Grafik Uap-cair

BAB I PENDAHULUAN 1.1. LatarBelakang Makalah dikhususkan untuk memperkenalkan konsep kesetimbangan uap-cair. Keberhasilan suatu operasi distilasi, sangat tergantung pada pemahaman serta tersedianya data-data kesetimbangan antara phasa uap dan phasa cair (Vapor-Liquid Equibrilium) dari suatu campuran yang akan di destilasi. Pada sistem campuran biner tekanan dan temperatur sistem sangat menentukan komposisi kesetimbangan dari campuran tersebut untuk masingmasing phasanya. 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 distilasi packed column dan tray column dapat dilihat pada Treyball 1982 dan King 1980. 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.

1.2

Perumusan Masalah Rumusan Masalah dari kese timbangan uap-cair ini adalah bagaimana cara untuk mencari hubungan antara komposisi uap dengan komposisi cairan dengan suhu dan tekanan pada kondisi kesetimbangan uap-cair.

1.3

Tujuan Percobaan Tujuan dari makalah ini adalah untuk mencari hubungan antara komposisi uap dengan komposisi cairan dengan suhu dan tekanan pada kondisi kesetimbangan uap-cair.

BAB II 1

PEMBAHASAN 2.1 Kesetimbangan Fasa Pada perhitungan stage wise contact konsep kesetimbangan memegang peran penting selain neraca massa dan neraca panas. Konsep rate processes tidak diperhatikan pada alat kontak jenis ini karena dianggap kontak pada alat ini berlangsung dengan baik sehingga arusarus yang keluar dari stage dalam keadaan kesetimbangan. Oleh karena itu pada awal pembahasan stage wise contact perlu diulangi atau diingat kembali dasar-dasar kesetimbangan yang sudah dipelajari pada mata kuliah-mata kuliah sebelumnya (Termodinamika dan Kimia Fisika). Perubahan suhu (T), tekanan (P), konsentrasi (C), dan entalpi (H) selama proses pemisahan dapat dianalisa berdasarkan konsep kesetimbangan termodinamik. Korelasi fase menurut kaidah fase Gibbs: F=C – P + 2 …………………………………………………….(1) Dengan: F = variabel intensif/bebas C = jumlah spesies atau komponen dalam sistem P = jumlah fase dalam sistem Contoh a. Kesetimbangan, cair (air)  uap air C = 1,P = 2 (cair dan uap),  maka F = 1 Hanya satu variabel dapat diubah bebas, jika dipilih tekanan tertentu maka suhu keseimbangan akan tertentu atau sebaliknya, jika dipilih suhu tertentu maka tekanan keseimbangan akan tertentu. b. Campuran biner (Metanol — air) dalam kesetimbangan uap — cair C = 2 (metanol = 1; air = 1), P = 2 (cair dan uap),  maka F = 2

Jadi untuk komposisi (konsentrasi) dan tekanan keseimbangan tertentu, maka suhu keseimbangan akan tertentu pula. Untuk komposisi (konsentrasi) dan suhu keseimbangan tertentu, maka tekanan keseimbangan akan tertentu pula. Jika dipilih suhu dan tekanan keseimbangan tertentu, maka konsentrasi keseimbangan akan tertentu pula.

2

2.2 Konsep keseimbangan. Ditinjau sistem kontak uap dan cair campuran A dan B: Uap

yA + yB = 1

A

B

Pv , Tv

Cairan

xA + xB = 1 PL,TL

x =fraksi mol difase cair. y =fraksi mol difase uap. Pada keadaan seimbang (equilibrium, ideal, teoritis), tidak ada perubahan T, P, dan fraksi-fraksi dalam sistem, dan akan tercapai: 1. Kesetimbangan termal = perpindahan panas netto = 0, atau tidak ada driving foree perpindahan panas (DT=0), maka: TV = TL Tv=suhu uap, TL=Suhu cairan. 2. Kesetimbangan mekanis =Kesetimbangan semua gaya-gaya: Pv =PL 3. Kesetimbangan potensi kimia: DG system

minimum.

(μi)V = (μi)L Dari persamaan ini akan diperoleh hubungan antara komposisi di fase uap dan di fase cairan

Bidang termodinamika.

3

2.3 Model Persamaan Kesetimbangan Uap-Cair (VLE) Sederhana Ketika termodinamika diterapkan untuk kesetimbangan uap-cair, tujuannya adalah menemukan temperature, tekanan, dan komposisi fasa dalam kesetimbangan dengan perhitungan. Sesungguhnya, termodinamika menyediakan ruang lingkup kerja matematis untuk hubungan sistematis, ekstensi, generalisasi, avaluasi, dan interpretasi data. Lebih dari itu, ini berarti dengan prediksi berbagai teori fisika molekular dan mekanik statistik dapat diterapkan untuk tujuan praktis. Tak satupun ini dapat diselesaikan tanpa model untuk prilaku sistem dalam kesetimbangan uapcair. Tiga model yang paling sederhana adalah Hukum Dalton, Hukum Henry dan Hukum Roult.

Hukum Dalton Hukum Dalton menyatakan bahwa tekanan total suatu campuran gas merupakan jumlah dari tekanan-tekanan parsial dari semua komponen-komponennya.

P = P A + P B + .. . . + P N

(1-1)

Tekanan parsial suatu komponen sebanding dengan banyaknya mol mol komponen tersebut. Fraksi mol untuk masing-masing komponen adalah :

Yi =

Pi P

atau Y A =

PA P A + P B + .. . . + P N

(1-2)

dimana : P = Tekanan total (mmHg) Pi = Tekanan parsial komponen i ( i = A, B, ..., N)

Hukum Henry Hukum Henry menyatakan bahwa tekanan parsial suatu komponen (A) di atas larutan sebanding dengan fraksi mol komponen tersebut dalam larutan. Penyataan ini dapat dituliskan :

PA = H . X A

(1-3) 4

dimana : PA = Tekanan parsial komponen A di atas larutan XA = Fraksi mol komponen A H

= Konstanta hukum Henry

Harga konstanta hukum Henry berubah terhadap perubahan temperatur. Berdasarkan kurva hubungan tekanan parsial terhadap temperatur, ditunjukkan bahwa kurva tekanan parsial dari tiap-tiap komponen menjadi lurus pada ujung kurva, dimana komponen dalam larutan tersebut sedikit. Melalui penggunaan hukum Henry pada perubahan temperatur yang kecil, sehingga konstanta hukum Henry masih dianggap konstan, maka perubahan tekanan parsial terhadap fraksi mol pada ujung kurva tersebut dapat dianggap megikuti huku m Henry secara tepat. Untuk sistem Biner (A dan B): 

(A) lebih volatile daripada ‘B’



hukum Raoult\Dalton berlaku (memenuhi)

Dengan: αAB = Relative

Volatility komponen

(A)

terhadap komponen

(B) Untuk sistem yang tidak mengikuti hukum Raoult, dinyatakan dengan persamaan:

5

Beberapa kurva keseimbangan untuk sistem dengan

αAB

yang konstan dan sistem dengan

αAB yang

fungsi konsentrasi, pada Pt = 1 atm

Pada

tekanan P yang

tertentu,

untuk komposisi

yang berbeda maka suhu keseimbangannya juga berbeda.

6

Superheated Vapor = daerah uap lewat panas Saturated Liquid + Saturated Vapor = daerah dua fasa Sub-cooled Liquid = daerah air lewat dingin

Bubble point

= suhu tertentu dimana suatu campuran cairan mulai menguap

Dew point

= suhu tertentu dimana suatu campuran gas mulai mengembun

Boiling Point

= sama dengan Dew atau Bubble Point untuk senyawa murni

Hukum Raoult Hukum Raoult juga memberikan hubungan antar tekanan parsial suatu zat di atas larutan dengan fraksi molnya. Hukum Raoult dapat didefinisikan untuk phase uap-cair dalam kesetimbangan, sebagai berikut : P A = PoA . X A

(1-4)

dimana, PA adalah tekanan parsial komponen A di atas larutan dengan fraksi mol A adalah XA dan

o

PA

adalah tekanan uap komponen A dalam keadaan murni pada temperatur larutan

tersebut. Untuk komponen kedua dari campuran binair (komponen B), dapat dituliskan : PB = PoB .(1 − X A )

(1-5)

Disini PB menunjukkan tekanan parsial komponen B di atas larutan, dan

PoB

merupakan

tekanan uap murni komponen B pada temperatur larutan. Jika P adalah tekanan total, maka : o

o

P = P A + P B = P A . X A + P B .(1 −X A )

(1-6)

7

Karena YA merupakan fraksi komponen A dalam uap, adalah sama dengan perbandingan tekanan parsial A terhadap tekanan total, maka : YA =

PA PoA . X A PoA . X A = o = P A + P B P A . X A + PoB .(1 −X A ) P

(1-7)

Hukum Raoult berlaku untuk larutan ideal, seperti larutan benzena-toluena, nheksana-heptana, dan metil alkohol-etil alkohol, yang biasanya zat-zat tersebut mempunyai sifat kimia yang sama atau secara kimia mirip satu sama lain. Untuk larutan encer hukum Raoult berlaku bagi pelarutnya. Kenaikan temperatur larutan akan memperbesar penguapan yang berakibat pula memperbesar tekanan uap larutan atau tekanan total.

Sistem Non Ideal Larutan non ideal akan membentuk kurva antara suhu dan komposisi yang berbeda dengan bentuk kurva ideal (Gambar II.2.). Hal tersebut disebabkan karena larutan non-ideal pada kondisi tertentu akan membentuk campuran azeotrop. Campuran azeotrop adalah suatu keadaan dimana komposisi uap sama dengan komposisi cairannya atau dapat dikatakan Dew point = Bubble point Azeotrop deviasi positif terjadi bila suhu didih campuran Iebih rendah daripada suhu didih masing-masing komponen penyusunnya atau disebut dengan Minimum Boiling Mixtures. Misalnya adalah campuran isopropanol dan propilen khlorida (gambar II.3.a). Azeotrop deviasi negatif yaitu bila suhu didih campuran lebih tinggi daripada suhu didih masing-masing komponen penyusunnya atau dapat disebut sebagai Maximum Boiling Mixtures. Contohnya dan kloroform (gambar

adalah campuran aseton II.3.b)

8

Dalam larutan ideal, semua komponen (pelarut dan zat terlarut) mengikuti Hukum Roult pada seluruh selang konsentrasi. Dalam semua larutan encer yang tak mempunyai interaksi kimia di antara komponen-komponennya, Hukum Roult berlaku bagi pelarut, baik ideal maupun tak ideal. Tetapi Hukum Roult tak berlaku pada zat terlarut pada larutan tak ideal encer. Perbedaan ini bersumber pada kenyataan molekul-molekul pelarut yang luar biasa banyaknya. Hal ini, menyebabkan lingkungan molekul terlarut sangat berbeda dalam lingkungan pelarut murni. Zat terlarut dalam larutan tak ideal encer mengikuti Hukum Henry. Bila dua cairan bercampur, maka ruang diatasnya berisi uap kedua cairan tersebut. Tekanan uap jenuh masing-masing komponen (P1) diruang itu lebih kecil dari pada tekanan uap jenuh cairan murni ( ), karena permukaan larutan diisi oleh dua jenis zat sehingga peluang tiap komponen untuk menguap berkurang. Peluang itu setara dengan fraksi molnya masingmasing (x1). Bila seluruh larutan biner diuapkan secara parsial, komponen yang mempunyai tekanan uap lebih tinggi akan terkonsentrasi pada fase uapnya, hingga terjadi perbedaan komposisi antara cairan dengan uap yang setimbang. Uap tersebut dapat diembunkan sebagai kondensat. Uap yang diperoleh dengan menguapkan secara parsial kondensat itu akan mempunyai komposisi yang lebih kaya lagi akan komponen yang mudah menguap. Jika kita menghendaki komposisi uap yang dalam kesetimbangan dengan campuran air, dengan mengetahui sifat-sifat itu (khususnya energi Gibbs) bergantung pada komposisi. Pengaruh temperatur yang pokok pada kesetimbangan uap-cair terdapat dalam tekanan uap komponen murni atau lebih tepatnya dalam fugasitas zat cair komponen murni. Sementara koefisien

aktivitas

bergantung

pada

temperatur

sebagaimana

halnya

komposisi.

Ketergantungan itu, biasanya kecil bila dibandingkan dengan ketergantungan tekanan uap zat cair murni pada temperatur. Dalam suatu campuran, kenaikan temperature C meningkatkan tekanan uap zat cair sebesar 1,5 - 2 kali. Oleh karena itu, pada perubahan temperatur yang besar lebih mudah bila pengaruh temperatur terhadap gE diabaikan saja ketika menghitung kesetimbangan uap-cair.

9

Pada suhu-suhu rendah yang terdapat adalah fase cair. Begitu suhu dinaikkan, fase uap mulai muncul, kemudian jumlahnya secara relatif bertambah dan akhirnya menghilang kembali. Akan tetapi, bila tekanan dinaikkan pada suhu tetap sedikit di atas suhu kritis C bagi komposisi yang bersangkutan. Demikian tekanan dinaikkan, pengembunan mulai terjadi dan masih akan berlanjut bila tekanan dinaikkan sedikit lagi, tetapi penambahan tekanan lebih lanjut akan mengakibatkan cairan mulai menguap kembali dan cairan akan menghilang bila tekanan dinaikkan. Fraksi mol suatu komponen di dalam fase uap larutan mengikuti Hukum Roult dan tekanan parsial komponennya dapat dihitung. Diagram fase suatu zat memperlihatkan daerah-daerah tekanan dan temperatur dimana berbagai fase bersifat stabil secara termodinamis. Batas-batas antara daerah-daerah itu, yaitu batas-batas fase memperlihatkan nilai P dan T dimana dua fase berada dalam kesetimbangan. Jika suatu komponen pelarut mendekati murni, komponen itu berperilaku sesuai dengan Hukum Roult dan mempunyai tekanan uap yang sebanding dengan fraksi mol. Beberapa larutan menyimpang jauh dari hukum Roult. Walaupun demikian, dalam hal ini hukum itu semakin dipatuhi jika komponen berlebihan (sebagai pelarut) sehingga mendekati kemurnian. Bisa dikatakan bahwa hukum Roult ini menerangkan pendekatan yang baik untuk pelarut selama larutan itu encer. Kimia memberi notasi kuantitatif yang berhubungan dengan zat murni dengan superskrip, sehingga potensial kimia campuran A adalah μA, karena tekanan uap cairan murni pada kesetimbangan kedua potensial kimiawi sama besar, sehingga keduanya dapat dieliminasi. 2.4 Contoh Soal : Hitunglah komposisi kesetimbangan uap-cairan pada tekanan konstan untuk campuran metanol-air yang diharapkan sistem hingga membentuk campuran ideal. Penyelesaian: Titik didih pada tekanan 1 atm untuk metanol (A) = 64,7 ͦC dan untuk air(B) = 100 ͦC berdasarkan data ini maka perhitungan dibuat pada suhu diantara kedua titik didih komponen penyusun campuran tersebut. Sebagai contoh pada suhu 80 ͦC = 1362,5 mmHg dan = 760 mmHg ᵖᵖ

10

Selanjutnya, dengan cara yang sama data dari tabel berikut ini dapat dihitung : T ( ͦC) 64,7 70 75 80 85 90 95 100

ᵖa 760 968,7 1165,6 1362,5 1600 2000 2400 2800

ᵖb 175,0 233,7 289,1 355,1 433,6 525,8 633,9 760

ᵖc 1,000 0,716 0,537 0,402 0,280 0,159 0,071 0,000

X 1,000 0,913 0,834 0,721 0,590 0,428 0,224 0,000

Y 4,34 4,15 4,03 3,84 3,69 3,80 3,79 3,68

Nilai viskositas relatif rata – rata adalah 3,916 sehingga persamaan hubungan ‘x’ dan ‘y’ dapat dituliskan sebagai berikut :

Berdasarkan persamaan ini dapat digambakan kurva keseimbangan antara ‘x’ dan ‘y’ 2.5 Contoh penerapan konsep keseimbangan pada suatu unit proses Suplai raw material berupa methanol dan degassing berlangsung sebagai berikut : Raw methanol

Flashing

gas + cairan

11

Prinsip kesetimbangan dua fasa untuk campuran biner dapat dilihat pada gambar berikut ini. Untuk satu stage seimbang contoh aplikasinya dapat bersifat kontinyu maupun batch seperti pada flash distillation dan batch distillation.

Aplikasi sederhana : 1. Flash distillation 2. Batch distillation 12

Larutan dapat didefinisikan sebagai suatu sistem homogen yang terdiri dari dua komponen atau lebih. Istilah pelarut dan zat terlarut sebenarnya biasa dipertukarkan, tetapi istilah pelarut biasanya digunakan untuk cairan, bila larutan terdiri dari padatan atau gas dalam cairan. Istilah ini untuk jenis larutan lain biasa digunakan untuk menyatakan zat yang

13

terdapat dalam jumlah yang lebih banyak. Komponen–komponen yang terdapat dalam jumlah yang lebih sedikit biasanya dinamakan zat terlarut (Bird,1993). Jika kita menghendaki komposisi uap yang dalam kesetimbangan dengan campuran air, tidak cukup bila kita hanya mengetahui sifat-sifat campuran cair pada komposisi seperti itu saja; sekarang kita juga harus mengetahui sampai sejauh mana sifat-sifat itu (khususnya energi Gibbs) bergantung pada komposisi. Pengaruh temperatur yang pokok pada kesetimbangan uap-cair terdapat dalam tekanan uap komponen murni atau lebih tepatnya dalam fugasitas zat cair komponen murni. Sementara koefisien aktivitas bergantung pada temperatur sebagaimana halnya komposisi, ketergantungan itu biasanya kecil bila dibandingkan dengan ketergantungan tekanan uap zat cair murni pada temperatur. Dalam suatu campuran, kenaikan temperature 10 oC meningkatkan tekanan uap zat cair sebesar 1,5 - 2 kali. Oleh karena itu, kecuali pada perubahan temperatur yang besar sering lebih mudah bila pengaruh temperatur terhadap gE diabaikan saja ketika menghitung kesetimbangan uap-cair (Reid, 1990). Bila seluruh larutan biner diuapkan secara parsial, komponen yang mempunyai tekanan uap lebih tinggi akan terkonsentrasi pada fase uapnya, hingga terjadi perbedaan komposisi antara cairan dengan uap yang setimbang. Uap tersebut dapat diembunkan sebagai kondensat. Uap yang diperoleh dengan menguapkan secara parsial kondensat itu akan mempunyai komposisi yang lebih kaya lagi akan komponen yang mudah menguap (Alberty, 1987 ). Larutan dikatakan ideal jika larutan tersebut mengikuti hukum Roult pada seluruh kisaran komposisi sistem. Hukum Roult dalam bentuknya yang lebih umum didefinisikan sebagai fugasitas dari tiap komponen dalam larutan yang sama dengan keadaan serta fraksi molnya dalam larutan tersebut, yakni: f1 = X1 . f1* Sedangkan hubungan antara tekanan parsial dan komposisinya dalam larutan merupakan pendekatan dalam hal larutan yang mempunyai komponen tekanan parsial kecil. P1 = X1 . P1o. Dimana : p1 = tekanan uap larutan po = tekanan uap larutan murni X1 = mol fraksi larutan Potensial kimia dari tiap komponen dalam larutan didefinisikan sebagai : µ 1 = µ1o + R T ln X1 (Dogra, 1990). Komponen (pelarut dan zat terlarut) larutan ideal mengikuti Hukum Roult pada seluruh selang konsentrasi. Larutan encer yang tak mempunyai interaksi kimia di antara 14

komponen-komponennya, Hukum Roult berlaku bagi pelarut, baik ideal maupun tak ideal. Tetapi Hukum Roult tak berlaku pada zat terlarut pada larutan tak ideal encer. Perbedaan ini bersumber pada kenyataan : molekul-molekul pelarut yang luar biasa banyaknya. Hal ini menyebabkan lingkungan molekul terlarut sangat berbeda dalam lingkungan pelarut murni. Zat terlarut dalam larutan tak ideal encer mengikuti Hukum Henry, bukan Hukum Roult (Petrucci, 1992). Larutan juga dapat dikatakan sebagai larutan ideal apabila : 1.

Homogen pada seluruh system mulai dari mol fraksi 0-1 2.

Tidak ada entalpi pencampuran pada waktu komponen-komponen dicampur membentuk larutan ( ∆H pencampuran = 0 )

3.

Tidak ada beda volume pencampuran, artinya volume larutan sama dengan jumlah komponen yang dicampurkan ( ∆V pencampuran = 0 ) (Tim Penyusun, 2014). Komponen larutan ideal adalah komponen yang satu akan mempengaruhi sifat

komponen yang lain, sehingga sifat larutan yang dihasilkan terletak diantara sifat kedua komponennya. Contoh, sistem benzene-toluena. Larutan non ideal adalah larutan yang tidak memiliki sifat di atas. Larutan ini dibagi dua golongan yaitu : Larutan non ideal deviasi positif yang mempunyai volume ekspansi, dimana akan menghasilkan titik didih maksimum pada sistem campuran itu. Contoh : sistem aseton-karbondisulfida. Larutan non ideal deviasi negative yang mempunyai volume kontraksi, dimana akan menghasilkan titik didih minimum pada sistem campuran itu. Contoh : sistem benzene-etanol dan aseton-kloroform (Tim Penyusun, 2014).

15

BAB III PENUTUP 3.1. Kesimpulan Dalam makalah ini kita telah belajar mengenai grafik kesetimbangan konsentrasi solut dalam fase uap-cair. Adapun rinciannya sebagai berikut : 1. Kesetimbangan Fasa adalah suatu keadaan dimana suatu zat memiliki komposisi yang pasti pada kedua fasanya pada suhu dan tekanan tertentu, biasanya pada fasa cair dan uapnya. 2. Diagram fasa merupakan cara mudah untuk menampilkan wujud zat sebagai fungsi suhu dan tekanan. 3. Komponen–komponen yang terdapat dalam jumlah yang lebih sedikit biasanya dinamakan zat terlarut Pengaruh temperatur yang pokok pada kesetimbangan uap-cair terdapat dalam tekanan uap komponen murni atau lebih tepatnya dalam fugasitas zat cair komponen murni.

4. Koefisien aktivitas bergantung pada temperatur sebagaimana halnya komposisi, ketergantungan itu biasanya kecil bila dibandingkan dengan ketergantungan tekanan uap zat cair murni pada temperatur.

16

DAFTAR PUSTAKA Anonim. 2012. LECTURE15, (online).(https://www.pdfcoke.com/document/113442384/TugasKesetimbangan-Uap-Cair, diunduh pada 5 April 2019) https:/docplayer.info/72891694-Kesetimbangan-fasa-sistem-satu-komponen-aturan-fasa-gibbs.html

,

diunduh pada 5 April 2019) https://thekicker96.wordpress.com/kesetimbangan-fasa/ , diunduh pada 5 April 2019)

17