6550S1TKCE50332018 - Operasi Teknik Kimia II - Pertemuan 5 - Materi Tambahan [PDF]

Citation preview

Konsep Dasar Kristalisasi Distribusi Ukuran Kristal Kristalisasi Batch Rekristalisasi Pertemuan 5



Tujuan



Tujuan Pembelajaran Umum • Mahasiswa mampu memahami konsep dasar proses kristalisasi



Tujuan Pembelajaran Khusus • Mahasiswa mampu menjelaskan cara kerja peralatan kristalisasi



PENGERTIAN KRISTALISASI  Kristalisasi adalah suatu unit operasi teknik kimia dimana senyawa kimia dilarutkan dalam suatu pelarut (solvent) dan pada kondisi tertentu akan terpresipitasi dan terpisah di antara fasa.



 Kristalisasi adalah Pemisahan padat-cair dimana terjadi transfer massa solute dari larutan ke padatan.  Kristalisasi adalah partikel padatan yang terbentuk dari fase homogen (larutan)  Solute = zat yang terlarut (gula, garam, dll)  Solvent = pelarut (air, alkohol, minyak, benzena, dll)



Istilah  Larutan adalah campuran homogen yang terdiri dari dua atau lebih zat.  Kelarutan (solubility) adalah kemampuan suatu zat kimia tertentu, zat terlarut (solute) untuk larut dalam suatu • Kelarutan adalah jumlah zatpelarut terlarut(solvent). yang dibutuhkan untuk membentuk larutan jenuh pada suhu tertentu dan jumlah pelarut tertentu. Kelarutandengan diacu dalam dalam 2 istilah, yaitu larutanmol/L jenuh, atau dn biasa  Kelarutan disimbolkan s (solubility) dengan satuan larutansatuan tak jenuh. menggunakan molaritas M. M = n/ V • Larutan jenuh adalah larutan yang mengandung lebih dari jumlah  Dengan M adalah molaritas (mol/L), n adalah jumlah mol zat (mol), V adalah volume maksimum zat terlarut daripada larutan jenuh pada kondisi yang sama. larutan atau pelarut (L).  Komposisi zatproses terlarut dalam larutan dinyatakan dengan konsentrasi larutan. • Pada kristalisasi, kondisi yang dibutuhkan adalah lewat jenuhSedangkan proses (contoh: pencampuran zat terlarut dan pelarut membentuk larutan disebut sebagai garam) pelarutan atau solvasi.



Istilah



 Tetapan Hasil Kali Kelarutan (Ksp)  Suatu zat terlarut yang dilarutkan dalam pelarut akan membentuk reaksi kesetimbangan. Terjadinya kesetimbangan dipengaruhi oleh zat terlarut yang tidak larut dan ion-ion zat terlarut. Kelarutan adalah jumlah zatsuatu terlarut yang dibutuhkan untuk  Berikut• contoh tetapan kesetimbangan reaksi.



membentuk larutan jenuh pada suhu tertentu dan jumlah pelarut tertentu. Kelarutan diacu dalam dalam 2 istilah, yaitu larutan jenuh, dn larutan tak jenuh.



 Sesuai dengan kaidah penulisan rumus kesetimbangan, hanya zat dalam bentuk larutan (aq) dan solid (s) yang ditulis ke dalam rumus. Sehingga diperoleh:



• Larutan jenuh adalah larutan yang mengandung lebih dari jumlah maksimum zat terlarut daripada larutan jenuh pada kondisi yang sama.



• Pada proses kristalisasi, kondisi yang dibutuhkan adalah lewat jenuh Tetapan kesetimbangan larutan yang sukar larut tersebut dinamakan (contoh: garam)



sebagai tetapan hasil kali kelarutan (Ksp).



Jenis Larutan 1. Larutan Tak Jenuh  Larutan tak jenuh adalah larutan yang mengandung zat terlarut kurang dari yang diperlukan untuk membuat larutan jenuh. Larutan tak jenuh partikel yang tidakuntuk tepat habis bereaksi dengan • Kelarutan adalah jumlah zat mengandung terlarut yang dibutuhkan pereaksi dengan kata lain masih bisa melarutkan zat.



membentuk larutan jenuh pada suhu tertentu dan jumlah pelarut Kelarutan diacu dalam dalamion 2 istilah, yaitularutan larutan jenuh,  Larutan tertentu. dikatakan tak jenuh ketika nilai konsentrasi < Ksp. Pada tidak jenuh dn tidak terjadi larutan takzat jenuh. adanya pengendapan terlarut. 2. Larutan Jenuh • Larutan jenuh adalah larutan yang mengandung lebih dari jumlah maksimum daripada jenuh pada kondisi yang  Suatu larutan termasukzat ke terlarut dalam larutan jenuh larutan ketika terjadi kesetimbangan antara zat sama. terlarut dan zat pelarut. Pada larutan jenuh partikel-partikelnya tepat bereaksi dengan pereaksi atau mengalami konsentrasi maksimal.



• Pada proses kristalisasi, kondisi yang dibutuhkan adalah lewat jenuh  Larutan (contoh: dikatakan garam) jenuh apabila hasil konsentrasi ion sama dengan nilai Ksp. Dalam kondisi kesetimbangan ini kecepatan zat terlarut dalam zat pelarut sama dengan kecepatan mengendap. Artinya, konsentrasi zat dalam larutan bernilai sama.



Jenis Larutan 3. Larutan Lewat Jenuh (Supersaturated solution) • Kelarutan adalah jumlah zat terlarut yang dibutuhkan untuk Larutan lewat jenuh/ supersaturasi yaitu larutan yang mengandung membentuk larutan jenuh pada suhu tertentu dan jumlah pelarut lebih tertentu. banyakKelarutan zat terlarut (solute) dibandingkan dengan zatdnpelarut diacu dalam dalam 2 istilah, yaitu larutan jenuh, (solvet). larutan tak jenuh.



Atau• Larutan denganjenuh kataadalah lain, larutan larutan yang tidak dapat melarutkan zat yang mengandung lebihlagi dari jumlah terlarut sehingga endapan. maksimum zat terjadi terlarut daripada larutan jenuh pada kondisi yang sama.



Hal ini menyebabkan nilai hasil kali konsentrasi > jenuh Ksp sehingga • Pada proses kristalisasi, kondisi yang dibutuhkan adalahion lewat larutan lewatgaram) jenuh dan mengendap. (contoh:



Berdasarkan banyak sedikitnya zat terlarut, larutan dapat dibedakan menjadi 2, yaitu: a) Larutan pekat yaitu larutan yang mengandung relatif lebih banyak solute dibanding solvent. b) Larutan encer yaitu larutan yang relatif lebih sedikit solute dibanding solvent.



TEORI KRISTALISASI  Pada proses kristalisasi, kondisi yang dibutuhkan adalah lewat jenuh, (contoh: garam)



Untuk membentuk Kristal, fase cairan (liquid) harus melewati kondisi kesetimbangan dan menjadi lewat jenuh (untuk larutan) atau kondisi lewat dingin (untuk lelehan) Kondisi tersebut dapat tercapai melalui pendinginan dibawah titik leleh suatu komponen (contoh: air) atau melalui penambahan sehingga dicapai kondisi lewat jenuh (contoh: garam dan gula)



Lewat Jenuh (Supersaturasi)  Pendinginan Solubilitas padatan dalam cairan akan menurun seiring dengan penurunan suhu (pendinginan)  Penguapan solven Konsentrasi larutan menjadi makin pekat  Menurunkan solubilitas padatan Ketika suatu cairan atau larutan telah jenuh, terdapat termodinamika yang mendorong kristalisasi. Molekul-molekul cenderung membentuk Kristal karena pada bentuk Kristal, energi sistem tercapai maksimum.



TEORI KRISTALISASI Kristal terbentuk dari larutan lewat jenuh (supersaturated) melalui 2 langkah, yaitu ; 1. Nukleasi (pembentukan inti kristal). 2. Pertumbuhan kristal. Jika semula larutan tidak berisi padatan, pembentukan inti terjadi sebelum kristal tumbuh. Inti-inti baru secara kontinyu terbentuk, sementara intiinti yang sudah ada tumbuh menjadi kristal. Driving force kedua langkah di atas adalah supersaturasi, artinya kedua langkah tersebut tidak dapat terjadi pada larutan jenuh atau undersaturated



NUKLEASI Nukleasi adalah proses pembentukan inti yang akan terjadi setelah kondisi supersaturasi tercapai. Nukleasi terbagi 2 yaitu nukleasi primer dan nukleasi sekunder 1) Nukleasi Primer Setelah kondisi supersaturasi dicapai, langkah pertama adalah membentuk inti kristal primer, yang akan merangsang pembentukan kristal. Untuk membentuk inti kristal primer, jika dibuat dari larutan induk, maka beda konsentrasi larutan lewat jenuh dengan konsentrasi jenuh (C-C*) sebagai driving force proses kristalisasi harus dibuat besar (membutuhkan energi yang sangat besar), untuk skala industri,tidak efisien. Lebih disukai cara penambahan kristal yang sudah jadi, untuk menginisiasi pembentukan inti kristal primer



NUKLEASI 2) Nukleasi Sekunder  Pada fase ini,kristal tumbuh dikarenakan kontak antara kristal dan larutan.



 Nukleasi sekunder membutuhkan bibit atau kristal yang sudah jadi untuk merangsang pertumbuhan kristal yang baru.



Tipe Pembentukan Inti Kristal A. Pembentukan inti kristal tipe homogen Molekul dalam larutan terbentuk secara bersamaan, baik berupa molekul tunggal maupun berupa unit molekul yg berikatan sebagai suatu gugus. Gugus tsb kemudian terbentuk terus menerus dalam larutan lewat jenuh atau lewat dingin. Pembentukan inti krstal tipe ini berlangsung tanpa bantuan senyawa asing di dalam larutan



Tipe Pembentukan Inti Kristal b. Pembentukan inti kristal tipe heterogen Inti kristal tipe heterogen terdiri dari beberapa senyawa yang berbeda. Pembentukan inti kristal heterogen berlangsung sebelum pembentukan inti kristal homogen Adanya zat asing, seperti zat pengotor, mampu mempercepat pembentukan inti kristal



Tipe Pembentukan Inti Kristal c. Pembentukan inti kristal tipe sekunder Terjadi ketika kristalit berukuran kecil dipindahkan dari permukaan kristal yg telah terbentuk dan berperan sebagai inti kristal yg baru. Mekanisme yg dilakukan melalui kontak antara satu kristal dengan kristal lainnya melalui pengadukan dalam tangki agitasi.



Parameter yang memengaruhi terbentuknya inti Kristal



1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.



Kondisi lewat dingin Suhu Sumber inti kristal Viskositas Kecepatan pendinginan Kecepatan agitasi Bahan tambahan Densitas massa kristal



Parameter yang mempengaruhi terbentuknya inti Kristal 1. Kondisi lewat dingin larutan Semakin dingin maka waktu induksi (waktu yg diperlukan sampai inti kristal terbentuk) akan semakin pendek. 2. Suhu Penurunan suhu akan menginduksi pembentukan kristal secara cepat.



3. Sumber inti kristal Inti yang terbentuk pada pembentukan kecenderungan mempercepat kristalisasi



tipe



heterogen



memiliki



Parameter yang mempengaruhi terbentuknya inti Kristal 4. Viskositas Ketika viskositas meningkat akibat menurunnya suhu dan meningkatnya konsentrasi larutan, proses pembentukan inti kristal akan terbatasi. Hal ini disebabkan berkurangnya pergerakan molekul pembentuk inti kristal dan terhambatnya pindah panas sebagai energi pembetukkan inti kristal 5. Kecepatan Pendinginan Pendingingan yg cepat akan menghasilkan inti kristal yg lebih banyak dibandingkan pendinginan lambat 6. Kecepatan agitasi - Proses agitasi mampu meningkatkan laju pembentukan inti kristal. Agitasi menyebabkan pindah massa dan pindah panas berjalan lebih efisien.



Parameter yang mempengaruhi terbentuknya inti Kristal 7. Bahan tambahan dan pengotor Bahan-bahan tambahan dapat berperan untuk membantu atau menghambat pembentukan inti kristal



8. Densitas massa kristal Jumlah kristal yg terdapat dalam satu unit volume yg terdapat dalam larutan akan berpengaruh pada tingkat pertumbuhan setiap kristal.



Pertumbuhan Kristal Fase ini sangat dipengaruhi oleh konsentrasi dari larutan, suhu, energi yang dipakai untuk berada pada tahap ini (misalnya agitasi) dan tambahan eksternal (memakai molekul kristal kembali – seeding agent).



Metode Evaporasi • Bekerja dengan cara menguapkan pelarut sehingga rasio solut dengan pelarut menjadi lebih besar • Jumlah pelarut menjadi lebih sedikit sehingga larutan yang sebelumnya jenuh menjadi lewat jenuh, mendorong terjadinya kristalisasi • Contoh: NaCl, ammonium sulfat, asam tereftalat



Perbandingan Metode Kristalisasi Metode Pendinginan



Proses Pengurangan temperatur hingga solubilitas di atas kurva solubilitas



Contoh Kalium nitrat, ammonium nitrat, sukrosa



Evaporasi



Pengurangan pelarut (solvent) sehingga larutan menjadi lewat jenuh



Natrium klorida, ammonium sulfat, asam tereftalat



Pendinginan Vakum



Kombinasi pendinginan dan evaporasi



Pengenceran



Penambahan pelarut jenis lain dengan kurva solubilitas yang lebih rendah



Ammonium sulfat, natrium sulfat, kalium klorida, urea, asam adipic, natrium klorat Protein, farmasi, pewarna, intermediet



Reaksi



Pembentukan kristal solut dengan reaksi



Ammonium sulfat, natrium perborat, natrium dikromat, kalsium sulfat, ammonium fosfat



Tipe Alat Kristalisasi



Dua tipe alat Kristalisasi : (1) evaporative crystallizer (penguapan) (2) cooling crystallizer



(pendinginan)



Tipe Alat Kristalisasi 1. Evaporative Crystallizer (penguapan) Evaporative crystallizer meningkatkan konsentrasi larutan dengan menguapkan pelarut. Ketika konsentrasi meningkat, larutan menjadi jenuh dan nukleasi dimulai. Pada saat suhu larutan turun, komponen zat yang memiliki titik beku lebih tinggi akan membeku terlebih dahulu, sementara zat lain masih larut sehingga keduanya dapat dipisahkan dengan cara penyaringan. Zat lain akan turun bersama pelarut sebagai filtrat, sedangkan zat padat tetap tinggal di atas saringan sebagai residu.



Tipe Alat Kristalisasi 1. Evaporative Crystallizer (penguapan) Jenis Evaporative crystallizer :



a) Draft Tube Crystallizers b) Submerge Circulating Crystallizers



Tipe Alat Kristalisasi a) Draft Tube Crystallizers Draft tube crystallizer disebut pula Circulating Magma Vacuum Crystallizer. Setelah dipanaskan, larutan dialirkan ke badan crystallizer. Model ini menggunakan baling-baling (propeller) berkecepatan rendah untuk mengarahkan campuran ke atas melalui draft tube menuju permukaan untuk diuapkan. sementara cairan yang tersisa mengalir kembali ke bawah melalui draft tube. Kondisi vakum menjadikan menguapnya pelarut, yebabkan larutan menjadi lewat jenuh/ supersaturasi. Alat kristalisasi ini biasanya berkapasitas kecil dengan ukuran kristal sedang. Ukuran dan keseragaman kristal bergantung pada pemisahan eksternal, penggerusan (fines destruction), dan kontrol populasi kristal.



Tipe Alat Kristalisasi b) Submerge Circulating Crystallizers Submerge Circulating Crystallizers disebut juga Forced Circulating Liquid Evaporator Crystallizer. Larutan terlebih dulu dilewatkan melalui penukar panas HE. Menggunakan sirkulasi eksternal dimana larutan didorong oleh HE dengan kecepatan tinggi. Membutuhkan agitasi atau sirkulasi untuk memastikan pembentukan kristal kecil dan murni. Jenis alat kristalisasi ini berguna untuk kapasitas yang lebih besar dengan kontrol eksternal ukuran dan keseragaman ukuran yang sama. Mengkombinasikan antara pendinginan dan evaporasi untuk mencapai kondisi supersaturasi., kemudian menuju badan kristaliser. Di sini terjadi flash evaporation, mengurangi jumlah pelarut dan meningkatkan konsentrasi solut,membawa ke kondisi supersaturasi. Selanjutnya larutan ini mengalir melalui area fluidisasi dimana kristal terbentuk melalui nukleasi sekunder. Produk kristal diambil sebagai hasil bawah, sedangkan larutan pekat direcycle,dicampur dengan umpan segar.



Tipe Alat Kristalisasi 2. Cooling crystallizer (pendinginan) Proses kristalisasi larutan berdasarkan ketergantungan suhu kelarutan, dilakukan melalui perpindahan panas tidak langsung atau langsung secara vakum. Metode ini menyebabkan beberapa larutan menguap dan kemudian mendingin hingga mencapai suhu kesetimbangan dengan tekanan yang berkurang. Intinya, sejumlah kecil pelarut memancarkan panas laten, kemudian menurunkan suhu larutan. Meskipun terjadi penurunan jumlah solvent, proses kristalisasi disebabkan oleh perubahan suhu pada larutan. Penurunan suhu akan membuat larutan lewat jenuh/ supersaturasi, mengembangkan inti dan mendorong pertumbuhan kristal untuk memaksa garam keluar dari larutan dan mengkristal.



Tipe Alat Kristalisasi



2. Cooling crystallizer (pendinginan)



cooling crystallizer ada 3 macam yaitu: a. vacuum cooling crystallizers, b. continuous cooling crystallizers, c. scraped surface crystallizers.



Tipe Alat Kristalisasi a) Vacuum Cooling Crystallizers Useful for maintaining tighter control of crystal size, this vessel utilizes either a batch or a continuous crystallization process. The batch operation is optimal for controlled crystal sizing, as each crystal endures the process for the same amount of time, leading to consistent dimensions. b) Continuous Cooling Crystallizers This model removes a slurry to a centrifuge, returns centrifuged dilute solution to an evaporator for concentration, and then supplies this concentrated warm solution to the cooling crystallizer.



Tipe Alat Kristalisasi



c) Scraped Surface Crystallizers Contoh crystallizer jenis ini adalah Swenson-Walker crystallizer. Bagian luar dinding dilengkapi dengan jaket pendingin dan sebuah pisau pengeruk yang akan mengambil produk kristal yang menempel pada dinding. Kemudian produk dialirkan ke centrifudge.



Contoh Cooling Crystallizer  o o o o o o



Technical Data Volume : 50 m3 Cooling surface : 200 m2 Power agitator : 11 kW All parts in product contact are made of SS or in accordance with 1935/2004/EC for food materials Hygienic design Prepared for CIP



It can be utilized in either batch or continuous process. The concentrated and precooled liquid dextrose is fed direct to the crystallizer (batch operation), or to a mixing tank before entering the crystallizer (continuous operation). After crystallisation the crystal mass is led to a centrifuge feeder mixer, (and also the mixing tank if continuous operation). Agitation and carefully controlled cooling ensure correct super-saturation and maximum crystal growth. A big cooling surface relative to the product volume enables operation with a small temperature difference between the product and the cooling water. A small temperature difference reduces formation of dextrose crusts on the cooling surfaces to a minimum.



Digunakan untuk mengkristalisasi dextrose monohydrate .



REFERENSI  Geankoplis : Transport Processes and Unit Phenomena https://www.academia.edu/36865213/Transport_Processes_and_Unit_Operations_Geankoplis_pdf  Felder : Elementary Principles of Chemical Processes https://www.academia.edu/40496205/Felder_Elementary_Principles_of_Chemical_Processes_4_edici%C3 %B3n



 McCabe : Unit Operation in Chemical Engineering https://www.academia.edu/37476371/McCabe_W.L._Smith_J.C._Harriott_P.-_  Walas : Chemical Process Equipment Selection and Design https://imtk.ui.ac.id/wp-content/uploads/2014/02/Chemical-Process-Equipment-Selection-and-Designby-Stanley-M.-Walas.pdf



TERIMA KASIH