DECANTER (D)
Deskripsi Tugas
: Memisahkan benzaldehyde dari campuran keluar reaktor yang mengandung benzaldehyde, cinnamaldehyde, serta NaOH dan katalis 2 HPb-CD terlarut dalam air
Suhu
: 50 oC (323 K)
Tekanan
: 1 atm
Kondisi
: Isothermal adiabatis
Neraca Massa Arus masuk decanter berasal dari arus keluar evaporator. Arus hasil atas decanter mengalir ke tangki akumulasi. Arus hasil bawah decanter direcycle ke reaktor. Arus masuk dan keluar decanter ditampilkan dalam tabel berikut. Komponen Cinnamaldehyde Water NaOH 2 HPb-CD Benzaldehyde Total
Output Top Bottom kg/jam kg/jam kg/jam 9,5728 7,4572 2,1156 1.489,8707 0,0000 1.489,8707 59,8298 0,0000 59,8298 997,1633 0,0000 997,1633 79,5396 69,1850 10,3546 2.635,9761 2.635,9761 Input
Sifat Fisis Komponen Beberapa sifat fisis dari komponen-komponen dalam decanter ditampilkan dalam tabel berikut. Komponen Cinnamaldehyde Water NaOH 2 HPb-CD Benzaldehyde
Mr, kg/kmol 132 18 40 1.375 106
ρ, kg/m3 1050 1000 2130 1624 1040
225
Lampiran
Light dan Heavy Stream Prinsip dasar kerja decanter adalah pemisahan berdasarkan perbedaan massa jenis. Dipilih light stream berupa arus yang memiliki massa jenis lebih ringan dan heavy stream berupa arus yang memiliki massa jenis lebih berat. Dalam hal ini, light stream adalah campuran benzaldehyde dan cinnamaldehyde, sedangkan heavy stream adalah air yang mengandung NaOH, 2 HPb-CD, benzaldehyde, dan cinnamaldehyde terlarut.
Komponen Benzaldehyde Cinnamaldehyde Total
Komponen Water NaOH 2 HPb-CD Benzaldehyde Cinnamaldehyde Total
Light Stream m, ρ, kg/jam kg/m3 69,1850 1.040 7,4572 1.050 76,6422
Fv, m /jam 0,0665 0,0071 0,0736
Heavy Stream m, kg/jam 1.489,8707 59,8298 997,1633 10,3546 2,1156 2.559,3339
Fv, m /jam 1,4899 0,0281 0,6140 0,0100 0,0020 2,1439
ρ, kg/m3 1000 2130 1624 1040 1050
3
3
Massa jenis masing-masing arus dapat ditentukan sebagai berikut: ρ=
m FV
Dengan, ρ
= Massa jenis campuran, kg/m3
m = Laju massa total campuran, kg/jam Fv = Laju volumetrik total campuran, m3/jam Untuk light stream:
ρ=
76,6422 kg/jam 0,0736 m3 /jam
= 1.040,9646 kg/m3
226
Lampiran
Untuk heavy stream:
ρ=
2.559,3339 kg/jam 2,1439 m3 /jam
= 1.193,7483 kg/m3
Fase Terdispersi Untuk menentukan fase terdispersi, digunakan persamaan berikut (Walas, 2005).
Ψ=
QL ρL.μH 0,3 ( )r QH ρH.μL
Dengan, QL = Volumetric flow rate light stream, m3/jam QH = Volumetric flow rate heavy stream, m3/jam ρL = Densitas light stream, kg/m3 ρH = Densitas heavy stream, kg/m3 μL = Viskositas light stream, Nms/m2 μH = Viskositas heavy stream, Nms/m2
Dari perhitungan sebelumnya dan data fisis diperoleh: QL = 0,0736 m3/jam QH = 2,1439 m3/jam ρL = 1.040,9646 kg/m3 ρH = 1.193,7483 kg/m3 μL = 0,0013 Nms/m2 μH = 0,0009 Nms/m2
Sehingga,
0,0736 m3 /jam 1.040,9646 kg/m3 .0,0009 Nms/m2 0,3 Ψ= ( ) 2,1439 m3 /jam 1.193,7483 kg/m3 .0,0013 Nms/m2 = 0,0293
Evaluasi nilai ψ ditampilkan dalam tabel berikut (Walas, 2005).
227
Lampiran
ψ <0,3 0,3-0,5 0,5-2,0 2,0-3,3 3,3
Hasil Light phase always dispersed Light phase probably dispersed Phase inversion probable, design for worst case Heavy phase probably dispersed Heavy phase always dispersed
Maka, berdasarkan nilai ψ hasil hitungan sebesar 0,0293 (<0,3), dapat disimpulkan bahwa yang terdispersi adalah light phase. Fase terdispersi
: Light phase
Fase kontinyu
: Heavy phase
Settling Velocity Dasar perancangan ukuran decanter adalah kecepatan fase kontinyu harus lebih kecil dari settling velocity droplet dalam fase terdispersi. uc < ud Dengan, uc
= Kecepatan fase kontinyu
ud = Kecepatan settling fase terdispersi
dd 2g (ρd-ρc) ud = 18μc Dengan, dd = Diameter droplet, m ρc = Densitas fase kontinyu, kg/m3 ρd = Densitas fase terdispersi, kg/m3 μc = Viskositas fase kontinyu, Ns/m2 g
= Percepatan gravitasi, m/s2
Diasumsikan diameter droplet sebesar 15 mikrometer. dd = 15 x 10-6 m ρc = 1.193,7483 kg/m3 ρd = 1.040,9646 kg/m3 μc = 0,0009 Nms/m2 g
= 9,8 m/s2 228
Lampiran
(15 x 10-6 m)2 (9,8 m/s 2 ) (1.040,9646-1.193,7483) kg/m3 18 (0,0009 Nms/m2 )
ud =
= -0,0021 m/s Tanda negatif menunjukkan bahwa arah kecepatan adalah ke atas (rising).
uc =
Lc Ai
Ai =
Lc uc
Dengan, uc
= Kecepatan fase kontinyu, m/s
Lc = Volumetric flow rate fase kontinyu, m3/s Ai = Area interface, m2 Nilai uc maksimal adalah sama dengan nilai ud. ucmaks
= 0,0021 m/s
Lc
= 2,1439 m3/jam = 0,0006 m3/s
Aimin =
Lc ucmaks
0,0006 m3 /s 0,0021 m/s
= 0,2829 m2
Ai = wl w
= 2(2rz-z2)1/2
229
Lampiran
Dengan, w
= Kedalaman interface, m
z
= Ketinggian interface dari dasar vessel, m
l
= Panjang silinder, m
r
= Jari-jari silinder, m
Untuk menghitung nilai w, l, z, dan r, digunakan metode trial and error. Diambil perbandingan L/D = 2. Hasil trial ditampilkan dalam tabel berikut. D 0,3988
r 0,1994
l 0,7976
w 0,3547
ztrial 0,2906
wtrial 0,3547
ltrial 0,7976
Sehingga diperoleh: Diameter decanter
= 0,3988 m = 15,7008 in
Panjang decanter
= 0,7976 m
Kedalaman interface
= 0,3547 m
Ketinggian interface
= 0,2906 m
Waktu Tinggal τ=
z ud
Dengan, τ
= Waktu tinggal dalam decanter, detik
z
= Ketinggian interface dari dasar vessel, m
ud = Kecepatan settling fase terdispersi, m/s
Dari perhitungan sebelumnya diperoleh: z
= 0,2906 m
ud = 0,0021 m/s
Sehingga,
230
Lampiran
τ=
(0,2906 m) (0,0021 m/s)
= 138,0316 detik = 2,3005 menit Hasil tersebut memenuhi syarat waktu tinggal yang baik dalam decanter, yaitu antara 2 sampai 5 menit.
Cek Bilangan Reynold
Re =
ρuD μ
Dengan, Re = Bilangan Reynold ρ
= Densitas fase kontinyu, kg/m3
u
= Kecepatan fase kontinyu, m/s
D
= Diameter decanter, m
μ
= Viskositas fase kontinyu, Ns/m2
Dari perhitungan sebelumnya diperoleh: ρ
= 1.193,7483 kg/m3
u
= 0,0021 m/s
D
= 0,3988 m
μ
= 0,0009 Ns/m2
Sehingga,
Re =
(1.193,7483 kg/m3 )(0,0021 m/s)(0,3988 m) (0,0009 Ns/m2 )
= 1.126,0140
Evaluasi bilangan Reynold ditunjukkan pada tabel berikut.
231
Lampiran
NRe Less than 5.000 5.000-20.000 20.000-50.000 Above 50.000
Effect Little problem Some hindrance Major problem may exist Expect poor separation
Berdasarkan tabel tersebut, pemisahan pada decanter dapat berlangsung dengan baik.
MECHANICAL DESIGN Design Pressure and Temperature Operating pressure Decanter beroperasi pada tekanan atmosferis. Level cairan pada decanter cukup rendah karena diameter decanter relatif kecil, sehingga tekanan hidrostatis dapat diabaikan dan cukup dikoreksi dengan overdesign factor. P
= 1 atm
Design pressure Design pressure di-set 10% di atas operating pressure. Pdesign = (110%) (1 atm) = 1,1 atm = 16,17 psia
Operating temperature Decanter beroperasi pada suhu 50 oC. Toperasi = 50 oC = 323 K = 122 oF
Design temperature Reaktor didesign agar dapat beroperasi pada suhu 50 oF di atas suhu operasinya (Walas, 2005). Tdesign = (122+50) oF = 172 oF
232
Lampiran
Material Komponen-komponen dalam decanter bersifat korosif sehingga harus dipilih material yang tahan korosi. Untuk perancangan decanter ini, dipilih material stainless steel AISI 316.
Design Stress Untuk material Stainless Steel AISI 316 yang bekerja pada temperatur kurang dari 200 oF, tensile strength sebesar 16.100 psia (Walas, 1990). f = 16.100 psia
Corrosion Allowance Untuk mengantisipasi reaktan yang bersifat korosif, diset corrosion allowance sebesar 4 mm. c = 4 mm = 0,1575 in
Tebal Shell Untuk mencari tebal shell, digunakan persamaan berikut (Rase and Barrow, 1957).
ts =
P.ri +C f.E - 0,6.P
Dengan, ts = Tebal shell, in P = Tekanan design, psia ri = Jari-jari, in f = Allowable working stress, psia E = Joint efficiency C = Corrosion allowance, in
Dari perhitungan sebelumnya diketahui diameter decanter sebesar 0,3988 m. Sehingga, ri = D/2 = 0,3988/2 m = 0,1994 m = 7,8504 in 233
Lampiran
P
= 16,17 psia
Joint efficiency sebesar 0,8.
ts =
(16,17 psia) x (7,8504 in) + 0,1575 in (16.100 psia) x (0,8) - (0,6) x (16,17 psia)
= 0,1674 in Untuk perancangan, diambil tebal shell standard sebesar 3/16 in. ts = 0,1875 in
Head Decanter beroperasi pada tekanan hampir atmosferis, sehingga digunakan flanged and dished head. Flanged and dished head merupakan jenis head yang paling ekonomis dan hanya sesuai untuk vessel dengan tekanan rendah dan diameter kecil, sesuai dengan kondisi decanter. Head pada vessel didesain berdasarkan outside diameternya. OD = ID + 2 x ts = (15,7008 + 2 x 0,1875) in = 16,0758 in = 0,4083 m Diambil OD standar sebesar 16 in.
Dari tabel diperoleh data untuk OD sebesar 16 in dan tebal shell sebesar 3/16 in (Brownell and Young, 1959). icr = 0,5625 sf
=2
ID = 15,625 in = 0,3969 m r
= 15 in
Dimensi head dihitung sebagai berikut, berdasarkan Figure 5.8 Brownell and Young.
234
Lampiran
a = b
ID 2
= r - (BC)2 - (AB)2
AB =
ID – icr 2
BC = r – icr AC =
(BC)2 - (AB)2
OA = t + b + sf Sehingga diperoleh, a
= 7,8125 in
AB = 7,25 in BC = 14,4375 in AC = 12,4851 in b
= 2,5149 in
OA = 4,7024 in
235
Lampiran
Pipa Untuk pipa dengan bahan stainless steel, diameter optimum dapat dihitung dengan persamaan berikut (Coulson, 2005). dopt = 260 G0,52 ρ-0,37
Dengan, dopt = Diameter optimum pipa, mm G
= Laju aliran massa, kg/s
ρ
= Massa jenis, kg/m3
Untuk pipa pemasukan: Dari data diperoleh: G
= 2.635,9761 kg/jam = 0,7322 kg/s
ρ
= 1.188,6757 kg/m3
Sehingga, dopt = 260 (0,7322 kg/s)0,52 (1.188,6757 kg/m3)-0,37 = 16,0995 mm = 0,0161 m = 0,6338 in
Berdasarkan tabel Kern, dipilih ukuran pipa standar sebagai berikut: Material NPS Schedule number Inside diameter (ID) Outside diameter (OD)
Stainless steel (Korosif) ½ 40 0,622 in 0,840 in
Untuk pipa pengeluaran top product: Dari data diperoleh: G
= 76,6422 kg/jam = 0,0213 kg/s
ρ
= 1.040,9646 kg/m3
236
Lampiran
Sehingga, dopt = 260 (0,0213 kg/s)0,52 (1.040,9646 kg/m3)-0,37 = 2,6864 mm = 0,0027 m = 0,1058 in
Berdasarkan tabel Kern, dipilih ukuran pipa standar sebagai berikut: Material NPS Schedule number Inside diameter (ID) Outside diameter (OD)
Stainless steel (Korosif) 1/8 80 0,215 in 0,405 in
Untuk pipa pengeluaran bottom product: Dari data diperoleh: G
= 2.559,3339 kg/jam = 0,7109 kg/s
ρ
= 1.193,7483 kg/m3
Sehingga, dopt = 260 (0,7109 kg/s)0,52 (1.193,7483 kg/m3)-0,37 = 15,8294 mm = 0,0158 m = 0,6232 in
Berdasarkan tabel Kern, dipilih ukuran pipa standar sebagai berikut: Material NPS Schedule number Inside diameter (ID) Outside diameter (OD)
Stainless steel (Korosif) ½ 40 0,622 in 0,840 in
237
Lampiran
