Metode McCabe–Thiele

Metode McCabe–Thiele adalah teknik yang umum digunakan dalam bidang teknik kimia untuk memodelkan pemisahan dua zat dengan kolom distilasi.^[1]^[2]^[3] Metode ini menggunakan fakta bahwa komposisi pada setiap baki (tray) teoretis ditentukan sepenuhnya oleh fraksi mol dari salah satu dari dua komponen. Metode ini didasarkan pada asumsi bahwa kolom distilasi bersifat isobarik—yaitu tekanan tetap konstan—serta laju aliran cairan dan uap tidak berubah di seluruh kolom (luapan molar konstan atau constant molar overflow). Asumsi luapan molar konstan mensyaratkan bahwa:

Panas yang dibutuhkan untuk menguapkan sejumlah cairan dari komponen umpan adalah sama,
Untuk setiap mol cairan yang diuapkan, satu mol uap terkondensasi, dan
Efek panas seperti panas yang dibutuhkan untuk melarutkan zat dapat diabaikan.

Metode ini pertama kali dipublikasikan oleh Warren L. McCabe dan Ernest Thiele pada tahun 1925.^[4] Keduanya bekerja di Institut Teknologi Massachusetts (MIT) pada saat itu.

Konstruksi dan penggunaan

Diagram McCabe–Thiele untuk distilasi umpan biner (dua komponen) dibuat menggunakan data kesetimbangan uap–cair (vapor–liquid equilibrium, VLE)—yang merupakan cara uap terkonsentrasi saat bersentuhan dengan bentuk cairnya—untuk komponen dengan titik didih lebih rendah.

Pada grafik planar, kedua sumbu menggambarkan fraksi mol komponen yang lebih ringan (titik didih lebih rendah); sumbu horizontal (x) dan vertikal (y) masing-masing menggambarkan komposisi fase cair dan uap. Garis x = y (lihat Gambar 1) menggambarkan skenario di mana komposisi cairan dan uap sama. Garis vapor–liquid equilibrium (garis lengkung dari (0,0) ke (1,1) pada Gambar 1) menggambarkan komposisi fase uap untuk komposisi fase cair tertentu pada kesetimbangan. Garis vertikal yang ditarik dari sumbu horizontal hingga garis x = y menunjukkan komposisi aliran umpan masuk (feed composition), komposisi aliran produk atas (distillate composition), dan komposisi aliran produk bawah (bottoms composition), yang ditunjukkan dengan warna merah pada Gambar 1.

Garis operasi bagian rectifying untuk bagian di atas aliran umpan masuk kolom distilasi (ditunjukkan dengan warna hijau pada Gambar 1) dimulai pada perpotongan garis distillate composition dan garis x = y serta berlanjut pada kemiringan menurun L / (D + L), dengan L adalah laju aliran molar refluks dan D adalah laju aliran molar produk distilat, hingga berpotongan dengan garis q.

Garis operasi bagian stripping untuk bagian di bawah aliran masuk umpan (ditunjukkan dalam warna magenta pada Gambar 1) dimulai pada perpotongan garis bottoms composition (merah) dan garis x = y serta berlanjut hingga ke titik di mana garis q (biru) memotong garis operasi bagian rectifying (hijau).

Garis q (digambarkan dengan warna biru pada Gambar 1) memotong titik perpotongan garis feed composition dan garis x = y serta memiliki kemiringan q / (q - 1), dengan parameter q menunjukkan fraksi mol cairan dalam umpan. Misalnya, jika umpan berupa cairan jenuh, maka q = 1 dan kemiringan garis q tidak terbatas (digambar sebagai garis vertikal), sedangkan jika umpan berupa uap jenuh, maka q = 0 dan kemiringan garis q adalah 0 (garis horizontal).^[2] Diagram McCabe–Thiele yang umum digunakan seperti pada Gambar 1 menggunakan garis q yang mewakili umpan yang menguap sebagian. Contoh kemiringan garis q disajikan pada Gambar 2.

Jumlah langkah (step) antara garis operasi dan garis kesetimbangan menunjukkan jumlah pelat teoretis (atau tahap kesetimbangan) yang diperlukan untuk distilasi. Untuk distilasi biner yang digambarkan pada Gambar 1, jumlah pelat teoretis yang diperlukan adalah 6.

Membuat diagram McCabe–Thiele tidaklah selalu mudah. Dalam distilasi kontinu dengan rasio refluks yang bervariasi, fraksi mol komponen yang lebih ringan di bagian atas kolom distilasi akan berkurang seiring dengan penurunan rasio refluks. Setiap rasio refluks yang baru akan mengubah gradien kurva bagian rectifying.

Jika asumsi luapan molar konstan tidak valid, maka garis operasi tidak akan lurus. Dengan menggunakan neraca massa dan entalpi selain data kesetimbangan uap–cair dan data entalpi–konsentrasi, garis operasi dapat dibangun menggunakan metode Ponchon–Savarit.^[5]

Jika campuran dapat membentuk azeotrop, maka garis kesetimbangan uap–cairnya akan melintasi garis x = y, mencegah pemisahan lebih lanjut berapa pun jumlah pelat teoretisnya.

Lihat pula

Referensi

^ McCabe, W. L. & Smith, J. C. (1976). Unit Operations of Chemical Engineering (Edisi 3). McGraw-Hill. ISBN 0-07-044825-6.
^ ^a ^b Perry, Robert H. & Green, Don W. (1984). Perry's Chemical Engineers' Handbook (Edisi 6). McGraw-Hill. ISBN 0-07-049479-7.
^ Beychok, Milton (Mei 1951). "Algebraic Solution of McCabe-Thiele Diagram". Chemical Engineering Progress.
^ W.L. McCabe & E.W. Thiele (Juni 1925). "Graphical Design Of Fractionating Columns". Industrial and Engineering Chemistry. 17 (6): 605–611. doi:10.1021/ie50186a023.
^ King, C. Judson (1971). Separation Processes. McGraw-Hill. ISBN 0-07-034610-0.