PERANCANGAN PLAT
Tahapan Perancangan Plat 1) Menghitung laju uap dan cairan maksimum dan minimum 2) Mengumpulkan dan perkirakan sifat fisis campuran 3) Memilih jarak antar plat 4) Menetukan diamater kolom berdasarkan pertimbangan flooding 5) Menetukan susunan aliran cairan 6) Tebak tray lay out: downcomer area, plate area, dll. 7) Check laju weeping 8) Check pressure drop 9) Check downcomer back-up 10) Detail plate lay out
PERANCANGAN PLATE Menara Distilasi (MD) bertugas untuk memisahkan metil benzoat yang merupakan produk utama dari campuran metil benzoat, metanol dan air. Hasil atas dari MD yang berupa metanol dan air pada suhu 66,9°C. Sedangkan hasil bawah MD yang berupa metil benzoat. Desain kolom distilasi tersebut dengan menggunakan kontaktor plat
Dari perhitungan awal (Shorcut methode) diperoleh: Rasio refluk optimum : 0,5795 Jumlah plat total : 14 Jumlah plat rektifikasi : 6 Jumlah plat Strippng :8 Plat umpan terletak : plat 8 dan 9 Efisiensi : 48,9673 Jumlah plat aktual : 25,9493 =26
1. Laju Alir Gas dan Cairan Komponen
Umpan (kmol/jam)
Distilat (kmol/jam)
Bottom (kmol/jam)
Metanol Air Metil benzoat.
416,4453 7,7788 44,2530
412,2408 0,0078 0
4,1645 7,7010 44,2530
Total
468,4771
412,3586
56,1185
Umpan (kg/jam)
Distilat (Kg/jam)
Bottom (kg/jam)
Metanol
13326,249
13192,98636
133,26249
Air
140,01879
1,400187916
138,6186
Metil Benzoat
5398,872
0
5398,872
Total
18865,14
13194,38655
5670,7531
Komponen
Neraca Massa: Bagian Atas BMa = 32,0394 Lo = R x D = 0,5793 x 13194,38655 kg/jam = 7643,5081 kg/jam = 2,1259 kg/s V1 = Lo + D = 7643,5081 + 13194,38655 = 20837,895 kg/jam = 5,7957 kg/s Bagian bawah BMa = V14 = R x B = = L13 = V14 + B = =
42,4024 0,5793 x 5670,7531 kg/jam 3286,0673 kg/jam = 0,9125 kg/s 3286,0673 + 5670,7531 8955,8204 kg/jam = 2,4877 kg/s
2. Properti Bahan (1) 1. Asam Benzoat • Rumus kimia • Berat Molekul • Kenampakan • Titik didih normal • Titik kritis • Rapat massa • Kelarutan • Kadar
: C6H5COOH : 122,12 kg/kmol : kristal putih : 249,2°C : 630,3 K = 357,3°C : 1,266 kg/L : 0,2% dalam air ; 46% dalam alkohol ; 66% dalam ether : 99,99% asam benzoat ; 0,01% toluen
2. Metanol • Rumus kimia • Berat molekul • Kenampakan • Titik didih normal • Titik kritis • Rapat massa • Kelarutan • Kadar
: CH3OH : 32,042 kg/kmol : cairan tidak berwarna : 64,7°C : 512,6K = 239,6°C : 0,792 kg/L : larut dalam air dan ether dalam semua perbandingan : 99% metanol ; 1% air
3. Metil Benzoat • Rumus kimia • Berat molekul • Kenampakan • Titik didih normal • Titik kritis • Rapat massa • Kelarutan • Kadar
: C6H5COOCH3 : : 136,14 kg/kmol : cairan tidak berwarna : 198°C : 692,02 K = 419,02°C : 1,087 kg/L : tidak larut dalam air, larut dalam alkohol : 95,5% metil benzoat ; 2,1% metanol ; 2,4% air
2. Properti Bahan (2) Menara Bagian Atas T = 339,98 K P = 1,1 atm BMa = 32,039 ρv = 1,2572 kg//m3 ρL = 792,0164 kg/m3
Komponen
Menara Bagian Bawah T = 386,44 K P = 1,2 atm BMa = 42,4024 ρv = 1,1601 kg//m3 ρL = 934,0270 kg/m3
xf
μ, cp
Metanol
0,8870
0,3001
Air
0,0188
0,3813
Metil Benzoat
0,0943
0,6872
3. Diameter Kolom (1) A. Berdasarkan Kecepatan Flooding ρ ρ u f K 1 ρL
v
v
Uf = kecepatan flooding uap, m/s K1 = kostanta Nilai FLV pada grafik flooding dinyatakan dengan persamaan
Lw : laju alir cairan , kg/s Vw : Laju alir uap, kg/s Grafik berlaku untuk cairan dg tegangan Permukaan 0,02 N/m. Untuk TP selain itu nilai K1 harus dikali dg (TP/0,02)0,2
Gbr 1. Grafik kecepatan flooding, sieve tray
Menara Bagian atas • FLV = (2,1259/5,7957) x (1,2572/ 792,0164)1/2 = 0,0146 • Jarak plat dipilih 0,6 m, dari Gmbr. 1 diperoleh K1 =0,1 nilai tegangan permukaan cairan diasumsikasn 0,02 N/m • Uf = 0,1 x ((792,0164- 1,2572)/ 1,2572)1/2 = 2,5080 m/s kondisi operasi uv = 0,8 x Uf = 2,006 m/s • Ac = Vw/(Uf x rhog) = 2,7032 m2 • Dc = (4 x Ac/pi)0,5 = 1,855 m Menara Bagian bawah • FLV = 0,0948 Jarak plat dipilih 0,6 m diperoleh K1 =0,1 • Uf = 0,1 x ((792,0164-1,2572)/ 1,2572)1/2 = 2,8357 m/s • operasi uv = 0,8 x uf = 2,686 m/s • Ac = Gw/Vw = 0,4235 m2 • Dc = (4 x Ac/pi)0,5 = 0,7256 m
B. Berdasarkan Kecepatan Uap max Bagian Atas
Kecepatan uap max:
L v 2 U v 0 . 171 L t 0 . 27 L t 0 . 047 v
0 .5
Lt : jarak antar plat, dari grafik Uv = (-0,171 x 0,62 + 0,27 x 0,6 -0,047) ((792,0164-1,2572)/1,2572)0,5 = 1,3403 m/s Diameter menara:
4V w D c v U
v
0 .5
Dc = ((4 x 5,7957)/(3,14 X 1,2572 x 1,3403))0,5 = 2,0927 m
Bagian Bawah Kecepatan uap max:
v U v 0 . 171 L 2t 0 . 27 L t 0 . 047 L v
0 .5
Lt : jarak antar plat Uv = -,171 x 0,62 + 0,27 x 0,6 -0,047 (934,0207-1,1601)/1,1601)0,5 = 1,5154 m/s Diameter menara: Dc
4V w v U
v
0 .5
Dc = ((4 x 5,7957)/(3,14 X 1,2572 x 1,5154))0,5 = 0,8185
4. Menentukan Jenis Aliran
Bagian Enriching Q max = Lw/ ρL = 2,1259/792,0164 = 0,0027 m3/s Bagian Stripping Q max = Lw/ ρL = 2,877/934,0270 = 0,0027 m3/s Berdasarkan Qmax dan diameter kolom jenis aliran dipilih dari grafik disamping. Untuk kolom yang dimaternya lebih kecil dari satu, dapat digunakan single pass plate
5. Plate Area Lay Out (Single pass) Ac = total column cross sectional area Ad = cross sectional area of dowmncomer An = net area available for vaporliquid disengagement = Ac-Ad for single pass plate Aa = active or bubbling area, = Ac-2Ad for single pass plate Ah = hole area, total area of all the active holes Ap = perforated area (including blaked area) Aap = the clearence area under the downcomer apron
Sieve tray
Perhitungan Plate Area Ad
= 0,12 x Ac = 0,12 x 2,7032 m2 = 0,3244 m2 An = Ac - Ad = 2,7032-0,3244 m2 Aa = Ac – 2Ad = 2,7032-2 x 0,3244 = 2,0544 m2 Ah = 0,1Aa = 0,1 x 2,0544 = 0,2054 m2 Ad/Ac = 0,12 (Ad/Ac ) x 100% = 12 % diperoleh lw/Dc = 0,78 panjang weir: lw = Dc x 0,78 = 1,55 m, dipilih •tinggi weir, hw = 50 mm •diamter hole = 5 mm •tebal plat = 3 mm
6. Check Weeping Batasan operasi terendah yang terjadi ketika kebocoran cairan yang melalui lubang plat berlebih disebut weep point. Kecepatan uap pada titik weep adalah nilai minimum untuk operasi yang stabil. Hole area harus dipilih sedemikian rupa sehingga pada laju operasi terendah kecepatan aliran uap masih baik di atas weep point. Persamaan untuk memprediksi keceptan uap pada weep point : ^
uh Uh dh K2
K 2 0.90(25.4 d h ) v1/ 2
= kecepatan uap minimum melalui lubang, m/s = diameter lubang, mm = konstanta, tergantung pada kedalaman cairan pada plat, dari gambar 11.30
Menara Bagian Atas Lw max = 2,1259 kg/s TDR = 80% (TDR = turn down ratio) Lw min = 1,7007 Ketinggian cairan diatas puncak weir dihitung:
Lw how 750 l L w
2/3
how max = 750 (2,1259/(792,0164 x1,55))2/3 = 10,82 mm cairan how min = 750 (1,7007/(792,0164 x1,55))2/3 = 9,32 mm cairan Pada kecepatan minimum hw + how min = 50 + 9,32 = 67, 4378 mm Dari gambar 11.30, pada hw + how min = 67,43 mm K2 = 30,5 Uh min = (30,5-0,90(25, 4 -5))/(1,1601)0,5 = 10,8272 m/s Kecepatan uap aktual: Vh = laju alir uap minimum/Ah = 0,8 x (0,9250/1,160)/0,2054 = 3,1050 m/s Vh < Uh, maka weeping tidak terjadi
7. Plate Pressure Drop Terdapat dua sumber utama penyebab kehilangan tekanan yaitu: aliran uap melewati lubang (orifice loss) dan static head of liquid pada plate. Total pressure drop diperoleh dari jumlah pressure yang dihitung dari friksi uap yang melewati lubang plate kering (dry plate drop, hd); head clear liquid pada plate (hw + how); dan kehilangan oleh sebab tegangan permukaan yg disebut kehilangan residual, hr. Pressure drop total : ht = hd + (hw + how) + hr
Menara bagian atas **Dry Pressure drop Kecepatan uap melalui holes: Uh max = (5,7957/1,1601)/ 0,2054 = 22,4396 m/s Ah/Aa = 0,2054/2,0544 = 0,1 dari gambar 11,34 untuk plate thickness/hole diameter = 0,6 dan Ah/Aa = 10% didapat coeff. orifice = 0,74 2
uh v hd 51 Co L hd = 51(22,4396/0,74)2 x (1,2572 /792,10) = 74,44 mm cairan
**Residual Head
12.5 x103 hr L
= (12,5 x103)/792,1064 = 13,3819 mm cairan
**Total plate pressure drop ht = hd + (hw +how) + hr = 74,44 + 67,43 + 13,3819 = 155,2609 mm cairan ** Total plate pressure drop ΔP = 9,81 x 10-3 x ht x ρL = 9,81 x 10-3 x 155, 2609 x 792,1064 = 10,113 mmHg
8. Downcomer Pressure Loss Downcomer area dan plate harus dirancang sedemikian rupa hingga level cairan dan froth dalam downcomer berprilaku dg baik dibawah unjung (puncak) outlet weir pada plat atas. Jika ketinggian meningkat sampai di atas outlet weir kolom akan banjir. Baliknya cairan di downcomer disebabkan pressure drop di atas plate dan adanya tahanan untuk mengalir di dawncomer itu sendiri. Clear liquid the dowmncomer back-up dinyatakan: hb =(hw + how) + ht + hdc
Untuk menghindari flooding nilai hb harus menenuhi: hb > ½(lt + hw) Tahanan utama cairan untuk mengalir akan disebabkan oleh desakan pada downcomer outlet, dan head loss dalam downcomer dapat diperkirakan menggunakan persamaan Cicalese (1947):
Lwd hdc 166 A L m hdc Lwd Am
2
= head loss pada downcomer, mm = laju alir cairan dalam downcomer, kg/s = downcomer area Ad, atau clearence area under the downcomer, Aap, m2
Clearence area under the downcomer: Aap = hap lw dimna hap adalah ketinggian tepi bawah pinggir diatas plate, biasanya 5-10 mm di bawah ketinggian outlet weir: hap = hw – (5 sampai 10 mm)
Perhitungan Dipilih: hap = 50 -10 = 40 mm = 0,04 Aap = hap x lw = 0,04 m x 1,55 m = 0,0619 m2 Menara bagian atas: Head loss pd downcomer: hdc = 166(2,2159/(792,0612x0,0619))2 = 0,3117 mm Downcomer back-up: hb =(hw + how) + ht + hdc = (50 +10,82) + 155,2609 + 0,3117 = 208,2209 mm = 0,18 m ½ (plate space + weir height) = ½ x (0,6 + 0,05) = 0,325 m hb <0,325 jarak plate memenuhi syarat
Menara bagian bawah: Head loss pd downcomer: hdc = 166(2,2159/(934,0270 x 0,0619))2 = 0,2241 mm Downcomer back-up: hb =(hw + how) + ht + hdc = (50 +10,82) + 155,2609 + 0,2241 = 208,1709 mm = 0,18 m ½ (plate space + weir height) = ½ x (0,6 + 0,05) = 0,325 hb <0,325 jarak plate memenuhi syarat
9. Downcomer Residence Time Residence time yang cukup dalam downcomer harus dipenuhi untuk naiknya melepas dari aliran cairan; untuk mencegah cairan teraerasi yang terbawa di bawah downcomer. Direkomendasikan paling kecil 3 detik. Persamaan downcomer residence time:
Ad hb L tr Lw tr hbc
= residence time = clear liquid back-up, m
Bagian Atas tr = 0,3244 x 0,18 x 792,0612)/2,1259 = 21,75 sekon > 3 , memnuhi Bagian bawah, tr = 0,3244 x 0,18 x 934,0270)/2,1259 = 25,65 sekon > 3 , memnuhi
10. Check Entrainment Entrainment dapat diestimasi dari korelasi Fair (1961) pada gambar 11.29.yang memberikan fraksional entrainment (kg/kg gross liquid flow) sebagai fungsi faktor cairan-uap, FLV, dengan pendekatan persentase floding sebagai parameternya. Persentasi flooding:
un actual velocity % flooding flooding velocity, uf Batasan tertinggi nilai entraintment adalah 0,1. Di bawah nilai ini pengaruh entrainment terhadap efisiensi kecil.
atas
bawah
Bagian atas Actual persentasi flooding untuk desain area: Uv = Vw/(ρv x Ac) = 5,7957/(1,2572 x 2,2977) = 1,7054 m/s % flooding = 1,7054/ 2,5080 = 68% Pada FLV = 0,0146 dan % flood = 68 %, pada gmb 11.29 diperoleh Ψ = 0,075 < 0,1 OK Bagian bawah Actual persentasi flooding untuk desain area: Uv = Vw/(ρv x Ac) = 0,9125 /(1,1601 x 0,4235) = 1,9284 m/s % flooding = 1,9284/ 2,8357 = 68% Pada FLV = 0,0948 dan % flood = 68 %, pada gmb 11.29 diperoleh Ψ = 0,025 < 0,1 OK.
10. Tray Layout Luas Area Perforasi Area perforasi yang tersedia akan turun oleh halangn/gangguan yg disebabkan oleh perubahan struktur (support ring, dan beam) dan oleh penggunaan calming zone yaitu potongan plat nonperforasi pada sisi inlet dan outlet plat. Lebar masing2 zona biasanya dibuat sama; nilai yg direkomendasikan : u diameter < 1,5 m 75 mm; diatas 1,5 100 mm. Lebar support ring u sekat normalnya 50-75 mm, support ring harus tidak panjang sampai downcomer area. Sekat unperforasi plat Luas area unperforasi dapat dihitung dari geometri plat. Hubungan antara panjang garis weir, tinggi garis dan sudut diberikan gambar 11.32
Tray Lay Out
1,55 m
2,0927 m
Lay out plat digunakan cartridge type construction, dengan unperforated strip around plate edge 50 mm, dan lebar calming zone = 50 mm.
α
Perforated Area Dari gambar 11.32 pada lw/Dc = 1,55/ 2,0927 = 0,78, diperoleh θ =102o α = 180-102= 78o lh/Dc = 0,115 Panjang rata2 unperforated edge strip =(2,0927-0,05) π x 78/180 = 2,7809 m Luas unperforated edge strip, Aup = 0,05 x 2,7809 = 0,0139 m2 Luas calming zone, Acz = 2(0,05)x(1,55-2x0,05) = 0,0162 m2 Luas total tersedia u perforated, Ap =Aa-(Aup + Acz) = 2,0544 - (0,0139 + 0,0162) = 2,0243 m2
Hole Pitch Hole pitch (jarak antar posat lubang) lp, harus tidak kurang dari 2 x diameter lubang, dan range normal 2,5-4,0 kali diameter lubang. Dengan range ini pitch dapat dipilih untuk memberikan jumlah lubang aktiv yg diperlukan untuk luas lubang tertentu. Dari bentuk square dan equilateral triangular yang digunakan, triangular lebih dipilih. Total area lubang sebagi fraksi area perforasi Ap diberikan persamaan berikut, untuk equilateral triangular (segitiga sama sisi) pitch:
dh Ah 0,9 Ap l p Persamaan diplot pd gambar 11.33 dh = dimeter hole lp = hole pitch
2
Ah/Ap
= 0,2054/2,0243 = 0,1015
Dari gambar 11.33, lp/dh = 2,85 Hole pitch = (lp/dh) x dh = 2,85 x 0,005 m = 0,01425 m Luas 1 hole = ¼ x 3,14 x 0,0052 = 1,96 x 10-5 Jumlah hole= Ah/ luas 1 hole = 0,2054/1,96 x 10-5 = 10.643,077 holes
Spesifikasi plate Diameter plat Diameter lubang Hole pitch Jumlah lubang TDR material plate Material downcomer Tray spacing Plate thickeness Panjang weir Tinggi weir Plate pressure drop
2,0927 m 0,005 m 0,0149 m 10.643 80 % Stainless steel Stainlees steel 0,6 m 0,003 m 1,55 m 0,05 m 10,113 mmHg
2,0279 m
1,55 m
