KRISTALISASI
Kristalisasi merupakan teknik
pemisahan kimia antara bahan padat-cair, di mana terjadi perpindahan
massa (mass transfer) dari suat zat terlarut(solute) dari cairan
larutan ke fase kristal padat. Pemisahan secara kristalisasi dilakukan
untuk memisahkan zat padat dari larutannya dengan jalan menguapkan pelarutnya.
Zat padat tersebut dalam keadaan lewat jenuh akan bentuk kristal. Kristal
kristal dapat terbentuk bila uap dari partikel yang sedang mengalami sublimasi
menjadi dingin. Selama proses kristalisasi, hanya partikel murni yang akan
mengkristal.
Pemisahan dengan teknik
kristalisasi ini, didasari atas pelepasan pelarut dari zat terlarutnya dalam
sebuah campuran homogeen atau larutan, sehingga terbentuk kristal dari zat
terlarutnya. Proses ini adalah salah satu teknik pemisahan padat-cair yang
sangat penting dalam industri, karena dapat menghasilkan kemurnian produk
hingga 100%.
Kristalisasi terbagi menjadi empat macam, yaitu :
1.
Kristalisasi penguapan
Kristalisasi penguapan dilakukan jika zat yang akan dipisahkan tahan
terhadap panas dan titik bekunya lebih tinggi daripada titik didih pelarut.
2.
Kristalisasi pendinginan.
Kristalisasi pendinginan dilakukan dengan cara mendinginkan larutan. Pada
saat suhu larutan turun, komponen zat yang memiliki titik beku lebih tinggi
akan membeku terlebih dahulu, sementara zat lain masih larut sehingga keduanya
dapat dipisahkan dengan cara penyaringan. Zat lain akan turun bersama pelarut
sebagai filtrat, sedangkan zat padat tetap tinggal di atas saringan sebagai
residu.
3.
Pemanasan dan Pendinginan
Metode ini merupakan gabungan dari dua metode diatas.
Larutan panas yang Jenuh dialirkan kedalam sebuah ruangan yang divakumkan.
Sebagian pelarut menguap, panas penguapan diambil dari larutan itu sendiri,
sehingga larutan menjadi dingin dan lewat jenuh. Metode ini disebut
kristalisasi vakum.
4. Penambahan bahan (zat) lain.
Untuk pemisahan bahan organic dari larutan seringkali ditambahkan suatu
garam. Garam ini larut lebih baik daripada bahan padat yang dinginkan sehinga
terjadi desakan dan membuat bahan padat menjadi terkristalisasi.
Pembentukan kristal dapat juga terjadi bila suatu larutan telah melampaui
titik jenuhnya. Titik jenuh larutan adalah suatu titik ketika penambahan
partikel terlarut sudah tidak dapat menyebabkan partikel tersebut melarut,
sehingga terbentuk larutan jenuh. Larutan jenuh adalah larutan yang mengandung
jumlah maksimum partikel terlarut pada suatu larutan pada suhu tertentu.
Contohnya adalah NaCl ketika mencapai titik jenuh maka akan terbentuk kristal.
Berkurangnya air karena penguapan, menyebabkan larutan melewati titik jenuh dan
mempercepat terbentuknya kristal.
Mekanisme Pembentukan Kristal
1. Pembentukan
Inti
Inti kristal adalah partikel-partikel
kecil bahkan sangat kecil yang dapat terbentuk secara cara memperkecil kristal-kristal yang ada
dalam alat kristalisasi atau dengan menambahkan benih kristal ke dalam larutan
lewat jenuh.
2. Pertumbuhan Kristal
Pertumbuhan kristal merupakan
gabungan dari dua proses yaitu :
a. Transportasi molekul-molekul atau
(ion-ion dari bahan yang akan di kristalisasikan) dalam larutan kepermukaan
kristal dengan cara difusi. Proses ini berlangsung semakin cepat jika derajat
lewat jenuh dalam larutan semakin besar.
b. Penempatan
molekul-molekul atau ion-ion pada kisi kristal. Semakin luas total permukaan
kristal, semakin banyak bahan yang di tempatkan pada kisi kristal persatuan
waktu.
Syarat-Syarat Kristalisasi
1.
Larutan harus jenuh
Larutan yang mengandung jumlah
zat berlarut berlebihan pada suhu tertentu, sehingga kelebihan itu tidak
melarut lagi. Jenuh berarti pelarut telah seimbang zat terlarut atau jika
larutan tidak dapat lagi melarutkan zat terlarut, artinya konsentrasinya telah
maksimal jika larutan jenuh suatu zat padat didinginkan perlahan-lahan,
sebagian zat terlarut akan mengkristal, dalam arti diperoleh larutan super
jenuh atau lewat jenuh
2. Larutan
harus homogen
Partikel-partikel yang sangat
kecil tetap tersebar merata biarpun didiamkan dalam waktu lama.
3. Adanya
perubahan suhu
Penurunan suhu secara drastis
atau kenaikan suhu secara dratis tergantung dari bentuk kristal yang
didinginkan.
Jenis-Jenis Crystallizer (Kristallisator)
Alat-alat kristalisasi disebut juga
Crystallizer atau Kristallisator. Alat-alat ini digunakan dalam proses
kristalisasi terutama dalam skala industri, alat-alat yang digunakan dalam
proses kristalisasi sangat beragam. Hal ini disebabkan oleh sifat-sifat bahan
dan kondisi pertumbuhan kristal yang sangat bervariasi. Disamping itu juga
karena kristallisasi dilaksanakan untuk tujuan yang berbeda-beda (pemisahan
bahan, pemurnian bahan, pemberian bentuk).
A. Jenis Crystallizer dengan Circulating
Magma
1. Forced
Circulating Liquid Evaporator Crystallizer
Kristaliser jenis ini
mengkombinasikan antara pendinginan dan evaporasi untuk mencapai kondisi
supersaturasi (larutan lewat jenuh).
Prosesnya : Umpan berupa larutan induk terlebih dahulu dilewatkan melalui sebuah Heat
Exchangers untuk dipanaskan. Heat exchangers tersebut berada didalam
evaporator. Didalam evaporator terjadi flash evaporation yaitu: terjadi
pengurangan jumlah atau kandungan pelarut dan terjadi peningkatan kosentrasi
zat terlarut. Dimana pada saat itu juga, keadaan zat terlarut sudah lewat jenuh
atau supersaturasi. Larutan yang sudah berada pada keadaan lewat jenuh tersebut
dialirkan menuju badan crystallizer untuk diperoleh padatan berupa kristal.
Dimana pada badan crystallizer terdapat mekanisme kristalisasi yaitu nukleasi dan
pertumbuhan kristal. Produk kristal dapat diambil sebagai hasil pada bagian
bawah crystallizer, namun tidak semua proses berjalan sempurna atau dengan kata
lain tidak semua cairan induk berubah menjadi padatan kristal. Karena itu ada
proses pengembalian kembali hasil pipa sirkulasi (circulating pipe)
atau proses recycle hasil kristaliasi. Terlihat bahwa
umpan dan campuran umpan dengan hasil yang masih belum padatan, dialirkan
dengan paksa atau forced circulation, serta adanya Heat
Exchangers dapat membuat kenaikan titik didih yang sempurna. Kenaikan
titik didih pada Heat Exchangers pada Evaporator untuk dapat membuat larutan
menjadi lewat jenuh berkisar antara 3 – 100F untuk sekali lewat.
Bila kenaikan titid didih yang diharapkan untuk mendapatkan kristal yang baik
tidak sesuai, maka dapat digunakan beberapa evaporator untuk menaikan titik
didih, dimana kosentrasi zat terlarut akan meningkat juga. Karena mengalir
secara paksa menggunakan pompa, maka kecepatan aliran cukup tinggi, sehingga
akan mengakibatkan ketinggian permukaan larutan pada crystallizer tidak
tetap atau naik turun. Umumnya crystallizer jenis ini dibangun dengan diameter
2 feet atau pada skala industri sekitar 4 feet atau lebih.
- Draft Tube Baffle (DTB)
Cyrstallizer
Draft tube
baffle (DTB) crystallizers atau plat buang/tabung isap kristalisasi merupakan
salah satu dari beberapa jenis alat kristalisator yang didasarkan pada
pemisahan debu/uap dari bahan melalui fase lewat - jenuh yang ditingkatkan
sehingga diperoleh kristal – kristal yang besar. Alat ini dilengkapi dengan
tabung junjut fungsi sekat untuk mengendalikan sirkulasi magma dan dilengkapi
pula oleh alat penggerak (argitator).
Proses kerja Draft Tube Baffle
(DTB) Crystallizers dapat dibedakan menjadi dua bagian. Bagian pertama
adalah proses kristalisasi dan bagian kedua adalah proses klarifikasi. Pada
bagian kristalisasi, bahan sample dan cairan induk (mother liquid) dimasukkan kedalam tangki DTB
Crystallizers melalui sebuah pipa Superheated Solution From Hearter and Recirculation
Pump, komponen ini akan mendorong bahan naik ke atas dalam Draft
Tube (suatu tabung
isap). Didalam
tabung isap bahan akan tercampur dan mengalami sirkulasi dengan bantuan
Agitator (pemutar/pengaduk) yang berada di dalam tangki bagian bawah, Kedua
bahan ini akan membentuk magma melalui fase lewat-jenuh yang ditingkatkan.
Magma yang terbentuk akan mengalami perubahan density sehingga uap yang
terkandung di dalamnya akan terlepas kepermukaan magma menuju ke Vapors
Separation (pemisahan uap). Magma yang mengalami perubahan density akan
mengalami proses nukleasi (pembentukan inti kristal), kristal yang terbentuk akibat
proses nukleasi akan mengendap ke dasar larutan dan sebagian akan naik ke permukaan. Kristal yang mengendap
akan mengalami pemisahan antara kristal halus dan kristal kasar pada settling zone (zona penyelesaian), dimana sebagian Kristal akan
dikeluarkan dari dasar tangki dan selebihnya dijadikan umpan bersama cairan
induk untuk melakukan proses sirkulasi guna melarutkan partikel-partikel halus
yang masih mengendap. Pada bagian klarifikasi akan terjadi pemisahan pada
bentuk kristal, Kristal yang sesuai dengan keinginan akan diambil dan kristal
yang belum sesuai (ukurannya besar/kasar) akan dikembalikan ke zona
kristalisasi untuk proses lebih lanjut.
Dengan menggunakan alat Draft Tube Baffle (DTB) Crystallizers dapat diperoleh produk :
- Natrium Karbonat
(Sodium Carbonate)
· - Sodium Sulfat
(Sodium Sulfate)
· - Natrium Nitrat
(Sodium Nitrate)
· - Tembaga Sulfat
(Copper Sulfate)
· - Sodium Sulfit
(Sodium Sulfite)
· - Kalsium Klorida
(Calcium Chloride)
· - Amonium Sulfat
(Ammonium Sulfate)
· - Kalium Klorida
(Potassium Chloride)
Adapun Keuntungan menggunakan Draft Tube Baffle (DTB) Crystallizers
antara lain :
· Mampu
memproduksi kristal – kristal dalam bentuk tunggal.
· Siklus
operasionalnya lebih panjang.
· Biaya
operasi lebih rendah.
· Kebutuhan
ruang minimum
· Instrument
dapat dikendalikan dengan mudah
· Kesederhanaan
operasi, memulai dan penyelesaian.
- Forced Circulation Baffle
Surface Cooled Crystallizer
Crystallizer jenis ini menggunkan
prinsip sirkulasi cairan atau larutan induk, dimana umpan maupun hasil
kristaliasi akan masuk kedalam Sheell and Tube Heat Exchangers untuk
didinginkan. Perbedaan dengan jenis crystallizer lainnya ialah
karena pada saat dibadan crystallizer terbentuk campuran
kristal dan cairan induk, maka akan terjadi tumbukan antara cairan dengan
kristal sehingga suhu campuran akan meningkat, untuk mendinginkannya diperlukan
medium pendingin. Crystallizer ini mneggunakan prinsip pendinginan, karena
kristalisasi dapat terjadi melalui pembekuan (solidification).
Proses alat ini : Umpan dan recylce kristalisasi
bersama-sama masuk kedalam medium pendingin. Namun ada kelemahannya yaitu,
panjang untuk pertukaran panas pada HE dan kecepatan umpan serta recycle kristalisasi
sangat di perhitungkan, sebab jika terjadi kesalahan penurunan suhu untuk dapat
melakukan kristalisasi pada proses pendinginan tidak berlangsung secara
optimal. Oleh karena itu, pompa untuk sirkuasi sangat dikontrol dengan baik,
karena pompa itulah yang menciptakan laju alir disamping bukaan valve. Adanya
pompa menyebabkan cairan induk akan mengalir secara turbulen baik didalam HE
maupun didalam badan Crystalizer, maka akan terjadi sering
tumbukan untuk menghasilkan kristal, dimana terdapat sekat antara saluran Head HE
dengan ujung keluaran cairan induk. Bila kristal sudah terbentuk pada cairan
induk yang sudah lewat jenuh, maka kristal akan turun karena adanya gaya
gravitasi dan perbedaan massa jenis. Kristal dariCrystallizer jenis
ini berukuran besar antara 30 – 100 mesh.
- OSLO Evaporative
Crystallizer
Crystallizer ini dirancang berdasarkan
adanya perbedaan suspensi yang mulai terbentuk padachamber of suspension.
Dimana terdapat HE eksternal yang bertujuan untuk membuat keadaan lewat jenuh
pada suhu supersaturasinya.
Prosesnya : Dimana umpan masuk
pada G, karena dipompa umpan akan bergerak secara paksa, masuk kedalam
evaporator yang terdapat HE, cairan umpan tersebut masuk kedalam B. Sebelum
masuk ke B, pada bagian A cairan induk yang panas akan bercampur dengan panas
penguapan pada bagian B. Laju penguapan tersebut harus dikontrol antara kerja
pompa untuk mengalirkan cairan induk dengan perubahan panas campuran tersebut.
Pada bagian B terjadi proses pencampuran antara keadaan supersaturasi dengan
kedaan penguapan, maka sering timbul scale atau kerak garam, sehingga akan
mengganggu proses sirkulasi dari aliran tersebut. Sering kali diberikan bibit
kristal pada bibit kristal untuk mempercepat pembentukan kristal-kristal yang
kita harapkan.
- OSLO Surface Cooled Crystallizer
Tidak jauh berbeda dengan OSLO Evaporative Crystallizer, hanya
saja cairan induk didinginkan terlebih dahulu sebelum masuk kedalam crystallizer.
Lainnya sama dengan jenis crystallizer OSLO EC.
6.
Crystal Vacum Crystallizer
Prinsip kerja dari Crytallizer jenis ini adalah : Feed dicampur dengan cairan
yang direcycle dipompa keruang penguap untuk diuapkan secara adiabatic sehingga
terjadilarutan lewat jenuh. Larutan tersebut mengalir melalui pipa ketangki
kristalisasi sehingga terbentuk kristal di dalam tangki kristalisasi, kemudian
kristal dikeluarkan melalui dischargenya dancairannya direcycle.Dengan alat ini
ukuran kristal yang diinginkan dapat diatur dengan mengatur kecepatan
pompa sirkulasi. Kalau sirkulasinyalambat maka kristal yang kecil-kecil pun
akan larut mengendap.
7. Circulating Magma Vacuum
Crystallizer
Pada tipe kristaliser ini, baik kristal ataupun larutan di sirkulasi diluar
badan kristal. Setelah dipanaskan larutan akan dialirkan ke badan
kristaliser.Kondisi vakum menjadi penyebab menguapnya pelarut, sehingga menjadi
lewat jenuh dan dihasilakan kristal.
B. Jenis Crystallizer Tanpa Circulating
Magma
1. Jacketed Pipe Scraped
Crystallizer
Crystallizer jenis ini berbentuk balok yang panjang, dimana didalamnya
terdapat piringan yang berlekuk-lekuk yang dapat berputar karena adanya poros
pada ujungnya. Alat ini mumnya dibuat dari dengan pipa dalam 6 – 12 inchi
sebagai diameter dan panjangnya sekitar 20 – 40 feet, yang disusun seri
dalam sambungan dengan 3 buah atau lebih. Piringan yang berlekuk tersebut
dinamakan dengan Scraper Blades yang berputar dengan kecepatan
15 sampai 30 rpm. Suhu operasi yang dapat dijalankan sekitar -75 sampai 1000F dan dapat juga digunakan pada
cairan yang memiliki viskositas lebih dari 10000 cp.
Prinsip kerjanya ialah plug flow, dimana cairan induk masuk
dari bagian atas samping kanan, lama kelamaan akan membentuk kristal didalam
pipa tersebut dan kristal akan mengendap dibawah dan menempel didinding pipa,
yang nantinya scaper blades akan mengambil kristal-kristal
tersebut. Ukuran kristal yang dihasilkan akan seragam, umumnya besar-besar.
2. Batch Stirred Tank With Internal
Cooling Coil
Crystallizer jenis ini dapat divariasikan terutama pada bagian badan crystallizer yang
dapat digunakan pengaduk atau tanpa pengaduk. Umumnya bila dilengkapi dengan
pengaduk waktu yang diperlukan untuk menghasilkan kristal akan lebih cepat bila
dibandingkan dengan tanpa pengaduk. Koefisien perpidaan panas yang terjadi
sebesar 50 -200 Btu/hr ft2 0F, namun perbedaan
temperature yang diperbolehkan untuk mendapatkan keadaan lewat jenuh ialah
sebesar 5 – 100F.
Jenis crystallizer ini termasuk jenis yang batch, artinya
tidak ada aliran yang keluar setiap waktunya. Tangki crystallizer diisi,
lalu diambil hasilnya pada waktu tertentu. Jenis ini dapat digunakan untuk
proses yang continous dengan dilengkapi pengaduk. Umumnya
jenis ini memiliki tutup yang berbentuk torispherical, dimana umpan
atau cairan induk masuk dari atas dan masuk kedalam tangki untuk didinginkan.
Medium pendingin digunakan koil yang berada didalam tangki crystallizer tersebut,
sehingga efisiensi perpindahan panas cukup tinggi. Karena kontak antar cairan
dengan medium pendingin cukup luas. Disamping itu, bila digunakan pengaduk
pembentuk kristal terutama pada secondary nucleation akan lebih besar bila
dibandingkan dengan tanpa pengaduk.
3. Direct Contact Refrigeration
Crystallizer
Umunya bila kita ingin menciptakan permukaan yang dingin atau cukup dingin
pada sebuah HE agak sulit karena perbedaan temperaturnya harus sangat kecil
(dibawah 30F), sehingga HE didesain dengan sebaik-baiknya terutama
luas permukaannya yang dapat memindahkan sejumlah panas yang kita inginkan.
Apalagi bila cairannya cukup kental, agak sulit untuk mencipatkan perbedaan
suhu yang sangat kecil tersebut. Untuk mengatasinya dapat digunakan bahan
pendingin yaitu zat refrigerant seperti pada beberapa
aplikasi pendinginan air laut menjadi es pada suhu yang rendah yang menggunakan refrigerant.
Prinsip
kerja dari crystallizer jenis ini ialah dengan adanya
pendinginan dari refrigerant yang digunakan. Dimana umpan
berupa cairan induk dimasukkan kebadan crystallizer dengan
suhu yang lebih tinggi dari suhu yang refrigerant (suhu
cair refrigerant minus). Karena titik didih dari refrigerant sangat
kecil atau jauh dibawah suhu cairan induk, maka ada perpindahan panas dari
cairan induk menuju refrigerant, dimana akan mengakibatkan
suhu refrigerant akan naik dan menguap untuk mendinginkan
cairan induk, sampai cairan induk berada pada keadaan lewat jenuhnya.
Penggunaan refrigerant ini medium pendingin sangatlah efektif,
karena apabila digunakan HE dengan media refrigerant sebagai
pendingin, perbedaan suhu yang dihasilkan akan sangat kecil. Contoh dari
jenis crystallizer ini pada proses pembuatan kristal Calcium
Chloride dengan refrigerant freon atau propane dan
pembuatan kristal p-xylene dengan refrigerant propane.
4. Twinned Crystallizer
Jenis crystallizer ini sebenarnya berbentuk tangki yang
didalamnya terdapat dua pengaduk yang dipisahkan oleh sekat atau baffle.
Pada tiap pengaduk terdapat medium pemanas dimana yang salah satunya berkerja
pada suhu saturasi, sedangkan satunya bekerja pada suhu supersaturasi atau
lewat jenuh. Namun bila suhu operasi pada crystallizer ini
sama pada kedua medium pemanas, umumnya akan didapatkan keseragaan ukuran.
Tetapi waktu yang diperlukan akan lebih lama, walaupun terdapat dua pengaduk
dalam satu tangki tersebut.
Sesuai dengan namanya bahwa seolah-olah terdapat dua macam jenis crystallizer yang
beroperasi pada suhu yang berbeda namun dalam satu tangki crystallizer (pada
gambar diatas). Terlihat bahwa umpan masuk dari sebelah kanan atas, karena
adanya pergerakan pengaduk, cairan induk bersikulasi dan juga disebabkan karena
adanya sekat antara kedua pengaduk tersebut. Bila kita melihat jenis alirannya,
sudah pasti cukup turbulen, sebab cairan bersikulasi cukup panjang
didalam crystallizer tersebut. Semakin cepat gerakan pengaduk
dan semakin tinggi perbedaan suhu yang ditukarkan, maka semakin cepat dan baik
kristal yang didapatkan. Produk berupa kristal dapat diambil pada bagian
bawah crystallizer, karena kristal akan jatuh atau mengendap
dibawah adanya gaya gravitasi dan perbedaan massa jenis.
5. APV-Kestner Long Tube Vertical
Evaporative Crystallizer
Umumnya crystallizer jenis ini digunakan untuk mendapatkan
butiran-butiran atau kristal yang cukup kecil, biasanya kurang dari 0.5
mm.
Prinsip kerjanya hampir sama dengan crystallizer yang
lain, yaitu umpan masuk dengan pompa, lalu melewati sebuah evaporator yang
didalamnya terdapat HE. Pada saat cairan induk berada pada keadaan
supersaturasi atau lewat jenuh, maka akan terbentuk kristal-kristal halus,
kristal tersebut ditampung pada salt box, cairan induk yang belum
lewat jenuh dikeluarkan, sedangkan yang berupa kristal dikelurkan produk.
Contohnya pada pembuatan kristal NaCl (garam), Na2SO4, Citric
Acid.