Penyulingan tumpak

Penyulingan tumpak atau distilasi tumpak (bahasa Inggris:batch distillation) adalah salah satu jenis penyulingan atau pemisahan suatu campuran antara dua cairan berdasarkan titik didihnya. Dalam skala laboratorium, proses pemisahan secara penyulingan dapat dilakukan dalam sebuah kolom pengepakan yang dioperasikan secara tumpak. Sedangkan dalam skala industri dapat dilakukan dengan kolom pengepakan maupun tray. Dalam operasi penyulingan tumpak, sejumlah massa larutan dimasukkan ke dalam labu didih dan dipanaskan. Selama proses dilakukan, larutan akan menguap dan uap yang terbentuk secara kontinu mengalir meninggalkan labu didih (reboiler) untuk kemudian diembunkan pada kondenser.^[1]

Pada skala laboratorium, panas disuplai melalui pemanas mantel atau waterbath. Sedangkan dalam skala industri, panas disuplai melalui kumparan atau dinding bejana hingga mencapat titik didihnya. Ciri utama dari operasi ini adalah tidak adanya aliran umpan masuk selama proses operasi penyulingan berjalan. Selama berjalannya waktu, terjadi perubahan komposisi dan suhu. Uap akan mengalir meninggalkan reboiler saat berada dalam kesetimbangan dengan cairannya, tetapi karena didalam uap mengandung lebih banyak senyawa yang volatil, komposisi cairan dan uap tidak konstan. Dalam industri, penyulingan tumpak digunakan dalam pemisahan minyak mentah menjadi bagian-bagian khusus seperti transportasi, pembangkit listrik, pemanas, dll. Selain itu, distilasi tumpak juga digunakan dalam bidang farmasi dan minyak asiri seperti pemisahan minyak kemiri dari biji kemiri hingga pembuatan bahan bakar nabati hasil fermentasi yang prosesnya menggunakan operasi penyulingan tumpak multikomponen.^[2]

Rumus

Persamaan yang menggambarkan proses penyulingan tumpak adalah sebagai berikut :^[3]

- Neraca Massa Total

R O M I − R O M O = R O M A {\displaystyle ROMI-ROMO=ROMA}

dengan,

ROMI = Rate of Mass Input

ROMO = Rate of Mass Output

ROMA = Rate of Mass Accumulation

dengan,

0 − D = d W d t {\displaystyle 0-D={dW \over dt}}

− D = d W d t {\displaystyle -D={dW \over dt}}

- Neraca Massa Komponen

− D y i = d ( W x i ) d t {\displaystyle -Dy_{i}={d(Wx_{i}) \over dt}}

dengan,

D = Laju aliran produk sulingan, mol/jam

W = Mol total larutan bottom, mol

yi = Fraksi mol komponen i pada distilat, mol/mol

xi = Fraksi mol komponen i pada larutan bottom, mol/mol

Kesetimbangan fase^[4]

Kesetimbangan fase terjadi apabila sistem terdiri atas lebih dari satu fase. Keadaan setimbang dapat dicapai ketika suhu dan tekanan di dalam sistem tidak lagi mengalami perubahan sehingga nilainya seragam di seluruh sistem. Pada keadaan setimbang, fraksi mol suatu komponen dalam campuran akan memiliki nilai tertentu. Terdapat beberapa syarat yang menentukan apakah suatu sistem berada dalam keadaan setimbang, antara lain:

1. Suhu dan tekanan sistem tetap.

2. Nilai fungsi Gibbs total bernilai minimum.

3. Potensial kimia pada setiap komponen di setiap fase seragam

Sistem biner

Larutan merupakan campuran homogen yang memiliki komposisi seragam di seluruh titik volumenya. Suatu larutan dapat terdiri dari beberapa macam zat terlarut dan satu pelarut. Apabila larutan terdiri dari padatan atau gas dalam cairan, maka pelarut umumnya digunakan untuk mendefinisikan cairan. Pelarut adalah zat yang memiliki jumlah lebih banyak di dalam campuran, sedangkan zat terlarut berjumlah lebih sedikit. Larutan yang terdiri atas dua komponen dapat disebut dengan larutan biner. Pada realitasnya, banyak larutan biner yang tidak sesuai dengan Hukum Raoult.

Sistem kesetimbangan uap-cair

Kesetimbangan uap-cair merupakan kondisi dimana fase uap berkesetimbangan dengan fasa cairnya. Kesetimbangan uap-cair dapat dianalisis dan diprediksi dengan persamaan termodinamika. Pada kondisi yang belum disediakan dalam eksperimen, perlu dilakukan ekstrapolasi dan interpolasi. Dalam wadah tertutup untuk sistem fase uap-cair akan terbentuk paling sedikit dua fase pada keadaan setimbang.

Larutan ideal dan non-ideal^[5]

Larutan ideal merupakan larutan yang memenuhi hukum Raoult. Hal ini disebabkan karena gaya antar molekul seluruh komponen-komponennya sama, misalnya zat A dan zat B, gaya antar partikel adalah sama. Fenomena tersebut menyebabkan volume larutan sama dengan jumlah volume pelarut dan terlarut yang dicampur. Selain itu, pada proses pencampuran antara zat pelarut dan terlarutnya tidak menghasillkan entalpi.

Larutan nonideal merupakan larutan yang menyimpang dari hukum Raoult karena seluruh gaya antar molekulnya harus dipertimbangkan ke dalam perhitungan. Hal ini mengakibatkan adanya beda volume pada saat pencampuran, artinya penjumlahan volume zat terlarut dengan zat pelarut tidak sama dengan volume larutannya. Selain itu, pada saat pencampuran menghasilkan efek kalor atau entalpi.

Pada kenyataannya, tidak ada larutan yang benar-benar ideal. Oleh karena itu, diperlukan fugasitas untuk menghubungkan penyimpangan suatu larutan dari kondisi idealnya. Perbandingan antara fugasitas dalam keadaan tertentu terhadap fugasitas dalam keadaan standar pada suhu yang sama disebut dengan aktivitas. Koefisien aktivitas (γ) merupakan bilangan yang menunjukkan penyimpangan pada suatu larutan dan digunakan untuk memprediksi dan mengevaluasi proses sesungguhnya dari perilaku ideal. Apabila suatu larutan bersifat ideal, maka γ = 1.

Model koefisien aktivitas^[6]

Persamaan Wilson

Persamaan Wilson menyatakan nilai kesetimbangan uap-cair pada campuran dua zat atau lebih dengan cara menurunkan persamaan excess energi gibbs. Persamaan Wilson dapat digunakan untuk persamaan non-ideal tetapi tidak dapat digunakan pada sistem cair-cair.

Seperti persamaan Margules dan Van Laar, persamaan ini menggunakan dua parameter untuk sistem biner ∧ 1 {\displaystyle \land _{1}} dan ∧ 2 {\displaystyle \land _{2}}

Rumus yang digunakan :

G E R T = − x 1 l n ( x 1 + Λ 1 X 2 ) − x 2 l n ( x 2 + Λ 2 X 1 ) {\displaystyle {G^{E} \over RT}=-x_{1}ln(x_{1}+\Lambda _{1}X_{2})-x_{2}ln(x_{2}+\Lambda _{2}X_{1})}

l n γ 1 = − l n ( x 1 + Λ 1 x 2 ) + x 2 ( Λ 1 x 1 + Λ 1 x 2 + Λ 2 x 1 Λ 2 + x 2 ) {\displaystyle ln\gamma _{1}=-ln(x_{1}+\Lambda _{1}x_{2})+x_{2}({\Lambda _{1} \over x_{1}+\Lambda _{1}x_{2}}+{\Lambda _{2} \over x_{1}\Lambda _{2}+x_{2}})}

l n γ 2 = − l n ( x 2 + Λ 2 x 1 ) + x 1 ( Λ 1 x 1 + Λ 1 x 2 + Λ 2 x 1 Λ 2 + x 2 ) {\displaystyle ln\gamma _{2}=-ln(x_{2}+\Lambda _{2}x_{1})+x_{1}({\Lambda _{1} \over x_{1}+\Lambda _{1}x_{2}}+{\Lambda _{2} \over x_{1}\Lambda _{2}+x_{2}})}

Λ 1 = V 2 V 1 e x p ( − λ 1 − λ 0 R T ) {\displaystyle \Lambda _{1}={V_{2} \over V_{1}}exp(-{\lambda _{1}-\lambda _{0} \over RT})}

Λ 2 = V 1 V 2 e x p ( − λ 2 − λ 3 R T ) {\displaystyle \Lambda _{2}={V_{1} \over V_{2}}exp(-{\lambda _{2}-\lambda _{3} \over RT})}

Persamaan tersebut dapat dikembangan dari persamaan umum koefisien aktivitas:

l n γ 1 = − l n ( ∑ j n x j Λ y ) + 1 − ( ∑ k n x k Λ k i ∑ k n x j Λ k j ) {\displaystyle ln\gamma _{1}=-ln(\sum _{j}^{n}x_{j}\Lambda _{y})+1-(\sum _{k}^{n}{x_{k}\Lambda _{k}i \over \textstyle \sum _{k}^{n}x_{j}\Lambda _{k}j\displaystyle })}

Persamaan NRTL

Persamaan NRTL (nonrandom two-liquid) menyatakan kesetimbangan uap-cair dan cair-cair baik pada campuran dua zat atau lebih. Kelebihan dari persamaan ini adalah bisa digunakan untuk kesetimbangan uap cair, cair-cair, serta uap cair-cair. Sedangkan kekurangan dari persamaan ini adalah memiliki tiga parameter yang digunakan untuk setiap pasangan komponennya.

G E R T = x 1 x 2 ( τ 2 G 2 x 1 + x 2 G 2 + τ 1 G 1 x 2 + x 1 G 1 ) {\displaystyle {G^{E} \over RT}=x_{1}x_{2}({\tau _{2}G_{2} \over x_{1}+x_{2}G_{2}}+{\tau _{1}G_{1} \over x_{2}+x_{1}G_{1}})}

l n γ 1 = x 2 2 ( τ 2 [ G 2 x 1 + x 2 G 2 ] 2 ) + τ 1 G 1 ( x 2 + x 2 G 1 ) 2 {\displaystyle ln\gamma _{1}=x_{2}^{2}(\tau _{2}[{G_{2} \over x_{1}+x_{2}G_{2}}]^{2})+{\tau _{1}G_{1} \over (x_{2}+x_{2}G_{1})^{2}}}

l n γ 2 = x 1 2 ( τ 2 [ G 1 x 2 + x 1 G 1 ] 2 ) + τ 2 G 2 ( x 1 + x 2 G 2 ) 2 {\displaystyle ln\gamma _{2}=x_{1}^{2}(\tau _{2}[{G_{1} \over x_{2}+x_{1}G_{1}}]^{2})+{\tau _{2}G_{2} \over (x_{1}+x_{2}G_{2})^{2}}}

dengan,

G 1 = e x p ( − a τ 1 ) {\displaystyle G_{1}=exp(-a\tau _{1})}

G 2 = e x p ( − a τ 2 ) {\displaystyle G_{2}=exp(-a\tau _{2})}

τ 1 = b 1 R T {\displaystyle \tau _{1}={b_{1} \over RT}}

τ 2 = b 2 R T {\displaystyle \tau _{2}={b_{2} \over RT}}

Persamaan koefisien aktivitas untuk sistem biner dan multikomponen lain dapat diturunkan dari persamaan dasarnya:

l n γ 1 = ∑ j − 1 n τ j G j x j ∑ k − 1 n G k x k + ∑ j − 1 x j G i ∑ k = 1 N G k x k ( τ y − ∑ k = 1 n x k τ k G k ∑ k = 1 n G k x k ) {\displaystyle ln\gamma _{1}={\sum _{j-1}^{n}\tau _{j}G_{j}x_{j} \over \sum _{k-1}^{n}G_{k}x_{k}}+{\sum _{j-1}{x_{j}G_{i} \over \textstyle \sum _{k=1}^{N}G_{k}x_{k}}(\tau _{y}-\sum _{k=1}^{n}{x_{k}\tau _{k}G_{k} \over \textstyle \sum _{k=1}^{n}G_{k}x_{k}\displaystyle })\displaystyle }}

Persamaan TPM

Persamaan ini menyatakan excess Gibss energi dari campuran cairan. Kelebihan dari persamaan ini adalah mudah digunakan karena tidak memerlukan banyak basis perhitungan. Sedangkan kekurangan dari persamaan ini adalah memiliki keakuratan yang masih terbilang rendah dalam menyatakan kondisi campuran dua zat (biner).

G E R T = ( A 2 x 1 + A 1 x 2 ) x 1 x 2 {\displaystyle {G^{E} \over RT}=(A_{2}x_{1}+A_{1}x_{2})x_{1}x_{2}}

l n γ 1 = x 2 2 [ A 1 + 2 ( A 2 − A 1 ) x 1 ] {\displaystyle ln\gamma _{1}=x_{2}^{2}[A_{1}+2(A_{2}-A_{1})x_{1}]}

l n γ 2 = x 2 1 ( A 2 + 2 ( A 1 − A 2 ) x 2 ) {\displaystyle ln\gamma _{2}=x_{2}^{1}(A_{2}+2(A_{1}-A_{2})x_{2})}

Lihat pula

• Portal Kimia
• Portal Ilmu

• Penyulingan azeotropik
• Penyulingan ekstraktif
• Penyulingan fraksional
• Penyulingan uap
• Penyulingan vakum
• Heteroazeotropi

Referensi

Bacaan lebih lanjut

• Perry, Robert H. & Green, Don W. (1984). Perry's Chemical Engineers' Handbook (Edisi 7). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-049841-9.
• Johann G. Stichlmair; James R. Fair (1998). Distillation: principles and practice. Wiley-VCH. ISBN 978-0-471-25241-2.
• I.M. Mujtaba (2004). Batch Distillation:Design and Operation. Imperial College Press. ISBN 978-1-86094-437-6.
• Hilmen Eva-Katrine, Separation of Azeotropic Mixtures:Tools for Analysis and Studies on Batch Distillation Operation, Thesis, Norwegian University of Science and Technology Department of Chemical Engineering, (2000).
• Beychok, Milton (Mei 1951). "Algebraic Solution of McCabe-Thiele Diagram". Chemical Engineering Progress.

Pranala luar

• Program simulasi penyulingan tumpak untuk senyawa-senyawa hidrokarbon.