packing HETP meningkat dengan beban (loading) dalam structured packing

TINGGI PACKED COLUMN

EFISIENSI PACKING Konsep HETP  Konsep HETP (Height Equivaent of a Theoritical Plate) diperkenalkan untuk memungkinkan perbandingan efisiensi antara kolom packing dan kolom plate. HETP didefinisikan sebagai: HETP = H/n n= jumlah plate ideal  Nilai HETP yang sama dapat diperoleh untuk kolom plate jika spasi tray/plat diketahui: HETP (tray kolom) = 100S/E S = spasi plate, E = efisiensi plate

Faktor yang Mempengaruhi Mempengaruhi HETP (1) 1.

Tipe dan ukuran Packing. Secara umum efisiensi packing meningkat (HETP RENDAH) ketika: Luas packing per satuan volume meningkat. Efisiensi meningkat jika ukuran packing menurun (random packing) atau ukuran saluran rendah/dangkal (structured) packing Permukaan packing terdistribusi lebih baik

2.

Beban uap dan cair. Untuk operasi L/V konstan dalam wilayah preloading, umumnya: Beban cairan dan uap memiliki efek kecil terhadap HETP random packing HETP meningkat dengan beban (loading) dalam structured packing

3. 4.

Distribusi. Distribusi yang tidak merata (maldistribution) cairan dan uap memiliki efek penting pada efisiensi packing Rasio L/V. Sebagian besar pengujian efisiensi kolom packing pada refluk total. Beberapa pengujian menyarankan bahwa efisiensi untuk refluk minimum dan refluks total sama. Hal ini berlaku jika range lamda (λ = mG’/L’) antara 0,5 dan 2,0. Range ini untuk sebagian besar sistem distilasi . Diluar ini HETP meningkat.

Faktor yang Mempengaruhi HETP (2) 5.

6.

7.

8. 9.

Tekanan. Secara umum tekanan memiliki efek yg kecil pada HETP (structured dan random) pd tekanan 1-2 psia. Pada distilasi vacuum(<1-2 psia) terdapat data yg menyatakan bahwa efisiensi menurun jika tekanan diturunkan pada random packing. Untuk distilasi tekanan tinggi (>200-300 psia) efisiensi structured packing meningkat jika tekanan dinaikkan. Sifat Fisik. Secara umum HETP random packing relative sensitive terhadap sifat sistem. Sistem yang kaya air, HETP structured packing cenderung lebih tinggi daripada untuk sistem nonaqueous. Underwetting. Dengan sistem organik encer, HETP cenderung menigkat pada bagian akhir kolom untuk structured dan random packing. Error dlam VLE. Ini mempngaruhi HETP dengan beberapa cara yang berpengaruh juga terhadap efisiensi tray. Fasa dua cairan immiscible. Horison (1990) mengemukakan 2 studi kasus: Penambahan air ke dalam dua zat organik yang tdk larut dalm air tdk memiliki efek thd HETP, komponen kunci adalah larut dalam kedua cairan, dan HETP sekitar 50% lebih tinggi dari normal.

Memprediksi HETP HETP dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massa untuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajian pemahaman yg komplek aliran dua fasa yang handal dalam packing dg memperpendek data efisiensi skala komersil packing yg lebih baru, dan kesulitan dalam perhitungan permukaan packing generasi baru. • Rule of Thumbs. Karena hanya sedikit variabel yg sangat signifikan mempengaruhi HETP random packing, dan u menangani unrealibilitas model transfer massa yg terbaik, rule of thumb HETP secara sukses bersaing dengan model transfer massa. • Interpolasi data. Interpolasi data eskperimen HETP merupakan cara yang paling reliable u memperoleh nilai desain HETP.

a. Model Transfer Massa Langkah: 1. Menentukan efektif area 2. Menghitung koefisien perpindahan massa 3. Menghitung ketinggian satuan lapisan transfer 4. Menghitung hetp 5. Menghitung tinggi packing

1. Menentukan effective area 0 , 05 0 , 75 0 ,1   * *2 *2         aw  L L a L c w w w   2     1  exp  1,45     a  L   a  L    L g    L L a    

aw a σc σL L*w μL

= effective interfacial area packing persatuan volume, m2/m3 = actual area of packing persatuan volume, m2/m (hal 491) = critical surface tension for particular packing material, mN/m = tegangan permukaan cairan, mN/m = laju alir massa liquid persatuan luas penampang lintang, kg/m2.s = viscositas cairan

 P    v      ch L x 10 12 (dyne / cm)  M   4

Pch ρV, ρL M

: konstanta parakor : densitas uap dan gas : berat molekul

DV =

  1 1 10  4  1,084  0,249     M A MB  2 p t r AB  f kT

  

0,5

0,5    1 1  T 3/2   M  M    A B  

ε AB 

T = temperatur absolut, K MA, MB = berat molekul A dan B. kg/kgmol Pt = tekanan, N/m2 εAB = energi tarik menarik molekul = k = konstanta Boltzman rAB = pemisahan molekular saat tumbukan,nm = f(kT/εAB) = fungsi tumbukan, Fig 2.5 Treybal, 1980. r = 1,18v1/3 ε/k = 1,21Tb

2. Menghitung koefisien perpindahan masa Untuk cairan: 1/ 3

2/ 3

 L      kL  L   0,0051  μL g   awμL  * w

1/ 2

 μL     L DL 

117,3x 10 18  M B  T DL  μ v 0,6 A 0,5

ad 

0,4

p

Untuk gas:  V k G RT  K 5  a Dv  aμv * w

   

0 ,7

 μv   v Dv

  

1/ 3

a d 

2

p

0,5 0,5       1 1 1 1 3/2  T   10 1,084  0,249     M M MA MB   A B     4

DV =

μv, μL = viskositas uap dan cairan , N.s/m2 kL = koefisien transfer massa lapisan cair, m/s kG = koefisien transfer massa lapisan uap, kmol/m.s2.bar DL, Dv = diffusivitas cairan dan uap, m2/s ρv = densitas uap, kg/m3 dp = ukuran packing, m R = konstanta gas universal, 0,0314 bar m3/kmol K

p t rAB  f kT ε AB  2

117,3x 10 18  M B  T DL  μ v 0,6 A 0,5

MB =

T=

μB =

berat molekul solven B,

temperatur absolut ,

viskositas cairan solven

vA =

volum molal solut

φ=

faktor asosiasi solven

DL =

4,43E-09

4. Menghitung tinggi lapisan transfer Untuk gas:

Untuk cairan :

Gm HG  kG aw P

Lm HL  k L a w Ct

Keseluruhan :

HOG = HG + λ HL HL, HG =

satuan lapisan transfer cair dan uap, m

Lm, Gm =

laju alir molar cairan dan uap, kmol/m2.s

P=

tekanan, atm atau bar

Ct =

konsentrasi cairan =

λ=

m/(Lm/Gm) = slop garis kesetimbangan/slop garis operasi

m=

yo/x = yi/xi = K (Perry's Handbook, 7td. ed. pp.14-9)

=

3,985089

λ=

6,191314

4. Menghitung HETP ln m.Gm / Lm     HETP  H OG   H OG   m.Gm     1   1  Lm  Tinggi packing : Zp = HETP x Nt

B. Rule of Thumbs

Sumber: H. Z .Kister, “Distillation Design, 1992. Mc Graw Hill. Page 532

C. Interpolasi data Menurut Philip Schweitzer (1997) interpolasi data merupakan cara yang terbaik untuk menurunkan HETP dari data eksperimen dan mengeceknya terhadap rule of thumbs. Cara interpolasi dan hasil interpolasi berbagai jenis random packing disajikan di buku Kister, H.Z.,“Distillation Design, Mc Graw Hill, New York, 1992. page 653

Konsep Transfer Unit (HTU/NTU) Konsep transfer unit dibangun dg menganalisis transfer massa yang melewati bagian perbedaan ketinggian dalam kolom packing dan mengintegrasikan hasil ekspresi ketinggian packing, dengan persamaan: Z = HTU x NTU Number of Transfer Unit (NTU) adalah ukuran tingkat kesulitan pemisahan. Ini berhubungan dg perubahan komposisi fase terhadap gaya dorong (driving force) transfer massa rata-rata. Height of Transfer Unit (HTU) adalah ketinggian packing yang memberikan perubahan komposisi yang sama dengan satu satuan transfer (one transfer unit). Ini merupakan ukuran langsung efisiensi kolom.

HTU VS HETP Perhitungan ketinggian pcaking bisa dilakukan dg pendekatan HTU dan HETP. Kedua pendekatan tersebut pada dasarnya memberikan hasil yg sama. HTU secara fundametal merupakan konsep yg benar, karena mendeskripsikan menara isian sebagai kontaktor kontinyu, sementara HETP mendeskripsikan kontaktor bertingkat. Kebenaran yang mendasar tersebut membuat HTU lebih mudah u mendeskripsikan dalam istilah koefisien transfer massa. Alasan ini yg membuat HTU sebagai metode yang lebih dipilih diterapkan di banyak studi akademik. Di sisi lain, pendekatan HETP lebih dipilih digunakan u desain industri dan operasi karena memiliki 5 manfaat praktis sebagai berikut:

1.

2.

3.

4. 5.

Pendekatan HETP cocok u sistem multikomponen, sementara pendekatan HTU sulit diterapkan u sistem ini Pendekatan HETP dapat menggunakan program komputer tahap demi tahap yang digunakan u perhitungan multi tahap Pendekatan HTU lebih kompleks dan lebih sulit u digunakan, tapi tidak menampakkan perkembangan Pendekatan HETP memungkinkan perbandingan lebih mudah dg kolom plat HETP relativ tidak sensitiv terhadap beban sistem dan properti fisika. Philip Schweitzer (1997)

Persamaan HTU dan NTU NTU G 

y2



y1

dy y  y L*

x2

dx NTU L   * x x x1 G

y, x

konsentrasi fase gas dan cair

y L* , xG* konsentrasi fase gas dan cair pada kesetimbangan

( HTU ) G  G / kG aP •G adalah aju alir molal gas, lbmol/(hr)(ft2), • P tekanan total dan • kGa memiliki satuan lbmol/(hr)(ft3)(sat.tekanan)

( HTU ) L  Lk L a L • L adalah aju alir molal gas, lbmol/(hr)(ft2), • kLa memiliki satuan lbmol/(hr)(ft3)(sat. konsentrasi) • ρL ,densitas cairan

HTU tunggal dikombinasikan dalam bentuk keseluruhan menjadi:

( HTU ) OG  ( HTU ) G  ( m'V / L ) H L

( HTU ) OL  ( HTU ) L  ( L / m"V ) H G Posisi slop m’ dan m” pada kurva kesetimbangan

ln( mV / L ) HETP  HTU mV / L   1 • m adalah slop kurva kesetimbangan, • Pada distilasi garis kesetimbangan dan operasi divergen di bawah titik umpan dan konvergen di atasnya. Sebagai akibatnya nilai mV/L rata-rata mendekati satu untuk distilasi, sehinggga HETP dan HTU pada intinya menjadi sama . • Biasanya tidak sama jika untuk proses absorpsi dan stripping.