ekstraksi 2 (2)

Metoda Tahap Kesetimbangan EkstraksiMata Kuliah Pemisahan IIDepartemen Teknik Kimia USU

Penurunan aturan ”lever arm” secara grafik

Dua buah aliran L dan V (masing-masing mengandung komponen A, B, dan C) dicampur sehingga menghasilkan aliran campuran M

Neraca Massa Total:V + L = M

......................1)

V, yA, yC

L, xA, xC

M, xAM, xCM

V, yA, yC

L, xA, xC

M, xAM, xCM

… ”lever arm” …

Neraca massa komponen AV yA + L xA = M xAM ......................2)

dimana: xAM = fraksi massa A di dalam aliran M

Untuk komponen C,V yC + L xC = M xCM ………..…….3)

Dengan menggabung persamaan 1 dan 2 diperoleh:V yA + L xA = (L + V) xAM

V yA – V xAM = LxAM - L xA

V (yA – xAM ) = L (xAM - xA )

.......................4)AAM

AMA

xx

xy

V

L


Persamaan (1) digabungkan ke (3)V yC + L xC = (L + V) xCM

…………….5)

Persamaan (4) = Persamaan (5)

Disederhanakan menjadi:

…………….6)

CCM

CMC

xx

xy

V

L

CCM

CMC

AAM

AMA

xx

xy

xx

xy

AAM

CCM

AMA

CMC

yx

yx

xx

xx


Titik-titik L, M, dan V harus terletak pada satu garis

…………….7)

Aturan ”lever arm

kg L / kg V = panjang garis VM / panjang garis LM

…………….8)

LM

VM

kgV

kgL

)(

)(

V, yA, yC

L, xA, xC

M, xAM, xCM

V, yA, yC

L, xA, xC

M, xAM, xCM

LV

VM

kgM

kgL

)(

)(

Ex.12.5-2: Massa Ekstrak dan Rafinat Hasil EkstraksiBerdasarkan Ex. 12.5-1, komposisi lapisan ekstrak (V):

yA = 0,04; yC = 0,94; yB = 1 – 0,04 -0,94 = 0,02 komposisi lapisan rafinat (L):

xA = 0,12; xC = 0,02; xB = 1 – 0,12 -0,02 = 0,86. Campuran awal mengandung M = 100 kg dan xAM = 0,1.Tentukan massa V dan L.

Penyelesaian:

Neraca massa total:V + L = M = 100 kg

.......... a)Dari persamaan (2):

V yA + L xA = M xAM

V (0,04) + L(0,12) = 100 (0,1) ……… b)

Selesaikan pers (a) dan (b) secara simultan maka didapat: L = 75 kg dan V = 25 kg

Ex.12.5-2: Massa Ekstrak dan Rafinat Hasil EkstraksiCara Lain: Dengan menggunakan aturan “lever arm”,

jarak hg diukur sebagai 4,2 unit dan jarak gi diukur sebagai 5,8 unit.

Substitusi ke persamaan (8) dan diperoleh :

L = 72,5 kg dan V = 27,5 kg

Ekstraksi Kesetimbangan Satu Tahap

Pemisahan komponen A dari suatu campuran AB menggunakan pelarut C pada kolom kesetimbangan satu tahap.

Terlihat dari skema di atas, pelarut (V2) masuk bersamaan dengan aliran L0. Aliran dicampur dan mengalami kesetimbangan kemudian keluar masing-masing dengan aliran V1 dan L1.

V1

L0

V2

L1

V1

L0

V2

L1

… Kesetimbangan Satu Tahap

Neraca Massao L0 + V2 = L1 + V1 = M

…………. 9)

o L0 xA0 + V2 yA2 = L1 xA1+ V1 yA1= M xAM …………. 10)

o L0 xC0 + V2 yC2 = L1 xC1+ V1 yC1= M xCM …………. 11)

o xA + xB + xC = 1

Karena jumlah dan komposisi L0 dan V2 diketahui, maka M, xAM, dan xCM dapat dihitung dari persamaan 9, 10, dan 11.

… Kesetimbangan Satu Tahap

Titik-titik L0, V2, dan M di-plot seperti ditunjukkan dalam gambar di bawah ini.

Dengan cara ”trial and error” dapat ditarik ”tie line” melalui titik M yang menghasilkan komposisi L1 dan V1. Jumlah L1 dan V1 dapat ditentukan dari substitusi ke dalam persamaan 9 – 11 atau dengan menggunakan aturan “lever arm”.

PROBLEM 12.5-2 (Halaman 832) Geankoplis

Suatu proses ekstraksi satu tahap dilaksanakan, dimana 400 kg larutan mengandung 35% berat asam asetat di dalam air dikontakkan dengan 400 kg isopropil eter murni. Hitunglah jumlah serta komposisi lapisan ekstrak dan rafinat. Berapa persen kah asam asetat yang dapat diserap? Gunakan data kesetimbangan pada Appendix A.3.

Gambarkan diagram rektangular berdasarkan data pada Tabel A.3-24

Penyelesaian:

Plot titik M pada grafik, kemudian dengan cara yang sama dengan sebelumnya (menarik garis ke titik V1 dan L1 dengan cara trial ) diperoleh:

Dari persamaan (9)

Dari persamaan (10)

… Problem 12.5-2

• Dari persamaan (11)

Sehingga diperoleh titik MxAM = 0,175xCM = 0,5xBM = 1- 0,175 – 0,5 = 0,325

Continuous Multistage Countercurrent Extraction Untuk memindahkan lebih banyak zat terlarut lagi,

kolom single stage dapat diulangi/ditambah sehingga membentuk kolom multistage

Kontaktor dapat ditambah dengan mengkontakkan aliran L1 dengan pelarut V2 yg lebih segar. Dengan cara ini diperoleh persentase penghilangan zat A yang lebih besar

Konsekuensinya: Penggunaan pelarut yang berlebihan akan membuat konsentrasi zat A semakin encer (seperti membilas pakaian atau memeras santan)

Untuk mengurangi pemakaian pelarut dan memperoleh aliran ekstrak keluar yang lebih pekat, ekstraksi multistage countercurrent sering digunakan

Neraca MassaAliran proses untuk ekstraksi multistage countercurrent:

Solvent

1

V1

L0

2

V2

L1

V3

L2

n

Vn

Ln-1

Vn+1

Ln

N

VN

LN-1

VN+1

LN

Ekstrak

Feed Rafinat

Aliran umpan yang mengandung zat A yang akan diekstrak, masuk pada ujung yang satu, dan aliran pelarut masuk dari ujung yang lain

Aliran ekstrak dan rafinat mengalir secara berlawanan dari stage ke stage

Produk akhir adalah aliran V1 yang meninggalkan stage 1 dan aliran rafinat LN yang keluar stage N.

… Multistage Countercurrent …


Neraca massa untuk seluruh N tahap

dimana M = suatu konstanta (kg/h)Neraca massa komponen C

Susun-ulang menjadi

Dengan cara yang sama diperoleh

………… 7.1 )

………… 7.2 )

………… 7.3 )

………… 7.4 )

Pers (7.3) dan (7.4) dapat digunakan untuk menghitung koordinat titik M pada diagram fasa yang menghubungkan dua aliran masuk L0 dan VN+1 serta dua aliran keluar V1 dan LN.Biasanya laju alir dan komposisi L0 dan VN+1 diketahui dan komposisi keluaran XAN ditentukan.

Plot titik-titik: L0, VN+1, dan M harus membentuk garis lurus. Kemudian LN, M, dan V1 juga harus membentuk garis lurus. LN dan V1 harus terletak pada kawasan envelope.


1

V1

L0

2

V2

L1

V3

L2

n

Vn

Ln-1

Vn+1

Ln

N

VN

LN-1

VN+1

LN

Ekstrak

200 kg/h Rafinat

600 kg/h


Langkah PenyelesaianPlot data kesetimbangan dari App A.3 pada

kertas grafik

Nilai-nilai VN+1, YAN+1, YCN+1, L0, XA0, XB0, XC0 dan XAN telah diketahui

Plot titik VN+1 dan L0

Koordinat VN+1 adalah (YAN+1, YCN+1) (0,1) Koordinat L0 adalah (XA0, XC0) (0.3,0)


Tentukan titik M

75,0600200

)1(600)0(200

10

1100

N

CNNCCM VL

yVxLx

075,0600200

)0(600)3,0(200

10

1100

N

ANNAAM VL

yVxLx

M


• Plot titik M (xAM, xCM)• Tentukan V1 dengan

menarik suatu garis dari LN melalui M hingga memotong batas fasa

yA1 = 0,08 dan yC1 = 0,90

Pada LN xCN = 0,017

(0,08, 0,90)


200 + 600 = LN+ V1 .................. (a)

200(0) + 600(1) = LN (0,017)+ V1(0,9) ............(b)

Dari pers (a) dan (b) didapat:LN = 136 kg/jamV1 = 664 kg/jam

Perhitungan Tahap ke Tahap untuk Ekstraksi Lawan Arah

(hal 792 Geankoplis)

1

V1

L0

2

V2

L1

V3

L2

n

Vn

Ln-1

Vn+1

Ln

N

VN

LN-1

VN+1

LN

Ekstrak

Feed

Solvent

Rafinat

Tahap I : Lo + V2 = L1 + V1 L0 – V1 = L1 – V2 = = konstanTahap ke-n : Ln-1 + Vn+1 = Ln + Vn Untuk semua tahap= L0 – V1 = L1 – V2 = Ln – Vn+1 = LN – VN+1 = .... ....a)

Ini juga berlaku untuk neraca komponen: x = L0 xo – V1y1 = L1x1 – V2y2 = Lnxn – Vn+1 yn+1 = LNxN – VN+1yN+1= .....

....b)

Gabungkan pers. (a) dan (b):

1

11

1

11

10

1100

NN

NNNN

nn

nnnn

VL

yVxL

VL

yVxL

VL

yVxLx

L0 = + V1

L0 terletak pada suatu titik yang melalui dan V1

Ln = + Vn+1

Ln terletak pada suatu titik yang melalui dan Vn+1

LN = + VN+1

LN terletak pada suatu titik yang melalui dan VN+1

.... dstnya

x = koordinat x dari titik

Persamaan (a) ditulis ulang menjadi:L0 = + V1 Ln = + Vn+1 LN = + VN+1

1

V1

L0

2

V2

L1

V3

L2

n

Vn

Ln-1

Vn+1

Ln

N

VN

LN-1

450 kg/h

LN

Ekstrak

150 kg/h

Solvent

Raffinat

Langkah PenyelesaianPlot data kesetimbangan dari App A.3

pada kertas grafik

Nilai-nilai VN+1, YAN+1, YCN+1, L0, XA0, XB0, XC0 dan XAN telah diketahui

Tentukan titik M

75,0450150

)1(450)0(150

10

1100

N

CNNCCM VL

yVxLx

075,0600200

)0(450)3,0(150

10

1100

N

ANNAAM VL

yVxLx

M

0,075

0,75

0,1

o

V1 (0,072; 0,895)

LN

M

Titik operasi

Ekstraksi Lawan Arah dengan Cairan yang Tidak Saling Melarut (Immiscible Liquids)Jika:

alur pelarut VN+1 terdiri dari A dan C dan pemakaian pelarut recycle

alur umpan Lo mengandung A dan B dan B dan C relatif tidak saling melarut satu sama lain Solut A relatif encer dan ditransfer dari Lo

ke VN+1.

Neraca massa untuk keseluruhan sistem

1

1

1

1

1'

1'

1'

1'

y

yV

x

xL

y

yV

x

xL

N

N

N

N

o

o

Neraca massa sampai n-tahap

1

1

1

1

1'

1'

1'

1'

y

yV

x

xL

y

yV

x

xL

n

n

n

n

o

o

Persamaan garis operasi dengan slope L’/V’

Contoh: Ekstraksi Nikotin dengan Cairan Tidak Saling Melarut

Suatu larutan air 100 kg/jam mengandung 0,01 fraksi berat nikotin (A) akan dilucut dengan kerosin 200 kg/jam yang mengandung 0,0005 fraksi berat nikotin di dalam suatu menara lawan arah. Air dan kerosin tidak saling melarut. Diinginkan untuk mengurangi nikotin di dalam air menadi 0,001 fraksi berat. Tentukan jumlah tahap teoritis yang diperlukan. Data kesetimbangan sbb.:x 0,00101 0,00246 0,00500

y 0,000806 0,001959 0,00454

x 0,00746 0,00988 0,0202

y 0,00682 0,00904 0,0185

x = fraksi berat nikotin di dalam air

y = fraksi berat nikotin di dalam kerosin

Contoh: Ekstraksi Nikotin …..

a. Plot data kesetimbangan dan tentukan jumlah tahapan teoritis secara grafik.

b. Gunakan persamaan Kremser untuk menghitung jumlah tahap teoritis secara analitik.

Penyelesaian:Lo = 100 kg/jam xo = 0,01

VN+1 = 200 kg/jam yN+1 = 0,0005 xN = 0,001

Arus inert: L’ = L(1-x) = Lo (1-xo) = 100(1-0,01) = 99 kg/jam

V’ = V(1- y) = VN+1(1-yN+1) = 200 (1-0,0005)

= 199,9 kg/jam


1

1

1

1

1'

1'

1'

1'

y

yV

x

xL

y

yV

x

xL

N

N

N

N

o

oNeraca A:

1

1

19,199

001,01

001,099

0005,01

0005,09,199

01,01

01,099

y

y

y1 = 0,00498

N = 4,5

1

2

34


b).

Persamaan Kremser

1)/1(

)/1()/1(

)/( 1

1

1

N

N

No

No

A

AA

myx

xx (10.3-21)

Agar dapat menggunakan pers. (10.3-21), slope dari kurva kesetimbangan harus dihitung pada sebelah atas dan bawah menara, karena garisnya tidak lurus.


• Sebelah atas kurva kesetimbangan, yaitu y1 = 0,00498 m1 = 0,91• Sebelah bawah kurva kesetimbangan, yaitu xN = 0,001

m2 = y/x = 0,000806/0,001010 = 0,798

A rata-rata:

Ambil m = m2 = 0,798

Variabel OperasiAda 4 variabel penting pada operasi ekstraksi countercurrent : 1. Kemurnian produk Contoh : kadar solute dalam ekstrak yang tinggi ( yA1 tinggi). 2. Persen recovery

Sebanyak mungkin solute dapat dipungut, yaitu : ( V1. yA1 ) >> atau (LN.xAN )<<

3. Jumlah tahap (N)Semakin banyak N, biaya ( harga alat) yang dibutuhkan semakin besar/mahal.

4. Rasio V/LPerbandingan pelarut dan umpan mempengaruhi biaya pemurnian pelarut dengan solute, kemurnian produk, serta jumlah tahap.

Variabel Operasi

Jika 2 dari 4 variabel telah ditentukan, maka 2 variabel lainnya bernilai tertentu pula. Penentuan variabel optimum ditentukan dengan analisa segi teknis ( alat dapat memisahkan solute sebanyak-banyaknya) dan segi ekonomi (harga alat dan biaya operasi tidak mahal).

Contoh hubungan ke-4 variabel dalam ekstraksi countercurrent partially miscible (Foust, p.66, 1980):

Misal:1. Jika V/L = 2,0 dan N = 2,

maka % recovery = 80 % dan yA1= 0,13

2. Jika diinginkan % recovery = 80 %, maka V/L << dan N>>

Variabel Operasi

Solvent Rate Effect

Jika variabel kemurnian produk dan % recovery telah ditentukan, maka pengaruh laju alir pelarut adalah sebagai berikut : 1. Jika V/L besar atau V >>, maka N<<

Artinya, meskipun N sedikit tetapi V banyak, akibatnya biaya solvent recovery menjadi tinggi.

2. Jika V/L kecil atau V<<, maka N>> N >> menunjukkan harga alat mahal.

Jika V diperkecil sampai diperoleh N tak terhingga, maka nilai V ini adalah V minimum. Laju alir pelarut minimum menjadi batasan operasi yang sangat penting.

Rasio V/L operasi biasanya dipilih dari : (V/L)operasi = (Faktor ). (V/L)minimum

Faktor = f ( teknik dan ekonomi)

Nilai faktor yang biasa digunakan adalah 1,5 .

Minimum Solvent Rate

Alat kontak transfer massa akan sangat besar atau panjang jika driving force transfer massa sangat kecil, demikian pula pada alat ekstraksi ini. Driving force kecil ditunjukkan dengan kecilnya perbedaan kadar solute masuk stage dan kadar solute keluar stage. Jumlah stage menjadi tak terhingga jika driving force-nya sangat kecil, atau tidak ada perbedaan kadar di atas. Secara grafis, hal ini ditunjukkan dengan berhimpitnya garis operasi dengan garis keseimbangan.

Pada ekstraksi countercurrent ini, jumlah pelarut VN+1 minimum juga ditentukan dengan mencari garis operasi minimum (∆min) yang berhimpit dengan garis keseimbangan. Terdapat banyak kemungkinan dimana garis operasi berhimpit dengan garis keseimbangan. Oleh karenanya, dipilih V/L minimum yang terkecil, yaitu titik ∆min yang paling dekat dengan VN+1.

Biasanya, dipilih garis operasi yang berhimpit dengan garis keseimbangan yang melalui L0.

Data diketahui: Countercurrent extraction.Laju alir dan komposisi arus umpan,Jenis pelarut dan komposisi pelarut.

Data ditentukan : komposisi dalam rafinat. Data dicari : Laju alir pelarut minimum ( VN+1 minimum).

Penyelesaian: Jumlah stage adalah tak terhingga jika garis operasi berhimpit dengan garis keseimbangan. Secara grafis : titik L0, VN+1, dan LN dapat ditentukan dari data yang telah diketahui.

Cara 1:Titik L0, VN+1, dan M adalah satu garis lurus.Titik LN, V1, dan M adalah satu garis lurus.Jika titik M ditentukan , maka titik V1 dapat diketahui. Cara 2: Ttik L0, V1, dan ∆ adalah satu garis lurus. Titik LN, VN+1, dan ∆ adalah satu garis lurus.Dengan membuat perpotongan dari perpanjangan garis L0.V1 dan LN.VN+1 maka titik ∆ dapat ditentukan.


Dari konsep keseimbangan: jika titik V1 telah diketahui maka titik L1 dapat ditentukan.


N adalah tak terhingga, jika titik L1 terletak di garis L0.V1.

Oleh karena itu dengan mencoba-coba titik M atau V1 sampai diperoleh titik L1 terletak di garis L0.V1.

M

ekstraksi 2 (2)

Documents