MODUL 2.05 Distilasi

Transkripsi

1 MODUL 2.05 Distilasi I. Pendahuluan Proses perpindahan massa merupakan salah satu proses yang cukup penting. Peprindahan massa merupakan peristiwa yang dijumpau hampir dalam setiap operasi dalam kegiatan teknik kimia. Salah satu proses tersebut adalah distilasi yang merupakan proses pemisahan campuran cair-cair menjadi komponen-komponennya dengan berdasarkan pada perbedaan kemampuan/daya penguapan komponen-komponen tersebut. danya perbedaan kemampuan penguapan antara komponen-komponen tersebut dikenal sebagai volatilitas relatif. Distilasi batch adalah salah satu di antara proses-proses tersebut. Pada percobaan ini dilakukan operasi batch. Bahan yang akan dipisahkan secara distilasi adalah campuran etanol-air. Kolom yang digunakan adalah kolom vigreu. Data yang akan diambil pada percobaan ini adalah massa larutan distilat dan bottom setiap selang waktu tertentu. Dari data massa larutan, akan dikonversi menjadi fraksi mol. Setelah praktikum dapat diketahui jumlah tahap minimum, refluks total, refluks parsial, HETP, volatilitas relatif, yield, dan fraksi mol etanol campuran tersebut pada setiap variasi kondisi percobaan ditiliasi. II. Tujuan Tujuan praktikum ini adalah agar praktikan mempelajari operasi pemisahan campuran biner dengan metoda distilasi batch III. Sasaran Diharapakan pada akhir praktikum praktikan dapat: 1. Menentukan karakteristik kolom fraksionasi: jumlah tahap kesetimbangan teoretis, HETP, refluks minimum. 2. Menentukan volatilitas realtif campuran biner 3. Menentukan efiseiensi pemisahan. -1/31-

2 IV. Tinjauan Pustaka IV.1 Tinjuan Umum Kolom distilasi adalah sarana melaksanakan operasi pemisahan komponenkomponen dari campuran fasa cair, khususnya yang mempunyai perbedaan titik didih dan tekanan uap yang cukup besar. Perbedaan tekanan uap tersebut akan menyebabkan fasa uap yang ada dalam kesetimbangan dengan fasa cairnya mempunyai komposisi yang perbedaannya cukup signifikan. Fasa uap mengandung lebih banyak komponen yang memiliki tekanan uap rendah, sedangkan fasa cair lebih benyak menggandung komponen yang memiliki tekanan uap tinggi. Kolom distilasi dapat berfungsi sebagai sarana pemisahan karena sistem perangkat sebuah kolom distilasi memiliki bagaian-bagian proses yang memiliki fungsifungsi: 1. menguapkan campuran fasa cair (terjadi di reboiler) 2. mempertemukan fasa cair dan fasa uap yang berbeda komposisinya (terjadi di kolom distilasi) 3. mengondensasikan fasa uap (terjadi di kondensor) Konsep pemisahan dengan cara distilasi merupakan sintesa pengetahuan dan peristiwa-peristiwa: 1. kesetimbangan fasa 2. perpindahan massa 3. perpindahan panas 4. perubahan fasa akibat pemanasan (penguapan) 5. perpindahan momentum Konsep pemisahan secara distilasi tersebut dan konsep konstruksi heat echanger serta konstruksi sistem pengontak fasa uap-cair disintesakan, menghasilkan sistem pemroses distilasi yang tersusun menjadi integrasi bagian-bagian yang memiliki fungsi berbeda-beda. Distilasi adalah sistem perpindahan yang memanfaatkan perpindahan massa. Masalah perpindahan massa dapat diselesaikan dengan dua cara yang berbeda. Pertama dengan menggunakan konsep tahapan kesetimbangan (equilibrium stage) dan kedua atas Modul 2.05 Distilasi Halaman 2 dari 31

3 dasar proses laju difusi (difusional forces).distilasi dilaksanakan dengan rangakaian alat berupa kolom/menara yang terdiri dari piring (plate tower/tray) sehingga dengan pemanasan komponen dapat menguap, terkondensasi, dan dipisahkan secara bertahap berdasarkan tekanan uap/titik didihnya. Proses ini memerlukan perhitungan tahap kesetimbangan. Batas 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. Distilasi pada satu tahapannya memisahkan dua komponen, yang terdapat dalam 2 fasa, sehingga derat kebebasannya 2. da 4 variabel yaitu tekanan, suhu, dan konsentrasi komponen pada fasa cair dan fasa uap (konsentrasi komponen B sama dengan 1 dikurangi konsentrasi komponen ). Jika 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. Kolom distilasi adalah kolom fraksionasi kontinu yang dilengkapi berbagai perlengkapan yang diperlukan dan mempunyai bagian rektifikasi (enriching) dan bagian stripping. Umpan dimasukkan di sekitar pertengahan kolom dengan laju tertentu. Tray 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. Umpan mengalir ke bawah pada stripping section ini, sampai di dasar kolom di mana permukaan ditetapkan pada ketinggian tertentu. Cairan itu lalu mengalir dengan gaya gravitasi ke dalam reboiler. Reboiler adalah suatu penguap (vaporizer) dengan pemansan uap (steam) yang dapat menghasilkan komponen uap (vapor) dan mengembalikannya ke dasar kolom. Komponen uap tersebut lalu mengalir ke atas sepanjang kolom. Pada ujung reboiler terdapat suatu tanggul. Produk bawah dikeluarkan dari kolam zat 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. Uap yang mengalir naik melalui bagian rektifikasi dikondensasi seluruhnya oleh kondensor dan kondensatnya dikumpulkan dalam akumulator (pengumpul D), di mana permukaan zat cair dijaga pada ketinggian tertentu. Cairan tersebut kemudian dipompa oleh pompa refluks dari akumulator ke tray teratas. rus ini menjadi cairan yang mengalir ke bawah di bagian rektifikasi, yang diperlukan untuk berinteraksi dengan uap Modul 2.05 Distilasi Halaman 3 dari 31

4 yang mengalir ke atas. Tanpa 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. Kondensat yang tidak terbawa pompa refluks didinginkan dalam penukar kalor, yang disebut product cooler dan dikeluarkan sebagai produk atas. Karena tidak terjadi azeotrop, produk atas dan produk bawah dapat terus dimurnikan sampai tercapai kemurnian yang diinginkan dengan mengatur jumlah tray dan refluks ratio. Distilasi kontinu dengan refluks efektif memisahkan komponen-komponen yang volatilitasnya sebanding. Dengan melakukan redistilasi berulang-ulang dapat diperoleh komponen yang hampir murni karena jumlah komponen pengotor lain sedikit. Metoda ini dimodifikasi menjadi lebih modern untuk diterapkan pada skala industri dengan dihasilkannya distilasi metoda rektifikasi. Kolom distilasi terdiri dari banyak tray yang diasumsikan ideal. Jika diperhatikan tray ke-n dari puncak kolom, maka tray yang langsung berada di atasnya adalah tray ken-1 dan tray yang langsung berada di bawahnya adalah tray ke-n+1. da 2 aliran fluida yang masuk ke dalam dan 2 arus keluar dari tray n. liran zat cair L n-1 (mol/jam) dari tray n-1 dan aliran uap V n+1 dari tray n+1 (mol/jam) mengalami kontak di tray n. liran uap Vn naik ke tray n-1 dan aliran cairan Ln turun ke tray n+1. Jika konsentrasi aliran uap dalam fasa V ditandai dengan y, dan konsentrasi aliran cairan ditandai dengan, maka konsentrasi aliran yang masuk dan yang keluar tray n adalah: uap keluar dari tray (y n ), cairan keluar dari tray ( n ), uap masuk ke tray (y n+1 ), dan cairan masuk ke tray ( n-1 ). Sesuai definisi tray ideal, uap dan cairan yang keluar piring n berada dalam kesetimbangan, sehingga n dan y n merupakan konsentrasi kesetimbangan. Oleh karena konsentrasi dalam fas uap dan cair berada dalam kesetimbangan, aliran masuk dan ke luar tidak. Bila uap yang keluar dari tray n+1 dan cairan dari tray n-1 dikontakkan, konsentrasinya akan bergerak ke arah kesetimbangan. Sebagian komponen yang lebih volatil akan menguap dari fasa cair sehingga konsentrasi zat cair pada n-1 turun menjadi n, sedangkan komponen yang kurang volatil akan terkondensasi dari uap sehingga konsentrasi uap naik dari y n+1 menjadi y n. liran zat cair berada pada bubble point sedangkan aliran uap berada pada dew point, sehingga kalor yang dibutuhkan untuk penguapan didapatkan dari kalor yang dibebaskan selama kondensasi. Setiap tray berfungsi sebagai media pertukaran dimana komponen volatil pindah ke fasa uap, sedangkan komponen yang kurang volatil pindah ke fasa cair. Karena konsentrasi Modul 2.05 Distilasi Halaman 4 dari 31

5 komponen volatil di dalam cairan dan uap meningkat dengan bertambahnya tinggi kolom, suhu akan berkurang dari n+1, n, ke n-1. Distilasi satu tahap tidak efektif menghasilkan bottom product yang mendekati murni karena zat cair dalam umpan tidak mengalami rektifikasi. Keterbatasan ini diatasi dengan memasukkan umpan ke tray yang berada di bagian tengah kolom. Cairan itu mengalir ke bawah kolom menuju reboiler dan mengalami rektifikasi dengan uap yang mengalir naik dari reboiler. Karena komponen volatil yang berada di reboiler telah diambil dari cairan maka produk bawahnya adalah komponen kurang volatil yang hampir murni dari komponen volatil. Faktor-faktor penting dalam merancang dan mengoperasikan kolom distilasi adalah jumlah tray yang diperlukan untuk mendapatkan pemisahan yang dikehendaki, diameter kolom, kalor yang dikonsumsi dalam pendidih, dan rincian konstruksi tray. Sesuai dengan asas-asas umum, analisis unjuk kerja kolom distilasi tray didasarkan pada neraca massa, neraca energi, dan kesetimbangan fasa. Kolom diumpani dengan F (mol/jam) umpan yang berkonsentrasi f, dan menghasilkan D (mol/jam) distilat yang berkonsentrasi d dan produk bawah yang berkonsentrasi b. da 2 neraca massa yang penting: Neraca massa total: F = D + B (1) Neraca komponen: F. f = D. d + B. b (2) Jumlah D adalah selisih antara laju aliran arus yang masuk dan yang keluar atas kolom. Neraca massa pada konsensor dan akumulator adalah: D = V a L a (3) Selisih antara laju aliran uap dan laju aliran cairan di manapun pada bagian atas kolom adalah D, yang jelas terlihat bila diperhatikan bagian dari instalasi itu yang dikurung permukaan kendali I. Permukaan ini meliputi kondensor dan semua piring di atas n+1. Neraca massa total pada permukaan tersebut adalah: D = V n+1 L n (4) Jumlah D adalah laju aliran netto bahan ke atas pada bagian atas kolom. Berapapun pertukaran konsentrasi komponen pada V dan L selisihnya selalu D. Neraca massa untuk komponen a sesuai dengan persamaan: D. d = V a.y a L a. a = V n+1.y n+1 L n. n. (5) Modul 2.05 Distilasi Halaman 5 dari 31

6 Jumlah D. d adalah laju aliran netto komponen ke atas pada bagian ata kolom. Jumlah ini konstan pada seluruh bagian atas kolom. Pada bagian bawah kolom, laju alir netto juga konstan, tetapi arahnya ke bawah. Laju aliran netto total adalah B, untuk komponen adalah B.b, sesuai persamaan: B = L b V b = L m V m+1 (6) B. b = L b. b V b.y b = L m. m V m+1.y m+1 (7) Karena kolom distilasi terdiri dari bagian atas dan bagian bawah, maka ada 2 garis operasi, satu untuk bagian rektifikasi dan satu untuk bagian pelucutan. Persamaan garis operasi untuk bagian pelucutan adalah: y L. V.y - L. n a a a a n+ 1 = n + (8) Vn + 1 Vn + 1 Substitusi V a.y a L a. a menghasilkan y L D. n d n+ 1 = n + (9) Vn + 1 Vn + 1 Gradien garis operasi adalah ratio antara aliran cairan dan uap. Jika V n+1 dieliminasi: L n D. d y n+ 1 = n + (10) L + D L + D Untuk bagian bawah kolom, neraca massanya adalah: n V.y = L. m+ 1 m+ 1 m m b (11) n - B. Dalam bentuk lain, persamaan tersebut menjadi y L. B. - = m b m+ 1 m Vm 1 V (12) + m+ 1 Persamaan ini adalah persamaan garis operasi bagian pelucutan. Di sini pun gradien garisadalah ratio antara aliran zat cair dan aliran uap. Eliminasi Vm+1 akan menghasilkan: y L m B. b + 1 m - (13) L - B L - B m = m Bila garis operasi bagian atas dan bagian bawah tersebut digambarkan bersama kurva kesetimbangan pada diagram -y, dapat digunkan konstruksi bertahap McCabe- Thille untuk menghitung berapa banyaknya tray ideal yang diperlukan untuk mendapatkan suatu perbedaan konsentrasi tertentu, baik pada bagian rektifikasi maupun m Modul 2.05 Distilasi Halaman 6 dari 31

7 pada bagian pelucutan. Jika dilihat persamaan garis operasi, terlihat bahwa garis operasi akan merupakan garis lengkung, kecuali jika Ln dan Lm konstan. Garis operasipun hanya dapat digambarkan jika perubahan konsentrasi pada aliran dalam diketahui. Untuk menentukan garis operasi yang berbentuk kurva diperlukan neraca entalpi. Pada distilasi, laju aliran molar uap dan zat cair pada masing-masing bagian kolom itu hampir mendekati konstan, dan garis operasinya mendekati garis lurus. Hal ini akibat kalor penguapan molal 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 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. Karena itu, dalam merancang kolom distilasi biasanya digunakan konsep constant molal overflow, sehingga dalam persamaan garis operasi tanda tray n, n-1, n+1, m, m-1, dan m+1 pada L dan V dapat dianggap sama. Dalam model ini, persamaanpersamaan neraca massa adalah linear dan garis operasinya berupa garis lurus. Garis operasi dapat digambar bila diketahui dua titik. kibatnya. metoda McCabe-Thiele dapat digunkan tanpa memerlukan neraca entalpi. nalisis kolom fraksionasi dimudahkan lagi dengan menggunakan besaran refluks ratio. da 2 macam refluks ratio yang biasa digunakan, yaitu refluks ratio terhadap hasil atas Rd dan refluks ratio terhadap uap (aliran uap komponen) R v. Persamaan kedua refluks ratio tersebut adalah: L V - D R d = = (14) D D R L L = = v V L + (15) D Karena itu persamaa garis operasi untuk bagian rektifikasi yang mengikuti constant molal overflow dapat disederhanakan: R d d y n+ 1 =. d + (16) R + 1 R + 1 d Titik potong y dari garis ini adalah d / (R d +1). Konsentrasi d ditentukan kondisi rancangan, dan Rd merupakan variabel operasi yang dapat dikendalikan dengan mengatur d Modul 2.05 Distilasi Halaman 7 dari 31

8 pembagian antara refluks dan hasil atas, atau dengan mengubah banyaknya uap yang terbentuk dalam reboiler untuk suatu laju distilat tertentu. Karena kemiringan garis rektifikasi adalah R d / (R d +1).), kemiringan dapat bertambah bila refluks ratio ditingkatkan sampai V=L saat Rd tak berhingga, bergradien1, sehingga garis operasi menjadi berimpitan dengan diagonal, yang disebut refluks total. Pada refluks total jumlah tray minimum, tetapi produk atas dan bawah adalah 0 pada setiap umpan dengan laju alir tertentu. Jika y / a a α ab = (17) y b / b Jumlah tray minimum dapat dihitung dengan persamaan: N min log = [ (1- )/ (1- )] d b log α ab b Persamaan tersebut adalah persamaan Fenske. Jika perubahan nilai α ab bagian dasar dan puncak kolam tidak signifikan nilai α ab yang digunakan adalah rata-rata geometriknya. Jika 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 R d minimum (saat jumlah tray tak berhingga) dan saat R d tak berhingga (saat jumlah tray minimum). Refluks ratio minimum dapat diperoleh dengan menggerakkan garis operasi sambil menurunkan refluks ratio. Pada refluks total dari operasi berimpitan dengan diagonal. Jika 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. Jika 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. Jika dan y adalah koordinat perpotongan antara garis operasi dengan kurva kesetimbangan, refluks ratio minimum (R dm ) dapat dihitung dengan persamaan: d - y' R dm = (19) y'-' d 1 (18) Modul 2.05 Distilasi Halaman 8 dari 31

9 Bila refluks ratio ditingkatkan mulai minimum, jumlah tray akan bertambah, mula-mula dengan cepat, kemudian berangsur makin perlahan, hingga jumlah tray minimum pada refluks total. Luas penampang kolom biasanya sebanding dengan laju aliran uap. Bila refluks ratio meningkat sampai pada tingkat keluaran distilat dan bottom tertentu, V dan L akan meningkat sampai dicapai suatu titik dimana peningkatan diameter kolom jauh lebih cepat daripada berkurangnya jumlah piring. Biaya instalasi sebanding dengan luas permukaan piring dan jumlah piring kali luas penampang kolom. IV.2 Prinsip Operasi Pada operasi distilasi, terjadinya pemisahan didasarkan pada gejala bahwa bila campuran cair ada dalam keadaan setimbang dengan uapnya, komposisi uap dan cairan berbeda. Uap akan mengandung lebih banyak komponen yang lebih mudah menguap, sedangkan cairan akan mengandung lebih sedikit komponen yang mudah menguap. Bila uap dipisahkan dari cairan dan uap tersebut dikondensasikan, akan didapatkan cairan yang berbeda dari cairan yang pertama, dengan lebih banyak komponen yang mudah menguap dibandingkan dengan cairan yang tidak teruapkan. Bila kemudian cairan dari kondensasi uap tersebut diuapkan lagi sebagian, akan didapatkan uap dengan kadar komponen yang lebih mudah menguap lebih tinggi. Untuk menunjukkan lebih jelas uraian di atas, berikut digambarkan secara skematis: 1. Keadaan awal Campuran dan B (fasa cair). adalah komponen yang lebih mudah menguap.,0 = fraksi berat di fasa cair B,0 = fraksi berat B di fasa cair + B =1 2. Campuran diuapkan sebagian, uap dan cairannya dibiarkan dalam keadaan setimbang.,1 = fraksi berat di fasa cair (setimbang) B,1 = fraksi berat B di fasa cair (setimbang) + B =1 y,1 = fraksi berat di fasa uap (setimbang) y B,1 = fraksi berat B di fasa uap (setimbang) y +y B =1 Pada keadaan ini maka: y,1 >,1 dan y B,1 < B,1 Modul 2.05 Distilasi Halaman 9 dari 31

10 Bila dibandingkan dengan keadaan mula: y,1 >,1 >,2 dan y B,1 < B,1 < B,2. 3. Uap dipisahkan dari cairannya dan dikondensasi; maka didapat dua cairan, cairan I dan cairan II. Cairan I mengandung lebih sedikit komponen (lebih mudah menguap) dibandingkan cairan II Gambar 1 Skema proses perpindahan massa pada peristiwa distilasi IV.3 Kesetimbnagan Uap-Cair Keberhasilan suatu operasi distilasi tergantung pda keadaan setimbang yang terjadi antar fasa uap dan fasa cairan dari suatu campuran. Dlam hal ini akan ditinjau campuran biner yang terdiri dari kompoenen (yang lebih mudah menguap) dan komponen B (yang kurang mudah mengaup). Karena pada umumnya proses distilasi dilaksanakan dalam keadaan buble temperature dan dew temperature, dengan komposisi uap ditunjukkan pada Gambar 2, sedangkan komposisi uap dan cairan yang ada dalam kesetimbnagan ditunjukkan pada Gambar 3. Dalam banyak campuran biner, titik didih campuran terletak di antara titik didih komponen yang lebih mudah menguap (Ta) dan titik didih komponen yang kurang mudah menguap (Tb). Untuk setiap suhu, harga y selalu lebih besar daripada harga. da beberapa campuran biner yang titik didihnya di atas atau di bawah titik didih kedua komponennya. Campuran pertama disebut azeotrop maksimum seperti dapat dilihat pada Gambar 5 sedangkan campuran kedua disebut azeotrop minimum seperti pada Gambar 6. Dalam kedua hal, y tidak selalu lebih besar daripada harga, ada kesetimbangan uap cairan dengan y selalu lebih kecil daripada. Pada titik azeotrop, y sama dengan dan campuran cairan dengan komposisi sama dengan titik azeotrop tidak dapat dipisahkan dengan cara distilasi. Modul 2.05 Distilasi Halaman 10 dari 31

11 Gambar 2 Kesetimbangan uap cair pada temperatur buble dan temperatur dew,1 dan y,1 adalah komposisi cairan dan uap pada keadaan setimbang. Gambar 3 Komposisi uap dan cairan pada kesetimbangan Gambar 5 Titik aeotrop maksimum dalam kurva kesetimbangan Modul 2.05 Distilasi Halaman 11 dari 31

12 Gambar 6 Kurva azeotrop minimum dalam kesetimbangan IV.4 Volatilitas Relatif Hubungan komposisi uap dan cairan dalam keadaan setimbang dapat dinyatakan dengan volatilitas relatif yang didefinisikan sebagai berikut: y/ y/ α = = (20) yb/ B 1 y 1 Persamaan di atas dapat disusun menjadi y = α. (1+ α. ) (21) Bila diketahui harga-harga sebagai fungsi temperatur, maka pada tekanan tetap, hubungan y dan pada berbagai suhu pada keadaan setimbang dapat ditentukan. Bila konstan, dan diketahui harganya, maka harga-harga y pada setiap harga 1 dan sebaliknya (kurva y tyerhadap ) dapat langsung ditentukan. IV.5 Larutan Ideal Untuk larutan ideal berlaku hukum Raoult: P = P. (22) P B = P B. B = P B. (1- ) (23) dimana: P = tekanan parsial komponen di fasa uap P B = tekanan parsial komponen B di fasa uap P 0 = tekanan uap komponen P 0 B = tekanan uap komponen B Untuk sistem biner: P + P B = P dimana P adalah tekanan total. Modul 2.05 Distilasi Halaman 12 dari 31

13 Bila persamaan penghubung dan y tersebut digabungkan, didapat: y ( y ) 0 P P. = (24) P P = 0 1 PB PB (1 ) = = (25) P P y α P = = (26) (1 y ) PB (1 ) Bila harga y = maka harga α =1, dan campuran biner pada komposisi tersebut tidak dapat dipisahkan menjadi komponen-komponennya dengan cara distilasi. IV.6 Fraksionasi Batch Prinsip fraksionasi adalah membuat kesetimbangan fasa uap cairan dan memisahkan uap dan cairan yang dalam keadaan setimbang tersebut. Gambar 7 Skema aliran perpindahan massa pada proses distilasi Misalkan cairan L n-1 dengan komposisi,n-1 dicampur dengan uap V n+1 dengan komposisi y,n+1, seperti pada Gambar 7. Pencampuran tersebut berlangsung pada suatu tahap kesetimbangan n, yang ditunjukkan pada titik m dalam Gambar 8. Pada tahap kesetimbangan n, akan terbentuk uap dan cairan baru yang dalam keadaan setimbang (V n dan L n ). Uap Vn mempunyai komposisi y,n sedang cairan Ln yang mengandung lebih banyak komponen (y,n > y,n+1 ) dan cairan baru Ln yang mengandung lebih sedikit Modul 2.05 Distilasi Halaman 13 dari 31

14 komponen (,n < X a,n-1 ). Demikian operasi kesetimbangan diulang berkali-kali, sehingga diperoleh uap yang sangat kaya dan cairan yang sangat miskin. Gambar 8 Kurva operasi distilasi dalam keadaan kesetimbangan Dalam operasi fraksionasi, pencampuran dilakukan berturut-turut dalam tahaptahap. Sementara operasi berlangsung, cairan ditahap terendah dipanaskan sedangkan uap ditahap teratas didinginkan. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 8. Hasil atas yang diambil disebut distilat (D) dan yang dikembalikan ke kolom disebut refluks (Lo). Jumlah refluks dibandingkan distilat sangat mempengaruhi hasil pemisahan. Perbandingan tersebut disebut rasio refluks (R), diman R = Lo/D. IV.6 Neraca Massa pada liran Komponen Operasi Distilasi Lebih lengkapnya, aliran perpindahan massa pada proses distilasi multi tahap ditunjukkan pada Gambar 9. Neraca massa total untuk amplop 1: V 2 = D + L 1 (27) Neraca massa total untuk amplop 2 (termasuk tahap 2) : V 3 = D + L 2 (28) Dan seterusnya, sehingga didapat n tahap kesetimbangan: V n+1 = D + L n (29) Neraca massa komponen (pada amplop ke n): V n+1.y,n+1 = D.,D + L n.,n (30) Modul 2.05 Distilasi Halaman 14 dari 31

15 dimana: V n+1 D Ln y,n+1,d,n = laju massa uap masuk tahap ke-n = laju massa dsitilat = laju massa cairan keluar dari tahap ke-n = komposisi uap masuk tahap ke-n = komposisi dsitilat = komposisi cairan masuk tahap ke-1 = komposisi cairan keluar fari tahap ke-n Gambar 9 liran perpindahan massa pada proses distilasi multi tahap Penyelesaian persamaan neraca-neraca massa tersebut akan menghasilkan persamaan garis operasi fraksionasi: y R 1 + (31) R + 1 R + 1, n 1 =,n +.,d Modul 2.05 Distilasi Halaman 15 dari 31

16 Persamaan tersebut diperlukan dalam pencatatan jumlah tahap kesetimbangan teoretis menurut cara Mc Cabe-Thiele. Jika R tidak berhingga yang artinya semua hasil atas kembali ke tahap pertama, maka operasi distilasi disebut berlangsung pada refluks total, sehingga persamaan garis operasi menjadi: y,n+1 =,n (32) Pada operasi dengan refluks total, maka jumlah tahap minimum. Sedang untuk 0<R< operasi distilasi berlangsung pada refluks parsial. Kurva kesetimbangan yang dilengkapi dengan garis operasi sesuai persamaan yang diperoleh di atas akan menunjukkan hubungan antara komposisi uap V n+1 dan komposisi cairan L n, seperti dapat dilihat pada Gambar 10. Misalnya titik P pada gambar 10 menunjukkan hubungan antara komposisi uap Vn dan komposisi cairan Ln yang keduanya meninggalkan tahap n dalam keadaan setimbang. Misalnya titik Q menunjukkan hubungan antara y,2 dan,2. Gambar 10 dapat pula digunakan untuk menentukan jumlah tahap kesetimbangan bila komposisi hasil atas (,0 sama dengan y,0 ) dan komposisi hasil bawah (,3 ) diketahui. Gambar 10 Persamaan garis operasi pada kurva kesetimbangan Kalau volatilitas relatif dapat diangap konstan, maka jumlah tahap minimum (pada refluks total) dapat dihitung dengan persamaan Fenske:,D (1,F ) log,f (1,d ) n 1 + = (33) logα dimana: n = jumlah tahap,f = komposisi umpan,d = komposisi distilat α = volatilitas relatif. Modul 2.05 Distilasi Halaman 16 dari 31

17 IV.8 Neraca Massa Operasi Batch Salah satu skema operasi distilasi batch ditunjukkan pada Gambar 11. Gambar 11 Skema Operasi Distilasi Batch Pada distilasi batch, penambahan produksi distilat D (hasil atas) sama dengan pengurangan hasil bawah (W), dan secara matematis dapat ditulis sebagai: -dw = dd (34) Untuk komponen : -d(,w.w) =,D.D (35) dimana W = jumlah hasil bawah D = jumlah hasil atas,w = komposisi hasil bawah,d = komposisi atas Dari kedua persamaan diferensial tersebut dapat diturunkan: -W.d,W =,D.dW (36) -W.d,W =,W.dW,D.dW (37) Wf dw W,W = (38) d,d,w = W Wi dw Wf ln Wi =,W f,wi,w f,wi d,d d,d,w,w,w,w (39) (40) Modul 2.05 Distilasi Halaman 17 dari 31

18 dimana W i = jumlah hasil bawah pada saat awal W f = jumlah hasil bawah pada saat akhir,wi = komposisi hasil bawah pada saat awal,wf = komposisi hasil bawah pada saat akhir Hasil penurunan tersebut dikenal sebagai persamaan Rayleigh. Penyelesaian ruas kanan dari persamaan dilakukan secara grafis. Neraca massa total untuk suatu operasi distilasi batch adalah: F = D +W (41) dimana F = jumlah umpan D = jumlah distilat yang dihasilkan selama operasi W = jumlah hasil bawah yang dihasilkan (akhir operasi) Neraca komponen :,F.F =,D.D +,W.W (42) dimana,f = komposisi umpan,d = komposisi distilat rata-rata selama operasi,w = komposisi hasil bawah pada akhir operasi Penyusunan kembali neraca massa dapat menurunkan persamaan:,d,f.f,w.w = (43) F W Persamaan tersebut dapat dipakai untuk menentukan komposisi distilat rata-rata pada suatu distilasi batch. IV.9 HETP (Height Equivalent to Theoretical Plate) Dalam operasi distilasi yang menggunakan kolom (vigreu, packed, tray) dikenal besaran HETP. HETP adalah tinggi kolom yang bersifat sebagai satu tahap teoretis. Jadi dari kolom setinggi HETP akan dihasilkan uap dan cairan yang berada dalam keadaan setimbang. tinggi kolom pemisah HETP kolom = (44) jumlah tahap teoretis dari kolom Modul 2.05 Distilasi Halaman 18 dari 31

19 V. Rancangan Percobaan V.1. Perangkat dan lat Ukur 1. Satu set perangkat modul distilasi yang terdiri dari: a. labu didih (dilengkapi termometer dan alat pengambil sampel), b. pemanas listrik (untuk labu didih), c. Heating Mantle d. kolom fraksionasi batch (kolom yang dipakai adalah tipe vigreu yang dilengkapi dengan selubung pemanas listrik yang dapat diatur dengan menggunakan pengatur tegangan listrik), e. kondensor, f. pengatur dan pembagi refluks, g. penampung distilat Secara skematis alat yang dipakai tersusun seperti pada Gambar Refraktometer 3. Piknometer 4. Termometer 5. Selenoid valve 6. Stopwatch 7. Gelas ukur 8. Pipet ukur 9. Timbangan/ neraca Modul 2.05 Distilasi Halaman 19 dari 31

20 Gambar 11 Skema alat percobaan Modul Distilasi V. 2. Bahan/ Zat Kimia 1. Solven organik seperti etanol, metanol, aseton 2. qua DM Modul 2.05 Distilasi Halaman 20 dari 31

21 V.3 Garis Besar Prosedur Kerja a. Kalibrasi refraktometer untuk menentukan hubungan antara komposisi cairan biner terhadap indeks biasnya b. Susun tata kerja untuk melakukan operasi distilasi dengan refluks total dan erfluks parsial c. Catat data yang diperlukan guna menyelesaikan tugas yang diberikan Tugas yang harus dikerjakan praktikan agar sasaran praktikum ini tercapai antara lain: a. Membuat hubuangan antara komposisi terhadap indeks bias campuran biner secara grafis dan dilengkapi dengan persamaan matematik b. Menentukan jumlah tahap teoretis dari operasi: a. Refluks total dengan cara: 1. McCabe-Thielle (Grafis) 2. Fenske b. Refluks parsial dengan cara McCabe Thielle masing-masing pada 3 keadaan kesetimbangan berbeda. c. Hitung HETP kolom vigreu untuk masing-masing operasi V.4. Diagram lir Percobaan Secara garis besar, praktikum Modul Distilasi ini dikerjakan menurut diagram kerja berikut: Kalibrasi Refraktomter Kurva Kalibrasi Densitas Etanol vs X etanol Persamaan: X etanol = f (Densitas Etanol) Distilasi Refluks Total Distilasi Refluks Parsial Jumlah tahap Teoretis: 1. McCabe-Thiele 2. Fenske Jumlah tahap teoretis; McCabe- Thielle Hitung HETP Hitung HETP Ulangi pada 3 keadaan kesetimbangan Modul 2.05 Distilasi Halaman 21 dari 31

22 V.5 Data Literatur V.5.1 Data Kesetimbanagn Uap-Cair Sistem yang Diuji pada Tekanan Praktikum T ( 0 C) y Sumber: Dari data tersebut dibuat Kurva Kesetimbangan Uap-Cair-nya V.5.2 Densitas ir pada Berbagai Temperatur T ( 0 C) V.5.3 Sifat Fisik Etanol dan ir ir Etanol Sumber Sumber: ρ air Mr (g/mol) T didih ( 0 C) P uap (mmhg) V.6 Data Percobaan V.6.1 Kalibrasi Densitas Etanol Temperatur praktikum : ( 0 C) Massa Piknometer Kosong : Massa Piknometer + air : Massa air : (g) Densitas air : (g/ml) (g) (g) V air V etanol m pikno+ camp. m campuran X et-oh ρ et-oh X et-oh (ml) (ml) (g) (g) (V/V) (kg/m3) (mol/mol) V.6.2 Percobaan Utama Run ke : Refluks : Total/Parsial X fed : t (min) T kolom ( 0 C) T labu ( 0 C) m pikno+ camp.dest. (g) m pikno+ camp.bottom (g) ρ bottom (g/ml) ρ distilat (g/ml) X bottom X distilat Modul 2.05 Distilasi Halaman 22 dari 31

23 V.6.3 Volume Destilat dan Bottom pada khir Setiap Run No.Run Kondisi Refluks X fed V distilat (ml) V bottom (ml) V.7. Contoh Perhitungan V.7.1. Penentuan Densitas Etanol Persamaan yang digunakan: massa etanol ρ (pada suhu T) =.ρ (pada suhu T) etanol massa aqua dm air Contoh: Misalkan data: - massa piknometer kosong = 12,635 g - massa piknometer + aqua dm = g - massa piknometer + campuran etanol air = g - Data diambil pada T = 28 0 C, dimana ρ air = kg/m 3 Massa etanol = (massa piknometer + campuran) massa piknometer kosong Massa aqua dm = (massa piknometer + aqua dm) massa piknometer kosong. ρ (pada suhu 28) etanol ρ (pada suhu 28) etanol l = = kg/m V.7.2. Penentuan Fraksi Mol Etanol dalam Campuran Etanol-ir Persamaan yang digunakan: X etanol = % et.vet.ρ Mretanol et % etanol.vetanol.ρ Mretanol (1 % et.)v + Mrair Misalkan data: - Volume air = 7 ml - Volume etanol = 3 ml - Kemurnian etanol = 95% Dapat dihitung: etano l etanol.ρ air Vair.ρ + Mrair air Modul 2.05 Distilasi Halaman 23 dari 31

24 X X etanol etanol 0, ,535 46,07 = 0, ,535 (1 0,95)3.997, , ,07 18,016 18,016 = 0.13 V.7.3. Pembuatan Kurva Kalibrasi Kurva kalibrasi dibuat dengan mengalurkan data fraksi mol etanol terhadap densitas etanol pada fraksi mol tersebut. Grafik tersebut didekati dengan persamaan tertentu, seperti persamaan polinomial orde 2 yang menunjukkan hubungan fraksi mol etanol terhadap densitasnya. Contoh data: V air V etanol m X et densitas et X et (ml) (ml) (g) (V/V) (kg/m3) (mol/mol) Kurva kalibrasi untuk data densitas terhadap freaksi mol etanol adalah: 0.9 X etanol 0.8 (mol/mol) Kurva Kalibrasi Densitas Etanol y = 9E R 2 = Densitas Etanol (g/cm2) Modul 2.05 Distilasi Halaman 24 dari 31

25 Dari kurva tersebut didapat data persamaan kalibrasi antara densitas etanol terhadap fraksi mol etanol adalah: X et = (ρ et ) (ρ et ) t (min) V.7.4. Penentuan Fraksi Mol Etanol pada Distilat dan Bottom Persaman yang digunakan adalah persamaan kalibrasi X et = (ρ et ) (ρ et ) Misal didapat data: - Massa distilat = 8,482 g - Densitas destilat = (g/cm 3 ) - Massa bottom = g - Densitas bottom = (g/cm 3 ) Dengan menggunakan persamaan kalibrasi: X et, D = (0.809) (0.809) = X et, B = (0.936) (0.936) = Contoh berikut adalah data praktikum dan pengolahannya menggunakan persamaan-persamaan kalibrasi di atas. T kolom ( 0 C) T labu ( 0 C) m pikno+ camp.dest. (g) m pikno+ camp.bottom (g) ρ bottom (kg/m 3 ) ρ distilat (kg/m 3 ) X bottom X distilat Refluks Total Refluks Parsial Modul 2.05 Distilasi Halaman 25 dari 31

26 Komposisi etanol di distilat dan bottom setiap saat dapat ditunjukkan oleh grafik berikut: Xd, Xb (mol/mol) Grafik Xd dan Xb terhadap w aktu Xdistilat Xbottom t (menit) V.7.5. Penentuan Refluks Minimum Refluks minimum ditentukan dari data percobaan pada refluks total Misal didapat data: - pada refluks X et, D = total dan X et, B = Kurva Kesetimbangan Uap-Cair Et-OH-air y (fraksi Uap) (fraksi cair) Dibuat garis yang bersingkungan dengan kurva kesetimbangan (-y) dan memotong sumbu y pada titik y = Sehingga didapat intercept = 0.32 = X et, B /(R m + 1) maka Refluks minimum R m adalah 1.6 Modul 2.05 Distilasi Halaman 26 dari 31

27 V.7.6. Penentuan Jumlah Tahap Kesetimbangan Minimum (pada Refluks Total) Untuk refluks total, persaman garis operasi adalah: R D y = + R + 1 R + 1 Untuk R tidak berhingga, slope garis = 1, dan inrtercept = 0, artinya garis operasi berimpit dengan garis y =. Misalkan pada refluks total X et, D = dan X et, B = Dibuat anak tangga dari ke yang menyinggung kurva kesetimbangnan. Jumlah tangga pada refluks total adalah jumlah tahap minimum. Pada data tersebut jumlah tahap minimum adalah V.7.7. Penentuan Jumlah Tahap Refluks Parsial Dari titik X et, D pada garis = y dibuat garis operasi yang berpotongan dengan sumbu y pada intercept tertentu. Misalkan untuk hasil run di atas: - pada refluks parsial X et, D = dan X et, B = nilai refluks R = 3 Maka gradien garis operasi R D y = + y = + R + 1 R y = Kurva Kesetimbangan Uap-Cair Et-OH-air y (fraksi Uap) (fraksi cair) Modul 2.05 Distilasi Halaman 27 dari 31

28 Pada grafik tersebut mulai dari titik X d yang berpotongan dengan garis =y dibuat anak tangga dengan batas persamaan garis operasi dengan kurva kesetimbangan. nak tangga tersebut berakhir pada titik X b. Jumlah tahap pada refluks parsial adalah jumlah anak tangga yang terbentuk sepanjang X d sampai X b. Pada run ini diperoleh jumlah tahap = 10,33 V.7.8. Penentuan HETP (High Equivalent Theoretical Plate) Persamaan yang digunakan: tinggi kolom HETP = jumlah tahap kesetimbangan Misalkan data pada packed column: - tinggi kolom = cm - jumlah tahap = Maka dapat dihitung: HETP = = cm V.7.9. Penentuan Volatilitas Relatif Etanol-ir Persamaan yang digunakan adalah Persamaan Fenske: maka: N m D 1 B log. 1 D B = log α av D 1 B log. 1 D B log α av = N m Dengan menggunakan data saat refluks total dengan tahap minimum: Nm = 5.17, X et, D = dan X et, B = 0.7. Maka dapat dihitung: Modul 2.05 Distilasi Halaman 28 dari 31

29 log α av α av log = = V Penentuan Jumlah Perolehan Misal diperoleh data pada run Refluks Parsial: - Volume distilat = 78 ml - Fraksi mol etanol dalam destilat = Densitas destilat = g/cm3 Terlebih dahulu dibuat kurva kalibrasi densitas etanol terhadap fraksi volume. Dari data kalibrasi densitas etanol terhadap fraksi etanol sebelumnya diperoleh: densitas et X et X et (kg/m3) (V/V) (mol/mol) Fraksi volume (ml/ml) Kurva Kalibrasi Denistas Etanol terhadap Fraksi Volume y = R 2 = Densitas Etanol (g/ml) Diperoleh persamaan: Fraksi volum = *(ρ etanol ) *(ρ etanol ) Modul 2.05 Distilasi Halaman 29 dari 31

30 Jika densitas destilat = Maka: Fraksi volum = *(0.806) *(0.806) Fraksi volum = Volum etanol dalam destilat = * 78 = ml Massa etanol dalam destilat = * ρ etanol =76.908*0.806 Massa etanol dalam destilat = g Volume umpan = 400 ml Fraksi mol umpan = 0.2 Dari persaman kalibrasi fraksi mol terhadap densitas: X et = (ρ et ) (ρ et ) Desitas destilat pada fraksi mol etanol 0.2 : 0.2 = (ρ et ) (ρ et ) ρ et = g/ml Dapat dihitung fraksi volum destilat pada ρ et = g/ml adalah: Fraksi volum = *(ρ etanol ) *(ρ etanol ) Fraksi volum = *(0.936) *(0.936) Fraksi volum = Volume etanol dalam umpan = 0.428*400 = ml Massa etanol dalam umpan = * = g Maka dapat dihitung perolehan pada operasi distilasi ini adalah: massa etanol di destilat Yield = massa etanol umpan Yield = Yield = Modul 2.05 Distilasi Halaman 30 dari 31

31 VI. Daftar Pustaka 1. Hanley, and Seader, Equilibrium Separation Operations in Chemical Engineering, John Wiley and Sons, 1981, Chapter 9 2. Mc Cabe, W.L., Unit Operation of Chemical Engineering, 3 rd Edition, McGraw-Hill Book Co., New York, 1978, Chapter Treybal, R.E., Mass Transfer Operations, McGraw-Hill, 1981 Chapter 9 4. Perry, R., Green, D.W., and Maloney, J.O., Perry s Chemical Engineers Handbook, 6 th Edition, McGraw-Hill, Japan, McKetta, J.J., Unit Operations Handbook, Vol.1, Marcell Dekker, 1993, Chapter 6 Modul 2.05 Distilasi Halaman 31 dari 31