Heri Rustamaji

Pemisahan DistilasiAzeotrop

Referensi:

1. Seider, W.D., Seider, J.D. and Lewin, D.R., 2003, Product & ProcessDesign Principles - Synthesis, Analysis & Evaluation, 2nd Ed.

2. Smith, R. Chemical Processes: Design and Integration, Wiley, Hoboken,2005

Pendahuluan

• Urutan pemisahan menjadi sulit dengan kehadiranazeotropes, sehingga sering melibatkan campuran senyawaorganik oksigenat: Alcohols

Ketones Ketones

Ethers

Acids

Water

• Pada kasus ini, distillation boundaries membatasikomposisi produk kolom berada di dalam wilayah yangdibatasi

• Hal ini mencegah penghilangan komponen tertentu dalamkonsentrasi tinggi.

Tujuan

Mampu membuat sketch kurva residue pada diagram fasaternary

Mampu mendefinisikan kisaran komposisi produk yangmungkin menggunakan distilasi, pada komposisi umpan yangmungkin menggunakan distilasi, pada komposisi umpan yangdiberikan dan pada digram fasa ternary

Mampu mendefinisikan PFD untuk heterogeneous azeotropicdistillation system

Mampu mendefinisikan PFD untuk pressure swing distillationsystem

Basics: The Lever Rule

Basics: Ternary Phase Diagrams

0.2 TBA

0.15 H2O

0.65 DTBP

0.2 DTBP

0.2 TBA

Basics: Ternary Phase Diagrams

0.6 H2O

0.2 DTBP

Homogeneous Azeotropes 1:4

Pada kesetimbangan:

V L

j jf f_ _

V L

j j j j jy P x f

syP xP s

1 1 1yP xP

s

2 2 2y P x P

s s s s

1 1 2 2 1 1 1 2P xP x P xP 1 x P( )

s s s

2 1 2 1P P P x( )

Pada suhu tetap

Homogeneous Azeotropes 2:4

Contoh– Diagram fasa campuran benzene-toluenepada 90 oC

Homogeneous Azeotropes 3:4

Untuk campuran non-ideal,koefisien aktifitas tidakbernilai satu:

S

1 1 1 1yP x P

S

2 2 2 2y P x P

s s

1 1 1 1 2 2P x P 1 x P( )

Jika campuran memiliki minimumminimum-boiling azeotropei

1

Contoh – Diagram fasa untuk Isopropyl ether-Isopropyl alcohol

Homogeneous Azeotropes 4:4

Untuk campuran non-ideal,koefisien aktifitas tidak bernilaisatu.

S

1 1 1 1yP x P

S

2 2 2 2y P x P

s s

1 1 1 1 2 2P x P 1 x P( )

Jika campuran memiliki maximummaximum-boiling azeotropei

1 Jika campuran memiliki maximummaximum-boiling azeotropei

1

Contoh – Diagram fasa Acetone-Chloroform

• Untuk membuat model non-idealistis fasa cair padatekanan moderat, koefisien aktivitas cairan ( γi ) harusdiketahui :

VLE Based Coefficient Fugacity Model

( γi ) bervariasi tehadap komposisi dan suhu. Ada tiga modelkoefisin aktivitas yang sering digunakan.

Wilson

NTRL

UNIQUAC

Wilson :

Untuk sistem biner:Untuk sistem biner:

Untuk sistem biner:

NRTL :

Untuk sistem biner:

Untuk sistem biner:

UNIQUAC :

Untuk sistem biner:

Heterogeneous AzeotropesUntuk minimum-boiling azeotrope dengan deviasi yg besar darihukum Raoult’s l ( ), dapat teradi phase splitting dantebentuk minimum-boiling heterogeneous azeotrope, yangmemilikii fasa uap yang setimbang dengan dua fasa cairan.

i1

Homogeneous Azeotrope Heterogeneous Azeotrope

Residue Curves 1 : 3

Neraca massa pada species j:

Distillation Sederhana

j j j j j jLx y dL Lx Ldx x dL dLdx j 1 C 1, , ,

Neraca massa pada species j:

j j j jLx L y L L x x j 1 C 1( ) ( )( ), , ,

As L 0:

j

j j j j

dxx y x 1 K T P x y

dL L( { , , , })

/

Rearranging:

j

j j

dxx y

d t

Residue Curves 2 : 3

j

j j

dxx y

d t

• Residue Curves Liquid Compositions at Total Reflux

Residue curves forAzeotropic system

Residue curves forzeotropic system

Residue Curves 3 : 3• Residue Curves Liquid Compositions at Total Reflux

Species balance on top n-1 trays:

dx

n 1 n 1 n nDL x Dx Vy

Approximation for liquid phase:

n

n n 1

dxx x

dh

Substituting:

n n

n n D

n 1 n 1

dx V Dx y x

dh L L

At total reflux, D = 0 and Vn = Ln-1

n

n n

dxx y

dh

Rectifying section ofdistillation column

Sketching Residue Curves

Plot komponen murni padatitik-titik sudut sesuai Tb

Plot semua titik azeotropespada diagram sesuai titikdidihnya, Tb

Plot kurva residue yang

j

j j

dxx y

d t

Plot kurva residue yangmenghubungkan semuaazeotropes, azeotropes &vertices, dan akhirnya vertices& vertices dengan arahpanah menuju kenaikan titikdidih.

Plot kurva residue tambahanyang “melengkung” menujusuhu intermediate pada arahmenuju titik akhir

Product Compositions Regions

• Untuk sistem zeotropic– L: Lowest boiling component, I: Intermediate boiling component,

H: Highest boiling compoent, F: Feed composition

Pure L distillate

Pure H bottoms

• Untuk sistem azeotropic– Shade Region : Feasible distillate and bottoms product compositions

Product Compositions Regions

Two binary azeotropesThree binary azeotropes and

one ternary azeotrope

Breaking Azeotrope

Kita harus mengubah sesuatu untuk mengatasai azeotrope:

Mengubah Tekanan (P)- Pressure SwingOpsi pertama yang perlu dipertimbangkan ketikamemisahkan azeotrop suatu campuran adalah

Breaking Azeotrop

memisahkan azeotrop suatu campuran adalahmemanfaatkan perubahan komposisi azeotrop dengantekanan. Jika komposisi azeotrop sensitif terhadap tekanandan memungkinkan untuk mengoperasikan distilasi padarentang tekanan tanpa terjadi dekomposisi material, makasifat ini bisa digunakan untuk melakukan pemisahan.Perubahan komposisi azeotropik minimal 5% denganperubahan tekanan biasanya diperlukan.

Breaking Azeotrope

Merubah Gamma,-Menambah EntrainerSebuah agen pemisahan massa, yang dikenal sebagaisebuah entrainer, dapat ditambahkan ke distilasi.Pemisahan menjadi mungkin karena entrainer berinteraksilebih kuat dengan salah satu azeotrop-membentuk

Breaking Azeotrop

lebih kuat dengan salah satu azeotrop-membentukkomponen dari yang lain. Hal ini dapat pada gilirannyamengubah volatilitas relatif antara komponen kuncidengan cara yang menguntungkan.

Merubah y-memisahkan uap melewati membaran(pervoration)Jika suatu membran semipermeabel ditempatkan antarafasa uap dan cair, dapat mengubah kesetimbangan uap-cair dan memungkinkan pemisahan untuk dicapai.

Pressure Swing Distillation

Pressure Swing Distillation

Minimum boiling azeotrop Maximum boiling azeotrop

• Contoh: Dehidrasi Tetrahydrofuran (THF)

T-x-y diagrams untuk THF dan water

Pressure Swing Distillation

Heterogeneous Azeotropic Dist.

• Contoh: Dehidrasi Ethanol

Try tolueneas an

entrainer

Heterogeneous Azeotropic Dist.

• Contoh: Dehidrasi Ethanol

S1

S2

M1

D2

M2

D1

Sistesis Rangkaian Pemisahan

Identifikasi Azeotrop

Identifikasi Alternatif Separator

Pemilihan Entrainer. Ketika memisahkan campuran azeotrop, jikamemungkinkan, merubah komposisi azeotrop dengan tekananharus dimanfaatkan daripada menggunakan MSA, karena:harus dimanfaatkan daripada menggunakan MSA, karena:

o Pengenalan MSA dapat menimbulkan masalah baru dalam mencapaispesifikasi kemurnian produk selama proses berlangsung.

o Sering sulit untuk memisahkan dan mendaur ulang MSA dengan efisiensitinggi. Setiap material yang tidak didaur ulang bisa menjadi masalahlingkungan. Sebagaimana akan dibahas kemudian, cara terbaik untukmenangani masalah limbah adalah tidak membuatnya mereka ditempat pertama.

o MSA dapat menimbulkan masalah keamanan dan penyimpanan baru

Identifikasi komposisi produk distilat dan bottom yang layak

Pemilihan EntrainerKetika memisahkan campuran azeotrop, jika memungkinkan,merubah komposisi azeotrop dengan tekanan harus dimanfaatkandaripada menggunakan MSA, karena:

Pengenalan MSA dapat menimbulkan masalah baru dalammencapai spesifikasi kemurnian produk selama prosesmencapai spesifikasi kemurnian produk selama prosesberlangsung.

Sering sulit untuk memisahkan dan mendaur ulang MSA denganefisiensi tinggi. Setiap material yang tidak didaur ulang bisamenjadi masalah lingkungan. Sebagaimana akan dibahaskemudian, cara terbaik untuk menangani masalah limbahadalah tidak membuatnya mereka di tempat pertama.

MSA dapat menimbulkan masalah keamanan danpenyimpanan baru.

Pemilihan EntrainerKetika memisahkan campuran azeotrop, jika memungkinkan,merubah komposisi azeotrop dengan tekanan harus dimanfaatkandaripada menggunakan MSA, karena:

Pengenalan MSA dapat menimbulkan masalah baru dalammencapai spesifikasi kemurnian produk selama prosesmencapai spesifikasi kemurnian produk selama prosesberlangsung.

Sering sulit untuk memisahkan dan mendaur ulang MSA denganefisiensi tinggi. Setiap material yang tidak didaur ulang bisamenjadi masalah lingkungan. Sebagaimana akan dibahaskemudian, cara terbaik untuk menangani masalah limbahadalah tidak membuatnya mereka di tempat pertama.

MSA dapat menimbulkan masalah keamanan danpenyimpanan baru.

TERIMA KASIH