kuc kesetimbangan uap cair

7/13/2019 Kuc Kesetimbangan Uap Cair

1/12

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

-1/12-

MODUL 1.03 Kesetimbangan Uap Cair

I. Pendahuluan

Data kesetimbangan uap cair merupakan data termodinamika yang diperlukan

dalam perancangan dan pengoperasian kolom-kolom distilasi. Contoh nyata penggunaan

data termodinamika kesetimbangan uap cair dalam berbagai metoda perancangan kolom

distilasipacked column dan tray columndapat dilihat pada Treyball 1982 danKing1980.

Data kesetimbangan uap cair dapat diperoleh melalui eksperimen dan pengukuran. Namun,

percobaan langsung yang betul-betul lengkap baru dapat diperoleh dari serangkaian metoda

pengukuran. Percobaan langsung yang betul-betul lengkap memerlukan waktu yang lama

dan biaya yang besar, sehingga cara yang umum ditempuh adalah mengukur data tersebut

pada beberapa kondisi kemudian meringkasnya dalam bentuk model-model matematik

yang relatif mudah diterapkan dalam perhitungan-perhitungan komputer. Pengembangan

model matematik tersebut juga harus memiliki landasan teoretik yang tepat sehingga

penerapannya di luar batas-batas pengembangannya dapat dipertanggungjawabkan.

Percobaan ini bertujuan memperoleh data kesetimbangan uap cair sistem biner.

Data yang diperoleh dikorelasikan dalam bentuk model-model termodinamik. Penaksiran

parameter-parameter model dilaksanakan dengan regresi tidak linear berdasarkan kriteriajumlah kuadrat terkecil.

Agar sasaran percobaan di atas dapat tercapai dengan baik, sebagai persiapan

pembicaraan awal praktikan harus menguasai materi sebagai berikut:

1. Teori kesetimbangan uap cair (Daubert 1985, Smith dan Van Ness 1987, Sandler 1989,Prausnitz dkk 1986, dan lain-lain)

2. Teknik-teknik pengukuran kesetimbangan uap cair (kesetimbangan fasa Walas 1985,Black 1987)

3. Pengujian konsistensi data kesetimbangan uap cair (Lu 1960)4. Teknik minimasi multivariabel dengan menggunakan metoda Simpleks (Reklaitis

1982, Edgar dan Himmelblau 1988, diktat kuliah teknik optimasi Soerawidjaja, 1990)

5. Metoda analisis kromatografi gas dan index bias


2/12



Modul 1.03 Kesetimbangan Uap Cair Halaman 2 dari 12

II. Tujuan

Dengan melakukan praktikum Modul Kesetimbangan Uap Cair, praktikan

mempelajari kesetimbangan fasa uap-cair sistem biner.

III. Sasaran

Setelah melakukan praktikum diharapkan:

1. Praktikan mempunyai pengalaman sehingga terampil dalam percobaan pengukurankesetimbangan uap-cair dengan menggunakan alat ebuliometer.

2.

Praktikan mampu melakukan perhitungan kesetimbangan uap-cair berdasarkan salahsatu model termodinamika di literatur.

3. Praktikan dapat menentukan parameter-parameter model termodinamika di atas.

IV. Tinjauan Pustaka

Perhitungan kesetimbangan uap cair dilakukan untuk menentukan komposisi fasa

uap dan fasa cair suatu campuran yang berada dalam keadaan setimbang. Kesetimbangan

uap cair dapat digambarkan dengan skema berikut:

Fasa Uap

iv yi T P

Fasa Uap

iL xi T P

Perhitungan kesetimbangan uap cair diselesaikan dengan menerapkan kriteria

kesetimbngaan uap-cair. Dua fasa berada dalam kesetimbangan termodinamik apabila

temperatur dan tekanan kedua fasa sama serta potensial kimia masing-masing komponen

yang terlibat di kedua fasa bernilai sama. Dengan demikian, pada temperatur dan tekanan

tertentu, kriteria kesetimbangan uap cair dapat dinyatakan sebagai berikut:

L

i

V

i = dimana i = 1 sampai N


3/12




dimana i adalah potensial kimia komponen i, N adalah jumlah komponen, V dan L

menyatakan fasa uap dan fasa cair.

Potensial kimia adalah besaran yang tidak mudah dipahami dan juga sukar

dihubungkan dengan variabel-variabel yang mudah diukur seperti tekanan, temperatur, dan

komposisi. Untuk mengatasi hal tersebut, Lewis mengemukakan sebuah konsep yang

dikenal sebagai konsep fugasitas. Berdasarkan konsep ini, kesamaan potensial kimia dapat

diartikan pula sebagai kesamaan fugasitas tanpa mengurangi arti yang terkandung di

dalamnya. Dengan demikian, kriteria kesetimbangan uap-cair dapat dituliskan kembali

sebagai:

L

i

V

i ff = , i = 1 sampai N

dimana fiadalah fugasitas komponen i.

IV.2 Fugasitas di Fasa Uap

Fugasitas di fasa uap dinyatakan dalam bentuk koefisien fugasitas yang

didefinisikan sebagai perbandingan antara fugasitas di fasa uap dan tekanan parsial

komponen. Berdasarkan definisi ni, hubungan antara fugasitas dan koefisien fugasitas di

fasa uap dinyatakan sebagai:

Pyi.V

i

V

i .f =

dimana adalah koefisien fugasitas, y adalah fraksi mol komponen di fasa uap dan P

adalah tekanan total.

Koefisien fugasitas dihitung berdasarkan data volumetrik dengan cara sebagai

berikut:

dPP

RT

n

v

RT

1ln

P

0 nP,T,i

i

i

=

atau

zln-dvv

RT

n

v

RT

1

ln

P

0 nP,T,ii

i

=

dimana T adalah temperatur, v adalah volum parsial, n adalah jumlah mol, z adalah faktor

pemampatan (compressibility factor) dan R adalah konstanta gas.


4/12




Kedua persamaan di atas menunjukkan bahwa koefisien fugasitas dapat dihitung

dengan menggunakan persamaan keadaan, persamaan yang menghubungkan tekanan,

temperatur, volum dan/atau komposisi. Persamaan dengan fungsi dP dipakai apabila

persamaan keadaan yang ada berupa fungsi eksplisit dalam volum, temperatur, dan

komposisi. Sedangkan persamaan dengan fungsi dv dipakai bila persamaan keadaan yang

ada berupa fungsi eksplisit dalam tekanan, temperatur, dan komposisi. Berbagai persamaan

keadaan dan persamaan matematika koefisien fugasitasnya dapat dilihat di Walas.

IV.3 Fugasitas di Fasa Cair

Fugasitas di fasa cair umumnya dinyatakan dalam bentuk koefisien aktifitas yang

didefinisikan sebagai perbandingan antara fugasitas di fasa cair dan hasil kali antara fraksimol komponen di fasa cair dan fugasitas komponen pada keadaan standar dalam

perhitungan-perhitungan koefisien aktifitas adalah kondisi cairan murni.

1. Jika keadaan cairan murni dipakai sebagai keadaan standar, koefisien aktifitasdinyatakan sebagai:

OL

i

L

i ..f fxii=

dimana adalah koefisien aktifitas, x adalah fraksi mol komponen di fasa cair, fOL

adalah fugasitas cairan murni.

2. Koefisien fugasitas dapat dihitung berdasarkan data energi bebas Gibs berlebih (excessGibbs energy). Persamaan-persamaan untuk menghitung koefisien aktivitas anatara

lain Persamaan Van Laar, persamaan Margules, persamaan Wilson, persamaan NRTL,

dan sebagainya. Koefisien aktivitas juga dapat dihitung dengan menggunakan metoda

kelompok (group method) seperti dengan metoda UNIFAC dan metoda ASOG.

Sedangkan fugasitas cairan murni dapat dihitung dengan persamaan:

=

i

Vi

P

P

OL

iS

i

SV

iPTOL

iRT

dPVPf exp.),(

dimana PS

adalah tekanan uap jenuh cairan murni, VOL

adalah volum molar cairan murni

dan SV adalah koefisien fugasitas uap murni pada keadaan jenuh (saturated condition).

Suku eksponen dalam persamaan di atas dinamakan faktor koreksi Poynting (Poynting

correction). Jika cairan bersifat tidak termampatkan dan uap komponen pada keadaan

jenuhnya dapat dianggap sebagai gas ideal, persamaan di atas dapat disederhanakan

menjadi:


5/12




( )

=

i

Vi

P

P

S

i

OL

iS

iPTOL

i

RT

PPVPf exp),(

Jika faktor koreksiPoynting mendekati 1, maka:

S

i

SV

iPTOL

i Pf =),(

Fugasitas di fasa cair juga sering dinyatakan dalam bentuk koefisien fugasitas.

Dalam hal ini fugasitas dinyatakan sebagai:

Pxi .fSV

i

L

i =

Cara di atas memungkinkan masalah kesetimbangan uap-cair dapat diselesaikan dengan

menggunakan sebuah persamaan keadaan.

IV.4 Model-Model Kesetimbangan Uap-Cair

Dengan menggunakan teori-teori yang telah ada, kriteria kesetimbangan uap-cair

dapat dituliskan kembali dalam bentuk variabel-variabel yang mudah diukur:

1. Model OLiVi .... fxPy iii = 2. Model ii xLiy =

Dalam model -fugasitas fasa uap dinyatakan dalam bentuk koefisien fugasitas

dan fugasitas fasa cair dalam koefisien aktifitas. Dalam model - fugasitas fasa uap dan

fasa cair dinyatakan dalam bentuk koefisien fugasitas.

Pemecahan masalah kesetimbangan uap-cair pada dasarnya merupakan

penyelesaian kedua persamaan model tersebut. Agar persamaan tersebut dapat

diselesaikan, beberapa variabel perlu dispesifikasi. Jumlah spesifikasi yang diperlukan

dapat diturunkan dari aturan fasa Gibs (Gibs phase rule):

F = N P + 2

Untuk campuran yang terdiri dari N komponen, penyelesaian masalah kesetimbangan uap-

cair memerlukan N buah spesifikasi. Sebagi contoh, untuk campuran biner, jika nilai 2

variabel telah ditetapkan (misal P dan x1), variabel yang lain (T dan y1) dapat dihitung

dengan persmaan koefisien fugasitas serta persamaan jumlah fraksi mol fasa uap dan fasa

cair serta persamaan kendala fraksi mol di fasa uap yang dapat dituliskan sebagai:

==

==N

1i

N

1i

i 1xdan1y i


6/12




Tingkat kesukaran dalam menyelesaikan masalah-masalah kesetimbangan uap-cair

bergantung pada model yang digunakan. Model -lebih sukar ditangani daripada model

- karena ungkapan persamaan koefisien fugasitas umumnya lebih kompleks daripada

koefisien aktivitas. Hal ini menyebabkan penyelesaian model - menuntut metode

penyelesaian yang lebih rumit daripada penyelesaian model -.

Metode-metode penyelesaian masalah kesetimbnagn uap-cair telah banyak

dipublikasikan dalam buku-buku termodinamika.

IV.5 Penaksiran Parameter-Parameter Model

Penaksiran parameter model bertujuan menyesuaikan hasil perkiraan model

dengan data yang diperoleh dari percobaan. Jumlah parameter bergantung pada model yangdigunakan dan pemilihan model biasanya disesuaikan dengan kondisi dan sistem yang

ditangani.Pada tekanan rendah model termodinamik sederhana berikut sering digunakan:

S

i... PxPy iii =

Jika koefisien aktifitas dihitung dengan menggunakan Persamaan Wilson, maka untuk

sistem biner penggunaan persamaan tersebut memerlukan 2 parameter ( 12-11) dan (12-

22) yang dinamakan parameter Wilson.

Parameter-parameter yang paling sesuai adalah parameter yang menjadikan hasil

perkiraan model sesuai dengan hasil percobaan. Hal ini dapat dilakukan dengan cara

meminimumkan suatu fungsi objektif tertentu. Fungsi objektif yang diminimumkan

bergantung pada data percobaan yang tersedia seperti data T-x-y, T-x, P-x-y, atau lainnya.

(ref. Silverman dan Tassios, 1977).

Sebgai contoh, untuk data isobarik T-x-y, fungsi objektif yang baik digunakan

adalah:

2

,2

,2

2

,1

,1

2

1 *1

*1

*1

+

+

=

= k

k

k

kM

k k

k

y

y

y

y

T

T

dimana M adalah jumlah data dan tanda * menyatakan nilai hasil percobaan. Peminimumanfungsi objektif di atas dapat dikerjakan dengan menggunakan Subrutin SIMPLEKS

[Soerawidjaja, 1990].


7/12




V. Rancangan Percobaan

V.1 Perangkat dan Alat Ukur

1. Satu unit ebuliometer terdiri dari kolom pendidih, penampung fasa uap dan cair,kondensor, pompa kotrel, dan ruang kesetimbangan, seperti pada Gambar 1

2. Termometer Gelas3. Gelas Ukur4. Gelas Kimia5. Pengukur Tekanan6. Refraktometer7. Pemanas listrik8. Selang Air

Gambar 1 Sketsa Alat Ebuliometer


8/12




V.2 Bahan/ Zat Kimia

Campuran biner cairan aseton-air, etanol-air, dan lain-lain; kebutuhan per percobaan,

aseton 2 L dan etanol 2 L.

V.3 Pengambilan Data Kesetimbangan

Dalam percobaan ini, data yang diukur berupa data isobarik pada kondisi atmosfer.

Pengambilan data kesetimbangan dilakukan dengan menggunakan alat ebuliometer

seperti pada Gambar 1.

Alat tersebut dioperasikan dengan cara:

1. Campuran biner dalam wujud cair dimasukkan ke dalam kolom pendidihmelalui kondenser atauscrew cab (tempat memasukkan termometer).

2. Cairan kemudian dididihkan dengan menggunakan filamen pemanas.3. Uap yang terbentuk akan menyeret cairan masuk menuju ruang kesetimbangan

melalui pompa Cottrell yang tidak lain berupa sebuah pipa kecil.

4. Temperatur campuran uap-cair diukur dengan termometer yang dipasangdalam ruang kesetimbangan. Di ruang kesetimbangan uap dan cairan akan

terpisah.

5. Dari ruang kesetimbangan cairan akan jatuh ke kolom L sedangkan uap akanmengalir ke kondensor.

6. Uap yang telah mengembun jatuh ke kolom V dan kembali ke kolom pendidihbersama cairan dalam kolom L.

7. Komposisi sampel di kolom V dan L akan berubah terus sampai keadaansetimbang tercapai.

8. Setelah keadaan ini tercapai, dilakukan pengambilan sampel dari kolom V danL yang masing-masing komposisinya diukur dengan teknik analisis yang akan

ditentukan pembimbing.

Langkah-langkah pengambilan data kesetimbangan tersebut secara ringkas dapat

dilihat pada diagram alir pada Gambar 2.


9/12




Campuran biner

Screw Cab

Kolom Pendidih

menuju ke

didihkan dengan filamen

pemanas

Campuran mendidih

Uap CairanUap akan menyeret cairan masuk

ke ruamg kesetimbangan

menuju ke

Pompa Cottrel

Ruang

Kesetimbangan

menuju ke

menuju ke

Ukur data T

Campuran

setimbang fasa uap

dan fasa cair

Uap Cairan

Kolom LKondensor

Kolom V

menuju kemenuju ke

mengembun

Uap Cairan/

embun

Ambil data komposisi

fraksi uap / kolom V

Ambil data komposisi

fraksi cair/ kolom L

Bandingkan data

yndengan y

n-1

Bandingkan data

xndengan x

n-1

KonvergenBelum

Konvergen

Konvergen

Belum

Konvergen

Didapat data komposisi

fraksi uap dalam

kesetimbangan

Didapat data komposisi

fraksi cair dalam

kesetimbangan

Didapat data T pada

kesetimbangan

Iterasi ke-n

Iterasi ke-n

Iterasi ke-n

Iterasi ke-n

Iterasi ke-n

Iterasi ke-n

Iterasi ke-n

Iterasi ke-n

Iterasi ke-n

Gambar 2 Diagram Alir Praktikum Kesetimbangan Uap Cair


10/12




IV.4 Langkah-Langkah Pengolahan Data

V.4.1. Penentuan Densitas Campuran

Persamaan yang digunakan:

T)suhu(padaair

.dmaquamassa

campuranmassaT)suhu(pada

campuran =

Contoh:

Misalkan data:

- massa piknometer kosong = 12,635 g- massa piknometer + aqua dm = 23.083 g- massa piknometer + campuran yang dianalisis = 22.669 g- Data diambil pada T = 28

0

C, dimana air= 997.045 kg/m3

Massa campuran = (massa piknometer + campuran) massa piknometer

kosong

Massa aqua dm = (massa piknometer + aqua dm) massa piknometer

kosong.

3kg/m957.53728)suhu(padacampuran

.997.04512.635-23.083

12.635l-22.666928)suhu(pada

campuran

=

=

V.4.2. Penentuan Fraksi Mol Suatu Senyawa dalam Campurannya

Misal akan dianalisis fraksi mol A dalam campuran A-B

Persamaan yang digunakan:

B

BB

B

BAA

A

AAA

A

AAA

A

Mr

.V

Mr

.)V%(1

Mr

..V%

Mr

..V%

X

+

+

=

Misalkan data:

- Volume B = 7 mL- Volume A = 3 mL- Kemurnian A dalam B = 95%Dapat dihitung:


11/12




13.0X

18,016

7.997,045

18,016

)3.997,04595,0(1

46,07

,5350,95.3.957

46,07

,5350,95.3.957

X

A

A

=

+

+

=

V.4.3. Pembuatan Kurva Kalibrasi

Kurva kalibrasi dibuat dengan mengalurkan data fraksi mol etanol terhadap

densitas etanol pada fraksi mol tersebut. Grafik tersebut didekati dengan

persamaan tertentu, seperti persamaan polinomial orde 2 yang

menunjukkan hubungan fraksi mol campuran terhadap densitasnya.Contoh data:

Kurva kalibrasi untuk data densitas terhadap freaksi mol campuran adalah:

Kurva Kalibrasi Densitas Etanol

y = 9E-06x2- 0.0213x + 11.896

R2= 0.9988

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

800 900 1000

Densitas Etanol (g/cm2)

Xetanol(mol/mol)

V air V etanol m X et densitas et X et

(mL) (mL) (g) (V/V) (kg/m3) (mol/mol)

10 0 23.083 0 997.045 0

9 1 22.94 0.1 983.398484 0.038913

8 2 22.806 0.2 970.61084 0.081977

7 3 22.669 0.3 957.536905 0.130207

6 4 22.534 0.4 944.65383 0.185061

5 5 22.314 0.5 923.65919 0.246858

4 6 22.114 0.6 904.573154 0.319867

3 7 21.898 0.7 883.960234 0.407664

2 8 21.645 0.8 859.816398 0.516419

1 9 21.386 0.9 835.099981 0.658861

0 10 21.058 1 803.798881 0.856938


12/12




Dari kurva tersebut didapat data persamaan kalibrasi antara densitas etanol

terhadap fraksi mol etanol adalah:

Xcampuran= 9.10-6.(et)

2- 0.0213.(et) + 11.896

V.4.4. Penentuan Fraksi Mol A Dalam Kesetimbangan Campuran A-B pada

Fraksi Uap dan Fraksi Cair

Persaman yang digunakan adalah persamaan kalibrasi

Xet= 9.10-6

.(campuran)2- 0.0213.(campuran) + 11.896

Misal didapat data:

- Massa campuran = 8,482 g- Densitas campuran = 0.809 (g/cm3)Dengan menggunakan persamaan kalibrasi:Xcampuran= 9.10

-6.(0.809)2- 0.0213.(0.809) + 11.896 = 0.766

Dengan demikian diketahui bahwa campuran A-B tersebut terdiri dari

0,766 (mol/mol) A dan 0,244 (mol/mol B)

V.4.5 Pembuatan Kurva Kesetimbangan Uap Cair

Kurva kesetimbangan uap cair dibuat dengan mengalurkan data fraksi mol

A pada fasa uap dan cair (yAdan xA dan memplotnya terhadap temperatur

dalam 1 grafik, yaitu grafik yAdan xA disumbu y dan T di dumbu x).

Daftar Pustaka

1. Smith, V., Van Ness, Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 4thEdition, McGraw-Hill, Singapore, 1987, Chapter 10, 11, 12

2. Larrinaga, L., Graphically Determining the Wilson Parameters, Chemical Engineering,April 1981, pp. 87-91

3. Silverman, N., and Tassios, D., The NUmber of Roots in thr Wilson Equation and ItsEffect on Vapor Liquid Equilibrium Calculations, Ind. Eng. Chem. Proc. Des. Dev.,

16(1), 1977

kuc kesetimbangan uap cair

Documents