Pengenalan proses kristalisasi dan unit kristalisasi

Ada artikel menarik dari Chemical Engineering Progress mengenai proses kristalisasi dan unit kristalisasi di industri. Penulis berpikir, alangkah baiknya jika artikel tersebut ditulis kembali di sini. Tentu saja ini ditulis dengan bahasa dan pemahaman saya sendiri, yang tidak luput dari kesalahan dan ketidaksempurnaan. Anyhow, artikel ini bukan utk menawarkan pengetahuan secara menyeluruh terhadap proses kristalisasi, tetapi (hanya) memberikan insight kepada dasar2 prosesnya. Untuk lebih detail lagi, silahkan dibaca buku2 teks tentang kristalisasi.

Pada dasarnya, desain dan operasi kristalisasi dioptimalkan untuk mendapatkan hal2 berikut ini:

  • Menghasilkan produk kristal yang seragam dan berukuran besar
  • Menurunkan pembentukan gumpalan kristal
  • Menurunkan konsentrasi zat pengotor di dalam kristal
  • Menurunkan konsentrasi zat cair (liquid) di dalam kristal setelah pemisahan padat-cair dan pencucian.

Termodinamika

Gambar 1 menunjukkan kondisi suatu larutan sebagai fungsi temperatur dan konsentrasi padatan. Garis tak putus adalah kurva kelarutan zat padat di dalam zat pelarut. Posisi di bawah kurva ini adalah posisi super jenuh, yang tidak selalu stabil secara termodinamika. Zona stabil berarti larutan tersebut homogen. Zona tak stabil berarti ada banyak partikel2 kecil di dalam larutan. Hal ini terjadi jika temperaturnya diturunkan, yg berarti kelarutan zat padat berkurang, sehingga mereka tidak larut lagi alias menjadi zat padat. Atau bisa juga dengan mengambil zat pelarutnya seperti menguapkannya. Akibatnya, karena jumlah zat padat tetap sementara zat pelarut berkurang, zat padat melewati titik kelarutannya dan menjadi tidak larut lagi.

2

Gambar 1. Diagram fasa padat-cair suatu larutan

Di zona meta stabil, nucleation sites (bahasa sederhananya, bibit zat padat J) diperlukan agar zat padat tersebut bisa terbentuk. Jika kita berpindah dari zona stabil ke zona tak stabil, maka kita terlebih dahulu akan melewati zona meta stabil. Nah, bibit2 ini akan tumbuh di zona ini. Jika kita teruskan ke zona tak stabil dengan cepat, maka bibit2 ini tidak akan sempat tumbuh menjadi zat padat berukuran besar.  Akibatnya, di zona tak stabil akan terdapat banyak partikel2 kecil bertebaran.

Jelas bahwa unit kristalisasi mesti beroperasi di bawah kurva kelarutan untuk memproduksi kristal. Akan tetapi, karena tujuannya adalah untuk menghasilkan kristal dengan ukuran besar dan seragam, maka unit kristalisasi tidak boleh dioperasikan di zona tak stabil. Ia harus dioperasikan di zona meta stabil.

Pembentukan bibit kristal dan pertumbuhan kristal

Perpindahan material dari fasa cair ke fasa padatnya dipengaruhi oleh dua hal, yaitu pembentukan bibit kristal dan pertumbuhan kristal itu sendiri. Kedua hal ini pula lah, bersama dengan waktu tinggal, yang kemudian menentukan distribusi ukuran partikel. Secara singkat, Gambar 2 menunjukkan faktor yang memengaruhi distribusi ukuran partikel.

3

Gambar 2. Distribusi ukuran partikel yang dipengaruhi oleh pembentukan inti, pertumbuhan, dan waktu tinggal

Jika terdapat banyak partikel kecil akibat larutan yang terlalu superjenuh, maka partikel2 tersebut bisa bertabrakan dan membentuk gumpalan2 (agglomerate). Untuk menghindari gumpalan2 yang tidak diinginkan ini, maka kondisi superjenuh harus dikendalikan. Pada praktiknya, laju pertumbuhan kristal yang besar terjadi pada larutan yang terlalu jenuh. Akibatnya, pada kondisi yang sama, jumlah zat2 pengotor pun bertambah banyak di dalam kristal yang dihasilkan.

Setelah unit kristalisasi, kristal dipisahkan dari cairan induk (mother liquor), dan pelarut yang tersisa di “cake” kristal dibuang lewat pencucian. Semakin kecil kristal yang dihasilkan dari unit kristalisasi, maka akan semakin banyak pelarut yang terdapat di celah2 partikel kristal (“cake”). Akibatnya, diperlukan lebih banyak cairan pencuci untuk menghasilkan “cake” berkristal kecil. Oleh karena ini, kristal dalam bentuk besar sangat diperlukan.

Sehingga secara garis besar bisa dikatakan bahwa kita perlu kristal yang besar (untuk meminimalkan pencucian) yang tidak tumbuh terlalu cepat (untuk meminimalkan zat pengotor di dalam kristal).  Untuk inilah, maka kondisi superjenuh, agar terbentuk kristal dan pertumbuhannya, harus dikendalikan. Maka, unit kristalisasi di industri harus didesain untuk beroperasi:

  • di daerah meta stabil,
  • pada kondisi superjenuh yang rendah,
  • dengan waktu tinggal yang lama

Ssebagai tambahan, unit tersebut juga harus memiliki fitur untuk melarutkan kembali partikel2 kecil dan untuk memisahkan produk yang telah dihasilkan dari unit kristalisasi tersebut.

Menghasilkan superjenuh

Larutan superjenuh dapat dihasilkan dengan mengubah temperatur dan komposisinya. Untuk ini diperlukan data kelarutan dan diagram fasa, yang keduanya didapat melalui eksperimen. Gambar 3 menunjukkan metode apa yang dapat digunakan untuk menghasilkan superjenuh.

4

Gambar 3. Cara menghasilkan larutan superjenuh (saturated liquid)

Mengendalikan ukuran kristal

Pembentukan inti dan pertumbuhan kristal tergantung dari jumlah superjenuh. Superjenuh diperoleh ketika kita menurunkan temperatur dari F (Gambar 4) ke titik M. Akan tetapi, titik M berada di zona tak stabil yang akibatnya akan terbentuk partikel2 kecil dalam jumlah yang banyak. Situasi ini jelas tidak diinginkan. Oleh karena itu, pembentukan superjenuh harus dikontrol sehingga M berada di zona meta stabil. Seperti ditunjukkan di Gambar 4, ada dua cara untuk menggeser M ke zona meta stabil. Cara pertama adalah dengan hanya menurunkan temperatur dari F ke daerah meta stabil. Cara kedua adalah dengan menambahkan pelarut. Pada praktiknya, zona meta stabil ini sangatlah sempit dan tidak diketahui. Akibatnya, pengendalian kedua cara ini sangatlah ketat. Kedua cara ini – menaikkan temperatur dan menambah pelarut – mengakibatkan penurunan produksi kristal (recovery).

5

Gambar 4. Menghasilkan pembentukan superjenuh

Cara lain adalah dengan mensirkulasi sebagian dari volume aktif unit kristalisasinya. Sirkulasi yang bisa dilakukan adalah sirkulasi larutan induk (mother liquor) atau larutan induk dengan partikelnya. Gambar 5 merangkum apa saja yang bisa dilakukan untuk mengendalikan superjenuh.

6

Gambar 5. Mengendalikan pembentukan superjenuh

Gambar 6 menunjukkan pengendalian larutan jenuh dengan mensirkulasikan larutan induknya. Umpan (F) dicampur dengan larutan induk (ML) dan menghasilkan konsentrasi campuran, G. Campuran ini kemudian diturunkan temperaturnya ke titik M. Lokasi G dan M sedemikian rupa sehingga mereka ada di zona meta stabil untuk menghindari kondisi superjenuh yang tinggi pada saat pembentukan kristal. Kemudian, di vessel kristalisasi, pelarutnya dipisahkan melalui pendinginan adiabatik sehingga konsentrasi di dalam vessel menjadi T. Campuran padatan T ini kemudian disentrifugasi menghasilkan produk P dan larutan induk ML.

7

Gambar 6. Pengendalian superjenuh dengan mensirkulasikan cairan induk (Mother Liquor, ML)

Gambar 7 menunjukkan sirkulasi larutan induk dan partikel kristal (sirkulasi magma). Umpan, F, dicampurkan dengan larutan dari vessel kristalisasi, T, dan menghasilkan campuran G. Campuran G ini diturunkan temperaturnya ke M. Titik M sama dengan titik T, dan sebagian dari T ini dicampurkan dengan umpan F. Sisanya dikirim ke unit sentrifugal untuk memisahkan kristal P dari larutan induk ML.

8

Gambar 7. Pengendalian superjenuh dengan mensirkulasikan sebagian produk (sirkulasi magma)

Dari sudut pandang mass balance, kedua teknik sirkulasi ini sama. Akan tetapi, dari sisi operasi, keduanya berbeda di dua hal. Pertama, di sirkulasi ML, tidak ada kristal yang dicampurkan dengan umpan. Sedangkan di sirkulasi T, terdapat kristal yang dicampurkan dengan umpan. Intinya, sirkulasi ML menghasilkan cairan super jenuh dan mengontakkannya dengan kristal yang sedang tumbuh. Sementara di sirkulasi T, kristal yang sedang tumbuh dicampurkan dengan cairan yang menjadi superjenuh. Akibatnya, distribusi ukuran partikel dari kedua teknik ini akan berbeda.

Perbedaan kedua berhubungan dengan seberapa baik campuran yang dihasilkan di vessel kristalisasi. Sirkulasi ML tergantung dari seberapa baik klasifikasi larutan yang terdapat di vessel kristalisasi. Larutan ML harus berupa larutan jernih yang bisa diambil dari bagian atas vessel. Sementara sirkulasi T tidak memerlukan klasifikasi spt itu. Larutan ini bisa diambil dari mana saja di vessel asalkan larutan di vessel tercampur sempurna.

Sirkulasi ML (larutan tanpa kristal) bisa dengan mudah berubah menjadi sirkulasi T (magma, larutan dengan kristal) jika terjadi perubahan operasi yang menyebabkan larutan ML nya juga mengandung kristal. Alhasil, yang kita sirkulasikan pun akan menjadi larutan T. Sehingga, dari sisi operasi, sirkulasi T lebih mudah dikerjakan.

Gambar 8 menunjukkan jika kelarutan menurun dengan menurunnya temperatur, maka proses kristalisasi akan dilakukan berdasarkan penurunan temperatur atau penguapan adiabatik akibat penurunan temperatur. Demikian sebaliknya jika kelarutan meningkat dengan menurunnya temperatur (atau hampir tidak berpengaruh), maka proses kristalisasi yang dipilih adalah yang menguapkan zat pelarut.

9

Gambar 8. Kriteria pemilihan proses kristalisasi berdasarkan data kelarutan

Ada dua mekanisme tambahan yang juga digunakan untuk mengendalikan ukuran partikel. Mekanisme tersebut adalah pelarutan partikel kecil (fine dissolution) dan klasifikasi produk. Partikel2 yang berukuran lebih kecil dari ukuran tertentu dapat dilarutkan dan dikembalikan ke unit kristalisasi. Dengan cara ini, partikel2 kecil tersebut tidak dibiarkan tumbuh tak beraturan di dalam unit kristalisasi dan terbawa bersama produk slurrynya.

Klasifikasi produk di dalam unit kristalisasi membuat produk kristal berukuran besar dapat terpisahkan dengan baik. Produk kristal berukuran kecil harus tinggal lebih lama di dalam unit kristalisasi. Dengan demikian, ukuran kristal yang kita peroleh dari unit kristalisasi dapat lebih homogen.

Berbagai tipe unit kristalisasi

Gambar 9 adalah gambar unit kristalisasi dengan sirkulasi paksa (forced circulation crystallizer). Unit ini bekerja dengan:

  • menggunakan penguapan atau pendinginan lewat penguapan untuk menghasilkan superjenuh (jika heat exchanger dalam kotak merah dihilangkan).
  • Larutan di dalam unit kristalisasinya tercampur
  • Menggunakan sirkulasi larutan induk dan kristal (sirkulasi magma) untuk mengendalikan pembentukan superjenuh.
  • Tidak memiliki mekanisme klasifikasi kristal (semuanya tercampur aduk)
  • Tidak memiliki mekanisme pelarutan kristal kecil

10

Gambar 9. Kristalisasi dengan proses penguapan dengan pemanasan atau pendinginan adiabatic (jika heat exchangernya dibuang)

Gambar 10 menunjukkan unit kristalisasi dengan draft tube dan baffle. Dari gambar tersebut kita bisa melihat mekanismenya sbb:

  • menggunakan penguapan atau pendinginan lewat penguapan untuk menghasilkan superjenuh.
  • Larutan di dalam unit kristalisasinya tercampur
  • Menggunakan sirkulasi larutan induk dan kristal (sirkulasi magma) untuk mengendalikan pembentukan superjenuh.
  • Biasanya memiliki mekanisme klasifikasi kristal dengan adanya baffle. Kristal berukuran kecil akan terbawa ke atas dan masuk ke zona pengendapan spt di gambar. Kristal berukuran besar akan mengendap ke bawah dan keluar sebagai produk.
  • Mekanisme pelarutan kristal kecil dilakukan jika larutan induk dengan butir2 padatan di gambar tsb dicampurkan dengan pelarut untuk melarutkan kristal2 kecil.

11

Gambar 10. Unit kristalisasi dengan draft tube dan baffle

Unit kristalisasi dengan pendingin spt ditunjukkan di Gambar 11 memiliki mekanisme sbb:

  • Menurunkan temperaturnya untuk menghasilkan superjenuh
  • Larutan di unit kristalisasinya tercampur aduk dan memiliki sirkulasi magma (larutan dan kristal)
  • Tidak memiliki mekanisme pengeluaran produk berukuran tertentu (klasifikasi ukuran partikel)
  • Dengan adanya baffle, kristal berukuran kecil terbawa bersama larutan induk (mother liquor) untuk dilarutkan kembali dengan cairan pelarut.

Heat exchangernya adalah bagian yang memiliki temperatur terendah sehingga akan sangat rentan oleh menumpuknya kristal. Oleh karena itu, heat exchanger tersebut dioperasikan sedemikian rupa sehingga beda temperature antara shell dan tubenya tidak lebih dari 5 – 10oC.

12

Gambar 11. Unit kristalisasi dengan baffle dan unit pendingin

Gambar 12 dan Gambar 13 menunjukkan unit kristalisasi Oslo atau unit kristalisasi dengan klasifikasi produk. Unit kristalisasi Oslo ini memiliki fitur2 spt:

  • Menggunakan pendinginan, penguapan, atau penguapan adiabatik lewat penurunan temperatur untuk menghasilkan superjenuh
  • Memiliki mekanisme klasifikasi ukuran produk kristal
  • Menggunakan sirkulasi larutan induk (mother liquor) untuk mengendalikan pembentukan superjenuh
  • Memiliki mekanisme pelarutan kristal kecil. Kristal2 kecil di bagian atas akan terlarut dengan larutan induk.

13

Gambar 12. Unit kristalisasi Oslo (suspended crystallization) dengan penguapan

14

Gambar 13. Unit kristalisasi Oslo (suspended crystallization) dengan pendinginan

Konfigurasi unit kristalisasi Oslo ini dengan sendirinya memiliki mekanisme pelarutan kristal kecil dan klasifikasi serta pengeluaran kristal. Larutan yang terdapat di bagian atas memiliki kristal2 kecil. Penambahan energi (Gambar 12) atau penambahan umpan (Gambar 13) akan melarutkan kristal2 kecil tersebut. Produk kristal diambil di bagian bawah di mana kristal telah berukuran besar.

Di semua unit kristalisasi Oslo, sirkulasi larutan induk memastikan bahwa tidak ada kristal yang hancur sebagaimana yang terjadi di sirkulasi magma (larutan dan kristal). Klasifikasi ukuran produk ini tetap saja sangat sensitif dengan laju sirkulasi larutan induknya.

Kesimpulan

Beberapa situasi berikut ini patut dipertimbangkan dalam mendesain dan mengoperasikan unit kristalisasi:

  • Waktu tinggal haruslah cukup untuk memastikan derajat superjenuh yang rendah, sehingga tidak banyak kristal kecil yang terbentuk
  • Pengaruh perubahan waktu tinggal di masa depan patut dipertimbangkan
  • Perubahan kondisi operasi yang dapat mengubah waktu tinggal secara signifikan harus dihindari.
  • Laju sirkulasi harus cukup tinggi untuk mengendalikan pembentuk superjenuh. Sebagai rule of thumb: jika pendinginan yang digunakan, temperature turun tidak lebih dari 1-2oC, jika penguapan yang digunakan, temperature naik tidak lebih dari 1-5oC, jika penguapan adiabatic lewat penurunan temperature yang digunakan, maka beda temperature uap-cairnya tidak lebih dari 1-5o
  • Laju sirkulasi harus sesuai dengan keperluan tipe sirkulasi, apakah sirkulasi larutan induk atau magma (larutan induk dan partikel)
  • Jika sirkulasi magma yang digunakan, laju sirkulasi dan peralatan prosesnya tidak boleh menyebabkan kristal hancur secara berlebihan
  • Jika sirkulasi larutan induk yang digunakan, perubahan di masa depan yang dapat menyebabkan perubahan jenis sirkulasinya harus diperhatikan

Secara umum, berdasarkan biaya investasi, unit kristalisasi dengan draft tube dan baffle adalah yang termahal, kemudian Oslo, kemudian sirkulasi paksa, lalu kristalisasi dengan heat exchanger pendingin. Secara khusus, biaya investasi ini tergantung dengan spesifikasi dan aplikasi unit masing-masing. Secara umum juga, biaya operasional unit kristalisasi mendominasi keekonomian prosesnya.

Referensi

Samant, K.D. and O’Young, L., Understanding Crystallization and Crystallizers, Chemical Engineering Progress, October 2006.

3 thoughts on “Pengenalan proses kristalisasi dan unit kristalisasi

  1. Luar biasa sekali artikel ini, jelas sekali menerangkan ttg kristalisasi.
    Terimakasih yg sebesar²nya untuk sang penulis.
    Saya berharap makin banyak alat yang dibahas.

Leave a Comment