Distillasi KESETIMBANGAN UAP

Bahan Kuliah Unit Operasi Lanjut: DISTILLASI.
Disusun Oleh Dr. Ir. Syahiddin D.S., M.T., Jurusan Teknik KImia Unsyiah.
KESETIMBANGAN UAP-CAIR
Komposisi uap yang berada dalam kesetimbanagn dengan suatu cairan yang terdiri
dari
komponen-komponen
dengan
komposisi
tertentu
ditentukan
secara
eksperimen.
Data komposisi uap ditampilkan pada diagram komposisi versus temperatur seperti
yang ditunjukkan oleh Gambar 11.3
Tampilan data kesetimbangan uap-cair yang normal diperlihatkan oleh Gambar
11.3a, kurva ABC menunjukkan suatu cairan dengan berbagai komposisi yang
mendidih pada berbagai temperatur, dan kurva ADC menunjukkan komposisi uapnya
pada berbagai temperatur yang bersangkutan.
Contoh, suatu cairan dengan komposisi x1 akan mendidih pada temperatur T1, dan
komposisi uap yang berada dalam kesetimbangan dengan cairan tersebut adalah y1
(ditunjukkan oleh titik D).
Berdasarkan kurva-kurva dalam Gambar 11.3a, b dan c dapat disimpulkan bahwa
untuk sembarang cairan dengan komposisi x1 akan menghasilkan uap dengan
komposisi tertinggi dimiliki oleh komponen (zat) yang lebih mudah menguap
(volatile). Di sini simbol-simbol x dan y menunjukkan fraksi mol komponen yang
lebih volatile di dalam cairan dan di dalam uap.
Pada Gambar 11.3b dan c terdapat suatu komposisi kritis (critical composition) xg.
Pada titik ini uap memiliki komposisi yang sama dengan cairan, dengan demikian
Bahan Kuliah Unit Operasi Lanjut: DISTILLASI.
Disusun Oleh Dr. Ir. Syahiddin D.S., M.T., Jurusan Teknik KImia Unsyiah.
tidak ada perubahan yang terjadi pada proses pendidihan. Campuran kritis itu disebut
azeotrope.
Diagram-diagaram yang disajikan di atas berlaku untuk kondisi tekanan konstan.
Perlu diingat bahwa komposisi uap yang berada dalam kesetimbangan dengan cairan
berubah dengan berubahnya tekanan.
Untuk kegunaan proses distilasi, data kesetimbangan uap cair lebih bermanfaat jika
disajikan dalam bentuk grafik x versus y pada tekanan konstan, hal ini disebabkan
kebanyakan operasi distilasi dalam industri dilakukan pada tekanan konstan. Grafik
yang dimaksud ditunjukkan oleh Gambar 11.4. Perlu dicatat bahwa temperatur
bervariasi di sepanjang kurva.
PENGUAPAN DAN KONDENSASI PARSIL
Mari kita tinjau suatu eksperimen tentang kesetimbangan uap-cair untuk campuran
benzen dan toluen. Campuran benzen dan toluen ditempatkan dan dipanaskan dalam
suatu bejana yang tertutup sedemikian rupa sehingga tekanan di dalam bejana tetap
konstan pada tekanan atmosfir, dan tidak ada komponen yang lepas (hilang) dari
bejana. Pada eksperimen ini, fraksi mol komponen yang lebih volatile (benzen)
dalam campuran (fasa cair) divariasikan, dan harga-harganya di plotkan pada sumbu
absis. Untuk setiap harga fraksi mol benzen yang berbeda dalam campuran akan
menghasilkan temperatur didih yang berbeda pula, dan harga-harganya diplotkan
pada sumbu ordinat. Dari data eksperimen dihasilkan kurva-kurva seperti yang
Bahan Kuliah Unit Operasi Lanjut: DISTILLASI.
Disusun Oleh Dr. Ir. Syahiddin D.S., M.T., Jurusan Teknik KImia Unsyiah.
ditunjukkan oleh Gambar 11.5. Kurva ABCJ menjelaskan hubungan antara fraksi
mol komponen dalam fasa cair dengan temperatur didih, dan disebut sebagai kurva
didih (boiling curve). Kurva ADEJ disebut sebagai kurva titik embun (dew point).
Kurva ini menjelaskan temperatur ketika uap dengan komposisi y mulai mengembun.
Perhatikan Gambar 11.5, bila suatu campuran dengan komposisi x2 dan pada
temperatur T3 (titik G ) atau di bawah titik didihnya (T2) dipanaskan pada tekanan
konstan maka akan terjadi beberapa perubahan terhadap campuran tersebut:
1. Ketika mencapai temperatur T2 campuran akan mendidih (ditunjukkan oleh
titik B) dan sebagian uap dengan komposisi y2 akan terbentuk (ditunjukkan
oleh titik E).
2. Jika pada temperature T2 pemanasan campuran dilanjutkan, maka komposisi
cairan akan berubah karena sebagian komponen yang lebih volatile telah
berubah menjadi uap, akibatnya temperatur didih cairan meningkat ke suatu
temperature T . Pada temperatur ini cairan akan memiliki komposisi sebagai
ditunjukkan oleh titik L, dan uapnya memiliki komposisi sebagai ditunjukkan
Bahan Kuliah Unit Operasi Lanjut: DISTILLASI.
Disusun Oleh Dr. Ir. Syahiddin D.S., M.T., Jurusan Teknik KImia Unsyiah.
oleh titik N. Oleh karena tidak ada sedikitpun bahan yang hilang dari sistim,
maka yang terjadi hanyalah perubahan fasa cair menjadi fasa uap.
Perbandingan (rasio) fasa cair terhadap fasa uap yang terbentuk adalah:
Cair MN

Uap ML
3. Jika pemanasan dilanjutkan ke temperatur T1 maka seluruh cairan berubah
menjadi uap (titik D) yang komposisinya sama dengan y1.
Dari penjelasan di atas dapat diketahui bahwa penguapan parsil (sebagian) cairan
akan menghasilkan uap dengan komposisi komponen lebih volatile lebih tinggi
dibandingkan dengan komposisi di dalam cairan. Jika uap yang mula-mula terbentuk
(sebagai contoh titik E) segera dipisahkan dengan cara mengkondensasikan, maka
diperoleh cairan dengan komposisi x3 (titik C). Langkah BEC dapat dianggap
mewakili tahapan (stage) ideal, karena cairan dengan komposisi x2 berubah menjadi
suatu cairan dengan komposisi x3. Jelaslah langkah ini dapat memperkaya kandungan
komponen lebih volatile di dalam cairan dengan jumlah yang lebih besar jika
dibandingkan dengan yang dapat dicapai oleh penguapan secara tahapan tunggal
(single stage).
Sekarang mari kita lihat perubahan apa yang terjadi bila uap lewat jenuh (titik H)
didinginkan sampai ke titik D. Ketika mencapai kondisi D uap mulai terkondensasi,
dan tetes cairan yang pertama terbentuk memiliki komposisi K. Pendinginan
seterusnya ke titik T  menghasilkan cairan L dan uap N. Dengan demikian,
kondensasi parsil menghasilkan uap yang kaya dengan komponen lebih volatile
sebagai mana yang terjadi pada proses penguapan parsil. Pada kolum distilasi
industri kimia, proses penguapan parsil dan kondensasi parsil berlasung secara
simultan.
Tekanan Parsil, dan hukum-hukum Dalton, Raoult dan Henry
Tekanan parsil PA komponen A di dalam suatu campuran uap adalah sama dengan
tekanan yang akan ditimbulkan oleh komponen A tersebut jika ditempatkan sendiri
di dalam volume dan temperatur yang sama dengan campuran.
Bahan Kuliah Unit Operasi Lanjut: DISTILLASI.
Disusun Oleh Dr. Ir. Syahiddin D.S., M.T., Jurusan Teknik KImia Unsyiah.
Menurut hukum Dalton,
P   PA , yaitu tekanan total adalah sama dengan
perjumlahan tekanan parsil. Untuk suatu gas (uap) ideal, tekanan parsil berbanding
lurus dengan fraksi mol konstituen, maka:
PA  y A P
(1.1)
Untuk suatu campuran ideal, tekanan parsil konstituen dikaitkan dengan konsentrasi
konstituen di dalam fasa cair, Raoult merumuskan hubungan tersebut sebagai
berikut:
PA  PAo x A
(1.2)
Di sini PAo adalah tekanan uap murni konstituen A pada temperatur yang sama.
Biasanya hubungan ini mendekati benar bila xA bernilai tinggi, atau xB bernilai
rendah. Beberapa campuran isomer organik dan beberapa senyawa hidrocarbon
hampir secara penuh mengikuti hukum ini.
Untuk xA dengan harga-harga yang rendah, hubungan linear antara PA dan xA
dirumuskan dengan menggunakan faktor perbandingan yaitu suatu konstanta Henry
H  dan bukan tekan uap murni zat.
Untuk zat cair A yang terlarut dalam pelarut zat B, hukum Henry ditulis debagai
berikut:
PA = H  xA
(1.3)
Jika campuran mengikuti hukum Raoult, maka tekanan uap campuran dapat
diperoleh secara grafik dengan memanfaatkan data tekanan uap masing-masing
komponen. Mari kita perhatikan Gambar 11.6 yang menjelaskan hal terserbut. Garis
OA menunjukkan tekanan parsil komponen A di dalam campuran, dan garis CB
menunjukkan tekanan parsil komponen B, sedangkan tekan total ditunjukkan oleh
garis BA. Jika komponen A di dalam campuran memiliki komposisi D, maka
berdasarkan geometri Gambar 11.6 tekanan parsil PA diwakili oleh garis DE, PB
oleh DF, dan tekanan total P diwakili oleh DG.
Gambar 11.7 menunjukkan grafik tekanan parsil komponen A versus fraksi mol
komponen A dalam campuran yang tidak ideal. Dari grafik diketahui bahwa pada
Bahan Kuliah Unit Operasi Lanjut: DISTILLASI.
Disusun Oleh Dr. Ir. Syahiddin D.S., M.T., Jurusan Teknik KImia Unsyiah.
rentang garis OC, campuran mengikuti hukum Henry, sedangkan pada rentang garis
BA mengikuti hukum Raoult. Walaupun kebanyakan campuran memiliki divergensi
yang cukup besar terhadap keidealan, namun pada konsentrasi yang sangat tinggi
atau rendah, campuran akan mengikuti salah hukum tersebut.
Bahan Kuliah Unit Operasi Lanjut: DISTILLASI.
Disusun Oleh Dr. Ir. Syahiddin D.S., M.T., Jurusan Teknik KImia Unsyiah.
Bila suatu campuran mengikuti hukum Raoult, maka harga-harga yA untuk berbagai
komposisi xA dapat dihitung berdasarkan tekanan uap masing-masing kedua
komponen pada berbagai temperatur.
Berdasarkan Hukum Raoult:
PA  PAo x A
PA  Py A
Dari kedua persamaan ini diperoleh:
Po x
Po x
y A  A A dan y B  B B
P
P
(11.4)
Jumlah fraksi dua komponen adalah:
y A  yB  1
PAo x A PBo (1  x A )

1
P
P
Dari persamaan ini dihasilakan:
xA 
P  PBo
PAo  PBo
(11.5)
Bahan Kuliah Unit Operasi Lanjut: DISTILLASI.
Disusun Oleh Dr. Ir. Syahiddin D.S., M.T., Jurusan Teknik KImia Unsyiah.
Bahan Kuliah Unit Operasi Lanjut: DISTILLASI.
Disusun Oleh Dr. Ir. Syahiddin D.S., M.T., Jurusan Teknik KImia Unsyiah.
Bahan Kuliah Unit Operasi Lanjut: DISTILLASI.
Disusun Oleh Dr. Ir. Syahiddin D.S., M.T., Jurusan Teknik KImia Unsyiah.
Bahan Kuliah Unit Operasi Lanjut: DISTILLASI.
Disusun Oleh Dr. Ir. Syahiddin D.S., M.T., Jurusan Teknik KImia Unsyiah.
Bahan Kuliah Unit Operasi Lanjut: DISTILLASI.
Disusun Oleh Dr. Ir. Syahiddin D.S., M.T., Jurusan Teknik KImia Unsyiah.
Bahan Kuliah Unit Operasi Lanjut: DISTILLASI.
Disusun Oleh Dr. Ir. Syahiddin D.S., M.T., Jurusan Teknik KImia Unsyiah.
Bahan Kuliah Unit Operasi Lanjut: DISTILLASI.
Disusun Oleh Dr. Ir. Syahiddin D.S., M.T., Jurusan Teknik KImia Unsyiah.