kuc kesetimbangan uap cair
DESCRIPTION
kesetimbangan uap cairTRANSCRIPT
-
7/13/2019 Kuc Kesetimbangan Uap Cair
1/12
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II
Departemen Teknik Kimia ITB
-1/12-
MODUL 1.03 Kesetimbangan Uap Cair
I. Pendahuluan
Data kesetimbangan uap cair merupakan data termodinamika yang diperlukan
dalam perancangan dan pengoperasian kolom-kolom distilasi. Contoh nyata penggunaan
data termodinamika kesetimbangan uap cair dalam berbagai metoda perancangan kolom
distilasipacked column dan tray columndapat dilihat pada Treyball 1982 danKing1980.
Data kesetimbangan uap cair dapat diperoleh melalui eksperimen dan pengukuran. Namun,
percobaan langsung yang betul-betul lengkap baru dapat diperoleh dari serangkaian metoda
pengukuran. Percobaan langsung yang betul-betul lengkap memerlukan waktu yang lama
dan biaya yang besar, sehingga cara yang umum ditempuh adalah mengukur data tersebut
pada beberapa kondisi kemudian meringkasnya dalam bentuk model-model matematik
yang relatif mudah diterapkan dalam perhitungan-perhitungan komputer. Pengembangan
model matematik tersebut juga harus memiliki landasan teoretik yang tepat sehingga
penerapannya di luar batas-batas pengembangannya dapat dipertanggungjawabkan.
Percobaan ini bertujuan memperoleh data kesetimbangan uap cair sistem biner.
Data yang diperoleh dikorelasikan dalam bentuk model-model termodinamik. Penaksiran
parameter-parameter model dilaksanakan dengan regresi tidak linear berdasarkan kriteriajumlah kuadrat terkecil.
Agar sasaran percobaan di atas dapat tercapai dengan baik, sebagai persiapan
pembicaraan awal praktikan harus menguasai materi sebagai berikut:
1. Teori kesetimbangan uap cair (Daubert 1985, Smith dan Van Ness 1987, Sandler 1989,Prausnitz dkk 1986, dan lain-lain)
2. Teknik-teknik pengukuran kesetimbangan uap cair (kesetimbangan fasa Walas 1985,Black 1987)
3. Pengujian konsistensi data kesetimbangan uap cair (Lu 1960)4. Teknik minimasi multivariabel dengan menggunakan metoda Simpleks (Reklaitis
1982, Edgar dan Himmelblau 1988, diktat kuliah teknik optimasi Soerawidjaja, 1990)
5. Metoda analisis kromatografi gas dan index bias
-
7/13/2019 Kuc Kesetimbangan Uap Cair
2/12
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II
Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 1.03 Kesetimbangan Uap Cair Halaman 2 dari 12
II. Tujuan
Dengan melakukan praktikum Modul Kesetimbangan Uap Cair, praktikan
mempelajari kesetimbangan fasa uap-cair sistem biner.
III. Sasaran
Setelah melakukan praktikum diharapkan:
1. Praktikan mempunyai pengalaman sehingga terampil dalam percobaan pengukurankesetimbangan uap-cair dengan menggunakan alat ebuliometer.
2.
Praktikan mampu melakukan perhitungan kesetimbangan uap-cair berdasarkan salahsatu model termodinamika di literatur.
3. Praktikan dapat menentukan parameter-parameter model termodinamika di atas.
IV. Tinjauan Pustaka
Perhitungan kesetimbangan uap cair dilakukan untuk menentukan komposisi fasa
uap dan fasa cair suatu campuran yang berada dalam keadaan setimbang. Kesetimbangan
uap cair dapat digambarkan dengan skema berikut:
Fasa Uap
iv yi T P
Fasa Uap
iL xi T P
Perhitungan kesetimbangan uap cair diselesaikan dengan menerapkan kriteria
kesetimbngaan uap-cair. Dua fasa berada dalam kesetimbangan termodinamik apabila
temperatur dan tekanan kedua fasa sama serta potensial kimia masing-masing komponen
yang terlibat di kedua fasa bernilai sama. Dengan demikian, pada temperatur dan tekanan
tertentu, kriteria kesetimbangan uap cair dapat dinyatakan sebagai berikut:
L
i
V
i = dimana i = 1 sampai N
-
7/13/2019 Kuc Kesetimbangan Uap Cair
3/12
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II
Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 1.03 Kesetimbangan Uap Cair Halaman 3 dari 12
dimana i adalah potensial kimia komponen i, N adalah jumlah komponen, V dan L
menyatakan fasa uap dan fasa cair.
Potensial kimia adalah besaran yang tidak mudah dipahami dan juga sukar
dihubungkan dengan variabel-variabel yang mudah diukur seperti tekanan, temperatur, dan
komposisi. Untuk mengatasi hal tersebut, Lewis mengemukakan sebuah konsep yang
dikenal sebagai konsep fugasitas. Berdasarkan konsep ini, kesamaan potensial kimia dapat
diartikan pula sebagai kesamaan fugasitas tanpa mengurangi arti yang terkandung di
dalamnya. Dengan demikian, kriteria kesetimbangan uap-cair dapat dituliskan kembali
sebagai:
L
i
V
i ff = , i = 1 sampai N
dimana fiadalah fugasitas komponen i.
IV.2 Fugasitas di Fasa Uap
Fugasitas di fasa uap dinyatakan dalam bentuk koefisien fugasitas yang
didefinisikan sebagai perbandingan antara fugasitas di fasa uap dan tekanan parsial
komponen. Berdasarkan definisi ni, hubungan antara fugasitas dan koefisien fugasitas di
fasa uap dinyatakan sebagai:
Pyi.V
i
V
i .f =
dimana adalah koefisien fugasitas, y adalah fraksi mol komponen di fasa uap dan P
adalah tekanan total.
Koefisien fugasitas dihitung berdasarkan data volumetrik dengan cara sebagai
berikut:
dPP
RT
n
v
RT
1ln
P
0 nP,T,i
i
i
=
atau
zln-dvv
RT
n
v
RT
1
ln
P
0 nP,T,ii
i
=
dimana T adalah temperatur, v adalah volum parsial, n adalah jumlah mol, z adalah faktor
pemampatan (compressibility factor) dan R adalah konstanta gas.
-
7/13/2019 Kuc Kesetimbangan Uap Cair
4/12
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II
Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 1.03 Kesetimbangan Uap Cair Halaman 4 dari 12
Kedua persamaan di atas menunjukkan bahwa koefisien fugasitas dapat dihitung
dengan menggunakan persamaan keadaan, persamaan yang menghubungkan tekanan,
temperatur, volum dan/atau komposisi. Persamaan dengan fungsi dP dipakai apabila
persamaan keadaan yang ada berupa fungsi eksplisit dalam volum, temperatur, dan
komposisi. Sedangkan persamaan dengan fungsi dv dipakai bila persamaan keadaan yang
ada berupa fungsi eksplisit dalam tekanan, temperatur, dan komposisi. Berbagai persamaan
keadaan dan persamaan matematika koefisien fugasitasnya dapat dilihat di Walas.
IV.3 Fugasitas di Fasa Cair
Fugasitas di fasa cair umumnya dinyatakan dalam bentuk koefisien aktifitas yang
didefinisikan sebagai perbandingan antara fugasitas di fasa cair dan hasil kali antara fraksimol komponen di fasa cair dan fugasitas komponen pada keadaan standar dalam
perhitungan-perhitungan koefisien aktifitas adalah kondisi cairan murni.
1. Jika keadaan cairan murni dipakai sebagai keadaan standar, koefisien aktifitasdinyatakan sebagai:
OL
i
L
i ..f fxii=
dimana adalah koefisien aktifitas, x adalah fraksi mol komponen di fasa cair, fOL
adalah fugasitas cairan murni.
2. Koefisien fugasitas dapat dihitung berdasarkan data energi bebas Gibs berlebih (excessGibbs energy). Persamaan-persamaan untuk menghitung koefisien aktivitas anatara
lain Persamaan Van Laar, persamaan Margules, persamaan Wilson, persamaan NRTL,
dan sebagainya. Koefisien aktivitas juga dapat dihitung dengan menggunakan metoda
kelompok (group method) seperti dengan metoda UNIFAC dan metoda ASOG.
Sedangkan fugasitas cairan murni dapat dihitung dengan persamaan:
=
i
Vi
P
P
OL
iS
i
SV
iPTOL
iRT
dPVPf exp.),(
dimana PS
adalah tekanan uap jenuh cairan murni, VOL
adalah volum molar cairan murni
dan SV adalah koefisien fugasitas uap murni pada keadaan jenuh (saturated condition).
Suku eksponen dalam persamaan di atas dinamakan faktor koreksi Poynting (Poynting
correction). Jika cairan bersifat tidak termampatkan dan uap komponen pada keadaan
jenuhnya dapat dianggap sebagai gas ideal, persamaan di atas dapat disederhanakan
menjadi:
-
7/13/2019 Kuc Kesetimbangan Uap Cair
5/12
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II
Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 1.03 Kesetimbangan Uap Cair Halaman 5 dari 12
( )
=
i
Vi
P
P
S
i
OL
iS
iPTOL
i
RT
PPVPf exp),(
Jika faktor koreksiPoynting mendekati 1, maka:
S
i
SV
iPTOL
i Pf =),(
Fugasitas di fasa cair juga sering dinyatakan dalam bentuk koefisien fugasitas.
Dalam hal ini fugasitas dinyatakan sebagai:
Pxi .fSV
i
L
i =
Cara di atas memungkinkan masalah kesetimbangan uap-cair dapat diselesaikan dengan
menggunakan sebuah persamaan keadaan.
IV.4 Model-Model Kesetimbangan Uap-Cair
Dengan menggunakan teori-teori yang telah ada, kriteria kesetimbangan uap-cair
dapat dituliskan kembali dalam bentuk variabel-variabel yang mudah diukur:
1. Model OLiVi .... fxPy iii = 2. Model ii xLiy =
Dalam model -fugasitas fasa uap dinyatakan dalam bentuk koefisien fugasitas
dan fugasitas fasa cair dalam koefisien aktifitas. Dalam model - fugasitas fasa uap dan
fasa cair dinyatakan dalam bentuk koefisien fugasitas.
Pemecahan masalah kesetimbangan uap-cair pada dasarnya merupakan
penyelesaian kedua persamaan model tersebut. Agar persamaan tersebut dapat
diselesaikan, beberapa variabel perlu dispesifikasi. Jumlah spesifikasi yang diperlukan
dapat diturunkan dari aturan fasa Gibs (Gibs phase rule):
F = N P + 2
Untuk campuran yang terdiri dari N komponen, penyelesaian masalah kesetimbangan uap-
cair memerlukan N buah spesifikasi. Sebagi contoh, untuk campuran biner, jika nilai 2
variabel telah ditetapkan (misal P dan x1), variabel yang lain (T dan y1) dapat dihitung
dengan persmaan koefisien fugasitas serta persamaan jumlah fraksi mol fasa uap dan fasa
cair serta persamaan kendala fraksi mol di fasa uap yang dapat dituliskan sebagai:
==
==N
1i
N
1i
i 1xdan1y i
-
7/13/2019 Kuc Kesetimbangan Uap Cair
6/12
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II
Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 1.03 Kesetimbangan Uap Cair Halaman 6 dari 12
Tingkat kesukaran dalam menyelesaikan masalah-masalah kesetimbangan uap-cair
bergantung pada model yang digunakan. Model -lebih sukar ditangani daripada model
- karena ungkapan persamaan koefisien fugasitas umumnya lebih kompleks daripada
koefisien aktivitas. Hal ini menyebabkan penyelesaian model - menuntut metode
penyelesaian yang lebih rumit daripada penyelesaian model -.
Metode-metode penyelesaian masalah kesetimbnagn uap-cair telah banyak
dipublikasikan dalam buku-buku termodinamika.
IV.5 Penaksiran Parameter-Parameter Model
Penaksiran parameter model bertujuan menyesuaikan hasil perkiraan model
dengan data yang diperoleh dari percobaan. Jumlah parameter bergantung pada model yangdigunakan dan pemilihan model biasanya disesuaikan dengan kondisi dan sistem yang
ditangani.Pada tekanan rendah model termodinamik sederhana berikut sering digunakan:
S
i... PxPy iii =
Jika koefisien aktifitas dihitung dengan menggunakan Persamaan Wilson, maka untuk
sistem biner penggunaan persamaan tersebut memerlukan 2 parameter ( 12-11) dan (12-
22) yang dinamakan parameter Wilson.
Parameter-parameter yang paling sesuai adalah parameter yang menjadikan hasil
perkiraan model sesuai dengan hasil percobaan. Hal ini dapat dilakukan dengan cara
meminimumkan suatu fungsi objektif tertentu. Fungsi objektif yang diminimumkan
bergantung pada data percobaan yang tersedia seperti data T-x-y, T-x, P-x-y, atau lainnya.
(ref. Silverman dan Tassios, 1977).
Sebgai contoh, untuk data isobarik T-x-y, fungsi objektif yang baik digunakan
adalah:
2
,2
,2
2
,1
,1
2
1 *1
*1
*1
+
+
=
= k
k
k
kM
k k
k
y
y
y
y
T
T
dimana M adalah jumlah data dan tanda * menyatakan nilai hasil percobaan. Peminimumanfungsi objektif di atas dapat dikerjakan dengan menggunakan Subrutin SIMPLEKS
[Soerawidjaja, 1990].
-
7/13/2019 Kuc Kesetimbangan Uap Cair
7/12
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II
Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 1.03 Kesetimbangan Uap Cair Halaman 7 dari 12
V. Rancangan Percobaan
V.1 Perangkat dan Alat Ukur
1. Satu unit ebuliometer terdiri dari kolom pendidih, penampung fasa uap dan cair,kondensor, pompa kotrel, dan ruang kesetimbangan, seperti pada Gambar 1
2. Termometer Gelas3. Gelas Ukur4. Gelas Kimia5. Pengukur Tekanan6. Refraktometer7. Pemanas listrik8. Selang Air
Gambar 1 Sketsa Alat Ebuliometer
-
7/13/2019 Kuc Kesetimbangan Uap Cair
8/12
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II
Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 1.03 Kesetimbangan Uap Cair Halaman 8 dari 12
V.2 Bahan/ Zat Kimia
Campuran biner cairan aseton-air, etanol-air, dan lain-lain; kebutuhan per percobaan,
aseton 2 L dan etanol 2 L.
V.3 Pengambilan Data Kesetimbangan
Dalam percobaan ini, data yang diukur berupa data isobarik pada kondisi atmosfer.
Pengambilan data kesetimbangan dilakukan dengan menggunakan alat ebuliometer
seperti pada Gambar 1.
Alat tersebut dioperasikan dengan cara:
1. Campuran biner dalam wujud cair dimasukkan ke dalam kolom pendidihmelalui kondenser atauscrew cab (tempat memasukkan termometer).
2. Cairan kemudian dididihkan dengan menggunakan filamen pemanas.3. Uap yang terbentuk akan menyeret cairan masuk menuju ruang kesetimbangan
melalui pompa Cottrell yang tidak lain berupa sebuah pipa kecil.
4. Temperatur campuran uap-cair diukur dengan termometer yang dipasangdalam ruang kesetimbangan. Di ruang kesetimbangan uap dan cairan akan
terpisah.
5. Dari ruang kesetimbangan cairan akan jatuh ke kolom L sedangkan uap akanmengalir ke kondensor.
6. Uap yang telah mengembun jatuh ke kolom V dan kembali ke kolom pendidihbersama cairan dalam kolom L.
7. Komposisi sampel di kolom V dan L akan berubah terus sampai keadaansetimbang tercapai.
8. Setelah keadaan ini tercapai, dilakukan pengambilan sampel dari kolom V danL yang masing-masing komposisinya diukur dengan teknik analisis yang akan
ditentukan pembimbing.
Langkah-langkah pengambilan data kesetimbangan tersebut secara ringkas dapat
dilihat pada diagram alir pada Gambar 2.
-
7/13/2019 Kuc Kesetimbangan Uap Cair
9/12
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II
Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 1.03 Kesetimbangan Uap Cair Halaman 9 dari 12
Campuran biner
Screw Cab
Kolom Pendidih
menuju ke
didihkan dengan filamen
pemanas
Campuran mendidih
Uap CairanUap akan menyeret cairan masuk
ke ruamg kesetimbangan
menuju ke
Pompa Cottrel
Ruang
Kesetimbangan
menuju ke
menuju ke
Ukur data T
Campuran
setimbang fasa uap
dan fasa cair
Uap Cairan
Kolom LKondensor
Kolom V
menuju kemenuju ke
mengembun
Uap Cairan/
embun
Ambil data komposisi
fraksi uap / kolom V
Ambil data komposisi
fraksi cair/ kolom L
Bandingkan data
yndengan y
n-1
Bandingkan data
xndengan x
n-1
KonvergenBelum
Konvergen
Konvergen
Belum
Konvergen
Didapat data komposisi
fraksi uap dalam
kesetimbangan
Didapat data komposisi
fraksi cair dalam
kesetimbangan
Didapat data T pada
kesetimbangan
Iterasi ke-n
Iterasi ke-n
Iterasi ke-n
Iterasi ke-n
Iterasi ke-n
Iterasi ke-n
Iterasi ke-n
Iterasi ke-n
Iterasi ke-n
Gambar 2 Diagram Alir Praktikum Kesetimbangan Uap Cair
-
7/13/2019 Kuc Kesetimbangan Uap Cair
10/12
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II
Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 1.03 Kesetimbangan Uap Cair Halaman 10 dari 12
IV.4 Langkah-Langkah Pengolahan Data
V.4.1. Penentuan Densitas Campuran
Persamaan yang digunakan:
T)suhu(padaair
.dmaquamassa
campuranmassaT)suhu(pada
campuran =
Contoh:
Misalkan data:
- massa piknometer kosong = 12,635 g- massa piknometer + aqua dm = 23.083 g- massa piknometer + campuran yang dianalisis = 22.669 g- Data diambil pada T = 28
0
C, dimana air= 997.045 kg/m3
Massa campuran = (massa piknometer + campuran) massa piknometer
kosong
Massa aqua dm = (massa piknometer + aqua dm) massa piknometer
kosong.
3kg/m957.53728)suhu(padacampuran
.997.04512.635-23.083
12.635l-22.666928)suhu(pada
campuran
=
=
V.4.2. Penentuan Fraksi Mol Suatu Senyawa dalam Campurannya
Misal akan dianalisis fraksi mol A dalam campuran A-B
Persamaan yang digunakan:
B
BB
B
BAA
A
AAA
A
AAA
A
Mr
.V
Mr
.)V%(1
Mr
..V%
Mr
..V%
X
+
+
=
Misalkan data:
- Volume B = 7 mL- Volume A = 3 mL- Kemurnian A dalam B = 95%Dapat dihitung:
-
7/13/2019 Kuc Kesetimbangan Uap Cair
11/12
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II
Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 1.03 Kesetimbangan Uap Cair Halaman 11 dari 12
13.0X
18,016
7.997,045
18,016
)3.997,04595,0(1
46,07
,5350,95.3.957
46,07
,5350,95.3.957
X
A
A
=
+
+
=
V.4.3. Pembuatan Kurva Kalibrasi
Kurva kalibrasi dibuat dengan mengalurkan data fraksi mol etanol terhadap
densitas etanol pada fraksi mol tersebut. Grafik tersebut didekati dengan
persamaan tertentu, seperti persamaan polinomial orde 2 yang
menunjukkan hubungan fraksi mol campuran terhadap densitasnya.Contoh data:
Kurva kalibrasi untuk data densitas terhadap freaksi mol campuran adalah:
Kurva Kalibrasi Densitas Etanol
y = 9E-06x2- 0.0213x + 11.896
R2= 0.9988
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
800 900 1000
Densitas Etanol (g/cm2)
Xetanol(mol/mol)
V air V etanol m X et densitas et X et
(mL) (mL) (g) (V/V) (kg/m3) (mol/mol)
10 0 23.083 0 997.045 0
9 1 22.94 0.1 983.398484 0.038913
8 2 22.806 0.2 970.61084 0.081977
7 3 22.669 0.3 957.536905 0.130207
6 4 22.534 0.4 944.65383 0.185061
5 5 22.314 0.5 923.65919 0.246858
4 6 22.114 0.6 904.573154 0.319867
3 7 21.898 0.7 883.960234 0.407664
2 8 21.645 0.8 859.816398 0.516419
1 9 21.386 0.9 835.099981 0.658861
0 10 21.058 1 803.798881 0.856938
-
7/13/2019 Kuc Kesetimbangan Uap Cair
12/12
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II
Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 1.03 Kesetimbangan Uap Cair Halaman 12 dari 12
Dari kurva tersebut didapat data persamaan kalibrasi antara densitas etanol
terhadap fraksi mol etanol adalah:
Xcampuran= 9.10-6.(et)
2- 0.0213.(et) + 11.896
V.4.4. Penentuan Fraksi Mol A Dalam Kesetimbangan Campuran A-B pada
Fraksi Uap dan Fraksi Cair
Persaman yang digunakan adalah persamaan kalibrasi
Xet= 9.10-6
.(campuran)2- 0.0213.(campuran) + 11.896
Misal didapat data:
- Massa campuran = 8,482 g- Densitas campuran = 0.809 (g/cm3)Dengan menggunakan persamaan kalibrasi:Xcampuran= 9.10
-6.(0.809)2- 0.0213.(0.809) + 11.896 = 0.766
Dengan demikian diketahui bahwa campuran A-B tersebut terdiri dari
0,766 (mol/mol) A dan 0,244 (mol/mol B)
V.4.5 Pembuatan Kurva Kesetimbangan Uap Cair
Kurva kesetimbangan uap cair dibuat dengan mengalurkan data fraksi mol
A pada fasa uap dan cair (yAdan xA dan memplotnya terhadap temperatur
dalam 1 grafik, yaitu grafik yAdan xA disumbu y dan T di dumbu x).
Daftar Pustaka
1. Smith, V., Van Ness, Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 4thEdition, McGraw-Hill, Singapore, 1987, Chapter 10, 11, 12
2. Larrinaga, L., Graphically Determining the Wilson Parameters, Chemical Engineering,April 1981, pp. 87-91
3. Silverman, N., and Tassios, D., The NUmber of Roots in thr Wilson Equation and ItsEffect on Vapor Liquid Equilibrium Calculations, Ind. Eng. Chem. Proc. Des. Dev.,
16(1), 1977