Perancangan Kolom Distilasi Abdul Wahid Surhim 2015
Rujukan • Towler and Synnott. 2008. Chemical Engineering Design. Chapter 11 SEPARATION COLUMNS (DISTILLATION, ABSORPTION, AND EXTRACTION) • Champbell. 1992. Gas Conditioning and Processing. Volume 2. Chapter 17 Fractionation and Absorption Fundamentals.\. • Kister. 1992. Distillation Design. McGraw-Hill, Inc. • Lydersen et al. Bioprocess Engineering: Systems, Equipment and Facilities. Chapter 14. Sub Chapter 14.4.12 Distillation
Kerangka Pembelajaran • • • • •
Jenis-jenis Distilasi Pemilihan Jenis Kolom Distilasi Basis Perancangan Efisiensi Talam Perancangan Mekanik Kolom Distilasi
Alternatif Distilasi Komponen Jamak
Jenis Distilasi 1. Distilasi SEDERHANA: TUMPAK (Batch Distillation) 2. Distilasi FRAKSIONASI (minyak bumi) 3. Distilasi KUKUS (Steam Distillation) 4. Distilasi REAKTIF (Reactive Distillation)
Distilasi Sederhana KELEBIHANNYA 1. Kolom tunggal (single column) • Campuran tunggal (biner atau komponen jamak) menjadi beberapa produk (single separation duty) • Campuran jamak (biner atau komponen jamak) menjadi sejumlah produk (multiple separation duty) 2. Satu tahapan operasi (one sequence of operation) 3. Waktu pengoperasiannya lebih cepat
DISTILASI TUMPAK (BATCH DISTILLATION)
Conventional Batch Distillation (CBD)
Semi-batch (Semi-continuous) Distillation Column
Fraksionator
KOLOM DISTILASI (Total Condenser)
Partial Condenser
DISTILASI KUKUS (STEAM DISTILLATION) •
untuk menyuling •
•
•
Produk-produk yang sensitif terhadap panas (heat-sensitive products) Campuran yang titik didihnya tinggi
Contoh •
Ekstraksi minyak dari bahan tumbuhan (minyak atsiri)
DISTILASI REAKTIF
Keuntungan Distilasi Reaktif 1. Pembatasan kesetimbangan kimia teratasi: produk dihilangkan sesaat ia terbentuk 2. Penghematan energi: panas reaksi dapat digunakan untuk distilasi 3. Biaya modal terkurangi: hanya perlu satu bejana saja • Contoh: Produksi MTBE dan metil asetat
Jenis Modifikasi Distilasi
dividing-wall distillation
internal heat-integrated distillation column
cyclic operation of distillation column
Jenis-jenis Kolom Distilasi Fraksionator 1. Distilasi atmosferik 2. Distilasi vakum 3. Distilasi hidrokarbon ringan
Posisi 3 Distilasi Minyak Bumi Produk Distilat
Crude Oil
Distilasi HK Ringan
Distilasi Atmosferik
Produk Bottom
Distilasi Vakum
Posisi 3 Distilasi
Contoh Ketiga Jenis Distilasi • Haryoso, Untung. 1995. Tugas Akhir: Perancangan Proses dan
Mekanik Kolom Distilasi Atmosferik Jenis Pumpback Refluks Menggunakan Crude Assay Arab Saudi. Jurusan Teknik Gas dan Petrokimia, FTUI • Susanto, Bambang Heru. 1996. Tugas Akhir: Perancangan Proses
dan Mekanik Awal Kolom Distilasi Vakum Residu Atmosfir Minyak Bumi Jenis Fuels-Pitch. Jurusan Teknik Gas dan Petrokimia, FTUI • Abdurrafiq, Mohamad. 1997. Skripsi: Studi Awal Perancangan Kolom Depropanizer Menggunakan Talam dan Bahan Isian (Sebuah Perbandingan). Jurusan Teknik Gas dan Petrokimia, FTUI
Jenis-jenis Distilasi HK Ringan
DISTILASI ATMOSFERIK • LANGKAH PERTAMA pemisahan minyak bumi menjadi berbagai macam fraksi • Fraksi-fraksi ini dapat berupa produk langsung atau mungkin sebagai umpan unit pengolahan atau proses lainnya • Pada distilasi atmosferik • Minyak bumi dipanaskan sampai suhu maksimum yang diijinkan pada tekanan atmosfir • Hasilnya BUKAN komponen murni, tetapi pada rentang titik didih tertentu • Tidak dapat memisahkan campuran minyak yang titik didihnya tinggi sekali atau gas-gas ringan yang mudah menguap
3 Jenis Distilasi Atmosferik 1. Jenis U (Unreflux) 2. Jenis A (pump Around reflux) 3. Jenis R (pump back Reflux)
Jenis U (Unreflux) • Pengambilan kalor hanya pada kondensor puncak dengan suhu yang rendah • Ini menyebabkan • lalu lintas uap dan cairan yang melintasi kolom membesar secara tajam dari bawah ke puncak kolom • Ukuran kolom berdasarkan aliran bahan pada piring puncak menjadi besar • Diameter kolom jenis ini paling besar dibanding jenis A dan R
Jenis A (pump Around reflux) • Penarikan aliran di antara dua aliran produk • Aliran tersebut didinginkan dan dimasukkan kembali kedalam kolom • Keuntungan jenis A: pemanfaatan kalor yang dikeluarkan oleh pendinginan refluks untuk memanaskan minyak bumi • Kerugiannya: pengembalian aliran itu memerlukan TIGA PIRING yang dianggap sebagai satu piring efektif • Ini untuk menjaga kesetimbangan kolom fraksionasi • Karena cairan yang dikembalikan kedalam kolom asing untuk zona yang dimasuki
Jenis R (pumpback Reflux) • Pendinginan refluks dilakukan bersamaan dengan keluaran produk samping • Refluks ini adalah cairan dalam kesetimbangan pada piring yang dimasuki • Keuntungannya: • selain pemanfaatan kalor refluks untuk memanaskan umpan, • juga tidak memerlukan piring tambahan untuk keperluan fraksionasi pada daerah yang dimasuki refluks sehingga jenis ini PALING EKONOMIS
DISTILASI VAKUM • Distilasi lanjutan dari distilasi atmosferik • Hasilnya • Gas oil ringan dan berat • Tar vakum • Produk-produk tersebut perlu ditingkatkan nilainya ada unit-unit selanjutnya • Terjadi pada tekanan vakum untuk menjaga suhu agar tidak melebihi yang diijinkan sehingga terhindar dari perengkahan • Suhunya tergantung spesifikasi umpan
Produk Distilat dan Residu • Pemanfaatan distilat dan residu tergantung • Kandungan umpan minyak buminya • Jenis kilang • Unit proses lanjutan • Penjualan produknya • Beberapa contoh • Gas oil untuk umpan unit catalytic cracking • Umpan untuk hydrotreater dan hydrocracker • Sebagai bahan bakar dan aspal • Fungsi umum kolom vakum ini adalah • memanfaatkan secara maksimal residu yang mungkin dari minyak bumi • Mendapatkan spesifikasi produk pada residu sebaik pada distilat atmosferik
DISTILASI HIDROKARBON RINGAN • Produk distilat atmosferik masih berupa campuran yang tidak memenuhi standar sehingga nilai jualnya rendah atau menyulitkan bila akan diproses selanjutnya • Prosesnya berlangsung pada TEKANAN TINGGI • Besar tekanannya tergantung pada jenis pendingin yang digunakan dan suhu dekomposisi komponen-komponennya • Produknya: LPG (LPG propana atau LPG butana)
Jenis Kontak dalam Kolom • Distilasi dapat dibagi juga berdasarkan jenis permukaan kontak dalam kolom distilasi • Ada dua jenis • Kolom TALAM (tray column) • Kolom ISIAN atau UNGGUN (packed column)
KOLOM TALAM • Media untuk memperluas permukaan kontak fasa uap dan cair adalah talam • Pada talam ini terjadi proses pemisahan antar komponen dalam kolom distilasi • Fasa cair melalui talam-talam ini ke bagian bawah secara vertikal dan horisontal • Fasa uap mengalir menuju ke atas kolom melalui talam-talam ini secara vertikal • Terjadi kontak antara uap yang mengalir dari bawah dan cairan yang ada di talam • Ada dua jenis talam: umum dan khusus
Jenis Tray • Jenis Umum • Bubble cap tray • Sieve tray • Dual-flow tray • Valve tray • Jenis khusus • Flexytray (Koch) • Ballast tray (Glitsch)
Pemilihan Jenis Talam Table 6.1 KISTER (1992) NO 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Kondisi DIsain Kapasitas Jatuh Tekanan Rasio Turndown Efisiensi Fouling Tendency Harga Perawatan Korosifitas Informasi
Sieve Valve Bubble-cap Dual-flow T T - ST M ST M M T R-M M T ST R T T M R R R-M T SR R M T R R R-M T R R R-M T SR ST M ST M
SR R M T ST
: Sangat Rendah : Rendah : Menengah : Tinggi : Sangat Tinggi
Bubble Cap Tray (BCT) • Talam yang memiliki lubang-lubang atau perforated tray dengan cap (topi) sebagai tudung dari lubang-lubang pada talam • Topi-topi itu biasanya terpasang dengan beberapa slot atau lubang tempat uap keluar • Fasa cair terperangkap di atas talam pada ketinggian yang sejajar dengan ketinggian weir dan uap yang mengalir melalui cairan tersebut menimbulkan gelembung yang memungkinkan talam ini bekerja pada tekanan rendah sekalipun
Penggunaan BCT • Semua aplikasi, kecuali pada proses • yang mudah terbentuk pengarangan (coking), • pembentukan polimer dan • yang memiliki faktor pengotor (fouling factor) yang tinggi • Diutamakan untuk laju alir cairan yang sangat rendah
Sieve Tray • Talam berlubang-lubang tempat uap keluar menuju atas kolom yang memberikan efek MULTI-ORIFIS • Kecepatan aliran uap menjaga aliran cairan agar tidak mengalir melalui lubang • Biaya turn down sieve tray dapat dipermurah dengan menggunakan laju alir uap yang rendah, sehingga cairan mengalir melalui lubang lalu aliran ini di-bypass melalui beberapa talam, tapi ini menurunkan efisiensi • Cairan akan mengalir melalui talam dan melewati outlet weir, lalu turun melalui downcomer menuju talam di bawahnya
Penggunaan Sieve Tray • Sistem pemisahan kontinyu dengan kapasitas aliran sangat tinggi yang mengutamakan kemudahan perawatan • Bisa digunakan untuk sistem pemisahan yang mengandung endapan padat • Tidak dapat digunakan untuk pemisahan yang mengandung garam dan dioperasikan pada keadaan panas dan kering, karena dapat menyebabkan lubang (hole) tersumbat
Dual-flow Tray • Dual-flow tray adalah sieve tray tanpa downcomer • Talam ini beroperasi dengan uap naik ke atas melalui lubang pada talam dan kontak dengan cairan • Cairan secara berlawanan melalui lubang menuju talam di bawahnya • Aliran cairan terjadi secara acak melalui lubang dan tidak terbentuk aliran cairan yang terus-menerus melalui lubang yang sama • Penggunaan: pada sistem dengan kapasitas aliran yang tinggi dan sistem yang mengandung endapan kristal dan padatan yang kecil
Valve Tray • Talam dilengkapi dengan katup-katup • Bukaan katup diatur oleh laju alir uap yang mengalir • Batas tertinggi bukaanya dikendalikan oleh struktur dudukan pada bagian bawah katup • Bila laju uap jatuh, bukaan katup akan berkurang atau bahkan menutupi hole mencegah cairan membasahi lubang • Valve tray sangat baik digunakan untuk laju alir yang rendah sehingga didapatkan harga turndown (daerah operasi untuk sistem agar dapat berjalan normal) yang tinggi • Penggunaan: baik untuk operasi dengan laju cairan yang rendah dan rasio turndown tinggi
Flexytray (Koch) • Jenis valve tray dengan katup-katup yang dapat diangkat yang beroperasi seperti check valve • Kapasitasnya melebihi kapasitas sieve tray dan dapat beroperasi dengan efisiensi konstan pada rentang operasi yang besar • Keuntungannya: kapasitasnya besar, efisiensi yang tinggi pada rentang operasi yang lebih luas, dan dapat digunakan lebih lama pada sistem yang mengalami fouling
Ballast Tray (Glitsch) • Sejenis valve tray yang telah dimodifikasi dengan ditambah flush seated, sehingga dapat mengurangi problem ketidakstabilan pada penggunaan valve tray • Ketidakstabilan valve tray terjadi pada laju alir uap yang rendah; uap dapat menyelinap melalui bukaan katup yang cukup lebar di daerah aerasi yang sempit • Penggunaan flush seated pada talam satu pass dapat mem-bypass-kan cairan di sekeliling daerah aerasi • Pada talam dua pass, satu sisi dari talam dapat benar-benar tidak aktif, atau dapat menukar aktivitas antara satu sisi dan sisi lainnya
Keuntungan Ballast Tray • Dapat beroperasi dengan utilitas minimum pada rentang laju alir umpan yang lebar karena adanya derajat fleksibilitas dari kolom jenis ini • Efisiensi yang tinggi, sehingga utilitas dan perlengkapan tambahan yang digunakan lebih efektif • Efisiensi yang tinggi pada kondisi load pertengahan dapat digunakan untuk memperbaiki kualitas produk, seperti untuk mengurangi rasio refluks sehingga utilitas yang digunakan lebih hemat atau untuk mengurangi jumlah talam • Untuk sistem vakum, kombinasi antara jatuh tekanan yang rendah dan efisiensi yang tinggi menjadikan jatuh tekanan yang lebih rendah
KOLOM ISIAN (PACKED COLUMN) • Kolom isian adalah kolom distilasi yang di dalamnya berisi unggun tempat terjadinya kontak antara fasa uap dan cair secara kontinyu dan berlawanan arah (counter-current) • Kolom ini berbentuk vertikal yang sudah diisi dengan unggun (packing) • Kinerja kolom ini bergantung pada jenis material isian dan karakteristik dari fluida (uap dan caiaran)
Tujuan Penggunaan Isian • Tujuannya adalah untuk memaksimalkan efisiensi dan kapasitas pemisahan dengan cara 1. Memaksimalkan luas permukaan kontak 2. Meningkatkan keseragaman distribusi uap dan cairan pada permukaan kontak 3. Meminimalkan cairan yang tergenang 4. Mempermudah proses pemisahan yang berlangsung
Kolom Isian
Jenis Material Isian 1. Random packing atau damped packing • Rasching rings • Lessing rings • Pall rings • Berl saddle • Intalox saddle 2. Structure packing • Wire-mesh structured packing • Corrugated structured packing
Pemilihan Isian JENIS
APLIKASI
Rasching Rings
• Jenis paling awal • Harga per unit relatif murah • Efisiensi rendah dibandingkan jenis acak lainnya
Pall Rings
• Jatuh tekanan (pressure drop) yang lebih rendah dari Rasching rings (hampir setengahnya) • Harga HTU rendah • Batas flooding lebih tinggi • Distribusi cairan baik, kapasitas tinggi, efisiensinya tinggi • Dapat terbuat dari logam, plastik, dan keramik
Pemilihan Isian JENIS Lessing Rings
APLIKASI • Kinerjanya lebih baik dibandingkan rasching rings • Jatuh tekanannya sedikit lebih tinggi • Memiliki side wall trusht lebih tinggi Berl Saddle • Efisiensinya lebih tinggi dari rasching rings dalam banyak aplikasi, tetapi lebih mahal • Memiliki HTU dan jatuh tekanan yang rendah • Mudah pecah dari pada rasching rings
Pemilihan Isian JENIS Intalox Saddle
• • • •
• Wire mesh • packing • • • •
APLIKASI Salah satu jenis isian dengan efisiensi yang paling baik, tetapi harganya lebih mahal Batas flooding yang tinggi Mampu membuat aliran mengalir dengan merata Jatuh tekanan dan HTU lebih rendah dari rasching rings dan berl saddle Lebih mudah pecah dalam kolom dibandingkan rasching rings Hanya terbuat dari bahan logam saja Baik digunakan untuk kolom distilasi dengan diameter besar maupun kecil, absorpsi, scrubbing, dan liquid extraction Memiliki efisiensi yang tinggi HETP rendah Jatuh tekanan rendah
PEMILIHAN JENIS KOLOM
Pemilihan Jenis Kolom • Pertimbangan jenis kolom perlu dilakukan dengan • membandingkan biaya tiap-tiap disain atau • berdasarkan pengalaman ataupun percobaan melalui pilot
plant
agar mendapatkan hasil yang optimum
Kriteria Pemilihan 1. Kolom talam dapat didisain untuk menangani rentang laju alir cairan dan uap yang lebih lebar 2. Distribusi cairan akan lebih baik menggunakan talam bila laju alir cairan kecil, kecuali dengan diameter yang relatif kecil pada kolom isian 3. Lebih mudah untuk mengatur suhu pada kolom talam, karena dapat dengan mudah disisipkan pada jarak antar-talam
Kriteria Pemilihan (2) 4. Disain menggunakan side-stream, lebih mudah menggunakan kolom talam 5. Cairan yang menyebabkan fouling, harus ada man-way pada kolom talam, sedangkan pada kolom dengan diameter kecil lebih baik menggunakan kolom isian 6. Untuk cairan yang mudah menimbulkan korosi lebih baik menggunakan kolom isian
Kriteria Pemilihan (3) 7. Kolom isian lebih cocok untuk menangani sistem yang berbuih 8. Jatuh tekanan per tahapan kesetimbangan lebih rendah pada kolom isian dari pada kolom talam. Kondisi operasi vakum lebih cocok dengan kolom isian 9. Pemasangan instrumen area kontak uap-cair pada kolom isian lebih mudah dari pada kolom talam
Perbandingan Bahan Isian
Perbanding Jenis Talam
Langkah Perhitungan Spesfikasi Produk
Kondisi Operasi
Neraca Massa dan Energi
Diameter Kolom
Efisiensi Tray
Jumlah Tray
Diameter Tray
Panjang Weir
Kasus 1: CRUDE ASSAY ARAB SAUDI (ALC: Arabian Light Crude) • • • • •
Jenis minyak bumi : 33.5 oAPI ALC Laju alir umpan : 100,000 BPSD Suhu maks keluar reboiler : 650 oF Suhu operasi refluks : 120 oF, minimum Spesifikasi produk : • Penentuan produk didasarkan pada penentuan crude break-up yang dilakukan oleh disainer kolom distilasi (lihat Tabel di tayangan berikutnya)
• Overflash
: 2 volume % umpan minyak bumi
Spesifikasi Produk Produk
EP Spes. Gap ASTM ASTM oF (5-95) oF Overhead 307 20 – 30 Nafta berat 381 25 – 50 Distilat ringan 541 0 – 10 Distilat berat 603
Kondisi Operasi Kolom • Tekanan : atmosferik • Jumlah piring : 31 • Umpan masuk : piring 4
Dasar Disain Mekanik • Kolom puncak • Umpan, pengambilan produk samping, atau titik tempat ada penambahan atau penarikan panas • Dasar kolom • Titik-titik pada kolom ketika laju uap atau cairan mencapai puncak
Hasil Neraca Massa dan Energi 1. Laju alir cairan 2. Tekanan 3. Jatuh tekanan
: tinggi : tinggi (750 kPa) : sedang (0.175 psia per
piring) 4. Turndown ratio 5. Foaming 6. Korosifitas
: diharapkan tinggi : sedang : tinggi (sulfur)
Hasil Neraca Massa dan Energi 7. Endapan padat
: kemungkinan terjadi
endapan padat besar (minyak mentah) 8. Produk samping : 3 buah aliran 9. Viskositas : sedang 10.Polimerisasi : tidak ada 11.Fouling : tinggi (minyak mentah)
Pemilihan Jenis Kolom sesuai Kondisi Operasi NO 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Kondisi DIsain Kapasitas Tekanan Turndown Foaming Pressure drop Endapan padat Produk samping Korosifitas Terjadinya fouling
Kolom Talam Kolom Isian 3 1 3 1 3 1 2 2 2 1 2 1 3 0 2 3 1 3 21 14
Pemilihan Jenis Talam NO 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Kondisi DIsain Kapasitas Jatuh Tekanan Rasio Turndown Efisiensi Fouling Tendency Harga Perawatan Korosifitas Informasi
Sieve 2 3 1 3 3 3 3 3 3 24
Valve 3 3 2 3 2 2 2 2 2 21
Bubble-cap 1 2 3 2 1 1 1 1 3 15
Spesifikasi Produk Penentuan Kondisi Operasi Neraca Massa dan Energi Perhitungan Jumlah Tray
BASIS PERANCANGAN
JENIS-JENIS SPESIFIKASI • Tekanan uap kadang digunakan sebagai spesifikasi di komposisi • Fraksi produk dapat dibuat menggunakan prosedur di Bab 17 buku Campbell Vol. 2 • Dalam beberapa kasus, khususnya menara yang sudah ada, satu spesifikasinya dapat berupa laju refluks, reboiler duty atau condenser duty
Kasus 1 Recovery yang dispesifikasi • Sebuah depropanizer memiliki spesifikasi umpan seperti pada Tabel 1. Diinginkan untuk mengambil kembali 81% propana di distilat dan 99.4% isobutana di bottom • Tentukan laju alir dan komposisi di D dan B
Komponen C2 C3 iC4 nC4
Mol Umpan 0.2 8.9 63.3 27.6 100.0
Solusi Kasus 1 Distilat
Komponen
Mol Umpan
Mol
C2 C3 iC4
0.2 8.9 63.3
(0.81)(8.9) = 7.2 63.3-62.9= 0.4
nC4
27.6 100.0
Bottom % Mol
Mol
8.9-7.2= 1.7 (0.994)(63.3)=62.9
% Mol
Solusi Kasus 1 Asumsi: Komponen yang bukan kunci tidak terganggu Distilat Mol Komponen Umpan Mol % Mol C2 0.2 0.2 C3 8.9 7.2 iC4 63.3 0.4 nC4 27.6 0.0 100.0 7.8
100.00
Bottom Mol % Mol 0.0 1.7 62.9 27.6 92.2
Solusi Kasus 1 Normalisasi komposisi di D dan B Distilat Mol Komponen Umpan Mol % Mol C2 0.2 0.2 2.6 C3 8.9 7.2 92.3 iC4 63.3 0.4 5.1 nC4 27.6 0.0 0.0 100.0 7.8 100.0
Bottom Mol % Mol 0.0 0.0 1.7 1.8 62.9 68.3 27.6 29.9 92.2 100.0
Kasus 2 Komposisi yang dispesifikasi
• Menggunakan Tabel 1, tentukan komposisi overhead dan bottom yang menghasilkan produk D yang mengandung paling tidak 95% propona dan produk B yang mengandung lebih sedikit dari 1% propana
Solusi Kasus 2 Mol Komponen Umpan C2 C3
0.2 8.9
iC4 nC4
63.3 27.6 100.0
Distilat Mol % Mol
Bottom Mol % Mol
95.0
1.0
Laju alir D didapat dari rasio D/F: D xF xB 8.9 1.0 0.084 F xD xB 95.0 1.0
D = 8.4 mol
Solusi Kasus 2 Asumsi: Komponen yang bukan kunci tidak terganggu Mol Komponen Umpan
Distilat Mol
C2 C3 iC4
0.2 8.9 63.3
0.2 (8.4)(0.95)= 7.98 8.4-(0.2+7.98)= 0.22
nC4
27.6 100.0
0.0 8.4
% Mol 95.0
Bottom Mol 0.0 8.9-7.98= 0.92 63.3-0.22= 63.08 27.6 91.6
% Mol 1.0
Solusi Kasus 2 Normalisasi komposisi di D dan B Komponen Mol Umpan C2 C3 iC4 nC4
0.2 8.9 63.3 27.6 100.0
Distilat Mol % Mol 0.2 2.4 7.98 95.0 0.22 2.6 0.0 0.0 8.4 100.0
Bottom Mol % Mol 0.0 0.0 0.92 1.0 63.08 68.9 27.6 30.1 91.6 100.0
Kasus 3 Recovery dan komposisi yang dispesifikasi • Menggunakan Tabel 1, kita ingin mengambil kembali 95% propana di produk D dengan kemurnian 94% • Tentukan laju alir dan komposisi di D dan B
Solusi Kasus 3 Komponen
C2 C3 iC4 nC4
Mol Umpan
0.2 8.9 63.3 27.6 100.0
Distilat Mol (0.95)(8.9) = 8.46
8.46/0.94= 8.99
Bottom % Mol Mol % Mol 94.0
Solusi Kasus 3 Mol Komponen Umpan
C2 C3
0.2 8.9
iC4
63.3
nC4
27.6 100.0
Distilat Mol % Mol 0.2 8.46
8.99(0.2+8.46)= 0.33 0.0 8.99
94.0
Bottom Mol % Mol 0.0 8.9-8.46= 0.44 63.3-0.33= 62.97 27.6 91.01
Solusi Kasus 3 Normalisasi komposisi di D dan B Komponen Mol Umpan C2 C3 iC4 nC4
0.2 8.9 63.3 27.6 100.0
Distilat Mol % Mol 0.2 2.2 8.46 94.0 0.33 3.7 0.0 0.0 8.99 100.0
Bottom Mol % Mol 0.0 0.0 0.44 0.5 62.97 69.2 27.6 30.3 91.01 100.0
PENENTUAN KONDISI OPERASI Ptop=? Ttop=? Dew point Calculation
P P=? T = 54oC Bubble-point Calculation
Poperasi=Pf=Ptop Tf=?
P=Pop T=? Bubble point Calculation
Contoh Penentuan Kondisi Operasi • Tentukan tekanan operasi depropanizer untuk Kasus 1 menggunakan total kondenser yang beroperasi pada 54oC. • Tentukan suhu bagian atas kolom dan suhu di bottom
K-values for Hydrocarbons Ref. 1, hlm. 467 (SUHU RENDAH)
K-values for Hydrocarbons Ref. 1, hlm. 468 SUHU TINGGI
Estimasi Titik-didih dan Titik-embun • Bubble point calculation
y K x i
i i
1.0
• Dew point calculation
yi xi K 1.0 i • Gunakan ‘‘De Priester charts’’ untuk menentukan nilai K. • K = konstanta kesetimbangan untuk komponen tertentu pada suhu dan tekanan tertentu
Solusi Contoh 1 Bubble-point Calculation pada Condenser
Koreksi: Harga K seperti pada Tabel di atas terjadi pada tekanan 2100 kPa
Tekanan Kolom • Untuk total condenser, tekanan akumulator ditentukan dengan melakukan perhitungan titik didih (bubble-point calculation); dewpoint calculation untuk partial condenser • Asumsikan: ∆P = 100 kPa antara akumulator dan kolom, tekanan kolom (tekanan keluar kondenser + ∆P) menjadi 1928 kPa
Dew point Calculation pada Atas Kolom
Koreksi: Karena tekanan pada akumulator 2100 kPa dan DP = 100 kPa, maka tekanan pada kolom 2200 kPa dan hasilnya
Suhu Kolom • Uap dari talam atas memiliki komposisi yang sama seperti produk D saat total condenser digunakan • Saat partial condenser digunakan, kondenser akan beroperasi dew-point dari distilat • Pada kasus manapun, pemisahan uap-cairan dalam kolom berada pada dew-point dari distilat • Suhunya adalah 61oC dengan dew-point calculation
Bubble-point Calculation pada Bottom
Koreksi: Tekanan operas 2200 kPa, maka suhu bottomnya adalah 108 oC
Suhu Umpan • Dari sudut pandang fraksionasi, operasi kolom yang optimum diperoleh saat suhu umpan masuk ke kolom berada pada titik didihnya • Asumsikan bahwa umpan ke kolom berada pada titik didihnya untuk depropanizer, suhunya turun ke 100 oC
Bubble-point Calculation pada Umpan
Koreksi: Tekanan operas 2200 kPa, maka suhu umpannya adalah 100 oC
Suhu di Bottom • Suhu bagian bawah kolom (suhu reboiler) didapatkan dengan bubble-point calculation pada produk bawah • Untuk depropanizer, suhu bawah adalah 105 oC seperti ditunjukkan oleh bubble-point calculation
PENENTUAN KONDISI OPERASI Ptop=1928 kPa Ttop= 61 oC Dew point Calculation
P = 100 kPa P= 1828 kPa T = 54oC Bubble-point Calculation
Poperasi= 1928 kPa Tf= 100 oC
P= 1928 kPa T= 105 oC Bubble point Calculation
Contoh • Tentukan suhu operasi dari sebuah pemisah butana-pentana dioperasikan pada 8.3 bar dengan komposisi umpan sebagai berikut:
K-value
Komposisi di D dan B • Untuk memperkirakan titik embun dan titik didih, asumsinya tidak ada komponen yang lebih berat dari pada HK yang muncul di distilat dan tidak ada yang lebih ringan dari LH di bottom. • For a specification of not more than 1 mol of the light key in the bottom product and not more than 1 mol of the heavy key in the top product, and a reflux ratio of 2.5,
Perhitungan Titik-Didih
Perhitungan Titik-Embun
Perhitungan Titik-Didih Umpan
PENENTUAN KONDISI OPERASI Ptop=8.3 bar Ttop= 60 oC Dew point Calculation
P = 0.14 bar P= 8.44 bar Bubble-point Calculation
Poperasi= 8.3 bar Tf= 85 oC
P= 8.3 bar T= 120 oC Bubble point Calculation
Membuat MODEL UNISIM Masukkan KOMPONEN
Pilih FLUID PACKAGES
Pilih SHORT CUT DISTILLATION
Kondisi Operasi FEED
Buat Aliran F, D, B, Qc dan Qr
Set PARAMETER: LK, HK, Tekanan Qc dan Qr, R
HASIL: Jumlah Tray dan Suhu Qc, Qr
Pilih DISTILLATION COLUMN (di Hlm yang SAMA)
Set FEED = F
Buat Aliran D2, B2, Qc2 dan Qr2
Set NT, NF, P Qc dan Qr, T Qc dan Qr, R
RUN HASIL
Buat Aliran F, D, B, Qc dan Qr
Set PARAMETER: LK, HK, Tekanan Qc dan Qr, R
HASIL: Jumlah Tray dan Suhu Qc, Qr
Set FEED = F
Buat Aliran D2, B2, Qc2 dan Qr2
Set NT, NF, P Qc dan Qr, T Qc dan Qr, R
Set NT, NF, P Qc dan Qr, T Qc dan Qr, R
Set NT, NF, P Qc dan Qr, T Qc dan Qr, R
Set NT, NF, P Qc dan Qr, T Qc dan Qr, R
RUN HASIL
DISAIN TRAY (PLATE) COLUMN 2015
NERACA MASSA DAN ENERGI
Neraca Massa dan Energi
Lewis-Sorel Method (Equimolar Overflow) • Lewis (1909) menyederhanakan asumsi yang dapat menghilangkan keperluan untuk menyelesaikan persamaan neraca energy di tahapan (stage energy balance equation) • Kondisinya disebut EQUIMOLAR OVERFLOW: aliran uap dan cair molar di setiap tahapan adalah tetap • Kondisi ini hanya benar apabila: • Panas laten molar komponen dari penguapan adalah sama • Bersama dengan panas jenis, keduanya tetap pada rentang suhu dalam kolom • Tidak ada panas pencampuran yang signifikan • Kehilangan panas diabaikan • Secara substansi, kondisi ini terjadi saat KOMPONEN-KOMPONENNYA MEMBENTUK CAMPURAN CAIRAN YANG MENDEKATI IDEAL
Penentuan Jumlah Tray Sistem Biner (Dua Komponen) NO
KONDISI
PERMASALAHAN
SOLUSI
PENEMU
CONTOH
1
Kesetimbangan
-
Metode McCabe-Thiele
McCabe and Thiele (1925)
2
Konsentrasi Produk Sangat Rendah
Diagram McCabeThiele menjadi sangat kecil dan sulit untuk diplot
Memplot kembali bagian atas atau bawah dengan skala yang lebih besar ATAU pada kertas LOGLOG
Alleva (1962)
3
Konsentrasi Produk Sangat Rendah dengan GARIS OPERASI DAN KESETIMBANGANNYA LURUS
Diagram McCabeThiele menjadi sangat kecil dan sulit untuk diplot
Persamaan Robinson and Gilliland
Robinson and Example 11.3 Gilliland (1950)
4
Relative Volatility-nya TETAP
Diagram McCabeThiele tidak dapat digunakan
Persamaan Smoker Smoker (persamaan ini dapat (1938) digunakan juga jika relative volatility-nya kecil, seperti pada separation of close boiling isomers
Example 11.2
Example 11.4
McCabe-Thiele Diagram
Prosedur Penggambaran McCabe-Thiele 1. Plot kurva kesetimbangan uap-cair dari data yang tersedia pada tekanan operasi kolom. Nyatakan sebagai fungsi relative volatility (): 𝛼𝑥 𝑦= 1+ 𝛼−1 𝑥 dengan adalah geometric average relative volatility dari komponen yang lebih ringan (lebih volatile, cepat menguap) dibandingkan dengan komponen yang lebih berat (sulit menguap): 𝑡𝑒𝑘𝑎𝑛𝑎𝑛 𝑢𝑎𝑝 𝑘𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛 𝑙𝑒𝑏𝑖ℎ 𝑟𝑖𝑛𝑔𝑎𝑛 𝛼= 𝑡𝑒𝑘𝑎𝑛𝑎𝑛 𝑢𝑎𝑝 𝑘𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛 𝑙𝑒𝑏𝑖ℎ 𝑏𝑒𝑟𝑎𝑡 Umumnya dan untuk menghindari kerancuan, gunakan skala yang sama untuk sumbu x dan y 2. Buatlah neraca massa dari kolom untuk menentukan komposisi atas (xd) dan bawah (xb), dari data yang diketahui
Prosedur Penggambaran McCabe-Thiele 3. Garis operasi atas dan bawah berpotongan secara diagonal pada xd dan xb; tandai titik ini pada diagram tersebut 4. Titik perpotongan dua garis operasi tersebut tergantung pada kondisi fasa (suhu) dari umpannya. Garis terjadinya perpotongan tersebut disebut q line. Garis q ditemukan dengan cara sebagai berikut: i. Hitung harga rasio q dengan: 𝑞=
𝑝𝑎𝑛𝑎𝑠 𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑚𝑒𝑛𝑔𝑢𝑎𝑝𝑘𝑎𝑛 1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑎𝑟𝑖 𝑢𝑚𝑝𝑎𝑛 𝑝𝑎𝑛𝑎𝑠 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑎𝑟𝑖 𝑢𝑚𝑝𝑎𝑛
ii. Plot garis q, slope = q/(q – 1), memotong diagonal pada zf (komposisi umpan)
Prosedur Penggambaran McCabe-Thiele 5. Pilih rasio reflux dan tentukan titik tempat garis operasi atas yang dipanjangkan memotong sumbu y:
∅=
𝑥𝑑 1+𝑅
(11.24)
6. Gambar pada garis operasi atas, dari xd pada diagonal ke 7. Gambar pada garis operasi bawah, dari xb pada diagonal ke titik perpotongan dari garis operasi atas dan garis q 8. Memulai dari xd atau xb, buat gambar tahapan-tahapannya
Kasus 2: EXAMPLE 11.2 (Metode ALLEVA) • Acetone is to be recovered from an aqueous waste stream by continuous distillation. The feed will contain 10% w/w acetone. Acetone of at least 98% purity is wanted, and the aqueous effluent must not contain more than 50 ppm acetone. The feed will be at 20 oC. Estimate the number of ideal stages required. • Solution • There is no point in operating this column at other than atmospheric pressure. • The equilibrium data available for the acetone-water system were discussed in Chapter 8, Section 8.4.
The equilibrium curve can be drawn with sufficient accuracy to determine the stages above the feed by plotting the concentrations at increments of 0.1. The diagram would normally be plotted at about twice the size of Figure 11.7.
Persamaan Robinson-Gilliland: Stripping
Persamaan Robinson-Gilliland: Rectifying
Example 11.3 • For the problem specified in Example 11.2, estimate the number of ideal stages required below an acetone concentration of 0.04 (more volatile component) using the Robinson-Gilliland equation.
Persamaan Smoker
Persamaan Smoker
Contoh A column is to be designed to separate a mixture of ethyl-benzene and styrene. The feed will contain 0.5 mole fraction styrene, and a styrene purity of 99.5% is required, with a recovery of 85%. Estimate the number of equilibrium stages required at a reflux ratio of 8. Maximum column bottom pressure 0.20 bar.
Azeotrop • Azeotrop adalah campuran dari dua atau lebih komponen yang memiliki titik didih yang konstan. • Azeotrop dapat menjadi gangguan yang menyebabkan hasil distilasi menjadi tidak maksimal. • Komposisi dari azeotrope tetap konstan dalam pemberian atau penambahan tekanan • Akan tetapi ketika tekanan total berubah, kedua titik didih dan komposisi dari azeotrop berubah
Azeotrop • Sebagai akibatnya, • azeotrop bukanlah komponen tetap, yang komposisinya harus selalu konstan dalam interval suhu dan tekanan, • tetapi lebih ke campuran yang dihasilkan dari saling memengaruhi dalam kekuatan intramolekuler dalam larutan
• Azeotrop dapat didistilasi dengan menggunakan tambahan pelarut tertentu, misalnya penambahan benzena atau toluena untuk memisahkan air
Azeotrop • Air dan pelarut akan ditangkap oleh penangkap Dean-Stark • Air akan tetap tinggal di dasar penangkap dan pelarut akan kembali ke campuran dan memisahkan air lagi • Campuran azeotrop merupakan penyimpangan dari hukum Raoult
Jenis-jenis Azeotrop
Jenis-jenis Azeotrop
KOMPONEN JAMAK • Tentu lebih kompleks dari pada komponen biner • Untuk menyederhanakan ditentukan KOMPONEN KUNCI (“key component”): • Komponen ringan (light component, LK) • Komponen terringan di produk bawah (bottom product) • Komponen berat (heavy component, HK) • Komponen terberat di produk atas (top product) • Komponen NONKEY dibagi dua: • Komponen yang terdapat di produk atas dan bawah disebut DISTRIBUTED components • Komponen yang TIDAK terdapat di produk atas dan bawah disebut NONDISTRIBUTED components • Solusi normal: menyelesaikan persamaan MESH (Material balance, Equilibrium relationships, Summations of mole fractions, and Heat balance) tahap demi tahap (stage-by-stage) • SHORTCUT method • RIGOROUS method
Metode Shortcut • Metode shortcut dibagi dua: 1. Simplifikasi prosedur rigorous stage-by-stage dengan perhitungan tangan atau grafis: • SMITH AND BRINKLEY (1960) • HENGSTEBECK (1976) 2. Empirik, didasarkan pada kinerja kolom operasi atau hasil dari rigorous design • Korelasi GILLILAND • Korelasi ERBAR-MADDOX
Rigorous Method 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
BP (boiling-point) methods SR (sum-rates) methods 2N Newton methods Global newton or SC (simultaneous correction) methods Inside-out methods Relaxation methods Homotopy-continuation methods Nonequilibrium models
EFISIENSI TALAM
EFISIENSI TALAM • Asumsi pada setiap talam adalah bahwa keadaan uap-cair adalah SETIMBANG (equilibrium) • Kenyataannya tidak demikian lebih kecil berapa efisiensinya?
1. Murphree plate efficiency (MPE)
ye = komposisi uap yang berada pada kesetimbangan dengan cairan yang meninggalkan talam
Stage Efficiency
2. Point Efficiency (Murphree Point Efficiency) • Jika komposisi uap dan cairan diambil pada titik di talam, maka persamaan MPE sebelumnya menjadi efisiensi lokal atau titik Emv
3. Efisiensi Kolom Menyeluruh (Overall Column Efficiency, OCE) • Disebut juga Efisiensi Talam Menyeluruh
Hubungan OCE dan MPE • Pada keadaan ideal sehingga garis operasi dan kesetimbangan lurus, maka hubungan antara OCE dan MPE adalah seperti disebutkan oleh Lewis:
Memprediksi Efisiensi Talam: Distilasi Biner
Efisiensi Talam Komponen Jamak (Toor and Burchard, 1960) dari Data Biner 1. Jika komponennya mirip, efisiensi komponen jamak akan mirip juga dengan komponen biner 2. Jika efisiensi yang diprediksi untuk pasangan biner tinggi, efisiensi komponen jamak tinggi 3. Jika resistensi terhadap perpindahan massa terutamanya pada fase cair, perbedaan antara efisiensi biner dan komponen jamak adalah kecil 4. Jika resistensi terhadap perpindahan massa terutamanya pada fase uap, perbedaan antara efisiensi biner dan komponen jamak adalah besar
Komponen Jamak: Korelasi O’Connel
Contoh 11.10 • Using O’Connell’s correlation, estimate the overall column efficiency and the number of real stages required for the separation given in Example 11.5.
Solusi
Korelasi Van Winkle
Metode AIChE
NG = bilangan satuan perpindahan fasa gas NL = bilangan satuan perpindahan fasa cair
Hubungan antara Point Efficiency dan Jumlah Satuan Perpindahan Cair dan Uap
Degree of Mixing • EmV = Emv terjadi hanya jika terjadi pencampuran sempurna • Nyatanya tidak demikian, sehingga perlu ada perhitungan derajat pencampuran • Bilangan Pecklet (Pe) mengkarakterisasi derajat pencampuran suatu sistem • Pe = 0 Pencampuran sempurna • Pe = ∞ Plug flow • De untuk bubble cap dan sieve:
Hubungan EmV = Emv
Entrainment • Metode AIChE dan Van Winkle memprediksi MPE “kering” • Kenyataannya ada cairan yang terperangkap dan naik ke atas kolom terbawa oleh aliran uap mengurangi efisiensinya • Colburn memberikan rumus koreksi:
• Ukuran kolom menyeluruh dapat dibuat kalau jumlah talam aktual diketahui • Ini diperlukan untuk estimasi biaya modal (cost of capital) saat evaluasi proyek • Plate spacing • Column diameter
APPROXIMATE COLUMN SIZING
Jarak Talam • Tinggi kolom keseluruhan tergantung dari jarak talam • Normalnya: 0.15 m (6 in.) – 1 m (36 in.) • Jaraknya tergantung dari diameter kolom dan kondisi operasi • JARAK DEKAT • Diameter kecil • Ruangan terbatas (jika kolom dipasang di dalam gedung)
Jarak Talam • Contoh: Diameter kolom di atas 1 m • Normal jarak talam: 0.3 - 0.6 m • Estimasi awal: 0.5 m • Estimasi ini bisa direvisi, bila perlu, saat disain detailnya sudah dibuat • JARAK JAUH • Mengakomodasi aliran umpan dan produk samping • Manways
Diameter Kolom • Faktor mendasar yang menentukan diameter kolom adalah LAJU ALIR UAP • Laju alir uap harus di bawah kondisi yang menyebabkan terjadinya entrainment dan tingginya jatuh tekanan • Persamaan Souder and Brown:
Diameter Kolom
Diameter yang sudah diestimasi bisa direvisi saat desain rinci talam sudah diambil
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16.
Rentang operasi Prosedur disain talam Luas talam Diameter Pengaturan Aliran-cairan Entrainment Weep point Weir liquid crest (Puncak tanggul cairan) Dimensi tanggul Luas lubang (perforated area) Ukuran lubang (hole size) Hole pitch Dydraulic gradient Liquid throw Jatuh tekanan talam Disain downcomer
DISAIN HIDROLIKA TALAM
Kebutuhan Mendasar • Kebutuhan mendasar dari talam tempat terjadi kontak uap-cair: • Menyediakan kontak uap-cair yang baik • Menyediakan holdup cairan yang cukup untuk perpindahan massa yang baik (efisiensi tinggi) • Memiliki luas dan jarak yang cukup untuk menjaga entrainment dan ∆P dalam batas yang dapat diterima • Memiliki luas downcomer yang cukup agar cairan mengalir bebas dari talam ke talam
Disain Downcomer
Nozzle
Rentang Operasi
Beberapa Kejadian • Flooding (Banjir) • Laju alir uap melebihi batas • Terjadi penurunan tajam pada efisiensi dan kenaikan pada ∆P • Penyebabnya: cairan terbawa secara berlebihan ke talam berikutnya karena entrainment atau cairan kembali lagi ke downcomer
• Weeping • Laju uap air terlalu rendah sehingga tidak cukup untuk menjaga level cairan pada talam
• Coning • Laju cairan terlalu rendah sehingga uap menekan cairan kembali melalui lubang • Kontaknya buruk
Prosedur Disain Talam 1. Calculate the maximum and minimum vapor and liquid flow rates, for the turndown ratio required. 2. Collect or estimate the system physical properties. 3. Select a trial plate spacing (Section 11.11). 4. Estimate the column diameter, based on flooding considerations (Section 11.13.3). 5. Decide the liquid flow arrangement (Section 11.13.4). 6. Make a trial plate layout: downcomer area, active area, hole area, hole size, weir height (Sections 11.13.8 to 11.13.10). 7. Check the weeping rate (Section 11.13.6); if unsatisfactory, return to step 6.
Prosedur Disain Talam 8. Check the plate pressure drop (Section 11.13.14); if too high, return to step 6. 9. Check downcomer backup; if too high, return to step 6 or 3 (Section 11.13.15). 10.Decide plate layout details: calming zones, unperforated areas. Check hole pitch; if unsatisfactory, return to step 6 (Section 11.13.11). 11.Recalculate the percentage flooding based on chosen column diameter. 12.Check entrainment; if too high, return to step 4 (Section 11.13.5). 13.Optimize design: repeat steps 3 to 12 to find smallest diameter and plate spacing acceptable (lowest cost). 14.Finalize design: draw up the plate specification and sketch the layout. This procedure is illustrated in Example 11.11.
Perhitungan DIAMETER KOLOM INPUT: Kondisi operasi, Reflux,
Slope (Lw/Vw) Sifat-sifat Fluida: densitas (uap dan cair) dan surface tension ()
FLV (liquid-vapor flow factor)
Laju Alir Volumetrik Maksimum
uf (Flooding Vel)
K1 Terkoreksi Figure 11.29
Luas Kolom + Downcomer
Diameter Kolom
Panjang Weir Figure 11.33
Plate Areas
Diameter
FLV
Example 11.11 • Aseton (C3H6O, MW = 58,08 g/mol) diambil kembali dari aliran limbah cair dengan distilasi kontinyu. • Umpannya mengandung 10% berat aseton. Aseton diinginkan memiliki kemurnian paling sedikit 98%, dan effluent cairnya harus mengandung tidak lebih dari 50 ppm aseton. Umpan pada suhu 20 oC. Estimasikan jumlah tahapan ideal yang diperlukan. • Laju alir umpan 13,000 kg/h. Use sieve plates. • • • • • •
Number of stages = 16 Slope of the bottom operating line = 5.0 Slope of top operating line = 0.57 Top composition 94% mol. 98% w/w. Bottom composition—essentially water. Reflux ratio = 1.35
Mole Fraction of Acetone
Flow rates
Physical Properties
• Estimate base pressure, assume column efficiency of 60%, and take reboiler as equivalent to one stage
Column Diameter
Column Diameter
Liquid Flow Pattern
Figure 11.33
Liquid Flow Pattern
