PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II MODUL 1
KOLOM BERPACKING (HETP)
LABORATORIUM RISET DAN OPERASI TEKNIK KIMIA PROGRAM STUDI TEKNIK KIMA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UPN”VETERAN” JAWA TIMUR SURABAYA
KOLOM BERPACKING ( HETP ) TUJUAN Menentukan nilai HETP (Height Equivalent of Theoritical Plate )atau tinggi bahan isian dalam suatu kolom yang memberikan perubahan komposisi sama dengan perubahan komposisi yang dicapai oleh satu plate teoritis atau ekivalen dengan satu plat teoritis TEORI Bahan isisan padat dan inert yang memiliki luas permukaan per satuan voleme kolom dapat digunakan sebagai pengganti bubble cap plate . Berapa tinggi bahan isisan dalam kolom yang bisa memberikan suatu komposisi produk pemisahan campuran tertentu harus dievaluasi. Ada dua metode untuk evaluasi tinggi bahan isian : 1. H E T P 2. . NTU ( Number of Transfer Unit ) 1.
HETP
Suatu kolom dengan bahan isian dibagi –bagi dalam unit-unit atau satuan=satuan tinggi bahan isian, dimana se tiap satuan tinggi bahan isian mampu menghasilkan uap dan cairan keluar dari satuan ini dalam keadaan setimbang. Menurut definisi, pada satu plat ideal, uap dan cairan yang meninggalkan plat ideal juga pada keadaan kesetimbangan fase atau kesetimbangan termodinamik. Berarti satu satuan unit kolom tersebut ekivalen dengan satu plat ideal. Inilah konsep HETP . Karena itu dapat dinyatakan bahwa : Tinggi total bahan isian
= jumlah plat ideal x HETP atau teoritis
Tebtu saja pernyataaan ini berlaku untuk sesuatu operasi pemisahan tertentu,seperti kolom isian pada operasi penyulingan, absorbsi, dan ekstraksi. Penggunaan pernyataan HETP diperlukan, karena dapat menggantikan proses bertingkat berlawanan arah, meskipun dari segi teoritis dipandang kurang fundamental ( Badger & Banchero , 1955). HETP harus dievaluasi secara eksperimen, karena HETP berubah oleh tipe, jenis, ukuran bahan isian, sangat dipengaruhi pula oleh kecepatan aliran kedua fluida ( uap, cairan ) maupun kisaran konsentrasi. Karena itu diperlukan banyak data eksperimen. HETP dapat dievaluasi menurut persamaan dasar seperti di bawah ini, untuk cairan biner : a. Bila garis operasi dan kurva setimbang dalam grafik y versus x, mendekati garis lurus dan sejajar. Misalnya pada nilai sifat penguapan relatif (α ) kecil ataupun campuran encer, maka :
Dan HETP = Ht.o.G bila m = y/x = fraksi komponen “i” dalam fase uap / fraksi “i) dalam fase cair
i = sesuatu komponen yang relatif paling mudah menguap Vm, Lm = kecepatan aliran uap, cairan meninggalkan plat ke “m” Ht.o.G = tinggi transfer unit, dievaluasi secara keseluruhan pada fase uap. Tinggi bahan isian dalam kolom (z) adalah : Z = N min x HETP ...................................(1) b. Bila garis operasi dan kurva setimbang pada grafik y versus x keduanya lurus, tetapi tidak sejajar maka : .( )
Dari persamaaan dasar tersebut nampak bahwa HETP merupakan penghubung antara tinggi bahan isian di kolom (z) dengan jumlah kebutuhan plat teoritis atau plate ideal atau plat setimbang (N). Jelas bahwa HETP juga ditentukan oleh konstanta kesetimbangan uap cairan dari sistem campuran ( m = y/x) dan kecepatan aliran uap ( Vm) dan cairan (Lm) di dalam kolom bahan isian’ 2. Transfer Unit Transfer unti juga bisa digunakan untuk evaluasi tinggi bahan isian dalam kolom (z). Metode transfer unit mempergunakan dasar peninjauan difusi molekuler melalui dua lapisan film diantara batas dua fase ( interface) uap dan cair pada keadaan setimbang Perpindahan massa sesuatu komponen “i” dapat terjadi dari fase uap ke cair ( absorbsi) atau dari fase cair ke uap ( stripping ) atau keduanya dapat terjadi pada proses penyulingan. Jadi massa yang ditransfer melalui fase gas, lapisan film gas (fg) menembus batas fase ke lapisan film cair ( fl) dan masuk ke badan cairan atau sebaliknya. Dalam perpindahan massa “i” tersebut tidak ada akumulasi di setiap zone. Di setiap zone terdapat resistansi perpindahan massa, berbanding terbalik terhadap koefisien perpindahan massanya ( kG , kL, KG, KL ) Ditinjanu secara sederhana berdasar teori dua lapisan film dan resistansi / tahanan difusi, maka kita dapat memisahkan antara dua metode , yaitu: (1). Prinsip tahanan difusional dalam fase gas (2) Prinsip tahanan difusional dalam fase cair Bila kita pakai asumsi bahwa kecepatan perpindahan massa di setiap zone sama, maka dapat dinyatakan bahwa : dM = kG ( Y-Yi) dA = kL ( Xi – X ) dA .....................................(3) dan dM = KG ( Y – Y *) dA = kL ( X* = X ) dA ...................................(4) Kesulitan pada pemakaian persamaan ini adalah evaluasi dA atau luas bidang transfer. Biasanya untuk menghindari kesulitan ini, dipergunakan persamaan : dA = a . S. dZ .....................................................................................(5) = (luas bidang batas fase per volum bahan isian ) x ( luas penampang kolom )x ( tinggi diferensial kolom isian ) Bila persamaan kecepatan perpindahan massa dirangkai dengan persamaan neraca bahan pad tinggi diferensial kolom isian, diperoleh persamaan berikut : Fase gas : dM = kG ( Y - Yi) . a. S. dZ = V dY.............. .............(6)
= KG ( Y – Y* ) .a.S.dZ = V dY................................(7)
Fase Cair : dM = kL ( Xi – X) .a.S.dZ = L dX ..................................(8) = KL ( X*-X).a.S.dZ = L dX.........................................(9) Jika koefisien transfer massa total ( KG,KL) dianggap tetap, maka persamaan (7) dan (9) menjadi sbb : Fase Gas
:∫
∫
Fase Cair: ∫
∫
................................(10)
....................................(11)
Bila NtoG , NtoL= jumlah transfer unit , basis badan fase gas, cair dan Z = tinggi kolom isian. Sekarang Z dpat dievaluasi menurut persamaan berikut : Z = NtoG x HtoG = NtoL x HtoL .....................................................(12) Sekarang kita masih memerlukan evaluasi HtoG dan HtoL ( tinggi transfer unti, basis badan fase gas dan cair). HtoG dan HtoL dapat dievaluasi menurut persamaan berikut : Fase gas : HtoG = Htg + m.V / L .HtL ................................................(13) Fase cair : HtoL = HtL + L / ( m.V ) . HtG..........................................(14) Dari kedua persamaan tersebt dapat diturunkan persamaan :h HtoG = HtoL . m . V / L ..............................................................(15) HtG dan HtL atau tinggi transfer unit , basis lap film gas dan cair dapat dievaluasi dari persamaan berikut : Sherwood dan Holloway : [ ] [
]
...........................................................(16)
Φ, η = tetapan yang nilainya ditentukan oleh tipe dimensi bahan isian untuk kisaran kecepatan aliran cairan L ( Treyball, 1955) Fellinger : [
]
.................................................................(17)
Dimana α. β,γ = tetapan( Treyball, 1955)
EVALUASI N Di muka telah ditunjukkan pada pers (1) bahwa tinggibahan isian (z) ditentukan oleh nila N atau jumlah plat teoritis dan nilai HETP Jumlah plat teoritis N dapat dievaluasi menurut metode McGabe –Thiele (campuran biner ) atau persamaan Fenske –Underwood A. Metode McGabe-Thiele Persyaratan : 1. Dalam diagram entalpi – komposisi, garis uap jenuh dan cairan jenuh keduanya berupa garis lurus dan sejajar, 2. Kecepatan aliran molal tetap 3. Panas laten penguapan mendekati tetap 4. Campuran biner, ideal. 5. Untuk evaluasi jumlah plat teoritis ( N) diperlukan data kesetimbangan termodinamik atau y versus x, pada suhu tekanan operasi tertentu.. Biasanya mol fraksi “ i” dalam umpan, produk atas dan bawah dan kondisi termal umpan diketahui. Kita masih perlu melukiskan garis-garis operasi berikut : 1. Garis operasi atas ...................................................(18) , eksternal diketahui, garis operasi atas dapat dilukis dalam diagram y versus x 2. Garis q Mula-mula dihitung nilai q dengan persamaan : ......................................................(19) hf = entalpi umpan, cairan hL = entalpi cairan hv = entalpi uap Dari pers (19) dapat dinyatakan, q adalah panas untuk menguapkan 1 mol umpan semula menjadi uap, dibagi panas laten penguapannya. Dari nilai q yang didapat bisa dihitung lereng garis q yaitu q / q-1 sehingga dapat dilukis dengan lereng ini melalui titik umpan (Zf) di diagonal. 3. Garis operasi bawah -
........................................(20)
Jika langsung dipakai pers (20) ini kita memerlukan data panas disekitar boiler. Supaya mudah , kita cari saja titik potong antara garis operasi atas dan garis q misalnya titik P. Kemudian hubungkan titik P dengan titik XB. Jika ketiga garis tersebut sudah dapat dilukis, maka jumlah plat teoritis dapat dievaluasi.
B. Metode Fenske- Underwood Persyaratan : 1. Refluks total 2. Nilai sifat penguapan relatif tetap 3. Kecepatan aliran molal dan penguapan tetap Jika dipakai refluks total , garis operasi atas dan bawah berimpit dengan garis diagonal , dan jumlah plat teoritis minimal ( Nm). Menurut Fenske – Underwood berlaku: [
( (
) ] )
............................................................(21)
Karena itu bila XD, XB dan α rata-rata bisa diketahui, maka Nm dapat dihitung.
PROSEDUR Alat percobaan terdiri dari sebuah kolom 0,2 inchi berisi packing dan sebuah kondensor tegak. Alat ini dilengkapi dengan tapping pengambilan sample atas dan bawah dan manometer terbuka untuk mengukur pressure drop pada packing.
Keterangan Gambar : a. Termometer bawah b. Packed column c. Manometer d. Termometer atas e. Kran f. Kondensor g. Inlet cooling water h. outlet cooling water i. Tempat distilat keluar
Cara Melakukan Percobaan
1. Isi labu leher tiga dengan larutan umpan ( campuran alkohol- air), kemudian panaskan ( disuling dengan refluks total )hingga terjadi boil up rate yang minimal dan terbentuk distilat, selanjutnya biarkan beberapa menit untuk mencapai keadaan steady. Catat temperaturnya.
2. Catat pressure drop dan ambil sample (distilat ) sebanyak 2-3 ml dan penyulingan dilanjutkan, juga dengan refluks total . 3. Pengambilan destilat, penyulingan dengan reflouks total dilanjutkan dengan cara yang sama. Suhu atas dan bawah dan waktu saat pengambilan destilat supaya dicatat 4. Destilat dan residu diukur densitasnya dan dengan tabel ( Perry ) densitas konsentrasi , dapat diketahui kadarnya.
DAFTAR PUSTAKA
Badger W.L. & Banchero J. T., 1995, “Introduction to Chemical Engineering”, pp. 45 – 258, Mc Graw Hill, New York. Mc Cabe W.L. & Smith J.C., 1976, “Unit Operation of Chemical Engineering”, 3rd edition, pp. 469 – 485, Mac Graw Hill, New York. Perry R. H. & Chilton C.H., 1984, “Chemical Engineer’s Hand Book”, 6th edition, pp 13 – 14, Mac Graw Hill, New York.
