LEVEL -04 SISTEM PEMISAHAN Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
STRUKTUR UMUM SISTEM PEMISAHAN Untuk menentukan struktur umum sistem pemisahan pertama kita harus menentukan fasa aliran yg keluar dari reaktor (Gmbr 4-1). Untuk proses uap-cair hanya ada tiga kemungkinan :
1) Jika keluaran reaktor adalah cair, kita asumsikan bahwa kita hanya perlu sistem pemisahan cairan. Sistem ini meliputi kolom distilasi, unit ekstraksi, distilasi azeotrop, dll. Namun biasanya tidak akan ada unit absorber, adsorber. Lihat gambar 4.1.
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
2
Gambar 4-1. Fasa aliran keluaran reaktor
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
3
Gambar 4-2. Keluaran reaktor cairan Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
4
2) Jika keluaran reaktor adalah campuran dua fasa, kita dapat menggunakan reaktor sebagai pembagi fasa (atau menempatkan flash drum setelah reaktor). Kita mengalirkan cairan ke sistem pemisahan cairan. Jika reaktor diopersikan di atas temperatur air pendingin, kita biasanya mendinginkan aliran uap reaktor sampai 100oF dan membagi fasa aliran tersebut.
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
5
Jika temperatur rendah dari cairan yang diflash kita temukan mengandung lebih banyak reaktan (dan tidak ada komponen produk yg terbentuk sebagai intermediate dalam reaksi rantai), selanjutnya kita mendaur ulang (recycle) cairan tersebut ke reaktor (seperti refluk kondenser) Jika temperatur rendah dari cairan yang diflash mengandung sebagian besar produk, kita mengirim aliran ini ke sistem pemulihan uap. Tapi jika aliran keluaran reaktor hanya sedikit mengandung uap, kita sering mengirim keluaran reaktor secara langsung ke sistem pemisahan cairan (seperti distilasi).
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
6
Gambar 4-3. keluaran reaktor uap-cair Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
7
3) Jika keluaran reaktor semuanya adalah uap, kita mendinginkan sampai 100oF (temperatur cooling water) dan kita berusaha mencapai pemisahan fasa (phase split) atau mengkondensaskan semua aliran ini. Cairan terkondensasi dikirim ke sistem pemulihan cairan, dan uap dikirim ke sistem pemulihan uap. Jika pemisahan fasa tidak ditemukan, kita melihat apakah kita dapat memberi tekanan reaktor shg fasa terbagi tersebut diperoleh. (kita melihat apakah tekanan tinggi dapat dicapai dengan hanya menggunakan pompa pada aliran umpan cairan, dan kita mengecek untuk melihat bahwa tekanan tdk berpengaruh terhadap distribusi produk).
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
8
Jika pemisahan fasa masih belum diperoleh, selanjutnya kita pertimbangkan kemungkinan menggunakan tekanan tinggi dan kondenser parsial yang direfrigerasi. Pada kasus tidak terdapat pemisahan fasa yang dapat diperoleh tanpa refregerasi, kita juga pertimbangkan kemungkinan mengirim aliran keluaran reaktor secara langsung ke sistem pemulihan uap.
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
9
Gambar 5-4. Keluaran reaktor uap Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
10
Kita perlu untuk meyakinkan bahwa struktur yang sama diperoleh untuk kisaran variabel desain yang dipertimbangkan. Aturan ini didasarkan pada hirarki bahwa pemisahan fasa (phase split) adalah metode pemisahan yang termurah dan asumsi bahwa beberapa tipe pemisahan distilasi dimungkinkan.
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
11
SISTEM RECOVERY UAP Ketika kita berusaha untuk mensistesis sistem pemulihan (recovery) uap, kita perlu membuat dua keputusan: 1) Apa lokasi yang terbaik 2) Apa tipe sistem pemulihan yang termurah
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
12
Penempatan Sistem Pemulihan Uap Terdapat empat pilihan untuk lokasi sistem pemulihan uap. 1) Aliran Purging (pembersihan) 2) Aliran daur ulang gas (gas recycle) 3) Aliran uap flash 4) Tidak sama sekali
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
13
Gambar 4-5. Lokasi sistem pemulihan uap Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
14
Aturan yang kita gunakan untuk membuat keputusan tersebut adalah sebagai berikut (Gambar 4-5): 1) Tempatkan sistem pemulihan uap pada aliran purging jika sejumlah signifikan bahan yang berharga dihilangkan di pembersihan. Alasannya bahwa aliran pembersihan umumnya memiliki laju alir terkecil. 2) Tempatkan sistem pemulihan pada aliran daur ulang gas jika material merusak terhadap operasi reaktor (racun katalis) terdapat pada aliran ini atau jika daur ulang beberapa komponen menurunkan distribusi produk. Aliran daur ulang gas umumnya memiliki laju alir terkecil kedua. 3) Tempatkan sistem pemulihan gas pada aliran flash gas jika poin 1 dan poin 2 tidak tepat, misal laju alir lebih tinggi, tapi kita menyelesaikan dua tujuan. 4) Jangan gunanakan sistem pemulihan uap jika poin 1 dan poin 2 tidak penting. Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
15
Tipe Sistem Pemulihan Uap Pilihan paling umum adalah: 1) Kondensasi-tekanan tinggi atau temperatur rendah atau keduanya 2) Absorpsi 3) Adsorpsi 4) Proses pemisahan membran 5) Sistem reaksi
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
16
Strategi o
o
o
Kita merancang sistem pemulihan gas sebelum mempertimbangkan sistem pemisahan cairan karena setiap proses pemulihan uap biasanya menghasilkan cairan yang selanjutnya harus dimurnikan. Sebagai contoh adalah absorber gas dimana kita perlu menyuplai solven ke absorber. Kita juga mengenalkan loop baru daur ulang gas antara sistem pemisahan (gambar 4-6). Umumnya kita perlu untuk memperkirakan ukuran dan harga setiap unit untuk menentukan mana yang paling murah. Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
17
P-13
Daur ulang gas
P-13
H2,P-13 CH4 purge
Sistem pemulihan uap
uap H2, CH4
P-11
P-1
Sistem reaktor
0
uap
35 C
cairan
P-4 Phase split
P-2
P-17
Toluen P-12
Sistem pemisahan cairan
Daur ulang cairan
benzen
P-6
difenil
P-7
P-5
Gambar 4-6. Lop daur ulang sistem pemisahan
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
18
Komponen Ringan Beberapa komponen ringan akan dilarutkan dalam cairan yang meninggalkan pembagi fasa dan normalnya beberapa akan dilarutkan dalam aliran cairan yang meninggalkan sistem pemulihan uap. Jika komponen ringan ini kemungkinan kontaminan produk, harus dibuang.
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
19
Kombinasi Sistem Pemulihan Uap dan Sistem Pemisahan Cairan
Jika kita menggunakan kondenser dan flash drum untuk membagi fasa keluaran reaktor beberapa komponen cairan peling ringan akan meninggalkan dengan flash uap dan tidak akan dipulihkan di sistem pemulihan cairan. Namun demikian, jika hanya ada sedikit jumlah uap dalam aliran yang meninggalkan kondenser dan jika pembagian pertama dalam sistem pemisahan cairan dipilih distilasi, kita dapat mengeliminasi pembagi fasa dan mengumpankan keluaran reaktor secara langsung kedalam kolom distilasi. Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
20
Diameter kolom distilasi dengan umpan dua fasa perlu lebih besar (untuk menangani) kenaikan lalu lintas uap) daripada kolom yang menggunkan flash drum. Namun demikian, kenaikan biaya ini mungkin lebih kecil dari bidaya engan menggunakan sistem pemulihan uap untuk menghilangkan komponen cairan dari aliran uap flash.
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
21
SISTEM PEMISAHAN CAIRAN Keputusan yang kita perlukan untk mensintesis sistem pemisahan cairan adalah sebagai berikut: 1) Bagaimana seharusnya komponen ringan dipisahkan jika merupakan kontaminan produk 2) Apa yang seharusnya ditandai dari komponen ringan. 3) Apakah kita mendaur ulang komponen-komponen yang membentuk azeotrop dengan reaktan atau apakah kita memisahkan azeotrop. 4) Pemisahan apa yang dapat dilakukan dg distilasi? 5) Urutan kolom seperti apa yang kita gunakan? 6) Bagaimana seharusnya kita menyelesaikan pemisahan jika distilasi tidak cocok.
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
22
Alternatif Pemisahan Komponen Ringan 1) Turunkan tekanan atau naikkan temperatur aliran, dan pisahkan komponen ringan dalam pembagi fasa (phase splitter) 2) Gunakan kondenser parsial pada kolom produk 3) Gunakan bagian pasteurisasi pada kolom produk 4) Gunakan kolom stabilizer sebelum kolom produk Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
23
Kondenser parsial
Seksi pasteurisasi
Kolom stabilizer
Gambar 4-7. Alternativ memisahkan light end Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
24
Menempatkan Light End
Untuk menempatkan light end kita dapat membuangnya (kemungkinan ke sistem flare), mengirim light end sebagai bahan bakar, atau mendaur ulang light end ke sistem pemulihan uap atau flash drum. Jika light end memiliki nilia sangat kecil, kita akan memisahkannya dari proses melalui vent. Jika vent ini menyebabkan polusi udara, kita coba membuang melalui sistem flare (pembakaran) untuk membakarnya. Jika sebagian besar light end mudah terbakar, kita coba pulihkan nilai bahan bakarnya. Namun jika light end berharga, kita ingin tetap dalam proses . Jika kita mendaur ulangnya ke sistem pemulihan uap, kita membuat aliran daur lain kedalam proses.
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
25
Azeotrop dengan Reaktan Jika komponen membentuk azeotrop dengan reaktan, kita memilih mendaur ulang komponen tsb atau memisahkan azeotrop dan mendaur ulang reaktan. Memisahkan azeotrop umumnya membutuhkan dua kolom dan mahal. Namun demikian, jika kita mendaur ulang, kita harus memperbesar semua peralatan dalam lop daur ulang untuk menangani peningkatan aliran komponen.
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
26
Kemungkinan Penerapan Distilasi Secara umum distilasi adalah peralatan pemisahan campuran-cairan paling murah. Namun demikian, jika relativ volatilitas dua komponen dengan titik didih yang berdekatan kurang dari 1,1 distilasi menjadi sangat mahal. Misalnya perlu rasio refluk besar yg berarti laju alir uap besar, diameter kolom besar, kondenser dan reboiler besar, kebutuhan steam besar dan air pendingin mahal.
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
27
Kapanpun kita menemukan dua komponen berdekatan yg memiliki volatilitas relatif kurang dari 1,1 dalam campuran, kita kelompokkan komponen ini bersama dan kita olah kelompok ini sebagai komponen tunggal dalam campuran. Dengan kata lain kita membuat urutan distilasi yang terbaik untuk kelompok itu dan komponen lain, dan kemudian memisahkan komponen yang menyatu (azeotrop) menggunakan prosedur lain. Gambar 4-7. Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
28
Gambar 4-7. Pemisahan distilasi Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
29
Basic principle of distillation
Principle
- use boiling point difference for separation - described by vapor liquid equilibrium (VLE)
xLK=xHK yLK>yHK
VLE- Txy Diagram - x1 and y1 in equilibrium
30
Effect of Pressure
- keep the pressure low P2 > P1
31
Column Configuration
remove heat at lower T
input heat at higher T
32
Column Notation- EMO
33
Realistic View
34
Minimum Reflux Ratio
Understand the effects of changing reflux rate or boilup rate.
35
Total Reflux
Find minimum number of trays (Nmin)
36
Capital cost vs operating cost (energy)
RR= 1.1~1.2 RRmin 37
Pressure/Condenser Algorithm
Remark: Prefer using cooling water as cooling media.
Urutan Kolom untuk Kolom Sederhana
Definitions - single feed - two products - key components are adjacent in boiling pt. - column has a condenser and a reboiler
39
•
Jumlah urutan yang berbeda P –1 kolom distilasi biasa (ordinary distillation) NS, untuk menghasilkan P produk. Ns
[2(P 1)]! P ! (P 1)!
(8.9)
P
# of Separators
Ns
2
1
1
3
2
2
4
3
5
5
4
14
6
5
42
7
6
132
8
7
429
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
40
Direct vs Indirect (LOF vs HOF)
41
Two Alternatives for NC= 3
/
42
Untuk pemisahan tajam campuran tiga komponen (tanpa azeotrop) kita dapt juga memulihkan komponen paling ringan dahulu atau komponen paling berat dahulu dan berikutnya memisahkan dua komponen tersisa (lihat gambar 4-8). Ketika jumlah komponen meningkat, jumlah alternatif urutan meningkat dengan cepat. Tebel 1. Pemisahan yang dapt dibuat dalam 14 alternatif untuk 5 campuran komponen tertera pada tebal 2 Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
43
Contoh: 3 Komponen
Gambar 4-8. Alternativ distilasi untuk tiga campuran
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
44
Tabel 1. Jumlah Alternative Jumlah komponen
Jumlah urutan
2 3 4 5 6
1 2 5 14 42
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
45
Five Alternatives for NC= 4
46
Contoh: 4 Komponen
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
47
Contoh: 4 Komponen
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
48
Tabel 2. Urutan kolom untuk 5 aliran produk Kolom 1 1 A/BCDE 2 A/BCDE 3 A/BCDE 4 A/BCDE 5 A/BCDE 6 AB/CDE 7 AB/CDE 8 ABC/DE 9 ABC/DE 10 ABCD/E 11 ABCD/E 12 ABCD/E 13 ABCD/E 14 ABCD/E
kolom 2 B/CDE B/CDE BC/DE BCD/E BCD/E A/B A/B D/E D/E A/BCD A/BCD AB/CD ABC/D ABC/D Heri Rustamaji
kolom 3 C/DE CD/E B/C B/CD BC/D C/DE CD/E A/BC AB/C B/CD BC/D A/B A/BC AB/C Teknik Kimia Unila
kolom 4 D/E C/D D/E C/D B/C D/E C/D B/C A/B C/D B/C C/D B/C A/B 49
14 Alternatives for NC= 5
50
Contoh Design a sequence of ordinary distillation columns to meet the given specifications.
Penyelesaian the first column in position to separate the key components with the greatest SF.
Sequence separation points in the order of decreasing relative volatility so that the most difficult splits are made in the absence of other components.
Kemungkinan Solusi
a = 1.5 a = 3.6
a = 2.8
a = 1.35
Hirarki Umum untuk Urutan Kolom 1.
2.
3. 4.
Pisahkan komponen korosive segara mungkin Pisahkan komponen reaktiv atau monomer segera mungkin Pisahkan produk sebagai distilat Pisahkan aliran daur ulang sebagai distilat, terutama jika didaur ulang ke reaktor pecked bed
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
54
Hirarki Urutan Kolom untuk Kolom Sederhana 1) 2) 3) 4) 5)
6)
Paling sedikit dulu Paling ringan dulu Pemulihan pemisahan tinggi terakhir Pemisahan sulit terakhir Pemisahan komponen ekimolar yang dominan Pemisahan berikutnya harus paling murah
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
55
Keterkaitan Sistem Pemisahan dan Proses
Pilih urutan yang meminimalkan jumlah kolom dalam lop daur ulang (recycle loop) Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
56
(b)
(a)
Gambar.4.9 Pemilihan urutan merubah biaya daur ulang Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
57
TERIMA KASIH
Heri Rustamaji
Teknik Kimia Unila
58
