Diagram Fasa Zat Murni

Diagram Fasa Zat Murni
Pertemuan ke-1
Perubahan Fasa di Industri

Evaporasi

Kristalisasi
Diagram Fasa

Diagram yang bisa menunjukkan,
pada kondisi tertentu (tekanan,
suhu, kadar, dll) zat tersebut
berfasa (berwujud) apa.
Dua jenis diagram fasa
H2O dan sejumlah zat lain
Vuap > Vpadat > Vcair
Zat pada umumnya
Vuap > Vcair > Vpadat
Titik tripel

Titik T pada gambar di slide terdahulu

Kondisi di mana zat bisa berupa padat,
cair, uap, atau campurannya
Pendinginan pada P tetap (1)

Apa yang terjadi jika
pendinginan dari titik
A ke D?
A-B = ?
B=?
B-C = ?
C=?
C-D = ?
Pendinginan pada P tetap (2)

Apa yang terjadi jika
pendinginan dari titik
E ke G?
E-F = ?
F=?
F-G = ?
Penekanan pada T tetap (3)

Apa yang terjadi jika
pendinginan dari titik
H ke K?
H-I = ?
I=?
I-J = ?
J=?
J-K = ?
Penekanan pada T tetap (4)

Apa yang terjadi jika
pendinginan dari titik
L ke O?
L-M = ?
M=?
M-N = ?
N=?
N-O = ?
Dua jenis diagram fasa
H2O dan sejumlah zat lain
Vuap > Vpadat > Vcair
Zat pada umumnya
Vuap > Vcair > Vpadat
Perhatikan:

Penekanan cenderung mendorong
perubahan fasa ke arah volum yang lebih
kecil
Kaidah umum

Jika terjadi perubahan kondisi, maka hal
tersebut akan mendorong terjadinya
proses-proses yang menghambat
terjadinya perubahan kondisi tersebut

Contoh: Kenaikan suhu akan mendorong
terjadinya proses-proses yang menyerap
panas (endotermis)
Coba pikirkan:
Apa yang sebaiknya dilakukan untuk proses
penyerapan gas dengan suatu cairan (proses
absorbsi):
a.
Pada suhu tinggi atau rendah?
b.
Pada tekanan tinggi atau rendah?
Contoh kasus 1: EVAPORATOR

Evaporator: alat untuk menguapkan
sebagian air dari suatu larutan sehingga
diperoleh larutan yang lebih pekat

Fakta: makin tinggi tekanan maka makin
tinggi titik didih
Single Effect Evaporator
STEAM
LARUTAN
ENCER
LARUTAN
PEKAT
Multiple Effect Evaporator
FORWARD
FEEDING
Multiple Effect Evaporator

Apa keuntungannya dibanding single effect?

Bagaimana T1, T2, T3?

Bagaimana P1, P2, P3?
Contoh Kasus 2: Kristalisasi

Padatan amorf

Kristal
Kristal produk industri
Ammonium Alum
Ammonium magnesium
sulfate
Gula
Kristal es dalam proses
freeze drying
Contoh Kasus 2:
Kristalisasi
PENDINGINAN
Pembentukan inti kristal
Nukleasi
Primer
Homogen/
Spontan
Sekunder
Heterogen/
Induksi
Pertumbuhan Kristal

Merupakan proses difusi.

Difusi: perpindahan massa akibat beda
konsentrasi.

Pertumbuhan kristal akan terus terjadi sampai
konsentrasi larutan (yang mulanya lewat
jenuh) mencapai konsentrasi jenuh.
Difusi ke permukaan kristal
Daerah permukaan kristal:
konsentrasi larutan C*
(jenuh)
Kristal
Bulk larutan:
Konsentrasi C > C*
(lewat jenuh)
Difusi berhenti
pada saat
C  C*
Kejenuhan (1)

Jika solut ditambahkan ke dalam solven,
akan tercapai suatu konsentrasi dimana
solut yang ditambahkan tidak bisa larut
lagi.

Konsentrasi maksimum ini disebut
konsentrasi jenuh (sering disebut juga
kelarutan).
Kejenuhan (2)

Pada kondisi jenuh, jumlah senyawa yang
larut sama dengan jumlah senyawa yang
mengkristal.

Secara netto tidak ada perubahan jumlah
senyawa dalam larutan dan padatan.

Hal ini disebut kesetimbangan
termodinamis.
Kejenuhan (3)

Biasanya, kelarutan akan lebih besar pada
suhu yang lebih tinggi.
Kejenuhan (4)

Perlu diperhatikan bahwa ada perkecualian
untuk beberapa senyawa: kelarutan justru
turun pada suhu yang makin tinggi.

Efek suhu terhadap kelarutan perlu
diperhitungkan pada operasi heat
exchanger untuk larutan senyawa yang
dapat mengkristal.
Kondisi lewat jenuh

Disebut juga supersaturasi.

Mutlak diperlukan untuk memungkinkan
terbentuknya kristal.
Interpretasi supersaturasi (1)
Misalkan suatu
larutan A dalam air
bersuhu TA adalah
larutan tidak jenuh.

Kristalisasi baru bisa
terjadi di daerah
supersaturasi (di atas
daerah jenuh)
Daerah
supersaturasi
Konsentrasi

B
C
A
Tidak
jenuh
Suhu
TA
Interpretasi supersaturasi (2)
Daerah
supersaturasi
Konsentrasi
Ada dua kemungkinan
mencapai supersaturasi:
1) Menaikkan konsentrasi
pada suhu tetap TA (untuk
mencapai titik C).
2) Menurunkan suhu
pada konsentrasi yang
sama (untuk mencapai
titik B).
B
C
A
Tidak
jenuh
Suhu
TA
Kesetimbangan termodinamis
Fasa 1
Fasa 2
Jumlah perpindahan dari fasa 1 ke fasa 2 sama
dengan perpindahan dari fasa 2 ke fasa 1 sehingga
jumlah senyawa di fasa 1 maupun fasa 2 tetap
walaupun ada perpindahan antar fasa.
Menyatakan supersaturasi

Konsentrasi jenuh = C*

Konsentrasi larutan = C (C > C*)

Supersaturasi dapat dinyatakan sebagai:
Driving force (C) = C – C*
Rasio supersaturasi (S) = C/C*
Pengukuran supersaturasi


Diperlukan untuk mengontrol proses
kristalisasi.
Cara pengukuran:
- mengukur densitas (makin tinggi
supersaturasi, densitas makin besar).
- mengukur refractive index (makin tinggi
supersaturasi, refractive index makin besar).
- mengukur titik didih normal larutan (makin
banyak zat terlarut, titik didih normal akan
makin tinggi).
Cara mencapai supersaturasi

Penguapan

Pendinginan

Kombinasi antara penguapan dan
pendinginan

Reaksi kimia
Kombinasi penguapan dan
pendinginan

Contoh:


Dengan penguapan (A-B)
: diperoleh larutan jenuh
pada suhu T1.
B-C : Suhu diturunkan
sampai T2 (< T1) sehingga
diperoleh supersaturasi
dan terjadi kristalisasi.
Konsentrasi
Pabrik gula pasir
C
B
A
T2
Suhu
T1
Pertanyaan
Apa yang terjadi jika
penguapan dilakukan
sampai tercapai
supersaturasi di titik
B’ ?
B’
Konsentrasi

C
B
A
T2
Suhu
T1
Reaksi kimia (reactive
crystallization)

Contoh:
Pabrik amonium sulfat (ZA)
H2SO4
(l)
NH3(g)
Reaksi:
H2SO4 + NH3
 (NH4)2SO4
Reaktor –
Kristalisasi
(sudah jenuh
(NH4)2SO4)
Suspensi
kristal
Mother liquor
Separator
Kristal
ZA
Crystallizer di industri
Contoh kasus 3

Cairan A yang bertekanan 10 atm dan bersuhu
110oC diturunkan tekanannya dengan kran
ekspansi sampai tekanannya menjadi 1 atm.
Tekanan uap pada berbagai suhu dapat
didekati dengan persamaan
Kapasitas panas cairan 0,8 cal/g/K dan panas
penguapan 300 cal/g (dianggap konstan).
Hitung:
1. Suhu keluar kran ekspansi
2. % cairan yang menguap
Illustrasi Contoh Kasus 1