PACKED BED ABSORBER Dr.-Ing. Suherman, ST, MT Teknik Kimia Universitas Diponegoro
Edisi : Juni 2009 1
Packed Bed Absorber 1 Pendahuluan 1. P d h l – Bagian packed bed absorber – Problem Umum
2. Menghitung Tinggi – Penurunan Persamaan Desain – Definisi NOG dan HOG
3. Menghitung Diameter – Pressure Drop di Packed Bed – Korelasi Umum 2
1 PENDAHULUAN 1.
3
Packed Bed Absorber • P Packed k d ttower: berupa b ttube b atau pipa yang diisi dengan beberapa packing packing. • Cairan masuk dari bagian atas, sedangkan gas masuk dari bagian bawah. • Hitung: – Laju alir air – Diamater tower – Tinggi packing 4
Packing Ada 3 jenis 1. Raschig ring: potongan pipa L ≈ D ≈ 0,5 0,5-1 1 in 2. Berl saddle 3. Pall ring Packing memberikan kontak yg bagus antar kedua fasa Sehingga luas permukaan menjadi maksimum
5
Distributor • Tujuan: T j menghindari hi d i tterjadinya j di channeling h li
• Redistributor ditempatkan setiap 10-15 ft 6
Problem Umum Air d Ai dengan 0,02% acetone
Packed bed tower berisikan 1 in raschig ring. Laju alir umpan 1,1 kali nilai minimum. Tekanan parsial acetone di larutan: p A = PA0 γ A x A
dim ana ln γ A = 1,95(1 − x )
2
PA0 = 0,33 atm, tekanan uap acetone pada 80°F
Hitung: 1. Laju alir air 2. Diamater tower 3. Tinggi packing
500 SCM udara mengandung 14% mool acetone
80°F 1 atm
Diambil 95% acetone
7
Overview Jawaban 1. Pemilihan laju alir larutan :
L = 1,1 -1,5 kali Lmin
2. Diameter tower: berdasarkan pada basis pressure drop.
∆p in H 2 O = 0,25 − 0,5 ZT ft packing 3. Ketinggian tower ditentukan oleh laju transfer massa. Konsep transfer unit Konsep HETP
ZT = H OG x N OG
ZT = N x HETP
8
(A) Laju alir minimum -1 1 SCFM = standard cubic feet per minute Gas ideal: PV = nRT
2
ft 3 liter V RT R (273 K ) = = = 22,4 = 359 (1atm ) lbmol gmol n P lbmol 500 ft 3 min = 1 , 39 V= min 359 ft 3 lbmol
Berapa laju alir minimum cairan yang dibutuhkan? Untuk menghitungnya perlu memplot garis operasi dan kurva kesetimbangan
1 L
V
9
(A) Laju alir minimum -2 2 Kurva Kesetimbangan pA = P γ x A 0 A A
0.18 0.16
dim ana ln γ A = 1,95(1 − x )
0.14
2
0.12 y
01 0.1
PA0 = 0,33 atm, tekanan uap acetone pada 80°F
0.08 0.06 0.04
x 0 0.01 0.02 0.03 0 04 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
aktA 7.0287 6.7612 6.5064 6.2636 6 0322 6.0322 5.8117 5.6014 5.4008 5.2095 5.0269 4.8525
p pA 0.0000 0.0223 0.0429 0.0620 0 0796 0.0796 0.0959 0.1109 0.1248 0.1375 0.1493 0.1601
y=p pA/P 0.0000 0.0223 0.0429 0.0620 0 0796 0.0796 0.0959 0.1109 0.1248 0.1375 0.1493 0.1601
0.02 0 0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
x
10
(A) Laju alir minimum -3 3 Garis Operasi
x X= 1− x
0.16
y Y= 1− y
0.14 0.12 0.10 Y
L Y = X + Y2 V
0.18
x2 = 0.0002 Æ X2 = 0.0002 y1 = 0.14 Æ Y1 = 0.1628 Y2 = 0.05 Y1 = 0.00814 Kurva kesetimbangan (EC) berada di bawah garis operasi (OL) (OL). Selanjutnya, Selanjutnya minimum slope tercapai ketika OL menyinggung EC. Akhirnya, X2 bisa dibaca pada OL.
Y1 − Y2 0.1628 − 0.00814 ⎛L⎞ = = = 1.91 ⎜ 0.081 − 0.0002 ⎝ V ⎠ min X1 − X 2
0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
X
Y = 1.91 X + 0.0081
Lmin = 1 1.91 91 V = 1 1.91 91 x 1 1.39 39 lbmol/min = 2 2.66 66 lbmol/min Atau 2.66 lbmol/min x 18 lb/lbmol x 8.33 lb/gal = 5.75 gal/min
11
(B) NOG -1 1 N OG = ∫
y2
y1
dy d y − y*
Dalam soal ini misalkan x1 = 0.07 0 07 Maka L dihitung ⎛ x ⎛ y x ⎞ y ⎞ L⎜⎜ 1 − 2 ⎟ = V⎜⎜ 1 − 2 ⎟ ⎝ 1 − x1 1 − x 2 ⎠ ⎝ 1 − y1 1 − y 2 ⎠
Air Ai x2 = 0.0002
y2 = 0.00807 (95% terambil dari cairan)
(1)
80°F 1 atm
Maka akan didapat L/V = 2.06
[ (
)]
y* = 0.33 exp 1.95 1 − x 2 x
(2)
Aceton di udara y1 = 0.14 V = 1.39 lbmol/min
x1 = 0.07
12
(B) NOG -2 2 x/(1-x) /(1 ) 0.0002 0.0072 0.0144 0.0218 0 0289 0.0289 0.0362 0.0437 0.0514 0.0593 0.0675 0.0753
x 0.0002 0.0071 0.0142 0.0213 0 0281 0.0281 0.0349 0.0418 0.0489 0.0560 0.0632 0.0700
y** 0.0005 0.0161 0.0311 0.0456 0 0585 0.0585 0.0708 0.0827 0.0941 0.1051 0.1155 0.1248
1/( *) 1/(y-y*) 131.467 168.393 204.932 225.819 220 119 220.119 193.725 159.343 126.987 100.508 80.063 65.615
IIntegrasi t i 2.0885 2.6133 3.0153 2.8986 2 6900 2.6900 2.2949 1.8611 1.4787 1.1737 0.8741 20.988
01 0.15 y* y 0.10 Y
y 0.00807 0.022 0.036 0.05 0 063 0.063 0.076 0.089 0.102 0.115 0.128 0.14
0.05
0.00 0 00 0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
X
f (x ) + f (x ) f (x ) + f (x ) ∫x 0 f (x ) dx = 0 2 1 (x1 − x 0 ) + 1 2 2 (x 2 − x1 ) x2
y1
dy y − y*
200
= 21.0 1/(y y-y*)
N OG = ∫
y2
250
150 100 50 0 0.00
0.05
0.10 y
0.15
13
(C) HOG -1 1 H OG =
VS G = K ga K ga
Bila Kga = 0.04 lbmol/s m3 DT = 1 m Maka S = π r2 = 0.7854 m2 G = V/S = 1.39 lbmol/min/60/0.7854 G = 0.0295 lbmol/s m2 HOG = 0.7374 m ZT = HOG x NOG = 0.7374 x 21 = 15.5 m 14
2 Menghitung g g Tinggi gg
15
Ketentuan Penurunan
Notasi: j alir molar ((lbmol/hr)) ((atau mol/s)) V, L = laju y, x = fraksi mol fase V, L Z = tingi tower, ft (atau m) Catatan: Komposisi bisa berupa: - Tekanan parsial untuk gas - Konsentrasi mol/volume - Rasio mol
L2 x2 L+dL
V2 y2 V+dV V
dz
V1 y1
L
Ketentuan: 1. Transfer mass dari fase L ke V diberi tanda positif 2 Integrasi persamaan dihitung dari bagian bawah 2. (posisi 1) ke atas (posisi 2) 3. Aliran ke atas adalah fase V sedang ke bawah adalah ada a fase ase L
L1 x1 16
Penurunan Persamaan Desain Neraca total
Laju perubahan kompenen di fasa
(
)
dV = dL
d(Vy ) = k y (y i − y )dA = K y y* − y dA
Neraca komponen
dA = a S dz
d(Vy ) = d(Lx )
Vy − V1 y1 = Lx − L1x1 Vy + L1x1 = Lx + V1 y1
a: luasan interface per unit volume packing S lluasan penampang melintang S: li tower kkosong Karena a sering tidak diketahui, maka dik dikenalkan lk kkonstanta t t kkomposit it kya
(
)
d(Vy ) = k y a (y i − y )Sdz = K y a y* − y Sdz z
y2
0
y1
∫ dz = ∫
y2 d(Vy ) d(Vy ) =∫ k y aS(y i − y ) y1 K y aS y* − y
(
)
17
Penurunan Persamaan Desain Asumsi V, L konstan : tidak valid
V' = V(1 − y )
⎛ y ⎞ dy dy d(Vy ) = V' d⎜⎜ = V' =V 2 ⎟ (1 − y ) (1 − y ) ⎝1− y ⎠ dy V = K y a y* − y S dz (1 − y )
(
dz = ∫
y2
z
∫ dz = ∫
y2
0
y1
∫
z
0
y1
)
V d dy K y a S (1 − y ) y* − y
(
)
H OG dN OG 18
Penurunan Persamaan Desain Untuk memudahkan intergrasi intergrasi, maka diharapkan nilai HOG konstan Dari penurunan Chapter 13 Buku Foust: dasar mekanisme perpindahan massa
K y a (1 − y )lm = kons tan z
y2
0
y1
∫ dz = ∫
(1 − y )lm dy V K y a S(1 − y )lm (1 − y ) y* − y
(
V dz = ∫0 K y a S(1 − y )lm z
y2
z = H OG ∫ dN OG y1
)
(1 − y )lm dy ∫y (1 − y )(y* − y ) y2 1
( 1 − y ) − (1 − y* ) (1 − y )lm = ( 1 − y) ln
(1 − y ) *
19
Definisi HOG & NOG NTU - Ukuran tingkat kesulitan proses separasi - Semakin tinggi tingkat kemurnian produk yang diinginkan, semakin besar NTU yang ang diperl diperlukan kan HTU - Ukuran Uk efektifitas f k ifi separasii d darii packing ki tertentu untuk k spesies i ki kimia i yang diproses - Semakin tinggi laju perpindahan massa dan luas permukaan perpindahan, maka k HTU akan k semakin ki kkecilil
20
ZT = HOG x NOG N b off ttransfer Number f unit it
NG
(1 − y )lm dy ∫y (1 − y )(yi − y )
NOG
H i ht off ttransfer Height f unit it
HG
V k y a S(1 − y )lm
yi − y
(1 − y )lm dy d ∫y (1 − y )(y* − y )
HOG
V K y a S(1 − y )lm
y* − y
(1 − x )lm dx ∫x (1 − x )(x i − x )
HL
V k x a S(1 − x )lm
x− xi
HOL
V K x a S(1 − x )lm
x− x*
y2 1
y2 1
NL
x2 1
NOL
Di i F Driving Force
(1 − x )lm dx ∫x (1 − x )(x * − x ) x2 1
21
Cara menghitung NOG 1. Secara grafis y versus e sus
( 1 − y ) − (1 − y* ) (1 − y )lml = (1 − y ) ln
(1 − y ) *
2. Metoda Wiegand g Bahwa nilai (1-y)lm sama dengan nilai rata-rata aritmatik dari (1-y) dan (1-y*) N OG = ∫
y2
y1
dy 1 (1 − y 2 ) + ln * y − y 2 (1 − y1 )
(
Biasanya, suku terakhir bisa diabaikan
)
3. Metoda Log-Mean Driving Force Jika larutannya encer, dimana mol fraksi hampir sama dengan rasio mol, dan garis operasi dan kurva keseimbangan adalah lurus
NOG =
y2 − y1 y* − y lm
(
)
(y − y) = (y − y )−(y − y ) (y − y ) ln (y − y ) * 2
*
l lm
* 1
2
* 2 * 1
1
2
1
22
Hubungan HOG,H HG,H HOL,H HL H OG
mV HL = HG + L
H OG = H G +
mV HL L
Lihat di Geankoplis (under construction)
23
3 Menghitung g g Diameter
24
Pressure Drop di Packed Bed • Aliran di packed bed absorber: lawan arah • Cairan jatuh ke bawah karena gravitasi • Gas G mengalir li kke atas t dengan d sedikit dikit pressure d drop • Laju alir massa (lb/hr m2) packing Gy =
gas
cairan i
M yV S
25
Hubungan Gx, Gy dan ∆p
26
Terjadinya fenomena Flooding
Aliran gas ke atas gas yang memiliki gaya dorong terhadap cairan akan memperlambat laju alir cairan. Semakin besar laju alir gas semakin besar gaya dorong. Ketika gaya dorong mendekati gravitasi, gravitasi maka cairan akan mengalir lebih lambat, dan cairan mulai terakumulasi di tower
27
Terjadinya fenomena Flooding Liquid holdup: fraksi intersticial volume yang terisi cairan Intersticial volume: ruang kosong antara packing Loading: kenaikan holdup cairan karena naiknya laju alir gas Flooding: g aliran ke bawah cairan berhenti karena tingginya aliran ke atas gas Flooding Fl di : ∆p ∆ f/L ≈ 2 – 3 iin H2O/ft packing ki Loading : ∆pf/L ≈ 0.5 in H2O/ft packing Normal : ∆pf/L ≈ 0.25 – 0.5 in H2O/ft packing 28
Pengaruh ukuran packing
Semakin besar ukuran packing semakin toleran packing, terhadap laju alir gas yang lebih tinggi.
29
Korelasi umum ∆p • Untuk berbagai jenis packing • Setiap packing memiliki nilai Fp = faktor p packing g Gx, Gy : lb/ft2-s : cP µx ρx, ρy : lb/ft3 gc : 32.2 lbf-ft/lb-s2
30
Faktor Packing
31
Menghitung Diameter Tower • • •
1. 2. 3. 4. 5.
Diketahui Dik h iL L, V Hitung DT sehingga ∆p/ZT ≈ 0.25-0.5 in H2O/ft packing ∆p/ZT = f(Gy,G Gx) MxL M yV M yV Gx S = MxL = L = Gy = = πD T2 S G y M yV M yV V 4 S Hitung absis (L/V) Plot ke dalam kurva, dan tentukan ∆p yang diinginkan Baca ordinat Hitung g Gy Hitung DT
M yV πD T2 =S= 4 Gy 32
