Modul Operasi Teknik Kimia 3

7/17/2019 Modul Operasi Teknik Kimia 3

http://slidepdf.com/reader/full/modul-operasi-teknik-kimia-3 1/69

OPERASI TEKNIK KIMIA 3

(E – Modul)

Disusun Oleh

Dr. Ir. Suhendrayatna, M.Eng

Dr. Ir. Muhammad Zaki, M.Sc

Jurusan Teknik KimiaFakultas Teknik Universitas Syiah Kuala

Darussalam, Banda Aceh

Edisi 1 (2006)

MENU UTAM

MENUJU BAB MAT

Kata Pengantar dari PenuGaris-Garis Besar Pokok Pdan Satuan Acara Pengaja

1 Pengantar Operasi Teknik

2 Operasi Stage

3 Kaidah Fasa

4 konsep proses pemisahan

5 Distilasi

6 Efisiensi plate untuk distila

7 Absorbsi

8 Efisiensi plate untuk Abso

9 Absorpsi dengan plate da

10 Ekstraksi Cair – cair

11 Leaching untuk zat cair-pa

12 Efisiensi plate untuk Ekstr

13 Proses pemisahan dengan



Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna) 2

Modul Kuliah

Disusun Oleh

Dr. Ir. Suhendrayatna, M.Eng

Dr. Ir. Muhammad Zaki, M.Sc

OPERASI TEKNIK KIMIA 3

JURUSAN TEKNIK KIMIAFAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SYIAH KUALAJalan Tgk. Syech Abdurrauf No. 7, Darussalam, Banda Aceh




PENGANTAR dari PENYUSUN

Pengajar mata kuliah Operasi Teknik Kimia 3 telah berhasil menyusun materi pengajaran TekniikKimia yang disajikan dalam bentuk Modul Kuliah. Modul Kuliah yang disusun ini menampilkansebagian dari materi Operasi Teknik Kimia 3 dan didesain agar mudah dimengerti oleh pembaca.Penyusunan Modul Kuliah ini diharapkan dapat memberikan hasil yang lebih baik, serta dapatmelengkapi materi kuliah untuk mahasiswa Program S1 Teknik Kimia Unsyiah. Disadari bahwapenyusunan Modul Kuliah ini masih banyak terdapat kelemahannya sehingga penyempurnaan dimasa depan masih sangat diperlukan dan diharapkan sehingga mendapatkan tingkatkesempurnaan yang lebih tinggi. Kepada semua pihak yang telah membantu serta mendukung

penyusunan Modul Kuliah ini diucapkan banyak terima kasih.

Darussalam, April 2006Tim Penyusun,

Dr. Ir. Suhendrayatna, M. EngDr. Ir. Muhammad Zaki, M. Sc

Kembali Ke Menu Utama




BAB 1PENGANTAR OPERASI TEKNIK KIMIA

1. UNIT OPERASI DALAM TEKNIK KIMIATeknik kimia didefinisikan sebagai “penerapan prinsip ilmu-ilmu fisika bersama dengan

prinsip ekonomi dan hubungan antar manusia yang berhubungan langsung dengan proses dan alatproses dimana semua itu di olah untuk mempengaruhi perubahan keadaan, energy, ataukomposisi”. Definisi ini sangat tidak jelas serta mempunyai cakupan yang sangat luas. Hal yangharus ditekankan bahwa titik berat yang dapat dipertimbangkan ditempatkan pada proses dan alatproses. Pekerjaan sarjana teknik kimia sebaiknya disebut proses engineering.

Proses yang melibatkan perubahan komposisi kimia atau perubahan fisik pada bahan yangyang disiapkan, diproses, dipisahkan atau dimurnikan. Pekerjaan chemical engineer meliputipemilihan langkah-langkah yang sesuai dalam susunan formula sebuah proses untuk menyelesaikanoperasi pembuatan bahan kimia, pemisahan, atau pemurnian. Karena setiap langkah penyusunproses merupakan subyek variasi, proses engineer harus menentukan kondisi yang tepat untuk

setiap langkah operasi sering dengan pengembangan proses dan peralatan harus dirancang,chemical engeneer akan bekerja sama dengan chemical dan civil engeneer.

Semua pekerjaan seseorang engeneer harus quantitatif dan matematika menjadifundamental tools bagi engeneer. Sayangnya, pemahaman kita akan matematika terbatas padadomain matematika linier, dan perilaku molekul kimia jarang bersentuhan dengan aturanmatematika linier. Perhitungan neraca massa dan energi, yang merupakan dasar untuk setiapproses studi, biasanya dapat dinyatakan dengan ketelitian matematika linier, selama kitamengabaikan proses atom dan nuklir. Dalam studi ekonomi untuk menentukan kondisi proses yangpaling menguntungkan dan dalam perhitungan penerimaan penjualan dan distribusi pemasukanterhadap keuntungan dan harga, termasuk penggantian pabrik perhitungan matematika biasadigunakan.

Keberadaan sebuah proses mengacu bahwa semua material yang dihasilkan akan dibayarpelanggan. Sehingga harus difikirkan jiumlah, kualitas dan harga yang dapat diterima pelanggan.

Bahan yang dihasilkan oleh industri kimia direncanakan dan dibuat dalam pabrik sebelum realmarket dikembangkan. Untuk produk baru, beberapa perkiraan pasar harus dibuat, dan pabriksebaiknya diskala secara proposional. Aspek human-relation dari praktek engineer biasanya tidakdititik beratkan pada undergraduated training karena banyaknya teknik dan informasi teknik yangharus dipelajari. Semua engineers harus menyadari bahwa industri dimana mereka bekerjamemerlukan usaha dari tiap orang. Informasi yang berharga dapat diperoleh dari operator. Orangyang telah lama bekerja dibidang operasi mungkin telah mengamati perilaku, pengaruh dan metodekontrol secara detail yang tidak dapat didekati hanya dengan penghargaan yang layak untuk semuafakta yang ada tanpa mengindahkan sumbernya.

Proses baru atau perbaikan teknik dari proses yang ada tanpa memperhitungkan saranoperator biasanya mengalami kegagalan. Start-up pabrik baru atau instalasi yang mengalamiperubahan teknik akan jauh lebih lancar dan biaya operasinya jauh lebih murah jika personal

operasi mengerti obyeknya.

2. BEBERAPA KONSEP DASARSebelum berusaha menggambarkan operasi yang melengkapi proses kimia, perlu

mengenalkan beberapa konsep dasar yang harus dimengerti sebelum penggambaran operasi.

2.1 KesetimbanganUntuk semua kombinasi fase sebuah kondisi zero net interchange of properties biasa

disebut kesetimbangan. Sedangkan, perbedaan konsentrasi beberapa sifat pada kondisi yang adadan kondisi setimbang disebut driving force atau beda potensial, dan dia cenderung untukmengubah sistim menuju kondisi setimbang. Penggambaran kesetimbangan massa lebih rumit dari





pada pernyataan kesetimbangan suhu yang menggambarkan kesetimbangan energi molekul. Massaakan mengalir dari daerah dengan konsentrasi tinggi ke daerah dengan konsentrasi rendah.

Untuk kesetimbangan antara cairan dan uapnya, kurva tekanan uap bisa digunakan. Kurvaini menyatakan unit tekanan konsentrasi uap yang kesetimbangan dengan cairan murni ketikakeduanya pada suhu tertentu. Pada kasus campuran cairan, kesetimbangan harus ada antara fase

cairan dan fase uap, untuk campuran biner, hubungannya merupakan sebuah penggambarankonsentrasi yang relatif sederhana atau tekanan parsial masing-masing kontituen pada fase uapyang kesetimbangan pada campuran multi komponen antara fase cair dan uapnya atau antara duafase cair memenuhi kelarutan partial. Pada setiap kasus, kondisi harus disesuaikan sehinggapotensial masing-masing kontituen indentik, pada semua fase setimbang dari sistim tertentu.

2.2 Driving force Ketika dua substance atau fase tidak pada kondisi kesetimbangan dikontakkan, ada

cenderung untuk berubah yang akan menghasilkan kondisi setimbang. Perbedaan antara kondisiyang ada dan kondisi setimbang adalah driving force yang menyebabkan perubahan ini. Perbedaandapat dinyatakan dalam konsentrasi bermacam-macam sifat substance. Sebagai contoh, jika airpada fase cair dengan konsentrasi energi rendah dikontakkan dengan uap yang mempunyaikonsentrasi energi tinggi akan dipindahkan dari fase uap ke fase cair sampai konsentrasi energi

sama antara kedua fase. Pada kasus ini jika jumlah cairan besar dalam perbandingan dengan uap,kedua fase menjadi satu dengan kondensasi uap karena energinya dipindahkan ke air dingin.Campuran akhir akan menjadi sejumlah air fase cair dengan jumlah yang meningkat pada suhuyang lebih tinggi dari pada kondisi awalnya, dan pengurangan jumlah uap. Kombinasi ini mencapaikesetimbangan sangat cepat pada suhu dimana tekanan uap air sama dengan tekanan fase uap.

Ada tipe driving force yang terjadi ketika sebuah larutan aceticacid dan air dikontakkandengan isopropyl ether. Ketiga komponen akan terpisah dalam dua fase cair, masing-masing berisisebagian dari ketiga komponen. Konsentrasi masing-masing komponen pada tiap fase harusdiketahui untuk menggambarkan kondisi setimbang jika kedua fase yang tidak pada kesetimbangandikontakkan bersama-sama. Perpindahan analog dengan elektris dan energi thermal akan terjadi.Hasilnya merupakan perpindahan fase isopropyl ether kedalam air acid dan perpindahan air danasam kedalam fase eyher sampai potensial tiap konstituen sama pada kedua fase. Tidak ada

pernyataan yang sederhana untuk potensial kimia, sehingga jumlah perunit volume, ataukonsentrasi massa pada sebuah fase biasanya dirancang. Konsentrasi massa tidak terdefinisi secarategas, tetapi fungsi aktifitas, fugasitas dan energi bebas gibbs yang lebih akurat dan komplekmemerlukan pengetahuan tentang kimia fisika yang lebih advanced.

Pada contoh sebelumnya konsentrasi massa komponen berbeda pada tiap fase padakesetimbangan. Pada semua kasus yang dibicarakan diatas, pontensial (konsentrasi) substanceyang ada atau campuran bila dibandingkan dengan potensial pada kondisi setimbang menghasilkansebuah perbedaan potensial atau driving force yang cenderung mengubah kondisi sistem yangmenuju kondisi setimbang. Driving force, atau perbedaan potensial energi cenderung menghasilkanperubahan pada kecepatan yang secara langsung proposional dengan perbedaan dari potensialkeseimbangan.

2.3 Pemisahan

Pemisahan sebuah larutan atau campuran homogen yang baru, memerlukan preferentaltransfer of constituen untuk fase kedua yang dapat dipisahkan dari campuran residual. Sebagigambaran adalah dehumidifikasi udara dengan mengembunkan atau membekukan sebagianmoisture, atau menggunakan solvent cair yang tidak larut pada bahan tidak terekstrak. Dua fasepadat mungkin sangat sulit untuk dipisahkan, sementara itu cairan, gas, atau padatan biasanyamudah dipisahkan. Sedangkan dua cairan yang mempunyai densitas sama dan tidak ada gayainterfasial dapat menghambat semua pemisahan yang dapat dijalankan.

2.4 Pola aliranPada berbagai operasi untuk memindahkan energi atau material dari satu fase ke fase lain,

kedua aliran perlu dikontakkan agar terjadi perubahan menuju kesetimbangan energi atau meterialatau keduanya. Perpindahan dapat dicapai dengan kedua stream mengalir pada arah yang sama




(courrent flow) dan jika ini digunakan, batasan jumlah perpindahan yang dapat terjadi ditetapkanoleh kondisi setimbang yang akan dicapai antara dua stream yang dikontakkan. Jika kedua streamyang dikontakkan dialirkan pada arah yang berlawanan (counter-courrent flow) perpindahanmaterial atau energi dengan jumlah yang lebih besar mungkin terjadi.

Sebagai gambaran, jika sebuah stream merkuri panas dan stream air dingin dibiarkan

mencapai kesetimbangan thermal, suhu akhir dapat diperkirakan dengan neraca panas yangmencakup jumlah relatif stream, suhu awal, dan kapasitas panas. Jika stream mengalir simultandari titik, pemasukan yang sama menuju titik pengeluaran yang sama, akan dicapai dengan suhukesetimbangan tertentu. Dan modelnya ditunjukkan pada gambar 1.1a. jika stream dibuat mengalirpada arah berlawanan, dengan membiarkan merkuri mengalir kebawah melalui aliran air yang naikkeatas, memungkinkan untuk memasukan aliran merkuri panas untuk meningkatkan suhu aliran airdingin. Seperti ditunjukkan gambar 1.1b. prinsip counter flow digunakan operasi teknik kimia untukmemperoleh perpindahan yang lebih besar.

2.5 Operasi kontinyu dan batchDalam operasi proses kimia, akan lebih ekonomis untuk melakukan proses kontinu dan

steady, dengan minimum gangguan dan shut down. Hal ini tidak selalu dapat dilakukan padaoperasi skala kecil atau dalam kondisi yang sangat korosif yang mendorong seringnya dilakukan

perbaikan. Karena produktifitas yang lebih besar untuk peralatan yang beroperasi secara kontinyudan beda unit cost yang lebih rendah, biasanya menguntungkan mengoperasikan alat proses secarakontinyu. Hal ini berarti waktu bukan sebuah variabel dalam analisis untuk proses tersebut, kecualiselama start up dan shut down. Kecepatan waktu transfer dan reaksi penting dalam menentukanukuran dan kapasitas alat, tetapi untuk kerja diharapkan sama sepanjang waktu pada kondisioperasi yang sama.

Ketika sejumlah kecil material dilakukan pemprosesan sering kali dilakukan denganmemasukkan seluruh material kedalam alat proses, diproses ditempat dan mengeluarkan produkyang dihasilkan. Proses ini disebut proses batch. Pada operasi batch hampir semua cyelemerupakan start up transiennt dan shut down transiennt. Pada operasi kontinyu, waktu selamastart up transiennt berlangsung mungkin sangat pendek dibandingkan dengan operasi stedy state. Analisis transiennt suatu operasi batch biasanya lebih kompleks dari pada operasi steady state.

Perbedaan analisis operasi transiennt dengan operasi steady state hanya pada penambahaanvariabel waktu. Variabel-variabel ini mempersulit analisis tidak merubahnya secara fundamental.

3. UNIT OPERASI (OPERASI TEKNIK KIMIA)Proses kimia terdiri dari bermacam rangkaian langkah. Dalam perancangan sebuah proses,

setiap langkah yang digunakan dapat dipelajari sendiri jika langkah-langkah tersebut dikenal.Beberapa langkah adalah reaksi kurva dan yang lain adalah perubahan-perubahan fisik. Konsep unitoperasi dalam teknik kimia didasarkan pada filosofi bahwa rangkaian langkah dapat direduksimenjadi operasi atau reaksi sederhana, yang identik dalam fundamental material yang diproses.Prinsip ini yang menjadi dikenal para pendahulu selama perkembangan industri kimia, yangpertama kali dikemukakan oleh A.D.Little pada tahun 1915.

Any chemical process, on whatever scale conducted, may be resolved into a coordinated

series of what may be termed “unit actions”,as pulverizing, mixing, heating, roasting, absorbing,condensing, lixiviating, precipitating, crystallzing, filtering, dissolving, electrolyzing ada so on. Thenumber of these basic unit operations is not very large and relatively few of tjem are involved inany particular process. The complexity of chemical engineering results from the variety conditionsas to temperature, pressure,ect., under which the unit actionss must be carried out in different process and from the limitations as to materials of construction and design of apparatus imposed bythe physical and chemical character of reacting substancees. Daftar lebih dari dua belas jenis operasi diatas tidak semuanya mempertimbangkan unit operasi.Operasi lain yang dikenal adalah fluida flow, perpindahan panas, destilasi, humadifikasi, absorpsi,sendimentasi klasifikasi, agitasi, dan sentrifugasi. Disamping tiu, seiring dengan perkembangan jaman dan peningkatan pemahaman akan teknologi baru muncul proses baru yang lebihterintegrasi.




Semua unit operasi didasarkan atas prinsip ilmu pengetahuan yang diubah sehingga dapatdiaplikasikan dalam industri. Aliran fluida sebagai contoh, telah dipelajari dalam hidrodinamika ataumekanika fluida. Dibidang teknik sipil dikenal dengan nama hidrolika yang banyak digunakan dalamteknik sanitasi.

Perpindahan panas telah menjadi subjek investigasi teoritis oleh ahli fisika dan matematika.

Perpindahan panas memainkan peranan penting dalam power generation dari fuel, sepertidikembangkan oleh sarjana teknik mesin. Lewat industri, seseorang menemukan contoh unitoperasi dalam pemanfaatannya pada persoalan di bidang teknik lain. Sarjana teknik kimia harusdapat mengoperasikan bermacam-macam unit operasi atas material dengan beragam kondisi fisikdan properti kimia pada kondisi tekanan dan suhu tertentu.

3.1 Integrasi unit operasi Pada pengolahan kompleks, interaksi dari setiap langkah mendorong engineer untuk

mempertimbangkan keseluruhan proses, atau sistem sebagi satu kesatuan. Konsep tradisional darimenjelaskan masing-masing unit operasi sebagai suatu paket dan dijelaskan secra terpisah dan jarang dijelaskan secara overlap. Korelasi ini menjadi perlu jika dilihat pada monograph beberapaunit operasi secara lengkap tanpa memperhatikan pengaruh fakta lainnya. Secara spesifik,perpindahan panas yang merupakan sistim alir tidak dapat dinyatakan secara lengkap tanpa

pertimbangan mekanika fluida. Perpindahan massa tidak dapat dipisahkan dari perpindahan panasdan menikan fluida.

3.2 Analisa unit operasi Unit operasi dapat dianalisis dan dikelompokkan mengunakan satu dari tiga metode yang

mungkin digunakan. Sebuah unit operasi dapat dianalisa menggunakan simple physical model yangmenghasilkan kembali aksi dari operasi yang dilakukan dengan mempertimbangkan peralatan yangdigunakan untuk operasi, atau dianalisis dengan pernyataan matematika yang menggambarkanaksi dan diuji menggunakan data eksperimen.

Physical model merupakan model yang dikembangkan dari studi basic physical mechanism, dan bersifat ideal sehingga perlu beberapa koreksi untuk penerapannya pada operasi nyata.

Pengelompokan dapat juga diselesaikan dengan pengelompokan peralatan yang sama atau

yang memeiliki kesamaan fungsi. Operasi dapt juga dikelompokkan dalam kesamaan persamaanmatematika dasar operasi. Metode ini tidak begitu memuaskan karena adanya sifat nonliniaritasdan juga adanya keadaan batas dari perubahan satu phase ke phase yang lain. Physical model darioperasi fundamental merupakan pendekatan yang paling memuaskan. Persamaan denganpendekatan ini memberikan dasar yang paling baik untuk memahami operasi.

3.3 Dua karakteristik Physical models Model yang secara luas dipakai untuk unit operasi adalah alat dengan dua stearm, atau

phase, dibawa bersama-sama untuk mencapai kesetimbangan, kemudian dipisahkan. Diasumsikanbahwa stream yang keluar pada kesetimbangan, dan model ini disebut stage kesetimbangan. Padamodel lain untuk perpindahan properti antara dua stream, digambarkan pembawa properti, evaluasiangka dan kecepatan migrasi, dan kecepatan transfer antara dua stream pada kontak yangkontinyu. Kecepatan perpindahan ini dikalikan dengan waktu kontak menghasilkan pernyataan

jumlah perpindahan. Kebanyakan unit operasi dapat dipelajari dalam kedua basis. Banyakdiantaranya dilakukan dalam peralatan kontak yang kontinyu dan kadang dalam peralatan stage.

3.4 Operasi stage.Model stage setimbang biasanya dipakai untuk operasi stage. Dua arus masuk stage dan

dua arus meninggalkan stage pad kondisi kesetimbangan. Pada Gambar 1.1 digambarkan duaaliran masuk (merkuri dan air) kontak secara kontinyu. Panas ditransfer secara kontinyu dari aruspanas ke arus dingin. Jika aliran panas dan dingin bercampur dengan baik dan diumpankan kesettler, aliran keluar akan mempunyai suhu yang sama dan suhu kesetimbangan dapat dihitungdengan neraca massa dan neraca panas.




3.5 Operasi kecepatan/rate operation Unit operasi yang melibatkan countinuons contact tergantung pada kecepatan transfer,

sehingga disebut rate operation. Perpindahan sejumlah besar material mengikuti pernyataanmatematika dasar sebagai fungsi gradien konsentrasi :

∂ Γ ∂ 2

Γ --- = ∂ -----∂ θ ∂x2

Dengan Γ = konsentrasi yang dipindahkan x = jarak terukur dalam arah perpindahanθ = waktu ∂ = konstanta propersional sistem

Dan persamaan di atas disebut diffusion equation.Pada kasus yang paling sederhana, kecepatan perpindahan harganya konstan dengan

waktu dan posisi dalam suatu sistem. Driving force dapat diasumsikan konstan dan terdistribusipada path dengan panjang dan area yang tetap. Sifat fisis dari path dianggap konstan agar nilaifaktor ∂ juga konstan. Kecepatan perpindahana dikenal dengan hukum ohm :

Driving force/unit distance

Rate of transport = ---------------------------------------Resitance/unit of path

Untuk rate operation, analisis kasus didasarkan pada driving force yang menyebabakan perubahan,waktu selama driving force bekerja, dan jumlah material saat bekerja. Persamaan difusi di atasmenyatakan konisi transient dari sejumlah sifat yang dipengaruhi driving force. Dibidang teknikkimia, massa, momentum dan energi termal merupakan tiga hal yang sering terlibat dalamfenomena perpindahan.

Pada semua kasus, konsentrasi menyatakan jumlah properti per unit volume fase yangdiproses. Jumlah yang dipindahkna dapat dinyatakan pada unit pengukuran absolut, seperti Britishthermal unit atau point mols.

3.6 Operasi unsteady state Persamaan difusi hanya dapat di aplikasikan pada perpindahan satu arah dan merupakanfungsi waktu, padahal perpindahan mungkin terjadi lebih dari satu arah. Penyelesaian menyeluruhmemerlukan keadaan batas dan interaksi variabel.

3.7 Perkembangan umum Pemahaman prinsip fisik sebuah operasi dan formulasi prinsip ke dalam pernyataan

matematika merupakan syarat pertama untuk pengaplikasikan prinsip-prinsip unit operasi.Permasalahan yang sama dapat didiskusikan dengan design engineer penentuan spesifikasiperalatan, operating engineer dalam pemeriksaan untuk kerja peralatan, atau engineer lain dalammelalukan perbaikan kualitas maupun kuantitas, sehingga penyelesaian matematika atau grafikuntuk mengetahui komposisi, jumlah suhu atau jumlah stage dapat dilakukan.

Proses terbaik dapat dirancang dengan basic kimia, kinetika dan termodinamika.

Perancangan alat melibatkan engineer dari berbagai disiplin ilmu tidak hanya chemical engineersaja. Obyek dalam engineering adalah akumulasi keuntungan dari operasi. Keuntungan terbesar,setelah semua cost dihitung memerlukan eksploitasi semua faktor teknik yang terlibat,hubunganantar manusia dalam tim produksi, pengetahuan yang akurat tentang jumlah produk yang dapatdijual untuk keuntungan maksimal.




Bab 2OPERASI STAGE

1. PENDAHULUANHampir semua proses kimia memerlukan pemisahan fase padat, cairan, gas menjadi

komponen-komponennya. Pemisahan semacam itu sering kali dilakukan dengan mempertemukanfase satu dengan fase yang lainnya. Dua fase yang terjadi kemudian dipisahkan dan diproses lebihlanjut. Bahan mentah, arus ‘intermediate’, hasil akhir sering kali dimurnikan dengan menggunakanproses pemisahan. Misalnya, dalam pembuatan ‘es kering’, karbon dioksida diambil dari campuranbersama udara dengan mempertemukan campuran gas itu dengan suatu cairan (seperti larutandiethanolamine) yang melarutkan karbon dioksida tetapi tidak memerlukan udara. Kemudiankarbon dioksida murni diperoleh kembali hanya dengan memanaskan larutan amin.

Istilah proses pemisahan meliputi unit operasi yang menyebabkan pemisahan komponen-komponen dengan perpindahan massa diantara fase-fase. Pemisahan seluruh fase, seperti dalampenyaringan, dpat juga diikutsertakan. Namun disini hanya akan dibicarakan operasi-operasi yangmenyebabkan terjadinya pemindahan komponen diantara fase-fase. Dalam proses pemilihan unitoperasi yang harus digunakan tergantung pada sifat-sifat fisis campuran yang akan dipisahkan.

Alat yang dipakai untuk operasi perpindahan massa tergantung pada fase-fase yang harusdiproses. Kadang kala, fase-fase itu berulang kali dipertemukan dan kemudian dipisahkan ketikalewat melalui alat itu.

Stage seimbang adalah model fisis yang digunakan untuk menganalisa operasi perpindahanmassa, dalm stage ini secara bergantian fase dipertemukan dan dipisahkan beberapa kali. Maka,istilah operasi stage menyatakan bahwa proses pemisahan yang dapat dilukiskan dengan modelstage seimbang.

Dalam alat jenis lain, dua fase secara terus menerus dipertemukan sedemikian hinggasejauh mana perpindahan massa terjadi sangat tergantung pada kecepatan perpindahan dan padwaktu kontak. Dalam hal ini, model fisis harus mencakup factor-faktor kecepatan perpindahanmassa dan waktu untuk kontak operasi perpindahan massa dianalisa dengan menggunakan modelcontinous contact.

Perhitungan dasar diperlukan untuk merancang alt bagi berbagai operasi stage didasarkan

pada konsep yang sama. Disini akan ditinjau konsep umum yang dipakai dalam perancanganproses pemisahan stage ganda. Jika macam-macam operasi stage berbeda, masing-masingdibicarakan tersendiri, tetapi bila mungkin operasi ditinjau sebagai satu kesatuan.

2. OPERASI PERPINDAHAN MASSA Bila dua fase yang mempunyai komposisi berbeda dikontakkan, dapat terjadi perpindahan

komposisis dari satu fase ke fase yang lainnay, dan juga sebaliknya. Ini merupakan dsra fisisoperasi perpindahan massa. Jika dua fase dibiarkan berkontak cukup lama, akan dicapai setimbang,dan tak akan terjadi perpindahan netto komponen-komponen diantara fase-fase itu. Kejadian yangpaling banyak dijumpai yaitu perpindahan massa dengan dua fase hanya sebagian saja melarutsempurna (bercampur sempurna), sehingga pad kesetimbangan masih ada dua fase dapatdipisahkan satu dari yang lain. Biasanya dua fase ini mempunyai komposisi yang berbeda dari satu

dengan lainnya dan juga berbeda dari komposisi-komposisi dua fase yang semula dikontakkan. Jadi jumlah relative komponen-komponen yang terpindahkan diantara fase-fase itu berbeda, sehinggadicapai pemisahan. Pada kondisi tertentu perulangan kontak dan pemisahan fase dapatmemberikan pemisahan komponen yang hampir sempurna. Komposisi-komposisi yang tak samapada fase kesetimbangan merupakan dasar fisis untuk proses pemisahan dengan menggunkn alatstage ganda seperti terlihat pada Gambar 2.1.

2.1 Proses pemisahan Bila dihadapkan kepda maslah pemisahan komponen-komponen dari suatu campuran

homogen, kita menggunkan perbedaan sebab zat penyusun campuran untuk mempengaruhipemisahan. Berbagai sifat kimia dan fisis dari zat penyususn campuran diselidiki untuk mengetahuikomponen-komponen itu, sebab semakin besar beda sifat-sifatnya lazimnya makin mudah danmakin ekonomis pemisahannya. Sudah tentu kita harus memikirkan factor-faktor lainnya untuk





sampai pada pemilihn proses pemishan, persyaratan tenaga, biaya dan ad tidaknya proses kimia,semuanya memberikan andil dalam menentukan proses pemisahan yang secara ekonomis palingmenarik.

Unit operasi bersangkut paut dengan proses pemisahan yang tergantung pda perbedaansifat-sifat fisis, bukan pada sifat kimia. Prosaes-proses semacam itu tergantung baik pada

perbedaan komposisi dari fase-fase pad kesetimbangan ataupun pad perbedan kecepatanperpindahan massa dari zat penyusun suatu campuran. Disini akan dibicarakan proses-prosespemisahan yang menggunakan ke dua dasar fisis tersebut, terutama dititik beratkan padapemisahan yang didasarkan pada perbedaan komposisi dari fase-fase yang setimbang.

2.1.1 DistilasiProses pemisahan yang paling banyak digunakan dalam industri kimia adalah distilasi. Unit

operasi ini disebut juga sebagi distilasi fraksional. Pemisahan zat didasrkan pada perbedaanvolatilitas. Dalam distilasi, fase uap berkontak dengan fase cair, dan massa dipindahkan baik dalamcairan ke uap maupun dari uap ke cairan. Umumnya cairan dan uap mengandung komponen yangsama tetapi berbeda jumlah relatifnya. Cairan pada titik didihnya dan uap setimbang dengannyapada titik embunnya. Massa secara serta merta dipindahkan dari cairan dengan penguapan dandari uap dengan pengembunan. Pengaruh neto adalah bertambahnya konsentrasi dari komponen

yang lebih volatile dalam uap dan bertambahnya komponen kurang volatile dalam cairan.Peguapan dan pengembunan melibatkan panas laten penguapan dari komponen-komponen,

maka dari itu pengaruh panas harus ditinjau dalam perhitungan distilasi. Dalam larutan ideal(seperti campuran benzene dan toluene), volatilitas dapat dihubungkan langsung dengan tekananuap komponen murni dari masing-masing komponen. Dalam larutan bukan ideal (seperti larutanetanol dan air), tak ada hubungan yang sederhana. Distilasi banyak digunakan untuk memisahkancampuran cairan menjadi komponen-komponen yang sedikit banyak murni. Karena distilasimelibatkan penguapan dan pengembunan campuran, maka diperlukan banyak tenaga.

Keuntungan besar daru distilasi yaitu tidak memerlukan komponen tambahan untukmempengaruhi pemisahan. Akan terlihat nanti bahwa banyak proses pemisahan komponen lainnya,yang kemudian harus dihilangkan dalam langkah pemisahan berikutnya. Suhu dan volume bahanyang didihkan tergantung pada tekanan. Mungkin digunakan tekanan tinggi untuk memperkecil

volume dan atau menaikkan suhu untuk mempermudah pengembunan, mungkin diperlukantekanan rendah untuk menurunkan titik didih dibawah titik dekomposisi thermal.Pengunaan distilasi sangat bermacam-macam. Oksigen murni, yang digunakan dalam

pembuatan baja, dan juga bidang kedokteran, dibuat dengan mendistilasi udara yang telahdicairkan. Minyak bumi mentah mula-mula dipisahkn menjadi fraksi-fraksi (seperti gas ringan,nafta, bensin, kerosin, minyak bakar, minyak pelumas dan aspal). Dalam kolom distilasi denganukuran besar. Fraksi-fraksi ini kemudian diproses lebih lanjut menjadi hasil akhir, dan distilasidigunakan dalam tahapan intermediet pengolahan hasil akhir. Distilasi lebih sering dilakukan dalammultistage equipment; continous-contact equipment juga digunakan.

2.1.2 Absorpsi dan Desorpsi Gas

Absorbsi gas melibatkan perpindahan komponen gas yang dapat larut ke dalam absorben cairyang tidak volatile. Desorpsi adalah kebalikannya, pemindahan sebuah komponen didalam cairan

yang dikontakkan dalam gas.Pada kasus absorbsi gas yang paling sederhana, tidak satu pun dari absorben cair menguap,

dan gas terdiri dari satu komponen yang dapat larut. Sebagai contoh ammonia diserap daricampuran udara-ammonia dengan cara mengkontakkan gas dengan air pada temperatur kamar. Ammonia dapat larut dalam air, tetapi udara hampir tidak larut. Air tidak menguap cukup banyakpada suhu kamar. Sebagai hasil, perpindahan massa hanya pada ammonia dari fase gas ke fasecair. Konsentrasi ammonia di fase cair meningkat sampai kadar ammonia terlarut di fase cairsetimbang dengan konsentrasi ammonia di fase gas biasanya tidak terdiri dari komponen yangsama. Pengaruh panas dalam absorpsi timbul karena panas larutan dari gas yang terabsorpsi.Berlainan dengan panas penguapan dan pengembunan yang terlibat dalam distilasi.




Absorpsi melibatkan penmbahan komponen pada system (yaitu,absorpsi cair). Kebanyakan,solute harus diambil dari absorben. Pengambilan ini mungkin memerlukan kolom distilasi, desorberatau proses pemisahan lainnya.

Desorpsi atau stripping adalah kebalikan dari absorpsi. Dalam desorpsi ini gas yang dapat larutdipindahkan dari cairan ke fase gas, sebab konsentrasi dalan cairan lebih besar dari pada yang ada

dalam keadaan yang setimbang dengan gas. Misalnya ammonia dapat di “strip” dari larutan dalamair dengan menggelembungan udara segar melewati larutan itu. Udara yang masuk tidakmengandung ammonia sedang dalam cairan ada ammonianya, jadi perpindahan berlangsung daricairan ke gas.

Absorpsi dan stripping banyak digunakan dalam industri kimia. Asam hidro chloride dibuatdengan absorpsi gas hidro choride dalam air, fermentasi aerobic Lumpur dalam saluran buanganmemerlukan absorpsi udara. Karbonasi minuman segar dengan absorpsi karbon dioksida, desporsiterjadi jika botol dibuka dan tekanan berkurang. Baik absorpsi maupun “stripping” dilakukan dalmalat continous-contact.

2.1.3 Ekstraksi Cair-CairKadang campuran cairan dapat dipisahkan dengan mengontakkna dengan cairan pelarut ke

dua. Komponen-komponen dari campuran dapat larut bermacam-macam dalam cairn pelarut.

Idealnya komponen yang harus diekstraksi dapat larut dalam pelarut dan komponen-komponenlainnya tidak dapat larut. Jadi solute merupakan satu-satunya komponen yang dapat dipindahkandari campuran semula ke fase pelarut. Campuran pelarut menjadi ekstrak karena telah mengambilsolute. Dalam praktek, semua komponen kiranya dapat larut, dan pemisahan hanya mungkin bilakelarutannya cukup berbeda. Banyak dijumpai, komponen yang tidak terekstraksi harus tidak larutsupaya menghasilkan dua fase yang dapat dipisahkan.

Ekstraksi cair-cair juga disebut ekstraksi (memakai) pelarut. Dasar-dasarnya sebagai berikutdengan mengambil contoh sistem tiga komponen : satu solute, satu pelarut, dan pelarut kedua.Contoh disini disederhanakan sekali dan akan dijelaskan lanjut nanti. Pemisahan satu komponendari larutan homogen dilakukan dengan menambahkan zat lain yang tak dapat larut, pelarut, dandalam pelarut ini zat yang diinginkan dari larutan, solute, akan cenderung larut, dan akan mendifusikedalam pelarut itu dengan kecepatan tertentu sampai dalam masing-masing fase solute mencapai

kesetimbangan. Misalnya, asam asetat dapat dipisahkan dari larutan air dengan mengkontakkandengan pelarut isopropyl ether. Walaupun air sedikit larut dalam ether tetapi merupakan komponenrafinat tak terekstraksi yang utama.

Ekstraksi memakai pelarut dipakai untuk menghilangkan komponen-komponen yang tidakdiinginkan dari minyak pelumas dan fraksi-fraksi minyak mentah lainnya, untuk memisahkanniobium dari tantalum, untuk membuat asam posphat pekat dan untuk keperluan-keperluan yangbanyak sekali. Dipakai baik alat stage ganda maupun alat kontak kontinyu. Kebanyakan masih perlumemisahkan ekstrak yang diperoleh menjadi komponen-komponennya.

2.1.4 Ekstraksi Cair-PadatKomponen-komponen dari suatu fase padat dapat dipisahkan dengan secara selektif

melarutkan bagian dari zat padat itu yang dapat larut memakai pelarut yang cocok. Operasi ini jugadisebut leaching atau washing. Zat padat itu harus dihancurkan sampai halus sehingga pelarut cair

dapat kontak dengan semuanya. Biasanya komponen yang diinginkan dapat larut, dan sissanya darizat padat tidak dapat larut. Kemudian solute harus diambil kembali dari larutan ekstrak dalamtahap pemisahan selanjutnya.

Contoh sehari-hari dari ekstraksi cair-padat adalah membuat minuman kopi. Disini zat dalamtepung kopi yang dapat larut dipisahkan dari sisanya dengan melarutkanya dalam air panas. Jikadibiarkan cukup lama, larutan kopi akan mencapai kesetimbangan dengan sisa zat padat. Larutanyang terjadi dipisahkan dari sisa tepung kopi.

Ekstraksi cair-padat juga digunakan dalam industri dalam pembuatan kopi”instant” yaitumengambil kembali kopi yang larut. Pemakaian dalam industri lainnya yaitu ekstraksi minyak darikacang dengan menggunakan hexan sebagai pelarut dan pengambilan kembali uranium dari bijihmutu rendah dengan ekstraksi memakai asam sulfat atau larutan karbonat natrium. Karena salah




satu fase adalah padat yang tak dapt mengalir seperti fluid, maka diperlukan alat khusus untukekstraksi cair-padat.

2.1.5 Adsorbsi Adsorpsi adalah proses perpindahan zat dari suatu fluid kepermukaan suatu fase padat. Supaya

pemisahan sempurna, zat yang teradsorpsi harus diambil dari zat padat, fase fluid dapat gasmaupun cairan. Jika beberapa zat teradsorpsi, sering kali dapat juga memisahkan menjadikomponen-komponen yang relatif murni.

Banyak adsorben berupa adsorben padat. Istilah adsorben biasanya digunakan bagi zat padatyang menyerap solute dipermukaannya dengan physical force, misalnya adsorpsi uap organikdengan arang. Fraksi-fraksi lebih ringan dari gas akan dipisahkan dengan menggunakan bedadsorben yang bergerak. Kebanyakan proses industri lainnya mengunakan “fixed bed” dan proses “batch” atau siklis bukannya alat stage ganda sebab sulit mengerakkan zat padat.

Ayakan molekul adalaah adsorben khusus yang dapat digunakaan untuk memisahkancampuran karena perbedaan ukuran molekul, polaritas atau kejenuhan ikatan karbon. Misalnyamolekul air relatif kecil sangat polar, jadi cenderung lebih teradsorpsi oleh adsorben ayakanmolekul. Jadi adsorben-adsorben ini berguna dalam mengeringkan gas dan cairan. Ayakan molekuldigunakan untuk memisahkan prafui nermal dari arus hidrokarbon dalam kilang minyak untuk

membuat “detergen biodegradable”. Yang sangat erat kaitannya dengan adsorpsi adalah proses pemisahan yang menahan solute

dalam zat padat dengan berbagai cara. Salah satu proses itu adalah ion exchange. Dalam proses inisolute ditahan karena reaksi kimia dengan dammar padat ion exchange. Dalam proses ini, ion-iondalam larutan dapat diambil dengan proses ini. Banyak digunakan untuk membuat air yang sangatmurni. Pemakaian lainnya adalah mengambil kembali antibiotika dari kaldu fermentasi danpemisahan unsur-unsur tahan yang jarang ada.

Clathration adalah gejala fisis yang telah dipakai untuk memisahkan campuran berdasarkanbangun molekul. Senyawa clathration adalah gejala fisis yang telah dipakai untuk memisahkancampuran berdasarkan bangun molekul. Senyawa clathrate padat menarik dan menahan molekul-molekul yang bangunya tertentu. Misalnya proses industri yang memisahkan paraxylen dari meta-xylene dengan menjebak para xylene dalam senyawa clathrate. Kedua senyawa ini mempunyaim

sifat fisis dan kimia yang hampir sama sehingga tidak dapat dipakai proses pemisahan secarakonvensional. Senyawa clathrate dapat dianggap sebagai adsorben jenis khusus.Damar ion-change , ayakan molekul dan senyawa clathrate merupakan senyawa relatif mahal

dibandingkan dengan adsorben konvensional seperti arang dan gas silika. Maka adsorben khususdigunakan dalam pemisahan dan tak dapat di lakukan dengan cara-cara konvensional. Prosespemisahan khusus ini dilakukan dengan proses “batch” dalam fixed-bed adsorber, bukannya dalamalat stage dan aliran kontinu.

Operasi perpindahan massa yang melibatkan perpindahan ke fase padat kadang kala disebutsorption prosess , termasuk juga semua jenis gaya-gaya tarik zat padat.

Campuran beberapa solute yang dapat diadsorpsi dapat dipisahkan dengan menggunakan fixedbed dari adsorben,mula-mula sedikit campuran diumpankan ke bed, dalam bed ini diadsopsisempurna dekat saluran masuk. Kemudian saluran kontinu dari pelarut dilakukan lewat bed.Sebagian campuran solute didesorpsi dan keluar bersama pelarut. Kecepatan dari masing-masing

solute yang melewati bed tergantung pada adsorpsi ketimbangan pada zat padat.jika suatukomponen terlalu berat tertarik oleh adsorbent akan pelan-pelan melewati bed, sedangkankomponen yang tk erat melekat bergerak cepat melewati dan meninggalkan bed. Jadi komponen-komponen mengalir meninggalkan bed pada waktu yang berbeda-beda dan dengan demikian dapatterpisah. Proses pemisahan ini disebut Chromatografi. Pemisahan secara chromatografi banyakdigunakan untuk analisis kimia dengan sampel kecil. Penggunaan besar-besaran dalam industriterbatas. Pemisahan unsure tanh yang jarang secra ion exchange tersebut diatas merupakancontoh pemisahan secara chromatografi.

2.1.6 Pemisahan dengan membraneBeberapa proses pemisahan melibatkan perpindahan massa melalui membran plastis tipis

walaupun operasi ini penggunakannya relative terbatas, tapi menunjukkan harapan untuk masalah




pemisahan yang khusus. Teori tentang pemisahan dengan membrane tidak ditinjau sepenuhnyatapi sebagai gambaran, pemisahan ini dianggap ada hubungannya dengan ukuran molekul.Molekul-molekul yang kecil mudah lewat melalui pori-pori yang kecil dari membrane. Jadi, jikadigunakan gaya dorong untuk mendorong molekul-mplekul melewati membrane molekul-molekulsecara selektip akan terpisah. Ada juga molekul-molekul yang besar melewati membrane, jadi

pemisahan tidak sempurna.Dialysis adalah proses pemisahan dengan massa dipindahkan melintasi membrane karena gaya

dorong gradien konsentrasi. Dalam industri hidroksida natrium dipisahkan dari larutan air memakaiselusosehemi dalam pembuatan rayau viskus. Larutan mengalir melewati salah sisi membrane danair murni mengalir pada sisi lainnya dari membrane. Hidroksida natrium didorong melewatimembrane karena perpindahan konsentrasi diantara larutan dan air murni, tetapi semiselulosadalam suspensi koloid dalam larutan dan terlalu besar untuk lewat melalui pori-pori membrane.Dialysis juga dipakai untuk mengambil kembali asam sulfat dari pemurnian tembaga yaitu daricairan buangan dan dalam pemurnian darah dalam ginjal tiruan.

Elektrodialysis memakai beda potensial listrik sebagai gaya dorong untuk ion-ion dalam larutanion positif lewat melalui membran tertentu ketika ditarik keterminal negatif, dan ion-ion negatifbergerak kearah yang berlawanan melalui membrane keterminal positif. Dengan cara ini, baik ionpositif maupun negatif dapat diambil. Elektrodialysis dipakai untuk mengambil kembali asam

buangan dan menghilangkan garam dalam air sumur yang masin. Dapat juga digunakan dalampemurnian air laut jika biaya membrane dan tenaga dapat diperkecil.

Dialysis dan elektrodialisis keduanya melibatkan perpindahan massa melintasi suatu membranedari satu fase ke fase kedua. Kedua fase sama sekali tak saling melarut, jadi membrane jugaberpindah mencegah kedua fase bercampur.

Proses pemisahan membrane yang akhir-akhir ini dikembangkan menggunakan beda tekananuntuk memaksa molekul-molekul pelarut melalui melewati membrane, sedangkan molekul molekulsolute tertinggal. Proses ini tidak melibatkan perpindahan massa antara fase-fase. Lebih miripdengan penyaringan yaitu zarah-zarah padat yang tersuspensi dipisahkan dari caiaran denganmemaksa campuran lewat melalui medium saringan porus sehingga cairan lewat melalui saringandan zat padatnya tertahan. Pemakaian membrane dapat juga berpindah sebagai penyaring larutanhomogen yang tak dapat dipisahkan dengan saringan biasa. Berdasarkan hal ini prose itu disebut

ultra filtrasi. Tekanan yang harus lebih besar dari tekanan osmose kadng kala proses itu disebutproses reverse osmosis. Disamping molekul-molekul yang besar, gara ion-ion ionik dengan berat molekul kecil dapat

dipisahkan jika dipakai membrane ionik yang cocok. Muatan membrane bertindak mencegahlewatnya ion-ion bermuatan, sehingga hanya pelarut yang dapat lewat. Kebalikan osmosedigunakan untuk mengambil air murni dari air laut secara besar-besaran.

Difusi gas adalaah proses pemisahan yang mirip dengan ultra filtrasi, walaupun mekanisme fisisberbeda. Dalam difusi gas dan campuran gas dipaksa melalui sekat logam yang porous. Komponengas dengan berat molekul kecil mengalir lebih cepat sehingga gas diseberang sekat lebih kayaakan komponen itu. Hanya fraksi gas yang mengalir pada sekat yang lewat misalnya yang takmengandung lagi komponen yang ringan, diambil untuk proses selanjutnya. Biaya tenaga untukkompresi gas sangat tinggi, sehingga difusi gas hanya salah satu pilihan dalam industri :pemisahan uranium-235 dari uranium-238. berjuta-juta dolar untuk difusi gas dalam pemisahan ini

untuk menghasilkan U-235 yang sudah diperkaya bagi bahan baker reactor nuklir.

2.1.7 Proses pemisahan lainnyaBeberapa operasi penting yang melibatkan pemisahan komponen-komponen dari

campuran, tetapi operasinya tidak seperti proses pemisahan biasa, dapat dikelompokkan menjadi :Penguapan/evaporation , kristalissasi/crystallization dan pengeringan/drying melibatkan

perpindahan massa dan panas secara simultan. Dalam penguapan larutan cair dipekatkan denganpenguapan sebatgai pelarutnya. Keperluan panas banyak sebab panas laten dari penguapanpelarut harus disediakan. Penguapan banyak dipakai di industri jika harus memekatkan larutan.Misalnya distilasi air laut adalah proses penguapan untuk memperoleh air yang dapat diminum.

Jika suatu larutan diuapkan sampai jenuh dengan solute, penguapan atau pendinginanselanjutnya menghasilkan endapan kristal padat. Ini merupakan dasar fisis untuk kristalisasi, yaitu




unit operasi yang dipakai untuk memisahkan solut dari larutan. Kristalisasi dalam industridigunakan untuk membuat garam-garam anorganik. Kristalisssasi dapat juga digunakan untukmemisahkan campuran garam dengan kristalisasifraksional.

Pengeringan/drying . Memisahkan cairan dari zat padat dengan menguapkan cairan itu.Dehumidifikasi/dehumidification memisahkan komponen uap dari fase gas dengan

mendinginkan gas sampai uap mengembun.Campuran fase ganda dapat dipisahkan menjadi dua atau lebih fraksi dengan berbagai

operasi. Dalam hal ini, campuran fase harus heterogen ; yaitu fase-fase harus secara fisis berbedasatu sama lain, sekatpun sangat halus dan bercampur akarap. Campuran zarah-zarah zat padatdipisahkan menjadi macam kelompok ukuran dengan sceening, elutriation jigging atauclassification. Zarah-zarah zat padat dapat dipisahkan dari cairan dengan filtrasi, centrifugasi atausedimentasi. Fase-fase cairan yang tak dapat saling melarut juga dapat dipisahkan dengansentrifugasi, seperti dalam pemisahan cream zat padat dapat disahkan dari gas atau cairan dancairan-cairan daapat dipisahkan daari gas dengan alat pemisah siklon. Operasi pemisahan ini tidakmelibatkan perpindahan massa seperti istilah yang didefinisikan diatas, maka dari itu, operasi itubukan perpindahan massa. Komponen-kompnennya secara fisis sudah berbeda, sehinggadiperlukan cara mekanis bukan perpindaahan massa untuk memisahkannya. Operasi pemisahanmekanis yang disebut disini untuk menunjukkan betapa banyak ragamnya prinsip secara fisis untuk

pemisahan.

3. KONSEP STAGEstage dapat didefinisikan sebagai unit suatu alat, dan dalam unit alat ini ada dua fase yang

tak sama dikontakan, kemudian secara mekanis dipisahkan. Selama kontak berbagai komponenyang mendifusi terdistribusi diantara fase-fase itu. Dua fase yang terjadi dalam keadaansetimbang, karena itu mempunyai komposisi yang berbeda dari fase-fase semula. Denganpemisahan dan kontak yang berturut-turut dari fase yang tak sama (operasi stage ganda), dapatterjadi perubahan besar dalam komposisi-komposisi fase-fase itu. Dalam stage setimbang dua fasetercampur baik selama waktu secukupnya sehingga dimungkinkan trjadinya kesetimbangan

termodinamis diantara fase-fase yang meninggalkan stage. Pada kesetimbangan tak terjadiperubahan dalam komposisi dari fase-fase itu pada kondisi operasi tertentu. Dalam alat industrisebenarnya, tidaklah menguntungkan membiarkan kontaknya fase cukup lama sampai dicapaikesetimbangan. Maka daaari itu stage sebenarnya tidak melaksanakan perubahan komposisisebesar seperti oleh stage setimbang. Efisiensi stage didefinisikan sebagai perbandingan dariperubahan komposisi dalam stage sebenarnya terhadap perubahan komposisi dalam stagesetimbang. Efisiensi stage untuk alat industri berkisar antara beberapa persen sampai 100 persen.Karena stage setimbang memberikan kemungkinan perubahan komposisi terbesar untukseperangkat kondisi operasi tertentu, maka stage setimbang juga disebut stage ideal atau teoritis.Sekalipun kondisi kesetimbang jarang diperoleh dalam alat sebenarnya, stage setimbangmerupakan smodelfisis yang bermanfaat dalam analisis operasi stage. Sebagai mana sering terjadidalam teknik kimia, model fisis merupakan versi yang diidealkan dari unit yang sebenarnya.

Persyaratan alat yang diperhitungkan untuk operasi-operasi stage ganda dalam industri

biasanya terdiri dari penentuan jumlah stage setimbang disertai efisiensi stage untuk memperoleh jumlah stage sebenarnya yang diperlukan. Efisiensi stage merupakan “faktor korekso” untukmenerapkan model fisis dari suatu stage setimbang di dalam penggunaan praktek dari alat industri.Efisiensi stage tergantung pada kecepatan perpindahan massa dan pada waktu dan luas kontakdalam satu stage. Faktor-faktor ini merupakan fungsi komplek dari gelombang stage dan kecepatanair dari fase-fase.

4. ALAT UNTUK OPERASI STAGE Alat untuk operasi stage sangat banyak macamnya dan ukurannya dan konstruksi

terincinya, tetapi terdapat banyak kesamaan dasarnya. Umumnya, setiap stage dari alatmencampur dua fase terus menerus sehingga bahan dapat dipindahkan sepat mungkin dari fase




satu ke fase lainnya. Kemudian setiap stage harus memisahkan dua fase yang terjadi sesempurnamungkin danmeneruskan ke stage berikutnya. Ada alat industri yang terjadi dari satu stage tetapilebih banyak terdiri dari unit-unit stage ganda memungkinkan perubahan komposisi lebih besar daridua fase itu dari pada fase yang diberikan oleh satu stage.

Alat untuk mencampur dan memisahkan dua fase tergantung pada sifat-sifat fase-fase itu

sendiri. Andaikan fase L adalah cairan atau zat pada halus atau; fase V adalah gas, uap atau cairan,tergantung pada proses pemisahannya. Gas dan cairan mudah mengalir dari satu stage kestagelainnya, tetapi zai padat sukardipindahkan. Berdasarkan hal ini operasi stage yang melibakangerakkan zat padat berlawanan arah dengan fase fluid kurang lazimdilakukan, zat padat yangsangat halus dapat dialirkan seperti fluid, jadi campuran ini digunkan untuk mengarah zat padat. Ada kalanya zat harus di pindahkan secara mekanis dari srage ke stage lain.

Dari segi ekonomi, stage harus melaksanakan kontak dan pemisahan sesederhan mungkin.Misalnya, gaya grafitasi digunakan untuk memisahkan fase dan dorongan untuk mengalir, mengalir,menghindari keperluan alat yang mahal seperti pompa atau sentrifuge. Namun ada kalanyapemisahan sulit, mau tidak mau diperlukan alat yang mahal.

5. MENGKONTAKKAN CAIRAN-GASPerbedaan besar dalam dalam densitas gas dan cairan menyebabkan pemisahan fase-fase

itu relatife mudah. Dua fase dapat dicampur dengan menggelembungkan gas ke dalam cairan.Gelembung-gelembung gas terpisah dari cairan masuk ke bdalam fae gas bila gelembung-gelembung itu mencapai permukaan cairan. Stage dibangun dalam suatu kolom tegak sehinggacairan dapat mengalir kebawah karena grafitasi, dari stage ke stage lainnya. Gas mengalir ke ataskarena beda tekanan yang dijaga tetap dengan suatu kompresor atau blower atau dengan boiler.Stage-stage sebenarnya dalam kolom tegak disebut plat-plat dan talam-talam.

Plate-plate banyak ragamnya; hanya beberapa saja yang akan ditinjau. Plate bubble capselama bertahun-tahun telah banyak dipakai untuk kolom absorpsi. Buble cap (Gb.2-2) dirancanguntuk mendispersi fase gas menjadi gelembung-gelembung halus dalam cairan, juga mencegahcairan jangan mengalir ke bawah melalui lintasan gas pada kecepatan gas yang kecil. Buble capdibuat dengan ukuran dan bentuk yang bermacam-macam.

Pola aliran dalam kolom buble cap dapat dilihat pada Gb.2-3. dalam kolom ini cairan

mengalir melintasi plat dan masuk ke dalam down comer ke plate dibawahnya. Gas mengalir keatas melalui buble cap ke dalam cairan. Gb.2-3 merupakan bagan sederhana dari kolom buble cap.Plate buble cap sebenarnya dapat dilihat pada Gb.2-4. kolom buble cap dapat dioperasikan untukbatas kecepatan alir fase luas dengan efisiensi stage tinggi. Sedikit cairan dapat menembus(bocor) melalui lintasan gas, dan tinggi cairan pada masing-masing talang talang dapat diatur tetapseperti yang diinginkan. Jadi kontak cairan-gas berlangsung baik pada batas kecepatan alir yangluas, sehingga memungkinkan deperoleh efisiensi yang relative konstan. Karena bubble caprelative mahal, maka terdesak oleh jenis-jenis tray baru.

Perforated plate , pada akhir-akhir ini menjadi terkenal kesederhanaannya dan murahharganya. Jenis plate berulang paling banyak dijumpai adalah sieve tray seperti pada Gb.2-6.sieve tray adalah plate logam yang berlubang banyak. Lubangnya biasanya berdiameter 1/5sampai ½ inci. Cairan mengalir kebawah dan gelembung gas mengalir ke atas melalui lubang-lubang. Gas pada kecepatan tinggi mencegah cairan mengalir melalui lubang-lubang, tetapi pada

kecepatan aliran gas yang kecil dapat terjadi kebocoran atau weeping ini dapat mengurangiefidiensi stage dengan menyolok. Ini merupakan keterbatasan sieve tray yang harus dipikirkanbetul-betul dalam perancangan.

Perkembanhgan pervaporated plate pada akhir-akhir ini ialah dengan munculnya valve tray .Lubang-lubang dalam valve tray ditutupi oleh penutup yang dapat terangkat, lihat Gb.2-7. penutupterangkat ketika gas mengalir ke atas melalui lubang, dan akan jatuh menutupi lubang lagi jikakecepatan gas berkurang. Dengan cara ini sangat mengurangi weeping pada kecepatan gasrendah. Disamping itu penutup-penutup mengarahkan aliran gas mendatar ke dalam cairansehingga memberikan pencampuran yang lebih besar dari pada sieve tray . Lubang –lubang dalamwalve tray sering kali lebih besar dibanding denga lubang-lubang dalam sieve tray kira-kira sebesar1 ½ inci diameternya. Kolom valve tray dengan aliran cross-flow dapat dioperasi pada batas-bataskecepatan air yang lebih luas dari pada bats-batas untuk valve tray . Harganya terletak antara




harga-harga sieve tray dan talam bulbe cap. Efisiensi stage tingi dan hampir konstan pada batas-batas kecepatan gas yang luas. Sieve tray dan valve tray telah menggantikan pemakaian bulbe cap pada beberapa industri.

Perancangan alat pengkontak cair gas melibatkat masalah yang komplek dalam mekanikafluida. Disini akan dibicarakan secara garis besarnya dan secara singkat tentang masalah-masalh

itu. Tugas utama tray adalah mengkontakkan gas dan cairan. Ruang diatas tray hendak diisidengan campuran cairan-gas, juga harus ada ruang/tempat untuk berpisahnya dua fase.

Diameter tray ditentukan oleh volume fase gas yang lewat keatas melalui menara.Kecepatan gas yang besar melalui tray harus dihindari sebab menghasilkan pressure drop fase gasyang tinggi memerlukan jarak antar tray yang besar untuk hydraulic head yang diperlukan supayacairan dapat mengalir kebawah dari tray ke tray . Presure drop fase harus rendah dalam kolom-kolom yang bekerja pada keadaan vakum. Aliran cairan menyilang/across tray harus memberikankedalaman yang cukup (tinggi tray ) supaya dapat melingkupi volume gas secukupnya padasemua kecepatan gas. Hal inimemerlukan pola aliran yang komplek dengan beberapa salurankeluar pada tray yang besar. Gb. 2-9, memperlihatkan valve tray dengan aliran terbagi/split flowdam Gb. 2-10 memperlihatkan terracing pada tray 40-ft yang diperlukan untuk menjaga supayakedalaman cairan seragam. Kedalaman airan di atur oleh kecepatan airan dan tinggi ruangkeluar/weir. Presure drop fase gas juga tergantung pada tingi cairan diatas ruang gas. Maka dari itu

tinggi cairan harus cukup melingkupi volume gas tetapi tidak boleh lebih sebab dapat menyebutkanpressure drop yang tak semestinya.

Entraiment , adalah fae gas ke palte atas. Hal ini tak diinginkan sebab akan menurunkansecara efektif efisiensi stage. Entrainment terjadi pada kecepatan alir gas yang tinggi , sehinggadiameterkolom harus diatur supuaya kecepatan gas (untuk pungutan langsung massa tertentu)akan mengurangi entrainmeint . Disamping itu, entrainment menurunkan efisiesi stage, sehinggadiperlukan stage tembahn supaya menghasilkan pemisahan terteuntu. Mencegah entrainment dapat memerlukan suatu kolom yang berdiameter besar. Maka dari itu perlu dilakukanperhitungan ekonomi diantaaara jumlah tray dan diameter kolom bila menentukan sejauh manaentrainment akan kikurangi dihilangkan. Walaupun buih diatas plate memberikan luas permukaancairan-gas yangt besar dan menghasilkan kecepatan perpindahan massa yang tinggi, pembuihanyang berlegihan dapat memenuhi ruang diantara tray dan menghasilkan terlalu banyak

entrainment.Flooding trjadi bila entrainment yang berlebihan atau bila berlebihan cairan yang kembalikeatas dalam down comer . Flooding terjadi bila cairan terlalu banyak atau gas terlalu banyakmelewati kolom. Mencegah flooding adalah factor utama dalam memilih diameter kolom. Jarakantar kolom harus cukup supaya ada ruang diatas olakan cairan sehingga entrainment dapatdiperkecil. Dalam kolom-kolom yang besar jarak antar tray paling sedikit harus 2 ft supaya orangdapat merangkak diantara tray-tray . Makin besar jarak antar tray makin tinggi menaranya dengansendirinya harganya makin mahal. Sekali lagi, perlu dibuat evaluasi ekonomi antara jarak antaratray dan entrainment . Makin pendek jarak antar tray makin pendek kolom dan makain murahtetapi dapat menimbulkan entrainment yang mendorong untuk menambah jumlah tray , tinggikolom.

Dalam sieve tray ukuran dan jumlah lubang harus benar-benar dipilih. Makin besarlubangnya akan memberikan pressure drop rendah, tetapi disperse gas jelek. Luas total lubang

yang besar memberikan pressure drop rendah tetapi juga kecepatan gas rendah yang dapatmenyebabkan weeping/kebocoran yang berlebihan.

6. MENGKONTAKKAN CAIRAN-CAIRAN.Dalam ekstraksi memakai pelarut, dua cairan yang tak saling larut sempurna harus

dicampur terus menerus dan kemudian dipisahkan. Dalam kontak cairan- gas perbedaan densitasyang besar diantara dua fase itu memungkinkan menggunakan gaya grafitasi untuk mendorongmengalir dan mendispersikan gas dalam cairan, tetapi dalam ekstraksi, perbedaan densitas keduafase adalah kecil, sehingga grafitasi jauh lebih kecil pengaruhnya untuk disfersi fase. Bubble cap dan valve tray tidak dipakai untuk ekstraksi cir-cair karena cairan berdasar gravitas tidakmembeikan disperse fase secukupnya. Fase yang lebih ringan yang mengalir ke atas melalui traytidak bisa menjadi gelembung-gelembung yang cukup halus ketika melewati buble cap.




Sieve tray dengan down comer, banyak dipakai untuk mengkontakkan cairan, walaupunkonstruksi kolom berbeda dari alat kontak cair-gas. Baik dalam cairan ringan maupun beratmungkin dapat didispersi. Supaya diperoleh disferensi yang baik pada talam ayakan, cairan yangtidak membasahi tray hendaknya yang didispersi. Cairan yang lebih membasahi tray hendaknyamerupakan fase yang kontinu. Dengan cara ini, fase terdisperse terpisahkan segera dari tray

memberikan gelembung-gelembung kecil. Kolom khusus dengan fase ringan terdisversi dapatdilihat pada Gb. 2-11a. Kolom ini mirip kolom sieve tray cair –gas, denga cairan ringan analogdengan gas. Kolom dengan cairan berat ter disperse (Gb. 2-11b.) pada dasrnya merupakan kolomkebalikan kolom fase ringan terdipersi. Domn comer melewatkan fase ringan keatas, dan fase beratterdispersi dibawah setiap tray. Lubang-lubang dalam tray ayakan berlisar dari 1/8 sampai ¼ incidiameternya jumlah lubang dalam satu tray ditetntukan oleh keceptan alir total daro faseterdispersi. Untuk divperse yang memadai, cairan mempunyai kecepatan yang cukup ketika lewatmelalui lubang-lubang. Ketinggian cairan diatas tray ditentukan oleh tekanan yang diperlukansupuya diperoleh kecepatan alir yang diingikan dapat melalui lubang-lubang . Misalnya, Gb. 2-11b,ketinggian fase berat diatas talam cukup dapat mendorong fase melalui lubang-lubang padakecepatan yang diperlukan supaya disperse baik. Luas down comer dipilih supaya kecepatan alirfase kontinu cukup rendah untuk mencegah tetes-tetes fase terdispersi terbawa melalui downcomer . Gb. 2.1 memperlihatkan dua kolom ekstraksi stage ganda yang besar.

Alat pencampur mekanis digunakan untuk mendispersi fase-fase lebih gigih dari pada yangdimungkinkan dalam kolom dalam ayakan. Setelah pencampuaran, campuran dua fase dilewatkantanki settling, disini fase-fase itu dibiarkan terpisah secara “grafiti settling”. Unit-unit ini disebutmixer-settler. Bagian dari mixer-settler terlihat pada Gb. 2-12a. Mixeer-settl er digunakan secarabederet memberikan pemisahan stage ganda (Gb.2.12b).Derajat pemisahan adalah variabel bebas yang dapat diubah dengan mengubah kecepatan danbangun impeller. Walaupun dinginkan pencampuran yang baik, namun dapat terbentuk emulsi yangtak dapat dipisahkan dengan grafiti settling jika pencmpurannya terlalu kuat. Ukuran tanki settler ditentukan oleh kecepatan alir dan kecepatan terendapnya fase terdispersi. Jika densitas fasehampir-hampir sama, settling sangat lambat sehingga diperlukan centrifuge. Perlu diketahui bahwacentrifuge memberikan gaya centrifugal jauh lebih besar dari pada gaya grifitasi. Emulsi dapat jugadipisahkan dalam centrifuge.

Beberapa model alairan telah digunakan dalam mixer-settler. Stage dapat disusun tegakuntuk aliran garafitasi dari kedua fase. Gb. 2. 12b, dapat digunakan untuk aliran grafitasi denganunit-unit yang terlalu besar disusun tegak. Susunan mendatar memerlukan pemompaan salah satuatau kedua fase. Mixer-settler dengan pompa (Gb.12) menggunakan impeller baik untukmencampur maupun untuk mendorong aliran dari stage. Mixer-settler terkenal karenapencampuran yang sempurna memberikan efisiensi cukup tinggi (90-100 %). Akan tetapi,penggunaan pompa yang digerakkan oleh motor dan tanki settling menaikkan harga persstage, biladibandingkan dengan sieve tray.

7. MENGONTAKKAN CAIR-PADATKontaknya zat pada butiran dengan suatu cairan atau gas dalam system stage ganda

kontinu menjadi rumit oleh masalah transportasi fase padat dari stage ke stage. Zat padat dapatdigerakkan dalam basket-basker seperti terlihat pada Gb. 2.14. Pada aliran yang terjadi adalah

dalan stage-stage tetapi berlawanan arah hanya dalam separu system. Zat padat yang dihaluskanmengalir seperti fluida pada kondisi tertentu. Umumnya hal ini melibatkan gas atau cairan yangmengalir melalui zat padat sampai fluida padat itu ter fuidisasi. Dasar dari zat padat terfluidisasitelah dipakai untuk merancang sejulmlah alat pengkontak cairan-padat. Adsorber slaka besar dalamindustri menggunakan adsorben gas-fluidized sebanyak lima stage dapat dilihat pada Gb. 2.15.untuk pemisahan padat-cair secara besar-besaran seperti yang terjadi dalam memproses bijihlogam, digunakan thickener. Zat padat dilewatkan stage sebagai luluhan/slurry dengan air.




BAB 3KAIDAH FASE

1. PENDAHULUANSebagaimana telah dibicarakan dimuka bahwa pemilihan operasi perpindahan massa yang

digunakan untuk memisahkan campuran multi komponen, tergantung faktor-faktor kelayakanoperasi, penerapan tepri kimia fisika dan ekonomi. Ukuran yang diinginkan dari unit opersi dandemikian biaya dan dapat tidaknya beroperasi dapat dihitung dari pengertahua/keetrangan tentangbatas-batas kesetimbangan fase dan kecepatan perpindahan yang dapat diperoleh. Disini akanditinjau kerangka teori dasar yang dipakai dalam memperkirakan komposisi dari fase-fase dalamkesetimbangan, membicarakan beberapa kaidah yang empiris yang dipakai untuk menghubungkandata keseimbangan fase, dan menunjukkan beberapa contoh khusus tentang data yang ada. Dariketerangan yang ringkas ini dapat dilakukan perhitungan perancang. Perhitungan-perhitungan initidak saja memerlukan komposisi-komposisi seimbang, tetapi juga perubahan nilai-nilaikesetimbangan jika suhu dan tekanan berubah.

2. DASAR UMUM KESETIMBANGAN FASE

Sebelum kaidah fase untuk sistem tertentu dibicarakan akan ditinjau secara singkat dasarumum kesetimbangan fase. Analisis kuantitaif dari kesetimbangan fase didasrkan pada karya JWillard Gibbs yang terdapat dalam semua pustaka termodinamika dasar. J. W. Gibbs mengatakanbahwa kesetimbangan antar fase-fase memerlukan kesetimbvang semua potensial termasuk tidaksaja P dan T tetapi juga potensial kimia masing-masing

II II I

111 µ µ µ == (3.1)

denganµ= potensial kimia, indeks bahwa untuk komponen, indeks atas untuk fase. Gibbs mendefinisikanpotensial kimia berdasarkan fungsi termodinamika dasar secara kualitatif, potensial kimiamenyatakan kecendrungan komponan untuk meniggal fase atau keadaan kimiawi yangbersangkutan. Kadi potensial kimia adalah ukuran ketidak stabilan komponen.

Ahli-ahli setelah Gibbs menunjukkan bahwa fugusitas (didefinisikan dengan rumus µ= RT lu

f i + θ, f i mendekati Pi jika Pi mendakati 0 dan θ adalah fungsi suhu saja) dapat dipakai sebagaiganti potensial kimia maka

iiiiii f f f 111 == (3.2)

fungsional menpunyai beberapa keunggulan dari pada potensial kimia paling tidak dalam konsep,sebeb dapat dikaitkan dengan sifat-sifat fisis yang dapat diukur.Jika jumlah variabel dalam suatu sistem dengan beberapa komponen dalam kondisi seimbangdiantara beberapa fase dikaitkan dengan jumlah persaman yang menghubungkannya sepertitersebut diatas, maka

F = C + 2 – P (3.3)Dengan F = jumlah variabel intensif yang dapat diubah-ubah secara bebas.

C = jumlah komponen sistimP = jumlah fase dalam sistim

Fase didefinisikan sebagai bagian dari suatu sistim yang secara fisi homogen dan dapat dibedakanadri yang lain, dapat berupa padat, cair atau gas. Pada zat padat dan cairan dapat terjadi beberapafase padat dan fase cair, tetapi pada gas sama sekali dapat saling larut sempurna satu sama lainsehingga hanya ada satu fase gas variabel intersif tak tergantung pada seluruh jumlah fase.Misalnya suhu, tekanan dan konsentrasi dari suatu fase adalah variabel intensif. Sebaliknya volumetotal dari fase tergantung pada kuantitas, maka dari itu disebut variable ekstensif . Demikian jugakomposisi keseluruhan dari suatu sistem dengan beberapa fase tergantung pada besarnya fase jadimerupakan variable ekstensif . Untuk keseimbangan fase, jumlah komponen dari suatu fase dapatdidefinisikan sebagai jumlah terkecil zat kimia yang diperluklan ntuk membentuk fase.

Aturan fase berguna dalam memperkirakan jumlah variable intensif yang dapat diubah-ubah secara bebas dalam setiap sistem. Misalnya air, karena murni, C = 1. dengan satu fase cair, P





= 1 dan dengan persamaan (3.3), F = 2. maka dari itu dimungkinkan mengubah-ubah baik suhumaupun tekanan dari fase tunggal cair. Pada campuran setimbang air vdan uap air terlihat bahwa C= 1, P= 2 dan F = 1. jadi hanya satu sifat intensif yang dapat diubah-ubah secara bebas. Jika suhuditentukan, dengan sendirinya tekanan tertentu.

Jika antara fase diterapkan pada campuran setimbang dari etanol dan air, ternyata C = 2, P

= 2 dan F = 2. jadi dua variable dapat diatur. Kedua variable itudapat pasangan dari dua antaratiga variable suhu, tekanan dan konstruksi fase. Misalnya jika komposisi dan tekanan dari suatufase ditentekan, suhunya akan tertentu. Pemakain aturan fase selanjutnya akan berguna dalammeninjau sistim-sistim tertentu sebagai berikut.

Perhitungan untuk distilasi dan adsorpsi gas memerlukan keterangan tentangkesetimbangan cair-gas. Jadi persamaan 3.2 menjadi

L

a

G

a f f = (3.2a)

fugasitas fase gas dapat diganti dengan tekanan partial dari gas itu pada tekanan yangbersangkutan jika sifat gasnya ideal pada tekanan yang sangat rendah. Sebaliknya diperhitungkankoreksi yang menghubungkan sifat gas ideal dengan gas sebenarnya, maka:

a

a

G

a py

p

f f .⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜

⎝

⎛ = (3.4a)

dengan ya = fraksi nol dari a dlam uap.

nnoladaptekanasitasaterhandarifuga perbanding p

f =⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

P = tekanan nol.Fugasitas fase cair sama dengan fugasitas fase gas pada tekanan uap dari a murni, karenakesetimbangan terjadi pada tekanan itu. Andaikan fraksi mol menghubungkan fugasitas komponenmurni dengan fugasitas dari komponen dalam campuran cairan ideal, dan mendefinisikan koefisienaktivitas γ sebagai perbandingan dari fugasutas a dlam larutan sebenarnya terhadap fugasitas adalam larutan ideal, maka fugasitas cairan adalah

a X P f aa

L

a γ = (3.4b)

dengan P = tekana uap dari a pada sushu kesetimbanganX = fraksi mol a dalam cairanDengan menggabungkan persamaan-persamaan 3.2a, 3.4a dan diperoleh kaidah kesetimbanganfase cair-uap yang umum sebagai berikut :

aaaa

a

y x p py p

f =⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ (3.4)

Termodinamika teknik kimia telah banyak mencurahkanperhatian untuk berusaha menerapkanpengetahuan yang ada melalui kimia fisika untuk memperkirakan koefisien fugasitas (f/p) a dankoefisien aktifitas γabagi sifat-sifat molekul yang asasi. Usaha ini telah berhasil memuaskan untukkomponen-komponen non asosiasi sederhana. Jika non idealitas fase air dapat diabaikan, misalnyadengan senyawa-senyawa non polar termasuk deret homolog (misalnya hdrokarbon ringan), γa =1. maka koefisien fugasitas harus ditentukan. Karena parameter ini merupakan fungsi dari sifat-sifat

fase gas saja, maka dapat ditentukan dari persamaan keadaan fase gas. Telah ada persamaankeadaan yang tepat, sehingga usaha ini teelah dilaksanakan dengan baik. Keuntungan yangdiperoleh khususnya adalah bahwa kesetimbsngsn cair-uap dapat diungkapkan secara analisis dandapat ditulis kedalam program kruput.

Bila terjadi non idealitas fase cair, perlu ditentukan koefisien aktivitasnya dari keteranganmedan gaya antar molekul atau menghubungkan data hasil percobaan secara empiris. Keduapendekatan telah dilakukan. Pendekatan gabungan yang telah berhasil memuaskan pada suhurendah telah diperlihatkan oleh Zellner. Dasar-dasar teoritis untuk ini dan untuk lainnya telahdisajikan oleh Prausnittz.

Jika fase gas bertabiat sebagai sag ideal, (f/P)a = 1, dan jika fase cairan adalah larutanideal, γa = 1. dalam hal ini dapat diperoleh hukum Raoult :

Pya = PaXa (3.5)




Pasanan ini menunjukkan bahwa uap yang timbul dari campuran cairan adalah suatu campuranyang mempunyai komponen sama seperti yang dari cairan. Uap biasanya akan lebih kaya akankomponen yang mempunyai tekanan uap lebih tinggi pada suhu penguapan. Komponen murni takakan pernah muncul dari campuran cairan, walaupun dalam keadaan terbatas tekanan uap darisalah satu komponen biasa demikian rendahnya sehingga komponen itu praktis itu tidak volatile.

Hukum Raoult hanya tepat memperkirakan kesetimbangan cair-uap untuk larutan idealyang setimbang dengan campuran gas ideal larutan yang memperlihatkan penyimpangan dariidealitas yang dapat diabaikan meliputi larutan yang komponen-komponennya mempunyai strukturdan sifat fisis yang sama, seperti benzena-toluen, propana-butan, methanol-etanol. Hukum Raoultmenunjukkan bahwa komposisi dalam campuran yang setimbang tergantung pada tekanan tolakdari sistim dan pada tekanan uap komponen. Tekanan uap berubah dengan suhu tetapi tidakdengan komposisi atau tekanan ideal..

Dalam perhitungan teknik, sering kali lebih mengungkapkan kesetimbangan fase denganrumus :

Y a = K a xa (3.6)K a adalah konstanta yang ditentukan dengan percobaan. K a sering kali hanya sedikit tergantungpada konsentrasi, sekalipun untuk sistim yang tidak mengikuti hukum Raoult; biasa disebut nilai K.

Dalam kebayakan sistim, tekanan uap dari solute dalam larutanyang sangat encer dapat

digunakan rumus hukum Raoult sebagai konstanta yang berlaku bagi batas-batas konsentrasitertentu. Ini merupakan dasar dari hukum Henry, yang paling sering ditulis :

Pa = Hca (3.7)Pa = tekanan partial dari a dalam uapH = Konstanta hukum Henry, diukur dengan percobaanCa = konsentrasi a dalam cairan

Dalam sistim biner (dua komponen), komponen denngan tekanan uap lebih tinggi padasuhu tertentu disebut sebagai komponen yang lebih volatile, sedangkan yang dengan tekanan uaplebih rendah disebut komponen kurang volatile. Umumnya komposisi dari campuran biner akandinyatakan sebagai konsentrasi dari komponen yang lebih volalite.

Untuk sistim biner dengan a adalah komponen yang lebih vilalite dan b adalah komponenyang kurang volalite, dengan anggapan hukum Raoult berlaku.

b

a

b

b

a

a

p

p

y

x

x

y= (3.8)

Karena yb = 1 – ya dan xb = 1 - xa

ab

b

a

a

a

a

a

p

p

y

x

x

yα ==⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡

−

−⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

1

1 (3.9)

Persamaan (3.9) mendifinisikan volatilitas relatif (α ab) dari komponen a relatif terhadap b. Untuk

sistim yang tidak mengikuti hukum Raoult, volatilitas relatip didefinisikan sebagai α ab = K a /K b .

Volalitas relatif akan konstan bila baik Hukum Henry maupun Raoult berlaku. Jika hukum Henryatau Raoult tak diikuti, volatilitas relatip akan berubah dengan komposisi. Gambar. 3.1menunjukkan data komposisi cair-uap untuk dua sistim dengan volatilitaas relatif konstan dan jugauntuk dua sistim denan volatilitas relative yang berubah-ubah dengan komposisi. Sistim yangdiperlihatkan pada Gambar.3.3 adalah pada tekanan tetap, tetapi suhu berubah-ubah denankomposisi.Berubah-ubahnya suhu dapat dilihat pada Gambar 3.2 dan Gambar 3.3

Contoh 3.1. Suatu campuran butan dan pentan setimbang pada tekanan 300 kN/m dan uap. (a)dengan menggunakan holum Raoult, dan (b) dengan menggunakan harga dari Ka yang diperolehdari percobaan dan persamaan 3.6.




Penyelesaian (a) Tekanan uap didapat dari table data fisis (lihat Appendix D-1).

Tekanan uap pentan pada 40oC = 117 kN/m

2

Tekanan uap butan pada 40oC = 373 kN/m

2, tekanan total = 300 kN/m

2

Untuk butan : y B =P

P B x B =300

373 x B =1,24 x B

Untuk pentan : p p p p x x x p

pp y 24,1

300

1147===

Karena hanya buatan dan pentan yang ada dalam cairan dan uqp, X B + Xp = 1, dan yB + yp = 1.sekarang ada empat persamaan dan empat yang belum diketahui pemecahannya :

Y b + yp = 1 = 1,24 xB + 0,39 xp = 1,24 xB + 0,39 xp (1- xB), dst.

XB = 0,72 yB = 0,89

Xp = 0,20 yp = 0,11

(b). Harga Kdari percobaan pada 300 kN/m2 dan 400CD untuk butan, Kb = 1,2 dan untuk petan, Kp= 0,38 (lihat Appendix D-2). Maka dari itu,

yp = 1,2 xB dan yp = 0,38 xp xB = 0,76 yB = 0,91xp = 0,24 yp = 0,09

perbedaan kecil antara harga-harga pada jawaban (a) dan (b) terletak pada ketelitian pembacaanchart untuk tekanan uap dan K. Maka dari itu, campuran buatan dan pentan mengikuti hukumRaoult makin besar pada tekanan makin tinggi.

Contoh 3.2. Beberapa volatilitas relatif butan terhadap pentan pada sushu 40

0

C dan 465 psia ?

Penyelesaian. Andaikan hukum Raoult berlaku pada tekanan tinggiDari persamaan 3.9 dengan

18,310117

103733

3

==− x

x p Bα

Dengan menggunakan harga K dari percobaan pada 465 psia (Appendix D-2),Kb = 0,27, Kp = 0,10

70,210,0

27,0==− p Bα

dari hasil ini terlihatbahwa pada 465 psia campuran butan pentan penyimpangan dari hukum Raoultkira-kira 18%.

Suatau campuran tidak akan mendidih pada suatu suhu untuk tekanan total konstan,berlawanan dengan tabiat cairan murni. Suhu saat campuran dengsn komposisi tertentu mulaimenguap jika suhu bertambah disebut titik didih. Sebaliknya suhu saat campuran uap perrtamakalin mengembun pada pendinginan disebut titik embun . Untuk cairan murni, titik didih dan titikembun adalah sama dan sama dengan titik didih; komponen murni menguap dam mengembunpada satu suhu. Titik embun dan titik didih campuran ideal dapat dihitung dari hukum Raoult.Untuk campuran lainnya, harga K dapat V dihitung.




Contoh 8.3 Hitung titik embun gas yang mengandung 20 % mol benzena, 3,0 mol toluene dan50% mol xylene pada tekanan 100 kN/m2.

Penyelesaian.Pada tekanan sedang untuk senyawa-senyawa yang sama ini hukum Raoult cukup teliri. Tekanan

uap dari ketiga komponen tergantung pada suhu, yang harus ditentukan. Diperlukan cara coba-coba (trial and error ), karena tekanan uap tak dapat diungkapkan dengan fungsimatematiksederhana dari suhu.

Untuk benzena ; B

B B

B

B p

x x x

x

p y

5

5

102,0;2,0

101===

Untuk toluene :T

T

T T

r p

x x x

x

p y

5

5

103,0;3,0

101===

Unruk xylene : x

x x

x

x p

x x x

x

p y

5

5

105,0;5,0

101===

Pada suhu yang besar, XB + XT + XX = 1,0

1105,0103,0102,0 555

=++ xT B p

x

p

x

p

x

jika suhu tertentu, tekanan uap dapat dicari dari (Appendix d-1) dan sisi kiri persamaan diatasdapat dihitung. Jika sisi kiri tidak sama dengan 1, harus dicoba suhu lain. Andaikan T = 40 0C, PB = 24,13 x 103 N/m2 ; pT = 7,58 x 103 ;

Px = 2,96 x 103 N/m2.

.167,2110026,0

105,0

10076,0

1030,0

1024,0

102,05

5

5

5

5

5

>=++ x

x

x

x

x

x

Maka dari itu, pengadaian pertama T = 40 0C terlalu rendah Andaikan T = 130 0C. PB = 365,4 x 103 N/m2 ; PT = 158,6 x 103 N/m2

Px = 72,4 x 10

3

N/m

2

.

.193,0107246,0

105,0

10586,1

1030,0

1065,0

102,05

5

5

5

5

5

<=++ x

x

x

x

x

x

Maka dari itu suhu harus lebih dari 130 0C Andaikan T = 128 0C. PB = 351,6 x 103 N/m2 ; PT = 151,7 x 103 N/m2

Px = 67,2 x 103 N/m2.

00,110672,0

105,0

10176,1

1030,0

10516,3

102,05

5

5

5

5

5

=++ x

x

x

x

x

x

Setelah diperiksa pada 128 C, ternyata dekat dengan titik embun campuran.Pada titik embun, cairan yang pertama kali terbentuk mempunyai komposisi sedemikian hingga

tekanan yang diberikan oleh setiap komponen dari cairan sama dengan partial dari komponendalam uap komposisi dari cairan setimbang byang pertama kali terbentuk ketika pengembunanmulai pada 128 0C adalah

057,010516,3

102,05

5

== x

x x

B

198,010517,3

103,05

5

== x

x x

T

744,010672,0

105,05

5

== x

x x x




Perhitungan kesetimbangan fase seperti contoh 3.3 dengan mudah dapat dilakukan pada computerdigital. Akan tetapi ingkapan kesetimbangan fase harus diberikan dalam bentuk analisis. Jika hukumRaoult digunkan, rumus tekanan uap harus dipertimbangkan. Persamaan Antoine ternyata cocokuntuk kebanyakan data tekanan uap.

Log Pa = Aa + Ba /(ca + T)

Dengan, Aa, Ba, dan Ca : konstante percobaan (lihat Appendix D-2e untuk harga-hargabeberapa cairan yang umum dijumpai). Jika harus dicari titik didih untuk campuran yang mengikutihukum Raoult, gabungan persamaan neraca bahan dengan hukum Raoult dan persamaan Antoinememberikan.

( ) ( ) ( ) )/()/()/( 101010 T Cc Bc AcT Cb BbabT Ca Baaa xc xb xa

++++++ ++

Konstante tekanan uap diketahui, bersama-sama dengan komposisi cairan semula dantekanan total, dan persamaan ini maka dapat diselesaikan suhu titik didih, satu-satunya yang belumdiketahui. Cara konvergensi sistematis, seperti cara Newton, akan diperlukan supaya penyelesaianinteraktif sempurna.

Titik embun dan titik didih dari campuran biner adalah fungsi komposisinya, seperti terlihatpada Gambar.3.2. untuk sistim benzene-toluene. Kurva dibuat berdasarkan data tekanan uap,dengan menganggap hukum Raoult berlaku untuk sistim ini. Titik embun dan titik didih sama pada

xa, ya = 0 dan xa, ya = 1 sebab komposisi ini menggambarkan toluene dan benzene murni. Satu-satunya harga suhu pada komposisi ini adalah titik didih komponen murni.Jika suatu campuran cairan mengandung 0,4 fraksi mol benzene dipanasi (dilukiskan

dengan mengikuti garis tegak pada gambar 3.2) akan mulai menguap pada titik didihnya (titik a),yaitu 203,5 F, dan komposisinya (b) adalah 0,625 fraksi mol benzene. Jika suhu dinaikkan (dari ake c ), lebih banyak cairan menguap sampai cairan terakhir menguap pada 215 F (d). Selamaproses penguapan, komposisi (cairan) berubah-ubah dari 0,4 sampai 0,215 dan uap dari sisikeseluruhan dari campuran uap-air tetap pada 0,4 fraksi mol benzene.

Daerah dibawah kurva titik didih melukiskan fase cair. Cairan pada suhu di bawah titikdidihnya dapat disebut sebagai cairan subcooled, sedangkan pada titik didihnya disebut cairan jenuh. Demikian pula uap pada titik embunnya disebut uap jenuh. Diantara kurva-kurva titik didihdan titik embun adalah daerah dua fase tempat bersama-sama adanya cairan jenuh dan uap jenuh.Jumlah relative cairan dan uap dalam daerah dua fase dapat dihitung dengan neraca bahan. Diatas

kurva titik embun terletak daerah uap superheat/superheated steam.Larutan yagn tidak ideal dapat mempunyi kurva komposisi suhu cukup berbeda dari kurva

gambar 3.2. misalnya, gambar 3.3 melukiskan dua sisitim tidak ideal, isopropanol propylenechloride dan avetone chloroform. Masing-masing bentuk sisitim adalah azeotropis suatu campurandengan uap setimbang yang berkomposisi sama dengan koimposisi cairan. Pada komposisiazeotrop, titik embun dan titik didih sama, dan campuran menguap pada satu suhu. Kesimpulan inidapat ditarik dengan menggunakan kaidah gase. Dalam sistim biner uap-cair akan ada duavariable bebas. Biasaya tekanan tertentu jadi tinggal satu variable. Definisi azeotropmengakebatkan komposisi-komposisi dari dua fase sama satu sama lain, pembatasan inimeniadakan variable bebas yang tunggal satu tadi. Maka dari itu suhu telah tertentu pada satu-satunya harga. Misalnya dalam isopropanol propylene chloride, komposisi cair dan uap yangsetimbang menjadi 0,68 fraksi mol isopropanol. Karena titik didih dan titik embun juga sama padakomposisi ini campuran akan menguap pada satu suhu, seperti halnya cairan murni. Berdasarkanhl ini, azeotrop sering disebut campuran dengan titik didih konstan. Azeotrop ini menjadi padasuhu lebih rendah dari pada baik titik didih esopropanol murni maupun propylene chloride murni.Sistim seperti ini disebut campuran dengan titik didih minimum. Sebaliknya, sisim acetonechloroform mempunyai azeotrop dengan titik didih maksimum pada 0,34 fraksi mol acetone(gambar 3.3b).

Penyajian keterangan x,y, T pada tekanan konstan, seperti pada Gambar.3.2. sering kalimerupakan pilihan yang menguntungkan, akan tetapi dalam perhitungn neraca bahan yangbersangkutan dengan fase yang dilakukan pada tekanan tertentu, suhunya mungkin belumditentukan. Untuk perhitungan ini, grafik x terhadap y seperti pada Gb.3.1 jauh lebihmenguntungkan. Jika perlu tempat T terhadap x atau y dapat ditambahkan.

Dalam perhitungan-perhitungan proses distalasi dan perpindahan lainnya, neraca tenagademikian pula nerac massa akan diperlukan. Jadi diperlukan ukuran tenaga sistim. Ini biasanya




adalah entalpi, didefinisikan sebagai tenaga dalam ditambah hasil kali P atau V. Data konsentrasientalpi untuk etanol air pada Gambar.3.4 dan untuk ammonia air dan nitrogen oksitgen padaappendiz D. Entalpi molar digrafikkan pada sumbu tegak dan fraksi mol komponen yang lebihvolatile pada sumbu mendatar. Setiap titik pada diagram menyatakan baik entalpi maupunkomposisi dari campuran biner. Grafik yang sama dapat dilukiskan dengan menggunakan fraksi

massa. Entalpi campuran biner adalah relative terhadap suatu kondisi referensi sembarang yangdipilih untuk komponen-komponen murni. Misalnya, pada gambar 3.4. entalmp-entalpi cair murnipada 32 F dan air murni pada 32 F dipilih sama dengan nol. Campuran etanol dan air dapatmempunyai entalpi-entalpi yang berbeda dari mol pada 32 F sebab ada perubahan entalpi padapelarutan dan pengeceran. Perubahan kecil untuk sistim air-etanol. Campuran cairan padasuhuselain 32 F akan mempunyai entalpi tidak nol sebab perubahan entalpi pada pemanasan,sebagaimana dihitung dari kapasitas panas dan perubahan suhu. Jika campuran diuapkan,entalpinya akan naik sebesar panas laten penguapan. Semua perubahan entalpi ditinjau dalammembuat diagram komposisi entalpi untuk sistim biner dengan menggunakan data percobaanterhadap kapasitas panas, panas pelarutan, dan panas penguapan. Pada gambar 3.4 kurva diberitanda H menggambarkan uap pada titik embun (uap jenuh) dan kurva yang diberi tanda hmenggamberkan cairan pada titik didih (cairan jenuh). Jarak tegak diantrara kurva-kurvakarenanya adalah panas laten penguapan dari campuan. Dianrarea dua kurva adalah daerah dua

fase uap-air. Untuk menentukan titik-titik pada kurva uap jenuh dan kurva cairan jenuh, yangsetimbang satu sama lain, digunakan kurva kesetimbangan dibawah diagram. Harga komposisi uap

(y a )dapat dipilih pada kuva entalpi uap (H). Dari kurva kesetimbangan, harga (x a )yang

setimbang dengan (y a ) yang dipilih dapat dicari. Harga (x a ) kemudian dapat dilukis pada kurva

(h), entalpi cairan. Kemudian garis penghubung (tie-line) dapat dilukis yang menghubungkan duatitik yang menggambarkan komposisi-komposisi yang setimbang. Garis-garis yang bertanda suhudalam daereah dua fase adalah garis penghubung.

Jika suhu setimbang ditentukan, komposisi cvairan dan uap diperoleh dari grafik koimposisi

suhu, seperti pada gab.3.3a untuk sistim C 3 H 7 OH-C 3 H 6 CL 2 . Daerah Di Bawah Kurva Cairan

Jenuh Menggambarkan Subcooled. Garis-Garis Isoterm(Suhu Konstan) dilukis didaerah ini. Dalamsistim air etanol, panas pelarutan dan pengecoran kecil, sehingga isoterm-isoterm mendekati garis

lurus, menunjukkan entalpi konstan. Di atas kurva uap jenuh adalah daerah uap superheat.Keadaaan khusus, naiknya tekanan menaikkan suhu, dan pada suhu ini terjadi

kesetimbangan cair-uap, dan juga mengurangnya ketajaman pemisahan antara komposisi cairandan uap hal ini dilukiskan pada gamb.3.5. untuk sistim air etanol. Komposisi uap yang setimbangdengan cairan yang mengandung 0,2 fraksi moil etanol akan mengandung 0,53 fraksi mol etanol jika tekanan sistim satu atmosfer (14,7 psia), tetapi akan menjadi 0,42 fraksi mol etanol padatekanan sistim 300 psia. Juga komposisi azeotrop bergeser menjadi lebih kaya akan etanol jikatekanan berkurang.

Contoh 3.4. Bagaimana komposisi uap yang setimbang dengan cairan jenuh dengan 0,5 fraksimol etanol dan 0,5 fraksi mol air.

Penyelesaian. Pada gambar.3.6. ditarik kebawah garis tegak dari kurva etanol carian pada xa =0,5. nilai kesetimbangan dari (Ya) ditentukan oleh perpotongandari garis tegak dengan kurvakesetimbangan dan dapat dibaca dari sumbu tegak sebelah kanan, yaitu ya = 0,66. untukmemindahkan harga ini ke sumbu mendatar, garis mendatar ditarik dari kurva kesetimbangan kediagonal, kemudian garis tegak ditarik ke kurva entalpi uap jenuh. Harga pada kurva H dapatdihubungkan dengan harga semula pada kurva h dengan tie-line . Suhu campuran setembangdapat dengan referensi pada Gambar 3.3a. kira-kira 176 F.

Contoh. 3.5. tentukan komposisi dari fase-fase yang pada kondisi-kondisi sebagai berikut :(a). Etanol air pada 177 F, 1 atm. Konsentrasi “bulk” adalah 50 % etanol




(b). Amonia air pada 1 atm, xa = 0,3(c). Etaol air pada 100 F dan 1 atm

(d). Amonia air pada 100 psia, H = 10.000, fraksi mol keseluruhan NH 3 =0,5

(e). Amonia air pada 100 psia, H = 20.000, fraksi mol keseluruhan ammonia = 0,4.

Penyelesaian :(a). Komposisi paling mudah dicari dari gambar 3.4. Tie-line pada 177 F memotong garis titik didih

dan garis titik embun pada komposisi setimbang xa = 0,42, ya=0,63.(b). Dari kurva kesetimbangan (Appendix D) pada xa = 0,3, ya = 0,93(c). Karena komposisi belum diketahui, campuran tak dapat dilukis tepat pada gambar 3.4. Akan

tetapi, pada 100 F semua campuran etanol dan air adalah cairan subcooled , yang dilukiskanoleh isoterm 100 F. Maka dari itu, hanya fase cair yang akan adan pada 100 F dan 1 atm, dantak ada uap yang setimbang.

(d). Titik (H = 10.000 Btu/eb mol, z a = 0,5) terlukis pada diagram Appendix D. Karena titik

terletak dalam daerah dua fase akan ada cair dan uap yang setimbang. Perlu dicari tie-linemelalui titik itu. Pertama kali dilakukan pendekatan dengan menarik tie line melalui titik itu

dengan “ slope “ antara isoterm 250 dan 200 F. Harga-harga x a dan y a yang diperoleh

karena perpotongan tie line denga kurva entalpi diperiksa pada diagram kesetimbangan yang

ada dibawahnya. Nilai yang x a = 0,17, y a = 0,74

(e). Titik (H = 20.000 Btu/etanol, z a = 0,4) terlukis pada diagram Appendix D. Karena titik di

dalam daerah uap superhead, maka hanya fase uap yang dengan komposisi ya=0,4 saja yangada. Absorpsi gas dalam perhitungannya sering memerlukan data pada kesetimbangan antaragas yang terlarut dalam fase cair dan fase gtas. Kesetimbangan sering kali dapat diungkapkandengan Holum Henry atau hokum Roult untuk Solute . Jika persamaan-persamaan tidak tepat,data dapat disusun dalam table atau digrafikkan pada diagram udsara ke dalam air, kelarutansedikit udara dapat diabaikan, dan konsentrasi ammonia dalam cairan dapat disusun dalamtable sebagai fungsi dari tekanan partial ammonia dalam gas (Appendix D).

3. KESETIMBANGAN CAIR-CAIRDalam ekstraksi cair, salah satu komponen dalam larutan di pindahkan ke fase cair lainnya

yang relative tidak larut dalam larutan pertama. Keadaan paling sederhana, solute terbagi diantaradua fase cair yang tidak larut. Data ketidaksetimbangan untuk ini dapat dicatat sebagaiperbandingan berat solute tehadap pelarut dalam masing-masing fase pada kesetimbangan.Misalnuya terbaginya nitrat uranil diantara larutan asam nitrat dan pelarut organic, seperti terlihatpada Gambar 3.7.

Dalam prakteknya banyak dijumpai dua pelarut sebagian larut satu sama lain; disampingitu, konsentrasi solute dapat mempengaruhi salaing melarutnya pelarut-pelarut itu. Jika demikian,data kesetimbangan harus digrafikkan pada diagram tiga komponen. Penerapan kaidah fase padadua fase, tiga komponen menunjukkan bahwa dapat ada tiga variable bebas. Dalam hal ini adaempat variable komponen ke tiga tidak bebas sama sekali sebab ditetapkan bahwa ke dua fasesetimbang. Maka dari itu jika suhu, tekanan dan salah satu konsintrasi tertentu, kedua konsentrasilainnya terntentu.

Data untuk sistem ter-ner sering kali dilaporkan pada diagram segitiga sama sisi; akantetapi, untuk perhitungan teknik segitiga siku-siku lebih baik untuk melaporkan data, karena kertasgrafik koordinat tegak dapat digunakan dalam membuat diagram. Jika perhitungan hanyamenyangkut konsentrasi solute yang relative rendah, hanya sebagian diagram itu kiranya yangakan dilukis dengan memperluas skala mendatar supaya diperoleh ketelitian grafik yang lebihbesar.

Sistim terner isopropil eter-asam asetat-air (gambar 3.8)merupakan contoh sistim dengansatu pasang cairan sebagian saling melarut sempurna dan dua pasang lainnya saling larut semua.




Gambar3.8, masing-masing titik sudut segitiga menggambarkan komponen murni; sudut siku-sikuair murni; puncak isopropil eter murni, titik sudut kanan asam asetat murni.Umumnya sudut sikuy-siku menggambrkan fase murni yang mengandung komponen utama darirafinat yang tidak terkstraksi (b). (komponen rafnat tak terekstraksi); titik sudut puncak, pelarutmurni yang dipakai dalam ekstraksi (c); dan titik sudut kanan slute murni (a) yang harus diekstraksi

dari rafinat degnan pelarut. Garis segetiga menggambarkan campuran solute dan komponenrafinat tak rafinat tak terekstraksi, tanpa adanya pelarut. Sisi tegak menggambarkan campuran

biner dari komponen tak terekstraksi dan pelarut. Karena x a +x b +x c =1, hanya perlu melukiskan 2

komponen saja. Komponen yang ketiga selalu dapat dihitung. Pada diagram segitiga siku-siku,campuran paling mudah dilukiskan denga fraksi massa solute (Xa atau ya) dan fraksi massa pelarut(xc atau yc). Fraksi massa komponen rafinat tak terekstrasi (yb atau xb) tak perlu dilukis. Sisi miringsegi tiga menggambarkan campuran dengan xb = 0 atau yb = 0. sumbu koordinat untuk komponenb sebenarnya adalah titik sudut siku-siku. Karena sumbu koordinat ketiga tidak perlu maka tidakdilukis.

Setiap titik dalam segitiga menggambarkan campuran tiga komponen. Komponenkeseluruhan tertentu ada sebagai satu fase cair, sedangkan lainnya dapat terbagi menjadi dua fasecair. Kurva nopqr (gambar 3.8) memisahkan daerah dua fase (sebelah kiri) dari dearah satu fase

(sebelah kanan) dan disebut kantong fase. Komposisi-komposisi dari fase setimbang harus terletakpada kantong fase. Campuran dibagian dari komponen tak terekstrasi disebut fase ratinat.

Campuran pada bagian atas kantong (seperti 0 ) kaya akan pelarut dan disebut ekstrak. Komposisi-komposisi fase yang setimbang dapat dihubungkan dengan tie line, seperti 0-p. Ataukomposisi setimbang dapat ditentukan dengan menggunakan kurva setimbang dibawah diagram.Pada titik plait (p) tie line menjadi satu titik dan disini ekstrak dan rafinat sama. Perlu dicatatbahwa kurva setimbang berakhir pada titik plait pada xa = ya.

Sistim dietilen glikol-stiren-etil benzena merupakan contoh sistim dengan dua dari tigapasang cairan sebagaian pelarut (gambar 3.9). Dalam sistim ini fase ekstrak dan fase rafinatdilukiskan oleh kurva sendiri-sendiri, tak ada titik plait (jalin). Garis untuk fase ekstrak padadiagram terlalu pendek untuk perhitungan stage. Keadaan ini dapat diperbaiki denganmenggambarkan lagi diatas dasar bebas pelarut. (gambar 3.10) pada sumbu mendatar terlukis :

rasitakterekst nenrafinat massakompo

emassasolut

y x aa ,,

pada sumbu tegak terlukis :

rekstarsi finattaktekomponenraemassasolut

ut massapelar y x cc

+,,

Penyebut dari masing-masing besaran ini adalah campuran yang dipisahkan, salah satu komponendekenal sebagai solute dan lainnya sebagai komponen yan tak akan terekstrasi secara menyolok.Dasar penentuan ukuran komposisi ini adalah bebas pelarut.Bahan bukan pelarut dapat dicirikan menurut konsentrasi salah komponen logikanya solute-sebagaimana dilakukan untuk xa dan ya. Sembarang jumlah pelarut dapat ditambahkan persatuanbahan bukan oelarut. Denan definisi ini, xa + xb = 1 dan xc mempunyai harga sembarang. Dmikian juga ya + yb = 1, dan yc dapat beberapa pun. Misalnya untuk pelarut murni tak terhingga.

Contoh 3.6 : Hitung data untuk gambar 3.10 dari ketentuan pada gambar 3.9.

Penyelesaian : pada kurva ekstrak dari gambar 3.9 pada yc, ya = 0,10, yc = 0,83.Maka dari itu, yb = 0,07.Dasar perhitungan 1 1b ekstrak ini.

59,007,010,0

10,0=

+==

asiekterekstr ekomponent massasolut

emassasolut y a




y c =ierekstraksafinattakt ekomponenr massasolut

emassasolut =

07,010,0

83,0

+ = 4,88

Titik ( y a =0,59, y c =4,88 ) dapat dilukis sebagai titik pada kurva ekstrak dari gambar 3.10. titik-

titik lainnya dapat dicari secara sama, maka kurva ekstrak dapat dilukis. Pada kurva rafinat darigambar 3.9 pada x a =0,8; x c =0,22 dan x b =0,178.

x a =178,08,0

8,0

+ = 0,817 ;

maka dari itu

x c =178,08,0

022,0

+ = 0,0225

Titik-titik ini dapat dilukis pada kurva rafinat dari gambar 3.10.Titik-titik lainnya pada kurva rafinat dilukis dengan cara yang sama. Karena konsentrasi pelarut

dari rafinat kecil, kurva hampir berimpit dengan x c = 0 untuk sistem ini.

Dua bagian dari Gambar 3.9 memerlukan dua bagian dalam Gambar 3.10 untuk penyajianatas dasar bebas pelarut. Konsentrasi dari solute dalam bahan pelarut adalah sumbu mendatardari masing-masing bagian dari diagram. Sumbu tegak dari salah satu bagian adalah konsentrasislute dalam ekstrak, dan sumbu lainnya adalah banyaknya pelarut per satuan bahan bukan pelarut.

Analogi dari pelarut dalam ekstraksi cair-cair, absorbent padat dalam pemisahan adsorpsidan entalpi dalam distilasi akan dibicarakan nanti dan diperlihatkan perbedaan kesamaannya.

Sistim propane-asam oleat-minyak biji kapas (gambar 3.11) memperlihatkan sifat kelarutandari suatu sistim dapat berubah-ubah dengan suhu. Dalam hal ini, naiknya suhu mengurangi salingmelarutnya, berlawanan dengan lazimnya bahwa naiknya suhu menyebabkan bertambahnyakelarutan. Sistim yang membentuk dua fase pada suhu rendah dapat saling melarut sempurnapada suhu tinggi. Gambar 3.11. juga memperlihatkan penggunaan sebagian segitiga danperubahan skala, yang sering diperlukan untuk ketelitian perhitungan dengan grafik. Tak ada satu

data pun untuk sistim yang diluar xa

= 0,5, jadi diagram diluar titik ini dihilangkan dan diagram

sisanya diperbesar skalanya.

4. KESETIMBANGAN GAS PADAT. Adsorpsi, kesetimbangan padat gas yang paling umum, ternyata terjadi baik dengan

mekanisme fisis maupun kimiawi. Adsorpsi fisis terjadi bila gaya antar molekul, gaya tarik-menarikdiantara molekul-molekul fluid sendiri. Molekul-lolekul fluid melekat pada permukaan adsorbentpadat, dan kesetimbangan terjadi di antara fluid teadsorpsi dan yang tinggal dalam fase fluid.

Isoterm-isoterm adsorpsi fisis dari percobaan untuk sejumlayh uap hidrokarbon murni padasilica gel diperlihatkan pada gambar 3.12. adsorpsi dari campuran gas menghasilkan komposisidalam adsorbat yang berbeda dari yang ada dalam gas. Maka dari itu dimungkinkan campuran gasdengan adsorpsi selektif.Komposisi-komposisi setimbang dari fase gas dan adsorbat untuk campuran propan propilen

diperlihatkan pada gambar 3.13. diagram kembangan ini sangat mirip dengan diagramkesetimbangan untuk distilasi (gambar 3.10). dapat ditarik analogi diantara adsorbent dalamadsorpsi, entalpi dalam distilasi dan pelarut dalam ekstraksi. Patut diingat bahw fase gas (v) terjadi

pada y c =0, dan fase padat (L) mempunyai harga-harga x c lebih besar dari pada nol, belawanan

dengan diagram analog untuk ekstraksi cairan, seperti gambar 3.9Data untuk adsorpsi fisis sering kali dapat diungkapkan dengn persamaan emperis.

Persamaan-persamaan umum untuk isotherm adsorpsi adalah :

Freundlich : x = k 1 p n/1




Langmuir : x = pk

k zp

31=

= k 2 p untuk harga p kecil

dengan x =tadsorbent satuanbera

bat beratadsor

p = tekanan partial dari gas yang teradopsi dalam fase gas

n, k 1 , k 2 , k 3 , = konstante emperis.

Adsorpsi kimiawi, atau chemisorption, melibatkan interaksi kimiawi diantara fluidteradsorpsi dan zat padat adsorben. Dalam banyak hal adsorpsi bersifat tak dapat balik, dan sulitmemisahkan adsorbal dari adsorbent. Berdasarkan hal ini hanya adsorpsi fisis memberikankemungkinan untuk operasi stage kontinu.

Adsorpsi dipakai untuk memproses cairan maupun gas. Adsorbent yang umum dipakaimeliputi silica gel, arang, alumina, zeolit sintetis dan macam-macam lempung.

Bentuk kesetimbangan padat gas yang benar-benar sederhana terjadi pada sublimasi zatpadat menjadi fase gas, atau langsung kristalisasi zat padat dari gas. Disini konsep tekanan uap

digunakan tepat seperti yang dipakai dalam perssaan-persamaan 3.4 – 3.7. akan tetapi hanya satukomponen mengkristalkan atau mensublimasi, maka x = 1,0 untuk terkondensasi.Penukaran ion merupakan operasi cair padat lainnya, tetapi operasi yang mirip adsorpsi

kimiawi. Damar padat penukar ion dibuat mencakup ion yang akan digesr tempatnya oleh ionadalah “zeolite water softener” (pelunak air dengan zeolit ), disini ion-ion natrium dalam dammarditukar oleh ion-ion kalsium dalam air. Operasi penukaran ion di industri adalah kontak batch ataukontinu bukannya stage, jadi akan dibicarakan di tempat lain.

5. KESETIMBANGAN CAIR PADAT

Dalam ekstraksi cair padat, pelarut cair digunakan untuk larutan zat padat yang tak dapatlarut dari zat padat yang dapat larut. Larutan yang terjadi ada yang melekat pada sias yang taklarut. Stage setimbang dapat didefinisikan sebagai stage dengan cairan yagn melekat pada zatpadat yang meninggalkannya mempunyai komposisi seperti fase ekstrak cair yang

meninggalkannya. Kemudian perlu menentukan secara percobaan massa cairan yang melekat persatuan massa zat padat yang tak larut. Data semacam itu dapat dilukiskan pada diagram terner,seperti pada gambaaar 3.14. kurva yang terjadi disebut underflow loci dan tidak menggambarkankondisi setimbang. Sebenarnya didalamnya tergambar pula kurva untuk perbanding yang konstandari pelarut terhadap inert dan larutan terhadap inert dan kurva hasil percobaan untuk hati ikandengan eter sebagai pelarut. “underflow” melukiskan zat padat inert murni, dan hipotenusa daridiagram terner menggambarkan larutan jernih. Setiap garis yang menghubungkan komposisilarutan jernih pada hepotenusa dengan sudut siku memotong underflow loci pada komposisiunderflow. Maka dari itu, bagian dari garis berasal dari hepotenusa ke underflow loci adalahequilibrium tieline. Underflow locus menentukan kuantitas relative dari larutan yang melekat padazat padat inert. Data dari gambar 3.14 melukiskan underflow loci . Bila data tersedia data hasilpercobaan, hendaknya itu yang dipakai. Bila data terbatas, kurva seperti (1) dan (2) dapatdigunakan sebagai pendekatan.

Kurva (1) = Rasio konstan dari 1=massainert

rut utyangmelamassapelar

Kurva (2) = Rasio konstan dari 1=massainert

t yangmelarumassalarut

Kurva (3) = kurva dari hasil percobaan hati dan eter




BAB 4DISTILASI

Distilasi yaitu proses pemisahan campuran cair-cair berdasarkan perbedaan titik didih atautekanan uap. Pemisahan dari campuran liquid yang terdiri dari berbagai komponen menjadikomponennya masing-masing adalah merupakan salah satu bagian utama dari “Industri Proses”.Proses distilasi adalah yang paling banyak digunakan untuk mencapai tujuan tersebut khususnyapada oil refinery. Kolom distilasi dilengkapi dengan beberapa stage untuk memisahkan bagian uapdan liquid. Sebagai contoh pemisahan campuran benzene dari toluene hanya membutuhkan unitdistilasi yang sederhana seperti ditunjukkan oleh Gambar 1.

Gambar 1. Pemisahan campuran biner (contoh Benzen dan Toluen)

Walaupun pemisahan benzene dan toluene sangat sederhana, namun untuk mendapatkan produkdengan tingkat kemurnian yang tinggi dibutuhkan kolom distilasi dengan penyusunan yang lebihkompleks seperti ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2 Pemisahan campuran multi komponen (benzene dan toluene dalam crude styrene)

2. KESETIMBANGAN VAPOUR–LIQUIDKomposisi uap dan cair di dalam kesetimbangan telah dilakukan secara eksperimental di

dalam kolom distilasi. Hasilnya seperti ditunjukkan pada diagram komposisi dan temperatur sepertiditunjukkan pada Gambar 3.





Gambar 3. Diagram Temperatur - Komposisi

Kurva ABC pada Gambar 3a menunjukkan komposisi cairan yang mendidih pada setiap titikdidihnya, dan kurva ADC menunjukkan komposisi pada temperature uapnya. Komposisi liquid x 1akan mendidih pada temperature didihnya T 1, dan uap pada kesetimbanggannya ditunjukkan oleh

titik D dari komposisi y 1. Terlihat untuk setiap komposisi cairan x uap yang terbentuk akan lebihbanyak didalam volatile komponen, dimana x adalah mole fraction dari volatile component didalamliquid, dan y di dalam vapour. Gambar 3b dan c memperlihatkan komposisi critical dimana x g yangmerupakan uap mempunyai komposisi yang sama dengan liquidnya. Campuran pada kondisi kritikini dinamakan juga azeotropes.

Untuk tujuan distilasi, akan sangat memudahkan apabila diplotkan terlebih dahulu yterhadap x pada tekanan konstan, karena pada umumnya di dalam industri pengoperasian distilasudilakukan pada tekanan yang konstan seperti ditunjukkan oleh Gambar 4.

Gambar 4 Komposisi uap sebagai fungsi komposisi liquid pada tekanan konstan

2.1 Penguapan parsial dan kondensasi parsial Apabila campuran benzene and toluene dipanaskan di dalam vessel yang tertutup dan

temperature dijaga pada tekanan atmosfir seperti ditunjukkan pada Gambar 5, maka kurva padatitik didihnya ditunjukkan oleh ABCJ dan terhadap titik embunnya ditunjukkan oleh ADEJ terhadaptemperatur. Jika suatu campuran dengan komposisi x 2 pada temperature T 3 dibawah titik didih, T 2,seperti ditunjukkan oleh titik G pada diagram, kemudian dipanaskan pada pada tekanan konstan,beberapa hal berikut akan terjadi:

(a) Ketika temperature mencapai T 2, cairan akan mendidih, seperti ditunjukkan oleh titik B,dan dan uap pada komposisi y 2, seperti ditunjukkan oleh titik E.

(b) Pada pemanasan lanjut komposisi liquid akan berubah karena hilangnya komponen yangmudah menguap menjadi uap titik didihnya akan naik menjadi T’ . Pada temperature iniliquid akan mempunyai komposisi seperti ditunjukkan oleh L, dan komposisi uapnya




ditunjukkan oleh titik N. Dikarenakan tidak ada material yang hilang dari system, akanterjadi perubahan bagian cair mencadi uap dengan rasio:

(c) Pada pemanasan lanjut sampai T 1, semua cairan akan diuapkan menjadi uap D dengan

komposisi yang sama seperti y 1. Superheated vapour ditunjukkan oleh titik H, setelahdidinginkan pada titik D uap tersebut terkondensasi menjadi liquid pada titik K.

Gambar 5. Pengaruh penguapan parsial dan kondensasi parsial terhadap titik didih.

Gambar 6. Tekanan parsial dari campuran ideal




2.2 Tekanan Partial, dan Hukum Dalton’s, Raoult’s serta Henry’sHukum Dalton’s untuk tekanan partial, P = ∑PA , yang merupakan total tekanan parsial.

Tekanan parsial untuk gas ideal adalah:P A = y A P (4.1)

Untuk campuran ideal berlaku hukum Raoult’s dimana tekana parsial bergantung pada konsentrasi

liquid: A

o

A A xPP = (4.2)

Dimana P o A adalah tekanan uap murni A pada temperature yang sama.

Untuk liquid A yang terlarut pada solvent B berlaku hukum Henry’s:P A = H’x A (4.3)

Garis OA pada Gambar 6 menunjukkan tekanan parsial P A dari campuran A , dan CB tekanan parsialPB, sementara total tekanan ditunjukkan oleh garis BA. Pada campuran komposisi D, tekananparsial P A ditunjukkan oleh DE, P B oleh DF, dan total tekanan P oleh DG.

Gambar 7. Tekanan parsial untuk campuran non-ideal

Gambar 7 menunjukkan tekanan parsial dari komponen A yang di plot terhadap fraksi mol daricamgaris 0C campuran mengikuti hukum Henry’s, dan untuk garis BA mengikuti hukum Raoult’s.Sehingga :

dan :

dengan demikian:

(5.4)akan tetapi:

menjadi:

(6.5)




Contoh Perhitungan 4.1Tekanan uap dari n -heptane dan toluene pada 373 K adalah 106 dan 73.7 kN/m2. Berapakah fraksimol dari n -heptane di dalam fdase uap dan cair pada 373 K jika tekanan total nya adalah 101.3kN/m2 ?

Penyelesaian

Sehingga dengan menggunakan pers 5 menjadi:

dan dengan menggunakan persamaan 4

:

2.3 Volatilitas RelativeHubungan antara komposisi uap yA dan liquid xA didalam kesetimbangan ditunjukkan di dalamperhitungan distilasi. Jika rasio tekanan parsial terhadap fraksi mol sebagai fungsi volatilitas, maka:

Rasio dari kedua volatilitas dikenal dengan volatilitas relative α yaitu:

Dengan mensubstitusikan PyA untuk PA dan PyB untuk PB diperoleh:

atau

(4.6)Untuk campuran biner, yA = 1 – xA, dan yB = 1 – xB, maka:

atau

(4.7)dan

(4.8)

2.4 Sistim Non-ideal

Untuk sistim non-ideal system istilah γ , untuk koefisien aktifitas ditunjukkan oleh:

(4.9)




atau

(10)

Koefisien aktifitas untuk fasa liquid γ 1 dan γ 2 tergantung pada temperature, tekanan dankonsentrasi.

3. DISTILASI UNTUK CAMPURAN BINER (2 KOMPONEN)Kurva a dari Gambar 4 menunjukkan campuran biner dari komponen y – x., uap selalu

lebih banyak pada komponen yang volatile. Ada 3 metoda utama yang diguinakan dalam teknikdistilasi yaitu:(a) Differential distillation.(b) Flash atau equilibrium distillation, dan(c) Rectification.

Dari kesemuanya itu, rectification adalah yang paling penting, dan berbeda dari yanglainnya dimana uap yang terkondensasi dikembalikan lagi ke dalan kolom sedang metoda yang

lainnya, uap dibuang atau dikondensasi sebagai produk.

3.1 Differential distillationContoh distilasi batch yang paling sederhana adalah distilasi satu tahap. Jika S adalah

jumlah mol bahan didalam still, x adalah fraksi mol komponen A dan sejumlah dS , mengandungfraksi mol y dari A, kemudian diuapkan, sehingga material balance komponen Amenjadi:

dan

(4.11)

Integrasi dari sisi kana persamaan diatas tersebut dapat diselesaikan secara grafik jika hubungankesetimbangan y – x tersedia.Jika hubungan kesetimbangan berupa garis lurus seperti y = mx + c , kemudian:

atau

(4.12)dan

(4.13)




Dengan persamaan di atas tersebut banyaknya liquid yang akan didistilasi dapat dihitung, begitupula dengan material balance nya. Jika volatilitas relative dianggap konstan, maka y = α x/( 1 + ( α - 1 )x) , persamaan (4.7) dapat disubstitusikan ke dalam persamaan 4.11 menjadi

(4.14)

3.2 Flash atau equilibrium distillationDistilasi kilat terdiri dari penguapan sebahagian tertentu zat cair sehingga uap yang keluar

berada dalam kesetimbangan dengan zat cair yang tersisa, kemudian uap tersebut dipisahkan darizat cair dengan kondensasi.. Distilasi kilat digunakan terutama untuk memisahkan komponen-komponen yang sangat berbeda titik didihnya. Metode ini tidak terlalu efektif untuk memisahkankomponen-komponen yang volatilnya sebanding, karena baik uap hasil kondensasi dan zat cair sisatidak akan murni. Metode ini tidak terlalu efisien untuk distilasi skala industri bila kita menghendakikomponen yang hamper murni.

Distilasi secara flash atau equilibrium kadang juga merupakan proses kontinyu yang terdiridari penguapan fraksi liquid didalam kesetimbangan dan residunya sendiri juga liquid. Umpanbiasanya dipompa melalui fired heater dan memasuki still melalui valve dimana tekanannyaberkurang. Still ini biasanya memisahkan bagian uap diatas dan selanjutnya adan dikondensasikanlagi, sedangkan liquid pada bagian bawahnya.Untuk campuran biner A dan B, proses didalm distilasi adalah sbb:

F = moles per unit waktu dari mol fraksi umpan xf dari A,V = moles per unit time dari uap yang terbentuk dengan y fraksi mol A, danS = moles per unit time dari liquid dengan x fraksi mol komponen A,

Sehingga, total neraca massa nya adalah:

Umpan F X F

D

XD

B

XB

Neraca bahan total: F = D + B

Neraca Komponen: F.XF = D XD+B.XB

Eliminasi B :

B D

BF

X X

X X

F

D

−

−=

Eliminasi D :

B D

F D

X X

X X

F

B

−

−

=

-qC

qr

EnrichingSection(Rektifikasi)

StrippingSection(Pelucutan)

Distilat(Hasil Atas)

Hasil Bawah

Gambar 8 Kolom Distilasi yang menunjukkan neraca massa




F = V + S

Dan untuk komponen yanhg lebih volatile:Fxf = Vy + Sx

Sehingga:

atau

(4.15)

Gambar 9. Data kesetimbangan untuk benzene–toluene

Persamaan (4.15) tersebut menunjukkan garis lurus dengan slope:

(4.16)

Gambar 10. Diagram titik didih untuk benzene–toluene




yang melewati titik (xf , yf ) . Harga-harga dari x and y harus sesuai dengan data kesetimbangn.Harga-harga tersebut dapat diperoleh dari grafik x – y seperti ditunjukkan pada Gambar 9.

Contoh.6

Suatu campuran equimolar dari benzene – toluene akan dipisahkan dengan flah distilatin pada 100kN/m2. Dengan menggunakan data kesetimbangan yang ditunjukkan Gambar 9, tentukankomposisi dari fraksi cair dan uap yang meninggalkan separator jika 25% umpan diuapkan. Untukkondisi ini diagram titik didih seperti pada gambar 10 dapat digunakan untuk menentukantemperature cairan yang keluar.

Penyelesaian

Fraksi penguapan = V/F = f (asumsi)Dengan m,enggunakan persamaan (16), slope adalah:

Jika f = 0.25, maka slope nya adalah:

-(1 - 0.25)/0.25 = -3.0

Dengan meletakkan slope -3 pada gambar (9) dari titik (0.5, 0.5) maka akan diperoleh harga x =0.42 dan y = 0.63.Dari diagram titik didih pada Gbr. (10) untuk x = 0.42 akan diperoleh harga untuk temperatureliquid 366.5 K.

3.3 Rektifikasi (Rectification )Untuk dua proses, dimana uap meninggalkan still didalam kesetimbangan pada waktu

tertentu dan yang tertinggal adalah liquid, dan biasanya akan terjadi sedikit peningkatankonsentrasi dari komponen volatile. Kegunaan yang paling mendasar dari rectification adalahmembuat dapat meninggalkan still dan liquid tertinggal.

3.4 Distilasi batchPada distilasi batch, komponen yang lebih volatile diuapkan melalui still dimkana bagian

uapnya akan meningkat secara progressive.

4. KOLOM FRAKSINASI (FRACTIONATING COLUMN )

4.1 Proses FraksinasiBentuk umum dari kolom fraksinasi adalah seperti ditunjukkan oleh Gambar 11. Sederetantrays dipasang dimana alirang uap bisa mengalir keatas melalui tray. Liquid reflux mengalir melaluisetiap tray diatas weir dan turun melaui downcomer ke tray dibawahnya. Uap yang terbentuk daritray paling atas masuk ke condenser dan melalui accumulator atau reflux drum dan a reflux divider,dimana bahagian ini digambarkan sebagai produk overhead D, dan bahagian yang dikembalikansebagai reflux adalah R. Cairan di bagian bawah dari kolom biasanya dipanaskan, apakah pakaisteam atau aliran minyak panas dan uap akan naik dari tray bagian paling bawah. Dalammenganalisa operasi pada setiap tray sangatlah penting memperhatikan, uap yang naik dan refluxyang turun tidak berada dalam kesetimbangan.




Gambar 11. Kolom fraksinasi dengan bagian rectifying dan stripping (proses kontinyu)

Pada setiap tray sistim cenderung mencapai keadaan setimbang, karena:(a) Beberapa komponen volatile terkondensasi dari uap yang naik menjadi liquid sehinggamenaikkan konsentrasi komponen volatil.(b) Beberapa komponen yang kaya akan volatile diuapkan dari liquid pada tray, sehinggamenurunkan konsentrasi komponen volatile didalam liquid.

4.2. Jumlah plate yang dibutuhkan di dalam kolom distilasiDalam merancang unit distilasi sangatlah penting mengetahui berapa jumlah plate yangdibutuhkan. Perlu diketahui juga aliran material dan panas di tray, condenser, reboiler, dan datathermodynamicnya. Empat aliran yang terlibat dalam perpindahan massa dan panas disetiap trayditunjukkan oleh Gambar 12. Gambar 12 memperlihatkan plate n menerima liquid Ln +1 dari plate n+ 1, dan vapour Vn- 1 dari plate n - 1 dibawahnya. Plate n mensuplai liquid Ln ke plate n - 1, danvapour Vn ke plate n + 1.

Gambar 12 Material balance pada plate




L

n H L

n H 1+

Heat balance pada plate A heat balance melalui plate n dapat ditulis sbb:

pengadukankarena panaslosses H L H V H V H L L

nn

V

nn

V

nn

L

nn _ _ 1111 ++−=+ −−++

(17)

Dimana: L

n H : Enthalpi per mol liquid pada plate n

V

n H : Enthalpi per mol vapor pada plate n

Persamaan tersebut sangat sulit diaplikasikan untuk campuran cair, sehingga diperlukan beberapaasumsi. Untuk tenggang waktu yang jauh, panas yang hilang bias diabaikan, dan untuk systemyang ideal panas karena pencampuran adalah nol. Untuk campuran, panas molar penguapanadalah konstan dan tidak tergantung pada konsentrasi. Sehingga 1 mol uap Vn- 1 pada proseskondensasi melepaskan panas yang cukup untuk membebaskan vapor Vn . Hal ini mengikuti Vn =Vn- 1, sehingga molar vapour yang mengalir adalah konstan. Perubahan temperature dari plateyang satu dengan yang lainnya adalah kecil, sehingga adalah sama dengan begitu jugauntuk Ln = Ln +1, sehingga Vn and Ln adalah constant pada daerah rectifying, and Vm and Lm

adalah constant pada bahagian stripping.

Menghitung jumlah plate menggunakan metoda Lewis–SorelSuatu unit operasi seperti pada gambar 13, dimana feed F didistilasi menghasilkan produk

atas D dan produk bawah W, dengan xf , xd , dan xw adalah fraksi mol dari masing-masingkomponen volatile dan uap Vt timbul dari top plate dikondensasi, kemudian sebagiannyadikembalikan lagi sebagai liquid pada titik didihnya ke column as reflux, sisanya dilepas sebagaiproduk, kemudian material balance pada plate n , ditunjukkan oleh loop I pada Gambar 13memberikan:

V n = L n +1 +D (4.18)

Persamman yang menunjukkan neraca untuk komponen volatil:

y n V n = L n +1x n +1 + Dx d Thus:

(4.19)

Gambar 13. Material balances pada top dan bottom dari kolom distilasi




Persamaan 4.19 di atas tersebut untuk komposisi uap yang naik ke plate atas liquid yang ada diatasfeed plate.,Karena molar liquid overflow adalak konstan Ln dapat digantikan dengan Ln +1 sehingga:

(4.20)

Dengan cara yang sama, total material balance untuk semua aliran dan komponen volatile daribawah sampai atas plate m , ditunjukkan oleh loop II pada Gambar 13, dimana Lm = Lm +1sehingga:

L m = V m +W (4.21)dan:

y m V m = L m x m +1 – Wx w sehingga:

(4.22)

Gambar 14. Perhitungan jumlah plate dengan metoda Lewis–Sorel

Persamaan (4.22) ini sama dengan persamaan (4.20) yang menunjukkan hubungan antarakomposisi uap yang yang mencapai plate dan liquid yang ada pada plate untuk bahagian di bawahfeed plate.




Contoh 11.7Suatu campuran benzene dan toluene mengandung 40 persen mol benzene dipisahkanmenghasilkan 90 persen mol benzene pada bagian atas, dan pada bagian bawah mengandung 10persen mol benzene. Umpan memasuki kolom pada titik didihnya, dan uap meninggalkan kolomdikondensasi, tetapi tidak didinginkan, kolom juga dilengkapi dengan reflux. Kolom dioperasikan

rengan reflux ratio 3 kmol/kmol produk. Hitung berapa plate teoritis yang dibutuhkan dan posisiumpan masuk. Diagram kesetimbangan pada 100 kN/m2 ditunjukkan oleh Gambar 14.

PenyelesaianTotal neraca massa untuk umpan 100 kmol adalah:

100 = D + W

Neraca massa untuk more volatile component (MVC) benzene adalah:

( 100 × 0.4 ) = 0.9 D + 0.1 Wselanjutnya:

40 = 0.9( 100 - W) + 0.1 Wdan:

W = 62.5 and D = 37.5 kmol

Dengan menggunakan notasi seperti pada Gambar 13 menjadi:Ln = 3D = 112.5

and:Vn = Ln + D = 150

Kemudian, dari pers (20) diperoleh top operating line:

150

)9.0)(5.37(

150

5.1121 +⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ = +nn x y

225.075.0 1 += +nn x y (i)

Karena umpannya semuanya liquid pada titik didihnya, kesemuanya tersebut akan dan menaikkanreflux pada plate dibawahnya.Kemudian:

Lm = Ln + F= ( 112.5 + 100 ) = 212.5

Juga:Vm = Lm - W

= 212.5 - 62.5 = 150 = VnSelanjutnay:

)1.0(150

5.62150

5.2121 ⎟

⎠ ⎞⎜

⎝ ⎛ −⎟

⎠ ⎞⎜

⎝ ⎛ = +mm x y

042.0415.1 1 −= +mm x y

(ii)

Dari kedua persamaan (i) and (ii) dan kurva kesetimbangan, komposisi dari beberapa plate dapatdihitung apakah dari still ke condenser maupun sebaliknya. Karena semua uap dari kolomdikondensasi di condenser, komposisi uap dari plate atas yt sama dengan pada produk xd ,danliquid tersebut dikembalikan sebagai reflux xr . Komposisi liquid xt dari plate atas didapatkan darikurva kesetimbangan, karena komposisi uap dalam kesetimbangan, yt = 0.90, xt = 0.79. Hargadari yt- 1 didapatkan dari persamaan (i) yaitu:




yt- 1 = ( 0.75 × 0.79 ) + 0.225 = ( 0.593 + 0.225 ) = 0.818xt- 1 didapatkan dari kurva kesetimbangan yaitu 0.644yt -2 = ( 0.75 × 0.644 ) + 0.225 = ( 0.483 + 0.225 ) = 0.708xt- 2 dari kurva kesetimbangan = 0.492yt- 3 = ( 0.75 × 0.492 ) + 0.225 = ( 0.369 + 0.225 ) = 0.594

xt- 3 dari kurva kesetimbangan = 0.382Komposisi xt-3 hampir sama dengan nilai umpan yang diumpankan ke plate (t - 3). Untuk kolomyang lebih dibawahnya, dapat digunakan persamaan (ii).

Sehingga:yt .4 = ( 1.415 × 0.382 ) - 0.042 = ( 0.540 - 0.042 ) = 0.498xt- 4 dari kurva kesetimbangan = 0.298yt- 5 = ( 1.415 × 0.298 ) - 0.042 = ( 0.421 - 0.042 ) = 0.379xt -5 dari kurva kesetimbangan = 0.208yt- 6 = ( 1.415 × 0.208 ) - 0.042 = ( 0.294 - 0.042 ) = 0.252xt -6 dari kurva kesetimbangan = 0.120yt- 7 = ( 1.415 × 0.120 ) - 0.042 = ( 0.169 - 0.042 ) = 0.127xt- 7 dari kurva kesetimbangan = 0.048

Liquid xt- 7 lebih encer dari minimum yang diinginkan dan dibuang sebagai bottom produt.Kemudian, xt- 7 bisa disamakan dengan reboiler, sehingga akan ada 7 plate pada kolom tersebut.

Metoda McCabe danThieleBeberapa assumsi untuk memudahkan yang digunakan adalah panas molar penguapan

konstan, tidak ada panas yang hilang, dan tidak ada panas pencampuran, hal ini akan membuatmolar aliran uap konstan dan aliran molar reflux konstan pada setiap bagian dari kolom, yaitu:Vn = Vn +1, Ln = Ln +1, dan selanjutnya.

Dengan menggunakan assumsi diatas tersebut, kedua persamaan di atas menjadi:

(4. 20)dan

(4. 22)

Persamaan-persamaan tersebut digunakan oleh Lewis–Sorel untuk menghitung hubungan antarakomposisi liquid di plate dan uap yang menguap dari plate.

McCabe dan Thiele menyatakan bahwa persamaan-persamaan tersebut merupakan garis lurus yangmenghubungkan antara yn dengan xn +1 dan ym dengan xm +1, garis tersebut juga dapatdigambarkan pada kurva kesetimbangan dan merupakan jumlah stage yang diperlukan. Sehingga

persamaan (20) tersebut akan melewati titik-titk 2, 4 dan 6 seperti ditunjukkan pada gambar 14,dan dengan cara yang sama persamaan (22) akan melewati titik-titik 8, 10, 12 dan14.

Jika xn +1 = xd pada persamaan (20), maka:

dan persamaan tersebut menunjukkan garis yang memotong titik yn = xn +1 = xd . Jikaxn +1dianggap nol, maka yn = Dxd/Vn , akan memberikan titik kedua yang mudah sekaliditentukan. Kemudian garis operasi diatas digambarkan melalui dua titik koordinat (xd, xd ) dan (0 ,(Dxd/Vn) ). Untuk garis operasi pada bagian bawah, persamaan (14), jika xm +1 = xw , maka:




Karena Vm = Lm - W , persamaan tersebut akan mengikuti ym = xw . Kemudian garis operasi

bawah akan pmelewati titik C, yaitu (xw, xw) , dan mempunyai slope Lm/Vm. Jika kedua garisoperasi telah digambarkan, jumlah stage yang dibutuhkan dapat ditentukan denganmenggambarkan antara garis operasi dan kurva kesetimbangan dimulai dari titik A. Metoda iniadalah salah satu konsep yang paling penting pada teknik kimia yang merupakan alat untukmenyelesaikan permasaalahan distilasi. Asumsi molar overflow konstan tidak dibatasi karenaperbedaan molar panas penguapan Cuma 10 persen. Metoda ini tidak punya batasan-batasan,tetapi jangan digunakan untuk volatilitas relative antara 1.3 – 5, reflux ratio kurang dari 1.1 kaliminimum, atau jika lebih dari 25 jumlah tray yang dibutuhkan.

Gambar 15. Menghitung jumlah plate dengan metoda McCabe – Thiele

Contoh 8 Perhitungan plate dengan metoda McCabe-ThieleContoh 7 dikerjakan dengan metoda ini sekarang. Kemudian, dengan komposisi feed , xf = 0.4,komposisi bagian atas, xd harus bernilai 0.9 dan komposisi bawah, xw harus 0.10. Relux ratio,Ln/D = 3.

Penyelesaian(a) Dari material balance untuk umpan 100 kmol:

Vn = Vm = 150; Ln = 112.5; Lm = 212.5; D = 37.5 dan W = 62.5 kmol




(b) Kurva equilibrium dan garis diagonal digambarkan seperti pada Gambar 15.(c) Persamaan untuk garis operasi atas adalah:

yn = 0.75x n +1 + 0.225 (i)Sehingga, garis AB digambarkan melalui titik A (0.9, 0.9) dan B (0, 0.225).

(d) Persamaan untuk garis operasi bawah adalah:ym = 1.415xm+1 - 0.042 (ii)

Persamaan tersebut ditunjukkan oleh garis CD melalui titik C (0.1, 0.1) pada slope 1.415.

(e) Dimulai dari titik A, garis horizontal digambarkan memotong garis kesetimbangan pada titik 1.Garis lurus vertical ditarik ke bawah dari titik 1 ke garis operasi pada titik 2 dan prosedur ini diulanguntuk mencapai titik-titk 3–6.

(f) Garis horizontal ditarik dari titik 6 memotong garis kesetimbangan pada titik 7 dan garis verticaldari titik 7 ke garis operasi bawah pada titik 8. Prosedur ini diulang untuk mendapatkan titik-titk 9 –16.

g) Jumlah stage dihitung pada titik-titk 2, 4, 6, 8, 10, 12, dan 14 yang memberikan jumlah plate

sebanyak 7 buah.

Kolom Enrichment dan KondensorTitik 16 pada Gambar 15 menunjukkan konsentrasi liquor di dalam still. Konsentrasi uap

ditunjukkan oleh titik 15, sehingga enrichment ditunjukkan oleh kenaikan 16–15 yang dicapai olehboiler atau still body. Konsentrasi dari top plate ditunjukkan oleh titik 2, tetapi konsentrasinyaditunjukkan oleh titik 1, dan konsentrasi uap yang dikondensasi oleh kondensr ditunjukkan oleh titik A. Sehingga still dan condenser secara bersama memperkaya ( 16 - 15 ) + ( 1 - A ) , yang setaradengan satu ideal stage. Dengan kata lain jumlah plate teoritis sebenarnya yang dibutuhkan adalahdikurang satu dari jumlah plate yang ditunjukkan pada diagram. Dari cairan didalam still, dari titik16 sampai ke produk pada titik A, ada 8 tahap, walaupun stage yang dibutuhkan secara teoritisCuma tujuh pada kolom tersebut.

Intercept Garis OperasiDari Gambar 15 terlihat umpan masuk berupa liquid pada titik didihnya dimana dua garis

operasi berpotongan pada koordinat titik X dari xf . Jika perpotongan ke dua garis operasi padakoordinat (xq, yq ) , maka dari persamaan (4.20) dan (4.22):

Vnyq = Lnxq + Dxd (4.23)dan:

Vmyq = Lmxq - Wxw (4.24)atau:

yq(Vm - Vn) = (Lm - Ln)xq - (Dxd + Wxw) (4.25)

Material balan pada feed plate nya adalah:

F + Ln + Vm = Lm + Vnatau:

Vm - Vn = Lm - Ln -F (4.26)

Untuk mendapatkan hubungan antara Ln dan Lm , dibutuhkan enthalpy balance pada plate, dan apayang terjadi pada saat feed masuk ke dalam kolom. Jika semua feed dalam bentuk liquid pada titikdidihnya, reflux Lm yang tumpah ke plate di bawahnya menjadi Ln + F . Jika temperature feed(liquid) Tf , dibawah titik didihnya, sebagian uap dari plate di bawahnya akan terkondensasi danmemberikan panas yang cukup pada umpan mencapai titik didihnya.




Jika Hf adalah enthalpy per mol umpan, dan Hf s adalah enthalpy sati mol umpan pada titikdidihnya, kemudian panas yang disupply untuk membuat feed pada titik didihnya F(Hf s - Hf ) , dan jumpah panas yang dibutuhkan untuk menguapkan per mol umpan adalah F(Hf s - Hf )/ λ, dimana λ panas laten molar dari uap.Reflux liquor nya adalah:

λ

)( f fs

nm

H H F F L L

−++=

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −++=

λ

λ f fs

n

H H F L

qF L

n += (4.27)

dimana:

umpanmolar laten panas

umpanmolapkanuntukmengu panasq

_ _ _

_ _ 1 _ _ =

Kemudian, dari persamaan (26):Vm - Vn = qF – F (4.28)

Gambar 16. Pengaruh kondisi umpan pada perpotongan garis operasi untuk reflux ratio terbatas

Material balance untuk komponen yang mudah menguap pada seluruh kolom adalah:

Fxf = Dxd + WxwKemudian, dari persamaan (4.25):

F(q - 1 )yq = qFxq - Fxf




atau:

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−=

11 q

x x

q

q y

f

qq

(4.29)

Persamaan ini dikenal dengan persamaan garis-q . Jika xq = xf , maka yq = xf . Sehinggaperpotongan dua garis operasi merupakan garis lurus dengan slope q/(q - 1 ) melewati titik (xf , xf ) . Jika yq = 0, xq = xf /q .Berdasarkan definisi garis-q, slope garis-q disebabkan oleh keadaan sebagai berikut.

(a) Umpan yang dingin sebagai cairan q > 1 q line /(b) Umpan pada titik didihnya q = 1 q line |(c) Umpan sebagian uap 0 < q < 1 q line(d) Umpan sebagai uap jenuh q = 0 q line —(e) Umpan sebagai uap superheated q < 0 q line /

Berbagai kondisi umpan masuk tersebut ditunjukkan pada Gambar 16.

Pengaruh Kondisi UmpanKondisi aliran umpan masuk menara menentukan hubungan antara uap Vm dibagian (pelucutan) stripping dan Vn di bagian rektifikasi (enriching)dan juga di antara Lm dan Ln .Jika umpan sebagian cairan dan uap, uap akan menambah ke V m memberikan V n

For convenience, kita menunjukkan kondisi umpan dengan kuantitas q, didifinisikansebagai:

feed of onvaporizatiof heat latent molar

conditionsenteringat feed of molvaporizetoneeded heat q

1= ……………… (4.30)

Jika umpan masuk pada titik didih, q = 1,0 . Persamaan (4.30) dapat juga ditulis dalam bebentukentalpi.

LV

F V

H H

H H q

−

−= …………………………………….. (4.31)

Dimana :H V : Entalpi umpan pada titik embunHL : Entalpi umpan pada boiling point (buble point)HF : Entalpi umpan pada kondisi masuk

Jika umpan masuk sebagai : Umpan dingin, q > 1 Umpan pada titik didih ( boiling point, buble point) atau zat cair

jenuh, q = 1 Umpan sebagian berwujud uap, 0 < q > 1 Umpan pada titik embun (uap jenuh), q = 0 Umpan uap panas lanjut, q < 0

Jika umpan itu merupakan campuran zat cair dan uap, q adalah fraksi yang merupakan zatcair . Umpan dapat dibuat dengan operasi kilatan (flash) keseimbangan , sehingga q = 1 – f, dimana f adalah fraksi arus semula yang menguap pada kilatan.

Nilai q untuk umpan zat cair dingin didapat dari persamaan :

λ

)(1

F b pl T T C q

−+= . …………………………. (4.32)

Umpan uap panas lanjut, persamaannya adalah :




λ

d F

V p

T T C q

−−=

( ……………………………….. (4.33)

Di mana : CpL, CpV = kalor spesifik zat cair, dan kalor spesifik uapTF = suhu umpan

Tb, Td = Titik gelembung dan titik embun umpan

λ = kalor penguapan

Garis Umpan Nilai q yang diperoleh dari persamaan (4.32) atau (4.33) dapat digunakan bersama neraca

massa untuk mendapatkan tempat kedudukan dari tempat kedudukan dari semua titik potongantara graris-garis operasi.

Kita dapat memperhatikan q sebagai jumlah mol cairan jenuh yang dihasilkan pada plateumpan oleh setiap mol umpan yang ditambahkan ke menara. Dalam Gambar 4 satu diagrammenunjukkan hubungan diantara aliran di atas dan dibawah umpan masuk. Dari definisi q,mengikuti persamaan berikut:

Lm = Ln + qF ……………………………………….. (4.34)

Vn = Vm + (1-q) F …………………………………… (4.35)

Titik interseksi dari persamaan garis operasi enriching dan stripping pada xy dapatditurunkan sebagai berikut. Dengan menulis kembali persamaan (2.4) dan (2.6) sebagai berikut

tanpa tray subscrips. Vn y = Ln x + D xD ……………………………. (4.36) Vm y = Lm x + W xw ………………………… (4.37)

Di mana nilai y dan x titik interseksi dua garis operasi. Substracting persamaan (4.36) daripersamaan (4.37),

( Vm - Vn )y = (Lm - Ln )x - (D xD + W xw ) ………………… (4.38)

Subsitusi persamaan (2.2)*, (4.36), (4.37) ke dalam (4.38) dan menyusun kembali:

F

Vn Ln

(1-q)F

VmL

Gambar 17 Hubungan antara aliran di atas dan di bawah umpan masuk




11 −

−−

=q

x x

q

q y F

…………………………….. (4.39)

Persamaan ini adalah persamaan garis q (q line) dan tempat interseksi dua garis operasi.

Setting y = x dalam persamaan (4.39), interseksi persamaan garis q dengan garis 45 0 adalah y= x = xF , di mana komposisi umpan overall.

Dalam Gambar 18 q line di plot untuk berbagai kondisi umpan yang ditunjukkan dalamGambar di bawah ini.

Contoh 8 Perhitungan distilasiSuatu campuran benzen-toluen didistilasi dalam kolom fraksinasi pada tekanan 101,3 kPa. Umpan

adalah 100 kmol/j mengandung 45 % mol benzen dan 55 % mol toluen dan masuk pada suhu 327,6 K (130 0F). Destilat mengandung 95 % mol benzen dan 5 % mol toluen dan produk bawahmengandung 10 % mol benzen dan 90 % mol toluen . Reflux ratio 4 :1 . Kapasitas panas umpanrata-rata 159 kj/kg mol (13.800 btu /lb mol). Data kesetimbangan sistem ini di berikan Tabe 9.1.1(Gean Koplis) dan dalam Fig. 9.1.1. Hitung distilat dalam kg mol/j , dan produk bawah dalam kgmol/j, dan jumlah plat teoritis yang dibutuhkan. ?

1+ R

x D

q>1

q =

0<q<1

q = 0

q < 0

Mol Fraksi Dalam Cairan, x

M o l e F r a k s i D a l a m

U a

Gambar 18 Lokasi garis q untuk berbagai kondisi umpan: cairan di bawah titik didih (q>1),Cairan pada titik didih (q = 1), cairan + uap (0<q<1), Uap jenuh (q=0)




F = D + W100 = D + WF. xF = D. xD + W. xW

1000 (0,45) = D (0,95) + (100 - D)(0,10)D = 41,2 kg mol/j, W = 58,8 kg mol/j

Untuk garis operasi rektifikasi :

190,0800,014

95,0

14

4

111 +=

++

+=

++

+=+ nnnn x x

R

x x

R

R y

D

Gambar 11.4-9 hal 644 geankoplis

Gambar 19 Diagram Mc Cabe Thiele untuk distilasi benzen-toluen

Dari diagram titik didih (Fig 9.1.1 Gean Koplis) untuk xF = 0,45 , titik didih umpan 93,5 0Catau 366,7 K (200,3 0F )

LV

F V

H H

H H q

−

−= ............................................ (2.10)

Nilai H V - HL = panas latent = 32,099 kj/kg mol.H V - HF = (H V - HL) + (HL - H V ) .................................... (2.19)HL - HF = cpL (TB – TF) ..................................................... (2.20)Di mana capasitas panas dari cairan umpan dari cairan umpan cpL = 159 kj/kg mol. K ,TB = 366,7 K ( titik didih umpan), dan TF = 327,6 K (temperatur umpan masuk)Substitusi persamaan (2.19) dan (2.20) ke dalam persamaan (2.10),

( )

LV

F B LV

H H

T T CpL H H q

−

−+−= ..................................... (2.21)

F =100 kmol/j

XF = 0,45

XD = 0,95

XW = 0,10

R = Ln/D = 4




Substitusi nilai yang diketahui ke dalam persamaan (2.21)

195,1099,32

)6,3277,366(159099.32=

−+=q (SI)

195,18009.13

)1303,200(38800.13 =−+=q (English)

Dari persamaan (2.18), slope garis q adalah :

12,61195,1

195,1

1=

−=

−q

q

Garis q diplot dalam Gambar 19 mulai pada titik y = xF = 0,45 dengan slope 6, 12Garis operasi stripping digambarkan hubungan y = x = xW = 0,10 dengan interseksi garis

q dan garis operasi rektifikasi . Mulai pada titik y = x = xD , step teoritis di gambarkan (tahapteoritis) di gambarkan seperti di tunjukkan dalam Gambar 6. Jumlah tahap teoritis = 7,6 atau 7,6

tahap minus reboiler, (6,6 plate teoritis) tidak termasuk reboiler.. Umpan masuk pada tray 5 dariatas.

Refluk Total dan Refluk Minimum untuk Metode Mc Cabe Thield

1. Total Refluk

Pada Total reflu, R = Ln/D = ∞ . Vn+1 = Ln + DLn sangat besar sebagai aliran uap, ini berarti bahwa slope R/R+1 garis operasi rektifikasimenjadi 1,0 dan garis operasi kedua bagian kolom berimpit dengan garis diagonal 45 0 sepertiditunjukkan oleh Gambar 20.

Kondisi total refluk dapat diinterpretasikan sebagai condenser, reboiler, dan diametermenara untuk suatu laju alir yang diberika yang tak terhingga. Jika volatilitas relative campuran

1

2

3

M o l

F r a k s i A D a l a m U a

Mol Fraksi A dalam cairan, x0

Grs operasisripping

Grs operasi

rektifikasi

xW xF xD

Gambar 20 Total refluk dan jumlah tray minimum menurut metode Mc. Thield




biner α constan, persamaan Fenske dapat digunakan untuk menghitung jumlah tahap teoritisminimum Nm jika total condenser digunakan:

av

W

W

D

D

m x

x

x

x

N α log

1

1

log ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜

⎝

⎛ −

−= …………………………….. (2.22)

Atau( ) ( )[ ]

1log

1/1log−

−−=

AB

DW W Dm

x x x x N

α …………………………..(2.23)

Untuk variasi kecil dalam α, ( ) 2/11 W av α α α = , dimana α1 adalah volatilitas relative uap

over head dan αW adalah volatilitas relative cairan bawah (bottoms liquid).

Reflux ratio minimumReflux ratio minimum dapat didifinisikan sebagai reflux ratio R mx xD dan xW yang

dimaksud.

Kebutuhan Pemanasan dan Pendinginan

Kehilangan kalor dari kolom besar yang berisolasi relative kecil dan kolom itu sendiri padadasarnya adiabatic. Efek kalor pada keseluruhan unit itu terbatas pada condenser dan pendidihulang saja. Jika kalor laten rata-rata hádala d, dan perubahan kalor sensible total di dalam arus zat

cair kecil saja, kalor yang ditambah pada pendidih ulang q r ahíla λ −

V , dalam Btu per jam atau

dalam watt. Bila umpan itu zat cair pada titik gelembungnya (q =1), kalor yang diberikan padapendidih ulang sama yang dikeluarkan pada kondenser, tetapi tidak demikian halnya untuk nilai qyang lain. (OTK jilid 2 ed 2 , McCabe, halaman 52).

y’

xF xDxW x’

q line

Mol fraksi A dalam cairan,

M o l f r a

k s i A d a l a m u a

,

,

1 x x

y x

R

R

D

D

m

m

−

−=

+

2.24

R m = Refluk minimum

Gambar 9. Refluk ratio minimum dan jumlah tray tak terhingga dengan metode Mc Cabe Thiele.




Jika sebagai médium pemanas digunakan uap jenuh, kuantiítas uap yang diperlukan padapendidih ulang adalah:

s

V m

λ

λ −

=.

……………………………………….. (2.25)

Dimana :.

m = konsumsi uap pemanas

=−

V uap hasil pendidih ulang

sλ = kalor laten uap pemanas

λ = kalor laten campuran

Jika air digunakan sebagai medium pendingin dalam condenser dan kondensatnya tidakdingin lanjut, kebutuhan air pendingin adalah :

2112

^

T T

V

T T

V m c

−=

−

−−=

λ λ ……………………………. (2.26)

Di mana =cm^

konsumsi air

T2 – T1 = kenaikan suhu air.

Efisiensi Tahap (Tray Efficiencies)

1. Efisiensi Keseluruhan

aktualtahap Jumlah

idealtahap Jumlah E =0 ...................................................................... (2.27)

2. Efisiensi Tahap Murphree (Murphree tray Effisiency)

1*

1

+

+

−

−=

nn

nn M

y y

y y E ………………………………………………… (2.28)

yn = konsentrasi actual rata-rata campuran yang meninggalkan tray nyn+1 = konsentrasi uap rata yang masuk tray n

Y n* = konsentrasi uap yang yang setimbang dengan cairan dari konsentrasi xn

yang meninggalkan tray.

3. Efisiensi Lokal (Point Effisiecy atau Local Effisiency)

'1

*

'1

'

+

+

−

−=

nn

nn MP

y y

y y E ……………………………………………….. (2.29)

'n y = k onsentrasi uap pada titik tertentu dalam plate n

=+'

1n y konsentrasi uap yang masuk plate n pada titik yamg sama

=*n y Konsentrasi uap berada dalam kesetimbangan dengan 'n x pada titik yangsama.

Dalam kolom diameter kecil aliran cukup bercampur dengan cairan sehingga uniform(seragam) pada tray itu. Konsentrasi liquid yang meninggalkan tray sama dengan pada tray., maka

nn y y =' , '11 ++ = nn y y , **'

nn y y = . Efisiensi lokal sama dengan efisiensi Murfree atau EM = EMP.

DISTILASI FRAKSINASI MENGGUNAKAN METODE KONSENTRASI- ENTHALPI

Data Konsentrasi EntalpiPada metode Mc Cabe Thield digunakan untuk menghitung jumlah tahap teoritis atau tahap

yang diperlukan untuk pemisahan campuran biner A dan B dengan distilasi fraksinasi atau distilasi




faksional. Asumsi utama dalam metode ini adalah : panas laten dianggap sama, perpedaan panassensibel diabaikan, laju alir molal over flow dianggap konstan dalam setiap bagian menara distilasi.Dalam hal ini akan mempertimbangkan distilasi fraksinasi dengan menggunakan data konsentrasientalpi dimana laju alir molal over flow tidak perlu konstan. Analisis ini akan di buat menggunakanentalpi juga neraca massa.. Metode ini juga disebut metode Ponchon Savarit.

Suatu diagram untuk campuran uap-cairan A dan B di ambil dalam menghitung panaslatent, panas pelarutan, atau campuran, dan panas sensible dari componen campuran. Data berikutdiperlukan untuk membuat statu diagram pada tekanan constan:

a. kapasitas panas cairan sebagai fungsi temperatur, komposisi, dan tekanan,b. panas larutan sebagai fungsi temperatur dan komposisi;c. panas latent penguapan sebagai fungsi komposisi dan tekanan atau temperatur, dand. titik didih sebagai fungsi tekanan, komposisi, dan temperatur.Diagram pada tekanan konstan di dasarkan pada keadaan cairan dan temperatur reference,

seperti pada 273 K (32 o. Garis cairan jenuh dalam entalpi h kj/kg (btu/lbm) atau kj/kg moldihitung dengan :

H = x A cp A ( T – To ) + ( 1 – x A ) cp B (T - To ) + ∆ Hsol ……….(2.29)

Di mana x A fraksi berat atau fraksi mol A , T adalah titik didih campuran dalam K (oF), To adalah temperature reference , K, cPA adalah kapasitas panas komponen A dalam kj/kg.K (btu/lbm .oF) atau kj/kg mol K, cP B adalah kapasitas panas B, dan ∆Hsol menjadi negative dalam persamaan(2.29).

Garis entalpi uap jenuh H kj/kg atau kj/kg mol dihitung dengan menambahkan panas latentpenguapan λmix ke entalpi cairan jenuh. Untuk maksud yang praktis adalah :

λmix = x A λ A + ( 1 - x A ) λB …………………………………….. (2-30)Di mana λ A panas latent penguapan A dalam kj/kg (btu/lbm) atau kj/kg mol dan λB panas latentB.

Sering panas larutan diabaikan karena kecil, seperti dalam campuran hidrokarbon; makagaris entalpi uap jenuh dan garis entalpi cairan jenuh digambarkan sebagai garis lupus diantara

entalpi cairan jenuh dari componen murni dan entalpi uap jenuh dari componen murni.Dalam Gambar 10 (Fig 11.6-1 Geankoplis) Plot konsentrasi –entalpi ditunjukkan. Garisbagian atas menunjukkan entalpi uap jenuh sebagai H kj/kg mol uap versus y A, dan garis bagianbawah, entalpi cairan jenuh sebagai h kj/kg mol cairan versus mol fraksi cairan x A. Daerah diantaradua garis ini adalah adalah daerah dua fase cairan dan uap. Tie line ab menunjukkan entalpi dankomposisi cairan dan fase uap dalam kesetimbangan. Dengan menggambarkan garis dc, da, dancb, tie line ab diperoleh..




BAB 4EKSTRAKSI PADAT- CAIR

1. PENDAHULUAN

Ekstraksi padat-cair adalah suatu proses pemisahan konstituen yang dapat larut (solute)pada suatu campuran padat dengan menggunakan pelarut, atau dengan perkataan lain merupakansuatu proses pemisahan zat yang dapat larut dari campurannya dengan padatan lain yang tidakdapat larut (inert) dengan menggunakan pelarut cair. Untuk membedakan dengan ekstraksi cair-cair, maka proses ini sering disebut dengan leaching. Ekstraksi padat-cair maupun ekstraksi cair-cair pada prinsipnya sama yaitu pemisahan dua macam zat cair dari suatu padatan dengan bantuanzat cair yang disebut sebagai pelarut (solvent).

Kebanyakan unsur-unsur biologis, organik, dan anorganik terdapat dalam bentuk campurandari komponen-komponen yang berbeda dalam padatan. Untuk memisahkan solute yang diinginkanatau menghilangkan komponen solute yang tidak diinginkan dari fasa solid, maka solid tersebutdikontakkan dengan liquid.

Sampai saat ini teori tentang leaching masih sangat kurang seperti mengenai laju

operasinya belum banyak diketahui sehingga untuk merancang peralatan leaching didasarkan padahasil eksperimen dan pengalaman. Banyak bahan-bahan biologis yang dipisahkan dengan prosesleaching. Sebagai contoh adalah ekstraksi gula dari gula bit dengan air panas. Solvent organikseperti hexana dan aseton digunakan untuk mengekstrak minyak dari kacang tanah, kacangkedelai, biji bunga matahari, dan berbagai jenis bahan makanan lain. Banyak pula produk-produkfarmasi yang diperoleh dengan cara leaching.

Pada dasarnya metode pemisahan dengan secara fisika dalam operasi bertujuan untukmemisahkan zat cair yang homogen, dimana campuran telah bercampur sedemikian rupa sehinggamolekul-molekul zat yang satu terdapat di antara molekul-molekul zat yang lainnya. Dalam seluruhoperasi larutan yang diekstraksi disebut umpan dan cairan yang dikontakkan dengan umpandisebut sebagai pelarut. Hasil yang banyak mengandung pelarut disebut ekstrak, sedangkan cairansisa dari solute yang dipisahkan disebut rafinat.

Penggunaan secara besar-besaran proses ekstraksi padat-cair terdapat pada industri-

industri logam. Logam yang akan diambil biasanya terdapat dalam bentuk campuran dengansejumlah besar konstituen yang tidak diperlukan, dan ekstraksi padat-cair digunakan pula untukmemisahkan logam dalam bentuk garam yang dapat larut. Garam tembaga dipisahkan dari tanahtambang yang mengandung mineral-mineral lain dengan asam sulfur atau larutan yangmengandung amonia. Garam-garam kobalt dan nikel dipisahkan dari tanah tambang dengan asamsulfat dan aminia serta oksigen. NaOH diekstrak dari slurry CaCO3, dan NaOH sendiri diperoleh darireaksi Na2CO3 dengan Ca(OH)2.

2. OPERASI LEACHINGOperasi leaching dapat dilakukan dengan dua cara yaitu secara batch dan secara

berkesinambungan. Operasi secara batch sering dilakukan dipertambangan dimana peralatandituangkan denngan sejumlah bahan atau dengan mengalirkan larutan pada suatu unggun danlarutan yang diperoleh dikeluarkan tembaga diambil dari bijihnya dengan menggunakan asamsulfat. Sering juga digunakan tangki ekstraktor, dimana pelarut segar dicampurkan pada bahanyang hampir terekstraksi habis. Larutan mengalir berturut-turut dari tangki pertama sampai tangkiterakhir dimana bahan baku ditempatkan.

3. PERSIAPAN BAHAN BAKU UNTUK EKSTRAKSIPersiapan bahan untuk ekstraksi sangat tergantung pada banyaknya bahan yang akan

diekstraksi, distribusi konstituen di dalam solute, sifat-sifat bahan yang akan diekstrak termasukbagaimana zat tersebut tersimpan dalam bahan, dan ukuran partikel bahan. Bila kostituennya yangakan dilarutkan tersebar merata pada solid, maka yang dipermukaan solid akan larut ke dalamsolvent terlebih dahulu dan akibatnya solid akan berpori. Selanjutnya pelarut harus menembuslapisan larutan di permukaan solid untuk mencapai konstituen yang ada di bawahnya. Hal inimengakibatkan turunnya kecepatan ekstraksi dengan tajam karena sulitnya lapisan tersebut





ditembus. Tetapi bila konstituen yang dilarutkan merupakan bagian sebesar solid maka sisa solidyang berpori segera pecah menjadi solid yang cukup halus sehingga tidak menghalangiperembesan solvent ke lapisan yang lebih dalam.

4. Mekanisme Proses Ekstraksi

Umumnya proses ekstraksi dibagi kepada tiga macam yaitu perubahan fase konstituen(solute) untuk larut ke dalam pelarut, difusi melalui pelarut ke dalam pori-pori sehingga keluar daripartikel, dan akhirnya perpindahan konstituen (solute) dari sekitar partikel ke seluruh larutan.Setiap bagian dari mekanisme tersebut akan mempengaruhi kecepatan ekstraksi, namun bagianpertama berlangsung sangat cepat, maka kecepatan reaksi keseluruhan dapat diabaikan. Adabeberapa sistem solute yang akan diekstraksi, konstituen yang akan dilarutkan terisolasi oleh suatulapisan yang sangat sulit ditembus oleh pelarut, misalnya bijih emas di dalam batu karang danuntuk ini solid harus dipecahkan terlebih dahulu. Begitu juga solute yang terdapat di dalam solidyang terstruktur secara seluler akan sulit diekstraksi karena struktur yang demikian merupakantahanan tambahan terhadap perembesan liquid (pelarut), misalnya ekstraksi pada gula bit. Untukmengatasi hal semacam ini, maka solid harus terlebih dahulu dipotong tipis memanjang sehinggasebagian dari sel-sel yang solid akan pecah. Pada ekstraksi minyak dari biji-bijian walaupun bentuksolidnya seller, akstraksi tidak terlalu sulit dilakukan karena konstituen sudah berbentuk solid

(minyak).

5. FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI KECEPATAN EKSTRAKSISeleksi alat untuk proses leaching dipengaruhi oleh faktor-faktor yang membatasi

kecepatan ekstraksi. Bila kecepatan ekstraksi dikontrol oleh mekanisme difusi solute melalui pori-pori solid, maka ukuran partikel yang akan diolah harus lebih kecil agar jarak perembesan tidakterlalu jauh. Sebaliknya bila mekanisme difusi solute dari permukaan partikel ke dalam secarakesluruhan merupakan faktor mengendalikan, maka harus dilakuakan pengadukan. Ada empat faktor yang harus diperhatikan dalam proses leaching, yaitu:

(a) Ukuran partikelUkuran partikel yang kecil akan memperbesar luas permukaan kontak antara parteikel dan

liquid, maka akan memperbesar rate transfer material, disamping itu juga akan memperkecil jarak difusi. Namun demikian partikel yang sangat halus akan tidak efektif bila sirkulasi prosestidak dijalankan. Disamping juga mempersulit drainase sisa liquid (residu). Jadi harus ada rangetertentu untuk ukuran partikel dimana suatu partikel harus cukup kecil, tetapi juga tidak terlalukecil sehingga tidak menggumpal dan menyulitkan drainase.

(b) Jenis PelarutPerlu larutan yang cukup baik dimana tidak merupakan perusak konstituen yang diharapkanatau residu. Disamping itu pelarut tidak boleh mempunyai viscositas tinggi agar sirkulasi bebasdapat terjadi.

(c) Temperatur OperasiUmumnya kelarutan suatu solute yang akan diekstraksi akan bertambah dengan meningkatnyatemperatur, demikian juga dengan laju difusi. Secara keseluruhan akan menambah lajuekstraksi.

(d) PengadukanLaju difusi akan bertambah dengan adanya pengadukan, karena perpindahan bahan dari suatupermukan ke permukaan lain akan bertambah cepat dengan adanya pengadukan.

6. PERPINDAHAN MASSABerdasarkan tahanan terhadap perpindahan massa melalui lapisan tipis (film), maka

konsentrasi larutan ekstraksi pada waktu t adalah

C = Cs (1 – e-(k.A/bV)t)




Dalam hal ini: C = konsentrasi solute dalam larutan menyeluruh

Cs = konsentrasi larutan jenuh

A = luas permukaan kontak padat-cairb = tebal efektif lapisan tipis sekitar partikel

V = volume larutan keseluruhanK = koefesien difusifitas

Jika leaching diikuti dengan pengadukan yang cukup tinggi, maka laju perpindahan massa tidakakan dipengaruhi oleh kecepatan putaran pengaduk.

7. METODE OPERASI(1) Operasi Secara Batch

Operasi ini sering dilakukan di pertambangan. Pelarut dituangkan ke dalam setumpukbahan atau dialirkan melalui unggun bahan. Larutan yang diperoleh dikeluarkan sekaligus. Denganmetode ini pengontakan antara padatan yang terlarut dilakukan sekaligus dan kemudian dipisahkandari padatan sisa. Cara ini disebut sistem operasi bed bertahap tunggal seperti terlihat padaGambar 1.

Gambar 1 Operasi Batch Bertahap Tunggal

Operasi secara batch dapat juga dilakukan dengan aliran bertahap banyak sistem aliranberlawanan. Sistem ini terdiri dari beberapa unit bed yang yang disusun berderet atau dalamlingkaran yang dikenal dengan rangkaian ekstraksi (Gambar 2). Dalam sistem ini padatan dibiarkanstationer dalam setiap tangki dan dikontakkan dengan beberapa larutan yang konsentrasinya masihmenurun. Padatan yang hampir tidak mengandung solute, yang meninggalkan rangkaian setelahdikontakkan dengan pelarut baru, sedangkan larutan pekat sebelum keluar dari rangkaian terlebihdahulu dikontakkan dengan padatan baru dalam tangki yang lain.

(a) Langkah pertama

(b) Langkah kedua

Gambar 2 Operasi batch bertahap banyak dengan aliran berlawanan

Ke unit

PadatanPelarut

1 2 3 4

Pelarut

Inert Padatan baru

Larutan pekat

1 2 3 4

Padatan baru

Larutan pekat

Inert

Pelarut baru




(2) Operasi Secara KontinyuSistem ini banyak digunakan dalam industri karena sistem ini memungkinkan didapatnya

perolehan solid yang lebih tinggi. Operasi secara kontinyu dapat dilakukan dengan dua cara, yaitualiran sejajar dan aliran berlawanan arah. Operasi dengan sistem bertahap banyak dengan aliransejajar atau aliran silang dimulai dengan pencampuran umpan padatan dan pelarut dalam tahap

pertama. Kemudian aliran bawah dari tahap ini dikontakkan dengan pelarut baru pada tahapberikutnya, demikian seterusnya. Larutan yang diperoleh sebagai aliran atas dapat dikumpulkanmenjadi satu seperti yang terjadi pada sistem aliran sejajar, atau ditampung secara terpisah,seperti pada sistem dengan aliran silang.

Gambar 3 Sistem bertahap banyak dengan aliran sejajar

Gambar 4 Sistem bertahap banyak dengan aliran silang

Pada aliran yang berlawan arah sistem ini aliran bawah dan atas mengalir secaraberlawanan. Operasi dimulai pada tahap pertama dengan mengontakkan larutan pekat, yangmerupakan aliran atas tahap kedua, dan padatan baru, operasi berakhir pada tahap ke-n (tahapakhir), dimana terjadi pencampuran antara pelarut baru dan padatan yang berasal dari tahap n-1.Dapat dimengerti bahwa sistem ini memungkinkan didapatkannya perolehan solute yang tinggi,sehingga banyak digunakan di dalam industri.

PnP2P11 2 n

Larutan

Pelarut

Padatan

Pn

Pn-P2P11 2 n

Larutan

Pelarut

Padatan

Pn

L2 Ln- Ln




Gambar 5 Sistem bertahap banyak dengan aliran berlawanan

8. METODE PERHITUNGANUntuk memudahkan dalam membuat neraca kesetimbangan, maka digunakan beberapa

istilah dan notasi yang akan digunakan dalam menjelaskan metode perhitungan ini. Solid yangmengandung zat yang akan dilarutkan disebut sebagai solute dan dinotasikan dengan A, sedangkanzat yang tidak terlarut disebit dengan inert dan diberi notasi B, dan pelarut yang digunakan diberinotasi C. Di dalam setiap stage terjadi dua aliran, yaitu aliran liquid yang terdiri dari pelarut C dansolute A, selanjutnya disebut aliran overflow yang diberi notasi V dengan komposisi y, kadang-kadang aliran ini membawa sedikit inert B. aliran yang kedua adalah aliran solid inert yangmembawa sedikit liquid, aliran ini disebut aliran underflow dengan notasi L dan komposisinya x.larutan yang terbawa oleh aliran underflow ini disebut entraiment. Aliran ini biasanya berada dibagian bawah.

Stage ideal didefinisikan sebagai suatu stage dimana terjadi kesetimbangan antara liquidoverflow entralment. Untuk mempermudah suatu operasi leaching dalam penentuan jumlah stageideal, maka diasumsikan hal-hal sebagai berikut.(a) Materi yang diolah terdiri dari inert solid, solid tunggal, dan solvent yang hanya melarutkan

solute(b) Solute tidak diasbsorpsi oleh iner, kecuali dalam hal tertentu dan diketahui hubungan

kesetimbangannya(c) Perpindahan solute ke dalam solvent hanya karena peristiwa fisis

9. EFISIENSI STAGEBila efisiensi suatu stage tidak sempurna, maka rasio solute terhadap solvent dalam aliran

overflow akan lebih kecil dari yang ada dalam aliran underflow, akibatnya jumlah stage nyata akanakan lebih besar dengan jumlah stage hasil hitungan. Jika efisiensi tidak tergantung padakonsentrasi larutan, kama jumlah stage aktual adalah jumlah stage ideal dibagi dengan efisiensitotal. Tetapi bila efisiensi sangat tergantung pada konsentrasi larutan setiap stage, misalnya Xnadalah kadar underfloe yang masuk stage ke-n dan kadar ini akan berubah menjadi Xn+1 dalamsuatu stage ideal. Maka solute dalam underflow akan berkurang sejumlah yang dinyatakan AB. Bilaefisiensi tidak 1005 misalnya perubahan solute hanya sejumlah yang dinyatakan BC, makakomposisi solute dalam underflow adalah Xn+1. Dengan cara seperti ini perhitungan jumlah stagenyata dapat langsung dilakukan dalam grafik.

Padatan baru

1 2 n

Pelarut

Inert

Larutan pekat




SILABUS MATA KULIAH

I. Identitas Mata Kuliaha. Kode dan Nama Mata Kuliah : FTK 095 Operasi Teknik Kimia III b. Kelompok & Jenis Mata Kuliah :

(1) Mata Kuliah inti : [ ] MPK [ ] MKK [

] MKB [ ] MPB [ ] MBB(2) Mata Kuliah Institusional : [ ] MPK [ ] MKK [ ] MKB [ ] MPB [ ] MBB(3) Kompetensi : [

] Utama [ ] Pendukung [ ] Lainnyac. Jumlah Satuan Kredit Semester : 3 (3-0) SKSd. Prasyarat : Operasi Teknik Kimia II

II. Substansi KajianSesudah mengikuti kuliah ini mahasiswa mampu menguasai pengetahuan dasar

tentang proses pemisahan phase gas-cair, cair-padat, cair-cair, dan proses pemisahandengan membran.

III. Buku Sumber1. McCabe, W.L., Smith, J.C. and Harriot, P., (1985), “Unit Operations of Chemical

Engineering ”, Fourth Edition, McGraw Hill.2. Geankoplis, C.J, (1993), “Transport Processes and Unit Operations ”, second ed.,

Allyn & Bacon, Boston.3. King, R., (1980), “Separation Process ”, McGraw Hill.4. Rautenbach, R, and Albecht, R., C, (1989), “Membrane Procoses ”, John. Wiley &

Sons Ltd.5. Treybal, R.E., (1980), “Mass Transfer Operations ”, Third Edition, McGraw Hill,Japan.

6. Henley, S., (1981), “Equilibrium Stage Separation in Chemical Engineering ”, JohnWilley.

7. Coulson, J.M and Richardson, J.F., (1983), “Chemical Engineering Design ”, Vol. VI,Pergamon,London



Dr.Ir.Marwan Husen/Dr.Ir.M.Husin Ismayanda, M.Sc/Dr.Ir.Suhendrayatna,M.Eng/Dr.Ir.Muhammad Zaki, M.Sc. 61

BIOGRAFI PENULIS

Penerbit

Syiah Kuala University Press ISBN : .................................................

Darussalam – Banda Aceh

Muhammad Zaki, lahir di Banda Aceh, 7 Maret 1965, adalah dosen dan peneliti padaJurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Syiah Kuala sejak tahun 1992.Mendapat gelar Insinyur tahun 1990 Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas

Syiah Kuala Darussalam Banda Aceh dengan skripsi berjudul Prarencana Pabrik

Acrolein dari Propilen. Menyelesaikan Master dan Doktor pada Jurusan Teknik Kimia

dan Proses Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM) pada Bulan Agustus 2005 dengantesis berjudul Biodegrdasi Karet Alam Oleh Actinomycete. Sejak bulan mei tahun 2006

menjadi ketua Laboratorium Bioproses, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik

Unsyiah serta terlibat dalam kegiatan pengembangan Pusat Kajian Industri (Patri)

Jurusan Teknik Kimia. Penulis juga aktif sebagai staf ahli Badan Pengendalian Dampak

Lingkungan (BAPEDALDA) Provinsi Nanggroe Aceh Darussalam.

Suhendrayatna, lahir di Banda Aceh, 1 Januari 1967, adalah dosen dan peneliti padaJurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Syiah Kuala sejak tahun 1993.

Mendapat gelar Insinyur tahun 1991 Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas

Syiah Kuala Darussalam Banda Aceh dengan skripsi berjudul Prarencana Pabrik

Carbon Tertra Chlorida (CCl4). Menyelesaikan Master dan Doktor pada Applied

Chemistry and Chemical Engineering Department Kagoshima University pada BulanMaret tahun 2001 dengan tesis berjudul Biotransformation of Arsenic. Sejak tahun 1993

menjadi ketua Laboratorium Operasi Teknik Kimia Unsyiah serta terlibat dalam

kegiatan pengembangan Program Studi Teknik Kimia dan Universitas Syiah Kualaantara lain: Program TPSDP, SP4, MONEV-Internal Unsyiah, Akreditasi, Master Plan

Unsyiah, dan Lembaga P3AI Unsyiah sebagai Tim PEKERTI/AA. Penulis juga aktif

sebagai editor pada beberapa Jurnal ilmiah antara lain Proceedings of Indonesian

Scientific Meeting on Science and Technology, Proceedings of Seminar Computational

Mechanics and Numerical Analysis (CMNA), Jurnal Rekayasa Kimia dan Lingkungan,

Jurnal Reaksi, Jurnal Rona Lingkungan, dan Proceedings of National Conference on

Chemical Engineering Science and Application (ChESA). Penulis juga aktif sebagai staf

ahli Badan Pengendalian Dampak Lingkungan (BAPEDALDA) Provinsi Nanggroe

Aceh Darussalam. Beberapa buku ajar yang telah ditulis adalah:

(1) Manajemen Operational Laboratorium, 2004.(2) Keselamatan dan Kesehatan Kerja, 2005.(3) Instrumen Analisis, 2005.



Dr.Ir.Marwan Husen/Dr.Ir.M.Husin Ismayanda, M.Sc/Dr.Ir.Suhendrayatna,M.Eng/Dr.Ir.Muhammad Zaki, M.Sc. 62

RENCANA KEGIATAN PERKULIAHANSEMESTER [ ] GENAP [

] GANJIL TAHUN 2006/2007

1. Nama Mata Kuliah : FTK 095 Operasi Teknik Kimia III2. Jumlah SKS : 3 (3-0) SKS3. Mata Kuliah Prasyarat : Operasi Teknik Kimia II4. Tim Pengasuh Mata Kuliah :

Kelas A : Dr. Ir. Medyan Riza, M.Eng/ Dr. Ir. M.Husin Ismayanda, M.Sc.Kelas B : Dr. Ir. Suhendrayatna, M.Eng/Dr. Ir. Muhammad Zaki, M.Sc

5. Kompetensi Dasar1. Kemampuan untuk mengaplikasikan pengetahuan matematika, basic science dan

dasar-dasar teknik (enginnering)2. Kemampuan untuk merancang suatu system, komponen atau proses untuk

memenuhi suatu kebutuhan3. Kemampuan untuk menidentifikasi, memformulasi dan menyelesaikan masalah-

masalah teknik

6. Buku Sumber1. McCabe, W.L., Smith, J.C. and Harriot, P., (1985), “Unit Operations of Chemical

Engineering ”, Fourth Edition, McGraw Hill.2. Geankoplis, C.J, (1993), “Transport Processes and Unit Operations ”, second ed.,

Allyn & Bacon, Boston.

3. King, R., (1980), “Separation Process ”, McGraw Hill.4. Rautenbach, R, and Albecht, R., C, (1989), “Membrane Procoses ”, John. Wiley &

Sons Ltd.5. Treybal, R.E., (1980), “Mass Transfer Operations ”, Third Edition, McGraw Hill,

Japan.6. Henley, S., (1981), “Equilibrium Stage Separation in Chemical Engineering ”, John

Willey.7. Coulson, J.M and Richardson, J.F., (1983), “Chemical Engineering Design ”, Vol. VI,

Pergamon,London



7. Garis besar pokok pengajaran

NoTujuan Instruksional

KhususPokok Bahasan Subpokok Bahasan

EstimasiWaktu(menit)

1. Mahasiswa mampu

memahami dasar-dasarOperasi Teknik Kimia

Pengantar Operasi

Teknik Kimia

Konsep dasar proses operasi

1. Kesetimbangan2. Driving force3. Pemisahan4. Pola aliran5. Operasi Kontinyu dan batch

3 x 50 menit

Unit Operasi1. Integrasi unit operasi2. Analisa unit operasi3. Operasi stage4. Dua karakteristik Physical models5. Operasi kecepatan/rate operation6. Operasi unsteady

7. Perkembangan umumOperasi Stage Operasi perpindahan massa

1. Proses pemisahana. Distilasib. Absorbsi dan desorbsi gasc. Ekstraksi Cair-Caird. Ekstraksi Cair-Padate. Adsorpsif. Pemisahan dengan membraneg. Proses pemisahan lainnya

2. Konsep stage3. Alat Untuk Operasi Stage

4. Mengkontakkan Cairan-Gas5. Mengontakkan cairan-cairan6. Mengontakkan cairan-padatan

2. Mahasiswa mampu Konsep perpindahan Jenis-jenis proses pemisahan 3 x 50 menit



Bahan Kuliah Operasi Teknik Kimia 3Disusun oleh : Dr. Ir. Suhendrayatna, M.Eng

memahami dasar-dasarpemisahan uap cairan

massa berdasarkan kesetimbangan fasa

Kesetimbangan fasa

Kesetimbangan satu tahap

Kesetimbangan banyak tahap

3. Mahasiswa mampumemahami prinsipperpindahan masa antar fasa

Perpindahan masaantar fasa

Profil konsentrasi pada interface 3 x 50 menit

Koefisien perpindahan masa film

Koefisien perpindahan massakeseluruhan

konsep proses pemisahan phase gas-cair4. Distilasi Distilasi

(1) Dasar-dasar proses distilasi(2) Hubungan kesetimbangan antar

fase(3) Tahapan kontak kesetimbangan

tunggal dan mulitipel(4) Transfer massa antar phase(5) Distilasi dalam plate dan packed

towerUmpan masuk (Feed)

(1) Kondisi umpan




(2) Garis umpanReflux

(1) Total Reflux(2) Ratio Reflux minimum

Kebutuhan pemanas dan pendingin

(1) Kondensor(2) ReboilerEfisiensi plate untuk distilasi

(1) Efisiensi keseluruhan(2) Efisiensi Tahap Murphree

(Murphree tray Effisieny)(3) Efisiensi Lokal (Point Effisiecy

atau Local Effisiency)Distilasi fraksinasi menggunakan metodekonsentrasi- enthalpi

5. Absorbsi Absorpsi1. Dasar-dasar proses pemisahan gas-

cair2. Hubungan kesetimbangan antar fase3. Tahapan kontak kesetimbangan

tunggal dan mulitipel4. Transfer massa antar phase5. Absorpsi dalam plate dan packed

towerEfisiensi plate untuk Absorbsi Absorpsi dengan plate dan packed tower

6. Ekstraksi Cair – cair Ekstraksi(1) Mekanisme proses Ekstraksi(2) Faktor-faktor yang mempengaruhi

kecepatan Ekstraksi(3) Perpindahan massa(4) Metode operasi Ekstraksi(5) Metode perhitungan stage




(6) Efisiensi plate untuk EkstraksiLeaching untuk zatcair-padat

Leaching(1) Mekanisme proses leaching(2) Faktor-faktor yang mempengaruhi

kecepatan ekstraksi

(3) Perpindahan massa(4) Metode operasi(5) Metode perhitungan stage(6) Efisiensi plate untuk Leaching

Proses pemisahandengan membran



SEKILAS TENTANG PENULISI. Data Pribadi1. Nama : Dr. Ir. Suhendrayatna, M.Eng.2. Tempat, Tanggal Lahir : Banda Aceh, 1 Januari 19673. Pekerjaan : Dosen Fakultas Teknik Universitas Syiah Kual

4. Jenis Kelamin : Laki-laki

5. Alamat : Jln. Batara Utama No. 37 Komplek Perum Lembah Hijau, Desa Cot Mesjid, Kec.Leungbata, Banda Aceh. Telp. 0651-22548 HP: 08126911823

II. Riwayat Pendidikan

No Jenjang Pendidikan Tempat Tahun Ijazah/Titel Bidang Keahlian

1. SD Negeri 22 Banda Aceh 1979 Ya -2. SMP Negeri 1 Banda Aceh 1982 Ya -3. SMA Negeri 2 Banda Aceh 1985 Ya -4. UNSYIAH Banda Aceh 1991 Ya/IR. Teknik Kimia5. Kagoshima Univ. Jepang 1998 Ya/M. Eng Kimia Terapan6. Kagoshima Univ. Jepang 2001 Ya/Dr. Eng Teknik Lingkungan (Logam

berat dan limbah B3)

III. Pengalaman penelitian dan pekerjaan

1. Studi tentang penyaringan air dengan menggunakan fixed bed filtration. (Banda Aceh, 1992).

2. Anggota tim peneliti Penyajian Informasi Lingkungan (PIL) PLTD Tapaktuan (Banda Aceh, 1992 –1993)3. Anggota tim peneliti Penyajian Informasi Lingkungan (PIL) PLTD Aceh Tenggara (Banda Aceh,

1992 – 1993)4. Anggota tim peneliti Studi Kualitas Udara di Kota Kagoshima Jepang (Kagoshima, 1997-2001)5. Ketua Laboratorium Operasi Teknik Kimia, Universitas Syiah Kuala (1993-1996)6. Sekretaris Proyek HEDS/DGHE-JICA Fakultas Teknik Universitas Syiah Kuala (1993-1996)7. Aktif dalam pengelolaan Laboratorium Bioenvironmental Engineering pada Kagoshima University,

Japan (1996-2001)8. Mengikuti seminar internasional mengenai pengelolaan dan pengolahan limbah beracun (Tokyo,

Japan, 1997)9. Mengikuti seminar internasional mengenai pengelolaan dan pengolahan limbah beracun

(Hiroshima, 2000)10. Aktif sebagai Teaching Assistance pada Kagoshima University, Japan (1996-2001).

11. Ketua Laboratorium Operasi Teknik Kimia, Universitas Syiah Kuala (2001- sekarang)12. Staf Ahli Badan Pengendalian Dampak Lingkungan (BAPEDALDA-NAD) Tahun 2002 – sekarang. 13. Ketua Tim Peneliti Toxicity Chracteristic Leaching Procedure (TCLP) dan Lethal Dose 50 Percent

(LD-50) limbah sludge Pertamina DOH Rantau (2002).14. Ketua Tim Peneliti Sampling and Analyzing The Unused Drilling Waste at Drilling Warehouse

Landing ExxonMobil Oil Indonesia Inc., Lhoksukon, Aceh Utara (2002)15. Anggota Tim Ahli Studi Kelayakan industri Air Mineral Sabang (2003)16. Sekretaris Tim MONEV Project DUE-like Unsyiah (2003)17. Ketua Tim Peneliti Bahan Beracun dan Berbahaya pada Copper Slag PT. SAI – Lhoknga Aceh

Besar (2003)18. Anggota Tim Ahli Studi Kelayakan Penggunaan Kembali Air Blowdown Boiler dan Air Limbah

Domestik PT. Arun, Lhokseumawe, Aceh Utara (2003)19. Ketua tim pemindahan dan re-install peralatan TOC Analyzer pada PT. AAF Lhokseumawe (2003)

20. Anggota tim re-install peralatan Laboratorium Badan Pengendalian Dampak Lingkungan(BAPEDALDA) Nanggroe Aceh Darusslam (2003)





5

21. Anggota tim penyusunan Study Kelayakan Kawasan Industri Blang Ulam, Kapet-Bandar

Darussalam (2003)22. Ketua Tim MONEV Internal Unsyiah (2004 – sekarang)

IV. Pelatihan-Pelatihan

1. Pelatihan Environmental Safety and Laboratory Management, Kagoshima, Japan (1999)2. Pelatihan Hazardous waste Management, Hiroshima, Japan (2000)3. Pelatihan Heavy Metals waste Management, Miyazaki, Japan (2001)4. Pelatihan Air Pollution Control, Kagoshima (2001)5. Pelatihan Keselamatan Kerja dan Manajemen Laboratorium, Medan, Indonesia (2002)6. Pelatihan Dasar-dasar AMDAL (A), Banda Aceh, Indonesia (2002)

V. Publikasi Ilmiah1. Suhendrayatna, A. Ohki, T. Kuroiwa and S. Maeda, Arsenic compounds in the freshwater green

microalgae, Chlorella vulgaris after exposure to arsenite, Applied Organometallic Chemistry , 13,127-133 (1999).

2. Suhendrayatna, A. Ohki and S. Maeda, Arsenic accumulation, transformation, and tolerance onthe freshwater, Daphnia magna, Toxicological and Environmental Chemistry , 72, 1-11 (1999).

3. Suhendrayatna, A. Ohki and S. Maeda, Studies on the accumulation and transformation ofarsenic in freshwater organisms: I. Accumulation, transformation and toxicity of arseniccompounds on the Japanese Medaka, Oryzias latipes, Chemosphere, 46, 319-324 (2002).

4. Suhendrayatna, A. Ohki and S. Maeda, Studies on the accumulation and transformation ofarsenic in freshwater organisms: II. Accumulation and transformation of arsenic compounds byTilapia mossambica , Chemosphere, 46, 325-331 (2002).

5. Suhendrayatna, A. Ohki and S. Maeda, Biotransformation of Arsenite in the freshwater foodchain models, Applied Organometallic Chemistry , 15, 277-284 (2001).

6. Suhendrayatna, A. Ohki, T. Nakajima, and S. Maeda, Metabolism and organs distribution of

arsenic in the the freshwater fish Tilapia mossambica , Applied Organometallic Chemistry, 15,566-571 (2001).

7. Suhendrayatna, A. Ohki and S. Maeda, Studies on the accumulation and transformation ofarsenic in freshwater organisms: III. Accumulation and transformation of arsenic compounds byfreshwater shrimp, Neocaridina denticulata , Chemosphere (2003) under review.

8. Suhendrayatna, M. Zaki, Faisal, Pengolahan limbah industri dengan menggunakan upflowanaerobic reactor kombinasi sludge bed dan filter bed, Proceedings HEDS SST 96 Seminar onScience and Technology 96 , 135-138 (1996).

9. Suhendrayatna, The future aspect of bioaccumulation of arsenic by freshwater green microalgae,Chlorella Sp., Proceedings of Symposium Tekno 98 , Indonesian Studens Forum For Science andTechnology in Japan, Nagaoka-Japan, ISSN 0853-7747, pp. 242-245 (1998).

10. Suhendrayatna, A. Ohki and S. Maeda, Bioaccumulation and toxicity of arsenic compounds onD. magna , Proc. the 7th Scientific Meeting (Osaka) ISSN 0918-7685, pp. 206-209 (1999).

11. Suhendrayatna, A. Ohki and S. Maeda, Accumulation of arsenic compounds by freshwatershrimp, Proc. the 8 th Scientific Meeting (Hiroshima) , ISSN 0918-7685, pp. 261-264.

12. Suhendrayatna, A. Ohki and S. Maeda, Bioaccumulation of arsenic in D. magna fed a diet ofarsenous freshwater algae, Proc. the 9th Scientific Meeting (Hamamatsu) ISSN 0918-7685, pp.193-196 (2000).

13. A.T. Sugiarto, A. Haryono, D. Sudiana dan Suhendrayatna, Peranan Pemerintah, Pengusahadan Masyarakat dalam Mengatasi Permasalahan Lingkungan Hidup. Proceeding of Agri-Biosche2000 , March 5, Chiba University, Japan (2000).

14. Suhendrayatna, Bioremoval of Heavy Metals by Microorganisms, Proceedings of IndonesianScientific Meeting on Science and Technology 1998, ISSN 1343-2451, Indonesian Student

Association in Japan Korda Kyushu, 25-35 (1999)15. Suhendrayatna, Muhammad Zaki and A. Ohki, Bioakumulasi senyawa arsen oleh Yeast,

Saccharomyces serevisiae , Rekayasa Kimia dan Lingkungan , 1, 7-12 (2002).16. Suhendrayatna, Akumulasi Senyawa Arsen oleh C. vulgaris , Proc. Seminar Computational

Mechanics and Numerical Analysis , April 2002, pp. 87-92, Banda Aceh (2002)23. Suhendrayatna, Moesa S., Faisal, Supriyanto, Sulaiman S., Boiran, Uji Toxicity Characteristic



Leaching Prosedure dan Lethal Dose 50 Percent dari Sludge di LL-KK/PLM Pertamina DOH

Rantau , PPLH-Unsyiah (2002).24. Suhendrayatna, Faisal, dan Huzaimi, A., Pengujian Bahan Beracun dan Berbahaya pada CopperSlag PT. SAI-Lhoknga Aceh Besar , Fakultas Teknik Unsyiah (2002).

25. Suhendrayatna, Toksisitas dan Metabolisme Logam Arsen Pentavalen pada Udang Galah,Macrobrachium rosenbergii, Jurnal Rona Lingkungan Hidup , ISSN: 1412-7709, Vol. 1, No. 2, 29-36 (2002).

26. Suhendrayatna, Aisyah, C., Iswandi, dan Fadli, Immobilisasi Senyawa Khromium Hexavalent pada Semen, Proceeding of National Conference on Chemical Engineering Sciences and Applications 2003, 272-278 (2003).

27. Suhendrayatna dan Zaki M., Prospek Aplikasi Proses Bioakumulasi Senyawa Arsen OlehMikroalgae, C. vulgaris , Proceeding of National Conference on Chemical Engineering Sciences and

Applications 2003, 62-65 (2003).28. Suhendrayatna, Viena, V., dan Sarah, S., Isolasi Bakteri Yang Memiliki Daya Tahan Terhadap

Logam Berat Timbal dan Merkuri dari Tanah Terkontaminasi , Proceeding of National Conference

on Chemical Engineering Sciences and Applications 2003, 148-154 (2003).29. Suhendrayatna, Iswandi, dan Fadli, Penambatan Logam Khromium pada Briket Semen Dalam

Upaya Penanganan Limbah Khromium di Lingkungan , Jurnal Rona Lingkungan Hidup , ISSN:1412-7709, Vol. 2, No. 1, 26-31 (2003).

30. Suhendrayatna, Huzaimi, A., Sarah, S., dan Viena, V., Karakteristik Bakteri Hasil Isolasi dariTanah Tanah Terkontaminasi Logam Berat: Studi Pendahuluan Bioremediasi TanahTerkontaminasi, Jurnal Rona Lingkungan Hidup , ISSN: 1412-7709, Vol. 2, No. 2, 26-35(2003).

31. Suhendrayatna, Zaki, M., Hakim, A.R., Al-Harist, Bioakumulasi dan Toksisitas Logam TimbalTerhadap Ikan Plati (Oryzias latipes ), Jurnal Reaksi , ISSN: 1693-248X, Vol. 1 No.2, 7-15 (2003).

32. Suhendrayatna, Afnizar Huzaimi, Raihanah, dan Nurmala Dewi, Pengaruh Toksid TanahTerkontaminasi Logam Berat dan Hidrokarbon Terhadap Kehidupan Cacing Tanah Merah( Allobophora caliginosa ), Jurnal Rona Lingkungan Hidup , ISSN: 1412-7709, Vol. 3, No. 1, 1-9(2004).

33. Suhendrayatna, Saifullah Ramli, Marlina, dan Lismawarni, Toleransi dan Pengambilan LogamKhromium Oleh Ikan Plati (Oryzias latipes) , 2004, Jurnal Rona Lingkungan Hidup , ISSN: 1412-7709, Vol. 3, No. 2, 26-35(2004).

34. Suhendrayatna, Mukhtaruddin, Fatmawati, Rismayati, dan Kamalia Fauzi, Bioakumulasi LogamKhromium Oleh Yeast, Saccharomyces cerevisiae , 2004, Jurnal Teknologi Terpakai , Volume 2,Nomor 1, 17-22, 2004

35. Suhendrayatna dan Elvitriana, Pendugaan Nilai LC50 Logam Timbal Terhadap Ikan Plati (Oryziaslatipes) Dengan Metode Probit Busvine – Nash, Proc. Seminar Computational Mechanics andNumerical Analysis , Juli 2002, pp. 39-45, Banda Aceh (2004)

IV. Pengalaman Keprofesian1. Persatuan Insinyur Indonesia (PII) Cabang Banda Aceh, Anggota (1990 – sekarang)2. Japan Arsenic Scientist Society, Anggota (1998 – sekarang)3. Editor pada Proceedings of Indonesian Scientific Meeting on Science and Technology 1998 –

1999.4. Editor pada Proceedings of Seminar Computational Mechanics and Numerical Analysis (CMNA) 5. Editor pada Jurnal Rekayasa Kimia dan Lingkungan (2002 – sekarang)

Modul Operasi Teknik Kimia 3

Documents

Transcript of Modul Operasi Teknik Kimia 3