponen kunci adalah bebas tetapi bila dipilih yang volatilitasnya berurutan maka disebut pemisahan tajam. Kedua komponen tersebut muncul baik didistilat maupun hasil bawah
JUMLAH PIRING MINIMUM •
Dihitung menggunakan persamaan FENSKE XDi / XBi Log XDj / XBj 1 Nmin D, F, dan B menunjukan kondisi puncak, pelat umpan, dan dasar kolom
KOMPONEN YANG TERDISTRIBUSI DAN YANG TIDAK • • • •
• •
Komponen terdistribusi adalah komponen yang muncul pada distilat maupun hasil bawah Komponen tidak terdistribusi hanya muncul pada salah satu hasil Komponen kunci ringan dan kunci berat selalu terdistribusi Komponen yang lebih volatil dari kunci ringan hamper semuanya didistilat dan sebaliknya, komponen yang kurang volatil dari kunci berat hampir semuanya pada hasil bawah Komponen berat tidak terdistribusi bil K lebih dari 10% dibawah K kunci berat Komponen ringan tidak terdistribusi bila pada reflek minimum nilai K cukup tinggi
RASIO REFLEK MINIMUM Menggunakan hubungan Underwood
RD
.
1
XD Φ
Harga Φ didapat dari persamaan
1
q
.
XF Φ
f
Rasio Reflek Operasi •
Rasio reflek yang dipakai operasi biasanya disekitar 1,25 RDM
Jumlah Piring Ideal • •
Yang cermat harus dihitung dengan computer Pendekatan empirik dengan menggunakan korelasi Gilliland, secara grafis
Contoh Soal : Campuran dari 33% n – Heksana, 37% n‐Heptana dan 30% n‐Oktana ( dari soal sebelumnya ).Akan didistilasi menjadi distilat dengan 0,01 fraksi mol n‐heksana. Kolom beroperasi pada 1,2 atm dengan umpan 60% berupa uap a. Hilangkan komposisi hasil dan jumlah piring minimum b. Bila rasio reflek 1,5 RDM maka berapa jumlah piring ideal
Diketahui bahwa pada kondisi masuk berlaku K heksana 2,23 ; K heptana 1,01 ; K oktana 0,46 ;
C6
C7 C8
Sebagai kunci ringan n‐heksana dan kunci berat n‐heptana, sehingga n‐oktana adalah komponen berat bukan kunci dan semuanya berada dalam hasil bawah Distilat
99% n‐Heksana
1% n‐Heptana
Dengan basis laju umpan 100 mol/jam berlaku F = D + D = 100 Neraca komponen n‐Heksana F . XF = D.XD + B.XB 100 . 0,33 = 0,99 . D + ( 100 – D ) (0,01) Ketemu D = 32,65 mol/jam Sehingga B = 100 – D = 67,35 mol/jam Heksana pada distilat D.XD = 32,65 ( 0,99 )
= 32,32 mol/jam
Hasil bawah mengandung semau n‐oktana n‐Heptana = 37 – (0,01)(32,65) = 36,67 mol/jam n‐Heksana = 33 – 32,32 = 0,68 mol/jam , Resumenya Distilat Komponen
Hasil Bawah
Umpan Mol
X
Mol
X
n‐Heksana
33
32,32
0,99
0,68
0,01
n‐Heptana
37
O,33
0,01
36,67
0,54
n‐Oktana
30
‐
‐
30
0,45
100
32,65
67,35
Untuk menghitung piring minimum dipakai persamaan / /
1
Dengan
.
=
.
sangat bervariasi dipuncak, umpan dan dasar . Pada contoh
Perhitungan Ini bila harga ini dipakai harga umpan
LK , HK 2,23 / 0,01 2,21
0,99 / 0,01 0,01 / 0,544 2,21
1
10,8
1
9,8
RDmin dihitung dengan metode underwood Komponen
XF
K
‐ Φ
.XF
.
C‐6
0,33
2,23
2,21
0,73
0,76
0,96
C‐7
0,37
1,01
1
0,37
‐0,45
‐0,82
C‐8
0,30
0,462
0,457
0,05
‐1,0
‐0,05
.
∑
= 0,09 apakah sudah mendekati 0 ?
Upman cair , q = 1 .
1 – q = 0 = ∑ RD
1
= 2,86
∑
.
2,21 0,99 2,21 1,45
R D = 1,86 dan RD = 1,5 (1,86) = 2,79 Selanjutnya menggunakan koreksi Gillilana
1
2,79 1,86 3,79
0,245
1,0 0,01 1 1,45
Absis sebesar 0,245 diplot ke grafik. Ketemu ordinat ,
0,41
1,0 – 9,8 = 0,41N + 0,41 0,59N = 10,21 N =
, ,
17,3
EKSTRAKSI Ekstraksi adalah pemisahan komponen campuran dengan menggunakan pelarut cair Padat Pengurasan /Leaching / Pelindia campuran
Cairan Ekstrasi Pelarut
Bila pemisahan dengan cara distilasi sudah tidak memungkinkan maka baru dipertimbangakan cara ekstraksi yang biaya operasinya relatif lebih mahal. •
•
•
Distilasi tidak dapat dipilih antara lain karena : ‐ titik didih komponen terlalu berdekatan ‐ komponen tertentu tidak tahan berada pada suhu operasi distilasi bila pemisahan dapat dilakukan baik dengan distilasi maupun ekstraksi maka sebaiknya dipilih secara distilasi. Pada ekstraksi selalu diupayakan pemilihan pelarut, yang pada umunya dijalankan dengan distilasi, sehingga sering disebut distilasi ekstraksi. Namun dilain pihak ekstraksi juga mempunyai beberapa kelebihan disbanding distilasi antara laian : ‐ Fleksibilitas yang tinggi dalam memilih kondisi operasi ( jenis pelarut dan suhu operasi )
Mekanisme Ekstraksi • • • • • • •
Membuat kontak yang seintim mungkin antar kedua fasa, untuk memungkinkan terjadinya diffuse ( perpindahan massa ) Setelah terjadi perpindahan maka kedua fasa dipisahkan Pada distilasi kontak antara fasa dan pemisahan campuran mudah dan cepat Pada ekstraksi kedua fasa mempunyai densitas yang hampir sama sehingga sukar dicampurkan dan lebih sukar lagi dipisahkan. Pemisahan menghasilkan ekstrak, yaitu lapisan pelarut yang berisi zat terlarut, dan rafinat yaitu lapisan yang telah diambil zat terlarutnya. Ekstrak dapat lebih berat atau lebih ringan dibandingkan rafinat. Operasi ini dapat diulang‐ulang sampai terjadi kondisi kesetimbangan ( jenuh )
•
• • •
Selain kontak tahap juga dikenal kontak differensial. Zat cair lebih ringan masuk dari bawah dan terdispersi didalam kolom, pada fasa berat yang kontinyu Antar kedua fasa terjadi perpindahan massa secara kontinyu sehingga komposisi masing‐masing berubah Dibandingkan pada distilasi maka laju perpindahan massa relatif lebih kecil. ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐> menara cenderung lebih tinggi
Prinsip Ekstraksi • •
Kebanyakan ekstraksi dijalankan secara sinambung / kontinyu menggunakan kontak lawan arah antar dua fasa, fasa ringan dan fasa berat. Prinsip‐prinsip dasar perpindahan massa pada distilasi juga masih berlaku antara lain tahap : deal ;effisiensi tahap, rasio minimum antara dua arus, dan ketentuan ukuran alat dihubungkan dengan aliran.
Kesimbangan dan komposisi fasa • • • •
Hubungan keseimbangan dalam ekstraksi relatif lebih rumit karena melibatkan jumlah komponen yang lebih banyak, pada masing‐masing fasa. Bila komponen yang terlibat diminimumkan maka ada tiga komponen. Keseimbangan yang terjadi bila dibuat diagram akan membentuk diagram segitiga ( seperti contoh ) Keseimbangan mempunyai dua tipe : ‐ Tipe I : pelarut dapat bercampur total dengan komponen yang diekstrak. ‐ Tiep II : pelarut hanya dapat bercampur secara parsial dengan komponen yang akan diekstrak.
Meninjau diagram Tipe I . ‐
‐ ‐
Bila campuran aseton – air diberi pelarut MIK dan terjadi keseimbangan maka komposisi campuran dan hasil setelah dipisahkan akan terletak pada garis lurus tertentu Komposisi dibawah kubah akan menghasilkan dua fasa, fasa ekstrak dan fasa rafinat Titik – titik yang menunjukan komposisi kedua fasa akan terhubungkan oleh sebuah garis hubung ( tie – line ), sebuah garis lurus yang melewati titik komposisi campuran.
‐
Garis ACE menunjukan komposisi lapisan MIK ( ekstrak ) sedang garis BDE menunjukan komposisi lapisan air ( rafinat ) Bila kandungan aseton meningkat maka posisi kedua titik akan saling mendekat dan terakhirnya dapat mencapai titik E ( titik jalin, plait point ), dimana kedua fasa mengandung komponen ekstrak dengan konsentrasi yang sama
‐
Sebagai Contoh pemahaman ‐
Campuran yang mengandung 40% aseto dan 60% air dicampur dengan MIK dengan jumlah massa yang sama. Campuran keseluruhan akan ditunjukkan komposisinya oleh titik M, yaitu aseton 20% , air 30% dan MIK 50% Bila campuran telah setimbang dan terpisah maka didapat lapisan ekstran dan lapisan rafinat, yang komposisinya dapat dibaca dengan memanfaatkan garis hubung yang melalui titik M, yaitu 9 Ekstrak ‐‐‐ 0,232 aseton
‐ ‐
‐‐‐ 0,043 air
‐‐‐ 0,725 MIK 9 Rafinat ‐‐‐ 0,132 aseton ‐‐‐ 0,845 air ‐‐‐ 0,023 MIK
MEMAHAMI DIAGRAM SEGITIGA • •
Segitiga yang dimaksud adalah segitiga sama sisi sehingga sifat‐sifatnya juga berlaku Masing‐masing titik sudut menyatakan komposisi 100% sehingga fraksi ketinggian setiap posisi menyatakan fraksi ketiga komponen
Perhatikan titik K, posisinya menyatakan 40%C, 40%A, dan 20% B • Setiap titik pada sisi segitiga menyatakan komposisi campuran biner. Titik D menyatakan komposisi 20%B dan 80%A . setiap titik pada garis CD menjadi tempat kedudukan campuran tiga komponen dengan perbandingan A dan B yang sama dengan pada titik D, hanya ditambah C • Bila R kg suatu campuran dengan komposisi pada titik R ditambahkan kepada E kg campuran dengan komposisi pada titik E, maka komposisi campuran baru ditunjukkan oleh titik M, yang terletak pada garis lurus RE, dimana CARA MENGUBAH DIAGRAM SEGITIGA MENJADI DIAGRAM TEGAK
Penggunaan Metode Mc. Cabe – Thiele •
•
•
• •
Metode Mc. Cabe – Thiele yang sudah dikenal pada distilasi adalah : ‐ Diperlukan diagram / grafik x Vs y ‐ Grafik menggambarkan kurva kesetimbangan dan garis operasi ‐ Ditentukan banyaknya tahap kesetimbangan untuk suatu kondisi pemisahan secara ideal ‐ Ditentukan banyaknya tahap kesetimbangan nyata dengan data effisiensi tahap Untuk digunakan pada ekstraksi maka grafik perlu dilakukan modifikasi sebagai berikut : ‐ Absis ( sumbu x ) menggambarkan fraksi massa zat terlarut pada fasa rafinat ‐ Ordinat ( sumbu Y ) menggambarkan fraksi massa zat terlarut pada fasa ekstrak Kurva kesetimbangan perlu mengingat : ‐ Adanya dua tipe kesetimbangan ‐ Manfaat garis hubung ( tie line ) Perhatikan cara mentransfer data dari diagram segitiga menjadi diagram tegak Penggambaran garis operasi : ‐ Didasarkan pada persamaan neraca massa . . Y 1 1 1 ‐ Gari soperasi melalui titik ( Xa, Ya ) dan ( Xb, Yb)
‐ • • •
• •
•
Karena terjadi penurunan fase rafinat ( L ) dan kenaikan fase ekstrak ( V ) pada waktu kedua fase tersebut mengalir sehingga Ln / Vn + 1 tidak konstan. Data kesetimbangan pada diagram segitiga diubah menjadi diagram tegak ( diagram atas ) Ujung‐ujung garis operasi ditentukan dengan perhitungan menggunakan basis F = 100 massa / jam Asumsi , n = laju air pada ekstrak m= laju air MIK pada rafinas Untuk pemulihan 99%A maka ekstrak akan mengandung 0,99 x 40 = 79,6 A dan rafinat ( 40 – 39,6 ) = 0,4A Alirab puncak La = F = 100 = 40A + + 60 air Va = 39,6 A + nair + ( 100‐m) MIK = 139,6 + n‐m ………………………………………………………………………………… 1) Aliran dasar Vb = 100 MIK ; Lb = 0,4 A + ( 60 – n ) air + mMIK ………………………………………….. 2)
Akibatnya garis operasi tidak sepenuhnya berupa garis lurus. ( Bandingkan dengan asumsi equimolal averflow dan vaporization , pada distilasi ) ‐ •
Untuk menentukan beberapa titik antara pada garis operasi dilakukan neraca bahan Jumlah tahap ideal ditentukan dengan menggambarkan jenjang‐jenjang seperti cara pada distilasi
Contoh Soal Sebuah alat ekstraksi lawan arah digunakan mengekstraksi aseton ( A ) dari campurannya dengan air menggunakan MIK pada 250C.
Umpan terdiri 40% aseton dan 60% air pelarutnya murni dengan jumlah yang sama dengan umpan. a. Berapa tahap ideal diperlukan mengekstraksi 99% dari aseton pada umpan b. Berapakah komposisi ekstrak sesudah pelarutnya dipisahkan? •
Dari Persamaan ( 1 ) mula‐mula dianggap n ≈ m atau n‐m = 0 sehingga yA,a =
, ,
≈
0,283 • •
,
XA ,b ≈
0,0067
0,007
(Harga –harga ini nanti akan diteliti) Dari diagram segitiga didapat untuk yA = 0,283 ‐‐‐‐‐‐> yair = 0,049 ( lihat pada kurva kesetimbangan ) n ,
=
139,6
,
‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐> dianggap
,
n
139,6 harga m dapat diabaikan terhadap 139,6
,
•
Dari diagram segitiga didapat Untuk XA = 0,007 ‐‐‐‐‐‐‐‐‐> XMIK = 0,02 ,
n
0,4
,
60
=
, ,
( 0,4 + 60‐7,2)
m = 1,1 ,
•
Revisi n, n
•
Va = 139,6 + 7,1 – 1,1 = 145,6 yA,a =
•
,
•
139,6
1,1 = 7,1
0,272
,
Lb = 60,4 + 1,1 – 7,1 = 54,4 XA,b =
• •
,
, ,
0,0074
Ujung – ujung garis operasi adalah titik ( 0,0074,0) dan ( 0,4 ; 0,272) Untuk menetukan salah satu titik antara pada garis operasi diambil yA = 0,12, sehingga dari diagram segitiga didapat yair = 0,03 dan yMIK = 0,85 MIK pada rafinat diabaikan sehingga dianggap MIK pada ekstrak = 100 ( tetap ) 100 ≈ V . yMIK = V(0,85) V ≈
,
= 117,6
• •
Neraca bahan dari dasar sampai titik antara Vb + L = Lb + V sehingga L ≈ 54,4 + 117,6 – 100 = 72 Neraca bahan A pada daerah tersebut L . XA + Vb . yb = Lb . Xb + V . yA L . XA = 0,4 + 117,6 ( 0,12 ) – 0 = 14,5
• •
•
XA =
,
0,201
Dari diagram segitiga didapat untuk harga XA = 0,201 ‐‐‐‐‐‐> XMIK = 0,03 Neraca MIK dari bawah sampai titik antara Vb + L . XMIK = Lb . XMIK , b + V . yMIK V . yMIK = 100 + 72 ( 0,03 ) – 1,1 = 101,1 Hasil revisi yang didapat adalah V =
, ,
118,9
L = 54,4 + 118,9 – 100 = 73,3 XA =
,
, , ,
0,2
• •
•
•
•
Koordinat titik antara ( 0,2 ; 0,12 ) sehingga garis operasi agak miring Dari gambar banyaknya Aseton dan air , yang ada pada ekstrak Aseton = 39,6 Air = 7,1 46,7 Perhatikan : ‐ Penyelesaian diatas tidak sepenuhnya grafis maupun matematis. ‐ Titik matematis yang dilakukan adalah salah satu kekayaan rekayasa Teknik Kimia Ekstraksi untuk campuran tipe i bila dibuat skemanya akan sebagai berikut Namun, untuk menangani campuran tipe – tipe akan lebih efektif bila dilakukan modifikasi ‐ Umpan masuk ditengah ‐ Hasil keluar dari dua terminal, sebagai ekstrak dan rafinat ( bayangkan distilasi ) ‐ Menggunakan reflek
‐ ‐ ‐
‐
Perbedaan dengan distilasi adalah pada rafinat yag tidak ada sebagian yang dikembalikan Mengapa ? Bagaimana membuat analogi dengan lengkap untuk membandingkan distilasi dengan ekstraksi? Carilah medium pemisahnya . Distilasi ‐‐‐‐‐‐> panas Keduanya perlu dipulihkan Ekstraksi ‐‐‐‐‐‐> solvent Perbandingan antara distilasi dengan ekstraksi Ekstraksi Distilasi • Medium pemisah adalah panas
• Medium pemisah adalah solvent
• Hasil atas distilat
• Hasil atas ekstrak
• Hasil bawah waste
• Hasil bawah rafinat
• Kondensor
• Pemisah pelarut
• Pendimgin hasil atas
• Pelucut pelarut ekstrak
• Pendingin hasil bawah
• Pelucut pelarut rafinat
Terdapat empat kali perlakuan terhadap panas • • • •
Pada reboiler Pada kondensor Pada pendingin distilat Pada pendingin hasil bawah
Ekstraksi
Perlakuan terhadap solvent ada pada : ‐ ‐ ‐ ‐
Pada pemisah pelarut Pelucut pelarut ekstrak empat kali Pelucut pelarut rafinat Solven segar
Ekstraksi padat – cair • • • • • • • • •
• •
Nama lainya adalah leaching, pengurasan, pelindian Digunakan untuk melarutkan suatu komponen, yang dapat larut ( insolubel ), dengan pelarut ( solvent ) tertentu Berdasar sifat padatannya, tembun atau tidak oleh solven, maka teknik ekstraksi akan berbeda Bila padatannya tembus solven maka digunakan cara perkolasi, solven mengalir melalui hamparan padatan Bila padatannya tak tembus solven maka digunakan cara pengadukan, disfersi padatan didalam solven Kedua cara tersebut dapat dijalankan secara tumpak ( batch ) maupun sinambung Pada cara perkolasi, teknik, dapat dibedakan menjadi hamparan diam dan hamparan bergerakap Metode pengurasan yang dianggap paling penting adalah metode arus lawan arah kontinyu yang menggunakan tahap‐tahap , Mengapa ? Pada telaah tersebut juga digunakan prinsip : ‐ Hubungan keseimbangan, Xe = Ye ‐ Garis operasi : . . y 1 1 1 Arahnya juga untuk menghitung tahap ideal efisiensi tahap, dan akhirnya tahap riel. Tahap ideal dihitung dengan persamaan neraca massa : / N /
•
Skema pengurasan kontinyu lawan – arah
‐ ‐ ‐ ‐
Larutan didalam padatan masuk Xa Larutan didalam padatan keluar Xb Pelarut segar masuk sistem Yb Pelarut pekat keluar sistem Ya
Viskositas dan densitas cairan yang dibawa oleh padatan dapat tetap atau berubah selama berkontak dengan pelarut. Hal ini akan mempengaruhi gambar garis operasi Ln.
Tahap ideal untuk aliran bawaan konstan •
• • • •
Kondisi yang ada pada keadaan ini ialah , ‐ Garis kesetimbangan dan garis operasi merupakan garis lurus ‐ Garis kesetimbangan mempunyai persamaan Xe = Ye , sehingga merupakan garis diagonal Karena kondisi sudah jelas maka dapat langsung membuat konstruksi Mc. Cabe – Thiele untuk menghitung tahap ideal namun karena hasil perhitungan analitis lebih “valid” daripada hasil perhitungan grafis maka lebih baik menggunakan rumus dari neraca massa. Hanya saja persamaan tersebuttidak berlaku untuk tahap pertama , karena La ( larutan yang dibawa umpan ) tidak sama L ( larutan bawaan pada seluruh sistem ) Pada tahap pertama dihitung dengan neraca
Contoh soal : Sejumlah kertas berlilin, bekas, akan didaur ulang untuk mengambil lilinya dengan jalan diekstraksi. Kertas lilin sebanyak 2 ton / hari dengan kandungan lilin 25%, diekstraksi dengan pelarut kerosin secara kontinyu lawan arah. Pulp yang telah diekstraksi dan dihilangkan kerosinnya masih mengandung lilin 0,2 lb per 100 lb pulp bebas lilin. Kerosin yang digunakan mengekstraksi mengandung 0,05 lb lilin per 100 lb kerosin bebas lilin. Pulp membawa 2 lb kerosin per lb pulp bebas kerosin bebas lilin pada saat berpindah dari tahap ke tahap. Ekstrak hasil mengandung 5 lb lilin per 100 lb kerosin bebas lilin. Berapakah tahap ideal diperlukan : Penyelesaian : •
•
•
Karena persamaan yang digunakan adalah persamaan neraca maka pada dasarnya “satuan/dimensi” yang dipakai adalah sembarang asal menyatakan aliran bawaan konstan Dalam soal ini kerosin yang terbawa pulp adalah konstan ( rasio kerosin /pulp konstan ). Dengan demikian laju aliran dinyatakan dalam lb lilin / lb kerosin bebas lilin Ketas umpan tidak mengandung kerosin, sehingga tidak dapat dihitung dengan cara umum, karena itu tahap pertama di hitung sendiri
Basis 100 lb pulp bebas lilin bebas kerosin
•
Adanya kandungan lilin pada pelarut yang masuk dianggap melalui mekanisme demikian. • Kerosin total dimisalkan sebanyak 5 lb, yang diumpankan ke dalam ekstraktor • Neraca lilin . ‐ Masuk bersama pulp : ( 25/75 ) x 100 = 33,33 ‐ Masuk bersama kero : 0,00055 ‐ Total masuk = 33,33 + 0,00055 9 Keluar bersama pulp : 0,2 9 Keluar bersama ekstrak :
= 0,05 s – 10 9 Total keluar 0,05 S – 9,8 Masuk = keluar 33,33 + 0,0005 S = 0,05 S – 98 S = 871,3
200
•
Kero pada ampas 200 lb, sehingga kero pada ekstrak 871 – 200 = 671 lb. Liin pada ekstrak :
671
•
= 33,55 Karena tahap I dianggap mencapai kesetimbangan maka konsentrasi ekstrak diambil sama dengan konsentrasi bawaan ke tahap II
•
Lilin yan terbawa aliran bawaan ke unit II.
•
Lilin yang terbawa aliran limpah dari tahap II ke tahap I 10 + 33,55 – 33,33 = 10,22 lb , sehingga konsentrasinya adalah
•
,
200
10
0,0117
Posisi yang diperlukan untuk rumus adalah Xa = Ya* = 0,05 lb lilin / lb kero Ya = 0,0117 lb lilin / lb kero Yb = Yb* =
,
0,001
Dimasukkan rumus yang untuk soal ini menjadi / N 1 / 0,0005 0,001 / 0,0117 0,05 0,0005 0,0117 / 0,001 0,05 1 3 4 Tahap ideal untuk aliran bawaan variabel Perhitungan kurang lebih sama dengan pada ekstraksi cair – cair tipe I , yaitu : ‐ Secara grafis, menggunakan metode Mc. Cabe – Thiele ‐ Karena aliran bawaan variabel maka garis operasi akan melengkung ‐ Untuk itu harus menentukan titik – titik antara diantara kedua titik terminal a dan b ‐ Setelah itu membuat konstruksi Mc. Cabe – Thiele diantara a dan b Hitung banyaknya tahap.
ABSORBSI Absorbsi adalah proses pemisahan komponen campuran dengan menyerahkan / melarutkan ke dalam liquida pelarut Kebalikan dari absorbsi adalah desorbsi ( stripping ) , yaitu proses pemisahan komponen campuran liquida dengan menyerahkan kepada gas pembawa Alat yang digunakan untuk melakukan absorbsi adalah menara PACKING ( Packed tower ). Terdiri dari sebuah bejana ( shell ) dengan diameter tertentu pula, sedang bagian dalam diisi dengan packing. Packing berfungsi sebagai tempat terjadinya kontak antara liquida dengan uap / gas. Menara packing ini bisa juga digunakan untuk proses distilasi dengan ditambah kondensor dan reboiler. Syarat –syarat yang diperlukan dalam pemilihan packing : 1. Packing harus mempunyai sifat pembasahan yang baik 2. Mempunyai bulk density yang rendah ( karena akan mempengaruhi penahanan dari packed tower ) 3. Packing harus tahan terhadap korosi , reaksi kimia, panas, dsb. 4. Mempunyai rongga volume ( vol – void ) yang besar, agar pressure drop yang terjadi tidak besar 5. Harga packing yang rendah 6. Dapat memberikan luas permukaan yang terbasahkan yang besar / satuan – vol diruang yang bersih packing. Beberapa jenis packing : ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
Rasing ring Lessing ring Cross – partition ring Intalox sadle ring Pall ring
Cara penyusunan packing 1. Random packing Packing dimasukkan ke dalam kolom ( bejana ) begitu saja tanpa diatur. Keuntungan : biaya instalasi rendah Kerugian : pressure drop besar
2. Regular Packing ( Stacking ) Packing disusun secara teratur didalam kolom. Keuntungan : Pressure drop kecil Kerugian : Biaya Instalasi mahal Dalam proses absorbsi terdapat 3 macam komponen : 1. Solufe : komponen yang akan dipisahkan 2. Carier : gas pembawa 3. Solvent : pelarut Konstruksi dari menara Hal – hal yang perlu diperhatikan dalam merancang menara packing , antara lain : 1. Support ( penahan ) untuk packing terbuat dari plat besi yang berlubang, tetapi harus diperhitungkan luas dari lubang support dibanding dengan penampang melintang dari packing 2. Liquid distribusi harus diperhitungkan dengan cermat, biasanya redistributor diletakkan kira‐kira setiap 3 X diameter kolom dan tergantung dari tipe packing yang dipakai. Jika menara packing dipergunakan untuk bahan‐bahan yang bersifat asam dan sangat korosif, maka konstruksi menara dibuat dari bahan metal dan dilapisi oleh batu tahan asam ( Acid Proof Briek ) Pressure drop yang terjadi dalam Packing Tower Tergantung dari : 1. 2. 3. 4. 5.
Tinggi Packing Jenis Packing & cara meletakkan Porosity packing Density packing Rate gas & liquida
SEDIMENTASI Adalah proses pemisahan dari suatu campuran solid – liquid ( Slurry ) secara gravitasi setting menjadi larutan jenuh dan cake. Ada 2 macam cara sedimentasi : a. Batch Sedimentasi b. Continous Sedimentasi a.
Batch Sedimentasi Maksudnya adalah pemisahan slurry yang membutuhkan waktu tinggal beberapa menit atau jam untuk mencapai pengendapan yang sempurna .
Keterangan : a s/d e
: merupakan tahapan proses
A s/d D
: merupakan zone
A
: larutan jernih
B
: uniform consentration zone
C
: variable size and conzentration zone
D
: Connice Solid = Setting Solid zone
Dari grafik ini ditarik kesimpulan bahwa pada waktu tertentu maka tinggi dari zone adalah minimum sampai constant. b. Contimous Sedimentasi Untuk mendapatkan liquid jernih yang continue bisa digunakan sistem continous sedimentasi. Pada proses ini , slurry masuk ke tangki sedimentasi secara continue dan tangki dalam keadaan terbuka. Rate aliran masuk dan keluar dijaga sedemikian ruap sehingga tinggi permukaan air tetap Sludge yang terbentuk dikeluarkan melalui outlet bagian bawah tangki
PROSES PEMISAHAN DENGAN MEMBRAN 1. Klasifikasi proses pemisahan Ditinjau dari peristiwa terjadi pemisahan ada 3 kategori : a. Pemisahan mekanik b. Pemisahan difusional c. Pemisahan secara kimiawi a. Pemisahan Mekanik ‐‐‐> untuk campuran heterogen Proses pemisahan : gaya mekanik , Contoh : gaya gravitasi, gaya sentrifugal b. Pemisahan difusional ‐‐‐> untuk campuran homogen Proses pemisahan terjadi : ‐ Molekuler masing‐masing komponen dalam campuran mempunyai laju difusi yang berbeda . ( pemisahan : non kesetimbangan ) c. Pemisahan secara kimiawi Pemisahan suatu komponen dalam campuran, pada proses pemisahannya melalui reaksi kimia.
2. Sifat Membran Membran : suatu pembatas yang berbentuk tipis , mempunyai sifat semi permeable , dapat meloloskan spesies tertentu dan menahan spesi yang lain Klasifikasi membran : a. Membran : ‐ alamiah : sel tubuh mahluk hidup, hewan , manusia dll ‐ Sintetik : dibuat
Membran alamiah : ‐ Melindungi isi sel dari pengaruh lingkungan ‐ Mendukung proses metabolisme organ tubuh b. Struktur : ‐ Membran homogen : perpindahan tidak ada hambatan ‐ Membran heterogen : perpindahan ada hambatan c. Morfologi ( sifat pembentukan ) ‐ Membran symetrik ‐ Membran asymetrik ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐> banyak digunakan
Gambar penampang melintang membran
Karakteristik Membran a. Sifat kimia Menentukan interaksi antara membran dengan pelarut / zat terlarut b. Ukuran pori ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐> permeabilitas dan Selektivitas ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐> efisiensi pemisahan c. Sifat hidrofilik ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐> menyerap air Sifat hidrofobik ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐> menolak air Proses pemisahan dengan membran Gaya gerak ( dorong ) antara lain : ∆C : beda konsentrasi ∆P : beda tekanan ∆μ : beda potensial listrik Pengembangan proses membran ‐ ‐
Bahan membran ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐> permeabilitas Selektivitas Perancangan proses ‐‐‐‐‐‐‐> alat ( modul )
Permeabiltas : ukuran kemampuan membran untuk melewatkan spesi tertentu penetran
Proses Pemisahan dengan membrane a. Reverse Osmose / Osmoss Balik Perpindahan massa dengan gaya gerak, ∆P ‐‐‐‐‐> ∆P > tekanan osmose Digunakan : desalinasi air laut, pengolahan air limbah pada industri kimia, pertanian , makanan , farmasi , dll b. Ultra filtrasi Proses pemisahan hampir sama dengan osmose balik, berbeda pada ukuran partikel yang dipisahkan. ‐‐‐‐> ukuran partikel pada ultrafiltrasi c. Pemisahan gas Proses perpindahan massa fas gas melalui membrane ‐‐‐‐> gaya gerak = ∆P d. Pervaporasi Proses pemindahan massa melalui membrane dengan perubahan fase ‐‐‐‐>cair ke uap Gaya gerak : perbedaan aktifitas pada kedua sisi membrane. ‐‐‐‐‐‐‐> Pparsial < Puap jenuh
DIALISIS Transfer massa solute mengikuti teori lapisan pada cairan ‐ ‐ ‐
Solute akan mendifusi kedalam lapisan film fase cair ( salah satu sisi membrane ) Mendifusi melalui membrane Difusi ke lapisan film pada fase cair 2 ( sisi membrane yang lain )
Tabel 3. Jenis
Tabel 3 : Jenis membran Material Dasar, Struktur dan pemakaianya Jenis membran
Material dasar
Cara pembuatan
Struktur
Pemakaian
Ceramic Membranes
Clay, silikat,alumunium‐ Pressing dan sintering dari Diameter : pori 0,1 ‐ 10 oksida,grafit,tepung metal bubuk halus μm
Filtrasi suspense, pemisah gas
Homogeneous Membranes
Silicone rubber, hydrophobic liquids
Fasa homogeny, menggunakan support
Pemisah gas, transport dari carrier
Symetric Microporous Membranes
Turunan selulosa, Reaksi phase inversion polyamide, polypropylene
Diameter pori : 50‐5000 nm
Dialisis , membran distilasi
Integral Asymmetric Membranes
Turunan selulosa, polyamide, polysulfone, dsb
Reaksi phase inversion
Polimer homogen atau diameter pori 1‐10nm
Ultrafiltrasi, hyperfiltrasipemisahan gas pervaporasi
Composite Asymetric membranes
Turunan selulose , polyamide, polysulfone, polydimethylsiloxane
Pembentukan film pada membrane porous
Polimer homogeny atau diameter pori : 1‐5 nm
Ultrafiltrasi, hyperfiltrasi, pemisahan gas, pervaporasi
Ion Exchange membranes
Poiyethylene, polysulfone polyvinylchloride , dsb
Foil dari ion exchange resin atau sulfonasi polimer homogen
Matrik dengan muatan positif atau negatif
Elektrodialisis
Extruding film homogeny, pembentukan liquid fims
Metode pemisahan Mikrofiltrasi ( MF )
Ultrafiltrasi ( U F )
Osmosa Balik ( RO )
Table 4 : metode Pemisahan, Sifat, Mekanisme dan pemakaianya Gaya Penggerak untuk Jenis Membran yang Mekanisme Pemisahan Perpindahan massa digunakan Sieving effect Beda Tekan Hidrostatik Membrane porous 50‐100 kPa simetrik radius : 0.1‐20 μm Sieving effect Beda tekan Hidrostatik Membrane porous 100‐1000 kPa simetrik radius : 0.1‐20 μm Beda tekan Hidrostatik Membrane asimetrik Solubility – Diffusion 1000‐10.000 kPa dari polimer homogen dalam matrik polimer
Pemakaian Pemisahan suspensi
Fraksinasi, konsentrasi larutan makromolekul Konsentrasi komponen berat molekul rendah
Dialisis
Beda Konsentrasi
Membrane porous simetrik
Difusi dalam pori
Konsentrasi komponen berat molekul rendah dari larutan makromolekul
Elektrodialisis
Beda Potensial Listrik
Membrane penukar ion
Beda muatan dari komponen
Desalting dan deacidifyinglar mengandung komponen netral
Pemisah Gas
Beda Tekan Hidrostatik 1.000 – 15.000 kPa Beda Tekanan Parsial
Membrane asimetrik dari polimer homogeny Membrane asimetrik
Solubility – diffusion dalam matrik polimer Solubility ‐ Diffusion
Pemisahan gas dan uap
Pervaporasi ( PV )
Pemisahan pelarut dan campuran azeotrop
Gb : Profil konsentrasi pada proses membrane ( a ) Dua lap. Film cair dan solid ( b ) Dua lap. Film gas dan solid Koefisein distribusi keseimbangan dapat di nyatakan pers :
K
……………………………………………………………………........... ( 1 )
Neraca massa : Kecepatan flux pada steady state NA
=
=
) ………………………………………………………….. ( 2 )
Subs. Pers. ( 1 ) ke ( 2 ) Pers ( 1 ) ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐> ‐‐‐‐‐‐‐‐‐> NA P
.
; ;
…………………………………………………( 3 )
Pers ( 2 ) C1 – C1i = NA / kc1 ; C21 – C2 = NA / kC2 Pers ( 3 ) ‐‐‐‐‐‐‐> C1i ‐ C2i = NA / Pm ‐‐‐‐‐‐‐‐> C1 ‐ C1i + C2i ‐ C2 + C1i ‐ C2i = +
C1 – C2 = NA (
+ +
)
NA
…………………………………………….......................................... ( 4 )
Contoh : Suatu cairan mengandung solute A dengan konsentrasi C1 = 3.10‐2 kgmol/m3 dialirkan melalui sebuah membrane dengan tebal = 3.10‐5 m secara cepat. Koef. Distribusi = K = 1,5 ; DAB = 7.10‐11 m2/dt Konsentrasi ( 2 = 0,5 . 10‐5 kgmol/m3 Koef. Trans. Massa : kc1 sangat besar ‐‐‐‐‐‐‐‐>
0
Kc2 = 2,02 . 10‐5 m/dt a. Turunkan pers untuk menghitung fluks massa ( NA ) ? b. Hitung fluks massa solute dan konsentrasi interface pada membrane. Jawab: a. NA = kc1( C1 –C1i ) = Pm ( C1i – C2i ) = kc2 ( C2i – C2 )
‐‐‐‐‐‐> NA
; kc1 = ∞ ;
= = 0
NA
.
b. P
.
,
3,5 . 10
.
NA
NA
3.10 1
3,5 .10 6 3
= 7,458 . 10‐8 kgmol/dtm
NA = kc1 ( C2i – C2)
2
0,5 .10
1
2
2,02 .10 5
m/at
‐‐‐‐‐> C
, ,
. .
0,5 .10
= 0,869 . 10‐2 kgmol/m3
‐‐‐‐> K
‐‐‐‐‐‐> C2is = K.C2i
= (1,5) (0,869.10‐2 ) C2is = 1,304 . 10‐2 kgmol/m3
Reverse Osmose ( RO ) ‐ RO = Pemisahan campuran berdasarkan ∆P ‐ Pengertian : Osmose Osmose Keseimbangan, Reverse Osmose Tek. Osmose Larutan Pen Vant Hoff = π = RT Tipe membrane RO ‐ Membrane yang digunakan antara lain : selulose asebat , tebal, 0,1 – 10 µm, Untuk pemisahan larutan NaCl2 , Na2SO4 dll ‐ Membran yang lain : poliamida ‐‐‐‐> hollow fiber Pers. Flux a. Model dasar proses membrane ‐ Untuk solute mempunyai ukuran partikel < 10 A0 ‐‐‐‐‐> tipe perpindahan = difusi ‐ Untuk ukuran partikel > 10 A0 ‐‐‐‐‐> tipe perpindahan = sieve type ( penyaringan ) ‐‐‐‐‐‐> UF , MF b. Type model difusi 1. Untuk difusi solvent melalui membrane Nw N
∆
∆
∆
∆
P L 2. Difusi solute melintasi membrane = Ns . NS .
AS
.
; A
Rejection = R = Perbandingan antara perbedaan konsentrasi yang melewati membrane dengan bulk konsentrasi dalam umpan R 1
Jika C1, C2 disubstitusikan ke Neraca massa flux diperoleh
R
1
∆ ∆ ∆ ∆
;
.
