LTM Pemicu 4: Termodinamika Teknik Kimia

LTM TERMODINAMIKA TEKNIK KIMIA Pemicu 4

2013

BUBBLE POINT, DEW POINT & FLASH CALCULATION Oleh Rizqi Pandu Sudarmawan [0906557045], Kelompok 3 I. Bubble Point & Dew Point

Ketika termodinamika diterapkan untuk kesetimbangan uap-cair, tujuannya adalah menemukan temperatur, tekanan, dan komposisi fasa dalam kesetimbangan dengan perhitungan. Untuk itu, diperlukan pemodelan untuk perilaku sistem dalam kesetimbangan uap-cair. Model-model yang sering digunakan adalah Hukum Raoult, Raoult Termodifikasi dan Hukum Henry. Dalam topik ini, saya akan meninjau bagaimana apa yang dimaksud dengan titik gelembung (bubble ( bubble point ) dan titik embun (dew ( dew point ) serta bagaimana menentukan titik-titik tersebut dengan menggunakan tinjauan Hukum Raoult dan terkait diagram kesetimbangan fasa saja. 

Titik gelembung (bubble point): Titik di mana cairan jenuh berada di ambang penguapan. Penurunan tekanan yang amat kecil akan menghasilkan gelembung uap. Pada temperatur bubble point , molekul cairan memiliki cukup energi kinetik untuk melepaskan diri dari liquid surface menuju fase gas.



Titik embun (dew point): Titik di mana fase cairan hampir tidak terlihat, hanya tetesan/embun (dew) yang tertinggal. berada di ambang penguapan. Ketika embun telah teruapkan, pada titik tersebut hanya uap jenuh yang tertingggal, penurunan tekanan berikutnya akan menghasilkan uap superjenuh. Pada te mperatur dew point , molekul uap memiliki cukup energi kinetik untuk berkondensasi.

Dua asumsi utama yang diperlukan untuk memodelkan VLE (Vapor-Liquid Equilibrium) dengan menggunakan hukum Raoult adalah: 

Fasa uap adalah gas ideal



Fasa cair adalah larutan ideal

Ekspresi matematis yang merefleksikan dua daftar a sumsi dan memberi ekspresi kuantitatif terhadap hukum Raoult adalah:

… (1) dimana x dimana xii adalah mol fraksi fase cair, yi cair, yi adalah mol fraksi fase uap dan dan Pi Pi sat adalah tekanan uap murni spesies i pada temperatur sistem. Komponen yi P pada ruas kiri persamaan (1) dikenal sebagai tekanan sebagai tekanan parsial spesies i.


2013

Perhitungan titik embun (dew ( dew point ) dan titik gelembung (bubble (bubble point ); ); terdapat empat jenis: BUBLE P ; Menghitung {yi} dan P, diberikan {xi} dan T DEW P

; Menghitung {xi} dan P, diberikan {yi} dan T

BUBLE T

; Menghitung {yi} dan P, diberikan {xi} dan P

DEW T

; Menghitung {xi} dan P, diberikan {yi} dan P

Fraksi-fraksi mol dalam tiap fasa berjumlah satu. Karena untuk fasa uap     , persamaan (1) dapat dijumlahkan untuk seluruh spesies spesies menghasilkan:

… (2) Persamaan ini berlaku dalam perhitungan titik gelembung , dimana komposisi fasa uap tidak diketahui. Untuk sistem biner dengan      ,

dan plot P plot P vs x vs x1 pada temperatur tempera tur konstan adalah garis lurus yang menghubungkan menghubungkan P 2 sat pada x1 = 0 dengan P dengan P 1 sat pada x pada x1 = 1. Pers. (1) juga dapat diselesaikan untuk xi dan menjumlahkan semua spesies dengan     menghasilkan:

… (3) Persamaan ini berlaku dalam perhitungan titik embun, embun, dimana komposisi fasa cair tidak diketahui. Contoh 1. Sistem biner asetonitril (1)/nitrometana (2) memenuhi hukum Raoult. Tekanan

uap untuk spesies murni diberikan dengan persamaan Antoine berikut:


2013

o

Gambarkan grafik yang menunjukkan P menunjukkan P vs x vs x1 dan P dan P vs y vs y1 untuk temperatur 75 C Penyelesaian

Untuk memperoleh hubungan P vs xi vs xi diperlukan perhitungan BUBLE P . Dasarnya adalah bentuk persamaan sistem biner dimana:

…(4)

Berikut ini adalah contoh perhitungan DEW perhitungan DEW P

untuk y untuk y1 = 0,6 dan t = 75oC,

Hasil perhitungan BUBBLE P untuk 75 oC pada sejumlah nilai x nilai x1 dan y 1 ditabulasikan berikut ini:

Hasil ini berarti bahwa pada temperatur 75 oC campuran cairan 60% mol asetonitril dan 40% mol nitrimetana adalah dalam kesetimbangan dengan uap yang mengandung 74,83% mol asetonitril pada tekanan 66,72 kPa. Diagram P-x Diagram P-x1-y1 pada Gambar 1 ditampilkan dalam Lampiran. Gambar ini adalah diagram fasa dimana garis lurus ditandai P-x1 merepresentasikan keadaan cairan jenuh ( saturated saturated liquid ); ); daerah subcooled liquid terletak di atas garis ini. Kurva yang ditandai P-y1 merepresentasikan keadaan uap jenuh ( saturated vapor ); ); daerah uap superjenuh ( superheated vapor ) terletak di bawah kurva. Titik-titik yang terletak antara garis cairan jenuh dan uap


2013

jenuh adalah daerah dua fasa, dimana cairan jenuh dan uap jenuh berada dalam kesetimbangan. Garis P-x1 dan P-y1 bertemu pada tepi/ujung diagram, dimana cairan jenuh dan uap jenuh spesies murni berada dalam tekanan uap P 1sat dan P2sat. Untuk mengilustrasikan perilaku fasa dalam sistem biner ini kita meninjau proses temperatur konstan pada diagram P-x1 -y1. Misalkan campuran cairan subcooled 60% mol asetonitril dan 40% nitrometana berada dalam sistem tertutup pada 75 oC (titik a). Ketika tekanan diturunkan, komposisi keseluruhan tetap konstan selama proses (karena sistem tertutup), dan keadaan sistem digambarkan pada garis vertikal yang menurun dari titik a. Ketika tekanan mencapai nilai pada titik b, sistem adalah cairan jenuh pada ambang penguapan. Penurunan tekanan yang amat kecil menghasilkan gelembung uap yang direpresentasikan oleh titik b’ . Dua titik b dan b’ ( x x1 = 0,6, P = 66,72 kPa, dan y1 = 0,7483) bersama-sama merepresentasikan keadaan yang ditentukan dengan perhitungan di atas. Titik b adalah titik gelembung, dan garis P-x1 adalah garis titik gelembung. Ketika tekanan diturunkan lagi, jumlah uap meningkat dan jumlah cairan menurun, dengan kadaan dua fasa mengikuti jalur b’c dan bc’ . Garis putus-putus dari titik b ke titik c merepresentasikan keadaan keluruhan sistem dua fasa. Akhirnya, ketika titik c didekati, titik c’ (fasa cairan), hampir tidak terlihat, dengan hanya tetesan/embun (dew) yang tertinggal. tert inggal. Titik c adalah titik embun, dan kurva P-y kurva P-y1 adalah garis titik embun. Ketika embun telah teruapkan, pada titik c hanya uap jenuh yang tertingggal, penurunan tekanan berikutnya menghasilkan uap superjenuh pada titik d . Komposisi uap pada titik c adalah y adalah y1 = 0,6, namun komposisi cairan pada titik c’ dan tekanan harus dibaca dari grafik atau dihitung. Algoritma Pengerjaan Soal pada Gambar 2. ditunjukkan dalam lampiran. II. Flash Calculation

Teorema Duhem menyatakan bahwa keadaan keseimbangan sebuah sistem PVT tertutup, yang terbentuk dari jumlah awal tertentu zat kimia yang dicampurkan, ditentukan sepenuhnya oleh dua sifat sistem sembarang, asalkan dua sifat ini merupakan variabel bebas pada keseimbangan. Suhu dan tekanan memenuhi syarat sebagai sifat seperti itu, untuk semua sistem yang terdiri dari lebih satu komponen. Maka, menurut teorema Duhem, secara prinsip kita dapat menghitung komposisi fase-fase keseimbangan pada t dan P dan P tertentu, jika kita tahu seluruh fraksi mol z1, z1, z2, z2, …, zm zm dari m komponen. Komputasi jenis ini apabila dikerjakan untuk sebuah VLE disebut perhitungan kilat ( flash flash calculation). calculation). Kegunaannya adalah dapat digunakan untuk menghitung harga jumlah mol cairan (L), jumlah mol uap (V), komposisi


2013

cairan {xi}dan komposisi uap {y i} pada t dan P tertentu dengan mengetahui seluruh fraksi mol komponen. o

Contoh 2. Sistem aseton (1)/asetonitril (3) pada 80 C dan tekanan 110 kPa mempunyai

komposisi keseluruhan z 1 = 0,45; z 2 = 0,35; z 3 = 0,2 . Asumsikan bahwa hukum Raoult berlaku untuk sistem ini tentukan L, V , { xi} xi} dan { yi}. yi}. Tekanan uap komponen murni pada 80oC adalah : P1sat = 195,75 kPa

P 2sat = 97,84 kPa

P3sat = 50,32 kPa

Penyelesaian  Lakukan

Perhitungan BUBBLE dengan { z i} = { xi} utnuk menentukan Pbulb Pbulb dengan

menggunakan Persamaan (2). P bubble = 132,40 kPa.  Lakukan

perhitungan DEW dengan { zi} zi} = { yi} yi} untuk menemukan Pdew Pdew dengan

menggunakan Persamaan (3). P dew = 101,52 kPa Karena tekanan yang diberikan terletak antara Pdew dan Pbubl , sistem dalam dua fasa dan perhitungan kilat dapat dilakukan.  Hitung

Rasio Kesetimbangan K 1, K 2, dan K 3

 Substitusikan

 Hitung

nilai Ki ke persamaan perhitungan kilat, hitung nilai V dan L

nilai yi dan xi dari hubungannya hubungannya dengan rasio kesetimbangan K i

Karena        prosedur contoh ini valid untuk sejumlah spesies yang ada. Algoritma Pengerjaan Soal pada Gambar 3. ditunjukkan dalam lampiran.


2013

DAFTAR PUSTAKA Distantina, Sperisa. 2011. Kesetimbangan 2011. Kesetimbangan Uap Cair Cair . http://distantina.staff.uns.ac.id/files/2009/10/1-keseimbangan-uap-cair-s1.pdf H.C. van Ness, and M.M. Abbott, 1989. Schaum’s Outline of Theory and Problem Thermodynamics, 2th ed . New York: McGraw Hill. J.M. Smith, H.C. van Ness, and M.M. Abbott (SVA), 2001. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 6 th ed . New York: McGraw Hill.

LAMPIRAN


Gambar 2. Algoritma Pengerjaan Soal Contoh 1

Gambar 3. Algoritma Pengerjaan Soal Contoh 2

2013


2013

LTM Pemicu 4: Termodinamika Teknik Kimia

Recommend Documents