Memecahkan campuran azeotrop

Pendahuluan

Salah satu tantangan dalam proses pemisahan senyawa-senyawa kimia adalah pemisahan campuran yang memiliki relative volatility sangat dekat satu sama lainnya. Campuran seperti ini yang biasa kita sebut sebagai campuran azeotrop. Contoh paling sederhana adalah campuran ethanol dan air dengan komposisi 95.63 wt% ethanol dan 4.37wt% air. Titik didih ethanol adalah 78.4 oC, air pada 100 oC, sementara campuran azeotrop tersebut mendidih pada 78.2 oC. Detail mengenai campuran azeotrop dapat dibaca di buku-buku teks. Tulisan kali ini hanya berfokus pada penjabaran proses pemisahan campuran azeotrop yang biasa terdapat di industri. Tulisan ini diharapkan dapat memberikan gambaran mengenai pilihan-pilihan proses pemisahan yang dapat dipertimbangkan dalam menangani campuran azeotrop.

Ada beberapa proses pemisahan yang akan dibahas di sini. Proses-proses tersebut adalah penggunaan pressure swing distillation, penambahan senyawa lain yang dapat membuat azeotrop baru yang heterogen, penggunaan membrane pervaporation, molecular sieve, atau gabungan membrane pervaporation dan molecular sieve. Proses-proses ini akan dijelaskan sedikit di artikel kali ini.

Melakukan dua distilasi pada dua tekanan yang berbeda (pressure swing distillation)

Proses pressure swing distillation adalah proses yang melakukan dua distilasi pada dua tekanan yang berbeda. Proses ini memanfaatkan kenyataan bahwa konsentrasi campuran azeotrop akan berbeda jika beroperasi pada tekanan yang berbeda. Untuk lebih jelasnya, silahkan dilihat Gambar 1 untuk kurva x-y dan contoh skema proses pemisahan senyawa A dan B.

1

Gambar 1. Dua distilasi pada tekanan yang berbeda (pressure swing distillation)

Di Gambar 1 terlihat bahwa pada tekanan P1 (kurva x-y bagian atas), campuran azeotrop A dan B memiliki titik azeotrop di Az1. Pada tekanan P2 (kurva x-y bagian bawah), titik azeotropnya lebih rendah, yakni pada Az2. Campuran yang ingin dipisahkan berada pada konsentrasi F. Kolom distilasi pertama dioperasikan pada P1 dengan produk bawahnya berupa senyawa B murni. Produk atasnya adalah azeotrop Az1 karena kita tidak bisa memisahkan A dan B melewati titik azeotrop tersebut.

Campuran Az1 ini kemudian dipisahkan di kolom kedua yang beroperasi pada P2. Produk bagian bawahnya adalah senyawa A murni karena, jika dilihat dari kurva x-y tersebut, senyawa A lebih sulit menguap daripada campuran Az1. Produk atasnya adalah campuran Az2. Campuran Az2 ini pun kemudian dikembalikan ke kolom pertama. Posisi umpan Az2 ke dalam kolom distilasi sebaiknya berada di atas posisi umpan F karena komposisi senyawa A di Az2 lebih besar daripada di F. Untuk lebih detailnya, proses simulasi, dengan menggunakan model termodinamik yang telah dimodifikasi sesuai data eksperimen, sebaiknya dilakukan.

Dari contoh sederhana ini, kita bisa melihat bahwa jika posisi azeotrop berubah dari satu tekanan ke tekanan lainnya, kita bisa memisahkan senyawa A dan B dengan dua kolom distilasi dengan tekanan yang berbeda tersebut.

Menambahkan senyawa lain yang dapat menghasilkan campuran cairan dua fasa (heterogeneous azeotrope)

Ada kalanya titik azeotrop tidak berubah meskipun tekanannya telah diubah-ubah. Akan tetapi, ternyata senyawa-senyawa yang terlibat dapat membentuk azeotrop yang heterogen dengan senyawa lain. Senyawa azeotrop heterogen, secara sederhana, adalah campuran senyawa yang dapat menghasilkan dua fasa cairan yang tidak bercampur. Kedua fasa ini membentuk dua lapis cairan yang kemudian dapat dipisahkan karena perbedaan massa jenisnya. Contoh yang paling umum adalah proses pemisahan ethanol dari air yang melibatkan penambahan senyawa aromatic seperti benzene atau toluene. Silahkan dilihat Gambar 2 untuk lebih jelasnya.

2

Gambar 2. Proses pemisahan dengan penambahan senyawa lain yang dapat membentuk campuran azeotrop heterogen

Di contoh ini kita ingin memisahkan senyawa E dan W dengan konsentrasi umpan di titik F. dapat terlihat bahwa senyawa E dan W memiliki campuran azeotrop di titik 78.2 oC. Diagram fasa di Gambar 2 merupakan kurva residue (residue curve) dari senyawa E dan W, dan juga senyawa T yang kita tambahkan. Dapat dilihat bahwa senyawa T membentuk azeotrop homogen (cairannya tidak terpisah) dengan senyawa E di titik 76.7 oC dan  azeotrop heterogen dengan senyawa W pada 84 oC (berada di daerah miscibility gap). Ketiga senyawa ini membentuk ternary azeotrop di titik G yang merupakan campuran yang dapat terpisah (heterogen).

Umpan F dicampur dengan campuran K untuk menghasilkan campuran L. Campuran L ini dikirim ke kolom pertama untuk menghasilkan senyawa W sebagai produk bawah dan campuran H di produk atas. Campuran H ini kemudian digabung dengan campuran M untuk menghasilkan campuran N. Campuran N kemudian dipisahkan di kolom kedua dengan produk atas merupakan senyawa E murni dan produk bawah merupakan azeotrop G. Azeotrop G kemudian didiamkan di dalam decanter untuk memisahkan campuran K dan M. Campuran K dan M ini kemudian dikembalikan untuk dicampur dengan F dan H secara berturut-turut.

Proses ini merupakan proses yang cukup banyak diaplikasikan di pemisahan senyawa-senyawa alkohol dengan air. Topik lebih detail mengenai residue curve, miscibility gap, dan desain kolom distilasi untuk ini akan dibahas di artikel berikutnya :D.

Menggunakan membrane pervaporation atau vapor permeation

Jika proses pemisahan yang akan dilakukan melibatkan air, maka proses alternatif seperti membrane pervaporation atau vapor permeation dapat digunakan. Proses ini menggunakan kombinasi kolom distilasi dengan membran. Pada membrane pervaporation, umpan ke membrane berfasa cair dan produk akan berubah fasa menjadi vapor di sisi permeatnya. Pada vapor permeation, umpan ke membrane berfasa uap. Proses pemisahan melalui membrane ini dapat ditingkatkan dengan meningkatkan perbedaan chemical potential nya (konsentrasi), menaikkan temperature umpan, dan menurunkan tekanan parsial di sisi permeat.

Jika membran yang digunakan berupa membrane hidrofobik, maka senyawa yang hidrofobik akan lebih mudah menembus membrane tersebut. Demikian sebaliknya jika membrane terbuat dari material  yang hidrofilik, maka air akan lebih mudah berpindah.

Secara sederhana, di Gambar 3, suatu campuran A dan B dipisahkan di kolom distilasi sampai pada, atau mendekati, titik azeotropnya (Az1). Produk bagian bawah adalah senyawa yang lebih berat, katakanlah senyawa B. Produk bagian atas adalah campuran azeotropnya (atau yang mendekati azeotrop). Produk bagian atas ini kemudian dialirkan ke suatu membrane yang sangat selektif terhadap A pada kondisi operasi yang telah ditentukan secara eksperimen. Jadi, permeate membrane ini adalah produk A murni, sedangkan retentate-nya adalah campuran A dan B (dengan B adalah komponen mayoritas).

3

Gambar 3. Proses distilasi dan membrane pervaporation

Dengan menggunakan metode ini pun kita bisa memisahkan A dan B. Seberapa jauh pemisahan di kolom distilasi yang sebaiknya dilakukan tergantung dari perhitungan ekonomis antara keperluan energy di reboiler dan pompa vakum (untuk membrane pervaporation) dan keperluan investasi kolom dan luas membrane. Jika pemisahan dilakukan semakin dekat ke titik azeotropnya, maka reboiler akan semakin besar dan keperluan energinya juga besar. Atau juga kolomnya bisa bertambah tinggi. Akan tetapi, unit membrane yang diperlukan akan berukuran kecil, berikut pompa vakumnya. Demikian juga sebaliknya.

Menggunakan molecular sieve

Salah satu alternatif lain adalah dengan menggunakan molecular sieve untuk mengambil air dari campuran azeotrop tersebut. Campuran umpan biasanya dipisahkan sedekat mungkin ke titik azeotrop. Hal ini dibatasi oleh kapasitas molecular sieve dalam menampung air, yaitu sekitar 20 – 25wt% dari massa molecular sieve tersebut. Skema sederhana proses ini ditunjukkan di Gambar 4 berikut ini.

4

Gambar 4. Proses distilasi dan molecular sieve

Seperti terlihat di Gambar 4 di atas, kombinasi antara kolom distilasi dan molecular sieve ini merupakan pilihan yang dapat dipertimbangkan.

Kombinasi membrane pervaporation dan molecular sieve

Jika campuran tidak dipisahkan sampai mendekat titik azeotropnya, atau titik azeotrop tersebut masih memiliki banyak air, maka kebutuhan akan molecular sieve akan sangat besar. Di kasus ini, kombinasi membrane pervaporation dan molecular sieve dapat dipertimbangkan. Seperti terlihat di  Gambar 5, campuran umpan dipisahkan di kolom distilasi sampai pada titik H. Campuran ini kemudian dikirim ke unit membrane pervaporation untuk menghasilkan senyawa A berkonsentrasi tinggi. Akan tetapi, untuk memproduksi A dengan konsentrasi yang lebih tinggi lagi, molecular sieve digunakan untuk mengambil sisa-sisa air yang tersisa.

5

Gambar 5. Kombinasi  membrane pervaporation dan molecular sieve

Penutup

Berbagai pilihan konsep proses untuk memisahkan senyawa azeotrop telah dideskripsikan di artikel ini. Informasi yang lebih detail dapat ditemukan di buku-buku teks atau artikel-artikel mendatang di website Teknik Kimia Indonesia (www.indonesianchemicalengineers.com).

Dengan adanya tulisan review ini, diharapkan pembaca setidaknya mengetahui beberapa pilihan yang dapat dipertimbangkan. Setiap pilihan memiliki keuntungan dan kerugian yang unik untuk setiap sistem pemisahan. Tidak akan ada satu solusi yang bisa menangani semua permasalahan pemisahan. Desain proses pemisahan juga memerlukan pengetahuan dan data termodinamika yang cukup akurat sehingga kita bisa memilih proses seperti apa yang sebaiknya kita gunakan.

Jika ada dari para pembaca yang ingin berdiskusi lebih lanjut mengenai aplikasi proses pemisahan di industrinya, pembaca dapat menghubungi tim redaksi website Teknik Kimia Indonesia di indonesian.chemical.engineers@gmail.com.

Leave a Comment