BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Pemisahan campuran azeotrop multikomponen dengan menggunakan kolom destilasi seperti pada azeotropic distillation memerlukan beberapa kolom dengan urutan tertentu (sequence). Pada campuran ideal, sequence dari proses destilasi dapat bersifat direct, indirect, ataupun gabungan keduanya. Pada campuran ideal jumlah kolom yang diperlukan dan kemungkinan konfigurasi sequence ditentukan oleh jumlah produk destilasi yang ada. Pada campuran non ideal, cukup sulit untuk menentukan jumlah kolom dan sequence kolom yang diperlukan. Jumlah dan sequence kolom pada campuran non ideal sangat ditentukan oleh residue curve map dari sistem/ campuran tersebut. Sequence kolom untuk pemisahan campuran azeotrop terner bersifat sangat spesifik tergantung jenis residue curve map yang terbentuk dan umumnya harus melibatkan adanya arusarus recycle. Hal ini akan lebih mempersulit pemilihan sequence yang optimal (Sutijan et al, 2013) . Perhitungan untuk mendapatkan sequence yang optimal untuk memisahkan campuran azeotrop multikomponen memerlukan perhitungan desain kolom destilasi. Penggunaan metode rigorous dalam desain kolom ataupun optimasi sequence memerlukan trial dan error, iterasi yang cukup panjang dan seringkali tidak berhasil. Oleh karena itu , diperlukan perhitungan desain kolom untuk campuran azeotrop yang efisien, tidak iterative dan memberikan hasil
1
perhitungan yang cukup akurat sehingga dapat digunakan sebagai estimasi desain awal untuk perhitungan secara rigorous dan juga untuk optimasi sequence kolom. Metode shortcut Fenske-Underwood-Gilliland yang banyak diperlukan
digunakan untuk
menentukan
(FUG) merupakan metode
jumlah stage dan refluk yang
pada perancangan kolom destilasi untuk memisahkan campuran
multikomponen dengan spesifikasi tertentu. Metode FUG merupakan metode yang cepat, efisien dan memberikan hasil perhitungan yang cukup tepat pada campuran ideal. Metode FUG menggunakan asumsi volatilitas relatif komponen yang tetap sehingga tidak dapat diterapkan untuk campuran non ideal seperti campuran azeotrop. Pada beberapa campuran azeotrop terner terdapat distillation boundary yang membagi sistem menjadi beberapa subregion. Volatilitas relatif pada sistem non ideal seperti sistem
azeotrop sangat bervariasi sehingga penggunaan
persamaan FUG pada sistem terner tersebut secara keseluruhan (bukan pada tiap subregion) akan memberikan hasil yang tidak tepat. Campuran terner yang bersifat non ideal dapat ditransformasikan menjadi sistem dengan (3+A) komponen dengan adanya tambahan komponen berupa azeotrop (A) yang dianggap sebagai komponen murni semu (pseudo component). Pada sistem yang ditransformasikan tersebut, distillation region akan dibagi menjadi beberapa subdistillation region yang berperilaku sebagai campuran ideal yang melibatkan hanya 3 komponen. Karena pada sub sistem/ sub distillation region campuran bersifat ideal maka metode FUG dapat diaplikasikan untuk menghitung desain kolom destilasi.
2
Pada penelitian ini diusulkan metode shortcut baru berupa metode FUG yang diterapkan pada sistem non-ideal yang selanjutnya disebut dengan metode FUG termodifikasi. Modifikasi dari metode shortcut FUG ini ada pada penerapannya yang diaplikasikan pada sub-sistem dimana terdapat azeotrop yang dianggap sebagai komponen murni semu (pseudo component) .
1.2. Keaslian Penelitian Penelitian mengenai metode iteratif untuk perhitungan desain kolom distilasi pada campuran azeotrop sudah pernah dilakukan sebelumnya diantaranya oleh Levy et al. (1985) yang mengusulkan metode yang disebut Boundary Value Method. Pada Boundary Value Method profil komposisi pada tiap stage didapatkan melalui persamaan diferensial ordiner . Untuk menyelesaikan persamaan difersensial, metode ini membutuhkan spesifikasi komposisi umpan pada umpan,produk dan refluk atau boil up ratio. Boundary Value Method dapat menentukan feasibility proses destilasi dimana proses yang memungkinkan (feasible) ditandai dengan bertemunya kurva stripping dan rectifying pada kurva komposisi. Namun untuk menghitung refluk minimum, metode ini memerlukan trial dan error nilai refluk sehingga metode ini iterative dan kurang efisien. Castilo (1997) mengusulkan suatu metode grafis dalam perancangan kolom destilasi campuran azeotrop yang disebut dengan operation leaf. Seperti pada metode Boundary Value Method , operation leaf juga juga dibuat pada stripping section dan rectifying section. Operating leaf dibentuk dengan memvariasikan jumlah stage dan refluk sehingga membentuk suatu area (menyerupai daun) pada
3
kurva komposisi. Proses destilasi feasible jika operating leaf pada stripping dan rectifying section saling bersinggungan . Metode ini membutuhkan variasi jumlah stage dan refluk sehingga memerlukan perhitungan yang panjang. Bausa et.al.(1998) mengusulkan pula suatu metode yang dinamakan Rectification Body Method (RBM). Metode RBM ini merupakan metode yang digunakan untuk menentukan energi minimum yang diperlukan untuk spesifikasi pemisahan tertentu. Metode RBM juga dapat digunakan untuk menentukan feasibility dari proses pemisahan. Rectification Body dapat digambarkan dalam bentuk ruang/area dalam sebuah kurva komposisi. Pada proses destilasi terdapat Rectification Body untuk stripping section dan Rectification Body untuk rectifying section yang dibentuk dengan menghubungkan titik komposisi dengan pinch point oleh garis lurus. Bentuk dan ukuran dari Rectification Body tergantung dari parameter refluks atau boil up ratio. Feasibility proses terjadi jika Rectification Body pada stripping section bertemu/saling bersinggungan (intersect) dengan Rectification Body pada rectifying section. Metode RBM ini memerlukan trial nilai refluk
untuk
mencari
refluk
minimum
sehingga
cukup
iterative
dan
computationally intensive. Kossack et al (2006) menggunakan kombinasi antara metode RBM dengan metode rigorous untuk optimasi desain kolom destilasi campuran azeotrop homogen. Liu (2004) menggunakan metode FUG yang diterapkan pada koordinat transformasi dimana pada koordinat transformasi komponen azeotrop dianggap sebagai komponen murni semu (pseudo component). Volatilitas relatif
yang
digunakan dalam perhitungan menggunakan volatilitas relatif komponen riil yang
4
ditransformasikan ke dalam koordinat transformasi. Metode ini memerlukan perhitungan volatilitas relatif pada komponen riil yang kemudian ditransformasikan menjadi komponen transformasi (singular point) dan setelah dilakukan perhitungan menggunakan persamaan FUG hasilnya ditransformasikan kembali menjadi komponen riil sehingga metode ini masih cukup sulit dan panjang dalam langkah perhitungannya. Adiche (2011) mengusulkan metode shortcut untuk simple dan complex distillation (terdapat side stream). Metode ini menggunakan asumsi volatilitas relatif dan molar flow tiap stage adalah tetap. Metode yang diusulkan mirip dengan Boundary Value Method namun membutuhkan spesifikasi desain yang lebih sedikit dan tidak memerlukan bantuan dari grafis/ kurva komposisi. Metode shortcut ini kemudian dikembangkan untuk campuran azeotrop multikomponen dengan konsep transformasi koordinat dan pseudocomponent dari Liu(2004). Penelitian ini menggunakan transformasi koordinat seperti pada metode yang diusulkan oleh Liu (2004) namun komponen azeotrop dianggap sebagai komponen murni semu yang mempunyai tekanan uap jenuh fungsi dari temperatur yang didapatkan dari perhitungan Vapor Liquid Equilibrium sehingga didapatkan komposisi dan titik didih azeotrop pada tiap tekanan. Oleh karena itu, metode ini dapat langsung digunakan untuk menghitung volatilitas relatif sebagai fungsi suhu tanpa harus menghitung volatilitas komponen riil seperti pada metode Liu (2004). Metode ini menerapkan persamaan FUG pada subsistem hasil transformasi koordinat sehingga stage minimum, refluks minimum, dan stage aktual dapat dihitung secara lebih cepat dan efisien.
5
1.3. Manfaat Penelitian 1) Metode FUG termodifikasi dapat digunakan untuk perhitungan desain kolom distilasi pada sistem non-ideal lebih cepat dan mudah dibanding perhitungan secara rigorous. 2) Metode FUG termodifikasi lebih lanjut dapat dimanfaatkan untuk optimasi sequence kolom pada pemisahan campuran non-ideal multikomponen. 3) Metode FUG termodifikasi dapat dimanfaatkan sebagai estimasi awal desain kolom destilasi untuk memisahkan campuran azeotrop terner pada perhitungan secara rigorous , jika diperlukan perhitungan secara detail.
1.4. Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini yaitu : -
Untuk mengusulkan metode shortcut baru
untuk perancangan kolom
distilasi pada pemisahan campuran azeotrop homogen. -
Untuk menguji metode shortcut yang diusulkan dalam perancangan kolom distilasi campuran azeotop homogen terner (terdiri dari 3 komponen)) dimana terdapat distillation boundary, dengan membandingkan hasil perhitungan dari metode yang diusulkan dengan hasil perhitungan dari software ASPEN Plus (rigorous).
-
Mempelajari pengaruh
bentuk distillation boundary dan sensitifitas
distillation boundary (perubahan bentuk distillation boundary terhadap perubahan tekanan) terhadap hasil perhitungan perancangan kolom destilasi.
6
