BAB I PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang
Kristalisasi Kristalisasi dari larutan sangat penting dalam industri karena banyaknya ragam bahan yang diperlukan dalam bentuk kristal kristal.. Kristalisasi adalah proses separasi dimana suatu solute terkristalkan terkristalkan dari larutan multi komponennya sehingga bila dilakukan dengan benar akan dapat diperoleh diperoleh kristal kristal yang relatif relatif murni. Oleh karena itu kristal kristalisas isasii merupak merupakan an salah satu metode yang praktis untuk mendapatkan bahan kimia murni dalam kondisi yang memenuhi syarat untuk pemasaran. Dalam kristalisasi kristalisasi dari larutan solute akan terkristal terkristalkan kan sehingga sehingga terbentuk campuran dua fasa yang disebut magma berupa fasa cairan yang disebut mother liquor-larutan induk dan induk dan fasa padat kristalin.
I.2. Tujuan Percobaan
1. Mampu menjelaskan jenis-jenis kristaliser. 2. Mampu menjelaskan variabel-variabel variabel-variabel operasi dalam kristalisasi, yaitu derajat supersaturasi larutan, flowrate feed, kecepatan pendinginan, pembentukan inti kristal, kecepatan pertumbuhan kristal, seed Kristal, dan CSD produk. 3. Mampu Mampu merakit merakit dan mengoper mengoperasika asikan n alat alat percobaa percobaan n MSMPR MSMPR kristali kristaliser ser dengan pendinginan larutan. lar utan. 4. Mampu mengambil data-data percobaan secara benar dan mengolahnya serta menyajikannya dalam bentuk grafik hubungan antara flowrate dengan massa kristal, diameter partikel dengan jumlah kristal yang dihasilkan (CSD). 5. Mampu membuat laporan dan analisis operasi kristalisasi secara tertulis.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
II.1.
Pengertian
Kristalisasi dapat terjadi dari 3 macam fasa yaitu pembentukan partikel-partikel padat kristalin dari fasa uap, dari solute suatu larutan ataupun dari suatu lelehan-melt . Kristalisasi dapat dilakukan dengan pendinginan, penguapan solven, atau penambahan solven tertentu. Kristalisasi dari larutan bertujuan memisahkan suatu solute dari larutan multi komponen sehingga didapat produk dalam bentuk kristal yang lebih murni, sehingga kristalisasi sering dipilih sebagai salah satu cara pemurnian karena lebih ekonomis.
II.2.
Pembagian Tahapan Operasi Kristalisasi
Operasi kristalisasi terbagi menjadi: 1. Membuat larutan supersaturasi (lewat jenuh) 2. Pembentukan inti kristal (nuclei) 3. Pertumbuhan kristal
1. Membuat Larutan Lewat Jenuh (supersaturasi) Bila larutan telah mencapai derajat saturasi tertentu, maka di dalam larutan akan terbentuk zat padat kristaline. Oleh sebab itu derajat supersaturasi larutan merupakan faktor terpenting dalam mengontrol operasi kristalisasi. Ada beberapa cara untuk mendapatkan larutan supersaturasi: a. Pendinginan Larutan Kelarutan zat padat dalam air merupakan fungsi suhu sehingga dengan mendinginkan larutan yang akan dikristalkan akan dicapai kondisi supersaturasi dimana konsentrasi solute dalam larutan lebih besar dari konsentrasi larutan jenuh pada suhu tersebut. b. Penguapan Solven Larutan diuapkan solven-nya sehingga konsentrasi solute akan meningkat dan mencapai kondisi supersaturasi. Cara ini digunakan untuk zat yang mempunyai kurva kelarutan relatif mendatar.
c. Evaporasi Adiabatis Larutan dalam keadaan panas bila dimasukan ke dalam ruang vacuum, maka terjadi penguapan dengan sendirinya, karena tekanan totalnya menjadi lebih rendah dari tekanan uap solvent pada suhu itu. Penguapan disertai penurunan suhu akan membuat larutan mencapai kondisi supersaturasi. d. Reaksi Kimia Bila reaksi kimia dijalankan dalam fasa cair, konsentrasi solute produk reaksi semakin lama akan semakin meningkat sehingga mencapai kondisi supersaturasi. e. Penambahan Zat lain. Penambahan zat lain
yang dapat menurunkan kelarutan zat yang akan
dikristalisasi, misalnya larutan NaOH ditambah gliserol, maka kelarutan NaOH menjadi turun dan mencapai kondisi supersaturasi. 2. Pembentukan Inti Kristal Pembentukan Inti Kristal secara sistematis dapat dijelaskan sbb.
1. Primary Nukleus Proses pembentukan inti kristal ini dapat terjadi pada saat larutan telah mencapai derajat supersaturasi yang cukup tinggi. Nukleasi primer dapat terjadi lewat dua cara: Homogen Nukleus Nukleus disini pembentukannya spontan pada larutan dengan supersaturasi tinggi, artinya nukleus terbentuk karena penggabungan molekul-molekul solute sendiri Heterogen Nukleus Pembentukan inti kristalnya masih dalam supersaturasi tinggi, namun dapat dipercepat dengan adanya partikel-partikel asing seperti debu dan sebagainya. 2. Secondary Nukleus (Contact Nucleation)
ataupun tumbukan antara kristal induk dengan impeler pengaduk, tumbukan dengan dinding kristaliser ataupun gesekan permukaan kristal induk dengan larutan. Jumlah inti kristal yang terbentuk dapat dinyatakan dengan persamaan : b
c
N = (a) (L) (ΔC) (P)d dimana : N
: jumlah nuklei (inti kristal) yang terbentuk (jumlah/jam)
L
: ukuran kristal induk (mm)
ΔC
: derajat supersaturasi larutan (mole/lt) atau ( C)
P
: power dari pengaduk (HP)
a,b,c,d
: konstanta-konstanta
o
Jika : 1.
L >>> maka jumlah kristal yang terbentuk juga semakin besar, krisatal makin
besar menyebabkan kemungkinan tumbukan semakin banyak. Pecahan bagian kecil dari kristal menyebabkan terbentuknya inti kristal. 2.
ΔC >>> maka jumlah kristal yang terbentuk juga semakin banyak.
Derajat supersaturasi makin besar maka semakin besar pula kemungkinan terbentuk inti kristal baru. 3.
P
>>>
maka
gaya
gesekan
partikel
larutan
atau tumbukan juga
semakin besar sehingga kemungkinan terjadinya pecahan partikel semakin besar, maka inti kristal yang terbentuk juga semakin besar jumlahnya. Teori Miers : dalam percobaannya, Miers membuat larutan supersaturasi
melalui pendinginan larutan belum jenuh (titik a), setelah melewati kurva saturasi A-B larutan menjadi supersaturasi dan dalam grafik dinamai daerah metastabil. Pada tingkat supersaturasi tertentu, kristalisasi mulai terjadi berupa terbentuknya inti kristal primer (titik b). Oleh Miers titik-titik dimana mulai terbentuk inti kristal primer ini dinamai ‘ supersolubility curve’ . Inti-inti kristal yang selanjutnya tumbuh dengan menempelnya solute dipermukaannya sehingga konsentrasi solute dalam larutan akan turun (dari b ke c). Oleh Miers, daerah supersaturasi tinggi dimana inti kristal primer dapat terbentuk disebut daerah labil. Dalam industri, pembentukan inti primer tidak diinginkan, karena cenderung membuat produk kristal berukuran kecil-kecil. Lebih umum digunakan metoda inti sekunder dengan cara menambahkan bibit kristal (seed ) kedalam larutan dengan
tingkat supersaturasi yang rendah atau sedikit lewat jenuh. Seed ini berfungsi sebagai induk kristal, sumber terbentuknya inti sekunder.
Gambar 1.Teori Miers
Untuk sistem kontinyu seeding hanya sekali disaat start up sedang untuk sistem batch seeding dilakukan tiap batch. 3. Pertumbuhan Kristal Umumnya kristal yang berukuran > 100 m i k r o n
kecepatan tumbuhnya
tidak tergantung pada ukuran dan dapat dinyatakan dengan : b
r = a (ΔC) di mana : r
: kecepatan tumbuhnya Kristal ( mm/jam)
ΔC
: derajat saturasi (mol/L)
a,b
: konstanta
Derajat saturasi (ΔC) merupakan faktor terpenting dalam proses pertumbuhan kristal. Larutan yang berderajat saturasi tinggi, perbedaan konsentrasi antara permukaan kristal dengan permukaan akan tinggi sehingga kecepatan tumbuh kristal juga semakin tinggi. Teori Diffusi Solute dari Larutan ke Permukaan Kristal :
Proses kristalisasi merupakan kebalikan dari proses kelarutan, sebagai berikut : Kristal didalam larutan membentuk daerah ‘boundary layer’ dipermukaannya. Konsentrasi solute didalam daerah boundary layer ini = konsentrasi jenuhnya
konsentrasinya supersaturasi (ΔC + ) maka molekul solute akan mendifusi dari larutan kepermukaan kristal ( arah panah dari kiri ke kanan), kemudian menempel menjadi molekul kristal, artinya kristal akan tumbuh karena mendapat tambahan molekul dipermukaannya. Tetapi bila larutannya belum jenuh (ΔC -) maka molekul kristal dipermukaan akan larut menjadi solute (arah panah dari kanan ke kiri). CL2 kristal
CL1
ΔC+ Lewat jenuh (supersaturasi) Cs Belum jenuh
ΔCCL2*
CL1 *
Boundary layer
Gambar 2. Difusi Solute dari larutan ke permukaan kristal
Dengan : Cs : konsentrasi saturasi (jenuh) ΔC+: Konsentrasi supersaturasi (lewat jenuh) ΔC- : konsentrasi unsaturasi (belum jenuh) CL1; CL1* menunjukkan pengaruh adanya pengadukan dalam larutan, sehingga jarak diffusi lebih pendek, sebaliknya CL2; CL2* menunjukkan tidak adanya pengadukan sehingga jarak diffusi lebih jauh.
II.3
Grafik CSD & Jenis-Jenis Kristaliser
Keseragaman ukuran produk suatu kristaliser dinyatakan dengan CSD ( Crystal size distribution) dan sangat bergantung pada tipe kristalisernya. Ada 2 tipe kristaliser yaitu MSCPR ( Mixed Suspension Classified Product Removal ) dan MSMPR ( Mixed Suspension Mixed Product Removal ). MSCPR crystaliser dapat menghasilkan product yang relatif lebih seragam ukurannya dibandingkan tipe MSMPR karena ada mekanisme klasifikasinya.
1.Ukuran produk seragam : MSCPR crystallizer
Dengan: N : jumlah Kristal D : diameter
2. Ukuran produk tidak seragam : MSMPR crystallizer
Dengan: N : jumlah Kristal D : diameter
Gambar 3. Grafik CSD
Untuk jenis MSMPR, kristal yang diperoleh mempunyai ukuran yang tidak seragam sehingga diameter bervariasi mulai dari ukuran
yang tidak terlihat
sampai diameter besar. Jenis-Jenis Kristaliser 1. Oslo Surface Cooled Crystalizer Kristaliser ini menggunakan sistem pendinginan dengan pendinginan feed (G) di dalam cooler (H) untuk membuat larutan supersaturasinya. Kemudian larutan supersaturasi ini dengan dikontakkan dengan suspensi kristal dalam ruangan suspensi pada (E). Pada puncak ruang suspensi sebagian aliran larutan induk (D) dikeluarkan untuk mengurangi jumlah inti kristal sekunder yang terlalu banyak terbentuk. Produk slurry dikeluarkan dari bawah.
Gambar 4. Oslo Surface Cooled Crystallizer 2. Oslo Evaporative Crystalizer Kristaliser ini memakai metoda penguapan solven untuk mendapatkan larutan supersaturasinya. Larutan
yang meninggalkan
ruang
penguapan pada kondisi
terentuk. Kontak larutan supersaturasi dengan unggun kristal di E akan mendorong pertumbuhan kristal tetapi sekaligus membentuk inti kristal sekunder. Umpan larutan dimasukkan lewat G dan mengalami pemanasan di HE sebelum masuk ke ruang penguapan solven di A. Dengan membuat ruang penguapan bertekanan vacuum maka sebagian solven akan menguap sekaligus diikuti penurunan suhu, larutan akan mencapai kondisi supersaturasi yang dibutuhkan untuk menumbuhkan kristal. Dalam kristaliser tipe ini fungsi sirkulasi larutan adalah untuk pemanasan kembali sekaligus melarutkan kembali sebagian inti kristal sekunder. Hal ini untuk mencegah ukuran produk yang semakin lama semakin mengecil.
Gambar 5. Oslo Evaporative Crystallizer
3. Draft Tube Buffle-DTB Crystalizer Kristaliser ini bertipe MSCPR karena dilengkapi buffle dan propeler yang berfungsi mengatur sirkulasi kristal magma sedangkan diluar body crystalizer ditambah pompa untuk sistem sirkulasi & klasifikasi ukuran produk. Untuk mencapai kondisi supersaturasi digunakan sistem penguapan solven dengan tekanan vacuum. Bagian bawah kristaliser ini dilengkapi dengan elutriation leg yang berfungsi untuk mengklasifikasikan kristal hingga didapat produk kristal dalam ukuran tertentu yang relatif seragam. Klasifikasi ukuran kristal di sini didasarkan atas gaya gravitasi dengan jalan sebagai berikut: Jika dalam kristalizer telah terbentuk kristal-kristal dengan ukuran heterogen, maka kristal ini diklasifikasikan ukurannya dengan mengalirkan sebagian larutan dari bawah ke atas dalam ruang elutriation leg dengan menggunakan pompa sirkulasi. Dengan adanya aliran larutan ini, kristal dengan ukuran yang besar akan dapat melawan daya dorong aliran keatas sehingga tetap dapat turun kebawah karena gaya gravitasi dan keluar sebagai produk, dengan demikian didapatkan produk dengan ukuran yang homogen. Dengan demikian untuk mendapatkan kristal dengan ukuran tertentu dapat diatur dengan mengatur aliran keatas di dalam elutriation leg . Jika larutan mempunyai kecepatan tinggi, maka dakan didapat kristal dengan ukuran yang besar dan sebaliknya. Kristal kecil yang tidak dapat melawan gaya dorong akan terbawa naik kembali ke ruang kristalisasi untuk ditumbuhkan hingga mencapai ukuran tertentu yang karena beratnya sendiri dapat melawan gaya dorong keatas di dalam elutriation leg . Kristaliser ini juga dilengkapi dengan sistem sirkulasi larutan + inti kristal keluar kristaliser untuk mengurangi jumlah inti kristal didalam kristaliser. Inti kristal yang berlebih ini akan larut kembali saat lewat HE karena pemanasan. Pengurangan inti kristal ini simaksudkan agar inti kristal berkurang karena kalau dibiarkan makin lama makin banyak, akibatnya produk kristal cenderung semakin lama semakin halus. Hal ini karena inti kristal membutuhkan solute untuk pertumbuhan selanjutnya, sedangkan jumlah solute dalam feed yang masuk tetap, maka inti kristal tidak cukup banyak mendapat solute untuk tumbuh jadi kristal yang lebih besar.
Gambar 6. Draft Tube Baffle Crystallizer
BAB III METODOLOGI PERCOBAAN
III.1. Bahan dan Alat yang Digunakan
A. Bahan yang Digunakan 1. Kristal Tawas 2. Air B. Alat yang Digunakan 1. Saturator tank
7. Tangki pendingin
2. Heater dan controller
8. MSMPR crystallizer
3. Pengaduk
9. Penampung Kristal
4. Thermoregulator
10. Motor pengaduk
5. Submersible pump
11. Pompa vakum
6. Valve by pass
12. Buffer tank
III.2. Variabel Percobaan
1. Variabel tetap
: suhu 55 ⁰C
2. Varabel berubah : flowrate
;2
; 2,5
;3
III.3. Gambar Alat Utama : kristaliser MSMPR (sistem kontinyu)
produ k
III.4. Respon Percobaan
-
Diameter partikel
-
Massa produk kristal
; 3,5
; 4,5
III.5. Data yang dibutuhkan
-
Suhu kristaliser
-
Suhu saturator tank
-
Flowrate feed
-
Volume efektif kristaliser
III.6. Prosedur percobaan
1. Membuat larutan jenuh tawas pada suatu suhu tertentu di dalam tangki saturator 2. Pengaturan suhu dilakukan dengan memakai Thermo-regulator, setting suhu 55˚C, cek ketelitian ( kalibrasi) thermoregulator dengan memakai thermometer biasa. 3. Hidupkan heater dan pengaduk listrik, tambahkan kristal tawas dengan air sekukupnya ke saturator tank, biarkan pemanasan berjalan beberapa lama. 4. Cek kondisi apakah jenuh atau belum dengan mengukur densitas larutan memakai picnometer. Berat picnometer + larutan sudah konstan, berarti sudah jenuh (tawas tidak bisa melarut lagi) 5.
Jalankan sistem pendingin tangki kristaliser dengan air yang dialirkan kontinyu, atur jepitan salang air pendingin sedemikian rupa sehingga input=output yang ditandai dengan konstannya ketinggian permuka an air pendingin di dalam tangki pendingin kristaliser. Tangki kristaliser diberi tanda untuk volume tertentu misal 2 L.
6. Jalankan pompa, atur flowrate yang menuju tangki kristaliser sesuai dengan yang diinginkan dengan mengatur jepitan aliran recycle. Cek (kalibrasi) flowrate tersebut dengan memakai gelas ukur dan stopwatch. 7. Siapkan sistem vacuum pengeluaran produk slurry : pompa vacum, buffer tank dikosongkan. Cek apakah tidak bocor ( lewat ujung selang penghisap apakah terasa bila menghisap) 8. Jalankan pengaduk tangki kristaliser juga permukaan larutan tawas di dalam tangki kristaliser tetap pada tanda 2 L pastkan kristal teraduk sempurna karena tipe MSMPR. 9. Jalankan sistem kristalisasi ini sampai dicapai kondisi tunak (steady state), dengan perkiraan dari start awal selama 3x waktu tinggal ca iran di dalam kristaliser. 10. Sebelum tercapai kondisi tunak, kristal + cairan yang dikeluarkan tidak bisa
dipakai sebagai produk tetapi dikembalikan ke saturator tank lagi. Setelah tercapai kondisi tunak. Kristal dan cairan dikeluarkan untuk jangka waktu tertentu misalnya 20 menit, tampung dan saring kristalnya, keringkan kristalnya dengan diangin-anginkan. (note: penyaringan kristal diupayakan saat larutannya belum mendingin agar produk kristal tidak bertambah). 11. Ulangi langkah kerja di atas dari awal untuk masing-masing flowrate sehingga diperoleh minimal 3 titik agar bisa dibuat grafik yang baik 12. Timbang produk kristal, kemudian dilakukan analisa ayak untuk masing-masing variasi flowrate. 13. Hitung berat 1 kristal untuk ukuran ayakan tertentu dengan mengasumsi kristalnya berbentuk bola, kemudian hitunglah jumlah butir kristal yang ada dalam satu ukuran ayakan. 14. Buat grafik kelarutan tawas dalam air sebagai fungsi suhu dengan data dari Perry 15. Hitung derajat supersaturasi yang terjadi untuk masing-masing flowrate dengan melihat data kelarutan tawas dari suhu saturator dan suhu kristaliser. 16. Buat grafik hubungan berat produk kristal versus derajat supersaturasi dan grafik CSD untuk masing-masing variasi flowrate.
DAFTAR PUSTAKA
Garside, J. and Daupus, R.J.. 1980. Chemical Engineering Common. 4:393. nd
Mullin, J.W.. 1972. Crystallization. 2 . London: Butterworths. Rusli, I.I., Larisan, M.A. and Garside, J. 1980. Chemical Engineering Process. P, Syn P.Ser, 193 vol 176. Tokyokura, K and Aoyama, Y.. 1982. Jace Design Manual series crystallization vol I. Osaka: Jace I Research Centre. Tokyokura, K and Aoyama, Y.. 1984. Jace Design Manual series crystallization vol III. Osaka: Jace I Research Centre. Tokyokura, K.. 1985. Industrial Crystallization. Amsterdam: North-Holland.