teori distilasi batch n

21
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Distilasi sudah dikenal oleh manusia sekitar abad pertama masehi oleh kimiawan Yunani untuk menghasilkan spritus. Kemudian karena semakin lama permintaan akan spritus semakin tinggi maka proses distilasi semakin berkembang pesat bahkan untuk berbagai proses kimia. Proses distilasi digambarkan secara akurat oleh Alexandria. Kemudian, pada sekitar abad ke-4 ahli-ahli kimia Islam pada masa kekhalifahan Abbasiah, terutama oleh Al-Razi menemukan bentuk modern distilasi yaitu pada pemisahan alkohol menjadi senyawa yang relatif murni melalui alat alembik, bahkan desain ini menjadi semacam inspirasi yang memungkinkan rancangan distilasi skala mikro dan berkembang sampai saat ini. Distilasi atau penyulingan merupakan suatu metode pemisahan bahan kimia berdasarkan perbedaan kecepatan atau kemudahan menguap (volatilitas) bahan. Dalam penyulingan, campuran zat dididihkan sehingga menguap, dan uap ini kemudian didinginkan kembali ke dalam bentuk cairan. Zat yang memiliki titik didih lebih rendah akan menguap lebih dulu. Metode distilasi termasuk unit operasi kimia jenis perpindahan massa. Penerapan proses ini didasarkan pada teori bahwa pada

Upload: wahyu-mey-r

Post on 06-Apr-2016

89 views

Category:

Documents


5 download

DESCRIPTION

TEORI DESTILASI

TRANSCRIPT

Page 1: Teori Distilasi Batch N

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Distilasi sudah dikenal oleh manusia sekitar abad pertama masehi oleh

kimiawan Yunani untuk menghasilkan spritus. Kemudian karena semakin lama

permintaan akan spritus semakin tinggi maka proses distilasi semakin

berkembang pesat bahkan untuk berbagai proses kimia. Proses distilasi

digambarkan secara akurat oleh Alexandria. Kemudian, pada sekitar abad ke-4

ahli-ahli kimia Islam pada masa kekhalifahan Abbasiah, terutama oleh Al-Razi

menemukan bentuk modern distilasi yaitu pada pemisahan alkohol menjadi

senyawa yang relatif murni melalui alat alembik, bahkan desain ini menjadi

semacam inspirasi yang memungkinkan rancangan distilasi skala mikro dan

berkembang sampai saat ini.

Distilasi atau penyulingan merupakan suatu metode pemisahan bahan kimia

berdasarkan perbedaan kecepatan atau kemudahan menguap (volatilitas) bahan.

Dalam penyulingan, campuran zat dididihkan sehingga menguap, dan uap ini

kemudian didinginkan kembali ke dalam bentuk cairan. Zat yang memiliki titik

didih lebih rendah akan menguap lebih dulu. Metode distilasi termasuk unit

operasi kimia jenis perpindahan massa. Penerapan proses ini didasarkan pada teori

bahwa pada suatu larutan, masing-masing komponen akan menguap pada titik

didihnya.

Proses distilasi dapat digambarkan sebagai deretan tahap flashing yang

disusun secara seri sehingga uap yang mengalir ke atas dan cairan yang mengalir

ke bawah saling berkontak. Dengan demikian disetiap tahap aliran uap (V) dan

cairan (L) akan berkontak dan membentuk kesetimbangan. Agar kontak antara

uap dan cairan dapat berlangsung lebih sempurna maka dipasang tray yang

jumlahnya disesuaikan dengan kebutuhan. Secara teoritik, satu tray dapat

dianggap sebagai suatu tahap kesetimbangan (Tim Penyusun, 2015).

Cairan dan uap yang memasuki suatu tahap tidak berada dalam keadaan

setimbang. Cairan dan uap tersebut berkontakkan satu sama lain sehingga terjadi

Page 2: Teori Distilasi Batch N

perpindahan massa, sehingga uap cairan yang meninggalkan tahap tersebut berada

dalam keadaan setimbang. Uap yang meninggalkan tahap kesetimbangan ini

mengandung lebih banyak komponen yang mudah menguap (volatile) dari pada

uap yang memasuki tahap tersebut. Sebaliknya, cairan yang meninggalkan tahap

tersebut akan mengandung lebih sedikit volatile dari cairan yang memasuki tahap.

Jadi uap dipuncak kolom memiliki komponen yang lebih mudah menguap secara

dominan, sedangkan didasar kolom cairan mengandung komponen yang sukar

menguap (Tim Penyusun, 2015).

1.2. Tujuan Percobaan

1. Menentukan efisiensi kolom menyeluruh (overall column efficiency)

dengan memvariasikan laju boil-up.

2. Mempelajari proses distilasi batch dengan rasio refluks konstan.

Page 3: Teori Distilasi Batch N

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Pengertian Distilasi

Distilasi merupakan proses pemisahan campuran dua atau lebih (banyak)

komponen menjadi bagian-bagian atau komponen berdasarkan pada berbedaan

volatilitas (kemudahan menguap) atau perbedaan titik didih antara masing-masing

komponen. Pada proses distilasi yang terpenting adalah kesetimbangan antara fasa

uap dan fasa cair dari campuran tersebut. Kesetimbangan tersebut dapat dicapai

bila terjadi kontak antara uap dan cairan, agar kontak berlangsung dengan

sempurna maka dipasang tray yang jumlahnya disesuaikan dengan kebutuhan.

Secara teoritik satu tray dapat dianggap sebagai satu tahap kesetimbangan

(Treybal, 1984).

Bila uap dan cair berada dalam kondisi setimbang, maka wujud uap dan

cairan berbeda. Dimana uap yang meninggalkan tahap kesetimbangan ini

mengandung lebih banyak komponen volatil dari pada uap yang memasuki tahap

tersebut. Sebaliknya cairan yang meninggalkan tahap tersebut akan mengandung

lebih sedikit komponen volatil dibandingkan cairan yang memasuki tahap

tersebut.

Distilasi adalah sistem perpindahan yang memanfaatkan perpindahan

massa (gambar 1). Masalah perpindahan massa dapat diselesaikan dengan dua

cara yaitu, dengan menggunakan konsep tahapan kesetimbangan (equilibrium

stage) dan atas dasar proses laju difusi (difusional forces) (Treybal, 1984).

Gambar 1. Skema proses perpindahan massa pada distilasi

Page 4: Teori Distilasi Batch N

Keberhasilan suatu operasi distilasi tergantung pada keadaan setimbang

yang terjadi antar fasa uap dan fasa cairan dari suatu campuran. Dalam hal ini

akan ditinjau campuran biner yang terdiri dari kompoenen A (yang lebih mudah

menguap) dan komponen B (yang kurang mudah menguap). Karena pada

umumnya proses distilasi dilaksanakan dalam keadaan bubble temperature dan

dew temperature, dengan komposisi uap ditunjukkan pada Gambar 2, sedangkan

komposisi uap dan cairan yang ada dalam kesetimbangan ditunjukkan pada

Gambar 3 (Geankoplis, 1998).

Gambar 2. Kesetimbangan uap cair pada temperatur buble point dan temperatur dew point

Gambar 3. Komposisi uap dan cairan pada kesetimbangan dengan (xA1, adalah

komposisi cairan) dan (xA2, adalah komposisi uap) pada keadaan setimbang

Page 5: Teori Distilasi Batch N

Proses distilasi melibatkan kesetimbangan uap-cairan (vapour-liquid

equilibrium-VLE). Sistem Kesetimbangan uap cairan yang ideal mengikuti

hukum Dalton dan hukum Raoult. Pada hukum Raoult, untuk cairan ideal tekanan

parsial uap komponen sama dengan tekanan uap murni dikali dengan fraksi

komponen pada fasa cair. Rumusnya bisa dilihat pada persamaan 1 (Treybal,

1981)

Hukum Raoult untuk larutan ideal :

pi = xi . pi0 ……………………………….............................(1)

Dimana : pi = tekanan parsial uap komponen

xi = fraksi komponen i di fasa cairan

pi0 = tekanan uap murni

Pada hukum Dalton, untuk gas ideal tekanan parsial komponen sama

dengan tekanan total dikali dengan fraksi uap komponen tersebut. Atau dapat

dirumuskan sbb :

Hukum Dalton untuk gas ideal :

…………………………………........(2)

Dimana: pi = tekanan uap komponen

yi = fraksi komponen i di fasa uap (gas)

P = tekanan total

2.1.1 Konstanta Kesetimbangan

Konstanta kesetimbangan didefinisikan sebagai :

……………………….......................……………..…..(3)

Ki adalah ukuran kecenderungan komponen I untuk menguap.

Jika Ki> 1, komponen i cenderung terkonsentrasi di fasa uap

Jika Ki< 1, komponen i cenderung terkonsentrasi di fasa cair

Jika Ki = 1, komponen I akan terdistribusi secara sama diantara fasa uap

dan fasa cair.

Page 6: Teori Distilasi Batch N

Ki adalah fungsi dari tiga variabel, yakni: tekanan, temperatur, dan

komposisi. Pada keadaan setimbang salah satu variabel sudah ditetapkan, oleh

karena itu Ki hanya bergantung pada dua variabel, (P dan T, P dan x, T dan x).

(Tim Penyusun, 2015).

2.1.2 Relative Volatility

Hubungan komposisi uap cairan dalam keadaan setimbang dapat

dinyatakan dengan relative volatility () yang didefinisikan sebagai berikut :

………………………………………………..(4)

Persamaan di atas dapat disusun menjadi :

………………………………………………..(5)

Bila diketahui harga-harga sebagai fungsi temperatur, maka pada

tekanan tetap, hubungan yA dan xA pada berbagai suhu pada keadaan setimbang

dapat ditentukan. Bila konstan, dan diketahui harganya, maka harga-harga yA

pada setiap harga x1 dan sebaliknya (kurva yA terhadap xA) dapat langsung

ditentukan.

Nilai relative volatility merupakan ukuran kemudahan untuk pemisahan.

Persamaan (4) dapat diartikan sebagai perbandingan kecenderungan untuk

teruapkan diantara dua komponen i dan j. Jika ij = 1, maka kedua komponen

tidak dapat dipisahkan secara distilasi.

Seperti terlihat pada Gambar 4, misalnya cairan Ln+1 dengan komposisi

xA,n+1 dicampur dengan uap Vn+1 berkomposisi yA,n+1. Pencampuran tersebut

berlangsung pada suatu tahap kesetimbangan n. Pada tahap kesetimbangan n, akan

terbentuk uap dan cairan baru dalam keadaan setimbang yaitu Vn dan Ln. Uap Vn

mempunyai komposisi yA,n yang mengandung lebih banyak komponen A (ya,n >

yA,n+1), sedangkan cairan Ln mengandung lebih sedikit komponen A (xA,n < xA,n-1).

Operasi kesetimbangan tersebut diulang berkali-kali, sehingga diperoleh uap yang

sangat kaya A dan cairan yang sangat miskin A (Geankoplis, 1998).

Page 7: Teori Distilasi Batch N

Gambar 4. Aliran perpindahan massa pada proses distilasi multi tahap

Dalam operasi distilasi, pencampuran dilakukan berturut-turut dalam

tahap-tahap (stage). Pada saat operasi berlangsung, cairan di tahap terendah

dipanaskan (Qr) sedangkan uap ditahap teratas didingingkan (Qc). Hasil atas yang

diambil disebut distilat (D) dan yang dikembalikan ke kolom disebut refluks (Lo).

Jumlah refluks disbanding distilat disebut rasio refluks (R) yang sangat

mempengaruhi hasil pemisahan.

…………………........…………………………………(6)

Jika R tak hingga, artinya semua hasil atas kembali ke tahap I, maka

operasi distilasi disebut refluks total. Pada operasi dengan refluks total, maka

jumlah tahap teoritis adalah minimum. Kalau relative volatility konstan (dapat

dianggap konstan), maka jumlah tahap minimum pada operasi dengan refluks

total dapat dihitung dengan persamaan Fenske (Tim Penyusun, 2015).

…………………………………………....…..(7)

Page 8: Teori Distilasi Batch N

dimana :

n = jumlah tahap teoritis

xA= fraksi mol komponen yang mudah menguap

xB= fraksi mol komponen yang kurang mudah menguap

av= relative volatility rata-rata (av = √d + b)

d dan b berturut-turut adalah distilat dan bottom

Selanjutnya, efisiensi kolom dapat ditentukan dengan persamaan berikut :

…………………………………(8)

Pada kenyataannya pada setiap tahap tidak akan terjadi kesetimbangan

yang sempurna antara cairan dan uap yang meninggalkannya. Dengan demikian,

jumlah tahap aktual (yang sebenarnya) akan lebih banyak dari pada jumlah tahap

teoritis sehingga ada factor efisiensi.

2.2 Distilasi Batch

Pada beberapa industri kimia, terutama bila umpan (feed) jumlahnya kecil,

maka distilasi dilakukan secara batch. Begitu pula bila diinginkan distilat dengan

komposisi yang cukup bervariasi. Distilasi batch biasanya dilakukan pada sebuah

kolom distilasi yang jumlah platenya sudah tertentu dan umpan (feed) dimasukkan

hanya sekali pada setiap batch operasi. Distilat akan dikeluarkan secara kontinyu,

tetapi produk bawah (residu) baru dikeluarkan setelah operasi selesai (Tim

Penyusun, 2015).

Pada distilasi batch, komposisi distilat sagat tergantung pada komposisi

residu, jumlah tahap pada kolom dan rasio refluk operasi. Sesaat setelah kolom

beroperasi, maka akan dihasilkan distilat berkadar komponen yang lebih mudah

menguap sangat tinggi. Di lain pihak, residu akan menurun kadarnya akibat tidak

ada umpan yang mengalir masuk. Akibatnya, kadar distilat selanjutnya juga akan

menurun. Distilasi batch dapat beroperasi pada dua kemungkinan, yaitu :

1. Distilasi batch dengan kadar distlat konstan (rasio refluk berubah)

Page 9: Teori Distilasi Batch N

Misal pada saat operasi dimulai, jumlah liquid yang dimasukkan ke dalam

bejana adalah F1 mol dengan kadar xF1 dan sesaat setelah mulai dihasilkan distilat

dengan kadar xD pada rasio refluk R1. Setelah interval waktu tertentu, liquid dalam

bejana tinggal F2 mol dengan kadar xF2, sedangkan kadar distilat tetap xD karena

rasio refluk diubah menjadi R2. Bila jumlah distilat yang terkumpul selama ini

adalah D mol, maka neraca massanya :

Maka diperoleh :

…………………………..…………………….....(9)

…………………………………………..…………...(10)

adalah perpotongan garis operasi dengan sumbu y seperti terlihat pada Gambar

5 berikut (Tim Penyusun, 2015).

Gambar.5 Distilasi batch dengan kadar distilat (xD) konstan

2. Distilasi batch dengan rasio refluk konstan (kadar distilat berubah)

Bila kolom beroperasi dengan rasio refluk yang selalu sama tiap saat,

maka kadar distilat xD akan menurun secara kontinu. Misal, pada suatu interval

waktu yang sangat singkat dt, komposisi distilat berubah dari xD menjadi dxD.

Dalam waktu ini pula distilat akan bertambah dD, maka :

Page 10: Teori Distilasi Batch N

Dd = -dF

maka:

bila diatur dan diintegrasikan diperoleh :

……………………….....……………....(11)

Dari persamaan (11) di atas, dapat ditentukan perbandingan jumlah liquid

yang berada didalam bejana sebelum dan sesudah operasi, yaitu dengan membuat

grafik xF versus 1/(xD-xF). Distilasi batch dengan rasio refluk konstan dapat dilihat

pada Gambar 6 berikut (Geankoplis, 1998).

Gambar 6. Distilasi batch dengan rasio refluk (R) konstan

2.3 Distilasi kontiniu (Continuous Distillation)

Distilasi kontinu menggunakan refluk biasanya dilakukan pada kolom

distilasi yang mempunyai tray yang disesuaikan dengan kebutuhan. Metode

perhitungan dalam proses distilasi dikembangkan oleh McCabe dan Thiele

didasarkan atas neraca massa di seksi enriching (pengayaan), neraca massa di

Page 11: Teori Distilasi Batch N

seksi stripping (pelucutan) dan data kesetimbangan. Asumsi untuk perhitungan

McCabe Thiele adalah constant molar overflow (equimolar overflow), yaitu

jumlah mol antara umpan yang masuk sampai tray paling atas dan tray bawah

sama. Persamaan neraca massa total :

…………………………….................(12)

Persamaan neraca massa komponen :

……………………………………....(13)

dimana :

Vn+1 = Laju alir dari tray n + 1

Yn+1 = Fraksi mol uap dalam Vn+1

Ln-1 = Laju alir cairan dari tray n-1

Xn-1 = Fraksi mol cairan dalam Ln-1

Vn = Laju alir uap dari tray n

Yn = Fraksi mol uap dalam Vn

Ln = Laju alir cairan dari tray n

Xn = Fraksi mol cairan dalam Ln

Page 12: Teori Distilasi Batch N

BAB III

METODOLOGI PERCOBAAN

3.1 Bahan

Bahan yang digunakan dalam percobaan adalah:

1. Etanol

2. Akuades

3.2 Alat

Alat yang digunakan adalah:

1. Seperangkat alat distilasi

2. Gelas ukur 100 ml

3. Aluminium foil

4. Stopwatch

5. Thermocouple

6. Alkoholmeter

3.3 Prosedur Kerja

1. Sebelum percobaan dimulai, pastikan bahwa semua valve dalam keadaan

tertutup

2. Valve V10 pada pipa refluks dibuka

3. Reboiler diisi dengan 10 liter campuran etanol-air dengan komposisi (5

Liter etanol dan 5 Liter akuades)

4. Power yang terdapat pada control panel dihidupkan

5. Diarahkan set temperatur pada T9 (temperatur reboiler)

6. Valve V5 dibuka agar air pendingin dapat mengalir ke kondenser (laju alir

kira-kira 3 liter/menit)

7. Power controller diputar searah jarum jam (sesuai lembar penugasan)

8. Diamati temperatur T9

9. Dilakukan refluks total jika T9 sudah konstan selama 30 menit

Page 13: Teori Distilasi Batch N

10. Refluks kontroller diset (sesuai lembar penugasan)

11. Diukur laju boil-up menggunakan valve V3 (sebelum mengukur laju

boil- up, buka sebagian V3 dan keluarkan kondensat dari sistem refluks

sampat diperoleh aliran yang steady).

12. Ambil sampel pada bagian overhead dan sampel bagian bottom melalui

valve V2 dengan waktu bersamaan. Catat pula T1 dan T8

13. Ukur komposisi overhead dan bottom dengan alkoholmeter

14. Ulangi point k dan l diatas tiap sepuluh menit, sampai diperoleh masing-

masing 3 sampel untuk sampel bagian overhead dan bottom

Page 14: Teori Distilasi Batch N

DAFTAR PUSTAKA

Geankoplis, C.J. 1998. Transport Process and Unit Operation, Third Edition.

New Jersey.

Tim Penyusun. 2015. Penuntun Praktikum Laboratorium Teknik Kimia II.

Program Studi S1 Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Riau.

Pekanbaru.

Treybal, R. E. 1984. Mass Transfer Operations. Third Edition. Singapore.

Page 15: Teori Distilasi Batch N

LAPORAN PRAKTIKUM

LABORATORIUM TEKNIK KIMIA 11

DISTILASI BATCH

Disusun oleh:

KELOMPOK 4

KELAS C

BENNY AHMADI 1207121320

CHARISMAYANI 1207121300

FEBRIAN ADITYA 1207113659

NURHASANAH 1207121306

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS RIAU

PEKANBARU

2015

Page 16: Teori Distilasi Batch N