DIAGRAM KESEIMBANGAN FASE PADA DISTILASI BINER
Jaime Wisniak
Department of Chemical Engineering
Ben-Gurion University of the Negev
Beer-Sheva, 84120 Israel
Data keseimbangan Uap-cair dapat disajikan dalam kumpulan koordinat yang berbedda untuk menjelaskan dan mengukur tingkatan pada proses distilasi. Kita akan menyusun masing-masing grafik menggunakan batasan yang telah ditentukan secara termodinamika dan menggambarkan arti fisiknya. Hubungan antara jumlah tiap fase akan ditentukan menggunakan Lever-rule.
DIAGRAM FASE
Pemisahan dari campuran cairan menjadi komponen-komponennya adalah salah satu proses terpenting di industri kimia. Prosedur yang umum untuk melakukan pemisahan ini adalah distilasi, sebuah operasi yang berdasr pada feomena fisik dimana uap dan cairan berada pada kondisi komposisi setimbang yang biasanya berbeda. Nyatanya, bagian yang menguap dari fase cairnya telah dihasilkan pada pemisahan parsial pada awal pencampuran. Tingkat dari pemisahan akan ditentukan dengan keseimbangan antara fase uap dan cairan. Hubungan antar komposisi dari kedua fase pada keseimbangan biasanya disajikan dengan diagram keseimbangan fase. Metode penyajiannya harus tetap dengan jumlah variable yang bersangkutan. Gibbs menampilkannya dalam keadaan seimbang beserta sejumlah fase, berikut hubungan yang relevan:
F= C + 2 – P ……………………….(1)
Diman F adalah jumlah derajat kebebasan, atau variable bebas. C adla jumlah komponen dan P adlah jumlah fase saat ini.
Penyajian grafis dari data akan bergantung dari nilai F dan kita dapat memperkirakannya dan plotting akan meningkat lebih kompleks sebagaimana membesarnya nilai F. Tafsiran tampilan dari grafis biasanya membatasinya pada nilai F = 2, itulah sebabnya disebut system biner.
Kebanyakan proses distilasi di industry dilaksanakan pada tekanan relative konstan, dan untuk alasan ini diagram
keseimbangan fase di tampilkan pada isobar. Dengan suhu dan komposisi pada koordinatnya.
DIAGRAM SUHU-KOMPOSISI
Diagram khusus suhu-komposisi ditunjukkan dalam Figure 1. Garis lengkung
ABC menunjukkan komposisi cair jenuh dan AEC komposisi fase uap jenuh. Untuk alasan itu akan menjadi sedikit lebih jelas, diagram ini juga disebut diagram boiling point. Untuk paham arti dari diagram kita akan menunjukkan beberapa proses dan melihat bagaimana itu dapat disajikan dalam diagram suhu-komposisi.
Anggap suatu cair campuran G dengan komposisi xo dan suhu T0. Jika mulai dipanaskan, maka suhunya akan naik mencapai nilai T1 pada kurva ABC. Ini menandakan bahwa campuran telah mencapai suhu jenuhnya sehinggapemanasan lebih lanjut akan menyebabkan mendidih. Suhu T1 kemudian dapat di asumsikan sebagai suhu dimana pertama kali gelembung uap muncul, dan untuk alas an ini disebut titk didih dari cairan pada komposisi x0. Kita telah menunjukkan sebelumnya bahwa biasanya fase uap akan akan mempunyai perbedaan komposisi dari komposisi fase cairnya. Komposisi ini sesuai dengan y0 dan diperoleh dengan menggambar garis mendatar (horizontal) pada T1 sampai memotong kurva ABC. Pemanasan selanjutnya akan meningkatkan jumlah fase uap saat ini dan sebagai akibatnyta akan mengubah komposisi dari fase cairnya. Akhirnya, semua fase cair akan menguap dan karena tidak ada material yang hilang, komposisi uap akhir akan sama dengan campuran cair asli/awal (titik E). Ini menunjukkan bahwa meskipun komposisi dari tiap fase berubah terus menerus selam proses penguapan, komposisi keseluruhan dari system adalah tetap atau konstan. Penambahan panas akan menyebabkan uap kelebihan beban sampai itu mencapai tahapan pada titik F.
Sekarang kita dapat membalikkan proses sebagai berikut. Dimulai dengan uap lewat jenuh F pada suhu T2 kita dinginkan sampai titik E pada kurva AEC. Di sini uap menjadi jenuh sehingga pendinginan lebih lanjut akan menyebabkan fase cair muncul. Suhu T3 dapat di asumsikan sebagai suhu dimana pertama kalinya cairan tampak dan untuk alas an ini disebut titik embun dari uap pada komposisi y0.
Sejak titik awal telah berubah ubah, beberapa penyusunan awal komposisi x0 atau y0 dapat diperlakukan menjadi proses yang dijelaskan di atas. Dengan kata lain, kurva ABC bias didefinisikan sebagai kurva titik didih dan kurva AEC sebagai kurva titik pengembunan. Kemudian kita dapat membagi grafik T-x-y menjadi tiga wilayah: 1) Di bawah kurva ABC menunjukkan campuran dalam keadaan cair dingin; b) wilayah di atas AEC menunjukkan uap lewat jenuh; c) area di antara dua kurva yang berhubungan adlah campuran jenuh dari keseimbangan uap-cair.
Itu memungkinkan untuk menghitung proporsi relatif pada saat
keduanya fase jenuh? Untuk menjawab pertanyaan ini, kita
harus mengingat bahwa pendinginan atau pemanasan tidak mengubah komposisi keseluruhan system Calling (T,xAT) jumlah mol total dan komposisi system pada fase cair (L,xAL) dan fase uap dalam keseimbangan (V,yAL), didapat:
Neraca Total Bahan:
T = L + V ……………………………………(2)
Neraca Bahan Komponen A:
T.xAT = L.xAL + V.yAV………………(3)
Gantikan nilai T pada persamaan 3 dan disusun kembali, didapat:
…...…….(4)
Persamaan 4 ini dikenal sebagai inverse lever-rule dan akan membantu kita menhitung jumlah relative dari tiap fase.
DIAGRAM KOMPOSISI
Cara lain untuk menggambarkan perbedaan komposisi dari fase cair dan fase uap adalah dengan menggambarkan / meng plotkan satu dengan yang lain, biasanya dengan komponen yang lebih volatil. Gambar 2 menunjukkan jenis diagram komposisi. Garis 45* menunjukkan uap dengan komposisi sama dengan bentuk cairnya, jadi kurva yang lebih lebar menunjukkan pemisahan dari ini (cair-uap), bagian yang lebih lebar merupakan perbedaan diantara 2 fase. Ini harus dicatat bahwa perbedaan kesetimbangan, suhu berhubungan dengan tiap titik dalam kurva. Normalnya suhu ini tidak terindikasi
Gambar 1 dan 2 menunjukkan yang disebut system normal. Bila komponen memiliki perbedaan sifat fisik atau interaksi kimia yang kuat, maka akan terjadi perbedaan dalam diagram suhu-komposisi dan diagram komposisinya, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3.
Gambar 3(a) dan 3(b) menunjukkan system azeotrop. Campuran ini , dimana ada komposisi kritis
Posisi Xa dimana fase uap dan fase cair mempunyai komposisi yang sama, jadi tidak terjadi perubahan saat pemanasan di lakukan. Larutan tersebut disebut Azeotrop dan untuk memisahkan larutan tersebut dilakukan beberapa metode yang special. Gambar 3(a) menunjukkan bahwa titik didih dari larutan adalah maksimum, yang disebut dengan Maximum Boiling Azeotrop.
Gambar 3(b) menunjukkan hal yang sama, yang disebut dengan Minimum Boiling Azetrop. Dari defenisi kata azeotrop, kita dapat mengetahui bahwa kurva komposisi akan menunjukkan Cross over point pada 45
Jika interaksi antara komponen-komponen cukup kuat, pemisahan fase cair dapat terjadi.(Gambar 3(c)). Dalam immisible region 2 fase cairan terjadi dan fase ini mengindikasikan bahwa boiling temperature dari larutan sama seperti komposisi dari fase uap yang konstan. Hubungan antara komposisi dari 2 fase ditunjukkan dalam gambar 3(f)
EFEK TEKANAN DALAM KESETIMBANGAN FASE
Kita telah menyebutkan sebelumnya diagram fase biasanya dikonstruksikan untuk tekanan yang tetap. Apa yang akan terjadi bila kita mengubah tekanan operasi? Dalam kondisi yang umum, kita dapat mengatakan bahwa kelakuan kualitatif dari diagram akan tetap sama sampai tekanan dari system melebihi tekanan kritis dari satu komponen. Dalam jangkauan tekanan antara dua tekanan kritis, system akan dapat menjadi fase cairan saja melebihi jangkauan komposisi dimana fase cair terjadi. Dalam kata lain, bentuk yang umum dari diagram akan tetap sama, diagram tak digunakan untuk komposisi dibawah 0 sampai 1,0. Kenaikan tekanan akan menurunkan jangkauan ini sampai suatu saat akan menghilang sempurna.
MENGOLAH DATA KESEIMBANGAN UAP-CAIR
Sejauh ini, kita telah mengkaji secara mendalam mengenai grafik keseimbangan uap-cair yang ditampilkan. Pertanyaan penting yang akan dijawab : Bagaimana mengolah data-data ini? Ini tidak semudah teknik percobaan karena kita membutuhkan tekanan yang tetap dan temperature dan komposisi yang tepat. Peralatan yang biasa digunakan untuk tujuan ini disebut “Equilibrium Stills” dan dibuat dalam banyak tipe yang membedakan terutama dalam 2 fase dan prosedur sampel. Meskipun kita tidak dapat mengatur terus semua detail disini, kita dapat membaca book dari “Hala et al), yang mungkin terbaik dalam hal ini.
LITERATURE DATA
Data keseimbangan Fase uap cair untuk system dua atau multi komponen telah secara ekstensif di laporkan. Perry’s Handbook(2) tersedia semua hal-hal yang dibahas mengenai Keseimbangan fase uap-cair.
LITERATUR
Hala, E, J, J Pick, V. Fried, O. Vilim. “Vapor-Liquid Equilibrium”, 2nd Ed. Pergamon Press, London (1967)
Perry, R, H. C.H Chilton, Editors. “Chemical Engineers Handbook”, 5th Ed. Mc Graw-Hill Book Co, New York (1973)
Wichterie, I.,J. Linck, E.Hala. “vapor-Liquid Equilibrium data Bibliogrpahy”, Elsevier, Asterdam(1973)
Ibid., Supplement I. (1976).
BUKU YANG DISARANKAN DIBACA
Findley, A., “The Phase Rule”. Chapter 7, Dover Publications, New York (1951).
STUDI KASUS
1. Sebuah system dengan komposisi dari air, methanol dan etanol berada dalam keseimbangan pada suhu 50 C. Berapa banyak fase yang akan terjadi? Berapa banyak derajat kebebasan yang dimiliki system ini?
2. Kamu menambahkan sedikit gula pada system ini. Bagaimana dengan jawabanmu?
3. Berdasarkan Gambar 1. Dalam tujuan apa point E berpindah selama proses kondensasi? Bagaimana anda menjelaskan bila itu berubah ke point H?
4. Berdasarkan gambar 3(b). Apa yang anda dapat katakana tentang ratio y/x?
5. Asumsikan sebuah system dapat terpisah dalam 2 fase cair. Dimana kurva komposisi cair berakhir?
5. Bagaimana kamu akan mengaplikasikan hokum lever kedalam system seperti dalam gambar 3(c), pada temperature dimana 2 fase cair terjadi?
TUGAS
Berikut informasi mengenai keseimbangan cair-uap dari benzene-toluene pada tekanan atmosfer.
Temperature 0C Mole fraksi Benzene
x y
110.6 0 0
108.3 5 11
106.2 10 20.9
104.2 15 29.7
102.2 20 37.7
98.5 30 51
95.3 40 62
92.2 50 71.5
89.5 60 79
86.9 70 85.5
84.6 80 91
82.3 90 96
80.1 100 100
1. Plot diagram temperature-komposisi (T-x-y) dan Diagram Komposisi (x-y)
2. Sebuah plate dalam kolom distilasi mengandung 100 mol larutan cair jenuh, 75% mol Toluene, dan 25 % mol benzene. Larutan ini dibawa dan dikontakkan dengan 50 mol larutan uap jenuh dan 44,5% mol benzene. Hitung komposisi akhir melalui metode numeric dan grafik
3. Uap Benzene-Toluene mengandung 60% mol benzene didinginkan dari 105 C menjadi setengah ketika larutan ini menguap. Jabarkan proses ini dalam Diagram T-x-y dan tentukan suhu terakhir dan komposisi tiap pase.
KESEIMBANGAN UAP-CAIR SECARA ISOTERMAL UNTUK CAMPURAN-CAMPURAN BINER YANG TERLIBAT DALAM DISTILASI ALKOHOL
Maria Teresa Sanz ,Jurgen Gmehling
Department of Chemical Engineering, University of Burgos, 09001 Burgos, Spain
Department of Industrial Chemistry, University of Oldenburg, Germany
Abstrak
Data keseimbangan uap-cair secara isothermal untuk lima sistem biner etil asetat + 3-metil-1-butanol, etanol + 3-metil-1-butanol, etil asetat + 2-metil-1-butanol, etanol+ 2-metil-1-butanol, etil asetat + 2-metil-1-propanol,yang terlibat dalam distilasi alkohol ditentukan secara eksperimen dengan menggunakan headspace gas kromatografi. Komposisi fasa cair dikoreksi secara iterasi dengan menggunakan sebuah model G . Tetapi, karena perbedaan densitas antara cairan dan uap besar, maka koreksi untuk komposisi fasa cair dapat diabaikan. Semua campuran biner menunjukkan deviasi positif dari Hukum Raoult. Data eksperimen keseimbangan uap-cair diperkirakan dengan menggunakan model UNIFAC (Dortmund) yang telah dimodifikasi.
Kata kunci : keseimbangan uap-cair, headspace kromatografi, distilasi alkohol
1.Pendahuluan
Distilasi etanol sintetik membutuhkan energi lebih sedikit daripada pemurnian etanol hasil fermentasi berdasarkan konsentrasi terendah yang diperoleh dari proses fermentasi. Untuk mensimulasi dan mengoptimasi pemurnian etanol hasil fermentasi dibutuhkan data keseimbangan uap-cair campuran-campuran yang terlibat dalam proses fermentasi. Produk fermentasi terutama aldehid, eter, dan metanol lebih volatil daripada etanol, alcohol yang lebih tinggi(fusel oil) biasanya sedikit volatil daripada etanol [1]. Komponen utama fraksi fusel oil terdiri dari C , C , dan C alkohol alifatik. Pada penelitian ini, keseimbangan uap-cair secara isothermal untuk masing-masing campuran biner yang terlibat dalam proses distilasi etanol hasil fermentasi telah ditentukan.
Pada penelitian ini, teknik headspace gas kromatografi (HSGC) digunakan untuk mengukur keseimbangan uap-cair secara isothermal. Kolb [2,3] menunjukkan bahwa headspace gas kromatografi berguna tidak hanya untuk kepentingan analisa [2],, namun menyediakan alat untuk mendapatkan data termodinamika yang terpercaya[3]. Beberapa keuntungan lain metode ini untuk mengukur keseimbangan uap-cair telah dijelaskan oleh Oh dan Park [4] dan termasuk analisa sampel dengan cepat, kemampuan untuk bekerja pada konsetrasi sampel yang rendah dan pada gangguan minimum keseimbangan oleh proses sampel.
Pada penelitian ini, keseimbangan uap-cair secara isothermal untuk sistem -sistem etil asetat + 3-metil-1-butanol, etanol + 3-metil-1-butanol, etil asetat + 2-metil-1-butanol, etanol+ 2-metil-1-butanol, etil asetat + 2-metil-1-propanol diukur dengan menggunakan headspace gas kromatografi (HSGC). Data percobaan keseimbangan uap-cair dikorelasikan dengan persamaan Wilson dan dibandingkan dengan nilai hasil prediksi dari model UNIFAC yang telah dimodifikasi.
2.Metode Penelitian
2.1 Bahan-bahan
2-metil-1-butanol disuplai oleh Aldrich dengan kemurnian 99.3%, kemudian dimurnikan lagi dengan menggunakan disilasi vakum sehingga diperoleh kemurnian akhir sebesar 99.8%, seperti yang terukur oleh gas kromatografi (GC). Bahan-bahan kimia lain digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut. Setelah kemurnian bahan-bahan lain diperiksa denga menggunakanGC, pada semua kondisi kemurniannya lebih tinggi daripada 99.7%: etanol (VWR, Normapur), 3-metil-1-butanol (Aldrich), 2-metil-1-propanol (Fluka) dan etil asetat (Scharlau). Semua bahan disimpan setelah melalui ayakan molekuler.
2.2 Alat-alat dan Prosedur Penelitian
keseimbangan uap-cair untuk sistem biner ditentukan dengan menggunakan headspace gas kromatografi (HSGC). HSGC terdiri dari gas kromatograf (Hewlett Packard GC 6890 N) dan sebuah headspace sampler (Hewlett Packard G1888).
Untuk menentukan keadaan isotermal keseimbangan uap-cair, kolom(ca.21 cm ) diisi secara gravimetri dengan larutan yang merupakan korespondensi dari sistem biner. Sampel sistem biner disiapkan dengan menggunakan timbangan analitik digital Sartorius, CP 225D, dengan keakuratan sampai 10 g. Kolom tersebut harus ditutup rapat dengan menggunakan karet septum penekan dengan tutup aluminium khusus untuk memastikan bahwa tidak ada gas headspace yang lolos. kolom tersebut diletakkan di 70 sampler tray dan tungku tempat kolomdiatur secara otomatis sehingga keseimbangan antara fasa uap-cair dapat dicapai. Setelah tercapai keseimbangan, sampel uap diambil, dipindahkan dan dianalisa dalam GC. Sistem sampling termasuk pemeriksaan sampling bagian stainless steel kolom yang terdeaktivasi. Kolom diisi kira-kira setengahnya (10 cm ) untuk menghindari sampel uap yang akan diperiksa kontak dengan fasa cair selama proses sampling berlangsung. Garis transfer menghubungkan headspace sampler ke GC dan jarum yang bisa dipindahkan memudahkan terjadinya kontak permukaan dengan GC inlet septa. Komposisi fasa uap ditentukan dari daerah puncak kromatogram.
Analisa fasa uap dilakukan dengan menggunakan detektor ionisasi nyala.
Sebelum mengukur data keseimbangan uap-cair, waktu untuk mencapai keseimbangan untuk setiap sistem yang diukur harus ditentukan. Untuk itu, perlu disiapkan kolom yang lain dengan konsentrasi yang sama, khususnya untuk senyawa yang volatil pada konsentrasi rendah. Sampel-sampel tersebut disimpan dalam tungku headspace untu interval waktu yang berbeda-beda. Ketika daerah puncak pada GC telah konstan, keseimbangan fasa diasumskan telah tercapai.
2.3 Analisa Sampel
Untuk mengukur komposisis fasa uap dan fasa cair dalam keseimbangan terlebih dahulu dilakukan kalibrasi. Kalibrasi dilakukandengan menggunakan gas kromatograf yang sama dengan yang digunakan untuk pengukuran keseimbangan uap-cair; alat tersebut adalah Hewlett Packard (6890) gas kromatograf (GC) dengan detektor ionisasi nyala. Helium 99.999% murni digunakansebagi gas pembawa. Kolom GC berukuran 60 mm x 0.320 mm Agilent, produk dari HP Innovax. Kurva kalibrasi digunakan untuk mengkonversi daerah puncak yang merupakan keseimbangan antara fasa uap-cair menjadi konsentrasi.
Densitas komponen murni dan campuran biner diukur dengan menggunakan Anton Paar densitometer (DMA-4500) dengan akurasi sampai 0,05 kg/ m .
3.Hasil dan Pembahasan
Pada penelitian ini, telah didapatkan data keseimbangan uap-cair pada keadaan isotermal untuk sistem-sistem berikut: etil asetat + 3-metil-1-butanol, etanol + 3-metil-1-butanol, etil asetat + 2-metil-1-butanol, etanol+ 2-metil-1-butanol, etil asetat + 2-metil-1-propanol. Dengan didapatkannya data keseimbangan uap-cair dapat diketahui bahwa komposisi fasa cair dalam keseimbangannya dengan fasa uap tidak berkorespondensi dengan komposisi feed yang dihitung dari jumlah berat, karena sejumlah kecil yang menguap selama proses menuju keseimbangan, megubah mol faksi awal. Komposisi fasa cair akan berubah tergantung pada volatilitas komponen sistem dan volume uap. Mol fraksi fasa cair pada keseimbangan bisa diukur dari mol fraksi fasa uap yang terukur dan sebuah model G .dengan metode iterasi seperti yang diusulkan oleh Weidlich dan Gmehling [5]. Dengan kata lain koreksi untuk fasa cair telah dilakukan dengan menggunakan persamaan keadaan SRK.prosedur iterasi yang digunakan pada penelitian ini dapan dilihat pada gambar 1.
Gambar 1. metode iterasi untuk mengoreaksi komposisi fasa cair pada keseimbangan
Tabel 1.
Konstanta Antoine A ,B ,C
Senyawa Konstanta Antoine
A B C
Etanol 8.20417 1642.89 230.3
Etil Asetat 7.10179 1244.95 217.9
3-Metil-1-butanol 7.3339 1353.3 172.19
2-Metil-1-butanol 7.39206 1383.59 177.86
2-Metil-1-propanol 8.53516 1950.94 237.147
Tabel 2
Data densitas dan molar volum excess VE dari system Ethyl acetate (1) + 3-methyl-1-butanol (2) pada 332.7 K
x1 ρ(g.cm-3) VE(cm3.mol-1) x1 ρ(g.cm-3) VE(cm3.mol-1)
0.0000 0.77814 - 0.5339 0.81250 0.4096
0.0501 0.78094 0.0811 0.5891 0.81660 0.4031
0.1087 0.78425 0.1760 0.6597 0.82196 0.3866
0.1714 0.78810 0.2373 0.7088 0.82591 0.3515
0.2296 0.79181 0.2804 0.7693 0.83072 0.3238
0.2900 0.79560 0.3379 0.8286 0.83579 0.2574
0.3561 0.79989 0.3874 0.8882 0.84096 0.1910
0.4088 0.80356 0.3982 0.9488 0.84643 0.1031
0.4659 0.80759 0.4072 1.0000 0.85136 -
Table 3
Data isothermal VLE dari system Ethyl acetate (1) + 3-methyl-1-butanol (2) pada 332.7 K.
x1 y1 x1 y1 x1 y1
0.0297 0.4328 0.2803 0.8659 0.6306 0.9438
0.0598 0.5920 0.3230 0.8762 0.6791 0.9526
0.0901 0.6961 0.3601 0.8890 0.7308 0.9577
0.1010 0.7182 0.4016 0.9044 0.7795 0.9669
0.1200 0.7473 0.4400 0.9125 0.8298 0.9731
0/1592 0.7931 0.4781 0.9199 0.8783 0.9809
0.1993 0.8242 0.5288 0.9281 0.9279 0.9890
0.2395 0.8445 0.5757 0.9383 0.9788 0.9972
Persamaan Antoine. Koeffisien Antoine (Ai, Bi dan Ci) diperoleh dari Bank Data Dortmund sesuai dengan Tabel 1 [8]. Fraksi mol awal dari fase cair dapat diperoleh dengan persamaan :
x_(1 =)^0 (m_1/MW_1)/( 〖(m〗_1/MW_1)+ 〖(m〗_2/MW_2)) (1)
Keterangan :
mi : berat massa dalam gelas kecil
MWi : berat molecular komponen i.
Komposisi kesetimbangan cairan dapat dihitung melalui :
x_1= (n_1- ∆n_1)/((n_1- ∆n_1 )+ 〖(n〗_2- ∆n_2)) (2)
dimana Δni adalah mol dari komponen i pada fase uap.
Objective function dapat ditulis seperti berikut ini :
O.F.= ∑_i^N▒[(y_i/x_i )_exp- (y_i/x_i )_calc ]_j (3)
dimana N adalah jumlah data percobaan dan j adalah jumlah component.
Table 4
Data isothermal VLE dari system Ethanol (1) + 3-methyl-1-butanol (2) pada 332.95 K.
x1 y1 x1 y1 x1 y1
0.0217 0.2135 0.2201 0.7674 0.7502 0.9696
0.0448 0.3585 0.2940 0.8345 0.8186 0.9791
0.0925 0.5607 0.3652 0.8682 0.8901 0.9860
0.1403 0.6603 0.4001 0.8871 0.9195 0.9874
0.1496 0.6803 0.5011 0.9211 0.9598 0.9938
0.1786 0.7178 0.5367 0.9339
0.1835 0.7223 0.6788 0.9588
Table 5
Data isothermal VLE dari system Ethyl acetate (1) + 2-methyl-1-butanol (2) pada 332.75 K.
x1 y1 x1 y1 x1 y1
0.0107 0.1794 0.2901 0.8561 0.6886 0.9508
0.0299 0.3960 0.3395 0.8764 0.7397 0.9586
0.0590 0.5503 0.3889 0.8897 0.7897 0.9647
0.0893 0.6506 0.4390 0.9033 0.8313 0.9719
0.1195 0.7166 0.4891 0.9134 0.8898 0.9807
0.1621 0.7711 0.5399 0.9258 0.9397 0.9897
0.1893 0.7909 0.5902 0.9343 0.9801 0.9961
0.2400 0.8293 0.6397 0.9378
Berdasarkan volatilitas komponen, koreksi terbesar komposisi fase cair pada data kesetimbangan ditemukan pada komposisi yang lebih rendah dari komponen yang paling volatile (ethanol atau ethyl acetate). Sedangkan koreksi pada system biner, komposisi yang berisi ethyl acetate sedikit lebih tinggi daripada campuran yang berisi ethanol. Pada banyak kasus, untuk memperbesar perbedaan molar volum cairan dan uap, koreksi pada fase cair diabaikan. Dari banyak penelitian, deviasi relative komposisi cairan awal dan komposisi cairan sebenarnya selalu lebih rendah dari 0.45%. Pada percobaan ini, koreksi pada fase cair telah diminimalkan dengan mengisi gelas botol kecil sekitar setengahnya. Penulis lain [3,9] mengasumsikan bahwa komposisi fase cair pada kesetimbangan sama dengan kondisi awal yang ditentukan secara gravimetric. Asumsi ini dikarenakan perbedaan yang relative besar antara molar volum uap dan cair. Duce at al.[10] menemukan bahwa ketika suatu senyawa mempunyai absolute koreksi volatilitas yang lebih tinggi maka mol fraksi cairnya bisa mencapai nilai maksimum sampai 0.02.
Table 6
Data isothermal VLE dari system Ethanol (1) + 2-methyl-1-butanol (2) pada 332.75 K.
x1 y1 x1 y1 x1 y1
0.0098 0.1165 0.2303 0.7565 0.6286 0.9399
0.0300 0.2580 0.2696 0.7913 0.7306 0.9592
0.0511 0.3693 0.3486 0.8405 0.7800 0.9675
0.0722 0.4519 0.3903 0.8606 0.8301 0.9754
0.0998 0.5368 0.4298 0.8777 0.8806 0.9829
0.1396 0.6240 0.4787 0.8948 0.9296 0.9896
0.1907 0.7150 0.5292 0.9121 0.9806 0.9971
Table 7
Data isothermal VLE dari system Ethyl acetate (1) + 2-methyl-1-propanol (2) pada 332.7 K.
x1 y1 x1 y1 x1 y1
0.0204 0.1508 0.3440 0.7221 0.7043 0.8894
0.0402 0.2593 0.3888 0.7519 0.7479 0.9064
0.0606 0.3465 0.4350 0.7802 0.8306 0.9353
0.1035 0.4618 0.4800 0.8013 0.8844 0.9548
0.1494 0.5484 0.5242 0.8176 0.9297 0.9724
0.1999 0.6066 0.5698 0.8386 0.9748 0.9903
0.2486 0.6544 0.6146 0.8557
0.2996 0.6931 0.6595 0.8736
Table 8
Parameter interaksi Binari Wilson (K) dan deviasi rata-rata melalui perhitungan dan percobaan fraksi mol fase uap (Δy1)a
Δλ12 (K) Δλ21 (K) Δy1
Ethyl acetate (1) + 3-methyl-1-butanol (2)
239.82 -12.65 0.0038
Ethanol (1) + 3-methyl-1-butanol (2)
71.04 33.40 0.0030
Ethyl acetate (1)+ 2-methyl-1-butanol (2)
176.34 46.60 0.0023
Ethanol (1) + 2-methyl-1-butanol (2)
340.55 -269.39 0.0029
Ethyl acetate (1) + 3-methyl-1-propanol (2)
226.79 2.84 0.0036
a Δy1 = ∑▒〖|y_(1,exp) 〗- y_(1,calc) |/N , N adalah jumlah data.
Untuk system ethyl acetate + 3-methyl-1-butanol, koreksi fase cair merupakan jumlah excess molar volum campuran (VE). VE dihitung melalui densitas murni dan campuran sampel pada temperatur kesetimbangan (332.7 K) berdasarkan persamaan :
V^E= [(x_1 MW_1+x_2 MW_2 )/ρ_m ]- [(x_1 MW_1)/ρ_1 +(x_2 MW_2)/ρ_2 ]…(4)
Keterangan :
xi : mol fraksi
MWi : berat molecular
ρi : densitas murni komponen i
ρm : densitas campuran biner
Pada gambar 2, excess volum molar ethyl acetate + 3-methyl-1-butanol telah dihasilkan. Pada gambar ini excess volum molar menurut Resa et al.[11] berlaku pada 298.15, 303.15, 308.15 K. Dari gambar ini dapat pula dilihat bahwa excess volum molar meningkat dengan meningkatnya temperature seperti yang dilaporkan Resa et al[11].
Redlich-Kister polynomial digunakan untuk menggambarkan komposisi dependen dari data perhitungan VE (tabel 2).
V^E= x_1 x_2 ∑_(k=0)^s▒〖A_k (x_1-x_2 )^k 〗 (5)
Dimana Ak adalah parameter yang menyesuaikan. Parameter diperoleh dari hubungan antara orde dua polynomial yaitu Ao=1.6402, A1=0.1150 dan A2=0.2964 dengan standar deviasi 0.0072 seperti yang didefinisikan berikut ini :
σ= [(∑_i▒(V_cal^E-V_exp^E )_i^2 )/(N-s)]^(1/2) (6)
dimana N adalah jumlah titik data percobaan dan s adalah jumlah parameter yang sesuai (Ak). Komposisi terkoreksi fase cair berdasarkan perhitungan yaitu memperhitungkan atau mengabaikan excess molar volum selama percobaan pengulangan. Pada system lain, excess molar volum tidak diperhitungkan pada percobaan pengulangan untuk memperoleh komposisi fase cair yang benar. Data VLE percobaan untu systemk ethyl acetate +3-methyl-1-butanol ditunjukkan pada table 3 dan digambarkan pada gambar 3 sekaligus dengan perhitungan VLE menggunakan rumus Wilson ( Tabel 8). Tidak ada data isothermal pada system dikarenakan tidak ada literature data isothermal untuk sitem ini.
Pada Tabel 4-7, data VLE untuk penelitian lain pada system biner telah disajikan. Data VLE percobaan ditunjukkan pada gambar 4-7. Pada gambar ini, penghitungan VLE menggunakan persamaan Wilson dengan ditunjukan untuk masing-masing system sebagai tambahan. Parameter Wilson system biner telah disajikan pada table 8 dan berlaku untuk semua system.
Untuk system ethanol + 3-methyl-1-butanol yang isothermal pada suhu 333.15 K [8] ditunjukkan sekaligus bersama dengan data yang tersedia untuk penelitian ini. Perbandingan kedua data VLE (percobaan dan perhitungan) menunjukkan kesesuaian yang bagus. Tidak ada data isothermal untuk system lain, tetapi data VLE isobaric pada tekanan 101.3 kPa dapat ditemukan untuk beberapa system. [8].
Semua system menunjukkan deviasi yang positif terhadap hokum Raoult. System ethyl acetate menunjukkan nilai positif yang lebih besar untuk koeffisien aktivitas daripada system ethanol. System ehanol terlihat hampir ideal dengan koeffisian activity antara 1 dan 1.2.
Pada gambar 3-7 juga memprediksikan data VLE menggunakan model UNIFAC (Dortmund) yang ditunjukkan dengan garis pada tiap gambar. Untuk semua system, telah ditetapkan data VLE percobaan dan terkaan yang telah dimodifikasi dengan sangat baik oleh UNIFAC (Dortmund) [12]. UNIFAC (Dortmund) terlihat sebagai model prediksi yang dapat dipercaya untuk menghitung tingkah laku VLE komponen pada distilasi alcohol.
4. KESIMPULAN
Headspace gas kromatografi telah digunakan untuk menentukan perilaku VLE pada campuran biner yang berbeda selama distilasi alkoholik berlangsung. Koreksi mol fraksi pada kesetimbangan fase cair tidak begitu penting. Seluruh studi tentang system biner menunjukkan deviasi yang positif dari hokum Raoult. Tidak ada azeotrop pada system yang telah diteliti. Data percobaan VLE dibandingkan dengan data perhitungan yang telah dimodifikasi oleh UNIFAC (Dortmund). ini adalah model prediksi yang sesuai dengan desain dan dapat digunakan untuk distilasi alcoholic pada proses bioethanol.
Daftar simbol :
A, B, C, konstanta Antoine
m berat massa pada botol kosong (g)
MW berat molecular (g mol-1)
n jumlah mol
N jumlah poin data percobaan
O.F. objective function
p tekanan (mmHg)
s jumlah parameter yang sesuai pada Redlich-Kister polynomial
VE excess molar volum (cm3 mol-1)
x mol fraksi pada fase cair
y mol fraksi pada fase uap
tulisan Romawi
γ koeffisien aktifitas
ρ densitas (g cm-3)
σ standard deviasi
subscript
cacl perhitungan
exp percobaan
i,1,2 komponene
j jumlah komponen
m campuran
referensi
[1] Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Ethanol, online-version
[2] B. Kolb, J. chromatographi.122 (1976) 553-568
[3] B. Kolb, J. hromatography.112 (1975) 287-295
[4] j.H. Oh, S J. park, J.Chem.Eng. Data 42 (1997) 517-522
[5] U. Weidlich, J.Gmehling, J.Chem.Eng.Data 43 (1998) 1009-1013
[6] J.-H. oh, S-J Park, J.Chem.Eng.Data 43 (1998) 1009-1013
[7] S.J.Park, H.H.Kim, K.J.Han, D.B.Won, S.B.Lee, J.Choi, Fluid Phase Equilibrium. 180(2001) 361-373
[8] Dortmund Data bank, DDBST GmbH, Oldenburg, Germany, 2007, http://www.ddbst.de
[9] H.Takamatsu, S.Ohe, L.Chem.Eng.Data 48 (2003) 277-279
[10] C.Duce. M.R Tine, L.Lepori, E.Matteoli, Fluid Phase Equilibrium.199 (2002) 197-212
[11] J.M.Resa, C.Gonzalez, M.Juez, S.Ortiz de Landaluce, Fluid Phase Equilibrium. 217 (2004) 175-180
[12] J. Gmehling, J.Li, M.Schiller, Ind. Eng. Chem. Res. 32 (1993) 178-193
Penyusunan Diagram
Keseimbangan Fase Pada Distilasi Biner
Jaime Wisniak
Teknik Kimia Universitas Ben-Gurion
Negev Beer-Sheva, 84120 Israel
TUJUAN
Setelah memahami modul ini diharapkan mahasiswa :
Mampu membedakan antara larutan ideal dan nyata.
Mengerti tentang konsep deviasi positif dan negatif dari sifat larutan ideal.
Mengenal persamaan Van Laar dan Redlich-Kister.
Menyusun sebuah diagram (T, x, y) atau (x,y) dari informasi termodinamika dasar.
PRASYARAT KEMAMPUAN MATEMATIS
Tidak ada.
PRASYARAT KEMAMPUAN TEKNIK DAN SAINS
Termodinamika dasar (teori larutan, tekanan uap, dan aktiviti).
Aturan fase.
Penyusunan diagram keseimbangan uap-cair menyiapkan informasi tentang sifat termodinamika larutan. Persamaan akan berkembang untuk menjelaskan sifat larutan ideal dan nyata serta digunakan untuk menghitung komposisi keseimbangan dari tiap fase.
SIFAT DARI LARUTAN
Pada modul B1.1 kita melihat bahwa umumnya digram keseimbangan fase secara substansial berbeda dari satu sama lainnya sehingga dapat menjelaskan interaksi antara komponen berbeda. Banyak prosedur untuk menghitung diagram ini secara analitis menggunakan persamaan yang menyertakan relasi penting dari interaksi ini. Serupa dengan analisis dari sifat gas, sebuah larutan ideal mungkin didefinisikan sebagai penyusun spesies dimana interaksi heterogen (komponen berbeda) adalah sama untuk
interaksi homogen (komponen sama). Karakteristik ini menjelaskan menyatakan dirinya sendiri pada ketiadaan dari pengaruh pengadukan. Tidak ada perubahan volum dan entalpi ketika larutan dipersiapkan dari komponen murni. Pada umumnya hukum untuk menghubungkan komposisi dari sebuah fase uap ideal untuk tekanan dan komposisi adalah Dalton’s Law :
π=∑_(i=1)^n▒P_i (1)
P_i=πy_i (2)
Dimana π adalah tekanan total, Tekanan parsial (P_i) dari komponen i dan〖 y〗_i fraksi mole. Untuk fase cair kita mengikuti logika yang sama. Dilusi dari salah satu komponen oleh yang lainnya akan menghasilkan penurunan dari tekanan uap. Ini mudah digambarkan jika kita mengingat bahwa tekanan uap adalah akibat dari keseimbangan dinamik antara molekul yang meninggalkan fase cair dan kembali kefase cair itu. Pada campuran cairan jumlah molekul dari sebuah spesies yang diberikan menjelaskan pada lapisan cairan akan sebanding untuk konsentrasi dari spesies itu pada badan cari. Kita mungkin bisa menjelaskan secara matematis berdasarkan persamaan dibawah ini:
P_i=P_i^o x_i (3)
Dimana P_i adalah tekanan parsial dari komponen i pada larutan, x_i adalah fraksi mole komponen dan P_i^o adalah tekanan uap murni i pada temperature larutan. Penyetaraan ini disebut Raoult’s Law dan ditunjukkan secara grafis pada gambar 1.
Kita akan tahu ilustrasi Raoult’s Law mungkin kombonasi dengan Dalton’s Law untuk memperoleh komposisi fase dari system biner.
π=P_1+P_2= πy_1+πy_2 (4)
π=P_1^o x_1+P_2^o (1-x) (5)
Penyelesaian
x_1=(π-P_2^o)/(P_1^o-P_2^o) (6)
y_i =(P_1^o x_1)/π (7)
Dengan mengetahui tekanan total dan berapa tekanan uap dari variasi komponen murni dengan temperature menyebebkan kita mampu untuk menghitung nilai dari x_1 dan y_1 pada keseimbangan. Data tekanan uap biasanya di dapat dari table dan grafik, atau analisis dengan persamaan Antoine :
"log " P_i^o=α-β/(1+δ) (8)
dimana α,β,δ adalah tipe konstanta dari komponen dan t adalah temperatur (biasanya dalam ¬¬¬¬¬¬¬oC).
Larutan Nonideal
Batasan diberikan pada sebuah larutan ideal radikal dan kita mungkin berharap mereka sewaktu-waktu akan ditemui pada prakteknya. Komponen larutan nyata akan memperlihatkan tekanan parsial lebih besar atau lebih kecil dari pada yang diprediksi oleh hukum Raoult, seperti ditunjukkan oleh gambar 2.
Itu akan ditunjukkan bahwa dua fase diikutsertakan di dalam keseimbangan supaya deviasi dari sifat ideal bersumber dari salah satu atau kedua fase. Indikasi masalah Suatu analisa termodinamika formal menyatakan perintah untuk menghitung sifat nyata, kita harus menyadari deviasi dari sifat ideal dari larutan dan campuran uap, juga setiap komponen murni pada fase uap. Derivasi persamaan perlu tujuan pasti, tetapi mencukupinya untuk menyatakan bahwa jika tekanan overall tidak jauh berbeda dari tekanan atmosfer, sifat nyata mungkin akan lebih baik dideskripsikan oleh relasi berikut :
P_i=π〖 y〗_i=P_i^o 〖 x〗_i y_i (9)
Persamaan 9 sangat mirip dengan hukum Raoult, hanya perbedaan pada penambahan faktor koreksi, y_i, disebut activity coefficient. Pengamatan gambar 2 menunjukkan bahwa y_i bisa lebih besar atau lebih kecil dari pada 1.0, dan y_i bervariasi dengan konsentrasi. Jika kita menganggap log y_i, kita dapat menyatakan deviasi positif dari hukum Raoult [gambar 2(a)] atau deviasi negatif [gambar 2(b)]. produk〖 x〗_i 〖 y〗_i disebut aktiviti, α_i, dari komponen i.
Koefisien Activiti
Perhitungan komposisi fase uap-cair suatu larutan nyata akan menyediakan pengetahuan dari macam koefisien aktiviti dengan temperature dan komposisi. Banyak persamaan empiris dan semi-empiris dianjurkan untuk tujuan ini. Disini kita akan mengilustrasikan dua dari kebanyakan yang sering muncul.
Berikut persamaan Van Laar :
ln〖γ_1=(A x_2^2)/(A/B x_1+x_2 )^2 〗 (10)
ln〖γ_2=(B x_1^2)/(B/A x_2+x_1 )^2 〗 (11)
Konstanta A dan B diasumsikan untuk temperature dan tekanan bebas.
Jika persamaan 10 dan 11 kita gunakan x_1 atau x_2 bernilai nol maka kita peroleh :
A=〖(ln〖γ_1)〗〗_(x_1= 0)=ln〖γ_1^∞ 〗 (12)
B=〖(ln〖γ_2)〗〗_(x_2= 0)=ln〖γ_2^∞ 〗 (13)
Pada istilah lain, konstanta Van Laar’s mungkin diterjemahkan sebagai logaritma dari koefisien aktiviti pada dilusi tak terhingga (∞).
Redlich dan Kister menjelaskan logaritma dari perbandingan koefisien aktiviti pada persamaan berikut :
ln〖γ_1/γ_2 〗=x_1 x_2 [A+B(x_1-x_2 )+C(x_1-x_2 )^2+ …. (14)
Walaupun ini adalah suatu perluasan tak hingga, persamaan itu umumnya terbatas untuk dua atau tiga istilah.
Persamaan Van Laar dan Redlich-Kister cocok untuk mengkorelasi koefisien aktiviti dalam kasusnya bahwa mereka menganggap koefisien untuk temperature bebas.
PERHITUNGAN DIAGRAM KESEIMBANGAN FASE
Persamaan 6, 7 dan 9 menyediakan alat analisis untuk menghitung diagram keseimbangan fase dari larutan ideal dan nyata. Sehingga kita memerlukan semua bagian dari informasi berikut :
Titik didih dari komponen murni
Tekanan uap dari komponen murni sebagai fungsi temperatur
Konstanta Van Laar atau Redlich-Kister
Bagian awal akan menentukan range temperature atau perhitungan P_i^o
Prosedur untuk larutan ideal sangat lurus kedepan : range titik didih dibagi kedalam suatu jumlah interval yang layak, katakan persamaan 10, nilai P_i^o dihitung pada temperature tetap dan mengganti persamaan 6 dan 7, menghasilkan (T, x, y).
Hitunglah komposisi dari setiap fase untuk larutan ideal memerlukan prosedur trial dan error serta akan memerlukan kalkulator dan computer.
Persamaan 9, 10, dan 11 diselesaikan sebagai berikut :
Bandingkan interval konsentrasi dari komponen 1 dalam setiap jumlah bagian yang diberikan, katakan persamaan 10
Untuk setiap penetapan nilai x_1, hitung nilai dari γ_1 dan γ_2 (persamaan 10 dan 11)
Ganti x_1,x_2,γ_1, γ_2 didalam persamaan 9 dan temukan temperatur keseimbangan dengan trial dan error. Hentikan perhitungan ketika γ_1+γ_2=1.000±0.002.
Program computer mampu menghitung data komposisi fase dari larutan nyata dan membandingkannya dengan kasus ideal.
REFERENSI PELENGKAP YANG DISARANKAN
Smith, J.M. and H. C. Van Ness, “Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, “ Chapter 8, 3rd Ed., McGrawHill, New York, (1959)
STUDI KASUS
Bagaimana gambar 2 memperlihatkan titik didih azeotrop maksimum dan minimum?
Bagaimana gambar 2 memperlihatkan jika pemisahan fase terjadi di suatu range x?
Diasumsikan suatu campuran azeotrop terbentuk. Anda hanya mngetahui komposisi azeotrop. Bisakah anda menghitung konstanta Van Laar? Jika jawaban anda iya. Bagaimana bisa dihitung ?
Disarankan suatu prosedur untuk menghitung nilai x dan y menggunakan persamaan Redlich-Kister.
Bagaimana anda menjelaskan secars fisik bahwa bebrapa system memerlukan perbedaan bilangan konstanta Redlich-Kister untuk menjelaskannya?
Untuk system Van Laar diperlihatkan bahwa
x_1 ln〖γ_1+x_2 ln〖γ_2=(A B x_1 x_2 )/(Ax_1+Bx_2 )〗 〗
Dan gambarlah grafik coba-coba untuk menghitung A dan B.
SOAL PEKERJAAN RUMAH (PR)
100 mole campuran yang terdiri dari 25% mol cyclopentane (1) dan 75% mole benzene (2) pada suhu 100¬¬¬¬¬¬¬ oC. campuran didinginkan hingga 50% mol dari kondensatnya. Proses diulang untuk 3 kali. Hitunglah :
Suhu titik embun dari campuran murni.
Berat, temperature dan komposisi fase pada akhir dari tiap 3 stage.
Data dibawah ini untuk system biner :
Tekanan uap (P_1^o P_2^o dalam mm Hg, t dalam oC)
log〖P_1^(o ) 〗= 6.86283 – 1186.06/(t + 226.04)
log〖P_2^(o ) 〗= 6.90565 – 1211.03/(t + 220.79)
Konstanta Van Laar
A = 0.41309
B = 0.29796
Susun diagram Temperatur-Komposisi.
Pembuatan Grafik Distilasi Multikomponen
P.C Wankat
Teknik Kimia Universitas Purdue
Lafayette Barat, Indiana 47907
Tujuan
Tujuan umum dari modul ini adalah menyajikan lanjutan dari distilasi dua komponen menjadi distilasi multikomponen. Modul ini memberikan penjelasan kepada mahasiswa mengenai distilasi multikomponen. Dengan pengetahuan ini, mahasiswa diharapkan dapat mengerjakan prosedur perhitungan yang lain dan lebih mudah menggunakan perhitungan di komputer.
Setelah menyelesaikan modul ini, mahasiswa diharapkan dapat :
Menjelaskan tiga perbedaan antara distilasi dua komponen dan distilasi multikomponen
Menggunakan persamaan-persamaan operasi untuk distilasi multikomponen
Menyelesaikan problem distilasi ternary (empat komponen) menggunakan analisa Mc Cabe Thiele. Mahasiswa dapat menjelaskan pula setiap langkah dalam prosedur ini.
Menentukan lokasi plate umpan yang optimal dan menjelaskan perbedaannya kondisi lokasi ini dengan yang ada dalam distilasi bikomponen.
Menghitung closure dengan trial and error
Menentukan kondisi setiap stage
Prasyarat Kemampuan Matematika
Aljabar tingkat universitas
Analisa Geometri
Prasyarat Kemampuan Teknik
Neraca massa dan energi
Distilasi duakomponen menggunakan analisa Mc cabe-Thiele method
Problem Distilasi dua komponen dapat diselesaikan dengan cara disetiap stage yang dapat diselesaikan dengan pemprograman komputer atau dengan grafik menggunakan diagram Mc cabe-Thiele. Ketika komponen lain ditambahkan, multikomponen menjadi lebih rumit. Pada modul ini, kita akan menpertimbangkan salah satu metode penyelesaian distilasi multikomponen yang cocok. Metode yang akan ditampilkan dalam modul ini diperkenalkan pertama kali oleh Chamber
Pertama, kita mempelajari diagram skematik dari sebuah plate dalam kolom distilasi yang menggunakan condenser total dan reboiler partial. Gambar 1 (diasumsikan : aliran molar tetap, tekanan konstan diketahui, dan tidak ada panas yang hilang meninggalkan stage)
Dengan tekanan tetap dan tidak ada panas yang hilang, analisa derajad kebebasan berkisar di yield kolom C + 6 derajad kebebasan dimana C = jumlah komponen. Untuk binary distilasi, derajad kebebasannya adalah 8. Dalam mendesain kita akan sering menggunakan variable seperti kecepatan umpan F, komposisi umpan ZF , kualitas umpan q, komposisi destilat XD, temperature distilasi (cair jenuh), Komposisi hasil bawah XB, ratio refluks eksternal L/D, dan stage umpan optimum.
Dengan memilih variable, garis operasi di dan kita dapat stage dari kolom menggunakan Mc Cabe-Thiele method.
Sekarang jika kita menambahkan komponen ketiga berarti menaikkan derajad kebebasan menjadi 9. Daftar mengenai 9 variabel didesain dengan kolom distilasi empat komponen.
Daftar tersebut dapat dilihat di solusi 1 yang ada di akhir teks modul ini.
Untuk memulai prosedur perhitungan setiap stage di dalam sebuah kolom distilasi kita harus mengetahui komposisi kolom terakhir. Untuk system ternary dengan variable spesifik seperti dalam solusi, komposisi-komposisi tersebut belum diketahui. Untuk memulai analisis kita membutuhkan asumsi salah satu komponen tersebut. Problem Distilasi multikomponen selalu mengunakan trial and error. Hal inilah yang membedakan antara distilasi dua komponen dan multikomponen.
Untuk membuat prosedur perhitungna lebih khusus kita akan mempertingbangkan problem separasi berikut ini
Pisahkan campuran methanol, ethanol, dan air dalam kolom distilasi yang menggunakan condenser total dan reboiler parsial. Kecepatan umpan adalah 100 kg mol/jam dan terdiri dari 50 mol % methanol, 30 mol % ethanol dan 20 mol % air. Umpan berupa cair jenuh. Refluks dikembalikan ke atas tower dalam bentuk cair jenuh dan ratio refluks eksternal L/D=3. Komposisi destilat mungkin 80 mol % methanol dan hasil bawah mungkin 40 mol % ethanol. Asumsi tekanan konstan adalah 1 atm, tidak ada panas yang hilang, dan aliran molal konstan. Menemukan jumlah total stage, lokasi umpan optimum, dan komposisi distilat dan hasil bawah. Data keseimbangan dapat dihitung. Diagram skematik kolom dapat dilihat dalam Gambar 1. konsentrasi methanol dan etanol disebut sebagai komponen kunci.
Kita akan memproses melalui penyelesaian langkah demi langkah.
Pada tahap pertama adalah mengasumsikan nilai salah satu komposisi destilat dan hasil bawah. Asumsi tersebut digunakan untuk menghitung semua komposisi hasil akhir sehingga kita dapat memulai perhitungan stage demi stage. Disini kita akan mengasumsikan bahwa air masuk ke dalam produk akhir. Asumsi ini dikarenakan air merupakan zat volatile yang paling jelek dibandingkan ketiga komponen lainnya. Dengan asumsi ini san neraca bahan kita dapat melengkapi table komposisi dan kecepatan aliran semua arus masuk maupun keluar. Tetapi, asumsi ini menyebabkan semua perhitungan tergantung pada asumsi tersebut dan akan berulang jika asumsi ini salah
Menampilkan kesetimbangan pada kolom dan selesaikan tabel 1. Cocokan jawaban dengan tabel 2 pada akhir tes. Jika tabel anda benar maka anda dapat melewatkan perhitungan di bawah dan hasil. Jika tabel anda tidak benar, pelajari perhitungan yang ditunjukkan dan perbaikilah kesalahan anda.
Neraca Massa Total 100 = F = B + D
Neraca Metanol 50 = BxBm + 0.8D
Neraca Etanol 30 = 0.4B + DxD1
Dengan seluruh air di dasar xDw = 0
Maka xDE= 1 – xDM – xDW = 1 –0.8 – 0 = 0.2. dan neraca etanol menjadi:
30 = 0.4B +0.2D
Kombinasi inindengan neraca total akan kita dapatkan: 0.2D = 10 atau D = 50, dan B = 50.
Dari neraca metanol: xBM = 0.2
Pada dasar kolom:
xBW = 1 – xBM – xBE = 1 -0.2 - 0.4 = 0.4
Laju alir pada komponen dalam aliran yang diberikan adalah produk dari fraksi mol dan laju alir pada aliran tersebut. Contohnya, pada dasar : laju alir etanol : (0.4)(50) = 20 mol/jam. Neraca ini bisa juga gunakan dan diselesaikan dengan matrik.
Kita sekarang menyadari sedikit demi sedikit perhitungan menggunakan neraca massa dan kesetimbangan. Untuk sistem destilasi biner pada kesetimbangan, hukum fase Gibbs menunjukan derajat 2 kebebasan. Setelah mengurangi 1 derajat untuk tekanan tertentu kita sekarang hanya memiliki derajat 1 kebebasan. Maka jika kita plot fraksi mol uap, y, dengan fraksi mol cairan, x, kita dapatkan satu kurva kesetimbangan. Jika komposisi cairan diketahui, maka komposisi uapnya pada kesetimbangan di dapat dari kurva kesetimbangan. Ini adalah dasar untuk menampilkan perhitungan kesetimbangan pada diagram McCabe-Thiele untuk sistem biner.
Untuk campuran ternary, situasinya sedikit berbeda. Tuliskan hukum fase Gibbs dan hitung derajat kebebasan untuk destilasi campuran ternary pada kesetimbangan. Lalu kurangi derajat kebebasan tekanan untuk mencapai pada sisa derajat kebebasan.
Apa arti penting dari perhitungan ini? Kamu harus menulis hukum seperti berikut:
F = C – P + 2 atau
F = 3 – 2 + 2 = 3
Setelah mengurangi tekanan tersebut, di dapat 2 derajat kebebasan. Arti penting dari ini adalah 2 variabel harus di definisikan untuk menggambar kurva kesetimbangan. Untuk perhitungan McCabe-Thiele, dua diagram kesetimbangan sangat dibutuhkan.
Diagram kesetimbangan untuk sistem metanol-etanol-air ditunjukan pada gambar 2. Catatan bahwa kita telah memakai fraksi mol etanol pada cairan sebagai parameter pada diagram metanol dan fraksi mol metanol pada cairan sebagai parameter pada diagram etanol. Ini sesuai sejak kita akan melangkah turun dari atas kolom. Kika kita ingin melangkah tiap stage mulai dari atas kolom, ini akan menjadi lebih tepat untuk memakai komposisi uap sebagai parameter. Kurva itu dinamai biner EtOH-MEOH. Biner MEOH-H2O dan biner EtOH-H2O menampilkan kurva kesetimbangan uap-cairan saat komponen ke-3 tidak ada. Kurva tersebut menyediakan enveloper luar untuk diagram kesetimbangan.
Untuk memastikan anda dapat membaca diagram ini dengan baik, carilah komposisi kesetimbangan uap untuk
xM = 0.4 dan xE = 1
xM = 0.3 dan xE = 0.5
xM = 0 dan xE = 0.6
Tuliskan jawaban anda dan lihat solusi 3 pada akhir tulisan ini.
Jika anda menemukan komposisinya dan atau mengetahui letak kesalahannya brarti anda siap untuk prosesnya. Jika anda tidak menemukan letak kesalahan anda maka tanyalah pada seseorang teman kelas anda atau temui instruktor anda.
Jika kita memiliki 4 atau lebih komponen, presentasi grafis dari data kesetimbangan akan sangat rumit. Pada umumnya, solusi secara grafis tidak berguna untuk sistem multi-komponen. Bisa jadi hanya satu pengecualian adalah sistem ternary seperti perlakuan ini. Metode grafis ini akan sangat berguna untuk azeotropic dan destilasi ekstraksi dapat digunakan untuk system lebih banyak komponen.
Untuk tambahan pada data kesetimbangan pada gambar 2 kita harus memakai neraca massa. Ini bisa selesai dengan mengembangkan dan memplotkan kurva operasi untuk metanol dan etanol di setiap stage pada kolom. Pada gambar 3 skema diagram dari kolom telah ditunjukan dengan dua stage bebas j dan k.
Untuk mengembangkan persamaan operasi kita menyelesaikan untuk yM, pada neraca massa tergambar pada gambar 3 :
yM = ( L1 / V1) xm + ( D + V ) xD
Substitusi D dengan Vj-1 – L dan asumsikan overflow molal konstan, persamaan ini menjadi
ym = ( L/V ) xm + [ 1 – ( L/V ) ] xDm
Neraca massa ini sama dengan yang terjadi pada destilasi biner. Persamaan operasi yang lain dikembangkan pada suatu perlakuan analogi. Untuk mengecek kemampuan anda dalam melakukan ini, kembangkan persamaan operasi bagian stripping untuk etanol.
Langkah anda seharusnya melihat sesuatu seperti ini :
Neraca massa : Lk + 1 = Vk + B
Lk + 1 xEk + 1 = Vk yEk + BxBE
Substitusi B dengan B = Lk + 1 – Vk dan asumsikan overflow molal konstan. Hasilnya adalah
yE = ( L/V )xE – [ ( L / V ) – 1 ] xBE
Prosedur yang sama dapat dipakai untuk mengembangkan garis operasi bagian peningkatan etanol dan garis operasi bagian stipping metanol. Jika anda ingin latihan, kerjakan persamaan ini; jika tidak, lanjutkan
Persamaan operasi untuk etanol pada bagian peningkatan adalah
yE = ( L / V ) XE + [ 1 – ( L – V )] xDE
Persamaan operasi untuk metanol pada bagian stripping adalah
yM = ( L / V ) xM – [ ( L / V ) – 1] xBM
Pada destilasi biner garis ini diperoleh dengan menemukan perpotongan antara garis stipping dengan garis operasi bagian peningkatan. Kita bisa mendefinisikan q sebagai
q = ( L / L ) / F
q berhubungan dengan entalphi aliran dari neraca energi di sekitar plate umpan. Pada destilasi multi-komponen, kita bisa mendapatkan garis umpan untuk tiap komponen. Untuk metanol menjadi
yM = [ ( q / ( q – 1 )] xM – [ ZM / ( q – 1 )]
dan untuk etanol
yE = [ q / ( q – 1 )] xE – [ ZE / ( q – 1 )]
dengan q didefinisikan sama seperti untuk destilasi biner. Garis ini akan mempunyai slope yang sama tapi intercept yang berbeda. Beberapa naskah mengembangkan garis umpan dalam
f = ( V – V ) / F. Persamaan dengan hasil yang berbea, tetapi menampilkan garis yang sama.
Selanjutnya kita akan plotkan garis operasi dengan garis kesetimbangan pada 2 diagram kesetimbangan. Lakukan ini pada gambar 2 untuk pernyataan kasus yang diberikan sebelumnya. Destilat dan komposisi dasar untuk masalah ini telah dibahas sebelumnya.
Saat anda merasa puas maka anda telah memplotkan 4 garis operasi dan 2 garis umpan dengan benar, bandingkan jawaban anda dengan solusi 4 pada akhir dari naskah ini.
CATATAN : diagram etanol seharusnya melihat sesuatu yang tidak biasa.
Jika anda melakukan kesalahan pada gambar 2 maka anda harus kembali lagi dan membuat jadi benar
Pada gambar 4 kita juga harus melangkah maju kontak kesetimbangan oleh reboiler. Untuk melakukan ini kita harus tahu nilai xBE untuk interpolasi untuk mendapat komposisi uap metanol yang keluar reboiler. Pada diagram etanol, nilai xBM digunakan untuk menemukan komposisi uap etanol yang keluar reboiler. Saat komposisi uap ditemukan, xlM dan xlE bisa didapat dari garis operasi. Catatan bahwa ini adalah aplikasi dua-langkah dari data kesetimbangan untuk mendapatkan nilai y, dan neraca massa untuk mendapatkan nilai x. Saat xlM dan xlM diketahui kita bisa melangkah ke tahap berikutnya. Untuk tahap 1 kita bisa interpolasi untuk nilai xE = 0.43 pada diagram metanol dan untuk nilai xM=0..32 di dalam diagram etanol. Dengn teliti langkah selanjutnya dengan dua stage dalam gambar 4 dengan operasi stripping section line. Analisa prosedur menggunakan binary distillation agar tidak terjadi kesalahan.
Jika telah diselesaikan, cek kembali jawaban anda dengan menyelesaikan untuk reboiler dan pertama dua kesetimbangan stage dalam gambar 7 yang ada di halaman terakhir tulisan ini.
Jika jawaban anda benar maka selamat! Namun jika jawaban anda salah maka bandingkan gambar 4 dan gambar 7 untuk menemukan di mana letak kesalahannya.
Dalam diagram etanol gambar 7, stage 1 mendapatkan petunjuk variasi
konsentrasi yaitu pertama keonsentrasi etanol mengalami peningkatan kemudian mengalami penurunan. Penurunan konsentrasi etanol diperkirakan sejak konsentrasi distilat lebih rendah dari pada konsentrasi di bawah. Peningkatan konsentrasi etanol dalam reboiler terjadi karena banyak fraksinasi dalam boiler terjadi antara etanol dan air. Etanol adalah lebih mudah menguap dibandingkan air, maka konsentrasinya akan mengalami peningkatan seiring dengan kenaikan proses kolom. Pada stage 1 dan 2 etanol dipisahkan berlawanan dengan methanol. Etanol tidak begitu volatile, maka konsentrasinya mengalami penurunan. Terjadinya maksimalnya konsentrasi dalam kolom adalah tiga jalan yang mana distilasi multi komponen berbeda dengan binary distillation
Dalam kolom enriching section, prosedur yang sama dapat digunakan secara bertahap pada stage ke stage. Sebelum membahas metode yang digunakan untuk menentukan letak umpan yang optimum, marilah kita melihat kembali prosedur yang digunakan dalam tahapan tertutup pada stage-stage. Buat rangkaian tahapan yang digunakan untuk menentukan xe dan xM dari konsentrasi bawah yang telah diketahui dan bandingkan daftar anda pada Persamaan 6 di akhir tulisan ini.
Pada point ini mungkin dapat membantu untuk membandingkan tahapan tertutup stage-stage pada diagram untuk analisis persamaan. Untuk persamaan aliran molal yang konstan dibutuhkan dalam stripping section yaitu dua persamaan keseimbangan.
yM=fe(xe,xM)
dan
ye=fe(xe,xI)
dan persamaan dasar operasinya dapat dipecahkan untuk xe dan xM
xm=V/L ym+(V-V/L)xRm
xe=V/L ye+(V-V/L)xRe
Tahap 1 dan tahap 2 dalam tahapan Solution 6 di atas terdiri dari pemecahan dua persamaan kompleks keseimbangan yang bisa didapat dari data keseimbangan. Pada tahap 3, dua persamaan kekekalan massa dipecahkan untuk menemukan ye dan yM. Metode stage by stage menggunakan metode analisa yang didiskusikan lebih detail oleh King (2) dan Smith (3).
Plate umpan optimum sama artinya dengan lokasi umpan yang memberikan jumalah stage paling sedikit untuk seluruh kolom. Pada binary distillation, lokasi plate umpan optimumseharusnya ditemukan secara jelas dari garis yang menjadi daerah umpan. Jika kita melihat Gambar 7, maka kita bisa melihat stage 2 yang terlihat sebagai daerah optimum umpan untuk methanol bukan etanol. Perbedaan utama yang keempat antara distilasi multi komponen dengan binary distillation adalah pada distilasi multi komponen bukan menggunakan prosedur yang sederhana untuk menentukan daerah optimum umpan masuk stage. Untuk mendekati keyakinan yang mutlak di mana daerah umpan optimum, anda seharusnya mencoba beberapa daerah dan menggunakan daerah yang menghasilkan jumlah stage yang sedikit.
Keuntungannya, plate optimum umpan tidak ditemukan dengan cara trial dan error tiap waktu tetapi menetukan sebuah daerah yang dapat dijadikan perkiraan yang tepat. Dalam menghitung kolom yang ingin digunakan untuk memperoleh peningkatan perbandingan xMeOH/xEtOH mungkin dengan cepat dapat dilakukan. Kita dapat menggunakan kenyataan ini untuk menemukan stage optimum umpan dengan membandingkan nilai xMeOH/xEtOH dihitung menggunakan garis operasi bawah dengan nilai yang dihitung dengan anggapan bahwa stage berada dalam stage optimum umpan dan menngunakan garis operasi atas. Jika
(xMeOH/xEtOH) Garis Operasi Bawah > (xMeOH/xEtOH) Garis Operasi Atas
Kemudian kita tidak mencapai stage optimum umpan. Stage pertama di mana (xMeOH/xEtOH) Garis Operasi Bawah < (xMeOH/xEtOH) Garis Operasi Atas kemungkinan adalah stage optimum umpan.
Kembali ke Gambar 7 dan mempertimbangkan masalah stage pertama, kedua, dan ketiga di atas reboiler parsial seharusnya digunakan plate umpan sesuai dengan criteria yang telah disebutkan. Jawabannya adalah Solusi 7 pada akhir pembahasan ini.
Catatan bahwa menggunakan stage kedua seperti halnya stage umpan meningkatkan konsentrasi methanol tetapi menurunkan konsentrasi etanol. Ini adalah indikasi yang lain bahwa konsep binary dihilangkan ketika kita bekerja dengan system multi komponen dalam distilasi multi komponen, ini adalah bagian yang paling dekat plate umpan di mana ukuran yang menjadi patokan di tentukan tidak dikunci sejak pembalikan komponen kunci dalam distilasi terjadi. Kurang baiknya distilasi ini dapat telah dibahas oleh Brian (4) dan King (2). Di dalam bagian ini trial dan error dibutuhkan unutk menemukan stage optimum umpan.
Sekarang kita telah menyelesaikan stepping off stages menggunkan garis operasi enriching section. Dengan mudah ini dapat dilihat dalam Gambar 7. Menentukan nomor fraksi dibutuhkan untuk methanol dan etanol.
Ketika anda akan mengoreksi larutan anda dengan Gambar 5 dan Solution 8 di akhir pembahasan ini.
Pada point itu adalah mengajarkan untuk memotongkan komposisi etanol dalam cairan yang meninggalkan bebrapa stage. Menggunakan Gambar 5 untuk memperoleh informasi yang dibutuhkan dan memotongkan hasil dalam Gambar 6. Solusinya dapat dilihat dalam Gambar 8 (Solution 9) di akhir pembahasan.
Konsentrasi maksimum dilihat dalam gambar 8 adalah sesuatu yang khas sebagai komponen kunci dalam distilasi multi komponen. Dua komponen kunci adalah komponen utama dalam distilasi. Metanol adalah light key ( lebih volatile) dan etanol adalah heavy key. Sedangkan air bukan termasuk heavy key. Jika ditemukan komponen selain metanol yang lebih volatile maka komponen tersebut disebut light key. Secara umum, destilat tidak termasuk light key dan hasil bawah (residu) bukan termasuk heavy key. Jika bukan komponen light key, konsentrasi methanol akan melintang maksimum dalam enriching section. Komponen kunci dalam kasus ini adalah destilat atau produk bawah.
Dalam Gambar 8 kita dapat melihat kurva tidak smooth dekat dengan palte umpan. Ini juga cirri-ciri yang biasa terjadi dalam distilasi multi komponen dan terjadi karena konsentrasi umpan berbeda dari konsentrasi bahan dalam plate umpan. Ini dapat dijadikan suatu pelajaran bahwa mempelajari profil konsentrasi dan suhu untuk contoh lain dengan komponen dan stage yang lebih besar. Contoh ini diberikan oleh Brian (4) di halaman 251-267 dan oleh King (2) di halaman 325-337.
Teknik skema stage demi stage di sini juga dapat diaplikasikan untuk masalah ternary distillation menggunakan susunan kolom yang lebih kompleks. Beberapa contoh adalah kolom dengan umpan ganda, open steam heating, ekstraksi, atau distilasi azeotrop [lihat Chambers (l)], aliran sisi atau refluks subcooled. Pada bagian ini garis operasi baru dibutuhkan untuk dikembangkan. Garis operasi ini dikembangkan dengan prinsip yang sama yang mana dimanfaatkan di sini untuk diaplikasikan. Perpanjangan untuk bagian ini dan fluks total yang jelas dan tercover dalam masalah pekerjaan rumah. Tidak seperti perpanjangan sebelumnya pada rencana binary, perhitungan refluks minimum tidak sederhana dan hasil dalam trial and error dalam pemecahan pada distilasi multi komponen.
Metode stage demi stage didiskusikan di sini sebagian besar tak jarang diadaptasikan pemecahan pada computer. Prosedur dan rangkaian tahapan yang digunakan sama persis untuk stage tahapan tertutup kecuali persamaan keseimbangan harus diubah bentuk dulu menjadi persamaan atau bentuk table yang cocok untuk computer. Teknik grafis adalah metode yang istimewa unutk mengetahui apa yang terjadi pada kolom distilasi dan untuk mengoreksi hasil omputer. Itu juga dapat berguna ketika mengembangkan sebuah program computer.
Penggunaan perhitungan stage demi stage adalag terbatas dengan trial dan error secara hitungan. Seperti jumlah komponen yang meningkat, konsentrasi komponen harus harus diperkirakan meningkat dan konvergen agak menga;ami kesulitan. Hanya dalam bagian di mana kita dapat memperkirakan konsentrasi pada kolom pertama dan terakhir dengan akurasi yang tinggi akan memberikanmemberikan hasil yang bagus dalam trial yang pertama pada metode stage demi stage.
Dalam system methanol-etanol-air kita seharusnya memperkirakan konsentrasi air keluar dari bawah dengan teliti. Bagaimanapun, di dalam hasil distilat kita dapat menghitung sekitar 100%. Pada kasus ini kita tidak mengetahui apakah fraksi mol itu benar 10-5, 10-6, 10-7, 10-8. Ketika kita membuat sebuah perkiraan pada dasar kita turun beberap tingkat dari dasar kolom ke atas puncak kolom. Jika kita mempunyai suatu sistem ternary dengan suatu cahaya yang tidak menyetem, kita akan mengira konsentrasi cahaya tidak menyetem hasil distilat dan kemudian turun beberapa tingkat disepanjang kolom. Untuk turun beberapa tingkat disepanjang kolom lebih senang dipakai komposisi uap air yang digunakan sebagai parameter untuk data keseimbangan.
Dengan sebuah sistem empat komponen kita dapat melaksanakan taksiran konsentrasi akurat jika tidak ada yang menyetem ( perkiraan baik pada dasar kolom) atau tidak ada yang menyetem berat (perkiraan baik pada puncak kolom). jika kedua-duanya yang tidak menyetem cahaya dan suatu tidak menyetem berat, maka akan ada suatu besar persen kesalahan di dalam cahaya konsentrasi yang tidak menyetem pada dasar kolom dan suatu besar persen kesalahan di dalam konsentrasi yang tidak menyetem berat pada hasil distilat. untuk kasus ini sebuah metode bertahap bukanlah suatu pilihan baik untuk suatu teknik penyelesaian karena itu semua perhitungan akan tergantung pada hasil yang mendekati konsentrasi, dan teknik lain membahas acuan akan mungkin lebih cepat.
Untuk jadi lebih yakin bahwa kamu dapat memahami argumentasi ini, berikut ini adalah penyelesaian beberapa contoh
Untuk masing-masing contoh ditulis apakah kamu dapat memperkirakan semua konsentrasi yang tidak diketahui dengan suatu ketelitian yang tinggi pada puncak atau dasar kolom ataupun tidak sama sekali. jika sebuah cara perhitungan bertahap dapat digunakan untuk mengindikasi adanya distilat, Asumsi apa dan di mana arah yang kamu akan mulai langkah-langkah prosesnya. Kunci konsentrasi komponen ditetapkan pada puncak atau dasar kolom.
Pemisahan dari etil eter – methanol – ethanol – air. Etil eter dan methanol adalah kunci.
Pemisahan dari etil eter – methanol – ethanol – air. Methanol dan ethanol adalah kunci.
Pemisahan dari etil eter – methanol – ethanol – air. Ethanol dan air adalah kunci.
Pemisahan dari etil eter – methanol – ethanol – air. Methanol dan air adalah kunci.
Jawaban-jawaban penyelesaian soal 10 pada akhir bacaan.
Ringkasan
ini untuk belajar sendiri modul yang kita sudah dapat mempertimbangkan aspek dasar distilasi multicomponen dengan menyelidiki perhitungan secara bertahap untuk sistem ternary. Sementara sedang diproses melalui analisa ini kita dapat mempelajari distilasi multicomponen itu memerlukan perhitungan trial and error, teknik grafis itu tidaklah selalu bermanfaat, konsentrasi paling banyak dapat terjadi pada kolom, dan jumlah maksimum memberi penempatan umpan pada plat harus didapat dengan cara trial and error. Metoda menemukan bentuk operasi, karena turun beberapa langkah untuk menempatkan sejumlah maksimum pemberien umpan, dan untuk menentukan langkah umpan itu telah dipertimbangkan secara detail. Akhirnya, aplikasi secara metoda bertahap bagi permasalahan lain distilasi dengan singkat dibahas.
Tatanama
B = laju alir bawah kolom, kg.mol/h
C = angka-angka komponen pada aturan fasa
D = laju alir distilat, kg.mol/h
F = harga umpan kg.mol/h
ƒE, ƒM = hubungan fungsional umum untuk keseimbangan
j, k = angka konstanta
L = laju alir cairan bagian ralat, kg.mol/h
L/D = rasio reflux eksternal
L/V = rasio reflux internal
Z = komposisi umpan
L = laju alir cairan bagian luar, kg.mol/h
L/V = dasar kemiringan garis operasi
N = angka tingkat pada kolom, puncak kolom
P = angka dari fase-fase pafa kaidahnya
q = (L – L)/F, kulalitas umpan
Qc, Qr = beban panas pada kondensor dan reboiler, J/h
V = laju alir uap bagian ralat, kg,mol/h
V =laju alir uap bagian luar, kg.mol/h
x = fraksi mol cairan
y = fraksi mol uap
z = fraksi mol umpan
keterangan:
B = bawah
D = distilat
E = ethanol
M = methanol
W = air
1,2 – k – j – N = jumlah langkah
solusi permasalahan pada bacaan
jika kamu menjawab F, Z1, Z2, q, xD(or xD),refluks cairan jenuh, xB,(or xB, or xB), L, D dan jumlah maksimum memberi penempatan umpan pada plat sudah benar. Catatan bahwa derajat-derajat kebebasan yang lebih diperlukan dengan sepenuhnya menetapkan komposisi umpan.
jika kamu sudah melakukan perhitungan dengan tepat pada tabel terlihat seperti pada tabel 2.
Tabel 2
Umpan Distilat Hasil bawah
Methanol 50 mol/h Zm = .5 40 mol/h xDm = .8 10 mol/h xBm = .2
Ethanol 30 Ze = .3 10 xDe = .2 20 xBe = .4
Air 20 Zw = .2 0 xDw = .0 20 xBw = .4
Total 100 50 50
a. kita dapat yM = .68 dari diagram methanol dan yE = .13 dari diagram ethanol. Catatan bahwa interpolasi yang diperlukan pada diagram kedua.
b. yM = 0.43 dan yE =0.42. Catatan bahwa ada lebih sedikit ethanol di dalam uap air dibanding cairan dari contoh ini.
c. yM = 0, yE = 0.7 dan yW = 0.3. Ini adalah sepasang contoh dan EtOH-H2O sepasang kurva yang telah digunakan.
untuk memperoleh penyelesaian pertama kita menghitung perbandingan refluks internal:
L/V= (L/D)/(1+L/D)= 3/4= 0.75
Kemudian kita masukan xDM =0.8 pada y = x garis pada diagram methanol. Sebuah garis kemiringan 0.75 adalah garis operasi atas. garis umpan adalah vertikal dan digambar dari y = x = ZM = 0.5. Garis operasi bawah digambar dari persimpangan pada garis umpan dan garis opersai atas secara langsung y = x = xBM =0.2.
Pada diagram ethanol sebuah prosedur serupa digunakan. Bagaimanapun, xDE adalah kurang dari ZE sehingga memperbesar garis operasi bagian bawah y = x. Operasi bagian luar garis harus diperluas di atas garis y = x seperti ditunjukkan pada gambar 4.
Catan bahwa pada diagram ethanol penempatan produk hasil bawah dan hasil distilat telah ditukar dari tempat yang umum pada sepasang diagram. Ini terjadi karena ethanol lebih mudah menguap dibanding methanol.
–
Urutan langkah-langkah mengikuti pola ini :
mengetahui nilai-nilai xBM dan xBE untuk temukan kurva keseimbangan sesuai dengan reboiler.
cari yBM dan yBE dari kurva keseimbangan.
gunakan garis operasi untuk temukan xM1 dan xB1.
menghitung nilai-nilai xM1 dan xE1 dilihat pada kurva keseimbangan yang sesuai pada langkah pertama.
cari yM1 dan yE1 dari kurva keseimbangan.
gunakan garis operasi untuk temukan xM2 dan xB2.
Ini adalah suatu urutan yang umum dapat digunakan untuk suatu penyelesaian anallitis komputer jika kita menggantikan kata-kata itu “kurva” dan “garis” dengan “persamaan.
Menurut kriteria, langkah yang kedua di atas reboiler adalah jumlah maksimum langkah umpan. Mendekati perbandingan yang ditemukan dari gambar 7 adalah:
Langkah 1 (0.52) garis operasi bawah
(0.37)
> (0.38) garis operasi atas
(0.41)
Langkah 2 (0.52) garis operasi bawah
(0.32)
< (0.54) garis operasi atas
(0.33)
Langkah kedua bisa diuji seperti jumlah maksimum langkah umpan, dan langkah ketiga tidak diperiksa lagi karena langkah yang kedua sudah memenuhi kriteria. Untuk masalah ini langkah kedua adalah jumlah maksimum langkah umpan. Ini dapat dilihat pada langkah pertama dan langkah ketiga.
Gambar 5 menunjukkan penyelesaian untuk seluruh kolom. Catatan bahwa 41/3 langkah keseimbangan (tambah sebuah reboiler) diperlukan metanol untuk menjangkau nilai xDM yang ditetapkan empat langkah-langkah diperlukan untuk ethanol. Jika asumsi awal kita bahwa semua air terlihat produk hasil bawah benar, maka jumlah langkah-langkah yang sama akan diperlukan oleh kedua-duanya methanol dan ethanol. Dengan begitu ada sebuah sedikit kesalahan pada yang asli ini.
Untuk menemukan penyelesaian eksak yang kita mau tidak mau harus membuat suatu anggapan yang baru menyangkut jumlah dari air di dalam produk bawah dan mengulangi kalkulasi. dengan begitu masalah itu adalah mencoba-coba. karena hasil kita (kami yang akhir adalah sungguh dekat, kita tidak akan mengulangi kalkulasi. jika di mana kalkulasi yang harus diulangi usaha yang cukup adalah exspended di dalam mempertemukan pemusatan-pemusatan sebelum memulai percobaan yang berikutnya. teknik ini bersifat disscused di detile y Smith(3)
Berasumsi bahwa semua etanol dan air muncul di dalam produk bawah. pemusatan akan teliti di dalam alas/pantat dari kolom dan anda perlu turun langkah-langkah dari dasar.
b) tidak ada terkaan yang teliti dapat dibuat untuk kedua-duanya ether etil dan air. Gunakan suatu metoda kalkulasi yang berbeda.
c) Berasumsi bahwa semua ether etil dan metanol muncul di dalam destillate. pemusatan akan teliti di dalam destillate dan kita perlu turun langkah-langkah dari atas.
d) etanol di dalam whichis yang tidak kunci [bukan/tidak] ringan maupun yang berat. itu akan mendistribusikan antara atas dan alas/pantat dengan cara yang sangat sulit untuk dinaksir. gunakan metoda kalkulasi yang berbeda.
untuk kasus-kasus A dan C suatu tangan stage-by-stage atau kalkulasi komputer akan bekerja dengan baik. Untuk B kasus dan D suatu metoda kalkulasi multicomponent yang berbeda dengan kekayaan pemusatan yang lebih baik harus digunakan. banyak teknik diferent telah dikembangkan dan dibahas di dalam referensi.
REFERENSI
Chambers, J.M.,”Extractive Distillation, Design and Application.”Chem Eng Proger,47,555(1951)
King, C.J,”Separattion Processes,”2nd Ed.,McGraw Hill, New York(1980)
Smith,B.D.,”Design of Equilibrium Stage Processes,”McGraw Hill,New York(1963)
Brian, P.L.T.,”Staged Cascades in Chemical Processing,”Prentice-Hall,Englewood Cliffa,N.J.(1972)
BELAJAR PERMASALAHAN
menjelaskan mengapa pengaliran kembali penentuan minimum adalah suatu masalah mencoba-coba di distilasi multicomponent. rujukan kepada diagram keseimbangan yang rangkap tiga harus sangat menolong di dalam penjelasan Anda
jika suatu colomn telah dibangun dan kita ingin meramalkan berapa banyak separasi dapat diperoleh dengan suatu feed yang diberi yang kita mempunyai suatu masalah simulasi daripada suatu masalah desain. dalam hal ini lokasi feed plate dan jumlah total dari stage akan ditetapkan. mengecek derajat kebebasan sisa, kita melihat bahwa setelah laju alir feed penetapan, komposisi, dan kualitas ;pengaliran kembali cairan jenuh ;kolom tekanan ;tanpa kehilangan panas ;dan exsternal mengalir kembali nisbah, L/D ;hanya derajat-derajat kebebasan nya tinggal. Jadi; Dengan demikian hanya pemusatan nya yang tepat, seperti pemusatan metanol di dalam destillate, dapat ditetapkan. Garis besar secara detil bagaimana Anda akan memecahkan seperti suatu masalah dan mendaftar anggapan-anggapan yang anda akan buat[kan] bagi solusi mencoba-coba
SOAL
peroleh persamaan-persamaan untuk suatu kolom yang dua-feed dan merencanakan bentuk operasi yang sesuai di diagram McCabe-Thiele
peroleh dan rencanakan bentuk operasi untuk suatu kolom dengan suatu arus samping di bawah plat feed
kolom distilasi dengan condenser total dan reboiler total dioperasikan denga refluk total. Refluk dikembalikan sebagai cair jenuh dan kolom mempunyai tujuh stage seimbang.cairan yang meninggalkan bagian bawah kolom diambil sebagai sampel dan didapat 0.1 mol fraksi methanol, 0.4 mol fraksi etanol dan 0.5 mol fraksi air. Bagaimana komposisi cairan yang meniggalkan condenser?
Gunakan satu set data keseimbangan untuk menyelesaikan permasalahan berikut.
Feed mengandung 40% mol methanol, 30% mol etanol, 30% mol air di distilasi flash. Operasi dilakukan sehingga 2/3 feed teruapkan. Kembangkan garis operasi untuk distilasi flash ini dan perkirakan fraksi mol cairan dan uap keluar. Asumsikan keseimbangan terjadi.
PEMILIHAN PELARUT DALAM EKSTRAKSI
Allan O.Mogensen
Rutgers University
PO BOX 909
Piscataway, N.J.08854
TUJUAN
Setelah menyelesaikan modul ini, mahasiswa diharapkan dapat:
Menyusun 10-14 faktor yang menjadi pertimbangan dalam memilih pelarut
Menerapkan syarat-syarat tadi untuk pelarut-pelarut khusus yang diusulkan sebagai calon untuk contoh aplikasi
PRASYARAT KEMAMPUAN MATEMATIKA
Aljabar
PRASYARAT KEMAMPUAN KETEKNIKAN
Berlatar belakang dalam kimia untuk mengelompokkan permasalahan- permasalahan yang mungkin muncul tentang pelarut yang reaktif/tidak stabil, seperti reaksi asam-basa, oksidasi, atau polimerisasi atau permasalahan- permasalahan yang berkaitan dengan racun atau bahaya kebakaran.
Menyelesaikan modul-modul yang menyelesaikan permasalahan dengan cara grafis pada ekstraksi atau metode Phoncon untuk ekstraksi atau penyelesaian yang sejenis untuk menyediakan pemahaman dengan data keseimbangan dan protayal-nya dalam koordinat segitiga
Terbiasa dengan perhitungan distilasi( volativilitas relative, jumlah plate teoritis, dll)
jarang apakah mungkin untuk memilih bahan pelarut yang ideal. setiap pilihan dibuat akan mencukupi satu ukuran [pilihan;terkemuka] contoh "resiko:" ether etil bisa lebih sedikit beracun untuk bernafas(meniup dibanding toluena, tetapi lebih dari resiko kebakaran. kompromi-kompromi harus pula dibuat antara ukuran-ukuran, contoh, ether etil boleh jadi lebih selektif dibanding toluena, tetapi akan berbiaya lebih untuk memulihkan oleh distilasi jika air pendingin yang didinginkan diperlukan. daerah yang terbesar dari kompromi-kompromi, bagaimanapun, yang dikenakan pada waktu. suatu pilihan yang harus dibuat sebelum suatu pabrik percobaan dapat dirancang satu taksiran dari kilang dan biaya produksi buat. tidak dengan jarang, manajemen whises sasaran ini yang untuk dijumpai sangat segera setelah memperkenalkan insinyur desain dengan proses kimiawi yang diusulkan. dengan begitu, pilihan dari suatu bahan pelarut melibatkan pertimbangan banyak calon-calon sebagai yang mungkin, di suatu dibatasi waktu. insinyur harus bijaksana tetapi keras di dalam mendesak waktu cukup untuk membuat keputusan banyak mengetahui layak, dan menunjuk ukuran-ukuran spesific untuk memilih pilihan terbaik adalah argumentasi terbaik untuk menjadi menghibahkan waktu cukup.
UKURAN-UKURAN UNTUK PILIHAN
A. Ukuran-Ukuran yang Berkenaan dengan Hal dapat Dipisahkan
bahan pelarut itu harus membentuk suatu fasa yang terpisah dari, dan adalah dapat dipisah-pisah dari, solusi feed. lima ukuran-ukuran yang untuk dipertimbangkan adalah :kelarutan, densitas, tegangan antar fasa, reaktivitas kimia, dan kestabilan, dan viskositas.
Kelarutan
bahan pelarut dan feed harus sama hampir insolublein satu sama lain sebagai yang yang mungkin. umpamakan, sebagai contoh, itu diinginkan untuk menyuling?menyadap asam cuka sebagai suatu zat pelarut di dalam air, n-butanol, yang memecahkan untuk sejumlah 9 suku cadang dalam 100 bagian-bagian dari air, akan menjadi sangat sedikit menarik dibanding toluena, dapat larut kepada hanya 005 suku cadang per 100 bagian-bagian dari air. sekali pun asam cuka itu dengan sepenuhnya dipindahkan dari air, hilangnya 9 bahan pelarut suku cadang per 100 air suku cadang tidak bisa dimaklumi :butanol mau tidak mau harus destilled (atau disadap )dari air hasil yang dimurnikan. "Hasil yang dimurnikan" adalah nama dari sungai kecil dari yang mana zat pelarut (asam cuka )dari bahan pelarut ( n-butanol )bisa dibuat lebih yang diper;rumit dan exspensive oleh kehadiran dari air
Densitas
karena fasa-fasa keduanya untuk memisahkan, densitas-densitas mereka harus berbeda. perbedaan ini adalah paling genting setelah kontak, ketika bahan pelarut itu dipenuhi dengan zat pelarut. sebagai konsekwensi, membandingkan densitas-densitas bahan pelarut keduanya di dalam keadaan yang murni mereka mungkin tidak mengatakan kepada keseluruhan kisah. perbedaan-perbedaan densitas kecil dapat agumented oleh pemisah sentrifugal, tetapi itu biaya lebih dari (sekedar) alat pengendap gaya berat. tidak ada gambar yang tepat dapat diberi selama satu perbedaan densitas yang bisa diterima, karena sangat banyak bergantung pada tipe dari peralatan dan di sifat-sifat fisik yang lain. bagaimanapun, suatu perbedaan densitas dari kurang dari tentang 5% akan menyajikan suatu prospek yang lemah(miskin untuk ekonomi di dalam pengendapan gaya berat
Tegangan Antar Fasa
adalah penting bahwa fasa yang dispresed mempunyai suatu tegangan antar fasa yang tinggi untuk mempercepat persatuan dari tetesan-tetesan mengikuti bahwa keberadaan surfaktan atau sabun sangat dipertimbangkan karena keduanya menstabilkan disperse dan menghindarkan penggabungan dengan menurunkan rentang interface. Sabun tidak ditambahkan dengan sengaja, tetapi dibiarkan tumbuh dengan sendirinya. Sebagai contoh, air pabrik mungkin terkontaminasi dengan sedikit drainase kotoran yang membawa sabun atau dengan dekomposisi daun, dan lain lain yang bisa jadi berdampak sama. Atau, beberapa kontaminan dalam solute yang diinginkan bertindak sebagai dispersant. Untuk alasan itu, penting sekali untuk menjalankan test pada bahan actual untuk dipakai daripada formulasi persiapan laboratorium untuk penggambaran kemurnian kimia yang dapat duperkirakan sekarang ini.
Reaktivitas dan Stabilitas Kimia
Suatu solvent seharusnya tidak masuk pada reaksi yang diinginkan dengan solute atau solven umpan. Sebagai contoh penggunaan asetat anhidrid untuk mengekstrak suatu komponen dari air yang hasilnya terhidrolisis menjadi asam asetat. Di samping itu, kadang-kadang reaksi antara reaktan solven dengan solute yang diinginkan, misal Amina digunakan untuk mengekstrak asam organic dari air. Terkadang dilakukan reaksi balik untuk merecovery solven.
Dan juga, solven yang dipilih harus stabil. Anilin cenderung berubah coklat karena oksidasi. Ether cenderung membentuk peroksida eksplosif karena oksidasi juga. Sementara air dapat dihilangkan dengan tindakan pencegahan khusus, hal ini memakan waktu, mahal dan tidak dapat diandalkan.
Viscositas (Kekentalan)
Viscositas yang tinggi dalam suatu fase mengurangi laju transfer massa. Pada fase yang tidak terdispersi, lajunya lambat baik pada penurunan atau penaikan dispersi. Viscositas tinggi juga membuat pemompaan lebih sulit dan transfer panas lambat. Umumnya solven dengan viscositas rendah atau medium lebih disukai.
Data viscositas dalam buku pegangan Teknik Kimia, seperti hal.212-213 pada referensi (1), data yang masuk jumlahnya ternatas. Data atau nilai kualitatif dapat diyemukan di buku pegangan solsen (Referensi (5)-(7)) dan dalam kumpulan baru sebagai pengaturan DOT (3).
Rangkuman Kriteria Proses Pemisahan
Tiap-tiap dari 5 kriteria yang tersebut di atas meliputi perbandingan relative daripada klasifikasi numerik. Test Bench dengan pengusulan kandidat adalah mutlak diperlukan dan nilai pertimbangan utama telah diperinci dalam pengurangan jumlah kerja bench yang proporsinya dapat dikendalikan. Sebagai contoh masalah, pemikiran proses dimana diinginkan untuk mengekstrak asam asetat dalam air. Dapat diperkirakan bahwa kandidat berikut diusulkan sebagai solven ekstraksi : a) n-Asam kaproat, b) Anilin, c) Sikloheksanol. Tidak ada dari ketiga solven tersebut yang diharapkan bisa dipertimbangkan menurut kriteria proses pemisahan. Asam kaproat terlalu larut dalam air (kira-kira 1 %) disbanding dengan banyak pilihan lain, seperti Isopropil ether (kira-kira 0,2 %). Anilin terlalu dekat spesifik gravity-nya (1,02) disbanding dengan larutan umpan (1,04) dan dengan air yang diekstrak (1,00) . Dan juga, anilin dapat bereaksi dengan asam asetat. Sikloheksanol lebih viscous ( kira-kira 75 cp pada 20°C) dibanding banyak pilihan lain, disamping itu larut air (3,6 %).
B. Kriteria Berdasarkan Penampakan
Penampakan adalah kemapuan solven yang diusulkan untuk mengekstrak solute dari larutan umpan. Ada 3 sifat dibedakan menjadi : a) koefisien distribusi, b) selektifitas, c) kapasitas.
Koefisien Distribusi
Koefisien ini diartikan sebagai ukuran kecenderungan solute melarut dalam solven, disbanding dalam larutan umpan. Tepatnya, koefisien K = XBS / XBA , atau ratio fraksi berat solute A dalam solven S, yang dalam keseimbangan, dibanding dengan berat fraksi solute B di solven umpan A. Ratio lebih tinggi yang lebih baik. Tetapi, K frekuensinya kurang dari 1 sehingga konsentrasi keseimbangan lebih kecil di fase solven dibanding dalam solven umpan. Meski demikian, solute dapat dipindah lengkap semua dari larutan umpan ke solven dengan kontak ulang stage atau dengan kontak counter current kontinyu. Sebagai contoh, nilai K untuk asam asetat dalam umpan air, diekstrak dan isopropyl ether adalah 0,238. Karena itu, konsentrasi keseimbangan asam dalam air adalah 4x konsentrasinya di dalam ether. Tetapi, dengan 21 stage kontak counter current, asam dalam air dapat dikurangi dari dari 25 % menjadi 0,01 % (rincian perhitungan diperlihatkan di referensi (1) hal. 15-22)
Data koefisien distribusi Kf dapat ditemukan di literature, dicari dengan menggunakan chemical abstrak atau engineering index, yang ditabelkan seperti tabel 15-2 di referensi (1). Aturan kasar yang menonjol dalam pemilihan solven dikenal dengan “like dissolves like” / suka melarutkan suka. Sehingga, alcohol bisa menjadi selven yang baik untuk alkohol lain, aromatik untuk aromatik lain, dll. Sebagai contoh, untuk mengekstrak n-propanol dari air, akan beralasan untuk mencoba alkohol lain. Faktanya, untuk sistem ini, K1 untuk iso-amil alkohol adalah 3,34 & n-butanol adalah 3,61 (I).
Selektivitas
Selektivitas dapat diartikan sebagai kemampuan solvent untuk mengekstrak solute dalam larutan umpan yang lebih disuka. Selektivitas βBA yaitu derajat di mana umpan F dipisahkan dengan solute S. faktanya βBA = KB/KA 1 ratio koefisien distribusi B & A, antara S dan A. Agar solven menjadi efektif, selektivitas harus lebih besar dari 1,0. Sebagai contoh, jika asam asetat diekstrak dari air dengan solven S, solven harus melarutkan sebagain solute daripada yang air dilakukan.
Berdasarkan diagram keseimbangan hypothetical yang diperlihatkan di Gambar 1. Dapat diperkirakan bahwa umpan F adalah 36 % B (solute) dan 64 % A (solven umpan). Pada penambahan solven S (berapa bagian?), campuran diperoleh komposisi rata-rata Q. Di sini, dengan tie-line RE membelah ekstrak E memiliki 33,5 % B, 38 % S, dan 28,5 % A dan Rafinat R memiliki 20 % B, 11% S, dan 69 % A. Koefisien distribusi B (FB) adalah 33,5/ 20 = 1,7\675; kemudian A1 KA = 28,5/69,0 = 0.413, kemudian selektivitas βBA adalah KB/KA = 1,675/0,413 = 4,05. Nilai ini bisa juga diperoleh dengan memperpanjang garis dari S melewati E dan R ke E’ dan R’ (lihat gambar 1). Menggunakan nilai numerik dari gambar 1, XBS/ XAS = 53,5/46,5 (pada E’) dan XBA/XAS = 22,5/77.5 (pada R’). Sehingga Βba = (53,5 X77,5) / (56,5 X 22,5) = 3,96 (Ini dekat dengan 4,05 yang bisa diperkirakan dengan pengukuran grafis). Maka, selektivitas hipotesa solven S kira-kira adalah 4.
Kapasitas
Jika diagram keseimbangan sama dengan yang ditunjukkan gambar 1, solven S bisa melarutkan solute B dalam jumlah tak terbatas. Tetapi jika kelarutan B dalam S terbatas, area 2 fase akan memotong garis BS dan jumlah atau laju alir solven S harus dibuat cukup besar untuk menghindari presipitasi atau pemisahan B. Karena nilai ekonomi recovery solute B dari solven S tergantung pada sedikitnya solven praktisnya, solven dengan kapasitas terbatas, denganvariabel sama menjadi kurang menarik.
C. Kriteria yang Mempengaruhi Penerimaan Semua Sistem
Tidak cukup suatu solven memiliki selektivitas tinggi dibanding lainnya. Sejumlah faktor tambahan masuk jadi pilihan, khususnya pengaruh harga pada seluruh operasi
Korosifitas
Solven yang sangat korosif misalnya asam encer, larutan SO2 , dan lain-lain akan membutuhkan bahan konstruksi spesial untuk tangki, pengaduk, sumbu atau tutup lubang. Biaya ekstraksi untuk konstruksi harus dipertimbangkan dalam pemilihan solven.
Tekanan Uap
Solven dengan tekanan uap tinggi seperti ammonia cair atau dietil ether sulit untuk menjaga tetap cair. Terlepas dari segala resiko itu, kehilangan solven ke lingkungan akan merugikan dan menyulitkan operasi. Seharusnya diingat bahwa operasi boleh jadi terjadi selama musim panas.
Flammabilitas (Mudah Tidaknya Terbakar)
Sifat yang berhubungan dan sangat penting adalah flammabilitas, yang biasanya diukur dengan limit batas flammabilitas, dengan Titik Nyala dan dengan Temperature Bakar. Batas flammabilitas didefinisikan range campuran udara di dalamnya di mana solven akan terbakar, range yang luas lebih berbahaya daripada yang dekat. Titik Nyala merupakan suhu di mana solvent bisa dibakar oleh api. Pada Suhu Bakar, solvent akan mulai terbakar dalam udara dengan sendirinya, tanpa percikan ataupun nyala api. Beberapa contoh diperlihatkan pada tabel 1.
Akan terlihat bahwa kedua tolune dan hexane lebih aman daripada ether yang memiliki “batas lebih tinggi” flammabilitasnya. Juga, titik nyala ether pada -45°C dan memiliki titik bakar lebih rendah. Harus diingat bahwa factor kritis dalam suhu pembakaran adalah hot spot di peralatan, seperti pada over head motor atau pada pipa steam panas, yang akan dikontakkan dengan percikan kebocorang atau tumpahnya solvent.
Toxinitas
Aspek yang benar-benar dalam pemilihan solvent bisa didasarkan pada tiga level = bahaya operasi, bahaya buangan ke lingkungan dan bahaya konsumen [lihat (2) atau (3), untuk data racun]
Tabel 1. Keterbakaran dari beberapa solven
Pelarut Suhu flash oC Suhu nyala otomatis oC Batas dalam udara % V
Toluene 4,0 552 1,2 – 7.1
Heksana -26,1 247 1,2 – 7,7
Etil eter -45 186 1,7 – 48
lihat (2) atau (3) untuk data yang sesuai
Bahaya bagi operator – walaupun secara total sistem tertutup, saluran pembuangan dan lain-lain. Operator akan tetap terpapar melalui penguapan, tumpahan, kebocoran dari pelarut atau bahan tambahan untuk memenuhi kebutuhan pelarut dan lain-lain. Risiko lain dari pelarut adalah risiko semakin parah oleh karena itu fitur desain harus bersifat melindungi dari sesuatu yang menyebabkan peningkatan biaya dan pengurangan efektivitas operator. Bekerja delapan jam dalam pakaian karet dan menggunakan masker pernafasan tidak hanya membatasi pandangan dan pergerakan tetapi juga sangat tidak nyaman. Sebuah pabrik dapat didesain sedemikian rupa untuk menangani berbagai tingkat bahaya dari pelarut, tetapi bukan tidak mungkin untuk memilih bahan pelarut yang berbahaya jika masalah keselamatan sudah teratasi. Tingkat bahaya racun dibedakan menjadi dua tingkatan akut (reaksi cepat) dan kronis (reaksi lambat).
Bahaya bagi lingkungan – beberapa pelarut, bahkan jika secara khusus tidak berbahaya bagi operator tetapi mungkin keberadaannya akan berakibat kurang baik bagi air dan udara. Uap dari hidrokarbon misalnya yang disinyalir sebagai ukuran dari polusi, atau freon yang dipercaya sebagai penyebab kerusakan lapisan ozon di atmosfer. Tness juga dapat dikontrol tetapi memerlukan biaya tambahan dan sulit. Pembinaan dapat dilakukan dari departemen negara terkait.
Bahaya bagi konsumen – Dalam teori, pelarut dihilangkan dari produk yang diinginkan dengan distilasi atau dengan metode lainnya dan sedikit runutan dari pelarut dengan konsentrasi kecil. Ada perkecualiannya, sebagai contoh pelarut yang digunakan untuk ekstraksi minyak hati ikan Cod yang dikonsumsi manusia sebagai penawar racun. Selain itu bahkan produk selain makanan, kosmetik atau pakaian yang boleh jadi kontak dengan operator di dalam pabrik. Contoh bahan tambahan untuk plastik, fluida potong bengkel, cat-cat dagang da produk lain yang mana operator atau penjual boleh jadi terpapar oleh bahan-bahan tersebut dalam waktu yang lama. Pemilihan bahan pelarut pun harus diperhatikan batas akhir waktu penggunaannya.
Pemenuhan Hak Paten
Pemilihan jenis bahan pelarut jarang yang menjadikan dalam hak paten karena pemilihan secara umum “lebih nyata” dan bukan merupakan yang dapat dipatenkan. Tetapi ia membayar untuk melakukan penelitian terlebih dahulu! Jadilah ahli untuk melakukan pengecekan!
Kemampuan untuk dilakukan recovery
Setelah zat yang terlarut diekstraksi ke dalam pelarut. Pelarut tersebut harus dipisahkan untuk digunakan kembali. Kecuali jika zat terlarut dapat dikristalkan, metode lazimnya adalah distilasi. Pemilihan pelarut termasuk mendesain model tidak hanya dilakukan pada kolom ekstraksi tetapi juga sistem pemisahan pelarut. Investasi dan biaya operasi dari penggunaan sistem tersebut harus diperkirakan untuk mendapatkan pelarut termurah yang dapat dilakukan untuk tujuan yang sama. Itu diperlukan untuk mengetahui kesetimbangan antara pelarut dan zat yang terlarut. Jika ini tidak tersedia, ia dapat diasumsikan dengan sifat perlakuan ideal (jika hal ini merupakan hal yang logis)
Dalam banyak kasus, sifat ideal cair-uap tidak sesuai dengan apa yang diasumsikan, oleh karena itu data tidak dapat dihitung dan data percobaan akan ditemukan dalam literatur atau ditentukan.
Sebagai contoh, umpamakan n-butanol (titik didih 117 oC) adalah zat yang terlarut dalam beberapa larutan yang tidak ditentukan dan tiga jenis pelarut yang disarankan adalah:
H2O (titi didih 100 oC)
Toluene (titik didih 110.8 oC)
Pentanol-2 (titik didih 119.5 oC)
Sekarang diurutkan dari atas yang paling mudah dilakukan pemisahan dengan n-butanol dengan distilasi.
Air yang muncul sebagai lapisan yang pertama menjadi pilihan terbaik, karena ia memiliki perbedaan titik didih yang paling jauh dengan n-butanol sehingga paling mudah dipisahkan dengan metode distilasi. Tetapi sistem air – n-butanol akan membentuk azeotrop. Toluene juga akan membentuk azeotrop dengan n-butanol. Jika digunakan pentanol-2, tetapi karena titik didihnya hanya 2,5 oC lebih tinggi dari n-butanol, jumlah besar dari plate teoritis dan laju refluk yang tinggi mungkin dibutuhkan. Terutama tekanan uap dari n-butanol pada 119,5 oC, yang diperoleh dari ekstrapolasi data dalam tabel 3-8 pp 3-50 referensi (l) adalah 810 mm Hg, sehingga penguapan relatifnya terhadap pentanol-2 adalah 1,066. Menggunakan persamaan fenske (dengan kondensor total):
N+1=ln[(X_1/X_2 )_p*(X_2/X_1 )_w ]/ln〖α av〗
pada refluk total.
Dan diasumsikan bahwa 99% butanol murni diinginkan pada hasil puncak dan pentanol-2 murni 99% diinginkan pada hasil bawah:
N=ln[99/1*99/1]/ln1,066 -1
Atau N = 143 plate teoritis (pada refluk total)
Metode ini tidak efektif untuk dijalankan, tetapi jangan menyerah! Walaupun membentuk azeotrop, n-butanol dan air dapat dipisahkan menjadi alkohol dan air murni menggunakan dua kolom, terhadap dua cairan yang tidak saling larut yang diperoleh dari kondensor [lihat (1) halaman 13 – 39 untuk bagian yang lebih rinci]. Jumlah total dari plate yang dibutuhkan untuk dua kolom akan lebih kecil dari jumlah 143. Singkatnya, air dijadikan pilihan sebagai pelarut dengan pertimbangan mudah untuk diperoleh kembali.
Table 2. Biaya investasi untuk sistem air-methanol
Air Methanol
Ekstraksi 1 sentrifugal
5 mixer @ 5.000 25.000 ekstraktor
5 alat pengendap @2.500 12.500 @ $ 100.000
Instalasi 20.000 20.000
Pompa, pipa dll 25.000 10.000
Pengecatan, atap 5.000 1.000
Listrik 10.000 2.000
mesin 5.000 2.500
Kolom distilasi
Asesoris 25.000 10.000
Instalasi 15.000 8.000
Total $ 142.500 $ 153.500
Depresiasi $ 10.678,50/Th $ 11.512,50/Th
Biaya
Idealnya setiap calon pemilihan pemilihan pelarut harus dipelajari terlebih dahulu secara teliti untuk mengetahui lebih jauh tentang perkiraan investasi dan biaya operasi untuk setiap kasus sehingga didapatkan pada pilihan biaya yang paling murah. Dalam praktik di lapangan, akan sangat jarang adanya waktu yang senggang untuk memperkirakan biaya terhadap dua atau tiga pilihan. Total biaya yang paling sedikit itulah yang menjadi pilihan akhir, dan akan jauh lebih meyakinkan memiliki analisa yang serupa setidaknya satu dari pilihan yang lain.
Sebagai contoh yang sederhana dari perbandingan hipotesa, baik metanol maupun air dapat menjadi bahan pelarut dari zat terlarut C yang diproduksi pada 5*105 kg per tahun. Perkiraan 5 stage teoritis dibutuhkan untuk setiap bahan pelarut. Untuk air, 5 pengaduk dan 5 pengendap bisa cukup menjadi bahan pertimbangan; untuk metanol, perbedaan massa jenis yang rendah mungkin membutuhkan ekstraktor-separator dengan sentrifugasi kecepatan tinggi yang mempunyai 5 stage. Pertimbangan bahan terlarut C yang bersifat kurang volatil dibandingkan air, dapat dipisahkan dengan menggunakan 20 stage teoritis serta dengan perbandingan refluk sebesar 2,5/1 atau metanol yang dapat dipisahkan dengan 10 stage teoritis dan perbandingan refluk 1,5/1. Pertimbangan kerugian terhadap jumlah 5 kg pelarut tiap 100 kg produk C. Perlu diperhatikan juga kemurnian dari produk yang dihasilkan, sehingga operator diharapkan dapat mengendalikan proses distilasi air tersebut serta lama waktu pencampuran dan pengendapan, tetapi separator sentrifugal membutuhkan jumlah operator yang lebih banyak jika menggunakan metanol. Pertimbangan biaya uap air (steam) $ 2,00 tiap 106 Btu dan bahwa metanol harus dikondensasi dengan cooling-tower air pada $ 0,10 tiap 10 galon (temperatur 15 oC) tetapi air juga dapat diganti dengan air sungai sehingga tidak mengeluarkan biaya. Biaya dari upah karyawan (termasuk supervisi, kerja lembur dll) mencapai $ 10 tiap jamnya, perbaikan 5% dari total investasi dan besarnya investasi dapat diperkirakan dalam tabel 2.
Asumsi operasi pabrik 2000 jam per tahun, biaya operasi (biaya yang mencakup ekstraksi dan distilasi) untuk dua jenis bahan pelarut dapat dilihat dalam tabel 3.
Berdasarkan analisa ini, air menjadi pilihan yang lebih ekonomis, pelajar akan mengapresiasikan sejumlah biaya yang ditunjukkan dalam tabel 3 sebagai ilustrasi, meskipun banyak hal yang diabaikan dalam kasus yang sebenarnya. Catatan juga bahwa perbedaan antara 1 operator dengan 2 operator merupakan faktor yang sangat berpengaruh dalam biaya total akhir.
LITERATUR
Perry. R. H. and C. H. Chilton. “Chemical Engineers’ Hand Book.” 5th, McGraw-Hill (1973)
Sax. I., “Dangerous Properties Of Industrial Materials” 4th Ed. Van Nostrand Reinhold (1975)
“Chemical Hazards Response Information (CHRIS).” Dept of Transportation (DOT). Coast Guard.
Treybal, R. E., “Liquid Extraction.” 2nd Ed. McGraw-Hill (1963)
Mellan. L., “Industrial solvents.” Reinhold (1947)
Mellan. L., “Industrial solvents’ Handbook.” Noyes Data Corp (1970)
Mellan. L., “Compatibility and Solubility.” Noyes Development Corp (1986)
Bailes. P. J., C. Hanson, and M. A. Hughes, “Liquid-Liquid Extraction.” Chemical Engineering, (January 19, May 10, August 30, 1976). Available as reprint from Chemical Engineering.
Hanson. C., “Recent Advances in Liquid-Liquid Extraction.” Pergamon (1971)
Alders. L., “Liquid-Liquid Extraction.” Elsevier (1959)
Arro. Ya. V., and L. N. Melder, “Calculation of Partition Coeficient for Polar Substance Between a Mixture of Organic Solvent and water.” Russian jurnal of physical chemistry, 50 (10), pp. 1553-1555 (1976)
Fedors. R. F., “A Method for Estimating Both the Solubility Parameters and Molar Volume of Liquid.” Polymer Engineering and Science, 14 No. 2. Pp. 147-154 (1974)
Dack, M. R. J., Ed., “Solutions and Solubilities.” “Techniques of Chemistry.” Vol. VIII. Wiley (1976)
Francis, A. W., “Liquid-Liquid Equilibriums” Interscience (1963)
STUDI MASALAH
Sebutkan lima kriteria dari bahan-bahan pelarut yang dipilih dengan mempertimbangkan pemisahan pelarut tersebut dengan larutan umpan!
Mengapa kelarutan bahan pelarut dalam rafinat umumnya lebih lemah jika dibandingkan dengan kelarutan rafinat dalam solven?
Diharapkan untuk memisahkan kembali detergen dari anak sungai, sehingga airnya dapat digunakan untuk pengairan dan daur ulang detergen. Recovery detergen kadang-kadang berkendala oleh adanya salinitas, dapatkah ini digunakan untuk membuat ekstraksi parsial?
Dalam pengujian toluene, untuk memisahkan toluene dari air, seorang ahli kimia mengujikan 100ml larutan dengan 100.
Tabel 3. Biaya operasi air-metanol
Water Methanol
Depresiasi $ 10.678,5 $11.512,50
Karyawan 20.000,00 40.000,00
Perawatan 7.125,00 7.656,00
Uap*
Btu/Th 2,68*109 1,61*109
$/Th 5.356,00 3.213,00
Air pendingin - 716,00
Kehilangan pelarut - 4.168,00 @500/gal
Total: $/Th $ 43.168,50 $ 67.284,50
c/kg produk 8,6 13,5
*catatan bahwa pengeluaran uap untuk produk (sama untuk kedua kasus) bahwa air mendidih 1,25*106 kg/Th metanol yang mendidih 0,75*106 ¬kg/Th. Perlu diperhatikan juga perbedaan ΔHv dari toluen, dan mendapatkan itu untuk memindahkan hanya setengah dari solute. Dia berusaha untuk mencoba lagi dengan 500 ml of toluen, dan mengecewakan karena yang didapatkan hanya 84% solute. Kamu mengusulkan lima pengambilan secara berturut-turut masing-masing 100 ml. Dapatkah kamu memperkirakan banyaknya jumlah derajat untuk mengembalikan hasil yang dicapai saat pertukaran?
Mengingatkan pada Figure 1 (melampirkan) dan mengasumsikan bagian yang terdapat dalam wt. %. Berapa banyak solvent S yang akan ditambahkan untuk 100 kg umpan F untuk mendapatkan sebuah campuran dengan komposisi Q?
Memperkirakan sumber air pengotor dari impuritas organik, yang manakah solven yang bagus untuk di gunakan: octane (tekanan uap 45 0C = 50 mm Hg). Atau parafin (tekanan uap 45 0C < 1 mm Hg)?
Mengambil ethyl ether dari solven dengan cara sistem ekstraksi 1 gr-mol eter per menit di dalam ruangan. Berapa banyak alat pembuangan uap/gas yang di persiapkan dalam ruangan untuk mencegah bahaya ledakan?
Gasolin dapat memberikan sebuah nilai octane tinggi untuk menjumlahkan : (1) tetraetil atau (2) benzen. Dari 2 nama tersebut yang meberikan nilai resiko tinggi.
Sebuah kemungkinan solven di dalamnya beracun sebuah perumusanuntuk mengahapus cetakan dalam blok mesin. Dengan asumsi suhu volatil adalah rendah, dan sangat sedikit udara dari lubang angin.
Sebuah Solute organik dapat larut dalam etanol sangat luas, untuk 5 % pada 20 0C dan 35% pada 80 0C. Semuanya dapat larut dalam air. Apakah dapat di pindahkan ke penguapan. Apakah solvent lebih mudah recovery: (air atau etanol)?
Data Tabel
Table 4.
Comparison of Ethylbenzen and styrene
Ethylbenzen styrene
a). Sp. Gr.
b). Solubility in H2O 0.87
0.01% 0.90
v. sl. s
Table 5.
Xylene n-Butyl Acetate Chlorobenzene
a). Sp. Gr.
b). Solubility in H2O 0.87
Insol 0.88
0.87% 1.107
0.05%
Note : Sp. gr. of acetonitrile = 0.783
Table 6.
Cyclohexanol Toluene
a).Viscosity, cp
b). Sp.Gr.
c). Solubility
d). Flash point, 0F
e). Toxicity Rating : Acute
Toxicity Rating : Chronic
f). Distribution Coefficient -
0.96
3.6%
40
1-2
Suspected carcinogen
1.325 0.60
0.87
0.05%
154
1-2
1-2
0.064
Table 7.
Viscosity.cp K0 Sp. Gr.
Ethylene glycol
β.β1-thiodipropionitrile
Triethylene glycol 18
-
35 0.300
0.350
0.351 1.11
-
1.13
Table8.(1), pp. 13-6
x 0.0464
y 0.0988 0.0861
0.1729 0.2004
0.3473 0.2792
0.4412 0.3842
0.5464 0.4857
0.6304 0.5824
0.7009 0.6904
0.7759 0.7842
0.8384 0.8972
0.9149
TUGAS RUMAH / MASALAH
Jika menginginkan hasil diaceton alcohol (B) dari air (A). Keduanya memungkinkan menjadi solvent: 1.Ethylbenzene (K=0.355), dan 2.Styren (K=0.455). beberapa kandungannya dapat di lihat pada tabel 4. Bandingkan Ethylbenzene dan Styren pada basis di tabel 4, dari reaksi kimia dan kestabilannya. Pilihlah yang terbaik dan beri alasanmu.
Untuk menginginkan hasil acetonitrile dari air.menggunakan salah satu solvent: 1.Xylene, 2.n-butyl acetat, dan 3.Chlorobenzene. Pilih salah satu dengan data density dan solubyliti yang terdapat pada tabel 5.
Untuk menginginkan hasil acetid acid dari air menggunakan cyclohexanol atau toluene. Bandinkan antara kedua basisnya: a). Transfer masa rata-rata. b).racun dan bahaya kebakaran. dan; c).koefisiennya. lihat tabel 6.
Memperkirakan sebuah umpan 25% benzenedi dalam n-heptana. Menghasilkan suatu pemisahan benzene menjadi satu dengan kandungan tidak lebih dari 5% mol benzena dan yang lainnya tidak lebih 95% benzene. Hasil Laboratorium menunjukan tiga solvent memiliki koefisien lihat tabel 7. (componen A=n-heptana). Untuk membantu perhitungan pemisahan, the vapor-liquid (x-y) data pada tabel 8memungkinkan untuk (benzene dengan volatil banyak). Pilihlah dari ke tiga solvent tadi, dan berapa banyak langkah teoritis (penaksiran) akan dibutuhkan? Rumus Kremser untuk penomoran langkah M yaitu pemisahan countercurrent multistage adalah:
M=(log〖{[〗 1/(1-Z)] (1-1/U)+ 1/U})/logU
Z=(U^(M+1)-U)/(U^(M+1)-1) U=SK/H
Dimana
S=Solvent rata-rata pada kolom
H=Umpan rata-rata pada kompoen A
Memperkirakan anilin dapat dipisahkandari benzen dengan acetic atau dengan hydrochloric acid. Menggunakan peralatan 18-8 stainless steel. Yang mana solvent lebih menguntungkan, dan berikan dua alasanmu yang kamu pilih.
Dua buah solvent, S1 dan S2 dengan pertimbangan. Rata-rata transfer massa adalah 10 menit lebih cepat untuk S1 dari pada S2, tetapi S1 membutuhkan waktu 6 langkah dalam reaksinya/contact. Memisalkan percampuran settlers untuk S2 lebih dari 10 menit dari pada S1.Yang manakah solvent yang di butuhkan jika aya tampung/kapasitasnya lebih tinggi?
Senin, 23 Maret 2009
Langganan:
Postingan (Atom)
