ABSTRAK Percobaan ini bertujuan untuk memperoleh data kesertimbangan uap-cair dalam system biner (2 senyawa yang ingin dipisahkan). Hasil data yang diperoleh dikorelasikan dalam bentuk model-model termodinamika. Nilai parameter- parameter model matematika didapatkan dengan meregresikanya secara tidak linear berdasarkan kriteria jumlah kuadrat terkecil. Pada percobaan ini digunakan piknometer untuk mengukur densitas komponen murni A dan komponen murni B yang nantinya akan menjadi campuran mengalami kesetimbangan. Selanjutnya digunakan refraktometer untuk mengukur indeks bias sebagai kalibrasi antara indeks bias dan komposisi dari larutan campuran. Terakhir, digunakan ebuliometer untuk mendapatkan hasil fasa cair dan fasa uap keseimbangan untuk diketahui indeks bias dan komposisi masing-masing produk fasa. Dari percobaan ini, didapatkan bahwa komposisi etanol kesetimbangan uap cair pada suhu … adalah sebesar …. Hal ini dapat dibandingkan dengan hasil pemodelan yang juga sudah mendekati nilai literatur. Halaman 1 dari 39
Percobaan ini bertujuan untuk memperoleh data kesertimbangan uap-cair dalam system biner (2 senyawa yang ingin dipisahkan).Hasil data yang diperoleh dikorelasikan dalam bentuk model-model termodinamika.Nilai parameter-parameter model matematika didapatkan dengan meregresikanya secara tidak linear berdasarkan kriteria jumlah kuadrat terkecil. Pada percobaan ini digunakan piknometer untuk mengukur densitas komponenmurni A dan komponen murni B yang nantinya akan menjadi campuran mengalami kesetimbangan. Selanjutnya digunakan refraktometer untuk mengukur indeks bias sebagai kalibrasi antara indeks bias dan komposisi dari larutan campuran. Terakhir, digunakan ebuliometer untuk mendapatkan hasil fasa cair dan fasa uap keseimbangan untuk diketahui indeks bias dan komposisi masing-masing produk fasa.
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
ABSTRAK
Percobaan ini bertujuan untuk memperoleh data kesertimbangan uap-cair dalam
system biner (2 senyawa yang ingin dipisahkan). Hasil data yang diperoleh dikorelasikan
dalam bentuk model-model termodinamika. Nilai parameter-parameter model matematika
didapatkan dengan meregresikanya secara tidak linear berdasarkan kriteria jumlah kuadrat
terkecil.
Pada percobaan ini digunakan piknometer untuk mengukur densitas komponen
murni A dan komponen murni B yang nantinya akan menjadi campuran mengalami
kesetimbangan. Selanjutnya digunakan refraktometer untuk mengukur indeks bias sebagai
kalibrasi antara indeks bias dan komposisi dari larutan campuran. Terakhir, digunakan
ebuliometer untuk mendapatkan hasil fasa cair dan fasa uap keseimbangan untuk diketahui
indeks bias dan komposisi masing-masing produk fasa.
Dari percobaan ini, didapatkan bahwa komposisi etanol kesetimbangan uap cair
pada suhu … adalah sebesar …. Hal ini dapat dibandingkan dengan hasil pemodelan yang
juga sudah mendekati nilai literatur.
Kata Kunci : Kesetimbangan, komposisi, indeks bias
Halaman 1 dari 28
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kesetimbangan uap cair merupakan data termodinamika yang sangat
diperlukan dalam merancang dan mengoperasikan kolom-kolom distilasi. Data
kesetimbangan uap cair dapat diperoleh melalui eksperimen dan pengukuran.
Percobaan lengkap memerlukan waktu yang lama dan biaya yang besar karena
dibutuhkan serangkaian metoda pengukuran untuk mendapatkannya, sehingga cara
yang umum ditempuh adalah dengan pengukuran data pada beberapa kondisi tertentu
kemudian meringkasnya dalam bentuk model-model matematika yang relatif mudah
diterapkan dalam persamaan yang dapat diselesaikan dengan perhitungan-perhitungan
komputer. Pemakaian model matematika termodinamika harus berdasarkan landasan
teoritik yang tepat sehingga penerapan di luar batas pengembangan modelnya dapat
dipertanggung jawabkan.
Data kesetimbangan uap-cair biner, terutama campuran etanol-air sudah
banyak terdapat dalam literatur. Oleh karena itu, untuk mengetahui hasil percobaan
dan hasil pemakaian model matematika untuk kesetimbangan uap cair yang akurat,
dibandingkan hasilnya dengan literatur.
1.2 Tujuan
Setelah melakukan praktikum kesetimbangan uap cair diharapkan:
1. Memperoleh beberapa data komposisi saat kesetimbangan uap cair campuran
biner pada suhu tertentu
2. Membandingkan hasil data yang telah diambil dengan salah satu model
matematik yaitu Wilson dan dengan literatur.
Halaman 2 dari 28
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Kesetimbangan dan Kesetimbangan Uap Cair
Sebuah sistem dikatakan berada dalam kesetimbangan termodinamika jika,
ketika diisolasi dari lingkungannya, tidak akan terjadi perubahan yang dapat terlihat
secara makroskopik (Moran, 2004). Syarat utama keadaan kesetimbangan adalah
terdapat temperatur yang seragam pada system. Jika kondisi termal ini tidak dipenuhi,
perpidahan kalor yang terjadi harus diisolasi. Lalu, tidak boleh terjadi
kettidaksetimbangan gaya pada system. Kondisi-kondisi ini menjamin sitem berada
dalam kesetimbangan termal dan mekanik, namum masih mungkin terjadi
kesetimbangan yang tidak menyeluruh Kriteria kondisi kesetimbangan dikembangkan
dengan menggunakan prinsip konservasi energi dan hukum kedua termodinamika.
Pada kesetimbangan uap cair biner, dua fasa berada dalam kesetimbangan
termodinamika apabila temperatur dan tekanan kedua fasa serta potensial kimia pada
keadaan terisolasi masing-masing komponen yang terlibat bernilai sama. Potensial
kimia adalah ukuran stabilitas kimia yang dapat digunakan untuk mempredikasi dan
menafsirkan perubahan fasa dan reaksi kimia. 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 fugasitas, kesamaan potensial kimia dapat diartikan pula sebagai
kesamaan fugasitas tanpa mengurangi arti yang terkandung di dalamnya.
2.2 Indeks Bias dan Refraktometer
Indeks bias menurut pengertian fisis adalah kemampuan cahaya merambat
dalam suatu zat berdasarkan molekul-molekul penyusun zat tersebut. Sedangkan
berdasarkan persamaan matematis, indeks bias adalah perbandingan cepat rambat di
udara dengan cepat rambat cahaya ketika melalui suatu zat. Apabila seberkas cahaya
Halaman 3 dari 28
jatuh pada permukaan air, sebagian dipantulkan (reflaksi) oleh permukaan, sebagian
lagi dibiaskan (refraksi) masuk kedalam air. Pengukuran indeks bias berguna untuk
sebagai berikut.
a. Menilai sifat dan kemurnian suatu medium salah satunya berupa cairan.
b. Mengetahui konsentrasi larutan-larutan.
c. Mengetahui nilai perbandingan komponen dalam campuran dua zat.
d. Mengetahui kadar zat yang diekstraksikan dalam pelarut.
Refraktometer adalah alat untuk mengukur indeks bias cairan, padatan atau
serbuk dalam cairan. Ciri khas refraktometer yaitu dapat dipakai untuk mengukur
secara tepat dan sederhana karena hanya memerlukan zat yang sedikit yaitu 0,1 mL
dan ketelitiannya cukup tinggi. Faktor-faktor yang mempengaruhi harga indeks bias
cairan yaitu:
a. Berbanding terbalik dengan suhu
b. Berbanding terbalik dengan panjang gelombang sinar yang digunakan
c. Berbanding lurus dengan tekanan udara dipermukaan udara
d. Berbanding lurus dengan kadar atau konsentrasi larutan
2.3 Hukum Rault Termodifikasi
Pada sistem bertekanan rendah, persamaan perhitungan hasil kesetimbangan
uap cair akan lebih akurat menggunakan hukum Rault termodifikasi dibandingkan
hukum Rault dasar (anggapan kedua fasa gas ideal). Deviasi-deviasi dari keidealan
lautan pada fasa cair diperhitungkan dengan menyisipkan faktor koefisien aktivitas (
γ1). Persamaannya adalah sebagai berikut.
y1 P=x i γi P isat (i=1,2, …, N ) (2.1 )
Persamaan di atas dapat digunakan dengan asumsi fasa gas ideal dan fasa cair
dianggap tidak ideal.
Halaman 4 dari 28
2.4 Parameter-Parameter Model Matematika
Parameter model ini digunakan untuk menyesuaikan hasil perkiraan model
dengan data yang diperoleh dari percobaan. Jumlah parameter bergantung pada model
yang digunakan dan pemilihan model biasanya disesuaikan dengan kondisi dan
sistem yang ditangani. Pada tekanan rendah model termodinamika sederhana yang
digunakan adalah persamaan Hukum Raoult Termodifikasi (Persamaan 1). Koefisien
aktivitas dihitung dengan menggunakan Persamaan Wilson. Parameter Wilson terdiri
dari 2 parameter yaitu (λ12−λ11) dan (λ12−λ22).
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.(Silverman dan Tassios, 1977).
Pemodelan Wilson memiliki kelebihan sebagai berikut.
1. Dapat digunakan untuk sistem biner dan multikomponen, penyelesaiannya tidak
terlalu rumit
2. Sangat cocok digunakan untuk campuran biner yang sangat non-ideal seperti
larutan alkohol dengan hidrokarbon
3. Dapat digunakan untuk campuran larut sebagian (partial miscible) dengan syarat
terbatas hanya pada wilayah yang memiliki satu fase.
4. Hanya memiliki 2 parameter sehingga secara matematik lebih simpel.
Halaman 5 dari 28
2.5 Data Kesetimbangan Uap Cair Literatur
Tabel 2.1 Data kesetimbangan untuk system Etanol - Air pada tekanan 101.325 kPa (1 atm)
(Geankoplis, 1997)
TemperaturxA yA
TemperaturxA yAOC OF OC OF
10098.195.291.887.384.783.282.0
212208.5203.4197.2189.2184.5181.7179.6
00.0200.0500.1000.2000.3000.4000.500
00.1920.3770.5270.6560.7130.7460.771
81.080.179.178.378.278.178.278.3
177.8176.2174.3173.0172.8172.7172.8173.0
0.6000.7000.8000.9000.9400.9600.9801.000
0.7940.8220.8580.9120.9420.9590.9781.000
Halaman 6 dari 28
BAB III
METODOLOGI PERCOBAAN
3.1 Alat dan Bahan
Alat-alat yang digunakan dalam percobaan adalah SOLTEQ Vapor Liquid
Equilibrium yang terdiri dari kondensor, evaporator, penampung produk bawah,
pressure relief valve, control panel, top sample collector, rotameter, dan heater;
Termometer Gelas; Gelas Ukur; Gelas Kimia; Refraktometer; dan Selang Air.
Bahan yang digunakan dalam percobaan adalah Campuran biner etanol-air, untuk
setiap percobaan dibutuhkan 5 L campuran.
3.2 Skema Alat
a. Ebuliometer
Gambar 3.1 Skema Alat Ebuliometer
Halaman 7 dari 28
b. Refraktometer
3.3 Prosedur Kerja
Pada percobaan ini terdapat tiga bagian prosedur kerja yaitu pengukuran
densitas komponen etanol dan air, kalibrasi refraktometer untuk campuran etanol air
agar diketahui indeks biasnya, dan pengoperasian ebuliometer untuk mendapatkan
indeks bias dari produk atas dan produk bawah yang selanjutnya dignakan untuk
menghitung komposisi kesetimbangan uap cair.
3.3.1 Pengukuran Densitas
Pengukuran densitas air dan etanol dilakukan dengan piknometer. Gunakan
aqua dm sebagai larutan standar yang diketahui densitas pada setiap temperatur.
Sebelum menggunakan piknometer, cek apakah piknometer sudah bersih dan benar-
benar kosong. Timbang saat piknometer berada pada keadaan kosong, catat hasil
pengukuran. Masukkan aqua dm hingga penuh, tutup piknometer. Sebelum mengukur
berat piknometer, pastikan tidak ada air yang menempel pada dinding luar
piknometer dan praktikan tidak memegang piknometer dengan tangan kosong (bisa
menggunakan tissue) agar keringat yang ada di kulit tidak ikut terukur saat
penimbangan. Kemudian timbang piknometer yang berisi aqua dm, catat hasil
pengukuran. Keluarkan aqua dm, bersihkan piknometer dengan aseton, tunggu hingga
kering. Masukkan air keran ke dalam piknomerter hingga penuh lalu tutup. Timbang
piknometer yang berisi air keran, catat hasil pengukuran.
3.3.2 Kalibrasi Refraktometer
Digunakan refraktometer untuk mengukur indeks bias. Pengukuran
dilakukan dengan meneteskan sampel yang akan dianalisis pada prisma refraktometer
yang telah dibersihkan sebelumnya dengan aseton. Pada percobaan ini larutan etanol-
air dengan fraksi volume etanol sebesar 0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9;
dan 1. Kemudian dilakukan pengamatan pada bacaan refraktometer, dan ditentukan
indeks bias hasil pengukuran tersebut.
Halaman 8 dari 28
3.3.3 Pengoperasian Ebuliometer
Campuran yang digunakan sebagai feed adalah air dan etanol dengan fraksi
volume etanol sebesar 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; dan 0,9. Untuk itu dilakukan 6 kali run
(masing-masing kelompok 3 kali run). Saat akan menggunakan ebuliometer, yang
pertama dilakukan adalah start-up dengan mengecek semua bagian alat dan
menyalakannya. Lalu buka penutup umpan dan masukkan umpan, cek level umpan
hingga ¾ level maksimum. Pastikan sistem dalam kondisi tekanan atmosferik.
Nyalakan keran air pendingin dan kondensor, tunggu hingga air pendingin konstan.
Set temperatur awal sebesar 100oC dan nyalakan heater. Tunggu selama beberapa
menit hingga temperatur konstan, catat temperatur dan keluarkan sampel kondensat
dari gas dan sampel liquid. Lakukan pengukuran indeks bias untuk kedua hasil
sampel tersebut. Tentukan fraksi mol dari kedua sampel dengan menggunakan kurva
kalibrasi refraktometer yang sudah dialurkan. Lakukan prosedur ini untuk run
selanjutnya dengan umpan yang memiliki fraksi volume yang berbeda. Dengan
menambahkan nilai-nilai parameter yang diketahui dari hasil percobaan dibuat ke
dalam kurva T,x-y dengan bantuan model matemaika Wilson menggunakan software
Hysys dan dibandingkan dengan nilai fraksi dari data yang diperoleh.
3.4 Variabel Percobaan
Variabel yang digunakan dalam percobaan terbagi menjadi tiga yaitu variabel
bebas, variabel tetap, dan variabel terikat.
3.4.1 Variabel Bebas
Variabel bebas yang digunakan dalam percobaan ini yaitu fraksi mol umpan
yang akan dimasukkan ke ebuliometer.
3.4.2 Variabel Tetap
Variabel tetap pada percobaan ini adalah tekanan dalam ebuliometer.
Halaman 9 dari 28
3.4.3 Variabel Terikat
Variabel terikat dalam percobaan ini adalah temperatur dan fraksi mol
etanol dari fasa uap dan fasa cair.
Halaman 10 dari 28
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Pengukuran Densitas Larutan
Densitas larutan murni air dan etanol diukur dengan menggunakan piknometer.
Densitas air atau aqua dm, didapatkan dari literatur pada temperatur ruangan.
Berdasarkan tabel A.1 pada lampiran A diperoleh nilai densitas air sebesar 996,688
kg/m3. Perhitungan densitas etanol dapat dilakukan menggunakan persamaan sebagai