1
BAB I PENDAHULUAN
Proses perpindahan massa merupakan salah satu proses yang cukup penting. Perpindahan massa merupakan peristiwa yang dijumpai hampir dalam setiap operasi dalam kegiatan teknik kimia. Salah satu proses tersebut adalah distilasi yang merupakan proses pemisahan campuran cair-cair cair-cair menjadi komponen-komponennya dengan berdasarkan pada perbedaan kemampuan/daya penguapan komponenkomponen tersebut. Adanya perbedaan kemampuan penguapan antara komponenkomponen tersebut dikenal sebagai volatilitas relatif. istilasi !penyulingan" adalah proses pemisahan komponen dari suatu campuran yang berupa berupa larutan larutan cair-cai cair-cairr dimana dimana karakter karakteristi istik k dari campuran campuran tersebut tersebut adalah adalah mamp mampu-c u-cam ampur pur dan mudah mudah mengu menguap# ap# selain selain itu itu kompon komponenen-kom kompon ponen en terseb tersebut ut mempunyai perbedaan tekanan uap dan hasil dari pemisahannya menjadi komponenkomponennya atau kelompok- kelompok komponen. $arena adanya perbedaan tekanan uap# maka dapat dapat dikatakan dikatakan pula proses proses penyuling penyulingan an merupakan merupakan proses pemisahan pemisahan komponen-komponennya komponen-komponennya berdasarkan perbedaan titik didihnya.
%
BAB II MATERI
2.1. Penyulinga Penyulingan n
istilasi istilasi adalah suatu proses yang di dalamnya suatu cairan atau uap campuran dari dua atau atau lebih lebih subst substans ansii dipisa dipisahka hkan n ke dalam dalam fraksi fraksi-fr -fraks aksii kompon komponenn ennya ya dengan dengan kemurnian yang diinginkan melalu pemakaian atau pelepasan kalor. Seba Sebaga gaii cont contoh oh## pros proses es peny penyul ulin inga gan n dari dari laru laruta tan n gara garam m yang yang dila dilaku kuka kan n di laborato laboratorium rium## sebagaim sebagaimana ana ditunjukk ditunjukkan an pada gambar gambar %.1.1. %.1.1. Pada gambar gambar tersebut tersebut## terlihat# larutan garam !&a'l" dimasukkan dimasukkan pada labu# dimana pada bagian atas dari labu tersebut dipasang alat pengukur suhu atau thermometer. (arutan garam di dalam labu dipanasi dengan menggunakan pembakar )unsen. Setelah beberapa saat# larutan garam terse tersebut but akan akan mendi mendidi dih h dan sebagi sebagian an akan akan mengua menguap. p. *ap terse tersebut but dilew dilewatk atkan an kondensor kondensor## dan akan terkonden terkondensasi sasi yang ditampun ditampung g pada erlemeny erlemenyer. er. 'airan pada erlemeyer merupakan destilat sebagai air murni.
Gambar 2.1.1. Penyulingan larutan garam sala lab!rat!rium
Pada operasi distilasi# terjadinya pemisahan didasarkan pada gejala bahwa bila campuran cair ada dalam keadaan setimbang dengan uapnya# komposisi uap dan cairan berbeda. *ap akan mengandung lebih banyak komponen ko mponen yang lebih mudah menguap#
+
sedangkan cairan akan mengandung lebih sedikit komponen yang mudah menguap. )ila uap dipisahkan dari cairan# maka uap tersebut dikondensasikan# selanjutnya akan didapatkan cairan yang berbeda dari cairan yang pertama# dengan lebih banyak komponen yang mudah menguap dibandingkan dengan cairan yang tidak teruapkan. )ila kemudian cairan dari kondensasi uap tersebut diuapkan lagi sebagian# akan didapatkan uap dengan kadar komponen yang lebih mudah menguap lebih tinggi. *ntuk menunjukkan lebih jelas uraian tersebut# berikut digambarkan secara skematis, 1.
$eadaan awal ula-mula# pada cairan terdapat campuran A dan )# dimana karakteristik dari komponen-komponen tersebut adalah komponen A lebih mudah menguap !volatil" dibanding komponen ). $omposisi dari kedua komponen tersebut dinyatakan dengan fraksi mol. *ntuk fase cair komponen A dinyatakan dengan A# sedangkan komponen ) dinyatakan dengan ).
%.
'ampuran diuapkan sebagian# uap dan cairannya dibiarkan dalam keadaan setimbang.
+.
*ap dipisahkan dari cairannya dan dikondensasi0 maka didapat dua cairan# cairan dan cairan . 'airan mengandung lebih sedikit komponen A !lebih mudah menguap" dibandingkan cairan
Gambar 2.1.2. "ema #r!ses #er#in$a%an massa #a$a #eristi&a $istilasi
Pada kondisi diatas# dari campuran dua komponen cairan !campuran biner" akan didapat dua cairan yang relatif murni. 2al ini dapat terlaksana# apabila beda titik didih dari kedua komponen tersebu relatif besar. Apabila perbedaan titik didih dari kedua komponen tersebut tidak terlalu jauh# maka perlu dilakukan proses penyulingan sebagaimana ditunjukkan pada gambar %.1.+. Pada gambar %.1.+. merupakan contoh alat penyuling !distillation" kontinyu !sinambung". Pada gambar tersebut terlihat pendidih ulang !reboiler" yang mendapat umpan berupa 3at cair secara kontinyu yang merupakan komponen yang akan dipisahkan. $arena adanya panas yang masuk !pemanasan" pada pendidih-ulang# maka 3at cair masuk akan diubah sebagian menjadi uap# dalam hal ini uap akan kaya dengan komponen yang volatil !mudah menguap". Apabila perbedaan titik didih dari komponen tersebut relatif tinggi# maka uapnya hampir merupakan komponen murni. Akan tetapi apabila perbedaan titik didih dari komponen tersebut# tidak terlalu besar# maka uap merupakan campuran dari beberapa komponen. $emudian uap campura tersebut dikondensasikan# kemudian 3at cair hasil kondensasi# sebagian dikembalikan kedalam kolom# yang disebut dengan refluks. 'airan yang dikembalikan tersebut !refluks" diusahakan agar dapat kontak secara lawan arah dengan uap# sehingga diharapkan hasil atas !over head" akan meningkat kemurniannya. *ntuk mendapatkan kondisi tersebut !kemurnian meningkat"# diperlukan uap yang banyak
4
agar dapat digunakan sebagai refluks dan hasil atas. $ondisi tersebut harus diimbangi dengan panas yang masuk pada reboilerharus besar !ditingkatkan". 2al ini perlu dipertimbangkan# khususnya dalam rangka penghematan energi.
Gambar 2.1.'.(!l!m )rasinasi $engan Reb!iler
Gambar 2.1.*.Rangaian alat $istilasi )rasinasi $i lab!rat!rium
alam distilasi# fase uap yang terbentuk setelah larutan dipanasi# dibiarkan kontak dengan fase cairannya sehingga transfer massa terjadi baik dari fase uap ke fase cair
5
maupun dari fase cair ke fase uap sampai terjadi keseimbangan antara kedua fase. Setelah keseimbangan tercapai# kedua fase kemudian dipisahkan. 6ase uap setelah dikondensasikan dalam kondensor disebut sebagai distilat sedangkan sisa cairannya disebut residu. istilat mengandung lebih banyak komponen yang volatil !mudah menguap" dan residu mengandung lebih banyak komponen yang kurang volatil.
Gambar 2.1.+.Piring satu ta%a# #a$a $estilasi bertingat
$eterangan gambar, A , Piring !plate" ) , (ubang-lubang pada piring !perforasi" ' , Saluran limpahan menuju piring berikutnya , Saluran limpahan dari piring sebelumnya istilasi adalah sistem perpindahan yang memanfaatkan perpindahan massa. asalah perpindahan massa dapat diselesaikan dengan dua cara yang berbeda. Pertama dengan menggunakan konsep tahapan kesetimbangan dan kedua atas dasar proses laju difusi. istilasi dilaksanakan dengan rangkaian alat berupa kolom/menara yang terdiri dari piring !plate/tray tower" sehingga dengan pemanasan komponen dapat menguap# terkondensasi# dan dipisahkan secara bertahap berdasarkan tekanan uap/titik didihnya. Proses ini memerlukan perhitungan tahap kesetimbangan. *ntuk menentukan jumlah variabel bebas dalam suatu sistem digunakan kaidah derajat kebebasan, $ 7 ' 8 P 9 % imana, $ 7 erajat kebebasan
:
' 7 ;umlah komponen P 7 ;umlah fase Sebagai contoh# campuran antara '<%-udara-air pada kesetimbangan gascair# maka berdasarkan rumus diatas terdapat tiga derajat kebebasan !$ 7 +"# dimana '7+ dan P7%. ;adi apabila tekanan total dan suhu sudah ditentukan# maka tinggal satu variabel yang bisa diatur. ;adi pada distilasi satu tahapannya yang memisahkan dua komponen !'7%"# misalkan campuran amonia-air# dengan sistem uap-cair !%fasa# P7%"# maka pada sistem tersebut# mempunyai dua derajat kebebasan. Pada sistem tersebut# terdapat empat variabel yaitu tekanan# suhu# dan fraksi komposisi komponen A !&2 +" pada fasa cair# Adan fraksi komposisi komponen A !&2 +" fasa uap# y A. imana fraksi komposisi komponen ) sama dengan 1 dikurangi fraksi komposisi komponen A dapat diketahui# berdasarkan,A9 )7 1 danyA9 y)7 1. ;ika telah ditetapkan temperatur# hanya ada satu variabel saja yang dapat diubah secara bebas# sedangkan temperatur dan konsentrasi fasa uap didapatkan sebagai hasil perhitungan sesuai sifat-sifat fisik pada tahap kesetimbangan. )atas perpindahan fase tercapai apabila kedua fasa mencapai kesetimbangan dan perpindahan makroskopik terhenti. Pada proses komersial yang dituntut memiliki laju produksi besar# terjadinya kesetimbangan harus dihindari.
2.2. Dasar (esetimbangan Ua#,-air
$eberhasilan suatu operasi penyulingan tergantung pda keadaan setimbang yang terjadi antar fasa uap dan fasa cairan dari suatu campuran. alam hal ini akan ditinjau campuran biner yang terdiri dari komponen A !yang lebih mudah menguap" dan komponen ) !yang kurang mudah menguap". Pada gambar di bawah merupakan hubungan antara komponen A dan komponen ) dengan suhu kesetimbangan uap-cair. 'ampuran dua komponen disebut juga dengan campuran biner. Pada sumbu horisontal# menunjukkan fraksi dari komponen A. iujung sebelah kiri ditandai dengan angka nol# artinya fraksi komponen A# A dan yA 7 =# atau pada titik tersebut merupakan komponen ) murni. isisi lain# pada ujung sebelah kanan# ditandai dengan angka 1# merupakan komponen A murni. >aris vertikal menunjukkan suhu# baik suhu A# ) maupun campuran A dan ). Pada grafik tersebut
?
terlihat bahwa titik didih !boiling point" dari komponen A murni lebih rendah dibanding komponen )# @A @). 2al ini menunjukkan bahwa# komponen A lebih mudah menguap dibanding komponen ). $urva bagian atas pada grafik tersebut# menunjukkan kurva untuk titik embun !dew point"# sedangkan kurva dibagian bawah# merupakan kurva titik gelembung !bubble point". Buang diatas kurva titik embun# bahan berada pada fase uap# sedangkan ruang dibawah kurva titik gelembung# bahan berada pada fase cair. iantara kedua kurva tersebut# bahan berada pada fase campuran.
C
2.'. Dasar Peralatan Penyulingan
$olom distilasi adalah kolom fraksionasi kontinu yang dilengkapi berbagai perlengkapan yang diperlukan. *mpan dimasukkan di sekitar pertengahan kolom dengan laju tertentu. @ray tempat masuk umpan dinamakan feed plate. Semua tray yang terletak di atas tray umpan adalah bagian rektifikasi !enriching section" dan semua tray di bawahnya# termasuk feed plate sendiri# adalah bagian stripping. *mpan mengalir ke bawah pada stripping section ini# sampai di dasar kolom di mana permukaan cairan ditetapkan pada ketinggian tertentu. 'airan itu lalu mengalir dengan gaya gravitasi ke dalam reboiler. imana reboiler adalah alat penukar panas jenis penguap !vapori3er" dengan menggunakan pemanasan uap !steam" yang dapat menghasilkan komponen uap !vapor" dan mengembalikannya ke dasar kolom. $omponen uap tersebut lalu mengalir ke atas sepanjang kolom. Pada ujung reboiler terdapat suatu tanggul. Produk bawah dikeluarkan dari kolam 3at cair itu pada bagian ujung tanggul dan mengalir melalui pendingin. Pendinginan ini juga memberikan pemanasan awal pada umpan melalui pertukaran kalor dengan hasil bawah yang panas. *ap yang mengalir naik melalui bagian rektifikasi dikondensasi seluruhnya oleh kondensor dan kondensatnya dikumpulkan dalam akumulator !pengumpul "# di mana permukaan 3at cair dijaga pada ketinggian tertentu. 'airan tersebut kemudian dipompa oleh pompa refluks dari akumulator ke tray teratas. Arus ini menjadi cairan yang mengalir ke bawah di bagian rektifikasi# yang diperlukan untuk berinteraksi dengan uap yang mengalir ke atas. @anpa refluks tidak akan ada rektifikasi yang dapat berlangsung dan kondensasi produk atas tidak akan lebih besar dari konsentrasi uap yang mngalir naik dari feed plate. $ondensat yang tidak terbawa pompa refluks didinginkan dalam penukar kalor# yang disebut product cooler dan dikeluarkan sebagai produk atas. $arena tidak terjadi a3eotrop# produk atas dan produk bawah dapat terus dimurnikan sampai tercapai kemurnian yang diinginkan dengan mengatur jumlah traydanrefluks ratio. istilasi kontinu dengan refluks efektif memisahkan komponen-komponen yang volatilitasnya sebanding. engan melakukan redistilasi berulang-ulang dapat diperoleh komponen yang hampir murni karena jumlah komponen pengotor lain sedikit. etoda ini dimodifikasi menjadi lebih modern untuk diterapkan pada skala industri dengan
1=
dihasilkannya distilasi metoda rektifikasi. $olom distilasi terdiri dari banyak tray yang diasumsikan ideal. ;ika diperhatikan tray ke-n dari puncak kolom# maka tray yang langsung berada di atasnya adalah tray ke-n-1 dan tray yang langsung berada di bawahnya adalahtray ke-n91. Ada % aliran fluida yang masuk ke dalam dan % arus keluar dari tray n. Aliran 3at cair ( n-1!mol/jam" dari tray n-1 dan aliran uap
vn91
dari tray n91 !mol/jam" mengalami kontak di tray n.
Aliran uap Dn naik ke tray n-1 dan aliran cairan (n turun ke tray n91. ;ika konsentrasi aliran uap dalam fasa D ditandai dengan y# dan konsentrasi aliran cairan ditandai dengan # maka konsentrasi aliran yang masuk dan yang keluartray n adalah, uap keluar dari tray !yn"# cairan keluar dari tray ! n"# uap masuk ke tray!y n91"# dan cairan masuk ke tray! n-1". Sesuai definisi tray ideal# uap dan cairan yang keluar piring n berada dalam kesetimbangan# sehingga n dan yn merupakan konsentrasi kesetimbangan.
11
hampir murni dari komponen volatil. at!r,)at!r #enting $alam meran/ang $an meng!#erasian !l!m $istilasi
- ;umlah tray yang diperlukan untuk mendapatkan pemisahan yang dikehendaki. - iameter kolom# kalor yang dikonsumsi dalam pendidih. - $onstruksi tray.
2.*. Ti#e Distilasi
$arena karakter campuran yang berbeda maka distilasi dilakukan dengan cara berbeda pula.
dan
residu". isebut
distilasi
kontinyu jika prosesnya
berlangsung
terusmenerus. Ada aliran bahan masuk sekaligus aliran bahan keluar. Bangkaian alat distilasi yang banyak digunakan di industri adalah jenis tray tower dan packed tower.
Gambar 2.*.1.Rangaian alat $istilasi $i in$ustri
1%
Gambar 2.*.2. Distilasi ti#e Tray 0Tray T!&er
1+
Gambar 2.*.'. Distilasi ti#e Isian 0Pa/e$ T!&er
1
Gambar 2.*.*. !t! rangaian alat $istilasi $i sebua% #abri
2.+. Pera&atan #eralatan $istilasi
$olom distilasi harus dirawat agar kebersihan dan penggunaannya dapat seoptimal mungkin# dilakukan sebagai berikut ,
Pengaruh panas kolom pada unit kolom distilasi terbatas pada kondensor dan pendidih ulang !reboiler"# karena# pada umumnya# kolom tersebut diisolasi# sehingga kehilangan kalor sepanjang kolom relatif kecil.
*ntuk umpan yang berupa 3at cair pada titik gelembungnya !E 7 1" yaitu cairan jenuh# kalor yang diberikan pada pendidih ulang sama dengan yang dikeluarkan pada kondensor. *ntuk umpan yang berwujud selain cairan jenuh kebutuhan kukus# pemanas dihitung dengan neraca panas !neraca entalpi".
2.. Nera/a Massa Pa$a (!l!m Distilasi
$olom mendapat umpan sebesar 6 !mol/jam" umpan yang berkonsentrasi f # dan menghasilkan !mol/jam" distilat yang berkonsentrasi d dan produk bawah yang berkonsentrasi b. Ada % neraca massa yang penting, &eraca massa total, 679)
14
&eraca komponen, 6.f 7 .d9 ). b ;umlah adalah selisih antara laju aliran arus yang masuk dan yang keluar atas kolom. &eraca massa pada konsensor dan akumulator adalah, 7 Da 8 (a Selisih antara laju aliran uap dan laju aliran cairan di manapun pada bagian atas kolom adalah # yang jelas terlihat bila diperhatikan bagian dari instalasi itu yang dikurung permukaan kendali . Permukaan ini meliputi kondensor dan semua piring di n91. &eraca massa total pada permukaan tersebut adalah, 7 Dn918 (n ;umlah adalah laju aliran netto bahan ke atas pada bagian atas kolom. )erapapun pertukaran konsentrasikomponen pada D dan( selisihnya selalu . &eraca massa untuk komponen a sesuai dengan persamaan,
;umlah .d adalah laju aliran netto komponen A ke atas pada bagian atas kolom. ;umlah ini konstan pada seluruh bagian atas kolom. Pada bagian bawah kolom# laju alir netto juga konstan# tetapi arahnya ke bawah.(aju aliran netto total adalah )# untuk komponen A adalah ). b# sesuai persamaan,
$arena kolom distilasi terdiri dari bagian atas dan bagian bawah# maka ada % garis operasi# satu untuk bagian rektifikasi dan satu untuk bagian pelucutan. Persamaan garis operasi untuk bagian pelucutan adalah,
Substitusi Da.ya 8 (a.a menghasilkan
15
>radien garis operasi adalah ratio antara aliran cairan dan uap. ;ika Dn91 dieliminasi,
*ntuk bagian bawah kolom# neraca massanya adalah,
alam bentuk lain# persamaan tersebut menjadi
Persamaan ini adalah persamaan garis operasi bagian pelucutan. i sini pun gradien garis adalah ratio antara aliran 3at cair dan aliran uap. Fliminasi Dm91 akan menghasilkan,
)ila garis operasi bagian atas dan bagian bawah tersebut digambarkan bersama kurva kesetimbangan pada diagram -y# dapat digunakan konstruksi bertahap c'abe@hille untuk menghitung berapa banyaknya tray ideal yang diperlukan untuk mendapatkan suatu perbedaan konsentrasi tertentu# baik pada bagian rektifikasi maupun pada bagian pelucutan. ;ika dilihat persamaan garis operasi# terlihat bahwa garis operasi akan merupakan garis lengkung# kecuali jika (n dan (m konstan. >aris operasi pun hanya dapat digambarkan jika perubahan konsentrasi pada aliran dalam diketahui. *ntuk menentukan garis operasi yang berbentuk kurva diperlukan neraca entalpi. Pada distilasi# laju aliran molar uap dan 3at cair pada masing-masing bagian kolom itu hampir mendekati konstan# dan garis operasinya mendekati garis lurus. 2al ini akibat kalor penguapan molar yang hampir sama# sehingga setiap mol komponen yang titik didihnya tinggi yang terkondensasi pada waktu uapnya mengalir ke atas akan membebaskan energi sebanyak yang diperlukan untuk menguapkan 1 mol komponen yang titik didihnya rendah. Perubahan entalpi aliran cairan dan uap dan kehilangan
1:
kalor dari kolom biasanya mengakibatkan perlunya pembentukan uap yang agak lebih banyak pada bagian bawah kolom# sehingga ratio molar aliran uap pada bagian bawah akan lebih mendekati 1. $arena itu# dalam merancang kolom distilasi biasanya digunakan konsep constant molal overflow# sehingga dalam persamaan garis operasi tanda trayn# n-1# n91# m# m-1# dan m91 pada ( dan D dapat dianggap sama. alam model ini# persamaan persamaan neraca massa adalah linear dan garis operasinya berupa garis lurus. >aris operasi dapat digambar bila diketahui dua titik. Akibatnya# metoda c'abe-@hiele dapat digunkan tanpa memerlukan neraca entalpi.
2.3. Analisis (!l!m rasinasi
Analisis kolom fraksionasi dimudahkan lagi dengan menggunakan besaran refluks ratio. Ada % macam refluks ratio yang biasa digunakan# yaitu refluks ratio terhadap hasil atas Bd dan refluks ratio terhadap uap !aliran uap komponen" Bv. Persamaan kedua refluks ratio tersebut adalah,
$arena itu persamaa garis operasi untuk bagian rektifikasi yang mengikuti constant molal overflow dapat disederhanakan,
@itik potong y dari garis ini adalah d / !B d91". $onsentrasi d ditentukan kondisi rancangan# dan B d merupakan variabel operasi yang dapat dikendalikan dengan mengatur pembagian antara refluks dan hasil atas# atau dengan mengubah banyaknya uap yang terbentuk dalam reboiler untuk suatu laju distilat tertentu. $arena kemiringan garis rektifikasi adalah B d / !B d91"."# kemiringan dapat bertambah bila refluks ratio ditingkatkan sampai D7( saat B d tak berhingga# bergradien1# sehingga garis operasi menjadi berimpitan dengan diagonal# yang disebut
1?
refluks total. Pada refluks total jumlah tray minimum#tetapi produk atas dan bawah adalah = pada setiap umpan dengan laju alir tertentu.
;umlah tray minimum dapat dihitung dengan persamaan,
Persamaan tersebut adalah persamaan 6enske. ;ika perubahan nilai a ab bagian dasar dan puncak kolam tidak signifikan nilai a ab yang digunakan adalah rata-rata geometriknya. ;ika refluks kurang dari refluks total# jumlah tray yang dibutuhkan untuk mendapatkan pemisahan tertentu akan lebih besar daripada yang dibutuhkan untuk refluks total. Pada refluks ratio yang kecil# jumlah tray akan besar# dan pada refluks ratio minimum jumlah tray menjadi tak berhingga. Semua kolom distilasi yang menghasilkan produk atas dan produk bawah dalam jumlah tertentu harus beroperasi pada refluks ratio yang besarnya antara B d minimum !saat jumlah tray tak berhingga" dan saat B d tak berhingga !saat jumlah tray minimum". Befluks ratio minimum dapat diperoleh dengan menggerakkan garis operasi sambil menurunkan refluks ratio. Pada refluks total dari operasi berimpitan dengan diagonal. ;ika refluks diturunkan perpotongan garis operasi atas dan bawah akan bergerak di sepanjang garis umpan ke arah kurva kesetimbangan# luas diagram yang dapat digunakan untuk konstruksi tahap makin kecil# dan jumlah tahap meningkat. ;ika salah satu garis operasi tersebut menyentuh kurva kesetimbangan jumlah tahap yang diperlukan sebelum melintas titik singgung ini menjadi tak berhingga. Pada kondisi ini refluks ratio disebut minimum. ;ika G dan yG adalah koordinat perpotongan antara garis operasi dengan kurva kesetimbangan# refluks ratio minimum !B dm" dapat dihitung dengan persamaan,
1C
)ila refluks ratio ditingkatkan mulai minimum# jumlah tray akan bertambah# mulamula dengan cepat # kemudian berangsur makin perlahan# hingga jumlah tray minimum pada refluks total. (uas penampang kolom biasanya sebanding dengan laju aliran uap. )ila refluks ratio meningkat sampai pada tingkat keluaran distilat dan bottom tertentu# D dan ( akan meningkat sampai dicapai suatu titik dimana peningkatan diameter kolom jauh lebih cepat dari pada berkurangnya jumlah piring. )iaya instalasi sebanding dengan luas permukaan piring dan jumlah piring kali luas penampang kolom.
2.4. 5!latilitas Relati)
2ubungan komposisi uap dan cairan dalam keadaan setimbang dapat dinyatakan dengan volatilitas relatif yang didefinisikan sebagai berikut,
Persamaan di atas dapat disusun menjadi
)ila diketahui harga-harga sebagai fungsi temperatur# maka pada tekanan tetap# hubungan yA dan A pada berbagai suhu pada keadaan setimbang dapat ditentukan. )ila konstan# dan diketahui harganya# maka harga-harga y A pada setiap harga 1 dan sebaliknya !kurva yA terhadap !A" dapat langsung ditentukan.
2.6. Larutan I$eal
*ntuk larutan ideal !biner" berlaku hukum Baoult,
dimana, PA 7 tekanan parsial komponen A di fasa uap P) 7 tekanan parsial komponen ) di fasa uap PAH 7 tekanan uap komponen A
%=
P)H 7 tekanan uap komponen ) *ntuk sistem biner, P A9 P)7 P dimana P adalah tekanan total. )ila persamaan penghubung A dan yA tersebut digabungkan# didapat,
)ila harga yA 7 A maka harga a 71# dan campuran biner pada komposisi tersebut tidak dapat dipisahkan menjadi komponen-komponennya dengan cara distilasi.
-!nt!% "!al 7 1. @emperatur fraksionasi kontinu dirancang untuk memisahkan +=.=== lb/jam campuran yang terdiri atas =I ben3ena !I berat" dan 5= I toluena menjadi suatu hasil atas !distilat" yang mengandung C: I ben3ena dan hasil bawah (bottom) yang mengandung C? I toluena.&isbah refluks adalah +#4 mol refluks untuk setiap mol hasil. Panas laten molal ben3ena 7 :+5= kal/g. mol Panas laten molal toluena 7 :C5= kal/g. mol. )en3ena dan toluena membentuk sistem ideal dengan volatilitas relatif !a" 7 %#4. @itik didih umpan ialah C4J' pada 1 atm ata kesetimbangan , ben3ena dan toluena !berdasarkan fraksi mol cairan ben3ena".
a. 2itunglah berapa mol hasil atas !" dan hasil bawah !)" b. @entukan banyaknya piring ideal dan letak piring umpan bila umpan berupa cairan jenuh. c. ;ika uap pada tekanan %= bf/in% digunakan sebagai pemanas# berapa uap pemanas yang diperlukan per jam pada kasus b. d. ;ika air pendingin masuk kondensor pada suhu ?= 6 !%5#:J'" dan keluar pada 14=J6 !54#4J'"# berapa banyak air pendingin yang diperlukan dalam lb/jam. Penyelesaian7 a. ) )en3ena 7 :? ) @oluena 7 :? $onsentrasi umpan K60 konsentrasi destilat K dan konsentrasi hasil bawah K ) adalah
%1
sebagai berikut,
) rata-rata umpan ialah
(aju umpan Nera/a massa
b. B 7 +4
7 =#%15 ;umlah piring ideal 71191 reboiler 6eed masuk pada piring ke 4
c. Aliran uap D di dalam bagian rektifikasi yang harus dikondensasikan pada kondensor adalah,
%%
#4 mol per mol distilat# yaitu, D 7 #4 14+# 7 5C= lb.mol/;am (aju aliran total uap di bagian rektifikasi adalah, D 7 D 9 !1 8 E" 6 D 7 D 8 !1 8 E" 6 D 7 5C= 8 +4= !1 8 E" 7 5C= 8 +4= !1 - 1" 7 5C= lb.mol/; $alor penguapan campuran dari umpan
ari tabel diatas kalor dari 1 lb uap pemanas pada tekanan %= lbf/in % didapat C4?#? )tu/lb $ebutuhan pemanas ,
d. $ebutuhan air pendingin yang diperlukan,
2. 2itung komposisi vapor dan liEuid ben3ene!A" dan toluene!)" dalam kesetimbangan
pada suhu C4J'# 1atm!1=1.+% kPa". iketahui tekanan uap ben3ene dan toluene pada kondisi tersebut adalah 144.: kPa dan 5+.+ kPa.
Penyelesaian7
%+
*ntuk @ 7 +=?#4
'. Suatu larutan dengan massa 1== kg mengandung komponen flavor dengan
konsentrasi =.4I b/b. $omponen flavor tersebut kemudian dipisahkan dengan flash distillation. (arutan dipanaskan pada suhu @ dan dimasukkan dalam tangki distilasi dengan tekanan %= kPa. ;ika fungsi liEuid-vapor ekuilibrium dari larutan adalah yL 7 5+ ! dan yL adalah konsentrasi flavor dalam cairan dan uap# b/b". @entukan suhu minimal supaya didapatkan :=I komponen vapor dalam distilat. M asumsi, karakteristik termal larutan sama seperti air
Penyelesaian7
6lavor compound ass balance, 6lavor comp. pada feed 7 4=I 1== 7 4= kg 6lavor comp. Pada vapor 7 :=I 4= 7+4 kg
6lavor comp. Pada bottom 7 +=I 4= 7 14 kg 6ungsi kesetimbangan,
Fntalpi balance,
L
y
7 +4/D
7 14/!1==-D"
%
Pada tekanan %= kPa !steam @able",
Pada steam @able Suhu pada entalpi ++4#% k;/kg adalah ?= o'
. Sebuah campuran 1== mol mengandung 4= mol I n-pentana dan 4= mol I nheptana di distilasi dibawah kondisi diferensial pada tekanan 1=1#+ kPa sampai = mol. )erapa tol komposisi uap rata-rata cairan yang tertinggal N i bawah ini adalah data kesetimbangan dimana dan y adalah fraksi mol pentas. x y x y x y 1,000 1,000 0,398 0,836 0,059 0,27 1 0,867 0,984 0,254 0,701 0 0 0,594 0,925 0,145 0,521 Penyelesaian7
&ilai yang telah diberikan !pada persamaan 11.+-1= pada buku Perry" adalah ( 1 7 1== mol#
Subtitusi
ke
dalam
persamaan !11.+-1="#
Oang tidak diketahui adalah
komposisi likuid ( % pada akhir distilasi diferensial.
*ntuk melakukan integrasi grafik pada sebuah plot 1/!y-" versus dibuat pada gambar dibawah ini. *ntuk 7 =#4C# nilai kesetimbangan y 7 =#C%4. $emudian 1/!y-" 7 1/ !=#C%4-=#4C" 7 +#=%. &ilai 1/!y-" 7 +#=% dan 7 =#4C dibuat plot. Pada kesamaan langkah# nilai lain bisa dibuat plot.
%4
*ntuk mendeskripsikan nilai dari
area dari persamaan !11.+-1%" dipenuhi dibawah kurva
dan area 7 =#41=. eskipun
dimasukkan ke dalam
persamaan !11.+-11" dan penyelesaian untuk komposisi rata-rata dari = mol yang telah di distilasi.
%5
BAB III PENUTUP
Pemisahan dengan cara destilasi melibatkan penguapan diferensial dari suatu campuran cairan diikuti dengan penampungan material yang menguap dengan cara pendinginan dan pengembunan. estilasi hanya merupakan salah satu langkah saja dalam pekerjaan analisis kimia. Secara umum destilasi dapat di klasifikasikan menjadi destilasi sederhana# dcstilasi fraksional dan destilasi uap. Pemisahan destilasi menyangkut keseimbangan uap dan cairan pada suhu tertentu. *ap cairan dari biner selalu mengandung lebih banyak 3at yang lebih volatif. 2al ini menjadi dasar proses pengayaan komponen tertentu pada destilasi fraksional. estilasi kolom tutup gelembung merupakan wujud dari proses pengayaan destilasi fraksional dengan teori plat. estilasi uap digunakan untuk memisahkan 3at yang tidak dapat bercampur dengan air# senyawa yang secara tidak langsung menguap dalam air# dan campuran berair yang mengandung garamgaram terlarut.
%:
DATAR PU"TA(A
2anley# and Seader# FEuilibrium Separation
iley and Sons# 1C?1# 'hapter C
c 'abe# .(.# *nit
raw-2ill )ook 'o.# &ew Oork# 1C:?# 'hapter 1C @reybal# B.F.# ass @ransfer raw-2ill# 1C?1 'hapter C Perry# B.# >reen# ..# and aloney# ;.<.# PerryGs 'hemical FngineersG 2andbook 5th Fdition# c>raw-2ill# ;apan# 1C?/ c$etta# ;.;.#*nit raw2ill )ook 'o.# &ew Oork. >eorge @ Austin# F. ;asjfi !alih bahasa"# 1CC4.Qndustri Proses $imiaR# ;ilid 1# Fdisi 4# Penerbit Frlangga# ;akarta.