BAHAN KULIAH OTK III
KRISTALISASI
DOSEN PENGAMPU
Ir.Hj.Laila Faizah MKesCRYSTALLIZERA. Pengertian
Kristalisasi atau penghabluran (crystallzation) ialah peristiwa
pembentukan partikel-partikel zat padat (kristal) di dalam suatu
fase yang homogen. Kristalisasi merupakan metode yang praktis untuk
mendapatkan bahan-bahan kimia murni dalam kondisi yang memenuhi
syarat baik untuk pengemasan ataupun untuk penyimpanan.Dalam proses
kristalisasi disini, kita menggunakan alat yang dinamakan dengan
crystallizer. Crystallizer adalah alat yang digunakan untuk
memperoleh atau membuat kristal dari larutannya. Oleh karena itu,
larutan yang akan dikristalisasi harus dibuat lewat jenuh terlebih
dulu dengan jalan penguapan atau pendinginan. Kristalisasi tidak
dapat terjadi tanpa super saturasi terlebih dahulu, dimana cara
memperoleh saturasi ini tergantung dari kelarutannya. Sebagai
contoh misalnya NaNO3, untuk memperoleh super saturasi dan
kristalisasi dapat dilakukan dengan :
pendinginan tanpa penguapan
penguapan tanpa pendinginan
kombinasi penguapan dan pendinginan (adiabatic)B. Faktor-Faktor
yang Mempengaruhi Proses Kristalisasi
1. Kecepatan kristalisasi
Kecepatan kristalisasi meliputi : a. Pembentukan inti
kristal
b. Pertumbuhan kristal
Terjadinya inti kristal dapat dipertinggi dengan :
pendinginan yang cepat
pengadukan yang baik
memakai larutan yang murni
temperature yang tinggi konsentrasi yang tinggi
pemberian kristal halus sebagai bibitan2. Hasil kristalisasi
Hasil kristalisasi tergantung dari prosesnya. Apabila proses
kristalisasi berjalan cepat maka kristal yang terjadi halus.
Sebaliknya bila proses kristalisasi berjalan lambat maka kristal
yang terbentuk kasar (besar).3. Kemurnian dan ukuran kristal
Pada proses kristalisasi harus dihindarkan adanya pencucian
kristal yang dihasilkan. Hal ini terutama bagi kristal yang mudah
larut dan kristal yang bersifat hidroskopis. Untuk ini lebih baik
larutan yang akan dikristalkan dibuat semurni mungkin sehingga pada
kristalisasi akan diperoleh kristal yang lebih bersih.4. Energi
yang diperlukan
Pada kristalisasi energi diperlukan untuk penguapan sampai
diperoleh larutan yang lewat jenuh. Untuk kristaliser yang bekerja
secara adiabatic (tidak memerlukan energi dari luar) biasanya
menggunakan penguapan disertai pendinginan atau dengan memakai
vacuum.5. Uniformity (keseragaman ukuran)
Kristal yang uniform dapat diperoleh dengan menambahkan kristak
halus pada larutan yang telah lewat jenuh. Disini kristal halus
tersebut berfungsi sebagai inti kristal (bibitan). Kristal yang
uniform akan memberikan keseragaman dalam proses berikutnya
terhadap kristal tersebut. Disamping itu kristal yang uniform
menunjukkan bahwa proses pembuatanyya sangat teliti sehingga akan
lebih menarik.C. Klasifikasi Peralatan Kristalisasi Berdasarkan
cara memperoleh super saturasi, peralatan kristalisasi
diklasifikasikan sebagai berikut :
Super saturasi diperoleh dengan pendinginan tanpa penguapan
:
Tank Crystallizer
Swenson Walker Crystallizer
Crystal Cooling Crysyallizer
Super saturasi diperoleh dengan penguapan tanpa pendinginan
:
Crystal Evaporator Crystallizer
Strike Pans
Super saturasi diperoleh dengan kombinasi penguapan dan
pendinginan adiabatic :
Swenson Vacum Crystallizer
Crystal Vacum CrystallizerD. Macam-Macam Peralatan Kristalisasi
1. Agitated Batch Crystallizer
Merupakan type yang kuno, beroperasi secara batch dan sebagai
pendingin dipakai air yang dialirkan di dalam pipa-pipa pendingi
yang ada di dalam bejana.
Kerugiannya : Proses secara batch sehingga banyak waktu untuk
bongkar pasang
Pada koil terjadi kritalisasi paling cepat atau banyak
Pemeliharaan dan pembersihannya lebin sulit
Gambar 1. Agitated Batch Crytallizer
Cara kerja :
Air akan mengalir sepanjang gulungan kawat. Pendingin dan
larutan digerakkan oleh baling-baling yang terdapat pada tanki.
Agitasi ini menunjukkan 2 fungsi, yaitu :
Hal ini akan menambah transfer panas serta menjaga temperatur
larutan agar tetap sama.
Menjaga kebaikan kristal pada suspensi ini serta memberikan
kesempatan pembuatan yang lebih seragam dari luar kristal yang
terbentuk (agregat).2. Swenson Walker Crystallizer
Biasanya digunakan untuk proses kristalisasi dengan pendinginan.
Sesuai dengan sifat kelarutan suatu zat di dalam pelarut, maka
kristalisasi dengan pendinginan ini hanya baik untuk larutan yang
perubahan kelarutanya cepat bila temperature sedikit berubah. Alat
ini berupa suatu larutan yang panjang dan berjaket, dimana jaket
tersebut untuk aliran air pendingin. Biasanya terdiri dari beberapa
ruas/unit yang masing-masing bersambungan saut dengan yang lain
membentuk kristaliser yang panjang. Biasanya lebar = 24 inch dengan
dasr semisilindris tiap = 10 ft.
Di dalam salurannya dilengkapi dengan pengaduk yang horizontal
sepanjang saluran. Pengaduk tersebut berupa suatu as yang
dilengkapi dengan pengaduk bentuk helic, yang mana disamping
fungsinya sebagai pengaduk (untuk membuat homogen) juga untuk
mengalirkan bahan sesuai dengan arus aliran helicnya.
Larutan masuk pada ujung yang satu dengan temperature yang
tinggi dan keluar pada ujung yang lain dengan temperature yang
relative rendah. Air pendingin dapat dialirkan da dalam jaket
secara cocurrent ataupun conter current.
Gambar 2. Penampang Swenson Walker Crystallizer
Cara Kerja : Larutan masuk pada ujung yang satu dengan
temperatur yang tingi dan keluar pada ujung yang lain dengan
temperatur relatif rendah. Air pendingin dapat dialirkan di dalam
jaket secara co-current ataupun counter current. Di dalam
salurannya dilengkapi pengaduk yang horisontal sepanjang saluran.
Pengaduk tersebut berupa suatu as yang dilengkapi dengan pengaduk
bentuk helic, yang mana disamping fungsinya sebagai pengaduk (untuk
menjadikan larutan homogen) juga untuk mengalirkan bahan sesuai
dengan arus helicnya.3. Crystal Cooling Crystallizer
Merupakan crystallizer dengan menggunakan air sebagai media
pendingin. Kadang-kadang digunakan juga larutan garam sebagai media
pendingin. Proses yang terjadi terdiri dari :
a.Pembentukan larutan lewat jenuh (super saturasi) :
Feed merupakan larutan jenuh yang tercampur dengan sisa larutan
dari tangki pengkristalan dilewatkan pada cooler, karena adanya
penurunan suhu maka dihasilkan larutan lewat
jenuh.b.Pembentukan/pertumbuhan kristal :
Larutan lewat jenuh yang diperoleh dialirkan dalam tangki
kristalisasi sehingga terjadi kontak dengan inti kristal dan
terjadi pertumbuhan kristal. Sisa kristal setelah kristalisasi
disirkulasi kembali dicampur dengan feed yang masuk.
Gambar 3. Crystal Cooling Crystallizer
Cara Kerja :
1. Pembentukan larutan lewat jenuh(super saturasi):
Feed merupakan larutan jenuh yang tercampur dengan sisa larutan
dari tangki pengkristalan lewat jenuh pada cooler,karena adanya
penururnan suhu dihasilkan larutan lewat jenuh.
2. Pembentukan/pertumbuhan kristal
Larutan jenuh yang diperoleh dialirkan dalam tangki kritalisasi
sehingga terjadi kontak dengan inti kristal dan tejadi pertumbuhan
kristal.Sisalarutan setelah dikristalisasi disirkulasi kembali
dicampur dengan feed yang masuk.
4. Evaporator Crystallizer
Digunakan untuk kristalisasi dengan penguapan non adiabatic.
Alat ini terdiri dari dua bagian yaitu :
a. Heat exchanger sebagai penguap dengan pemanas uap
b. Crystallizer yang berfungsi sebagai tempat kristalisasi
Kedua alat ini digabung menjadi satu sehingga merupakan
evaporator crystallizer. Disini super saturasi diperoleh dengan
penguapan di dalam evaporator, yang mana sebelum masuk ke
evaporator terlebih dulu dilewatkan heater yang dipanaskan dengan
uap dengan system shell side. Gambar 4. Evaporator Crystallizer
Cara kerja :Feed masuk pada T, kemudian masuk pada pemanas
(heater), dialirkan uap (steam yang berada diluar tabung. Kemudian
dikeluarkan pada kondensor bagian bawah dan dipompakan ke bejana.
Diatas evaporator ada penghisap U untuk mengkondisikan, umumnya
untuk mencapai supersaturasi. Kemudian jika sudah jenuh turun pada
bejana dan terjadi pertumbuhan kristal besar dan dialirkan ke M.
Kristal murni diperoleh dengan jalan centrifugasi.
Pada kristal keluarnya dipanaskan kembali pada heater
bersama-sama feed yang masuk dan disirkulasi kembali sehingga
bekerja secara kontinyu. Kristal hasil dan mother liquor
dikeluarkan lewat M untuk dipisahkan kristalnya dengan menggunakan
separator atau centrifuge.5. Batch Vacum Crystallizer
Merupakan salah satu type dari Swenson Vacum Crystallizer.
Didalam tangki kristalisasi terdapat propeller yang dapat
menimbulkan olakan centrifugal dalam larutan pada kemiringan yang
sama. Dengan adnya olakan tersebut akan mengakibatkan tumbuhnya
kristal pada larutan yang lewat jenuh. Tangki kristalisasi dibuat
vacuum dengan menggunakan steam jet booster dan kondensor. Boster
diperlukan apabila suhu akhir dari magma di bawah suhu yang
seharusnya. Kondensor dilengkapi dengan pompa vacuum yang digunakan
juga untuk memindahkan udara maupun gas-gas yang tak
terkondensasikan. Gambar 5. Batch Vacum CrystallizerCara kerja
:
Feed masuk mencapai ketingggian tertentu, kran masuk ditutup. Di
dalam tangki terdapat propeller yang dijalankan sehingga
menimbulkan olakan-olakan centrifugal didalam kristal pada larutan
lewat jenuh. Tangki krital dibuat vacuum dengan menggunakan jet
bouster dan kondensor yang juga dipengaruhi oleh pompa vacuum.
Kemudian steam digunakan untuk mendorong uap ke vacuum pompa. Yang
sebelumnya dihisap oleh bouster dan dibuat vacuum, untuk
memperbesar vacuum menggunakan kondensor. Pada kondensor digunakan
atau dilengkapi pompa vacuum agar uap yang tidak terkondensasi
dihisap oleh pompa vacum. Setelah penguapan tersebut larutan lewat
jenuh sehingga mempengaruhi pertumbuhan kristal. Kemudian kristal
dikeluarkan dan lewat induk dipisahkan dengan cara centrifugal. 6.
Continuous Swenson Vacum Crystallizer
Operasi yang direncanakan dalam unit ini semua magma disirkulasi
dengan pompa melalui dasar tangki. Aliran yang keluar dari pompa
menimbulkan olakan yang berfungsi sebagai pengadukan sehingga suhu
dan konsentrasinya uniform.
Dengan adanya system vacuum maka uap meninggalkan tangki menuju
booster atau kondensor. Suhu larutan yang keluar dari pompa sedikit
lebih tinggi (+ 20F) dibanding suhu magma di dalam tangki.
Perbedaan suhu ini diatur dengan control terhadap perbandingan
antara feed dengan magma yang direcycle. Pipa pengeluaran kristal
dibuat miring ke atas dengan maksud apabila sementara discharge
ditutup, kristal akan kembali ke pipa kristalisasi sehingga
menyumbat aliran, untuk memberi kesempatan pertumbuhan kristal.
Pertumbuhan kriatal yang baik terjsdi pada magma dengan density
tinggi dan berkisar antara 20-30% solid. Gambar 6. Continuous
Swenson Vacum Crystallizer
Cara kerja :
Sistem yang digunakan dalam operasi alat ini yaitu sistem
vaccum. Dengan adanya sistem vaccum maka uap meninggalkan tangki
menuju booster atau kondensor. Larutan umpan akan masuk ke dalam
pipa-turun sebelum disedot oleh pompa sirkulasi.
Cairan induk dan kristal ditarik keluar melalui pipa pengeluar
yang ditempatkan diatas pemasuk umpan didalam pipa-turun. Cairan
induk dipisahkan dari kristal didalam pemisah sentrifugal kontinue,
kristal dibawa keluar sebagai hasil atau untuk diolah lebih lanjut,
dan cairan induk didaurkan kembali kedalam pipa turun. Sebagian
cairan induk dikeluarkan dari sistem dengan pompa untuk mencegah
akumulasi ketakmurnian.
Crystallizer dilengkapi klasifikasi dan pemindahan inti kristal
ukuran kristal yang lebih kecil biasanya tidak diinginkan, sehingga
harus dicegah supaya tidak masuk dalam tangki kristalisasi dengan
jalan mengalirkan ke classifier. Untuk membantu pemisahan kristal
kecil agar tidak terikut keluar sebagai produk maka dialirkan
larutan jenuh dari bawah kaki cristallizer. Klasifikasi hanya
efektif bila jumlah pertumbuhan kristal dapat diatur. Untuk
memindahkan inti kristal yang tidak diinginkan (kelebihan inti
kristal) maka magma disirkulasi melalui separator. Dalam separator,
kristal yang besar mengendap kebawah yang kemudian bersama sama
feed disirkulasi kembali, sedang kristal yang kecil (inti kristal)
bersama sama cairan akan dikeluarkan.
7. Crystal Vacum Crystallizer
Feed dicampur dengan cairan yang direcycle dipompa ke ruang
penguap untuk diuapkan secara adiabatic sehingga terjadi larutan
lewat jenuh. Larutan tersebut mengalir melalui pipa ke tangki
kristalisasi sehingga terbentuk kristal di dalam tangki
kristalisasi, kemudian kristal dikeluarkan melalui dischargenya dan
cairannya direcycle.
Dengan alat ini ukuran kristal yang diinginkan dapat diatur
dengan mengatur kecepatan pompa sirkulasi. Kalau sirkulasinya
lambat maka kristal yang kecil-kecilpun akan larut mengendap.
Gambar 7. Crystal Vacum CrystallizerCara Kerja :
Feed dicampur dengan cairan yang direcycle kemudian dipompa ke
ruang penguap untuk diuapkan secara adiabatic sehingga terjadi
larutan lewat jenuh. Larutan tersebut mengalir melalui pipa tangki
kristalisasi sehingga terbentuk kristal, kemudian kristal
dikeluarkan melalui discangernya sedangkan cairan direcycle.
8. Continuous Crystallizer
Pada kristaliser unit tunggal, pada dasarnya menyerupai
evaporator efek tunggal tetapi unit ini dapat pula dioperasikan
dalam efek berganda. Magma disirkulasikan dari dasar kristaliser
yang berbentuk kerucut, melalui pipa turun ke dalalm pompa
sirkulasi yang mempunyai tinggi tekan rendah dan kecepatan
rendah,mengalir ke atas melalui pemanas tabung vertical yang
dipanaskan oleh uap yang kondensasi di dalam selongsongnya dan
kemudian ke dalam tubuh alat. Uap panas masuk melalui pemasuk
tangensial yang terletak persis di bawah permukaan magma. Uap ini
menyebabkan terjadinya gerakan aduk didalam magma yang mempermudah
evaporasi kilat dan membuat magma itu seimbang dengan uap karena
aksi kilat adiabatic. Keadaaan lewat jenuh yang dibangkitkan akan
memberikan potensial pendorong nukleasi dan pertumbuhan. Volume
magma dibagi dengan laju aliran volumetric magma melalui pompa
bubur memberikan waktu retensi atau waktu ketertahanan.
Gambar 8. Continuous CrystallizerLarutan umpan masuk ke dalam
pipa turun sebelum disedot oleh pompa sirkulasi. Cairan induk
dipisahkan dari kristal di dalam pemisah sentrifugal kontinyu,
kristal dibawa keluar sebagai hasil atau untuk diolah lebih lanjut,
dan cairan induk didaurkan kembali ke dalam pipa turun. Sebagian
cairan induk dikeluarkan dari system dengan po,pa untuk mencegah
akumulasi impuritas.
9. Draft Tube Baffle Crystallizer
Merupakan kristalisator yang lebih efektif dan serbaguna. Tubuh
kristalisator ini dilengkapi dengan tabung jujut (draft tube) yang
juga berfungsi sebagai sekat untuk mengendalikan sirkulasi magma,
dan agitator propeller yang mengarah ke bawah untuk memberikan
sirkulasi yang terkendali di dalam kristalisator.
Gambar 9. Draft Tube Crystallizer
DAFTAR PUSTAKA
Brown, G. G. Unit Operation. Japan : Modern Asia Edition,
1978.
Cook, T. M dan D. J. Cullen. Industri Kimia Operasi. Jakarta :
PT Gramedia, 1958.Dwi Handayani. Diktat Kuliah Peralatan Industri
Kimia. Semarang : PSD III Teknik Kimia Universitas Diponegoro.
Mc. Cabe, Warren L dan Jullian C. Smith. Operasi Teknik Kimia,
terj. Ir. E. Jasifi, MSc, Jilid I. Jakarta : Erlangga, 1993.
Teori Miers Lama
Gambar. Kurva Pembentukan Kristalisasi Primary Homogen
Keterangan:
FG: Supersolubility Curve
AB: Solubility Curve
Kurva AB biasanya untuk kurva yang sifat zatnya dapat larut
(keseimbangan) dan menentukan konsentrasi maksimal larutan yang
dapat dicapai dengan membawa padatan terlarut dan pelarut pada
titik keseimbangan sifat ini menggambarkan batas ujung tentang
kristalisasi dan supersaturated larutan jika sampel dari bahan
mempunyai komposisi dan temperatur di titik C adalah dingin yang
ditunjukkan dengan panah. Langkah pertama adalah memotong kurva
solubility, selanjutnya akan mulai menjadi kristal.
Jika langkah pertama dan sedikit larutan sedikit dibebaskan dari
partikel padat, tidak hanya zat padat itu sendiri tapi juga zat
padat lainnya, larutan tidak akan mulai menjadi kristal sampai
larutan itu sangat dingin yang terletak dari kurva AB. Pada titik
D, menurut teori Miers kristalisasi dimulai dan konsentrasi suatu
zat tidak merata melalui kurva DE.
Partikel padat kurva FG (dinamakan kurva Supersolubility)
menggambarkan batas pembentukan nucleus secara spontan dan
konsekuen, titik dimana kristalisasi dapat dimulai Teori Miers,
titik terpendek (pada garis CD) nuklei tidak terbentuk dan
kristalisasi tidak dapat terjadi. Jika suatu larutan pada T dan C
diturunkan suhunya, sehingga memotong kurva AB, pada saat larutan
menjadi jenuh. Bila suhu diturunkan lagi akhirnya C akan memotong
kurva lewat jenuh FB di D. apabila dalam keadaan tersebut
ditambahkan inti kristal, maka konsentrasi larutan akan turun
menurut garis DE sampai akhirnya solute mengkristal seluruhnya dan
solvent dapat dipakai kembali.
Gambar. Kurva Pembentukan Secondary Nuklei
Keterangan:
AB: Kurva Saturated
CD: Kurva Primary Homogen Nuklei
EF: Kurva Penambahan Seeding
J: Tumbuhnya Inti Kristal (Secondary Nuklei)
Teori Miers Baru
Gambar. Kurva Teori Miers Baru
Pengaruh kecepatan penurunan T pada larutan jenuh pada
terjadinya kristal dapat diterangkan dengan Teori Miers sebagai
berikut:
Bila kecepatan turunnya T cepat
Jika larutan jenuh diturunkan temperaturnya dengan cepat maka
kecepatan terbentuknya inti kristal primer akan cepat, sehingga
inti kristal primer yang terbentuk banyak.
Bila kecepatan turunnya T lambat
Apabila waktu pertumbuhan kristal makin lama, maka kristal yang
tumbuh pun akan semakin besar.
D
G
B
Tempertur
F
A
C
Konsentrasi
E
Konsentrasi
D
F
B
J
C
E
A
Temperatur
A
Temperatur
Supersolubility
Konsentrasi
Superheated
B
