PENENTUAN PETA KURVA RESIDU SISTEM TERNER ETANOL-AIR-HCl DENGAN DISTILASI BATCH

Transkripsi

1 Ketahanan Pangan dan Energ Surabaya, 24 Jun 2010 PENENTUAN PETA KURVA RESIDU SISTEM TERNER ETANOL-AIR-HCl DENGAN DISTILASI BATCH N Ketut Sar Program Stud Teknk Kma, Fakultas Teknolog Industr, UPN Veteran Jawa Tmur, Jalan Raya Rungkut Madya Gunung Anyar Surabaya, Telpon , Fax Emal: sar_ketut@yahoo.co.d ABSTRAK Peta kurva resdu dpergunakan untuk memperkrakan daerah komposs produk yang dapat dhaslkan dar proses dstlas untuk campuran sstem multkomponen. Dengan mengetahu peta kurva resdu, maka dapat dketahu apakah campuran tersebut akan terbentuk campuran zeotropk atau azeotropk. Untuk pemsahan sstem terner Etanol-Ar-HCl dlakukan peneltan secara smulas sebelum dlakukan peneltan secara ekspermen, supaya dalam penentuan varabel peneltan bsa lebh terarah dan baya peneltan lebh murah. Smulas sstem terner Etanol-Ar-HCl secara dstlas batch menggunakan metoda rgorous, model DAEs dan bahasa Matlab. Hasl dar smulas sstem terner Etanol-Ar-HCl kemudan dvaldas dengan metode topolog dan dkomparas menggunakan sstem terner Metanol-Etanol-Ar yang membentuk campuran azeotropk. Penggunaan sstem terner Metanol-Etanol-Ar dalam komparas sstem terner Etanol-Ar-HCl, karena dpredks campuran sstem terner Etanol-Ar-HCl membentuk campuran azeotropk. Hasl smulas berupa profl temperatur, profl komposs lquda dan profl komposs uap fungs dmensonless waktu bak d bottom maupun d dstlat. Hasl menunjukkan bahwa smulas sstem terner Etanol-Ar-HCl menunjukkan campuran azeotropk, valdas secara topolog dan komparas dengan sstem terner Etanol-Ar-HCl mendekat hasl yang sama. Kata kunc : azeotropk, dmensonless waktu, dstlas batch, peta kurva resdu, zeotropk. PENDAHULUAN Dalam ndustr kma, proses fermentas adalah salah satu cara untuk mendapatkan senyawa kma dengan bantuan mkroorgansme, selanjutnya produk fermentas masuk pada tahap pemsahan. Pada tahap n sangat pentng untuk menghaslkan produk dengan kemurnan tertentu, salah satu peralatan yang umum dgunakan pada proses pemsahan adalah kolom dstlas batch. Proses pemsahan dalam ndustr umumnya pemsahan multkomponen dan jarang pemsahan bner, oleh karena tu sangat pentng untuk mennjau dstlas batch multkomponen. Desan dstlas batch mult komponen umumnya dperoleh dengan melakukan smulas, agar dperoleh hasl smulas yang mendekat dengan keadaan sebenarnya maka dbutuhkan data thermodnamka yang akurat. Dalam proses pemsahan, data thermodnamka yang palng domnan berpengaruh pada knerja proses adalah kesetmbangan fase. Salah satu korelas thermodnamka moderen dalam mempersentaskan kelakuan campuran tdak deal adalah persamaan UNIQUAC, perkraan kesetmbangan sstem terner dan kuarterner dapat dlakukan hanya berdasarkan data percobaan sstem bner. Model-model aktftas koefsen dengan persamaan UNIQUAC dkembangkan dar campuran bner, dan mempunya keuntungan untuk aplkas pada campuran sstem mult komponen karena hanya membutuhkan parameter bner (tdak membutuhkan parameter tambahan). Tetap kerugan model tersebut tdak selalu berhasl dalam memperkrakan kesetmbangan sstem mult komponen yang menunjukkan campuran yang sangat tdak deal lebh-lebh untuk campuran yang mempunya pasangan dengan kelarutan terbatas sepert butanol-ar. Untuk mengatas hal tersebut dperlukan pengukuran data kesetmbangan sstem bner secara akurat dan model estmas parameter-parameter dar model koefsen aktftas sehngga parameter-parameter tersebut dapat dgunakan untuk memperkrakan kesetmbangan uap-car sstem mult komponen secara akurat. E5-1

2 Ketahanan Pangan dan Energ Surabaya, 24 Jun 2010 Dar hasl smulas sstem terner yang dperoleh, untuk melhat profl pergerakan komposs lquda d bottom maka dgambar dalam bentuk peta kurva resdu. Dar peta kurva d resdu sstem terner tersebut bsa dketahu apakah suatu campuran terner tersebut membentuk campuran zeotropk atau azeotropk. Dar campuran azeotropk dbedakan menjad campuran azeotropk homogen dan campuran azeotropk heterogen. Untuk campuran azeotropk homogen setelah dlakukan pemsahan maka hasl yang dperoleh membentuk satu phase dan ttk azeotropnya tdak terletak pada Lqud-Lqud-Equlbrum (LLE), sedangkan untuk campuran azeotropk heterogen setelah dlakukan pemsahan hasl yang dperoleh membentuk lebh dar satu phase dan ttk azeotropnya berada pada LLE. Kemudan dkembangkan lebh jauh untuk sstem mult komponen, yatu dalam bentuk peta kurva resdu campuran azeotropk homogen dan heterogen, profl pergerakan komposs lquda d resdu apakah membentuk campuran zeotropk atau azeotropk. Sstem terner sepert sopropanol-ar-benzene membentuk campuran azeotropk pseudo-homogen sudah dtelt oleh Pham dan Doherty (1990). Sstem terner sepert chloroform-benzene-aseton (Fdkowsk dkk. 1993), asetonheptane-benzene (Henley dan Seader 1998), aseton-ar-metyl ethyl keton (Vllers dkk. 2002) dan sopropanol-methyl cyclohexane-toluene (Egbewatt dan Fletcher 2003) membentuk campuran azeotropk homogen. Sstem terner lannya yang membentuk campuran azeotropk heterogen sepert etanol-ar-benzene (Henley dan Seader 1998), etanol-ar toluene (Henley dan Seader 1998). Sstem terner lanya sepert ntrogenargon-oksgen membentuk campuran tanpa azeotropk atau zeotropk, octane-2 ethoxy etanol-ethyl benzene membentuk sstem bner azeotropk, aseton-chloroform-methanol membentuk sstem bner dan terner azeotropk (Wdagdo dan Seder 1996). Dar hasl peneltan terdahulu, belum ada yang membuat peta kurva resdu bag campuran terner ABE. Dar peta kurva resdu yang dperoleh kemudan dlakukan valdas, yatu valdas secara hubungan topolog. Untuk valdas secara hubungan topolog menggunakan persamaan yang sudah ada pada lteratur (Henley dan Seader 1998). Untuk mengetahu apakah lstng program smulas sstem terner sudah berlaku secara umum, maka dlakukan valdas berdasarkan data dar lteratur. Banyak sstem terner yang sudah ada pada lteratur atau jurnal yang bsa dpaka untuk valdas sstem terner Ehtanol-Ar-HCl, salah satu sstem terner yang dgunakan adalah sstem terner yang membentuk campuran azeotropk yatu Metanol-Etanol-Ar. TINJAUAN PUSTAKA Pada tekanan rendah, fase uap mendekat gas deal sehngga kesetmbangan uap lqud tekanan rendah menjad : y. P γ = (1) x.p sat Persamaan (1) n dkenal juga sebaga persamaan Raoult yang dmodfkas. Konstanta kesetmbangan antara fase uap dan fase lqud ddefnskan sebaga berkut : sat y γ.p K = = (2) x P Prosedur teras untuk mencar temperatur bubble yatu mencar harga temperatur jenuh dar komponen murn T sat pada P (Prausntz dkk., 2001). T sat B = C A - log P (3) E5-2

3 Ketahanan Pangan dan Energ Surabaya, 24 Jun 2010 dmana A, B, C adalah konstanta Antone untuk speses, untuk semua estmas awal. sat T = x T (4) Untuk =1, 2, 3. Harga T sebaga harga awal akan dgunakan untuk mengetahu tekanan uap jenuh suatu zat yang akan destmas dengan persamaan Antone.Sedangkan harga T baru dcar menurut persamaan : B j T = C sat j (5) A j - log P 1 Kemudan mencar kesalahan antara T baru dengan T awal dengan Persamaan (6) (T baru T Tbaru awal ) e (6) Koefsen aktftas γ dperoleh dar : ln γ = ln γ C R + ln γ (7) φ C z θ φ m ln γ = ln + q ln + l x l (8) x 2 φ x j = 1 j j z = (r q) (r 1) 2 m m θ τ R ln γ = q j j 1 ln = θ τ (9) m j 1 j j j = 1 θ τ k= 1 k kj l (10) dmana nomor koordnas z dset sama dengan 10. φ = x r m x j = 1 q x j= 1 j r j j j (11) θ = m (12) q x E5-3

4 Ketahanan Pangan dan Energ Surabaya, 24 Jun 2010 Parameter r, q adalah konstanta struktur molekul komponen murn berdasarkan ukuran molekul dan luasan permukaan luar. Untuk tap kombnas bner dalam campuran mult komponen, ada dua parameter yang bsa dsesuakan yatu r, q : τ exp ( u u ) j j = (13) τ jj = τ = 1 RT Model Dfferental-Algebrac-Equatons (DAEs) untuk dstlas batch sstem terner, dengan asums tdak membentuk dua phase lquda oleh Doherty dan Perkns (1978) sebaga berkut: dξ - dx ( x - y ) = (14) W o ξ = ln (15) W Dengan forward-fnte-dfference, Persamaan (15) menjad : x,j+1 = x,j + (y,j x,j ) ξ (16) Dmana komposs lquda mula-mula d bottom (x,j ) dan ξ dtentukan, sedangkan komposs uap (y,j ) dhtung menggunakan Persamaan BUBL T (Prausntz, 2001). Untuk pembuktan hasl smulas sstem terner ABE secara topolog yang telah dgambar dalam bentuk peta kurva resdu menggunakan persamaan sebaga berkut : N 1 + S 1 = 3 (17) N 2 + S 2 = B 3 (18) N 3 + S 3 = 1 atau 0 (19) Menurut Doherty dan Perkns (1979) dkembangkan hubungan secara topolog antara N dan S sebaga berkut : 2N 3-2S 3 + 2N 2 B + N 1 = 2 (20) Dmana, N 1 merupakan jumlah noda stabl atau noda tdak stabl pada peta kurva resdu, S 1 merupakan jumlah sadel pada peta kurva resdu, untuk menentukan jumlah noda dan sadel pada peta kurva resdu dgunakan pola alran yang ada pada pustaka Henley dan Seader (1998) halaman 595. S 2 merupakan jumlah sadel bner azeotropk pada peta kurva resdu, N 2 merupakan jumlah noda bner azeotropk pada peta kurva resdu. S 3 merupakan jumlah sadel terner azeotropk pada peta kurva resdu, N 3 merupakan jumlah noda terner azeotropk pada peta kurva resdu. B merupakan bner azeotropk pada peta kurva resdu, apabla persamaan (17) sampa (20) terpenuh, maka smulas bsa dterma. METODOLOGI Untuk menghtung tekanan uap jenuh dgunakan persamaan Antone, data parameter Antone sepert Tabel 3.2. (Prausntz, 2001), dmana suhu (T) dalam satuan K dan tekanan uap jenuh (P sat ) dalam satuan Bar. Untuk menghtung koefsen aktvtas (γ) menggunakan persamaan UNIQUAC, dmana harga parameter nteraks bner UNIQUAC (u j ), data volume molekuler (r) dan luas permukaan molekuler (q) Tabel 3.3, asums harga z= 10. E5-4

5 Ketahanan Pangan dan Energ Surabaya, 24 Jun 2010 Tabel 3.1 Komposs umpan Ethanol-Ar-HCl Komposs Umpan (fraks mol) Run Ethanol Ar HCl 1 0,8 0,1 0,1 2 0,7 0,2 0,1 3 0,7 0,1 0,2 4 0,6 0,3 0,1 5 0,6 0,1 0,3 6 0,5 0,1 0,4 7 0,4 0,1 0,5 Tabel 3.2 Parameter Antone Ethanol-Ar-HCl Parameter Antone Komponen A B C Ethanol Ar HCl Sumber: Prausntz, 2001 Tabel 3.3 Parameter UNIQUAC sstem terner Ethanol-Ar-HCl Komponen r q Ethanol Ar HCl Sumber: Prausntz, 2001 Dmana : Ethanol (1), Ar (2), HCl (3) u 11 = 0 ; u 12 = -198,659 ; u 13 = 98,75291 u 21 = 453,669 ; u 22 = 0 ; u 23 = -32,707 u 31 = 94,242 ; u 32 = 75,355 ; u 33 = 0 Valdas Hasl Smulas dengan Sstem Terner Metanol-Etanol-Ar Tabel 3.4 Komposs umpan Metanol-Etanol-Ar Komposs Umpan (fraks mol) Run Metanol Etanol 1-Propanol 1 0,80 0,10 0,10 2 0,90 0,02 0,08 3 0,70 0,20 0,10 4 0,30 0,60 0,10 5 0,39 0,60 0,01 6 0,50 0,40 0,10 Sumber: Henley dan Seader, 1998 Untuk menghtung tekanan uap jenuh dgunakan Persamaan Antone Tabel 3.5 Parameter Antone Metanol-Etanol-Ar Parameter Antone Komponen A B C Metanol Etanol Ar Sumber: Prausntz, 2001 E5-5

6 Ketahanan Pangan dan Energ Surabaya, 24 Jun 2010 Mula N = 350 ξ = 0 3,5 Input N, ξ, ξ, ξ = 0,01 Htung {y } fungs ξ call BUBL T Htung {x } fungs ξ dengan Persamaan (47) Htung T fungs ξ dengan Persamaan x > N * ya tdak ξ = ξ + Prnt [{x }, {y }, T ] fungs Selesa Gambar 3.1 Algortma dstlas batch HASIL DAN PEMBAHASAN Profl temperatur d bottom menunjukkan hasl yang mendekat dengan temperatur d dstlat, karena proses dstlas batch sederhana beroperas dalam konds total refluks. Oleh karena tu profl temperatur hasl smulas sepert Gambar 4.1 merupakan jumlah temperatur komponen- setelah dlakukan normalsas dkalkan komposs lquda d bottom komponen-. Temperatur ( C) Dmensonless Waktu Gambar 4.1 Profl temperatur sstem terner Etanol-Ar-HCl untuk Run-1 sampa Run-7 Dar Gambar 4.1 menunjukkan profl temperatur etanol-ar-hcl untuk Run-1 sampa Run-6 secara keseluruhan nak terhadap dmensonless waktu. Hal n dsebabkan karena komponen yang duapkan dengan pors yang lebh besar adalah komponen etanol, sehngga dbutuhkan temperatur yang lebh besar untuk menguapkan komponen ar yang belum duapkan. E5-6

7 Ketahanan Pangan dan Energ Surabaya, 24 Jun 2010 Koefsen Aktftas Etanol 1.5 Ar HCl Dmensonless Waktu Gambar 4.2 Profl koefsen aktftas sstem terner etanol-ar-hcl Untuk daerah 1 koefsen aktftas ar menunjukkan profl menurun dan koefsen aktftas etanol nak sehngga tdak berpengaruh terhadap profl temperatur. Gambar 4.2 menunjukkan bahwa semakn besar komposs ar pada umpan masuk maka pengaruh koefsen aktftas etanol maksmum pada saat dmensonless waktu menunjukkan 1,75 ; setelah tu profl menurun pada akhrnya konstan. Semakn besar komposs ar pada umpan masuk menunjukkan slope penurunan temperatur lebh curam, karena komposs ar pada umpan masuk sangat mempengaruh temperatur campuran etanol-ar-hcl, makn besar komposs ar pada umpan masuk temperatur campuran makn tngg. Untuk daerah 2 profl temperatur nak untuk semua run, semakn besar komposs etanol pada umpan masuk menunjukkan slope kenakan temperatur yang lebh landa. Hal n dsebabkan karena komposs etanol pada umpan masuk sangat mempengaruh temperatur campuran etanol-ar-hcl, makn besar komposs etanol pada umpan masuk temperatur campuran makn kecl. Untuk daerah 3 profl temperatur nak dan sebagan konstan, untuk profl temperatur nak berart dalam pemsahan campuran etanol-ar-hcl mash ada etanol yang belum teruapkan, sedangkan untuk profl komposs konstan berart sudah semua etanol teruapkan. Makn besar komposs ar pada umpan masuk maka temperatur campuran makn besar dan profl temperatur lebh cepat konstan. Untuk daerah dmensonless waktu 3,5 profl temperatur belum konstan, sehngga dbutuhkan dmensonless waktu yang lebh besar untuk memperoleh profl temperatur yang konstan. Jka dstlas batch sederhana dteruskan sampa dmensonless waktu yang sangat besar, maka akan dperoleh nla komposs masng-masng campuran negatf, hal sepert n tdak dkehendak. Dar Gambar 4.2 menunjukkan profl komposs lquda d bottom, komposs etanol menunjukkan profl komposs menurun dar komposs awal dan komposs ar menunjukkan profl nak dar komposs awal. Karena komponen etanol merupakan komponen volatle sedangkan komponen ar merupakan komponen nonvolatle, pada saat proses dstlas batch sederhana komponen etanol dalam pors yang lebh besar duapkan dan ssanya adalah komponen ar. Komponen ar belum mendekat murn dengan dmensonless waktu 3,5 ; salah satu cara untuk memperoleh komponen ar lebh murn dar komposs awal yatu dengan memperbesar komposs ar pada umpan masuk. E5-7

8 Ketahanan Pangan dan Energ Surabaya, 24 Jun Komposs Lquda d Bottom (fraks mol) 0.8 Etanol Ar HCl Dmensonless waktu Gambar 4.2. Profl komposs lquda d bottom sstem terner Etanol-Ar-HCl. Dar Gambar 4.4 menunjukkan profl komposs uap d bottom, pada keadaan total refluk untuk menghtung komposs etanol dan komposs ar d bottom maka temperatur awal dtentukan sama dengan 25 0 C dan komposs etanol dan komposs ar pada saat awal dtentukan, kemudan dhtung berdasarkan BUBL T. Pada saat total refluks komposs etanol dan komposs ar d dstlat tdak sama dengan komposs etanol dan komposs ar saat awal. Untuk komposs etanol d bottom lebh besar dar komposs etanol awal, karena komponen etanol merupakan komponen volatle sehngga lebh banyak menguap. Untuk komposs ar d bottom lebh kecl dar komposs etanol awal, karena komponen etanol merupakan komponen non-volatle sehngga lebh sedkt menguap. Profl komposs uap d bottom setelah total refluk untuk komposs etanol terus menurun, sedangkan komposs ar terus nak. Hal n dsebakan karena komponen volatle duapkan dalam pors yang lebh besar dan ssanya adalah komponen non-volatle, setelah proses dstlas batch sederhana berlangsung maka komponen non-volatle yang duapkan dalam pors yang lebh besar. Komponen etanol belum menguap semua pada saat dmensonless waktu 3,5 ; salah satu cara untuk memperoleh komponen etanol d dstlat dengan dmensonless waktu yang lebh kecl yatu dengan memperbesar komposs ar pada umpan masuk. Dar Gambar 4.3 menunjukkan profl komposs uap d bottom semakn kecl komposs etanol pada umpan masuk maka semakn besar komposs etanol pada saat total refluks, hal n dsebabkan temperatur campuran tngg sehngga komponen non-volatle lebh banyak menguap. Profl komposs uap d bottom setelah total refluk untuk komposs etanol terus menurun, sedangkan komposs ar terus nak. Hal n dsebakan karena komponen volatle duapkan dalam pors yang lebh besar dan ssanya adalah komponen non-volatle, setelah proses dstlas batch berlangsung maka komponen non-volatle yang duapkan dalam pors yang lebh besar. Komponen etanol semua teruapkan pada saat dmensonless waktu menunjukkan nla 2,25 ; Run-7 membutuhkan dmensonless waktu yang lebh kecl untuk memperoleh komponen etanol yang lebh murn dar komponen etanol awal E5-8

9 Ketahanan Pangan dan Energ Surabaya, 24 Jun ,0 Komposs Uap d Bottom (fraks mol) 0,9 0,8 Ar Etanol 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 HCl 0,1 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Dmensonless Waktu Gambar 4.3. Profl komposs uap d bottom sstem terner Etanol-Ar-HCl Run-1 Hasl verfkas antara hasl smulas dengan valdas dstlas batch, HCl Smulas ---- Valdas Ar Etanol Gambar 4.4. Profl komposs lquda d bottom sstem terner Etanol-Ar-HCl untuk hasl smulas dan valdas. Peta kurva resdu d bottom menunjukkan campuran azeotropk, antara hasl smulas dan valdas menunjukkan profl yang mendekat sama. KESIMPULAN 1. Profl temperatur Etanol-Ar-HCl secara keseluruhan nak terhadap dmensonless waktu, kecual pada awal proses menunjukkan profl temperatur menurun, dsebabkan karena sfat karakterstk campuran. 2. Profl komposs lquda etanol d bottom seteleh proses berlangsung menunjukkan komposs etanol mnmum, setelah proses selesa profl komposs konstan E5-9

10 Ketahanan Pangan dan Energ Surabaya, 24 Jun Profl komposs uap etanol d bottom seteleh proses berlangsung menunjukkan komposs etanol maksmum, setelah proses selesa profl komposs konstan. 4. Peta kurva resdu d bottom menunjukkan campuran azeotropk, antara hasl smulas dan valdas menunjukkan profl yang mendekat sama UCAPAN TERIMA KASIH Kepada Drektorat Jenderal Peddkan Tngg Departemen Penddkan Nasonal (DP2M Dtjen Dkt) dalam Hbah Bersang 2009, yang telah mendana peneltan n. DAFTAR PUSTAKA Fesser dan Fsser, (1963), Pengantar Kma Organk, Dhwantara, Bandung. Judoamdjojo, Mulyono, (1992), Teknolog Fermentas, Rajawal Press Jakarta Krk Othmer, Encyclopedya of Chemcal Technology, Vol. 8, John Wleys nd Sons. Inc. Sardjoko, (1991), Boteknolog, Grameda, Jakarta. Sar N. K., Kuswand, Nonot S., Renanto Handogo, (2006), Komparas Peta Kurva Resdu Sstem Terner ABE Dengan Metanol-Etanol-1-Propanol, Jurnal REAKTOR, Jurusan Teknk Kma UNDIP Semarang, Vol. 13, No. 2. Sar N. K., Kuswand, Nonot S., Renanto Handogo, (2007), Pemsahan Sstem Bner Etanol-Ar Dan Sstem Terner ABE Dengan Dstlas Batch Sederhana, Jurnal INDUSTRI Jurnal Ilmah Sans dan Teknolog, Fakultas Teknk Industr ITS Surabaya, Vol. 6, No.5. Handogo, R., dan G. Wbawa, (1997), Experments and Correlatons of Vapor-Lqud Equlbra of Acetone- 1-Butanol-Ethanol Ternary Mxture, Internatonal Conference on Flud and Thermal Energy Converson, Yogyakarta, Indonesa, hal Henley, E. J. dan J. D. Seader (1998), Separaton Process Prncples, hal , John Wley & Sons, Inc., New York. Prausntz, J. M., (2001), The Propertes of Gases and Lquds, ed. 5, hal. A.50 A. 51, Mc. Graw-Hll, New York. Raylegh, L., (1902), Phl. Mag. [v.], No. 4 (23), hal Wdagdo, S. dan Warren D. Seder, (1996), Journal Revew Azeotropc Dstllaton, AIChE J., Vol. 42, No.1, hal E5-10