Modul Operasi Teknik Kimia 3

(1)

OPERASI TEKNIK KIMIA 3

(E – Modul)

Disusun Oleh

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

Jurusan Teknik Kimia

Fakultas Teknik Universitas Syiah Kuala Darussalam, Banda Aceh

Edisi 1 (2006)

MENU UTAMA

MENUJU BAB MATERI

Kata Pengantar dari Penulis

Garis-Garis Besar Pokok Pengajaran (GBPP) dan Satuan Acara Pengajaran (SAP)

1 Pengantar Operasi Teknik Kimia

2 Operasi Stage

3 Kaidah Fasa

4 konsep proses pemisahan phase gas-cair,

5 Distilasi

6 Efisiensi plate untuk distilasi

7 Absorbsi

8 Efisiensi plate untuk Absorbsi

9 Absorpsi dengan plate dan packed tower

10 Ekstraksi Cair – cair

11 Leaching untuk zat cair-padat

12 Efisiensi plate untuk Ekstraksi dan Leaching

(2)

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna) 2

Modul Kuliah

Disusun Oleh

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

OPERASI TEKNIK KIMIA 3

JURUSAN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SYIAH KUALA

(3)

PENGANTAR

dari

PENYUSUN

Pengajar mata kuliah Operasi Teknik Kimia 3 telah berhasil menyusun materi pengajaran Tekniik Kimia yang disajikan dalam bentuk Modul Kuliah. Modul Kuliah yang disusun ini menampilkan sebagian dari materi Operasi Teknik Kimia 3 dan didesain agar mudah dimengerti oleh pembaca. Penyusunan Modul Kuliah ini diharapkan dapat memberikan hasil yang lebih baik, serta dapat melengkapi materi kuliah untuk mahasiswa Program S1 Teknik Kimia Unsyiah. Disadari bahwa penyusunan Modul Kuliah ini masih banyak terdapat kelemahannya sehingga penyempurnaan di masa depan masih sangat diperlukan dan diharapkan sehingga mendapatkan tingkat kesempurnaan yang lebih tinggi. Kepada semua pihak yang telah membantu serta mendukung penyusunan Modul Kuliah ini diucapkan banyak terima kasih.

Darussalam, April 2006

Tim Penyusun,

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

(4)

BAB 1

PENGANTAR OPERASI TEKNIK KIMIA

1. UNIT OPERASI DALAM TEKNIK KIMIA

Teknik kimia didefinisikan sebagai “penerapan prinsip ilmu-ilmu fisika bersama dengan prinsip ekonomi dan hubungan antar manusia yang berhubungan langsung dengan proses dan alat proses dimana semua itu di olah untuk mempengaruhi perubahan keadaan, energy, atau komposisi”. Definisi ini sangat tidak jelas serta mempunyai cakupan yang sangat luas. Hal yang harus ditekankan bahwa titik berat yang dapat dipertimbangkan ditempatkan pada proses dan alat proses. Pekerjaan sarjana teknik kimia sebaiknya disebut proses engineering.

Proses yang melibatkan perubahan komposisi kimia atau perubahan fisik pada bahan yang yang disiapkan, diproses, dipisahkan atau dimurnikan. Pekerjaan chemical engineer meliputi pemilihan langkah-langkah yang sesuai dalam susunan formula sebuah proses untuk menyelesaikan operasi pembuatan bahan kimia, pemisahan, atau pemurnian. Karena setiap langkah penyusun proses merupakan subyek variasi, proses engineer harus menentukan kondisi yang tepat untuk setiap langkah operasi sering dengan pengembangan proses dan peralatan harus dirancang, chemical engeneer akan bekerja sama dengan chemical dan civil engeneer.

Semua pekerjaan seseorang engeneer harus quantitatif dan matematika menjadi fundamental tools bagi engeneer. Sayangnya, pemahaman kita akan matematika terbatas pada domain matematika linier, dan perilaku molekul kimia jarang bersentuhan dengan aturan matematika linier. Perhitungan neraca massa dan energi, yang merupakan dasar untuk setiap proses studi, biasanya dapat dinyatakan dengan ketelitian matematika linier, selama kita mengabaikan proses atom dan nuklir. Dalam studi ekonomi untuk menentukan kondisi proses yang paling menguntungkan dan dalam perhitungan penerimaan penjualan dan distribusi pemasukan terhadap keuntungan dan harga, termasuk penggantian pabrik perhitungan matematika biasa digunakan.

Keberadaan sebuah proses mengacu bahwa semua material yang dihasilkan akan dibayar pelanggan. Sehingga harus difikirkan jiumlah, kualitas dan harga yang dapat diterima pelanggan. Bahan yang dihasilkan oleh industri kimia direncanakan dan dibuat dalam pabrik sebelum real market dikembangkan. Untuk produk baru, beberapa perkiraan pasar harus dibuat, dan pabrik sebaiknya diskala secara proposional. Aspek human-relation dari praktek engineer biasanya tidak dititik beratkan pada undergraduated training karena banyaknya teknik dan informasi teknik yang harus dipelajari. Semua engineers harus menyadari bahwa industri dimana mereka bekerja memerlukan usaha dari tiap orang. Informasi yang berharga dapat diperoleh dari operator. Orang yang telah lama bekerja dibidang operasi mungkin telah mengamati perilaku, pengaruh dan metode kontrol secara detail yang tidak dapat didekati hanya dengan penghargaan yang layak untuk semua fakta yang ada tanpa mengindahkan sumbernya.

Proses baru atau perbaikan teknik dari proses yang ada tanpa memperhitungkan saran operator biasanya mengalami kegagalan. Start-up pabrik baru atau instalasi yang mengalami perubahan teknik akan jauh lebih lancar dan biaya operasinya jauh lebih murah jika personal operasi mengerti obyeknya.

2. BEBERAPA KONSEP DASAR

Sebelum berusaha menggambarkan operasi yang melengkapi proses kimia, perlu mengenalkan beberapa konsep dasar yang harus dimengerti sebelum penggambaran operasi.

2.1 Kesetimbangan

Untuk semua kombinasi fase sebuah kondisi zero net interchange of properties biasa disebut kesetimbangan. Sedangkan, perbedaan konsentrasi beberapa sifat pada kondisi yang ada dan kondisi setimbang disebut driving force atau beda potensial, dan dia cenderung untuk mengubah sistim menuju kondisi setimbang. Penggambaran kesetimbangan massa lebih rumit dari

(5)

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

Untuk kesetimbangan antara cairan dan uapnya, kurva tekanan uap bisa digunakan. Kurva ini menyatakan unit tekanan konsentrasi uap yang kesetimbangan dengan cairan murni ketika keduanya pada suhu tertentu. Pada kasus campuran cairan, kesetimbangan harus ada antara fase cairan dan fase uap, untuk campuran biner, hubungannya merupakan sebuah penggambaran konsentrasi yang relatif sederhana atau tekanan parsial masing-masing kontituen pada fase uap yang kesetimbangan pada campuran multi komponen antara fase cair dan uapnya atau antara dua fase cair memenuhi kelarutan partial. Pada setiap kasus, kondisi harus disesuaikan sehingga potensial masing-masing kontituen indentik, pada semua fase setimbang dari sistim tertentu.

2.2 Driving force

Ketika dua substance atau fase tidak pada kondisi kesetimbangan dikontakkan, ada cenderung untuk berubah yang akan menghasilkan kondisi setimbang. Perbedaan antara kondisi yang ada dan kondisi setimbang adalah driving force yang menyebabkan perubahan ini. Perbedaan dapat dinyatakan dalam konsentrasi bermacam-macam sifat substance. Sebagai contoh, jika air pada fase cair dengan konsentrasi energi rendah dikontakkan dengan uap yang mempunyai konsentrasi energi tinggi akan dipindahkan dari fase uap ke fase cair sampai konsentrasi energi sama antara kedua fase. Pada kasus ini jika jumlah cairan besar dalam perbandingan dengan uap, kedua fase menjadi satu dengan kondensasi uap karena energinya dipindahkan ke air dingin. Campuran akhir akan menjadi sejumlah air fase cair dengan jumlah yang meningkat pada suhu yang lebih tinggi dari pada kondisi awalnya, dan pengurangan jumlah uap. Kombinasi ini mencapai kesetimbangan sangat cepat pada suhu dimana tekanan uap air sama dengan tekanan fase uap.

Ada tipe driving force yang terjadi ketika sebuah larutan aceticacid dan air dikontakkan

dengan isopropyl ether. Ketiga komponen akan terpisah dalam dua fase cair, masing-masing berisi sebagian dari ketiga komponen. Konsentrasi masing-masing komponen pada tiap fase harus diketahui untuk menggambarkan kondisi setimbang jika kedua fase yang tidak pada kesetimbangan dikontakkan bersama-sama. Perpindahan analog dengan elektris dan energi thermal akan terjadi. Hasilnya merupakan perpindahan fase isopropyl ether kedalam air acid dan perpindahan air dan asam kedalam fase eyher sampai potensial tiap konstituen sama pada kedua fase. Tidak ada pernyataan yang sederhana untuk potensial kimia, sehingga jumlah perunit volume, atau konsentrasi massa pada sebuah fase biasanya dirancang. Konsentrasi massa tidak terdefinisi secara tegas, tetapi fungsi aktifitas, fugasitas dan energi bebas gibbs yang lebih akurat dan komplek memerlukan pengetahuan tentang kimia fisika yang lebih advanced.

Pada contoh sebelumnya konsentrasi massa komponen berbeda pada tiap fase pada kesetimbangan. Pada semua kasus yang dibicarakan diatas, pontensial (konsentrasi) substance yang ada atau campuran bila dibandingkan dengan potensial pada kondisi setimbang menghasilkan sebuah perbedaan potensial atau driving force yang cenderung mengubah kondisi sistem yang menuju kondisi setimbang. Driving force, atau perbedaan potensial energi cenderung menghasilkan perubahan pada kecepatan yang secara langsung proposional dengan perbedaan dari potensial keseimbangan.

2.3 Pemisahan

Pemisahan sebuah larutan atau campuran homogen yang baru, memerlukan preferental transfer of constituen untuk fase kedua yang dapat dipisahkan dari campuran residual. Sebagi gambaran adalah dehumidifikasi udara dengan mengembunkan atau membekukan sebagian moisture, atau menggunakan solvent cair yang tidak larut pada bahan tidak terekstrak. Dua fase padat mungkin sangat sulit untuk dipisahkan, sementara itu cairan, gas, atau padatan biasanya mudah dipisahkan. Sedangkan dua cairan yang mempunyai densitas sama dan tidak ada gaya interfasial dapat menghambat semua pemisahan yang dapat dijalankan.

2.4 Pola aliran

Pada berbagai operasi untuk memindahkan energi atau material dari satu fase ke fase lain, kedua aliran perlu dikontakkan agar terjadi perubahan menuju kesetimbangan energi atau meterial atau keduanya. Perpindahan dapat dicapai dengan kedua stream mengalir pada arah yang sama

(6)

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

Sebagai gambaran, jika sebuah stream merkuri panas dan stream air dingin dibiarkan mencapai kesetimbangan thermal, suhu akhir dapat diperkirakan dengan neraca panas yang mencakup jumlah relatif stream, suhu awal, dan kapasitas panas. Jika stream mengalir simultan dari titik, pemasukan yang sama menuju titik pengeluaran yang sama, akan dicapai dengan suhu kesetimbangan tertentu. Dan modelnya ditunjukkan pada gambar 1.1a. jika stream dibuat mengalir pada arah berlawanan, dengan membiarkan merkuri mengalir kebawah melalui aliran air yang naik keatas, memungkinkan untuk memasukan aliran merkuri panas untuk meningkatkan suhu aliran air dingin. Seperti ditunjukkan gambar 1.1b. prinsip counter flow digunakan operasi teknik kimia untuk memperoleh perpindahan yang lebih besar.

2.5 Operasi kontinyu dan batch

Dalam operasi proses kimia, akan lebih ekonomis untuk melakukan proses kontinu dan

steady, dengan minimum gangguan dan shut down. Hal ini tidak selalu dapat dilakukan pada operasi skala kecil atau dalam kondisi yang sangat korosif yang mendorong seringnya dilakukan perbaikan. Karena produktifitas yang lebih besar untuk peralatan yang beroperasi secara kontinyu dan beda unit cost yang lebih rendah, biasanya menguntungkan mengoperasikan alat proses secara kontinyu. Hal ini berarti waktu bukan sebuah variabel dalam analisis untuk proses tersebut, kecuali selama start up dan shut down. Kecepatan waktu transfer dan reaksi penting dalam menentukan ukuran dan kapasitas alat, tetapi untuk kerja diharapkan sama sepanjang waktu pada kondisi operasi yang sama.

Ketika sejumlah kecil material dilakukan pemprosesan sering kali dilakukan dengan memasukkan seluruh material kedalam alat proses, diproses ditempat dan mengeluarkan produk yang dihasilkan. Proses ini disebut proses batch. Pada operasi batch hampir semua cyele merupakan start up transiennt dan shut down transiennt. Pada operasi kontinyu, waktu selama start up transiennt berlangsung mungkin sangat pendek dibandingkan dengan operasi stedy state. Analisis transiennt suatu operasi batch biasanya lebih kompleks dari pada operasi steady state. Perbedaan analisis operasi transiennt dengan operasi steady state hanya pada penambahaan variabel waktu. Variabel-variabel ini mempersulit analisis tidak merubahnya secara fundamental.

3. UNIT OPERASI (OPERASI TEKNIK KIMIA)

Proses kimia terdiri dari bermacam rangkaian langkah. Dalam perancangan sebuah proses, setiap langkah yang digunakan dapat dipelajari sendiri jika langkah-langkah tersebut dikenal. Beberapa langkah adalah reaksi kurva dan yang lain adalah perubahan-perubahan fisik. Konsep unit operasi dalam teknik kimia didasarkan pada filosofi bahwa rangkaian langkah dapat direduksi menjadi operasi atau reaksi sederhana, yang identik dalam fundamental material yang diproses. Prinsip ini yang menjadi dikenal para pendahulu selama perkembangan industri kimia, yang pertama kali dikemukakan oleh A.D.Little pada tahun 1915.

Any chemical process, on whatever scale conducted, may be resolved into a coordinated series of what may be termed “unit actions”,as pulverizing, mixing, heating, roasting, absorbing, condensing, lixiviating, precipitating, crystallzing, filtering, dissolving, electrolyzing ada so on. The number of these basic unit operations is not very large and relatively few of tjem are involved in any particular process. The complexity of chemical engineering results from the variety conditions as to temperature, pressure,ect., under which the unit actionss must be carried out in different process and from the limitations as to materials of construction and design of apparatus imposed by the physical and chemical character of reacting substancees.

Daftar lebih dari dua belas jenis operasi diatas tidak semuanya mempertimbangkan unit operasi. Operasi lain yang dikenal adalah fluida flow, perpindahan panas, destilasi, humadifikasi, absorpsi, sendimentasi klasifikasi, agitasi, dan sentrifugasi. Disamping tiu, seiring dengan perkembangan jaman dan peningkatan pemahaman akan teknologi baru muncul proses baru yang lebih terintegrasi.

(7)

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

Perpindahan panas telah menjadi subjek investigasi teoritis oleh ahli fisika dan matematika. Perpindahan panas memainkan peranan penting dalam power generation dari fuel, seperti dikembangkan oleh sarjana teknik mesin. Lewat industri, seseorang menemukan contoh unit operasi dalam pemanfaatannya pada persoalan di bidang teknik lain. Sarjana teknik kimia harus dapat mengoperasikan bermacam-macam unit operasi atas material dengan beragam kondisi fisik dan properti kimia pada kondisi tekanan dan suhu tertentu.

3.1 Integrasi unit operasi

Pada pengolahan kompleks, interaksi dari setiap langkah mendorong engineer untuk mempertimbangkan keseluruhan proses, atau sistem sebagi satu kesatuan. Konsep tradisional dari menjelaskan masing-masing unit operasi sebagai suatu paket dan dijelaskan secra terpisah dan jarang dijelaskan secara overlap. Korelasi ini menjadi perlu jika dilihat pada monograph beberapa unit operasi secara lengkap tanpa memperhatikan pengaruh fakta lainnya. Secara spesifik, perpindahan panas yang merupakan sistim alir tidak dapat dinyatakan secara lengkap tanpa pertimbangan mekanika fluida. Perpindahan massa tidak dapat dipisahkan dari perpindahan panas dan menikan fluida.

3.2 Analisa unit operasi

Unit operasi dapat dianalisis dan dikelompokkan mengunakan satu dari tiga metode yang mungkin digunakan. Sebuah unit operasi dapat dianalisa menggunakan simple physical model yang menghasilkan kembali aksi dari operasi yang dilakukan dengan mempertimbangkan peralatan yang digunakan untuk operasi, atau dianalisis dengan pernyataan matematika yang menggambarkan aksi dan diuji menggunakan data eksperimen.

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

Pengelompokan dapat juga diselesaikan dengan pengelompokan peralatan yang sama atau yang memeiliki kesamaan fungsi. Operasi dapt juga dikelompokkan dalam kesamaan persamaan matematika dasar operasi. Metode ini tidak begitu memuaskan karena adanya sifat nonliniaritas dan juga adanya keadaan batas dari perubahan satu phase ke phase yang lain. Physical model dari operasi fundamental merupakan pendekatan yang paling memuaskan. Persamaan dengan pendekatan ini memberikan dasar yang paling baik untuk memahami operasi.

3.3 Dua karakteristik Physical models

Model yang secara luas dipakai untuk unit operasi adalah alat dengan dua stearm, atau phase, dibawa bersama-sama untuk mencapai kesetimbangan, kemudian dipisahkan. Diasumsikan bahwa stream yang keluar pada kesetimbangan, dan model ini disebut stage kesetimbangan. Pada model lain untuk perpindahan properti antara dua stream, digambarkan pembawa properti, evaluasi angka dan kecepatan migrasi, dan kecepatan transfer antara dua stream pada kontak yang kontinyu. Kecepatan perpindahan ini dikalikan dengan waktu kontak menghasilkan pernyataan jumlah perpindahan. Kebanyakan unit operasi dapat dipelajari dalam kedua basis. Banyak diantaranya dilakukan dalam peralatan kontak yang kontinyu dan kadang dalam peralatan stage.

3.4 Operasi stage.

Model stage setimbang biasanya dipakai untuk operasi stage. Dua arus masuk stage dan dua arus meninggalkan stage pad kondisi kesetimbangan. Pada Gambar 1.1 digambarkan dua aliran masuk (merkuri dan air) kontak secara kontinyu. Panas ditransfer secara kontinyu dari arus panas ke arus dingin. Jika aliran panas dan dingin bercampur dengan baik dan diumpankan ke settler, aliran keluar akan mempunyai suhu yang sama dan suhu kesetimbangan dapat dihitung dengan neraca massa dan neraca panas.

(8)

Operasi Teknik Kimia 3 (Suhendrayatna) 8 3.5 Operasi kecepatan/rate operation

Unit operasi yang melibatkan countinuons contact tergantung pada kecepatan transfer, sehingga disebut rate operation. Perpindahan sejumlah besar material mengikuti pernyataan matematika dasar sebagai fungsi gradien konsentrasi :

∂Γ ∂2 _Γ --- = ∂ --- ∂θ ∂x2

Dengan Γ = konsentrasi yang dipindahkan x = jarak terukur dalam arah perpindahan

θ = waktu ∂ = konstanta propersional sistem

Dan persamaan di atas disebut diffusion equation.

Pada kasus yang paling sederhana, kecepatan perpindahan harganya konstan dengan waktu dan posisi dalam suatu sistem. Driving force dapat diasumsikan konstan dan terdistribusi pada path dengan panjang dan area yang tetap. Sifat fisis dari path dianggap konstan agar nilai faktor ∂ juga konstan. Kecepatan perpindahana dikenal dengan hukum ohm :

Driving force/unit distance

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

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

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

3.6 Operasi unsteady state

Persamaan difusi hanya dapat di aplikasikan pada perpindahan satu arah dan merupakan fungsi waktu, padahal perpindahan mungkin terjadi lebih dari satu arah. Penyelesaian menyeluruh memerlukan keadaan batas dan interaksi variabel.

3.7 Perkembangan umum

Pemahaman prinsip fisik sebuah operasi dan formulasi prinsip ke dalam pernyataan matematika merupakan syarat pertama untuk pengaplikasikan prinsip-prinsip unit operasi. Permasalahan yang sama dapat didiskusikan dengan design engineer penentuan spesifikasi peralatan, operating engineer dalam pemeriksaan untuk kerja peralatan, atau engineer lain dalam melalukan perbaikan kualitas maupun kuantitas, sehingga penyelesaian matematika atau grafik untuk mengetahui komposisi, jumlah suhu atau jumlah stage dapat dilakukan.

Proses terbaik dapat dirancang dengan basic kimia, kinetika dan termodinamika. Perancangan alat melibatkan engineer dari berbagai disiplin ilmu tidak hanya chemical engineer saja. Obyek dalam engineering adalah akumulasi keuntungan dari operasi. Keuntungan terbesar, setelah semua cost dihitung memerlukan eksploitasi semua faktor teknik yang terlibat,hubungan antar manusia dalam tim produksi, pengetahuan yang akurat tentang jumlah produk yang dapat dijual untuk keuntungan maksimal.

(9)

Bab 2

OPERASI STAGE

1. PENDAHULUAN

Hampir semua proses kimia memerlukan pemisahan fase padat, cairan, gas menjadi komponen-komponennya. Pemisahan semacam itu sering kali dilakukan dengan mempertemukan fase satu dengan fase yang lainnya. Dua fase yang terjadi kemudian dipisahkan dan diproses lebih lanjut. Bahan mentah, arus ‘intermediate’, hasil akhir sering kali dimurnikan dengan menggunakan proses pemisahan. Misalnya, dalam pembuatan ‘es kering’, karbon dioksida diambil dari campuran bersama udara dengan mempertemukan campuran gas itu dengan suatu cairan (seperti larutan diethanolamine) yang melarutkan karbon dioksida tetapi tidak memerlukan udara. Kemudian karbon dioksida murni diperoleh kembali hanya dengan memanaskan larutan amin.

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

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

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

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

Perhitungan dasar diperlukan untuk merancang alt bagi berbagai operasi stage didasarkan pada konsep yang sama. Disini akan ditinjau konsep umum yang dipakai dalam perancangan proses pemisahan stage ganda. Jika macam-macam operasi stage berbeda, masing-masing dibicarakan tersendiri, tetapi bila mungkin operasi ditinjau sebagai satu kesatuan.

2. OPERASI PERPINDAHAN MASSA

Bila dua fase yang mempunyai komposisi berbeda dikontakkan, dapat terjadi perpindahan komposisis dari satu fase ke fase yang lainnay, dan juga sebaliknya. Ini merupakan dsra fisis operasi perpindahan massa. Jika dua fase dibiarkan berkontak cukup lama, akan dicapai setimbang, dan tak akan terjadi perpindahan netto komponen-komponen diantara fase-fase itu. Kejadian yang paling banyak dijumpai yaitu perpindahan massa dengan dua fase hanya sebagian saja melarut sempurna (bercampur sempurna), sehingga pad kesetimbangan masih ada dua fase dapat dipisahkan satu dari yang lain. Biasanya dua fase ini mempunyai komposisi yang berbeda dari satu dengan lainnya dan juga berbeda dari komposisi-komposisi dua fase yang semula dikontakkan. Jadi jumlah relative komponen-komponen yang terpindahkan diantara fase-fase itu berbeda, sehingga dicapai pemisahan. Pada kondisi tertentu perulangan kontak dan pemisahan fase dapat memberikan pemisahan komponen yang hampir sempurna. Komposisi-komposisi yang tak sama pada fase kesetimbangan merupakan dasar fisis untuk proses pemisahan dengan menggunkn alat stage ganda seperti terlihat pada Gambar 2.1.

2.1Proses pemisahan

Bila dihadapkan kepda maslah pemisahan komponen-komponen dari suatu campuran homogen, kita menggunkan perbedaan sebab zat penyusun campuran untuk mempengaruhi pemisahan. Berbagai sifat kimia dan fisis dari zat penyususn campuran diselidiki untuk mengetahui komponen-komponen itu, sebab semakin besar beda sifat-sifatnya lazimnya makin mudah dan makin ekonomis pemisahannya. Sudah tentu kita harus memikirkan factor-faktor lainnya untuk

(10)

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

Unit operasi bersangkut paut dengan proses pemisahan yang tergantung pda perbedaan sifat-sifat fisis, bukan pada sifat kimia. Prosaes-proses semacam itu tergantung baik pada perbedaan komposisi dari fase-fase pad kesetimbangan ataupun pad perbedan kecepatan perpindahan massa dari zat penyusun suatu campuran. Disini akan dibicarakan proses-proses pemisahan yang menggunakan ke dua dasar fisis tersebut, terutama dititik beratkan pada pemisahan yang didasarkan pada perbedaan komposisi dari fase-fase yang setimbang.

2.1.1 Distilasi

Proses pemisahan yang paling banyak digunakan dalam industri kimia adalah distilasi. Unit operasi ini disebut juga sebagi distilasi fraksional. Pemisahan zat didasrkan pada perbedaan volatilitas. Dalam distilasi, fase uap berkontak dengan fase cair, dan massa dipindahkan baik dalam cairan ke uap maupun dari uap ke cairan. Umumnya cairan dan uap mengandung komponen yang sama tetapi berbeda jumlah relatifnya. Cairan pada titik didihnya dan uap setimbang dengannya pada titik embunnya. Massa secara serta merta dipindahkan dari cairan dengan penguapan dan dari uap dengan pengembunan. Pengaruh neto adalah bertambahnya konsentrasi dari komponen yang lebih volatile dalam uap dan bertambahnya komponen kurang volatile dalam cairan.

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

Keuntungan besar daru distilasi yaitu tidak memerlukan komponen tambahan untuk mempengaruhi pemisahan. Akan terlihat nanti bahwa banyak proses pemisahan komponen lainnya, yang kemudian harus dihilangkan dalam langkah pemisahan berikutnya. Suhu dan volume bahan yang didihkan tergantung pada tekanan. Mungkin digunakan tekanan tinggi untuk memperkecil volume dan atau menaikkan suhu untuk mempermudah pengembunan, mungkin diperlukan tekanan rendah untuk menurunkan titik didih dibawah titik dekomposisi thermal.

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

2.1.2 Absorpsi dan Desorpsi Gas

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

Pada kasus absorbsi gas yang paling sederhana, tidak satu pun dari absorben cair menguap, dan gas terdiri dari satu komponen yang dapat larut. Sebagai contoh ammonia diserap dari campuran udara-ammonia dengan cara mengkontakkan gas dengan air pada temperatur kamar. Ammonia dapat larut dalam air, tetapi udara hampir tidak larut. Air tidak menguap cukup banyak pada suhu kamar. Sebagai hasil, perpindahan massa hanya pada ammonia dari fase gas ke fase cair. Konsentrasi ammonia di fase cair meningkat sampai kadar ammonia terlarut di fase cair setimbang dengan konsentrasi ammonia di fase gas biasanya tidak terdiri dari komponen yang sama. Pengaruh panas dalam absorpsi timbul karena panas larutan dari gas yang terabsorpsi. Berlainan dengan panas penguapan dan pengembunan yang terlibat dalam distilasi.

(11)

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

Desorpsi atau stripping adalah kebalikan dari absorpsi. Dalam desorpsi ini gas yang dapat larut dipindahkan dari cairan ke fase gas, sebab konsentrasi dalan cairan lebih besar dari pada yang ada dalam keadaan yang setimbang dengan gas. Misalnya ammonia dapat di “strip” dari larutan dalam air dengan menggelembungan udara segar melewati larutan itu. Udara yang masuk tidak mengandung ammonia sedang dalam cairan ada ammonianya, jadi perpindahan berlangsung dari cairan ke gas.

Absorpsi dan stripping banyak digunakan dalam industri kimia. Asam hidro chloride dibuat dengan absorpsi gas hidro choride dalam air, fermentasi aerobic Lumpur dalam saluran buangan memerlukan absorpsi udara. Karbonasi minuman segar dengan absorpsi karbon dioksida, desporsi terjadi jika botol dibuka dan tekanan berkurang. Baik absorpsi maupun “stripping” dilakukan dalm alat continous-contact.

2.1.3 Ekstraksi Cair-Cair

Kadang campuran cairan dapat dipisahkan dengan mengontakkna dengan cairan pelarut ke dua. Komponen-komponen dari campuran dapat larut bermacam-macam dalam cairn pelarut. Idealnya komponen yang harus diekstraksi dapat larut dalam pelarut dan komponen-komponen lainnya tidak dapat larut. Jadi solute merupakan satu-satunya komponen yang dapat dipindahkan dari campuran semula ke fase pelarut. Campuran pelarut menjadi ekstrak karena telah mengambil solute. Dalam praktek, semua komponen kiranya dapat larut, dan pemisahan hanya mungkin bila kelarutannya cukup berbeda. Banyak dijumpai, komponen yang tidak terekstraksi harus tidak larut supaya menghasilkan dua fase yang dapat dipisahkan.

Ekstraksi cair-cair juga disebut ekstraksi (memakai) pelarut. Dasar-dasarnya sebagai berikut dengan mengambil contoh sistem tiga komponen : satu solute, satu pelarut, dan pelarut kedua. Contoh disini disederhanakan sekali dan akan dijelaskan lanjut nanti. Pemisahan satu komponen dari larutan homogen dilakukan dengan menambahkan zat lain yang tak dapat larut, pelarut, dan dalam pelarut ini zat yang diinginkan dari larutan, solute, akan cenderung larut, dan akan mendifusi kedalam pelarut itu dengan kecepatan tertentu sampai dalam masing-masing fase solute mencapai kesetimbangan. Misalnya, asam asetat dapat dipisahkan dari larutan air dengan mengkontakkan dengan pelarut isopropyl ether. Walaupun air sedikit larut dalam ether tetapi merupakan komponen rafinat tak terekstraksi yang utama.

Ekstraksi memakai pelarut dipakai untuk menghilangkan komponen-komponen yang tidak diinginkan dari minyak pelumas dan fraksi-fraksi minyak mentah lainnya, untuk memisahkan niobium dari tantalum, untuk membuat asam posphat pekat dan untuk keperluan-keperluan yang banyak sekali. Dipakai baik alat stage ganda maupun alat kontak kontinyu. Kebanyakan masih perlu memisahkan ekstrak yang diperoleh menjadi komponen-komponennya.

2.1.4 Ekstraksi Cair-Padat

Komponen-komponen dari suatu fase padat dapat dipisahkan dengan secara selektif melarutkan bagian dari zat padat itu yang dapat larut memakai pelarut yang cocok. Operasi ini juga disebut leaching atau washing. Zat padat itu harus dihancurkan sampai halus sehingga pelarut cair dapat kontak dengan semuanya. Biasanya komponen yang diinginkan dapat larut, dan sissanya dari zat padat tidak dapat larut. Kemudian solute harus diambil kembali dari larutan ekstrak dalam tahap pemisahan selanjutnya.

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

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

(12)

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

2.1.5 Adsorbsi

Adsorpsi adalah proses perpindahan zat dari suatu fluid kepermukaan suatu fase padat. Supaya pemisahan sempurna, zat yang teradsorpsi harus diambil dari zat padat, fase fluid dapat gas maupun cairan. Jika beberapa zat teradsorpsi, sering kali dapat juga memisahkan menjadi komponen-komponen yang relatif murni.

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

Ayakan molekul adalaah adsorben khusus yang dapat digunakaan untuk memisahkan campuran karena perbedaan ukuran molekul, polaritas atau kejenuhan ikatan karbon. Misalnya molekul air relatif kecil sangat polar, jadi cenderung lebih teradsorpsi oleh adsorben ayakan molekul. Jadi adsorben-adsorben ini berguna dalam mengeringkan gas dan cairan. Ayakan molekul digunakan untuk memisahkan prafui nermal dari arus hidrokarbon dalam kilang minyak untuk membuat “detergen biodegradable”.

Yang sangat erat kaitannya dengan adsorpsi adalah proses pemisahan yang menahan solute dalam zat padat dengan berbagai cara. Salah satu proses itu adalah ion exchange. Dalam proses ini solute ditahan karena reaksi kimia dengan dammar padat ion exchange. Dalam proses ini, ion-ion dalam larutan dapat diambil dengan proses ini. Banyak digunakan untuk membuat air yang sangat murni. Pemakaian lainnya adalah mengambil kembali antibiotika dari kaldu fermentasi dan pemisahan unsur-unsur tahan yang jarang ada.

Clathration adalah gejala fisis yang telah dipakai untuk memisahkan campuran berdasarkan bangun molekul. Senyawa clathration adalah gejala fisis yang telah dipakai untuk memisahkan campuran berdasarkan bangun molekul. Senyawa clathrate padat menarik dan menahan molekul-molekul yang bangunya tertentu. Misalnya proses industri yang memisahkan paraxylen dari meta-xylene dengan menjebak para meta-xylene dalam senyawa clathrate. Kedua senyawa ini mempunyaim sifat fisis dan kimia yang hampir sama sehingga tidak dapat dipakai proses pemisahan secara konvensional. Senyawa clathrate dapat dianggap sebagai adsorben jenis khusus.

Damar ion-change , ayakan molekul dan senyawa clathrate merupakan senyawa relatif mahal dibandingkan dengan adsorben konvensional seperti arang dan gas silika. Maka adsorben khusus digunakan dalam pemisahan dan tak dapat di lakukan dengan cara-cara konvensional. Proses pemisahan khusus ini dilakukan dengan proses “batch” dalam fixed-bed adsorber, bukannya dalam alat stage dan aliran kontinu.

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

Campuran beberapa solute yang dapat diadsorpsi dapat dipisahkan dengan menggunakan fixed bed dari adsorben,mula-mula sedikit campuran diumpankan ke bed, dalam bed ini diadsopsi sempurna dekat saluran masuk. Kemudian saluran kontinu dari pelarut dilakukan lewat bed. Sebagian campuran solute didesorpsi dan keluar bersama pelarut. Kecepatan dari masing-masing solute yang melewati bed tergantung pada adsorpsi ketimbangan pada zat padat.jika suatu komponen terlalu berat tertarik oleh adsorbent akan pelan-pelan melewati bed, sedangkan komponen yang tk erat melekat bergerak cepat melewati dan meninggalkan bed. Jadi komponen-komponen mengalir meninggalkan bed pada waktu yang berbeda-beda dan dengan demikian dapat terpisah. Proses pemisahan ini disebut Chromatografi. Pemisahan secara chromatografi banyak digunakan untuk analisis kimia dengan sampel kecil. Penggunaan besar-besaran dalam industri terbatas. Pemisahan unsure tanh yang jarang secra ion exchange tersebut diatas merupakan contoh pemisahan secara chromatografi.

2.1.6 Pemisahan dengan membrane

Beberapa proses pemisahan melibatkan perpindahan massa melalui membran plastis tipis walaupun operasi ini penggunakannya relative terbatas, tapi menunjukkan harapan untuk masalah

(13)

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

Dialysis adalah proses pemisahan dengan massa dipindahkan melintasi membrane karena gaya dorong gradien konsentrasi. Dalam industri hidroksida natrium dipisahkan dari larutan air memakai selusosehemi dalam pembuatan rayau viskus. Larutan mengalir melewati salah sisi membrane dan air murni mengalir pada sisi lainnya dari membrane. Hidroksida natrium didorong melewati membrane karena perpindahan konsentrasi diantara larutan dan air murni, tetapi semiselulosa dalam suspensi koloid dalam larutan dan terlalu besar untuk lewat melalui pori-pori membrane. Dialysis juga dipakai untuk mengambil kembali asam sulfat dari pemurnian tembaga yaitu dari cairan buangan dan dalam pemurnian darah dalam ginjal tiruan.

Elektrodialysis memakai beda potensial listrik sebagai gaya dorong untuk ion-ion dalam larutan ion positif lewat melalui membran tertentu ketika ditarik keterminal negatif, dan ion-ion negatif bergerak kearah yang berlawanan melalui membrane keterminal positif. Dengan cara ini, baik ion positif maupun negatif dapat diambil. Elektrodialysis dipakai untuk mengambil kembali asam buangan dan menghilangkan garam dalam air sumur yang masin. Dapat juga digunakan dalam pemurnian air laut jika biaya membrane dan tenaga dapat diperkecil.

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

Proses pemisahan membrane yang akhir-akhir ini dikembangkan menggunakan beda tekanan untuk memaksa molekul-molekul pelarut melalui melewati membrane, sedangkan molekul molekul solute tertinggal. Proses ini tidak melibatkan perpindahan massa antara fase-fase. Lebih mirip dengan penyaringan yaitu zarah-zarah padat yang tersuspensi dipisahkan dari caiaran dengan memaksa campuran lewat melalui medium saringan porus sehingga cairan lewat melalui saringan dan zat padatnya tertahan. Pemakaian membrane dapat juga berpindah sebagai penyaring larutan homogen yang tak dapat dipisahkan dengan saringan biasa. Berdasarkan hal ini prose itu disebut ultra filtrasi. Tekanan yang harus lebih besar dari tekanan osmose kadng kala proses itu disebut proses reverse osmosis.

Disamping molekul-molekul yang besar, gara ion-ion ionik dengan berat molekul kecil dapat dipisahkan jika dipakai membrane ionik yang cocok. Muatan membrane bertindak mencegah lewatnya ion-ion bermuatan, sehingga hanya pelarut yang dapat lewat. Kebalikan osmose digunakan untuk mengambil air murni dari air laut secara besar-besaran.

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

untuk menghasilkan U-235 yang sudah diperkaya bagi bahan baker reactor nuklir. 2.1.7 Proses pemisahan lainnya

Beberapa operasi penting yang melibatkan pemisahan komponen-komponen dari campuran, tetapi operasinya tidak seperti proses pemisahan biasa, dapat dikelompokkan menjadi :

Penguapan/evaporation, kristalissasi/crystallization dan pengeringan/drying melibatkan perpindahan massa dan panas secara simultan. Dalam penguapan larutan cair dipekatkan dengan penguapan sebatgai pelarutnya. Keperluan panas banyak sebab panas laten dari penguapan pelarut harus disediakan. Penguapan banyak dipakai di industri jika harus memekatkan larutan. Misalnya distilasi air laut adalah proses penguapan untuk memperoleh air yang dapat diminum.

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

(14)

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

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

Campuran fase ganda dapat dipisahkan menjadi dua atau lebih fraksi dengan berbagai operasi. Dalam hal ini, campuran fase harus heterogen ; yaitu fase-fase harus secara fisis berbeda satu sama lain, sekatpun sangat halus dan bercampur akarap. Campuran zarah-zarah zat padat dipisahkan menjadi macam kelompok ukuran dengan sceening, elutriation jigging atau classification. Zarah-zarah zat padat dapat dipisahkan dari cairan dengan filtrasi, centrifugasi atau sedimentasi. Fase-fase cairan yang tak dapat saling melarut juga dapat dipisahkan dengan sentrifugasi, seperti dalam pemisahan cream zat padat dapat disahkan dari gas atau cairan dan cairan-cairan daapat dipisahkan daari gas dengan alat pemisah siklon. Operasi pemisahan ini tidak melibatkan perpindahan massa seperti istilah yang didefinisikan diatas, maka dari itu, operasi itu bukan perpindahan massa. Komponen-kompnennya secara fisis sudah berbeda, sehingga diperlukan cara mekanis bukan perpindaahan massa untuk memisahkannya. Operasi pemisahan mekanis yang disebut disini untuk menunjukkan betapa banyak ragamnya prinsip secara fisis untuk pemisahan.

3. KONSEP STAGE

stage dapat didefinisikan sebagai unit suatu alat, dan dalam unit alat ini ada dua fase yang tak sama dikontakan, kemudian secara mekanis dipisahkan. Selama kontak berbagai komponen yang mendifusi terdistribusi diantara fase-fase itu. Dua fase yang terjadi dalam keadaan setimbang, karena itu mempunyai komposisi yang berbeda dari fase-fase semula. Dengan pemisahan dan kontak yang berturut-turut dari fase yang tak sama (operasi stage ganda), dapat terjadi perubahan besar dalam komposisi-komposisi fase-fase itu. Dalam stage setimbang dua fase tercampur baik selama waktu secukupnya sehingga dimungkinkan trjadinya kesetimbangan termodinamis diantara fase-fase yang meninggalkan stage. Pada kesetimbangan tak terjadi perubahan dalam komposisi dari fase-fase itu pada kondisi operasi tertentu. Dalam alat industri sebenarnya, tidaklah menguntungkan membiarkan kontaknya fase cukup lama sampai dicapai kesetimbangan. Maka daaari itu stage sebenarnya tidak melaksanakan perubahan komposisi sebesar seperti oleh stage setimbang. Efisiensi stage didefinisikan sebagai perbandingan dari perubahan komposisi dalam stage sebenarnya terhadap perubahan komposisi dalam stage setimbang. Efisiensi stage untuk alat industri berkisar antara beberapa persen sampai 100 persen. Karena stage setimbang memberikan kemungkinan perubahan komposisi terbesar untuk seperangkat kondisi operasi tertentu, maka stage setimbang juga disebut stage ideal atau teoritis. Sekalipun kondisi kesetimbang jarang diperoleh dalam alat sebenarnya, stage setimbang merupakan smodelfisis yang bermanfaat dalam analisis operasi stage. Sebagai mana sering terjadi dalam teknik kimia, model fisis merupakan versi yang diidealkan dari unit yang sebenarnya.

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

4. ALAT UNTUK OPERASI STAGE

Alat untuk operasi stage sangat banyak macamnya dan ukurannya dan konstruksi terincinya, tetapi terdapat banyak kesamaan dasarnya. Umumnya, setiap stage dari alat mencampur dua fase terus menerus sehingga bahan dapat dipindahkan sepat mungkin dari fase

(15)

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

Alat untuk mencampur dan memisahkan dua fase tergantung pada sifat-sifat fase-fase itu sendiri. Andaikan fase L adalah cairan atau zat pada halus atau; fase V adalah gas, uap atau cairan, tergantung pada proses pemisahannya. Gas dan cairan mudah mengalir dari satu stage kestage lainnya, tetapi zai padat sukardipindahkan. Berdasarkan hal ini operasi stage yang melibakan gerakkan zat padat berlawanan arah dengan fase fluid kurang lazimdilakukan, zat padat yang sangat halus dapat dialirkan seperti fluid, jadi campuran ini digunkan untuk mengarah zat padat. Ada kalanya zat harus di pindahkan secara mekanis dari srage ke stage lain.

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

5. MENGKONTAKKAN CAIRAN-GAS

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

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

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

Perforated plate, pada akhir-akhir ini menjadi terkenal kesederhanaannya dan murah harganya. Jenis plate berulang paling banyak dijumpai adalah sieve tray seperti pada Gb.2-6. sieve tray adalah plate logam yang berlubang banyak. Lubangnya biasanya berdiameter 1/5 sampai ½ inci. Cairan mengalir kebawah dan gelembung gas mengalir ke atas melalui lubang-lubang. Gas pada kecepatan tinggi mencegah cairan mengalir melalui lubang-lubang, tetapi pada kecepatan aliran gas yang kecil dapat terjadi kebocoran atau weeping ini dapat mengurangi efidiensi stage dengan menyolok. Ini merupakan keterbatasan sieve tray yang harus dipikirkan betul-betul dalam perancangan.

Perkembanhgan pervaporated plate pada akhir-akhir ini ialah dengan munculnya valve tray. Lubang-lubang dalam valve tray ditutupi oleh penutup yang dapat terangkat, lihat Gb.2-7. penutup terangkat ketika gas mengalir ke atas melalui lubang, dan akan jatuh menutupi lubang lagi jika kecepatan gas berkurang. Dengan cara ini sangat mengurangi weeping pada kecepatan gas rendah. Disamping itu penutup-penutup mengarahkan aliran gas mendatar ke dalam cairan sehingga memberikan pencampuran yang lebih besar dari pada sieve tray. Lubang –lubang dalam walve tray sering kali lebih besar dibanding denga lubang-lubang dalam sieve tray kira-kira sebesar 1 ½ inci diameternya. Kolom valve tray dengan aliran cross-flow dapat dioperasi pada batas-batas kecepatan air yang lebih luas dari pada bats-batas untuk valve tray. Harganya terletak antara

(16)

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

Perancangan alat pengkontak cair gas melibatkat masalah yang komplek dalam mekanika fluida. Disini akan dibicarakan secara garis besarnya dan secara singkat tentang masalah-masalh itu. Tugas utama tray adalah mengkontakkan gas dan cairan. Ruang diatas tray hendak diisi dengan campuran cairan-gas, juga harus ada ruang/tempat untuk berpisahnya dua fase.

Diameter tray ditentukan oleh volume fase gas yang lewat keatas melalui menara.

Kecepatan gas yang besar melalui tray harus dihindari sebab menghasilkan pressure drop fase gas yang tinggi memerlukan jarak antar tray yang besar untuk hydraulic head yang diperlukan supaya cairan dapat mengalir kebawah dari tray ke tray. Presure drop fase harus rendah dalam kolom-kolom yang bekerja pada keadaan vakum. Aliran cairan menyilang/across tray harus memberikan kedalaman yang cukup (tinggi tray) supaya dapat melingkupi volume gas secukupnya pada semua kecepatan gas. Hal inimemerlukan pola aliran yang komplek dengan beberapa saluran keluar pada tray yang besar. Gb. 2-9, memperlihatkan valve tray dengan aliran terbagi/split flow dam Gb. 2-10 memperlihatkan terracing pada tray 40-ft yang diperlukan untuk menjaga supaya kedalaman cairan seragam. Kedalaman airan di atur oleh kecepatan airan dan tinggi ruang keluar/weir. Presure drop fase gas juga tergantung pada tingi cairan diatas ruang gas. Maka dari itu tinggi cairan harus cukup melingkupi volume gas tetapi tidak boleh lebih sebab dapat menyebutkan pressure drop yang tak semestinya.

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

Flooding trjadi bila entrainment yang berlebihan atau bila berlebihan cairan yang kembali keatas dalam down comer. Flooding terjadi bila cairan terlalu banyak atau gas terlalu banyak melewati kolom. Mencegah flooding adalah factor utama dalam memilih diameter kolom. Jarak antar kolom harus cukup supaya ada ruang diatas olakan cairan sehingga entrainment dapat diperkecil. Dalam kolom-kolom yang besar jarak antar tray paling sedikit harus 2 ft supaya orang dapat merangkak diantara tray-tray. Makin besar jarak antar tray makin tinggi menaranya dengan sendirinya harganya makin mahal. Sekali lagi, perlu dibuat evaluasi ekonomi antara jarak antara tray dan entrainment. Makin pendek jarak antar tray makin pendek kolom dan makain murah tetapi dapat menimbulkan entrainment yang mendorong untuk menambah jumlah tray, tinggi kolom.

Dalam sieve tray ukuran dan jumlah lubang harus benar-benar dipilih. Makin besar

lubangnya akan memberikan pressure drop rendah, tetapi disperse gas jelek. Luas total lubang yang besar memberikan pressure drop rendah tetapi juga kecepatan gas rendah yang dapat menyebabkan weeping/kebocoran yang berlebihan.

6. MENGKONTAKKAN CAIRAN-CAIRAN.

Dalam ekstraksi memakai pelarut, dua cairan yang tak saling larut sempurna harus dicampur terus menerus dan kemudian dipisahkan. Dalam kontak cairan- gas perbedaan densitas yang besar diantara dua fase itu memungkinkan menggunakan gaya grafitasi untuk mendorong mengalir dan mendispersikan gas dalam cairan, tetapi dalam ekstraksi, perbedaan densitas kedua fase adalah kecil, sehingga grafitasi jauh lebih kecil pengaruhnya untuk disfersi fase. Bubble cap

dan valve tray tidak dipakai untuk ekstraksi cir-cair karena cairan berdasar gravitas tidak

membeikan disperse fase secukupnya. Fase yang lebih ringan yang mengalir ke atas melalui tray tidak bisa menjadi gelembung-gelembung yang cukup halus ketika melewati buble cap.

(17)

Sieve tray dengan down comer, banyak dipakai untuk mengkontakkan cairan, walaupun konstruksi kolom berbeda dari alat kontak cair-gas. Baik dalam cairan ringan maupun berat mungkin dapat didispersi. Supaya diperoleh disferensi yang baik pada talam ayakan, cairan yang tidak membasahi tray hendaknya yang didispersi. Cairan yang lebih membasahi tray hendaknya merupakan fase yang kontinu. Dengan cara ini, fase terdisperse terpisahkan segera dari tray memberikan gelembung-gelembung kecil. Kolom khusus dengan fase ringan terdisversi dapat dilihat pada Gb. 2-11a. Kolom ini mirip kolom sieve tray cair –gas, denga cairan ringan analog dengan gas. Kolom dengan cairan berat ter disperse (Gb. 2-11b.) pada dasrnya merupakan kolom kebalikan kolom fase ringan terdipersi. Domn comer melewatkan fase ringan keatas, dan fase berat terdispersi dibawah setiap tray. Lubang-lubang dalam tray ayakan berlisar dari 1/8 sampai ¼ inci diameternya jumlah lubang dalam satu tray ditetntukan oleh keceptan alir total daro fase terdispersi. Untuk divperse yang memadai, cairan mempunyai kecepatan yang cukup ketika lewat melalui lubang-lubang. Ketinggian cairan diatas tray ditentukan oleh tekanan yang diperlukan supuya diperoleh kecepatan alir yang diingikan dapat melalui lubang-lubang . Misalnya, Gb. 2-11b, ketinggian fase berat diatas talam cukup dapat mendorong fase melalui lubang-lubang pada kecepatan yang diperlukan supaya disperse baik. Luas down comer dipilih supaya kecepatan alir fase kontinu cukup rendah untuk mencegah tetes-tetes fase terdispersi terbawa melalui down comer. Gb. 2.1 memperlihatkan dua kolom ekstraksi stage ganda yang besar.

Alat pencampur mekanis digunakan untuk mendispersi fase-fase lebih gigih dari pada yang dimungkinkan dalam kolom dalam ayakan. Setelah pencampuaran, campuran dua fase dilewatkan tanki settling, disini fase-fase itu dibiarkan terpisah secara “grafiti settling”. Unit-unit ini disebut mixer-settler. Bagian dari mixer-settler terlihat pada Gb. 2-12a. Mixeer-settler digunakan secara bederet memberikan pemisahan stage ganda (Gb.2.12b).

Derajat pemisahan adalah variabel bebas yang dapat diubah dengan mengubah kecepatan dan bangun impeller. Walaupun dinginkan pencampuran yang baik, namun dapat terbentuk emulsi yang tak dapat dipisahkan dengan grafiti settling jika pencmpurannya terlalu kuat. Ukuran tanki settler ditentukan oleh kecepatan alir dan kecepatan terendapnya fase terdispersi. Jika densitas fase hampir-hampir sama, settling sangat lambat sehingga diperlukan centrifuge. Perlu diketahui bahwa centrifuge memberikan gaya centrifugal jauh lebih besar dari pada gaya grifitasi. Emulsi dapat juga dipisahkan dalam centrifuge.

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

7. MENGONTAKKAN CAIR-PADAT

Kontaknya zat pada butiran dengan suatu cairan atau gas dalam system stage ganda kontinu menjadi rumit oleh masalah transportasi fase padat dari stage ke stage. Zat padat dapat digerakkan dalam basket-basker seperti terlihat pada Gb. 2.14. Pada aliran yang terjadi adalah dalan stage-stage tetapi berlawanan arah hanya dalam separu system. Zat padat yang dihaluskan mengalir seperti fluida pada kondisi tertentu. Umumnya hal ini melibatkan gas atau cairan yang mengalir melalui zat padat sampai fluida padat itu ter fuidisasi. Dasar dari zat padat terfluidisasi telah dipakai untuk merancang sejulmlah alat pengkontak cairan-padat. Adsorber slaka besar dalam industri menggunakan adsorben gas-fluidized sebanyak lima stage dapat dilihat pada Gb. 2.15. untuk pemisahan padat-cair secara besar-besaran seperti yang terjadi dalam memproses bijih logam, digunakan thickener. Zat padat dilewatkan stage sebagai luluhan/slurry dengan air.

(18)

BAB 3

KAIDAH FASE

1. PENDAHULUAN

Sebagaimana telah dibicarakan dimuka bahwa pemilihan operasi perpindahan massa yang digunakan untuk memisahkan campuran multi komponen, tergantung faktor-faktor kelayakan operasi, penerapan tepri kimia fisika dan ekonomi. Ukuran yang diinginkan dari unit opersi dan demikian biaya dan dapat tidaknya beroperasi dapat dihitung dari pengertahua/keetrangan tentang batas-batas kesetimbangan fase dan kecepatan perpindahan yang dapat diperoleh. Disini akan ditinjau kerangka teori dasar yang dipakai dalam memperkirakan komposisi dari fase-fase dalam kesetimbangan, membicarakan beberapa kaidah yang empiris yang dipakai untuk menghubungkan data keseimbangan fase, dan menunjukkan beberapa contoh khusus tentang data yang ada. Dari keterangan yang ringkas ini dapat dilakukan perhitungan perancang. Perhitungan-perhitungan ini tidak saja memerlukan komposisi-komposisi seimbang, tetapi juga perubahan nilai-nilai kesetimbangan jika suhu dan tekanan berubah.

2. DASAR UMUM KESETIMBANGAN FASE

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

II II I 1 1 1

µ

=

(3.1) dengan

µ= potensial kimia, indeks bahwa untuk komponen, indeks atas untuk fase. Gibbs mendefinisikan potensial kimia berdasarkan fungsi termodinamika dasar secara kualitatif, potensial kimia menyatakan kecendrungan komponan untuk meniggal fase atau keadaan kimiawi yang bersangkutan. Kadi potensial kimia adalah ukuran ketidak stabilan komponen.

Ahli-ahli setelah Gibbs menunjukkan bahwa fugusitas (didefinisikan dengan rumus µ= RT lu fi + θ, fi mendekati Pi jika Pi mendakati 0 dan θ adalah fungsi suhu saja) dapat dipakai sebagai ganti potensial kimia maka

iii ii i

f

1

=

1

=

1 (3.2)

fungsional menpunyai beberapa keunggulan dari pada potensial kimia paling tidak dalam konsep, sebeb dapat dikaitkan dengan sifat-sifat fisis yang dapat diukur.

Jika jumlah variabel dalam suatu sistem dengan beberapa komponen dalam kondisi seimbang diantara beberapa fase dikaitkan dengan jumlah persaman yang menghubungkannya seperti tersebut diatas, maka

F = C + 2 – P (3.3)

Dengan F = jumlah variabel intensif yang dapat diubah-ubah secara bebas. C = jumlah komponen sistim

P = jumlah fase dalam sistim

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

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

(19)

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

Jika antara fase diterapkan pada campuran setimbang dari etanol dan air, ternyata C = 2, P = 2 dan F = 2. jadi dua variable dapat diatur. Kedua variable itudapat pasangan dari dua antara tiga variable suhu, tekanan dan konstruksi fase. Misalnya jika komposisi dan tekanan dari suatu fase ditentekan, suhunya akan tertentu. Pemakain aturan fase selanjutnya akan berguna dalam meninjau sistim-sistim tertentu sebagai berikut.

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

L a G a

f

=

(3.2a)

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

a a G a

py

p

f

_⎟⎟

.

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

(3.4a)

dengan ya = fraksi nol dari a dlam uap.

nnol

adaptekana

sitasaterh

andarifuga

perbanding

p

f

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

P = tekanan nol.

Fugasitas fase cair sama dengan fugasitas fase gas pada tekanan uap dari a murni, karena kesetimbangan terjadi pada tekanan itu. Andaikan fraksi mol menghubungkan fugasitas komponen murni dengan fugasitas dari komponen dalam campuran cairan ideal, dan mendefinisikan koefisien aktivitas γ sebagai perbandingan dari fugasutas a dlam larutan sebenarnya terhadap fugasitas a dalam larutan ideal, maka fugasitas cairan adalah

a

X

P

f

_aL

=

_a _a

γ

(3.4b)

dengan P = tekana uap dari a pada sushu kesetimbangan X = fraksi mol a dalam cairan

Dengan menggabungkan persamaan-persamaan 3.2a, 3.4a dan diperoleh kaidah kesetimbangan fase cair-uap yang umum sebagai berikut :

a a a a a

y

x

p

py

p

f

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

(3.4)

Termodinamika teknik kimia telah banyak mencurahkanperhatian untuk berusaha menerapkan

pengetahuan yang ada melalui kimia fisika untuk memperkirakan koefisien fugasitas (f/p)a dan

koefisien aktifitas γabagi sifat-sifat molekul yang asasi. Usaha ini telah berhasil memuaskan untuk komponen-komponen non asosiasi sederhana. Jika non idealitas fase air dapat diabaikan, misalnya

dengan senyawa-senyawa non polar termasuk deret homolog (misalnya hdrokarbon ringan), γa =

1. maka koefisien fugasitas harus ditentukan. Karena parameter ini merupakan fungsi dari sifat-sifat fase gas saja, maka dapat ditentukan dari persamaan keadaan fase gas. Telah ada persamaan keadaan yang tepat, sehingga usaha ini teelah dilaksanakan dengan baik. Keuntungan yang diperoleh khususnya adalah bahwa kesetimbsngsn cair-uap dapat diungkapkan secara analisis dan dapat ditulis kedalam program kruput.

Bila terjadi non idealitas fase cair, perlu ditentukan koefisien aktivitasnya dari keterangan medan gaya antar molekul atau menghubungkan data hasil percobaan secara empiris. Kedua pendekatan telah dilakukan. Pendekatan gabungan yang telah berhasil memuaskan pada suhu rendah telah diperlihatkan oleh Zellner. Dasar-dasar teoritis untuk ini dan untuk lainnya telah disajikan oleh Prausnittz.

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

(20)

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

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

Dalam perhitungan teknik, sering kali lebih mengungkapkan kesetimbangan fase dengan rumus :

Ya = Ka xa (3.6)

Ka adalah konstanta yang ditentukan dengan percobaan. Ka sering kali hanya sedikit tergantung pada konsentrasi, sekalipun untuk sistim yang tidak mengikuti hukum Raoult; biasa disebut nilai K.

Dalam kebayakan sistim, tekanan uap dari solute dalam larutanyang sangat encer dapat digunakan rumus hukum Raoult sebagai konstanta yang berlaku bagi batas-batas konsentrasi tertentu. Ini merupakan dasar dari hukum Henry, yang paling sering ditulis :

Pa = Hca (3.7)

Pa = tekanan partial dari a dalam uap

H = Konstanta hukum Henry, diukur dengan percobaan Ca = konsentrasi a dalam cairan

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

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

b a b b a a

p

y

x

y

=

(3.8) Karena yb = 1 – ya dan xb = 1 - xa ab b a a a a a

p

y

x

y

α

=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

1

(3.9)

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

sistim yang tidak mengikuti hukum Raoult, volatilitas relatip didefinisikan sebagai α _ab = K_a/K_b.

Volalitas relatif akan konstan bila baik Hukum Henry maupun Raoult berlaku. Jika hukum Henry atau Raoult tak diikuti, volatilitas relatip akan berubah dengan komposisi. Gambar. 3.1 menunjukkan data komposisi cair-uap untuk dua sistim dengan volatilitaas relatif konstan dan juga untuk dua sistim denan volatilitas relative yang berubah-ubah dengan komposisi. Sistim yang diperlihatkan pada Gambar.3.3 adalah pada tekanan tetap, tetapi suhu berubah-ubah denan komposisi.

Berubah-ubahnya suhu dapat dilihat pada Gambar 3.2 dan Gambar 3.3

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