Distilasi batch

Distilasi batch adalah salah satu jenis distilasi atau pemisahan suatu campuran antara dua cairan berdasarkan titik didihnya. Dalam skala laboratorium, proses pemisahan secara distilasi dapat dilakukan dalam sebuah kolom packing yang dioperasikan secara batch. Sedangkan dalam skala industri dapat dilakukan dengan kolom packing maupun tray. Dalam operasi distilasi batch, sejumlah massa larutan dimasukkan ke dalam labu didih dan dipanaskan. Selama proses dilakukan, larutan akan menguap dan uap yang terbentuk secara kontinyu mengalir meninggalkan labu didih (reboiler) untuk kemudian diembunkan pada kondenser.

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 distilasi berjalan. Selama berjalannya waktu, terjadi perubahan komposisi dan suhu. Uap akan mengalir meninggalkan reboiler saat berada dalam kesetimbangan dengan cairannya, namun karena didalam uap mengandung lebih banyak senyawa yang volatil, komposisi cairan dan uap tidak konstan. Dalam industri, distilasi batch digunakan dalam pemisahan minyak mentah menjadi bagian-bagian khusus seperti transportasi, pembangkit listrik, pemanas, dll. Selain itu, distilasi batch juga digunakan dalam bidang farmasi dan minyak esensial seperti pemisahan minyak kemiri dari biji kemiri hingga pembuatan bahan bakar nabati hasil fermentasi yang prosesnya menggunakan operasi distilasi batch multikomponen.

Rumus

Persamaan yang menggambarkan proses distilasi batch adalah sebagai berikut :

- Neraca Massa Total

$ROMI-ROMO=ROMA$

dengan,

ROMI = Rate of Mass Input

ROMO = Rate of Mass Output

ROMA = Rate of Mass Accumulation

dimana,

$0-D={dW \over dt}$

$-D={dW \over dt}$

- Neraca Massa Komponen

$-Dy_{i}={d(Wx_{i}) \over dt}$

dengan,

D = Laju aliran produk distilat, 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 Fasa

Kesetimbangan fasa terjadi apabila sistem terdiri atas lebih dari satu fasa. Keadaan setimbang dapat dicapai ketika temperatur 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. Temperatur 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 (Bird, 1993). 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

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 non ideal 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 temperatur 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

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 $\land _{1}$ dan $\land _{2}$

Rumus yang digunakan :

${G^{E} \over RT}=-x_{1}ln(x_{1}+\Lambda _{1}X_{2})-x_{2}ln(x_{2}+\Lambda _{2}X_{1})$

$ln\gamma _{1}=-ln(x_{1}+\Lambda _{1}x_{2})+x_{2}({\Lambda _{1} \over x_{1}+\Lambda _{1}x_{2}}+{\Lambda _{2} \over x_{1}\Lambda _{2}+x_{2}})$

$ln\gamma _{2}=-ln(x_{2}+\Lambda _{2}x_{1})+x_{1}({\Lambda _{1} \over x_{1}+\Lambda _{1}x_{2}}+{\Lambda _{2} \over x_{1}\Lambda _{2}+x_{2}})$

$\Lambda _{1}={V_{2} \over V_{1}}exp(-{\lambda _{1}-\lambda _{0} \over RT})$

$\Lambda _{2}={V_{1} \over V_{2}}exp(-{\lambda _{2}-\lambda _{3} \over RT})$

Persamaan tersebut dapat dikembangan dari persamaan umum koefisien aktivitas:

$ln\gamma _{1}=-ln(\sum _{j}^{n}x_{j}\Lambda _{y})+1-(\sum _{k}^{n}{x_{k}\Lambda _{k}i \over \textstyle \sum _{k}^{n}x_{j}\Lambda _{k}j\displaystyle })$

Persamaan NRTL

Persamaan NRTL atau 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.

${G^{E} \over RT}=x_{1}x_{2}({\tau _{2}G_{2} \over x_{1}+x_{2}G_{2}}+{\tau _{1}G_{1} \over x_{2}+x_{1}G_{1}})$

$ln\gamma _{1}=x_{2}^{2}(\tau _{2}[{G_{2} \over x_{1}+x_{2}G_{2}}]^{2})+{\tau _{1}G_{1} \over (x_{2}+x_{2}G_{1})^{2}}$

$ln\gamma _{2}=x_{1}^{2}(\tau _{2}[{G_{1} \over x_{2}+x_{1}G_{1}}]^{2})+{\tau _{2}G_{2} \over (x_{1}+x_{2}G_{2})^{2}}$

Dengan,

$G_{1}=exp(-a\tau _{1})$

$G_{2}=exp(-a\tau _{2})$

$\tau _{1}={b_{1} \over RT}$

$\tau _{2}={b_{2} \over RT}$

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

$ln\gamma _{1}={\sum _{j-1}^{n}\tau _{j}G_{j}x_{j} \over \sum _{k-1}^{n}G_{k}x_{k}}+{\sum _{j-1}{x_{j}G_{i} \over \textstyle \sum _{k=1}^{N}G_{k}x_{k}}(\tau _{y}-\sum _{k=1}^{n}{x_{k}\tau _{k}G_{k} \over \textstyle \sum _{k=1}^{n}G_{k}x_{k}\displaystyle })\displaystyle }$

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).

Lihat pula

Bacaan lanjutan

Perry, Robert H.; Green, Don W. (1984). Perry's Chemical Engineers' Handbook (edisi ke-7th). 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 (May 1951). "Algebraic Solution of McCabe-Thiele Diagram". Chemical Engineering Progress.