Lec7_Pemisahan Azeotrop

Pemisahan Distilasi
Azeotrop
Heri Rustamaji
Referensi:
1.
Seider, W.D., Seider, J.D. and Lewin, D.R., 2003, Product & Process
Design Principles - Synthesis, Analysis & Evaluation, 2nd Ed.
2.
Smith, R. Chemical Processes: Design and Integration, Wiley, Hoboken,
2005
Pendahuluan
•
Urutan pemisahan menjadi sulit dengan kehadiran
azeotropes, sehingga sering melibatkan campuran senyawa
organik oksigenat:





•
•
Alcohols
Ketones
Ethers
Acids
Water
Pada kasus ini, distillation boundaries membatasi
komposisi produk kolom berada di dalam wilayah yang
dibatasi
Hal ini mencegah penghilangan komponen tertentu dalam
konsentrasi tinggi.
Tujuan

Mampu membuat sketch kurva residue pada diagram fasa
ternary

Mampu mendefinisikan kisaran komposisi produk yang
mungkin menggunakan distilasi, pada komposisi umpan yang
diberikan dan pada digram fasa ternary

Mampu mendefinisikan PFD untuk heterogeneous azeotropic
distillation system

Mampu mendefinisikan PFD untuk pressure swing distillation
system
Basics: The Lever Rule
Basics: Ternary Phase Diagrams
0.2 TBA
0.65
DTBP
0.2 DTBP
0.15 H2O
Basics: Ternary Phase Diagrams
0.2 TBA
0.2 DTBP
0.6 H2O
Homogeneous Azeotropes 1:4
Pada kesetimbangan:
_ V
_ L
j
j
f  f
y P  x f
V
j
j
j
L
j j
yP  xP
yP  xP
s
1
2
1 1
s
2 2
P  x P  x P  x P  (1  x )P
s
s
1 1
2
s
2
1 1
1
s
2
 P  (P  P )x
s
2
s
1
s
2
1
Pada suhu tetap
Homogeneous Azeotropes 2:4
Contoh– Diagram fasa campuran benzene-toluene
pada 90 oC
Homogeneous Azeotropes 3:4
yP  x P
yP  x P
S
Untuk campuran non-ideal,
koefisien aktifitas tidak
bernilai satu:
1
1
2
2
1 1
2 2
P  x  P  (1  x )  P
s
1
1 1
1
S
2
s
2
Jika   1 campuran memiliki minimum
minimum-boiling azeotrope
i
Contoh – Diagram fasa untuk Isopropyl ether-Isopropyl alcohol
Homogeneous Azeotropes 4:4
yP  x P
yP  x P
S
Untuk campuran non-ideal,
koefisien aktifitas tidak bernilai
satu.
1
1
2
2
1 1
2 2
P  x  P  (1  x )  P
s
1
1 1
1
S
2
s
2
Jika   1 campuran memiliki maximum
maximum-boiling azeotrope
i
Contoh – Diagram fasa Acetone-Chloroform
VLE Based Coefficient Fugacity Model
• Untuk membuat model non-idealistis fasa cair pada
tekanan moderat, koefisien aktivitas cairan ( γi ) harus
diketahui :
( γi ) bervariasi tehadap komposisi dan suhu. Ada tiga model
koefisin aktivitas yang sering digunakan.
 Wilson
 NTRL
 UNIQUAC
Wilson :
Untuk sistem biner:
NRTL :
Untuk sistem biner:
UNIQUAC :
Untuk sistem biner:
Heterogeneous Azeotropes
Untuk minimum-boiling azeotrope dengan deviasi yg besar dari
hukum Raoult’s l (  1 ), dapat teradi phase splitting dan
tebentuk minimum-boiling heterogeneous azeotrope, yang
memilikii fasa uap yang setimbang dengan dua fasa cairan.
i
Homogeneous Azeotrope
Heterogeneous Azeotrope
Residue Curves 1 : 3
Distillation Sederhana
Neraca massa pada species j:
Lx  ( L ) y  (L  L )( x  x ), j  1, , C  1
j
j
j
j
As L  0:
Lx  y dL  Lx  Ldx  x dL  dLdx , j  1, , C  1
j
j
Rearranging:
j
j
dx
j
dL / L
j
j
 x  y  x (1  K { T, P, x, y })
j
dx
j

dt
j
j
 x y
j
j
j


Residue Curves 2 : 3
•
Residue Curves  Liquid Compositions at Total Reflux
dx
j

dt
 x y
j
j
Residue curves for
zeotropic system
Residue curves for
Azeotropic system
Residue Curves 3 : 3
•
Residue Curves  Liquid Compositions at Total Reflux
Species balance on top n-1 trays:
L x  Dx  V y
n 1
n 1
n
D
n
Approximation for liquid phase:
dx
 x x
dh
n
n
n 1
Substituting:
dx
V
D
 x 
y 
x
dh
L
L
n
n
n
Rectifying section of
distillation column
n
n 1
D
n 1
At total reflux, D = 0 and Vn = Ln-1
dx
 x y
dh
n
n
n
Sketching Residue Curves




Plot komponen murni pada
titik-titik sudut sesuai Tb
Plot semua titik azeotropes
pada diagram sesuai titik
didihnya, Tb
Plot kurva residue yang
menghubungkan
semua
azeotropes, azeotropes &
vertices, dan akhirnya vertices
& vertices
dengan arah
panah menuju kenaikan titik
didih.
Plot kurva residue tambahan
yang “melengkung” menuju
suhu intermediate pada arah
menuju titik akhir
dx
j

dt
 x y
j
j
Product Compositions Regions
•
Untuk sistem zeotropic
– L: Lowest boiling component, I: Intermediate boiling component,
H: Highest boiling compoent, F: Feed composition
Pure L distillate
Pure H bottoms
Product Compositions Regions
• Untuk sistem azeotropic
– Shade Region : Feasible distillate and bottoms product compositions
Two binary azeotropes
Three binary azeotropes and
one ternary azeotrope
Breaking Azeotrope
Breaking Azeotrop
Kita harus mengubah sesuatu untuk mengatasai azeotrope:
 Mengubah Tekanan (P)- Pressure Swing
Opsi pertama yang perlu dipertimbangkan ketika
memisahkan
azeotrop
suatu
campuran
adalah
memanfaatkan perubahan komposisi azeotrop dengan
tekanan. Jika komposisi azeotrop sensitif terhadap tekanan
dan memungkinkan untuk mengoperasikan distilasi pada
rentang tekanan tanpa terjadi dekomposisi material, maka
sifat ini bisa digunakan untuk melakukan pemisahan.
Perubahan komposisi azeotropik minimal 5% dengan
perubahan tekanan biasanya diperlukan.
Breaking Azeotrope
Breaking Azeotrop
 Merubah Gamma,-Menambah Entrainer
Sebuah agen pemisahan massa, yang dikenal sebagai
sebuah entrainer, dapat ditambahkan ke distilasi.
Pemisahan menjadi mungkin karena entrainer berinteraksi
lebih kuat dengan salah satu azeotrop-membentuk
komponen dari yang lain. Hal ini dapat pada gilirannya
mengubah volatilitas relatif antara komponen kunci
dengan cara yang menguntungkan.
 Merubah y-memisahkan uap melewati membaran
(pervoration)
Jika suatu membran semipermeabel ditempatkan antara
fasa uap dan cair, dapat mengubah kesetimbangan uapcair dan memungkinkan pemisahan untuk dicapai.
Pressure Swing Distillation
Pressure Swing Distillation
Minimum boiling azeotrop
Maximum boiling azeotrop
Pressure Swing Distillation
•
Contoh: Dehidrasi Tetrahydrofuran (THF)
T-x-y diagrams untuk THF dan water
Heterogeneous Azeotropic Dist.
• Contoh: Dehidrasi Ethanol
Try toluene
as an
entrainer
Heterogeneous Azeotropic Dist.
• Contoh: Dehidrasi Ethanol
D1
M2
M1
S1
S2
D2
Sistesis Rangkaian Pemisahan
 Identifikasi Azeotrop
 Identifikasi Alternatif Separator
 Pemilihan Entrainer. Ketika memisahkan campuran azeotrop, jika
memungkinkan, merubah komposisi azeotrop dengan tekanan
harus dimanfaatkan daripada menggunakan MSA, karena:
o Pengenalan MSA dapat menimbulkan masalah baru dalam mencapai
spesifikasi kemurnian produk selama proses berlangsung.
o Sering sulit untuk memisahkan dan mendaur ulang MSA dengan efisiensi
tinggi. Setiap material yang tidak didaur ulang bisa menjadi masalah
lingkungan. Sebagaimana akan dibahas kemudian, cara terbaik untuk
menangani masalah limbah adalah tidak membuatnya mereka di
tempat pertama.
o MSA dapat menimbulkan masalah keamanan dan penyimpanan baru
 Identifikasi komposisi produk distilat dan bottom yang layak
Pemilihan Entrainer
Ketika memisahkan campuran azeotrop, jika memungkinkan,
merubah komposisi azeotrop dengan tekanan harus dimanfaatkan
daripada menggunakan MSA, karena:
 Pengenalan MSA dapat menimbulkan masalah baru dalam
mencapai spesifikasi kemurnian produk selama proses
berlangsung.
 Sering sulit untuk memisahkan dan mendaur ulang MSA dengan
efisiensi tinggi. Setiap material yang tidak didaur ulang bisa
menjadi masalah lingkungan. Sebagaimana akan dibahas
kemudian, cara terbaik untuk menangani masalah limbah
adalah tidak membuatnya mereka di tempat pertama.
 MSA dapat
menimbulkan masalah keamanan dan
penyimpanan baru.
Pemilihan Entrainer
Ketika memisahkan campuran azeotrop, jika memungkinkan,
merubah komposisi azeotrop dengan tekanan harus dimanfaatkan
daripada menggunakan MSA, karena:
 Pengenalan MSA dapat menimbulkan masalah baru dalam
mencapai spesifikasi kemurnian produk selama proses
berlangsung.
 Sering sulit untuk memisahkan dan mendaur ulang MSA dengan
efisiensi tinggi. Setiap material yang tidak didaur ulang bisa
menjadi masalah lingkungan. Sebagaimana akan dibahas
kemudian, cara terbaik untuk menangani masalah limbah
adalah tidak membuatnya mereka di tempat pertama.
 MSA dapat
menimbulkan masalah keamanan dan
penyimpanan baru.
TERIMA KASIH