MODEL KESETIMBANGAN TERMODINAMIS DALAM RANGKA PEMUNGUTAN KOMPONEN-KOMPONEN UTAMA TIR BATUBARA DENGAN PROSES EKSTRAKSI CAIR-CAIR

Dewi Selvia Fardhyanti, S.T., M.T., Prof. Ir. Panut Mulyono, M.Eng., D.Eng.; Prof. Ir. Wahyudi Budi Sediawan, S.U., Ph.D; Muslikhin Hidayat, S.T., M.T., Ph.D.

2014 | Disertasi | S3 Teknik Kimia

Fokus dari penelitian ini adalah mempelajari proses ekstraksi cair-cair pemungutan komponen-komponen utama dalam tir batubara dan melakukan generalisasi hasil percobaan dengan mengkorelasikan data kesetimbangan cair-cair dengan model termodinamika serta sekaligus mendapatkan nilai parameter-parameter model. Variabel-variabel penelitian adalah komposisi pelarut (fraksi mol air dan pelarut), jenis pelarut, rasio pelarut-umpan, dan temperatur operasi. Penelitian ini meliputi 2 tahap percobaan yaitu tahap 1, pirolisis batubara dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan tir batubara dan tahap 2, ekstraksi senyawa fenol, o-kresol, dan p-kresol menggunakan solven campuran aseton-air dan metanol-air dilakukan dengan 2 metode yaitu ekstraksi solut tunggal dan ekstraksi multi-solut. Ekstraksi dilakukan dengan menggunakan larutan tir batubara artifisial yang mempunyai kandungan fenol, o-kresol, p-kresol serta komposisi yang mirip dengan tir batubara yang sesungguhnya. Ekstraksi solut tunggal bertujuan untuk mendapat harga koefisien distribusi, yield, data kesetimbangan dan parameter-parameter model kesetimbangan serta pemodelan termodinamikanya. Ekstraksi multi-solut bertujuan untuk mendapatkan harga koefisien distribusi, yield, dan data kesetimbangan serta pemodelan termodinamikanya. Dalam pemodelan sistem multi-solut, parameter-parameter yang relevan dari sistem solut tunggal disesuaikan dan diaplikasikan, hasilnya menunjukkan bahwa pendekatan ini berjalan dengan baik. Hasil analisis GC-MS terhadap tir batubara hasil pirolisis menunjukkan bahwa tir batubara mengandung lebih dari 53 komponen. Komponen terbesar yang terkandung dalam tir batubara adalah senyawa fenol yaitu sebesar 39,44% diantaranya 8,06% fenol, 3,45% o-kresol, dan 11,06% p-kresol. Hal ini disebabkan karena proses pirolisis dilakukan pada suhu 450-700oC sehingga menghasilkan zat yang mengandung lebih banyak asam tir dan basa tir. Pada proses ekstraksi solut tunggal, fraksi mol solut maksimum (0,067 fenol; 0,089 o-kresol; dan 0,108 p-kresol), koefisien distribusi maksimum (4,238 fenol; 4,423 o-kresol; dan 5,573 p-kresol), dan yield maksimum (0,861 fenol; 0,878 o-kresol; dan 0,945 p-kresol) diperoleh pada rasio pelarut-umpan 1, temperatur 308 K, solven campuran metanol-air, dan fraksi mol air dalam solven 0,2. Model termodinamika untuk ekstraksi senyawa fenol, o-kresol, dan p-kresol dengan solven campuran aseton-air maupun metanol-air menunjukkan bahwa model Three-Suffix Margules paling cocok digunakan untuk memprediksi kesetimbangan cair-cair pada ekstraksi solut tunggal dibandingkan model Wohl, Van Laar, dan UNIFAC. Pada proses ekstraksi multi-solut, fraksi mol solut maksimum (0,055 fenol; 0,037 o-kresol; dan 0,061 p-kresol), koefisien distribusi maksimum (2,80 fenol; 3,66 o-kresol; dan 4,55 p-kresol), dan yield maksimum (0,75 fenol; 0,74 o-kresol; dan 0,76 p-kresol) diperoleh pada rasio pelarut-umpan 1, temperatur 308 K, solven campuran metanol-air, dan fraksi mol air dalam solven 0,2. Hasil verifikasi kecocokan model kesetimbangan sistem multi-solut berdasarkan parameter-parameter sistem solut tunggal dengan data eksperimen sistem multi-solut, menunjukkan bahwa model Three-Suffix Margules paling cocok untuk mengkorelasikan data eksperimen untuk berbagai variabel operasi dibandingkan model Wohl dan Van Laar.

The focus of this research is to study the liquid-liquid extraction process of the major components of coal tar and to generalize the results of experiments by correlating the data of liquid-liquid equilibrium with thermodynamic models and to obtain the values of the parameters of the model. Variables of the research are composition of the solvent (the mole fraction of water and solvent), the type of solvent, solvent-feed mass ratio, and operating temperature. This research includes two stages experiments, the first is coal pyrolysis which to obtain coal tar and the second is the liquid-liquid extraction of phenol, o-cresol, and p-cresol using a aqueous acetone and aqueous methanol, carried on 2 methods, single-solute extraction and multi-solute extraction. The experiment used artificial coal tar containing phenol, o-cresol, p-cresol in kerosene, which was prepared in the laboratory with the phenol, o-cresol, p-cresol content similar to the real coal tar. Single-solute extraction aims to obtain the distribution coefficient, the yield, the equilibrium data and parameters of thermodynamic models for single-solute system. Multi-solute extraction aims to obtain coefficient distribution, the yield, the equilibrium data and thermodynamic modeling. In the modelling of multi-solute systems, the relevant parameters from single-solute systems are adjusted and applied. It turned out that the approach works well. The result of GC-MS analysis of the coal tar showed that it contains more than 53 components. The largest component is phenolic compound (39.44%). Of those, the largest are phenol (8.06%), o-cresol (3.45%), and p-cresol (11.06%). It was caused by the pyrolysis process carried out at 450-700°C (low temperature carbonization) which will produce a substance that contains more tar acids and tar bases. In single-solute extraction process, maximum of solute mole fraction (0.067 phenol; 0.089 o-cresol; and p-cresol 0.108), maximum of the distribution coefficient (4.238 phenol; 4.423 o-cresol; and 5.573 p-cresol), and maximum of the yield (0.861 phenol; 0.878 o-cresol; and 0.945 p-cresol) are obtained in aqueous methanol solvent, solvent-feed mass ratio is 1, temperature is 308 K, and mole fraction of water in solvent is 0.2. By using visual inspection, it can be concluded that Three-Suffix Margules’s model produces the best results for predict the liquid-liquid equilibrium of phenol, o-cresol, and p-cresol systems studied. In multi-solute extraction process, maximum of solute mole fraction (0.055 phenol; 0,037 o-cresol; and p-cresol 0.061), maximum of the distribution coefficient (2.80 phenol; 3.66 o-cresol; and 4.55 p-cresol), and maximum of the yield (0.75 phenol; 0.74 o-cresol; and 0.76 p-cresol) are obtained in aqueous methanol solvent, solvent-feed mass ratio is 1, temperature is 308 K, and mole fraction of water in solvent is 0.2. By using visual inspection, it can be concluded that Three-Suffix Margules’s model produces the best results for predict the liquid-liquid equilibrium of phenol, o-cresol, and p-cresol systems studied.

Kata Kunci : fenol, o-kresol, p-kresol, Wohl, Van Laar, Three-Suffix Margules, UNIFAC