Penyulingan

Penyulingan ialah kaedah pengasingan bahan berdasarkan kemeruapannya.

Susunan radas suling makmal menggunakan kondenser Liebig, tanpa menggunakan turus pemeringkatan. Pada masa kini, pemanasan elektrik biasanya digunakan.

Pemekatan alkohol melalui pemanasan larutan bahan tertapai telah diketahui semenjak dahulu kala, dan kemungkinan merupakan kaedah penyulingan yang tertua, iaitu dalam usaha untuk menghasilkan minuman tersuling. Walau bagaimanapun, kaedah ini telah digunakan secara meluas dalam industri kimia dan penghasilan bahan petroleum, dan dalam pelbagai jenis bidang yang lain.

Peralatan yang digunakan dalam penyulingan adalah dipanggil radas penyulingan, dan ia terdiri daripada sekurang-kurangnya sebuah dandang semula atau bekas, di mana pemanasan bahan dijalankan, dan sebuah kondenser di mana wap panas disejukkan kembali kepada keadaan cecair, serta penerima di mana cecair pekat atau yang telah ditulenkan kemuadiannya dikutip.

Kaedah penulenan serupa yang menggunakan pembekuan berbanding dengan pengewapan pula adalah dinamakan penyulingan beku. Ia bukanlah penyulingan, dan tidak membentuk hasil yang sama dengan penyulingan. Proses ini digunakan dalam penghasilan bir ais dan wain ais, masing-masingnya untuk meningkatkan kandungan etanol dan gula.

Sejarah

Alembik

Penyulingan telah dikembangkan menjadi bentuk modennya melalui rekaan alembik oleh ahli alkimia Islam Jabir ibn Hayyan pada sekitar 800 TM; beliau juga diberi penghargaan atas rekaan bermacam-macam jenis radas kimia dan proses yang masih lagi digunakan pada hari ini.

Reka bentuk alembik telah menjadi ilham kepada beberapa rekaan moden radas penyulingan berskala mikro seperti radas penyulingan Hickman.^[1]

Teori

Seringkali terdapat salah anggapan bahawa dalam sesuatu larutan, setiap juzuk akan mendidih pada takat didih normal masing-masing, dan wap-wap setiap juzuk kemudiannya dikutip secara berasingan dan pada keadaan tulen. Ini langsung tidak berlaku malah pada sistem yang dianggap unggul. Model-model penyulingan yang dianggap unggul pada asasnya ditentukan oleh hukum Raolt dan hukum Dalton.

Hukum Raolt membuat anggapan bahawa suatu juzuk menyumbang kepada tekanan wap keseluruhan campuran, yang berkadar dengan pecahan campuran dan tekanan wapnya apabila dalam keadaan tulen. Untuk juzuk A

P_A = X_AP_A°

iaitu X_A melambangkan pecahan mol A dan P_A° melambangkan tekanan wap A tulen. Jika suatu juzuk mengubah tekanan wap juzuk yang lain, atau kemeruapan suatu juzuk bergantung kepada pecahannya, hukum ini akan gagal.

Hukum Dalton menyatakan bahawa tekanan wap keseluruhan adalah bersamaan dengan jumlah tekanan wap setiap juzuk di dalam campuran tersebut.

P_total = Σ P_i, bagi juzuk-juzuk i = A, B, C, ...

Tekanan wap meningkat dengan penambahan haba. Apabila sistem pelbagai juzuk dipanaskan, tekanan wap setiap juzuk akan meningkat, menyebabkan tekanan wap keseluruhan juga ternaik. Apabila tekanan wap keseluruhan mencapai tekanan ambien, pendidihan berlaku dan cecair akan bertukar menjadi gas pada keseluruhan larutan. Perhatikan bahawa dalam apabila juzuk-juzuk adalah saling larut, campuran-campuran itu akan mempunyai satu takat didih.

Model terunggul adalah tepat hanya pada kes cecair yang secara kimia serupa, contohnya benzena dan toluena. Dalam kes-kes lain, dapat diperhatikan terdapat sisihan besar daripada hukum Raolt dan hukum Dalton, dan yang paling terkenal adalah campuran etanol dan air. Walaupun terdapat pelbagai kaedah pengiraan yang boleh digunakan untuk menganggar perilaku suaut campuran daripada sembarangan jenis juzuk, naum satu-satunya kaedah untuk memperoleh data jitu bagi keseimbangan wap-cecair adalah melalui pengukuran.

Daripada sifat proses itu sendiri, secara teorinya adalah mustahil untuk menulenkan secara sepenuhnya juzuk-juzuk dengan menggunakan penyulingan, kerana penyulingan hanyalah cenderung untuk menghampiri ketulenan, dan tidak akan mencapainya. Ini adalah setanding dengan pencairan, iaitu ia tidak akan mencapai ketulenan. Sekiranya hasil ultra tulen ingin diperolehi, maka pengasingan kimia yang lanjut haruslah digunakan.

Penyulingan ringkas

Dalam penyulingan ringkas, semua wap panas yang dihasilkan, dengan serta-mertanya disalurkan ke sebuah kondenser yang menyejukkan dan memeluwapkan wap-wap tersebut. Oleh itu, sulingan tidak akan menjadi tulen, sebaliknya komposisinya akan menjadi serupa seperti komposisi wap-wap pada suhu dan tekanan yang diberikan, dan ini dapat dihitung menggunakan hukum Raolt.

Oleh itu, penyulingan ringkas biasanya digunakan untuk mengasingkan cecair-cecair yang di antaranya mempunyai takat didih yang sangat berbeza (petuanya beza kira-kira 25 °C)^[2], atau digunakan untuk mengasingkan cecair-cecair daripada pepejal-pepejal tak meruap. Bagi kes-kes sedemikian, tekanan-tekanan wap juzuk biasanya cukup berbeza sehinggakan hukum Raolt boleh diabaikan kerana sumbangan yang sangat kecil daripada juzuk-juzuk mudah ruap. Dalam kes-kes ini, sulingan boleh menjadi cukup tulen untuk tujuan yang dikehendaki.

Penyulingan berperingkat

Bagi kebanyakan kes, takat didih juzuk-juzuk dalam campuran adalah cukup berhampiran, sehinggakan hukum Raolt mesti dipertimbangkan. Oleh itu, penyulingan berperingkat mesti digunakan untuk mengasingkan juzuk-juzuk dengan sempurna melalui kitar pengewapan dan pemeluwapan yang berulangkali, di dalam sebuah turus pemeringkatan yang mampat.

Apabila larutan yang ingin ditulenkan dipanaskan, wapnya naik ke turus pemeringkatan. Apabila wap naik, ia juga menyejuk, lalu memeluwap pada dinding kondenser dan permukaan bahan pemampat. Di sini, hasil pemeluwapan terus dipanaskan oleh wap-wap panas yang naik; dan diwapkan sekali lagi. Akan tetapi, komposisi wap-wap baru ini ditentukan sekali lagi oleh Hukum Raolt. Setiap kitar pengewapan pemeluwapan (dipanggil plat teori) akan menghasilkan larutan yang lebih tulen bagi juzuk yang lebih mudah ruap^[3]. Pada hakikatnya, setiap kitaran dalam suhu yang diberikan bukanlah suhu yang tepat pada kedudukan sama dalam turus pemeringkatan; maka plat teori hanyalah merupakan konsep daripada penerangan tepat.

Lebih banyak plat teori akan menjurus kepada pengasingan yang lebih sempurna. Suatu sistem penyulingan jalur berpintal menggunakan jalur berpintal Teflon atau logam untuk memaksa wap-wap yang ternaik untuk berada berhampiran dengan hasil penyulingan yang bergerak ke bawah, lantas meningkatkan bilangan plat teori^[4].

Penyulingan laluan singkat

Penyulingan laluan singkat ialah sebuah kaedah penyulingan yang membabitkan pergerakan hasil penyulingan pada jarak yang dekat, biasanya hanya beberapa sentimeter. Contoh klasik adalah penyulingan yang melibatkan pergerakan hasil penyulingan antara satu bebuli kaca ke yang lain, tanpa memerlukan kondenser untuk mengasingkan kedua-dua ruang. Kugelrohr ialah sebuah radas penyulingan laluan singkat yang boleh didapati secara komersial.

Kes-kes istimewa: azeotrop

Saling tindak balas antara juzuk-juzuk dalam larutan menghasilkan sifat yang unik bagi suatu-suatu larutan, kerana kebanyakan proses melibatkan campuran tak unggul, iaitu apabila hukum Raolt tidak dipatuhi. Tindak balas sedemikian boleh menyebabkan berlakunya azeotrop yang mempunyai takat didih malar, dan berkelakuan seperti ia sejenis sebatian tulen (iaitu mendidih pada suatu suhu tertentu dan bukan dalam suatu julat suhu). Dalam keadaan azeotrop, larutan akan mengandungi juzuk-juzuk pada nisbah yang sama seperti dalam keadaan wapnya, maka pengewapan tidak akan mengubah ketulenannya, dan penyulingan tidak akan menjurus kepada pengasingan juzuk. Contohnya, etil alkohol dan air membentuk sejenis azeotrop bernisbah 95% pada suhu 78.2°C.

Terdapat pelbagai jenis kaedah untuk mengasingkan azeotrop bagi menghasilkan sulingan tulen, terutamanya jika azeotrop dianggap tidak cukup tulen untuk penggunaan. Kaedah-kaedah ini dinamakan penyulingan azeotrop. Beberapa teknik dicapai dengan "melangkaui" komposisi azeotrop (iaitu dengan mencampurkan juzuk tambahan untuk menghasilkan azeotrop baru, atau dengan mengubah tekanan), manakala yang lainnya bertindak mengasingkan atau mensekuester bendasing secara kimia atau secara fizikal. Sebagai contoh, bagi menulenkan etanol lebih daripada 95%, agen pengering atau bahan pengontang seperti kalium karbonat dicampur untuk mengubah air terlarut, kepada air penghabluran tak larut. Biasanya, tapis molekul digunakan untuk tujuan ini.

Penyulingan vakum

Dimetilsulfoksida biasanya mendidih pada suhu 189 °C. dalam vakum atau hampagas, cecair ini disuling ke penerima pada suhu 70 °C.

Sesetengah sebatian mempunyai takat didih yang sangat tinggi. Lazimnya adalah lebih baik untuk menurunkan tekanan ke suhu apabila sebatian mendidih, berbanding dengan meningkatkan suhu untuk tujuan yang sama. Apabila tekanan direndahkan ke tekanan wap sebatian (pada suhu yang diberikan), pendidihan dan proses penyulingan yang lanjut boleh diteruskan. Kaedah ini dinamakan penyulingan vakum dan biasanya didapati di dalam makmal dalam bentuk penyejat putar.

Kaedah ini sangat berguna bagi sebatian-sebatian yang mempunyai takat didih mengatasi suhu penguraiannya pada tekanan atmosfera, iaitu ia akan mengurai sebelum mendidih pada tekanan atmosfera.

Penyulingan vakum peka udara

Susunan radas penyulingan Segi Tiga Perkin
1: Bar pengacau/Serpihan pendidihan 2: Bekas penyulingan 3: Turus pemeringkatan, sebaik-baiknya dengan penebat jaket vakum 4: Termometer/Suhu takat didih 5: Pili teflon 1, pili pengumpulan hasil 6: Penyejuk 7: Air penyejuk keluar 8: Air penyejuk masuk 9: Pili teflon 2, pili pengasingan hasil 10: Vakum/Inlet gas 11: Pili teflon 3, pili pengasingan hasil 12: Penerima

Sesetengah sebatian mempunyai takat didih yang tingga dan adalah juga peka udara. Sistem penyulingan vakum ringkas seperti yang dinyatakan di atas boleh digunakan, iaitu vakum digantikan dengan gas nadir setelah penyulingan tamat. Akan tetapi, ini adalah sistem yang kurang memuaskan sekiranya pecahan-pecahan ingin dikutip pada tekanan yang direndahkan. Untuk tujuan ini, penyelaras "pig" boleh diletak pada penghujung kondenser, atau untuk keputusan yang lebih baik, radas segi tiga Perkin atau sebatian yang amat peka udara boleh digunakan.

Segi tiga Perkin mempunyai aliran melalui beberapa siri pili kaca atau teflon yang membolehkan hasil-hasil berasingan diasingkan daripada bahagian radas penyulingan lain tanpa menanggalkan radas utama penyulingan dari sumber vakum mahupun haba, membolehkan keadaan refluks dikekalkan. Untuk melakukan perkara ini, sampel pada mulanya diasingkan daripada vakum melalui pili-pili. Kemudian, vakum dalam sampel digantikan dengan gas lengai seperti nitrogen atau argon dan boleh disumbat dan dikeluarkan. Ruang pengumpulan baharu boleh dipasang terhadap sistem, dipindahkan dan disambung balik terhadap sistem penyulingan melalui pili-pili untuk mendapatkan bahagian hasil kedua dan seterusnya, sehingga semua bahagian hasil telah dikutip.

Penyulingan stim

Penyulingan ini digunakan untuk bahan-bahan yang sensitif kepada haba. Kaedah ini dilakukan dengan melalukan campuran bahan mentah wangian yang dipanaskan dengan stim yang menggelegak sehingga sebahagian sebatian yang diingini akan meneruap mengikut hukum Raoult (selaras dengan tekanan separa yang wujud). Campuran wap ini pula disejukkan dan dipeluwapkan, lalu membentuk suatu lapisan minyak dan air.

Proses ini sering digunakan dalam proses pengekstrakan minyak pati daripadabebunga terpiih untuk membuat minyak wangi.

Penyulingan reaktif

Proses penyulingan reaktif membabitkan penggunaan ruang tindak balas sebagai radas penyulingan. Dalam proses ini, hasilnya biasanya mempunyai takat didih yang rendah berbanding dengan bahan-bahan tindak balas. Ketika hasil terbentuk daripada bahan-bahan tindak balas, hasil meruwap dan keluar daripada campuran tindak balas.

Teknik ini berguna bagi menghasilkan tindak balas keseimbangan seperti pengesteran bermangkinkan asid.

RCOOH + R'OH ↔ RCOOR' + H₂O

Bahan-bahan tindak balas, biasanya asid karboksilik dan alkohol, merupakan bahan dengan takat didih tinggi disebabkan oleh ikatan hidrogen, manakala hasilnya, ester biasanya lebih bersifat meruwap. Dengan mengeluarkan hasil ester secara berterusan, mengikut prinsip Le Chatelier, tindak balas akan diteruskan sehingga lengkap.

This technique is an example of a continuous vs. a batch process; advantages include less downtime to charge the reaction vessel with starting material, and less workup.

Penyulingan destruktif

Penyulingan destruktif membabitkan pemanasan kuat pepejal (selalunya bahan organik) tanpa kehadiran oksigen (untuk mengelakkan pembakaran) untuk menyejat pelbagai cecair dengan takat didih tinggi serta hasil termolisis. Gas-gas yang terhasil akan disejukkan dan dikondensasikan seperti dalam penyulingan biasa.

Penyulingan destruktif kayu untuk mendapatkan metanol merupakan asas kepada nama umumnya, "alkohol kayu".

Aplikasi

Penghasilan minuman keras

Kaedah penyulingan mengasingkan bahan kimia mengikut perbezaan sifat kemeruapan bahan-bahan tersebut.

Bahan mentah berkarbohidrat ditapai untuk memperoleh etanol yang kemudiannya disuling untuk menghasilkan minuman keras seperti wiski and rum. Bahan-bahan surih yang terkumpul termasuk air, ester dan alkohol lain menyumbang kepada ciri dan rasa produk akhir yang tersendiri.

Dalam kerja makmal

Penyejat putar, alat penyejatan vakum yang digunakan untuk menyingkirkan lebihan larutan dari sampel ujikaji. Vakum ini biasanya dijanakan oleh suatu penyedut air (water aspirator).
Kugelrohr, alat penyulingan jalan pendek digunakan untuk menyuling sebatian bertakat didih tinggi (> 300 °C). Alat ini terdiri daripada suatu ketuhar untuk meletakkan bahan yang hendak disuling, tempat tadahan di luar ketuhar dan mekanisme memusingkan sampel. Keadaan hampagas yang diperlukan untuk fungsi alat ini dijanakan melalui suatu pam khas.^[5]

Penyulingan industri

Penyulingan tahap ini paling kerap digunakan di loji-loji penapis minyak, petrokimia dan gas asli.

Typical distillation towers in oil refineries

Penyulingan industri^[6]^[7] biasanya dilakukan dalam turus silinder menegak yang besar yang dikenali sebagai menara penyulingan atau turus penyulingan dengan diameter di antara 65 sentimeter ke enam meter dan ketinggian daripada enam ke 60 meter atau lebih. Apabila bahan proses mempunyai komopsisi yang pelbagai seperti dalam penyulingan minyak mentah, outlet cecair di selang-selang di bahagian atas turus membolehkan pengeluaran bahagian-bahagian hasil berbeza dengan julat atau takat didih berbeza. Hasil-hasil paling "ringan" (hasil-hasil dengan takat didih terendah) keluar dari bahagian atas turus dan sebaliknya, hasil-hasil paling "berat" (hasil-hasil dengan takat didih tertinggi) keluar dari bahagian bawah turus. Menara industri berskala besar juga menggunakan teknik refluks untuk menjaminkan pengasingan hasil yang lebih lengkap.

Reka bentuk dan operasi sebuah turus penyulingan bergantung kepada bahan dan hasil yang diingini. Kaedah-kaedah analitis seperti kaedah McCabe-Thiele boleh digunakan apabila bahan komponen adalah ringkas dan bersifat binari.^[7]^[8]^[9] Bagi bahan berkomponen pelbagai, model-model simulasi digunakan bagi reka bentuk serta operasi. Selanjutnya, kecekapan peralatan sentuh wap-cecair atau plat dalam turus penyulingan selalunya lebih rendah daripada kecekapan tahap keseimbangan 100 peratus secara teori. Oleh itu, sebuah turus penyulingan perlu memiliki lebih banyak plat daripada bilangan tahap keseimbangan wap-cecair dalam teori.

Galeri

Bidang kimia pada peringkat awal menggunakan retort sebagai radas makmal khas bagi proses penyulingan.
Susunan radas ringkas untuk menyulingkan toluena kering dan bebas oksigen, serupa dengan gambar sebelumnya.
Penyejat putar dapat menyulingkan pelarut dengan lebih cepat pada suhu yang lebih rendah dengan bantuan vakum.

Lihat juga

Azeotrop

Pautan luar

Rujukan

^ Microscale Laboratory Techniques - Distillation from McMaster University
^ ST07 Separation of liquid - liquid mixtures (solutions) Diarkibkan 2008-09-08 di Wayback Machine, DIDAC by IUPAC
^ "Fractional Distillation". Diarkibkan daripada yang asal pada 2007-09-03. Dicapai pada 2006-10-16.
^ Spinning Band Distillation at B/R Instrument Corporation (accessed 8 Sep 2006)
^ Kugelrohr Distillation Apparatus at Sigma-Aldrich accessed 8 Sep 2006
^ Kister, Henry Z. (1992). Distillation Design (ed. 1st Edition). McGraw-Hill. ISBN 0-07-034909-6. |edition= has extra text (bantuan)
^ ^a ^b Perry, Robert H. and Green, Don W. (1984). Perry's Chemical Engineers' Handbook (ed. 6th Edition). McGraw-Hill. ISBN 0-07-049479-7. |edition= has extra text (bantuan)CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^ Beychok, Milton (May 1951). "Algebraic Solution of McCabe-Thiele Diagram". Chemical Engineering Progress.
^ Seader, J. D., and Henley, Ernest J. Separation Process Principles. New York: Wiley. ISBN 0-471-58626-9.CS1 maint: multiple names: authors list (link)

Pautan luar

Kategori berkenaan Penyulingan di Wikimedia Commons

[1] Microscale Laboratory Techniques - Distillation from McMaster University

[2] ST07 Separation of liquid - liquid mixtures (solutions) Diarkibkan 2008-09-08 di Wayback Machine, DIDAC by IUPAC

[3] "Fractional Distillation". Diarkibkan daripada yang asal pada 2007-09-03. Dicapai pada 2006-10-16.

[4] Spinning Band Distillation at B/R Instrument Corporation (accessed 8 Sep 2006)

[5] Kugelrohr Distillation Apparatus at Sigma-Aldrich accessed 8 Sep 2006

[Kister-6] Kister, Henry Z. (1992). Distillation Design (ed. 1st Edition). McGraw-Hill. ISBN 0-07-034909-6. |edition= has extra text (bantuan)

[Perry-7] Perry, Robert H. and Green, Don W. (1984). Perry's Chemical Engineers' Handbook (ed. 6th Edition). McGraw-Hill. ISBN 0-07-049479-7. |edition= has extra text (bantuan)CS1 maint: multiple names: authors list (link)

[Beychok-8] Beychok, Milton (May 1951). "Algebraic Solution of McCabe-Thiele Diagram". Chemical Engineering Progress.

[SeaderHenley-9] Seader, J. D., and Henley, Ernest J. Separation Process Principles. New York: Wiley. ISBN 0-471-58626-9.CS1 maint: multiple names: authors list (link)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]