Bab 1
Proses Pemisahan
§1.0 TUJUAN INSTRUKSIONAL
Setelah menyelesaikan bab ini, Anda seharusnya dapat:
● Jelaskan peran operasi pemisahan dalam industri kimia dan biokimia.
● Jelaskan apa yang dimaksud dengan pemisahan campuran dan bagaimana cara kerja masing-masing dari lima teknik pemisahan dasar.
● Hitung saldo material komponen di sekitar operasi pemisahan berdasarkan spesifikasi pemulihan komponen (rasio pemisahan atau fraksi pemisahan) dan/atau kemurnian produk.
● Gunakan konsep komponen utama dan faktor pemisahan untuk mengukur pemisahan antara dua komponen utama.
● Memahami konsep urutan operasi pemisahan, khususnya distilasi.
● Jelaskan perbedaan utama antara proses pemisahan kimiawi dan biokimiawi.
● Buatlah pilihan operasi pemisahan berdasarkan faktor-faktor yang melibatkan perbedaan sifat umpan dan produk serta karakteristik operasi pemisahan.
Proses pemisahan yang dikembangkan oleh peradaban awal meliputi (1) ekstraksi logam dari bijih, parfum dari aliran, pewarna dari tanaman, dan kalium dari abu tanaman yang dibakar; (2) penguapan air laut untuk mendapatkan garam;
(3) penyulingan
aspal batu; dan (4) penyulingan minuman keras. Selain itu, tubuh manusia tidak dapat berfungsi jika tidak memiliki ginjal-organ yang mengandung membran yang memisahkan air dan produk sisa metabolisme dari darah.
Ahli kimia menggunakan kromatografi, metode pemisahan analitis, untuk menentukan komposisi campuran kompleks, dan teknik pemisahan preparatif untuk memulihkan bahan kimia. Insinyur kimia merancang fasilitas industri yang menggunakan metode pemisahan yang mungkin sangat berbeda dari teknik laboratorium. Di laboratorium, ahli kimia memisahkan campuran hidrokarbon ringan dengan kromatografi, sementara pabrik akan menggunakan distilasi untuk memisahkan campuran yang sama.
Buku ini mengembangkan metode untuk desain operasi pemisahan skala besar, yang diterapkan oleh para insinyur kimia untuk menghasilkan produk kimia dan biokimia secara ekonomis. Termasuk di dalamnya adalah penyulingan, absorpsi, ekstraksi cair-cair, pencucian, pengeringan, dan kristalisasi, serta metode-metode yang lebih baru seperti adsorpsi, kromatografi, dan pemisahan membran.
Para insinyur juga merancang sistem pemisahan industri skala kecil untuk pembuatan bahan kimia khusus melalui pemrosesan batch, pemulihan zat terlarut biologis,
pertumbuhan kristal semikonduktor, pemulihan bahan kimia dari limbah, dan de- velopment produk seperti oksigenator paru-paru dan ginjal artifisial. Prinsip-prinsip desain untuk skala yang lebih kecil ini
Subscribe to DeepL Pro to translate larger documents.
Visit www.DeepL.com/pro for more information.
operasi juga dibahas dalam buku ini. Baik operasi industri skala besar maupun kecil diilustrasikan dalam contoh- contoh dan latihan soal.
§1.1 PROSES KIMIA INDUSTRI
Industri kimia dan biokimia memproduksi produk yang berbeda komposisinya dengan bahan baku, yaitu (1) bahan hidup atau tak hidup yang terbentuk secara alami, (2) zat antara kimia, (3) bahan kimia perdagangan, atau (4) produk limbah. Yang paling umum adalah kilang minyak (Gambar 1.1), yang menghasilkan berbagai macam produk [1].
Produk dari, katakanlah, 150.000 bbl/hari minyak mentah bergantung pada sumber minyak mentah dan proses kilang, yang meliputi penyulingan untuk memisahkan minyak mentah menjadi fraksi-fraksi titik didih atau potongan- potongan, alkilasi untuk menggabungkan molekul-molekul
kecil menjadi molekul-molekul yang lebih besar, perengkahan katalitik untuk mengubah struktur molekul- molekul hidrokarbon, perengkahan katalitik untuk memecah molekul-molekul besar, perengkahan hidro untuk memecah molekul-molekul yang lebih besar lagi, dan proses-proses untuk mengkonversi residu minyak mentah menjadi kokas dan fraksi-fraksi yang lebih ringan.
Pabrik kimia atau biokimia dioperasikan secara batch, kontinu, atau semi kontinu. Operasi-operasi tersebut dapat berupa operasi kunci yang unik untuk teknik kimia karena melibatkan perubahan komposisi kimia, atau operasi tambahan, yang diperlukan untuk keberhasilan operasi kunci tetapi dapat dirancang oleh insinyur mesin karena operasi tidak melibatkan perubahan komposisi kimia. Operasi utama adalah (1) reaksi kimia dan (2) pemisahan campuran kimia.
Operasi tambahan meliputi pemisahan fase, penambahan atau penghilangan panas (penukar panas), kerja poros (pompa atau kompresor), pencampuran atau pembagian aliran, aglomerasi padatan, pengurangan ukuran
2
§1.1Proses Kimia Industri 3
Gambar 1.1 Kilang untuk mengubah minyak mentah menjadi berbagai produk yang dapat dipasarkan.
padatan, dan pemisahan padatan berdasarkan ukuran.
Sebagian besar peralatan di pabrik biokimia atau kimia ada untuk memurnikan bahan baku, zat antara, dan produk dengan teknik pemisahan yang dibahas dalam buku ini.
Diagram blok-aliran digunakan untuk merepresentasikan proses. Diagram ini menunjukkan, dengan blok persegi atau persegi panjang, reaksi kimia dan langkah-langkah pemisahan dan, dengan menghubungkan garis-garis, aliran proses. Detail lebih lanjut ditunjukkan dalam diagram alir proses, yang juga mencakup operasi tambahan dan menggunakan simbol-simbol yang menggambarkan jenis peralatan yang digunakan. Diagram blok-aliran untuk pembuatan gas hidrogen klorida dari klorin dan hidrogen [2]
ditunjukkan pada Gambar 1.2. Inti dari proses ini adalah sebuah reaktor, di mana reaksi pembakaran fase gas, H2 + Cl2 → 2HCl, terjadi. Peralatan tambahan yang diperlukan terdiri dari pompa, kompresor, dan penukar panas untuk mendinginkan produk. Tidak ada operasi pemisahan yang diperlukan karena konversi klorin yang lengkap. Sedikit kelebihan hidrogen yang digunakan, dan produknya, 99%
HCl dan sejumlah kecil H2 , N2 , H2 O, CO, dan CO2 , tidak memerlukan pemurnian. Proses sederhana yang tidak memerlukan operasi pemisahan sangat jarang terjadi, dan sebagian besar proses kimia dan biokimia didominasi oleh peralatan pemisahan.
Banyak proses kimia industri yang melibatkan setidaknya satu reaktor kimia, disertai dengan satu atau lebih train pemisahan [3]. Contohnya adalah hidrasi kontinu dari
Gambar 1.2 Proses produksi HCl anhidrat.
etilena menjadi etil alkohol [4]. Inti dari proses ini adalah reaktor yang dikemas dengan partikel katalis, yang beroperasi pada suhu 572 K dan
6,72 MPa, di mana reaksi, C H24 + H2 O → C H25 OH, terjadi. Karena keterbatasan kesetimbangan, konversi etilena hanya 5% per lintasan reaktor. Namun, dengan memulihkan etilena yang tidak bereaksi dan mendaur ulangnya ke reaktor, konversi umpan etilena yang hampir sempurna dapat dicapai.
Daur ulang adalah elemen umum dari proses kimia dan biokimia. Jika etilena murni tersedia sebagai bahan baku dan tidak ada reaksi samping yang terjadi, proses sederhana pada Gambar 1.3 dapat direalisasikan. Proses ini menggunakan reaktor, kondensor parsial untuk pemulihan etilena, dan distilasi untuk menghasilkan etil alkohol encer dengan komposisi hampir-azeotropik (93% berat). Sayangnya, pengotor dalam umpan etilena - dan reaksi samping yang melibatkan etilena dan impuritas umpan seperti propilena untuk menghasilkan dietil eter, isopropil alkohol, asetaldehid, dan bahan kimia lainnya - bergabung untuk meningkatkan kerumitan proses, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.4. Setelah reaksi hidrasi, kondensor parsial dan penyerap air bertekanan tinggi mengambil kembali etilena untuk didaur ulang. Tekanan cairan dari bagian bawah penyerap diturunkan, menyebabkan penguapan parsial. Uap kemudian dipisahkan dari cairan yang tersisa di dalam flash drum bertekanan rendah, yang uapnya digosok dengan air untuk menghilangkan alkohol dari gas buang.
Etanol mentah yang mengandung dietil eter dan asetaldehida didistilasi dalam kolom distilasi mentah dan dihidrogenasi secara katalitik untuk mengubah asetaldehida menjadi etanol. Dietil eter dihilangkan di menara ujung cahaya dan digosok dengan air. Produk akhir disiapkan dengan distilasi di menara pemurnian akhir, di mana 93 wt% produk etanol berair ditarik beberapa baki di bawah b a k i atas, ujung cahaya terkonsentrasi di bagian baki pasteurisasi di atas baki penarikan produk dan didaur ulang ke reaktor hidrogenasi katalitik, dan air limbah dihilangkan dengan bagian bawahnya. Selain peralatan yang ditunjukkan, peralatan tambahan mungkin diperlukan untuk memekatkan umpan etilena dan menghilangkan kotoran yang meracuni katalis.
Dalam pengembangan proses baru, pengalaman menunjukkan bahwa lebih banyak langkah pemisahan daripada yang diantisipasi sebelumnya biasanya diperlukan.
Etanol juga diproduksi dalam proses fermentasi biokimia yang dimulai dengan bahan tanaman seperti jelai, jagung, tebu, gandum, dan kayu.
Kadang-kadang operasi pemisahan, seperti penyerapan SO2 oleh bubur batu kapur, disertai dengan reaksi kimia yang memfasilitasi pemisahan. Distilasi reaktif dibahas dalam Bab 11.
Lebih dari 95% operasi pemisahan bahan kimia industri melibatkan campuran bahan kimia organik dari batu bara, gas alam, dan minyak bumi, atau limbah dari reaktor kimia yang memproses bahan baku ini. Namun, kekhawatiran telah diungkapkan dalam beberapa tahun terakhir karena bahan baku fosil ini tidak dapat diperbarui, tidak memungkinkan pembangunan berkelanjutan, dan meningkatkan emisi polutan atmosfer seperti materi partikulat dan senyawa organik yang mudah menguap (VOC). Banyak bahan kimia organik yang sama dapat diekstraksi dari biomassa terbarukan, yang
disintesis secara biokimia oleh sel dalam reaksi agrikultur atau fermentasi dan dipulihkan dengan bioseparasi.
Komponen biomassa termasuk karbohidrat, minyak,
4 Bab 1Proses Pemisahan
Gambar 1.3 Proses hipotetis untuk hidrasi etilena menjadi etanol.
dan protein, dengan karbohidrat dianggap sebagai bahan baku utama untuk biorefinery di masa depan, yang dapat menggantikan kilang batu bara dan minyak bumi jika keekonomiannya terbukti menguntungkan [18, 19, 20].
Proses biokimia sangat berbeda dengan proses kimia.
Reaktor untuk proses kimia biasanya beroperasi pada suhu dan tekanan tinggi dengan menggunakan katalis logam atau kimia, sedangkan reaktor untuk proses biokimia biasanya beroperasi dalam larutan air pada atau dekat dengan kondisi normal, sehat, dan tidak patologis (yaitu, fisiologis) suatu organisme atau bioproduk. Nilai fisiologis yang umum untuk organisme manusia adalah 37◦ C, 1 atm, pH 7,4 (plasma darah arteri), kandungan garam umum 137 mM/L NaCl, 10 mM/L fosfat, dan 2,7 mM/L KCl. Kondisi fisiologis bervariasi sesuai dengan organisme, komponen biologis, dan/atau lingkungan yang diminati.
Bioreaktor memanfaatkan enzim katalitik (produk sintesis polipeptida in vivo), dan membutuhkan waktu tinggal berjam-jam dan berhari-hari untuk menghasilkan kaldu berair sarat partikel yang diencerkan dalam bioproduk yang biasanya membutuhkan rata-rata enam langkah pemisahan, menggunakan teknologi yang kurang matang, untuk menghasilkan produk akhir.
Bioproduk dari reaktor fermentasi dapat berada di dalam mikroorganisme (intraseluler), atau di dalam kaldu fermentasi (ekstraseluler). Yang paling penting adalah kasus ekstraseluler, yang dapat digunakan untuk mengilustrasikan perbedaan antara proses pemisahan kimiawi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.3 dan 1.4, yang menggunakan teknologi yang lebih matang pada bab-bab sebelumnya di Bagian 2 buku ini, dan bioseparasi, yang sering menggunakan teknologi yang kurang matang yang disajikan pada Bagian 3, 4, dan 5.
Gambar 1.4 Proses industri untuk hidrasi etilena menjadi etanol.
§1.2Teknik Pemisahan Dasar 5 Pertimbangkan pembuatan asam sitrat. Meskipun dapat
diekstraksi dari lemon dan jeruk nipis, asam sitrat juga dapat diproduksi dalam jumlah yang jauh lebih besar dengan fermentasi pati secara aerobik terendam. Seperti pada kebanyakan bioproses, serangkaian reaksi diperlukan untuk mengubah bahan mentah menjadi bioproduk, setiap reaksi dikatalisis oleh enzim yang diproduksi di dalam sel hidup dari DNA dan RNA. Dalam kasus asam sitrat, selnya adalah strain Aspergillus niger, jamur eukariotik. Langkah pertama dalam reaksi ini adalah hidrolisis pati pada suhu 28◦ C dan 1 atm dalam media berair menjadi substrat dekstrin menggunakan enzim a-amilase, tanpa adanya jamur.
Sejumlah kecil sel jamur yang dapat hidup, yang disebut inokulum, kemudian ditambahkan ke dalam reaktor. Saat sel tumbuh dan membelah, dekstrin berdifusi dari media air yang mengelilingi sel dan melintasi dinding sel jamur ke dalam sitoplasma sel. Di sini, serangkaian reaksi biokimia yang saling terkait yang terdiri dari jalur metabolisme mengubah dekstrin menjadi asam sitrat. Setiap reaksi dikatalisis oleh enzim tertentu yang diproduksi di dalam sel.
Langkah pertama mengubah dekstrin menjadi glukosa menggunakan enzim glukoamilase. Serangkaian reaksi yang dikatalisis oleh enzim lainnya mengikuti, dengan produk akhir berupa asam sitrat, yang, dalam proses yang disebut sekresi, bergerak dari sitoplasma, melewati dinding sel, dan masuk ke dalam media kaldu encer untuk menjadi bioproduk ekstraseluler. Total waktu resistensi dalam reaktor fermentasi adalah 6-7 hari. Efluen reaktor diproses dalam serangkaian langkah berkelanjutan yang meliputi penyaringan vakum, ultrafiltrasi, pertukaran ion, adsorpsi, kristalisasi, dan pengeringan.
Insinyur kimia juga merancang produk. Satu produk yang melibatkan pemisahan bahan kimia adalah mesin espresso cofee, yang melepaskan minyak dari biji kopi, meninggalkan bahan-bahan yang bertanggung jawab atas keasaman dan rasa pahit. Mesin ini melakukan hal ini dengan melakukan operasi pencucian secara cepat dalam 20- 30 detik dengan air pada suhu dan tekanan tinggi. Secangkir espresso yang dihasilkan memiliki (1) lapisan busa krim yang memerangkap bahan kimia yang diekstraksi,
(2) rasa penuh karena emulsifikasi, dan (3) kekayaan aroma.
Biasanya, 25% biji kopi diekstraksi, dan espresso mengandung lebih sedikit kafein daripada kopi yang disaring. Cussler dan Moggridge [17] dan Seider, Seader, Lewin, dan Widagdo [7] mendiskusikan contoh-contoh produk lain yang dirancang oleh para insinyur kimia.
§1.2 TEKNIK PEMISAHAN DASAR
Penciptaan campuran spesies kimia dari spesies sepa- rate adalah proses spontan yang tidak memerlukan masukan energi. Proses kebalikannya, pemisahan campuran kimia menjadi komponen murni, bukanlah proses spontan dan karenanya membutuhkan energi. Campuran yang akan dipisahkan dapat berupa campuran tunggal atau multifase.
Jika campuran tersebut memiliki banyak fase, biasanya akan lebih baik jika fase-fase tersebut dipisahkan terlebih dahulu.
Skema pemisahan umum ditunjukkan pada Gambar 1.5 sebagai sebuah kotak di mana pemisahan spesies dan fase terjadi, dengan panah untuk menunjukkan pergerakan umpan dan produk. Umpan dan produk dapat berupa uap, cair, atau
padat; satu atau lebih operasi pemisahan mungkin terjadi; dan produk berbeda dalam komposisi dan mungkin berbeda dalam fase. Dalam setiap pemisahan
Gambar 1.5 Proses pemisahan secara umum.
operasi, komponen campuran diinduksi untuk bergerak ke lokasi atau fase spasial yang berbeda dan dapat dipisahkan dengan satu atau lebih dari lima metode pemisahan dasar yang ditunjukkan pada Gambar
1.6. Namun, dalam banyak kasus, pemisahan tidak sempurna, dan jika pakan mengandung lebih dari dua spesies, dua atau lebih operasi pemisahan mungkin diperlukan.
Teknik pemisahan yang paling umum, ditunjukkan pada Gambar 1.6a, menciptakan fase kedua, yang tidak dapat bercampur dengan fase umpan, melalui transfer energi (panas dan/atau kerja poros) atau dengan pengurangan tekanan. Operasi umum dari jenis ini adalah distilasi, yang melibatkan transfer spesies antara fase uap dan cair, mengeksploitasi perbedaan volatilitas (misalnya, tekanan uap atau titik didih) di antara spesies; dan kristalisasi, yang mengeksploitasi perbedaan titik leleh. Teknik kedua, ditunjukkan pada Gambar 1.6b, menambahkan fase fluida lain, yang secara selektif menyerap, mengekstrak, atau menghilangkan spesies tertentu dari umpan. Operasi yang paling umum dari jenis ini adalah ekstraksi cair-cair, di mana umpan berbentuk cair dan fase cair yang tidak dapat bercampur ditambahkan; dan absorpsi, di mana umpan berbentuk uap, dan cairan dengan volatilitas rendah ditambahkan. Dalam kedua kasus tersebut, kelarutan spesies secara signifikan berbeda dalam fase yang ditambahkan.
Yang kurang umum, tetapi semakin penting, adalah penggunaan penghalang (ditunjukkan pada Gambar 1.6c), biasanya membran poli-mer, yang melibatkan umpan gas atau cairan dan mengeksploitasi perbedaan permeabilitas spesies melalui penghalang. Yang juga semakin penting adalah teknik yang melibatkan kontak antara uap atau umpan cair dengan zat padat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.6d. Paling umum, agen terdiri dari partikulat yang berpori untuk mencapai luas permukaan yang tinggi, dan perbedaan dalam daya serap spesies dieksploitasi.
Akhirnya, medan eksternal (sentrifugal, termal, listrik, aliran, dll.), ditunjukkan pada Gambar 1.6e, diterapkan dalam kasus-kasus khusus pada umpan cair atau gas, dengan elektroforesis yang sangat berguna untuk protein sepa- rasi dengan mengeksploitasi perbedaan muatan listrik dan difusivitas.
Untuk teknik Gambar 1.6, ukuran peralatan ditentukan oleh laju perpindahan massa setiap spesies dari satu fase atau lokasi ke lokasi lain, relatif terhadap perpindahan massa semua spesies. Kekuatan pendorong dan arah perpindahan massa diatur oleh penyimpangan dari kesetimbangan termodinamika, yang melibatkan volatilitas, kelarutan, dll. Aplikasi termodinamika dan teori perpindahan massa pada sepa- rasi industri dibahas dalam Bab 2 dan 3. Mekanika fluida dan perpindahan panas memainkan peran penting dalam operasi pemisahan, dan prinsip-prinsip yang dapat diterapkan disertakan dalam bab- bab yang sesuai dalam buku ini.
Tingkat pemisahan yang mungkin dilakukan tergantung pada eksploitasi perbedaan dalam sifat molekul, termodinamika, dan sifat trans- portasi spesies. Sifat-sifat yang penting adalah:
6 Bab 1Proses Pemisahan
Gambar 1.6 Teknik pemisahan dasar: (a) pemisahan dengan pembuatan fase; (b) pemisahan dengan penambahan fase; (c) pemisahan dengan penghalang;
(d) pemisahan dengan zat padat; (e) pemisahan dengan medan gaya atau gradien.
1. Sifat molekuler
Berat molekul Polarisabilitas
volume van der WaalsKonstanta dielektrik
Daerah van der Waals Muatan listrik Bentuk molekul (faktor asentrik Jari-jariputaran Momen dipol
2. Sifat termodinamika dan transportasi
Tekanan uap Daya serap
Kelarutan Difusivitas
Nilai-nilai dari properti ini muncul dalam buku pegangan, buku referensi, dan jurnal. Banyak yang dapat diperkirakan dengan menggunakan program simulasi proses. Ketika nilai properti tidak tersedia, mereka harus diperkirakan atau ditentukan secara eksperimental jika aplikasi operasi pemisahan yang sukses ingin dicapai.
CONTOH 1.1 Kelayakan metode pemisahan.
Untuk setiap campuran biner berikut ini, o p e r a s i pemisahan disarankan untuk dilakukan. Jelaskan mengapa operasi tersebut akan atau tidak akan berhasil.
(a) Pemisahan udara menjadi produk yang kaya oksigen dan kaya nitrogen dengan distilasi.
(b) Pemisahan m-xylene dari p-xylene dengan distilasi.
(c) Pemisahan benzena dan sikloheksana dengan distilasi.
(d) Pemisahan isopropil alkohol dan air dengan distilasi.
(e) Pemisahan penisilin dari air dalam kaldu fermentasi dengan cara menguapkan airnya.
Solusi
(a) Titik didih normal O2 (-183◦ C) dan N2 (-195,8◦ C) cukup berbeda sehingga dapat dipisahkan dengan distilasi, tetapi tekanan tinggi dan suhu kriogenik diperlukan. Pada tingkat produksi sedang hingga rendah, mereka biasanya dipisahkan dengan biaya yang lebih rendah dengan adsorpsi atau perembesan gas melalui membran.
(b) Titik didih normal yang dekat dari m-xylene (139,3◦ C) dan p- xylene (138,5◦ C) membuat pemisahan dengan distilasi menjadi tidak praktis. Namun, titik lelehnya yang sangat berbeda yaitu - 47,4◦ C untuk m-xylene dan 13,2◦ C untuk p-xylene membuat kristalisasi menjadi metode pemisahan pilihan.
(c) Titik didih normal benzena (80,1◦ C) dan sikloheksana (80,7◦ C) menghalangi pemisahan praktis dengan distilasi. Titik lelehnya juga dekat, yaitu 5,5◦ C untuk benzena dan 6,5◦ C untuk sikloheksana, sehingga kristalisasi juga tidak praktis.
Metode pilihannya adalah menggunakan distilasi dengan adanya fenol (titik didih normal 181,4◦ C), yang mengurangi volatilitas benzena, sehingga memungkinkan diperolehnya sikloheksana yang hampir murni. Produk lainnya, campuran benzena dan fenol, dapat dengan mudah dipisahkan dalam operasi distilasi berikutnya.
(d) Titik didih normal isopropil alkohol (82,3◦ C) dan air (100,0◦ C) tampaknya menunjukkan bahwa keduanya dapat dipisahkan dengan distilasi. Namun, mereka tidak dapat dipisahkan dalam cara ini karena mereka membentuk azeotrop dengan titik didih minimum pada 80,4◦ C dan 1 atm dengan 31,7 mol% air dan 68,3 mol% isopropanol. Metode pemisahan yang layak adalah dengan mendistilasi campuran dalam benzena, menggunakan proses dua operasi. Langkah pertama menghasilkan isopropil alkohol yang hampir murni dan azeotrop yang heterogen dari ketiga komponen tersebut. Zeotrop dipisahkan menjadi dua fase, dengan fase kaya benzena didaur ulang ke langkah pertama dan fase kaya air dikirim ke langkah kedua, di mana
§1. 3Pemisahan berdasarkan Penambahan atau
Pembuatan Fase 7
§1.3 PEMISAHAN DENGAN PENAMBAHAN ATAU PEMBUATAN FASE
Jika umpan adalah larutan fase tunggal, fase kedua yang dapat dipisahkan harus dikembangkan sebelum pemisahan spesies dapat dicapai. Fase kedua dibuat oleh agen pemisah energi (ESA) dan/atau ditambahkan sebagai agen pemisah massa (MSA). ESA melibatkan perpindahan panas atau transfer kerja poros ke atau dari campuran. Contoh kerja poros adalah penciptaan uap dari fase cair dengan mengurangi tekanan. MSA mungkin sebagian tidak dapat bercampur dengan satu atau lebih komponen campuran dan sering kali merupakan konstituen d e n g a n konsentrasi tertinggi dalam fase yang ditambahkan. Sebagai alternatif, MSA dapat larut dengan campuran umpan cair, tetapi secara selektif dapat mengubah partisi spesies antara fase cair dan uap. Hal ini memudahkan pemisahan ketika digunakan bersama dengan ESA, seperti dalam distilasi ekstraktif.
Kerugian menggunakan MSA adalah (1) perlu pemisah tambahan untuk memulihkan MSA untuk didaur ulang, (2) perlu makeup MSA, (3) kemungkinan kontaminasi produk MSA, dan
(4) prosedur desain yang lebih sulit.
Ketika fase fluida yang tidak dapat bercampur dikontakkan, pencampuran yang intim digunakan untuk meningkatkan laju perpindahan massa sehingga tingkat partisi maksimum spesies dapat dilakukan dengan cepat.
Setelah kontak fase, fase dipisahkan dengan menggunakan gravitasi dan/atau teknik yang disempurnakan seperti gaya sentrifugal. Tabel 1.1 mencakup operasi pemisahan yang lebih umum berdasarkan perpindahan massa antarfase antara dua fase, salah satunya dibuat oleh ESA atau ditambahkan sebagai MSA. Prosedur desain telah menjadi rutinitas untuk operasi yang diawali dengan tanda bintang (*) di kolom pertama. Prosedur tersebut dimasukkan sebagai model matematika ke dalam simulator proses.
Ketika campuran umpan mencakup spesies yang sangat berbeda dalam volatilitas, yang dinyatakan sebagai rasio kesetimbangan uap-cair (nilai K) - kondensasi parsial atau penguapan parsial - Operasi (1) pada Tabel 1.1 mungkin memadai untuk mencapai pemisahan yang diinginkan. Dua fase tercipta ketika umpan uap terkondensasi sebagian dengan menghilangkan panas, dan umpan cair diuapkan sebagian dengan menambahkan panas. Sebagai alternatif, penguapan parsial dapat dimulai dengan penguapan kilat, Operasi (2), dengan mengurangi tekanan umpan dengan katup atau turbin. Dalam kedua operasi tersebut, setelah
pemisahan spesies terjadi melalui perpindahan massa antar fase, uap yang dihasilkan
air yang hampir murni dihasilkan melalui penyulingan, dengan produk lainnya didaur ulang ke langkah pertama.
(e) Penisilin memiliki titik leleh 97◦ C, tetapi terurai sebelum mencapai titik didih normal. Dengan demikian, tampaknya penisilin dapat diisolasi dari air melalui penguapan air. Namun, penisilin dan sebagian besar antibiotik lainnya peka terhadap panas, sehingga suhu yang mendekati suhu lingkungan harus dipertahankan. Dengan demikian, penguapan air harus dilakukan pada kondisi vakum tinggi yang tidak praktis.
Metode pemisahan yang praktis adalah ekstraksi cair-cair penisilin dengan n-butil asetat atau n-asetil asetat.
Fase padat diperkaya dengan spesies yang lebih mudah menguap, sedangkan fase cair diperkaya dengan spesies yang kurang mudah menguap. Kedua fase tersebut kemudian dipisahkan oleh gravitasi.
Seringkali, tingkat pemisahan yang dicapai dengan satu metode pemisahan dua fase tidak memadai karena perbedaan volatilitas di antara spesies tidak cukup besar.
Dalam hal ini, distilasi, Operasi (3) pada Tabel 1.1 dan metode pemisahan industri yang paling banyak digunakan, harus dipertimbangkan. Distilasi melibatkan beberapa kontak antara fase cair dan uap yang mengalir berlawanan arah. Setiap kontak, yang disebut tahap, terdiri dari pencampuran fase untuk mendorong partisi cepat spesies melalui perpindahan massa, diikuti dengan pemisahan fase.
Kontak sering dilakukan pada baki horizontal yang disusun dalam kolom, seperti yang ditunjukkan dalam simbol untuk distilasi pada Tabel 1.1. Uap yang mengalir ke atas kolom, semakin diperkaya sehubungan dengan spesies yang lebih mudah menguap, dan cairan yang mengalir ke bawah kolom semakin diperkaya dengan spesies yang kurang mudah menguap. Umpan ke kolom masuk ke baki di suatu tempat di antara baki atas dan bawah. Bagian kolom di atas entri umpan adalah bagian pengayaan atau rektifikasi, dan bagian di bawahnya adalah bagian pengupasan. Umpan uap mulai masuk ke dalam kolom; cairan umpan mulai turun.
Cairan diperlukan untuk melakukan kontak dengan uap di atas baki umpan, dan uap diperlukan untuk melakukan kontak dengan cairan di bawah baki umpan. Umumnya, di bagian atas kolom, uap terkondensasi untuk menghasilkan cairan yang mengalir ke bawah yang disebut refluks.
Demikian pula, cairan di bagian bawah kolom melewati reboiler, di mana ia dipanaskan untuk m e n g h a s i l k a n uap yang mengalir ke atas yang disebut boilup.
Ketika perbedaan volatilitas antara dua spesies yang akan dipisahkan sangat kecil sehingga membutuhkan lebih dari sekitar 100 baki, distilasi ekstraktif, Operasi (4), dipertimbangkan. Di sini, MSA yang dapat larut, yang bertindak sebagai pelarut, meningkatkan perbedaan volatilitas di antara spesies dalam umpan, sehingga mengurangi jumlah baki. Umumnya, MSA adalah spesies yang paling tidak mudah menguap dan dimasukkan di dekat bagian atas kolom. Refluks ke baki atas meminimalkan kandungan MSA dalam produk teratas. Operasi selanjutnya, biasanya distilasi, digunakan untuk memulihkan MSA untuk didaur ulang.
Jika sulit untuk mengembunkan uap yang meninggalkan bagian atas kolom distilasi, MSA cair yang disebut penyerap dapat d i u m p a n k a n ke baki atas sebagai pengganti refluks. Operasi yang dihasilkan disebut penyerapan rebus ulang, (5). Jika umpan berupa uap dan bagian pengupasan kolom tidak diperlukan, operasi disebut sebagai penyerapan, (6). Absorbers umumnya tidak memerlukan ESA dan sering dilakukan pada suhu lingkungan dan tekanan tinggi. Spesies dalam uap umpan larut dalam penyerap sampai batas tertentu tergantung pada kelarutannya.
Kebalikan dari absorpsi adalah stripping, Operasi (7) pada Tabel 1.1, di mana campuran cairan dipisahkan, pada suhu tinggi dan tekanan sekitar, dengan cara mengontakkan umpan dengan zat pengupasan uap. MSA ini menghilangkan kebutuhan untuk mendidihkan kembali cairan di bagian bawah kolom, yang mungkin penting jika cairan tidak stabil secara termal. Jika baki diperlukan di atas
baki umpan untuk mencapai pemisahan, pengupas yang direfluks, (8), dapat digunakan. Jika bagian bawah
Tabel 1.1 Operasi Pemisahan Berdasarkan Pembuatan atau Penambahan Fase
Operasi Pemisahan Simbola Fase Awal atau Umpan Fase yang Dibuat atau Ditambahkan Agen Pemisah Contoh
Industrib Kondensasi atau
penguapan parsial* (1)
Uap dan/atau cairanCair atau uapPemindahan panas (ESA) Pemulihan H2
dan N2 dari
amonia dengan kondensasi parsial dan pemisahan fase bertekanan tinggi
Penguapan kilat* (2) Cairan Uap Pengurangan tekanan Pemulihan air dari air laut
Penyulingan* (3) dan/atau cairan dan cairan Perpindahan
panas(ESA) dan terkadang perpindahan kerja
Distilasi ekstraktif* (4 dan/atau cairan dan cairan Pelarut cair(MSA) dan
perpindahan panas (ESA)
Penyerapan yang direbus kembali* (5 dan/atau cairan dan cairan Penyerap cairan(MSA)
dan perpindahan panas (ESA)
Pemurnian stirena
Pemisahan aseton dan metanol
Penghapusan etana dan hidrokarbon dengan berat molekul lebih rendah untuk produksi LPG
Penyerapan* (6) Uap Cairan Penyerap cair (MSA) Pemisahan karbon dioksida dari
produk pembakaran melalui penyerapan dengan larutan etanolamin
Pengupasan* (7) Cairan Uap uap (MSA Pengupasan aliran nafta,
minyak tanahdan potongan samping minyak gas dari unit distilasi minyak mentah untuk menghilangkan ujung-ujung yang ringan
Pengupasan refluks (penyulingan uap)* (8)
Uap dan/atau cairan Uap dan cairanPengupasan uap
(MSA)
dan perpindahan panas (ESA)
Pemisahan produk dari kokas yang tertunda
8
Pengupasan yang direbus kembali* (9) Cairan Pemindahan panas uap (ESA) Pemulihan penyerap amina
Distilasi azeotropik* (10 dan/atau cairan dan cairan Pemasukan
cairan(MSA) dan perpindahan panas (ESA)
Pemisahan asam asetat dari air menggunakan n-butil asetat sebagai entrainer untuk membentuk azeotrop dengan air
Ekstraksi cair-cair* (11) Cair Pelarut cair-cair (MSA) Pemulihan penisilin dari air
media fermentasi dengan metil isobutil keton. Pemulihan aromatik
Ekstraksi cair-cair (dua pelarut)* (12)
Cairan CairDua pelarut cair (MSA1
dan MSA )2
Penggunaan propana dan asam kresilat sebagai pelarut untuk memisahkan parafin dari aromatik dan naften
Pengeringan (13 Cairan dan sering kali padat Gas Uap (MSA)
dan/atau
perpindahan panas (ESA)
Penghilangan air dari
polivinilklorida dengan udara panas dalam pengering unggun fluida
Penguapan (14) Cairan Uap Perpindahan panas (ESA Penguapan air dari larutan
urea dan air
Kristalisasi (15) Cair Padat (dan uap Perpindahan panas (ESA Pemulihan inhibitor protease
dari pelarut organik.
Kristalisasi p-xylene dari campuran dengan m-xylene
(Lanjutan)
9
Tabel 1.1 (Lanjutan)
Operasi Pemisahan Simbola Fase Awal atau Umpan Fase yang Dibuat atau Ditambahkan Agen Pemisah Contoh
Industrib
Desublimasi (16) Uap Padat Perpindahan panas (ESA Pemulihan ftalat anhidrida dari
gas yang tidak dapat dipadatkan
Pelindian (ekstraksi cair-padat) (17)
Padat Cair Pelarut cair Ekstraksi sukrosa dari
gula
bit dengan air panas
Fraksinasi busa (18) Cairan Gas Gelembung gas (MSA) Pemulihan deterjen dari larutan
limbah
*Prosedur desain diterima dengan cukup baik.
aBaki ditampilkan untuk kolom, tetapi sebagai alternatif, kemasan dapat digunakan. Beberapa umpan dan aliran samping sering digunakan dan dapat ditambahkan ke simbol.
bRincian contoh-contoh dapat ditemukan di Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, edisi ke-5, John Wiley & Sons, New York (2004-2007).
10
§1. 4Pemisahan oleh Hambatan 11 produk dari stripper stabil secara termal, dapat direbus ulang
tanpa menggunakan MSA. Dalam hal ini, kolom adalah stripper yang direbus ulang, (9). Operasi pemisahan tambahan mungkin diperlukan untuk memulihkan MSA untuk didaur ulang.
Pembentukan azeotrop dengan titik didih minimum memungkinkan dilakukannya distilasi azeo-tropik (10).
Dalam contoh yang dikutip dalam Tabel 1.1, MSA, n-butil asetat, yang membentuk azeotrop bertitik didih minimum dua cairan (heterogen) dengan air, digunakan sebagai penampung dalam pemisahan asam asetat dari air. Zeotrop diambil di atas kepala, dikondensasi, dan dipisahkan menjadi lapisan asetat dan air. MSA disirkulasi ulang, dan lapisan air yang terdispersi dan asam asetat yang berada di bagian bawah adalah produknya.
Ekstraksi cair-cair, (11) dan (12), dengan satu atau dua pelarut, dapat digunakan ketika distilasi tidak praktis, terutama ketika campuran yang akan dipisahkan peka terhadap suhu. Pelarut secara selektif hanya melarutkan satu atau sebagian kecil komponen dalam umpan. Dalam ekstraksi dua pelarut, masing-masing memiliki selektivitas spesifik untuk komponen umpan. Beberapa tahap yang diatur berlawanan mungkin diperlukan. Seperti halnya distilasi ekstraktif, operasi tambahan diperlukan untuk memulihkan pelarut dari aliran yang meninggalkan operasi ekstraksi. Ekstraksi banyak digunakan untuk pemulihan bioproduk dari kaldu fermentasi. Jika suhu dan tekanan ekstraksi hanya sedikit di atas titik kritis pelarut, operasi ini disebut ekstraksi fluida superkritis. Di wilayah ini, kelarutan zat terlarut dalam fluida superkritis dapat berubah secara drastis dengan perubahan kecil pada suhu dan tekanan.
Setelah ekstraksi, tekanan produk yang kaya akan pelarut dikurangi untuk melepaskan pelarut, yang kemudian didaur ulang. Untuk pemrosesan bahan makanan, fluida superkritis adalah zat lembam, dengan CO2 lebih disukai karena tidak mencemari produk.
Karena banyak bahan kimia yang diproses secara basah tetapi dijual sebagai padatan kering, langkah produksi yang umum dilakukan adalah pengeringan, Pengoperasian
(13). Meskipun satu-satunya persyaratan adalah bahwa tekanan uap cairan yang akan diuapkan dari padatan lebih tinggi daripada tekanan parsial dalam aliran gas, desain dan operasi pengering merupakan masalah yang kompleks.
Selain efek kondisi eksternal seperti suhu, kelembaban, aliran udara, dan tingkat pembagian padatan pada laju pengeringan, efek kondisi difusi internal, aliran kapiler, kadar air kesetimbangan, dan sensitivitas panas harus dipertimbangkan. Karena fase padat, cair, dan uap hidup berdampingan dalam pengeringan, prosedur desain peralatan sulit untuk dirancang dan ukuran peralatan dapat dikontrol oleh perpindahan panas. Prosedur desain pengering yang umum adalah insinyur proses mengirim sampel umpan yang representatif ke satu atau dua produsen pengering yang dapat diandalkan untuk uji coba pabrik dan membeli peralatan yang menghasilkan produk kering dengan biaya terendah.
Pengering komersial dibahas dalam [5] dan Bab 18.
Penguapan, Operasi (14), didefinisikan sebagai perpindahan komponen volatil dari cairan menjadi gas melalui perpindahan panas. Aplikasi termasuk pelembapan, pendingin udara, dan konsentrasi larutan berair.
Kristalisasi, (15), dilakukan di beberapa pabrik kimia
organik, dan di hampir semua pabrik kimia anorganik di mana produk yang diinginkan adalah padatan yang terbagi dengan baik. Kristalisasi adalah langkah pemurnian, sehingga kondisinya harus sedemikian rupa sehingga pengotor tidak
tidak mengendap bersama produk. Dalam kristalisasi larutan, campuran, yang meliputi pelarut, didinginkan dan/atau pelarut diuapkan. Dalam kristalisasi lelehan, dua atau lebih spesies yang dapat larut dipisahkan dengan pembekuan parsial. Teknik kristalisasi leleh serbaguna adalah peleburan atau pemurnian zona, yang bergantung pada distribusi selektif pengotor antara cairan dan fase padat. Ini melibatkan pemindahan zona cair secara perlahan melalui ingot dengan menggerakkan pemanas atau menarik ingot melewati pemanas. Kristal tunggal dengan kemurnian sangat tinggi dari silicon diproduksi dengan metode ini.
Sublimasi adalah pemindahan suatu spesies dari bentuk padat ke bentuk gas tanpa pembentukan fase cair perantara.
Contohnya adalah pemisahan sulfur dari pengotor, pemurnian asam benzoat, dan pengeringan beku makanan.
Proses sebaliknya, desublimasi, (16), dipraktikkan dalam penemuan kembali ftalat anhidrida dari limbah reaktor gas.
Aplikasi umum dari sublimasi adalah penggunaan es kering sebagai pendingin untuk menyimpan es krim, sayuran, dan makanan yang dapat diawetkan lainnya. Gas yang disublimasikan, tidak seperti air, tidak menggenang.
Ekstraksi cair-padat, pelindian, (17), digunakan dalam industri metamorfosis, produk alami, dan makanan. Untuk mendorong difusi zat terlarut yang cepat keluar dari padatan dan masuk ke dalam pelarut cair, ukuran partikel padatan biasanya dikurangi.
Perbedaan utama antara sistem padat-cair dan cair-cair adalah sulitnya mengangkut padatan (sering kali dalam bentuk bubur atau kue basah) dari satu tahap ke tahap lainnya. Dalam industri farmasi, makanan, dan produk alami, pengangkutan padatan berlawanan arah disediakan oleh perangkat mekanis yang rumit.
Dalam metode pemisahan gelembung adsorptif, bahan aktif permukaan terkumpul pada antarmuka larutan. Jika lapisan permukaan (yang sangat tipis) terkumpul, maka akan terjadi penghilangan sebagian zat terlarut dari larutan.
Dalam proses flotasi bijih, partikel padat bermigrasi melalui cairan dan menempel pada gelembung gas yang naik, sehingga mengambang keluar dari larutan. Dalam fraksinasi busa, (18), aktivitas permukaan yang diinduksi alami atau khelat menyebabkan zat terlarut bermigrasi ke gelembung yang naik dan dengan demikian dihilangkan sebagai busa.
Simbol peralatan yang ditunjukkan pada Tabel 1.1 sesuai dengan konfigurasi yang paling sederhana untuk setiap operasi. Versi yang lebih kompleks sering kali diinginkan.
Sebagai contoh, versi yang lebih kompleks dari penyerap reboiler, Operasi (5) pada Tabel 1.1, ditunjukkan pada Gambar 1.7. Ini memiliki dua umpan, sebuah pendingin antar, aliran samping, dan interreboiler dan reboiler bawah.
Prosedur desain harus dapat menangani peralatan yang kompleks tersebut. Selain itu, dimungkinkan untuk melakukan reaksi kimia secara bersamaan dengan operasi pemisahan. Siirola [6] mendeskripsikan evolusi proses komersial untuk memproduksi metil asetat dengan esterifikasi. Proses ini dilakukan dalam satu kolom dalam proses terintegrasi yang melibatkan tiga zona reaksi dan tiga zona pemisahan.
§1.4 PEMISAHAN OLEH PENGHALANG
Penggunaan membran mikropori dan nonporous sebagai penghalang semi-permeabel untuk pemisahan selektif
semakin banyak digunakan. Membran dibuat terutama dari serat alami dan polimer sintetis, tetapi juga dari keramik dan logam. Membran dibuat menjadi lembaran datar, tabung, serat berongga, atau lembaran luka spiral, dan dimasukkan ke dalam produk komersial.