8/19/2019 01 PENGANTAR-2-1213

1/22

PROSES-PROSES PEMISAHAN

• Proses pemisahan sangat penting dalam

Teknik Kimia. Kira-kira 50-90 % capital

investment dalam bentuk alat-alat pemisahan.• Pemisahan ini dilakukan dengan kontak

antara dua fase dan perhitungan didasarkan

pada proses equilibrium stage.

• Konsep equilibrium stage dapat dipakai bila

dua fase dibiarkan berkontak dan kemudiandipisahkan. Karena kontak yang baik antara

kedua fase ini, solute dapat pindah dari satu

fase ke fase lainnya.

 Absorbsi dan Stripping

Distilasi (flash, continuous dan batch distillation)

Ekstraksi

Leaching

Pada kuliah ini akan dibicarakan teknik pemisahan yang umum, meliputi:

• Dengan menganggap bahwa stage itu adalah stage kestimbangan, maka

kita bisa menghitung konsentrasi dan suhu tanpa harus mengetahui bentuk

aliran, rate transfer panas dan transfer massa.

8/19/2019 01 PENGANTAR-2-1213

2/22

Gas Outlet

Liquid Inlet

Liquid Outlet

Gas Inlet

Packing or Trays

ABSORPSI

Bila dua fase yang berkontak adalah gas dan liquid, satuan operasi ini disebut

absorpsi. Didalam absorpsi, solute A atau beberapa solute di absorb dari fase gas

kedalam fase liquid. Proses ini menyangkut diffusi molekular dan turbulen atauperpindahan massa dari solute A melalui gas B (stagnan, non diffusing) kedalam

liquid C yang stagnan.

Contoh:

 Absorpsi gas amoniak A dari udara B

dengan air C. Biasanya larutanammonia-air yang dihasilkan didistilasi

untuk mendapatkan ammonia murni.

 Absorpsi SO2 dari flue gases dengan

larutan alkaline.

Dalam industri makanan (hidrogenasi

minyak), gas hidrogen digelembungkankedalam minyak dan diabsorb. Hidrogen

dalam larutan kemudian bereaksi dengan

minyak dengan suatu katalis

8/19/2019 01 PENGANTAR-2-1213

3/22

STRIPPER

Kebalikan dari absorpsi adalah s t r ip p i n g / d es o r p s i  .

Contoh:Stripping minyak non volatile dengan steam, dimana steam berkontak

dengan minyak dan sejumlah kecil komponen yang volatile dari minyak ikut

bersama-sama steam

 Absorber-stripper system untuk pemisahan H2S

8/19/2019 01 PENGANTAR-2-1213

4/22

Absorption and Stripping

Absorption (or scrubbing) is the removal of a component(the solute or absorbate) from a gas stream via uptakeby a nonvolatile liquid (the solvent or absorbent).

Desorption (or stripping) is the removal of a componentfrom a liquid stream via vaporization and uptake by aninsoluble gas stream.

Thus, absorption and stripping are opposite unitoperations, and are often used together as a cycle.

Both absorption and stripping can be operated asequilibrium stage processes using trayed columns or,more commonly, using packed columns.

8/19/2019 01 PENGANTAR-2-1213

5/22

Absorption Systems – Physical Examples:

CO2 and water Acetylene and acetic acidCO and water NH3 and acetoneH2S and water Ethane and carbon disulfideNH3 and water N2 and methyl acetateNO

2and water NO and ethanol

Physical absorption relies on the solubility of a particular gas in a liquid.

This solubility is often quite low; consequently, a relatively largeamount of liquid solvent is needed to obtain the required separation.

This liquid solvent containing the solute is typically regenerated byheating or stripping to drive the solute back out.

Because of the low solubility and large solvent amounts required inphysical absorption, chemical absorption is also used…

8/19/2019 01 PENGANTAR-2-1213

6/22

Absorption Systems – Chemical

Chemical absorption relies on reaction of a particular gas witha reagent in a liquid.

Examples:CO2 / H2S and aqueous ethanolamines

CO2 / H2S and aqueous hydroxidesCO and aqueous Cu ammonium saltSO2 and aqueous dimethyl anilineHCN and aqueous NaOHHCl / HF and aqueos NaOH

This absorption can often be quite high; consequently, asmaller amount of liquid solvent/reagent is needed to obtainthe required separation.

However, the reagent may be relatively expensive, and it isoften desirable to regenerate when possible.

8/19/2019 01 PENGANTAR-2-1213

7/22

8/19/2019 01 PENGANTAR-2-1213

8/22

EKSTRAKSI (liquid-liquid)

Bila kedua fase adalah liquid, dimana solute atau beberapa

solute dipindahkan dari satu fase liquid ke fase liquid lainnya,prosesnya disebut ekstraksi liquid-liquid.

Contoh:

Ekstraksi asam asetat dari larutan air dengan isopropyl ether.

LEACHING (ekstraksi solid-liquid)

Bila satu fluida digunakan untuk mengekstrak solute dari solid,

prosesnya disebut leaching.

Contoh:

Ekstraksi tembaga dari bijihnya dengan asam sulfat.

Leaching vegetable oil dari soybean (solid) dengan solvent organik

seperti hexan. Vegetable oil lainnya, seperti kacang, bunga matahari dll.

Gula terlarut dalam tebu, gula bit di leaching dengan air 

8/19/2019 01 PENGANTAR-2-1213

9/22

Metode Pemisahan

S i n g l e s t a g e p r o c e s s :   kedua fase seperti gas-liquid, liquid-liquid dapat

dicampur bersama dalam suatu tangki dan kemudian dipisahkan.

M u l t i p l e s t a g e p r o c e s s :   fase-fase tersebut dicampur dalam satu stage,

dipisahkan dan kemudian dikontakkan lagi dalam stage berikutnya.

Kedua metode ini dapat dilakukan dalam proses batch atau kontinyu.

Metode umum lainnya, dua fase dapat dikontakkan secara kontinyu dalam

 packed tower .

Phase rule dan equilibrium

Untuk memprediksi konsentrasi solute dalam tiap fase kesetimbangan,

data kesetimbangan secara eksperimen harus tersedia.

Jika dua fase tidak dalam kesetimbangan, laju perpindahan massa adalah

proporsional dengan driving force.

Dalam semua kasus yang menyangkut kesetimbangan, dua fase harus

ada, seperti gas-liquid atau liquid-liquid. Variabel-variabel penting yang

mempengaruhi kesetimbangan dari suatu solute adalah suhu, tekanan dan

konsentrasi.

8/19/2019 01 PENGANTAR-2-1213

10/22

Kesetimbangan antara dua fase dalam keadaan tertentu dinyatakan

dengan aturan fase:

F = C – P + 2

dimana: P = jumlah fase pada kesetimbanganC = jumlah komponen total dalam fase

F = derajat kebebasan dari sistem (banyaknya variabel

yang secara bebas dapat ditentukan)

Contoh:

Kesetimbangan gas-liquid dari sistem CO2-udara-air, ada dua fasedan tiga komponen, maka F = 3 – 2 + 2 = 3. Ini berarti ada tiga derajat

kebebasan. Jika tekanan dan temperatur ditetapkan, hanya tinggal satu

variabel yang bisa ditentukan. Jika fraksi mol x A dari CO2 (A) dalam

fase liquid diset, maka fraksi mol y A atau tekanan parsial p A dalam

fase gas bisa ditentukan. Aturan fase tidak memberikan tekanan parsial

p A yang berkesetimbangan dengan x A. Harga p A harus ditentukansecara eksperimen.

Untuk sistem biner ethanol-air, C = 2, P = 2 (uap dan liquid), maka F =

2 – 2 + 2 = 2. Bila suhu dan tekanan ditetapkan, maka semua derajat

kebebasan telah terpakai, dan komposisi pada keadaan kesetimbangan

telah tertentu pula dari hasil percobaan

8/19/2019 01 PENGANTAR-2-1213

11/22

Banyaknya bahan tidak dikontrol oleh aturan fase, hanya variabel

intensif saja yang dikontrol, yaitu suhu, tekanan dan fraksi mol

komponen dalam liquid dan dalam uap.

Variabel ekstensif seperti banyaknya mol, flow rate, volume yangbergantung dari banyaknya bahan, tidak termasuk dalam derajat

kebebasan.

Untuk sistem biner dengan dua derajat kebebasan dapat

dinyatakan dalam bentuk tabel atau grafik, dengan satu derajat

kebebasan dibuat konstan (biasanya tekanan).

Konsep Kesetimbangan (equilibrium)

Proses pemisahan berdasarkan konsep equilibrium stage,dimana aliran yang meninggalkan stage berada dalam

kesetimbangan.

8/19/2019 01 PENGANTAR-2-1213

12/22

Perhatikan uap dan liquid yang berkontak satu sama lain seperti dalam

Gambar.

Molekul-molekul liquid secara kontinyu menguap dan bersamaan dengan

itu molekul-molekul uap mengembun.

Bila ada dua komponen, pada umumnya mereka akan menguap dan

mengembun dengan rate yang berbeda.

Dalam keadaan kesetimbangan, suhu, tekanan dan fraksi mol dari kedua

fase tidak lagi berubah.

Meskipun molekul-molekul itu secara terus menerus menguap dan

mengembun, rate penguapan dari suatu spesies sama dengan rate

pengembunannya

Dilihat dari skala molekular proses berjalan terus, namun dilihat secara

skala makro, dimana pada umumnya proses diobservasi, tidak ada

perubahan pada suhu, tekanan dan komposisi.

Uap, P, T, y A dan yB

Liquid, P, T, x A dan xB

 Apa yang dimaksud kesetimbangan?

8/19/2019 01 PENGANTAR-2-1213

13/22

Pada keadaan kesetimbangan,

T liq = T uap   thermal equilibrium

P liq = P uap   mechanical equilibrium liq = uap   phase equilibrium

(tidak ada perubahan komposisi)

Kesetimbangan antara fase gas dan liquid

Hubungan kesetimbangan antara konsentrasi komponen A dalam

fase gas dan konsentrasinya dalam fase liquid dapat ditentukan

dengan beberapa cara:

1. Dari tabel data (bila ada). Ini bisa dilihat pada handbooks ataubuku-buku unit operasi

8/19/2019 01 PENGANTAR-2-1213

14/22

Persamaan diatas dapat dinyatakan dalam y A (fraksi mol A dalam fase gas)

dengan membagi p A dengan P:

yA = HA’ xAdimana:

HA’ = HA / P

Perlu diperhatikan bahwa H A hanya fungsi suhu, sedang H A’ merupakan fungsi

suhu dan tekanan total P.

2. Bila tidak ada tabel data, dapat digunakan hukum Henry , terutama untuk

larutan encer 

pA = HA xA

dimana: p A = tekanan parsial A dalam fase gasH A = konstanta Henry

x A = fraksi mol A dalam fase liquid

3. Untuk larutan ideal, hubungan kesetimbangan dapat ditentukan dengan

menggunakan hukum Raoult .

p A = P A x A   y A = P A x A / P

dimana: P A = tekanan uap murni komponen A pada suhu operasi.

8/19/2019 01 PENGANTAR-2-1213

15/22

Henry’ s Law Constants

Henry’s Law is valid at low concentrations of solute i, approximately less than 10%.

8/19/2019 01 PENGANTAR-2-1213

16/22

Kontak Kesetimbangan Single–Stage

L0 L1

V1 V2

Proses single–stage :

• Dua phase yang berbeda dikontakkan satu sama lain (L0 + V2)

• Selama waktu t, mixing + diffusi komponen-komponen diantara

2 phase

• Komponen-komponen dalam kesetimbangan (2 phase) setelah

pemisahan (L1 + V1)

8/19/2019 01 PENGANTAR-2-1213

17/22

Neraca massa total :

L0 + V2 = L1 + V1 = M

Neraca massa komponen : (A + B + C)

L0 x A0 + V2 y A2 = L1 x A1 + V1 y A1 = M x AM

L0 xC0 + V2 yC2 = L1 xC1 + V1 yC1 = M xCM

xA + xB + xC = 1

dimana : L = rate massa liquid dalam kg/jam

V = rate massa uap dalam kg/jam

x A = fraksi massa A dalam aliran L

y A = fraksi massa A dalam aliran V

8/19/2019 01 PENGANTAR-2-1213

18/22

Sistem Gas   –  liquid

Phase gas : Solute A + inert udara B  V

Phase liquid : Solute A + inert air C 

L

Asumsi : - udara tidak larut dalam air

- Air tidak menguap dalam phase gas

Neraca komponen A :

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

1

1

1

1

2

2

0

0

1111  A

 A

 A

 A

 A

 A

 A

 A

 y

 yV 

 x

 x L

 y

 yV 

 x

 x L

dimana :

L’ , mol air C (inert) → Constant

V’ , mol udara B (inert) → Constant

Data yang diperlukan :

Hubungan yA1 & xA1 dalam kesetimbangan

Hk. Henry : yA1 = H’ xA1 ( larutan encer)

Plot pA vs xA atau yA vs xA

8/19/2019 01 PENGANTAR-2-1213

19/22

V2 V3 Vn Vn+1 VN VN+1

1 2 n N

L1 L2 Ln-1 Ln LN-1 LN

V1

L0

Inlet stream : L0, VN+1

Outlet stream : LN, V1Jumlah Stage : N

L Stream : Komp. C >>

V Stream : Komp B >>

B & C : miscible/ immiscible

Neraca Overall, semua stage :

L0 + VN+1 = LN + V1 = M

L0, LN, V1 dan VN+1 dalam mole/j

Sistem Multiple Stage Counter-Current

8/19/2019 01 PENGANTAR-2-1213

20/22

Neraca komponen overall :

L0 x0+ VN+1 yN+1 = LN xN + V1 y1 = M xM

x dan y, fraksi mol

Neraca total untuk n stage :

L0 + Vn+1 = Ln + V1

Neraca komponen untuk n stage :

L0 x0+ Vn+1 yn+1 = Ln xn + V1 y1

1

0011

1

1

nn

nnn

V  x L yV 

V  x L y   operating Line

8/19/2019 01 PENGANTAR-2-1213

21/22

Immiscible stream :V Stream : A + B ( no C)

L stream : A + C ( no B)

L & V berubah → slope berubah → garis lengkung

L & V konstan → slope konstan   → garis lurus

y1

y2

y3

y4

yN+1

1

2

3

4

x3x1 x2x0 x4 = xN

Operating line

Equilibrium line

Slope!n

n

V 

 L

fraksi mol, x

   f  r  a   k  s   i   m  o   l ,  y

8/19/2019 01 PENGANTAR-2-1213

22/22

Contoh 10.3-2

Diinginkan mengabsorb 90% acetone dalam udara (fase

gas) yang mengandung 1 mol% acetone dalam tower

countercurrent stage. Laju alir total gas masuk ke tower 30

kgmol/j dan laju alir air murni masuk yang digunakan untuk

mengabsorb acetone 90 kgmol/j. Proses beroperasi secaraisotermal pada 300K dan 101,3 kPa. Kesetimbangan

acetone pada sistem gas-liquid adalah y=2,53 x.

Tentukan jumlah stage teoritis yang dibutuhkan untuk

proses pemisahan tersebut.