PERANCANGAN TRAY TOWER PERANCANGAN ALAT PROSES Asep Muhamad Samsudin
Ruang Lingkup 1.
Pemilihan Tipe Kolom
2.
Penentuan Kondisi operasi
3.
Perancangan Tray Tower
4.
Perancangan Packed Tower
Penentuan Kondisi Operasi Kolom ο Ditentukan oleh pasangan suhu dan tekanan kesetimbangan pada suatu tray, di sepanjang Kolom.
yang
membentuk
Penentuan Kondisi Operasi Puncak Kolom ο Kondisi puncak kolom ditentukan oleh pasangan suhu T1, dan tekanan P1 yang membentuk keseimbangan pada tray puncak (tray ke1) baik menggunakan kondensor total maupun parsial.
Kondensor Total
Kondensor Parsial
Penentuan Kondisi Operasi Puncak Kolom Pada suhu T1dan tekanan P1, arus L1 dengan komposisi x1 seimbang dengan arus V1 dengan komposisi y1. Dengan demikian dipenuhi kriteria berikut :
1.
Suatu komponen pada suhu T1 dan Tekanan P1 di setiap fasa, baik fasa L1 maupun V1 terdapat distribusi suhu, tekanan dan konsentrasi yang serba sama.
2.
Fasa L1 dan fasa V2keduanya jenuh.
3.
Netto propertiesnya sama dengan nol, artinya a. b.
4.
Suhu L1 sama dengan suhu V1 ο T1 Tekanan L1 sama dengan tekanan V1 ο P1
Korelasi komposisi V1 yang seimbang dengan L1 memenuhi persamaan π¦1 = K1 π₯1 K1 adalah Konstanta Keseimbangan komponen pada suhu T1 dan P1
Penentuan Kondisi Operasi Puncak Kolom Jika kondensor yang digunakan KONDENSOR TOTAL 1. Hasil puncak diambil berupa cairan D dengan komposisi xD 2. Komposisi y1 = XD =Xo
Jika kondensor yang digunakan KONDENSOR PARSIAL
1. Hasil puncak diambil berupa uap Dv dengan komposisi yD 2. Komposisi y1β yDβ Xo 3. Komposisi y1,merupakan komposisi rata-rata dengan Dvdan Lo πΏπ π0 + π·π£ π¦π· π¦1 = πΏ0 + π·π£
Penentuan Kondisi Operasi Puncak Kolom 4. Arus Dv boleh jadi seimbang dengan arus Lo sehingga a. Kondensor parsial setara dengan satu tray / plate ideal yang letaknya di luar kolom b. Korelasi komposisi Antara hasil puncak yD dengan cairan refluk X0 memenuhi persamaan : c. π¦π· = Kπ₯0 d. K adalah Konstanta Keseimbangan thermodinamis suatu komponen pada suhu T dan Tekanan P kondensor 5. Kondisi puncak kolom ditentukan setelah suhu dan tekanan yang membentuk keseimbangan pada kondensor parsial ditentukan terlebih dahulu
Penentuan Kondisi Operasi Dasar Kolom Ditentukan oleh pasangan suhu Tn dan tekanan Pn yang membentuk keseimbangan pada Tray ke n atau tray dasar, baik menggunkan reboiler total maupun reboiler parsial.
Reboiler Total
Reboiler Parsial
Penentuan Kondisi Operasi Dasar Kolom Pada suhu Tn dan tekanan Pn, arus Vn dengan komposisi yn seimbang dengan arus Ln dengan komposisi Xn. Dengan demikian dipenuhi kriteria berikut :
1.
Di setiap fasa, baik fasa Vn maupun Ln terdapat distribusi suhu, tekanan dan konsentrasi yang serbasama.
2.
Fasa Ln dan fasa Vn keduanya jenuh.
3.
Netto propertiesnya sama dengan nol, artinya a. b.
4.
Suhu Ln sama dengan suhu Vn ο Tn Tekanan Vn sama dengan tekanan Ln ο Pn
Korelasi komposisi Vn yang seimbang dengan Ln memenuhi persamaan π¦π = K π π₯π
Kn adalah Konstanta Keseimbangan suatu komponen pada suhu Tndan Tekanan Pn
Penentuan Kondisi Operasi Dasar Kolom Jika reboiler yang digunakan REBOILER TOTAL Komposisi Xn = Xw =yn+1
Jika reboiler yang digunakan REBOILER PARSIAL 1. Komposisi Xnβ Xwβ yn+1
2. Komposisi Xn,merupakan komposisi rata-rata antara arus W dan Vn+1 πππ€ + ππ+1 π¦π+1 π₯π = π + ππ+1
Penentuan Kondisi Operasi Puncak Kolom 4. Arus Vn+1 boleh jadi seimbang dengan arus W sehingga a. Reboiler parsial setara dengan satu tray / plate ideal yang letaknya di luar kolom b. Korelasi komposisi antara hasil dasar xw dengan uap refluk yn+1 memenuhi persamaan : π¦π+1 = Kπ₯π€ K adalah Konstanta Keseimbangan thermodinamis suatu komponen pada suhu T dan Tekanan P Reboiler 5. Kondisi dasar kolom ditentukan setelah suhu dan tekanan yang membentuk keseimbangan pada reboiler parsial ditentukan terlebih dahulu
Penting untuk diperhatikan 1. Jika dimungkinkan, operasikan kolom pada tekanan 1 (satu) atmosfer 2. Suhu dan tekanan puncak kolom, harus di bawah suhu dan tekanan kritis masing-masing komponen yang terdapat pada hasil puncak 3. Suhu dan tekanan puncak kolom, lebih rendah dari suhu dan tekanan dasar kolom 4. Kondisi operasi kolom, ditentukan dengan mempertimbangkan utilitas yang ada serta beda suhu yang diizinkan. 5. Pada kondensor parsial, kondisi puncak kolom ditentukan setelah kondisi keseimbangan pada kondensor ditentukan lebih dahulu. 6. Pada reboiler parsial, kondisi dasar kolom ditentukan setelah suhu dan tekanan reboiler parsial dihitung lebih dulu.
Algoritma Penentuan Kondisi Operasi Puncak Kolom 1.
Tentukan komposisi hasil puncak xD atay yD dan komposisi hasil dasar xW, sesuai dengan spesifikasi yang direncanakan.
2.
Tentukan komposisi uap yi,1
3.
Tentukan suhu operasi T1 dengan pertimbangan : a. Suhu T1 harus di bawah suhu kritis Tc masing-masing komponen yang terdapat dalam hasil puncak. b. Utilitas yang ada, misalnya air dapat digunakan sebagai pendingin dengan ο οT yang diizinkan antara 6 β 20oC
4.
Hitung atau tentukan tekanan operasi P1 dengan pertimbangan : a. Tekanan P1 harus di bawah tekanan kritis Pc masing-masing komponen yang terdapat pada hasil puncak b. Jika dimungkinkan, coba P1 = 1 atm.
Algoritma Penentuan Kondisi Operasi Puncak Kolom 5.
Cek korelasi komposisi uap yi,1 yang seimbang dengan komposisi cairan xi,1 dari hub : yi,1 = Ki,1Xi,1 Harga konstanta keseimbangan Ki dibaca pada Nomogram pada suhu dan Tekanan T1 dan P1 a. Jika οXi,1 = 1, maka benar bahwa T1 dan P1 merupakan kondisi operasi puncak kolom. b. Jika οXi,1 β 1, maka T1 dan/atau P1 harus diralat dengan pertimbangan bahwa jika dimungkinkan, pertahankan air sebagai pendingin dan hindari penggunaan tekanan vacuum atau tekanan tinggi
Algoritma Penentuan Kondisi Operasi Dasar Kolom 1.
Tentukan komposisi hasil puncak xD dan hasil dasar xW, sesuai dengan spesifikasi yang direncanakan.
2.
Tentukan komposisi cairan xi,n
3.
Tentukan suhu operasi Tn dengan pertimbangan : a. Suhu Tn lebih tinggi dari T1 b. Utilitas yang ada, misalnya air (steam) dapat digunakan sebagai pemanas dengan ο οT yang diizinkan antara 10 β 60oC
4.
Hitung atau tentukan tekanan operasi Pn dengan pertimbangan : a. Tekanan Pn harus lebih tinggi dari P1 b. Steam jenuh padatekanan rendah sampai medium dapat digunakan
Algoritma Penentuan Kondisi Operasi Dasar Kolom 5.
Cek korelasi komposisi uap xi,n yang seimbang dengan komposisi uap yi,n dari hub : yi,n = Ki,nxi,n Harga konstanta keseimbangan Ki dibaca pada Nomogram pada suhu dan Tekanan Tn dan Pn a. Jika οyi,n = 1, maka benar bahwa T1 dan P1 merupakan kondisi operasi dasar kolom. b. Jika οyi,n β 1, maka T1 dan/atau P1 harus diralat.
Contoh Soal 1 Menara fraksinasi dirancang untuk memisahkan campuran hidrokarbon yang terdiri dari 50% mol C3H8, 30% mole C3H6 dan 20% mole n-C4H10. Diharapkan hasil puncak dan dasar masing-masing mengandung minimal 98 % mole C3 dan maksimal 1 % mole C3. Hitunglah kondisi operasi puncak dan dasar menara. Komponen
π·ππ (atm)
C3H8
17.40
C3H6
20.24
n-C4H10
5.00
Komponen
Tc (oC)
Pc (oC)
C3H8
91.4
45.4
C3H6
96.8
42.0
Tugas 1 Menara Fraksionasi yang bekerja kontinyu pada tekanan 1 atm direncanakan untuk memisahkan 550 lbmol/jam campuran hidrokarbon yang terdiri dari Komponen BM % mol ο‘ A
32
30
1.75
B
46
20
1.00
C
60
15
0.50
D 74 35 0.20 Diharapkan hasil puncak mengandung minimal 95% mol A dan sisanya B sedangkan hasil bawah maksimal mengandung 5% mol A. Jika diketahui tekanan uap murni B pada berbagai macam suhu. Tentukan kondisi operasi (suhu) puncak dan dasar kolom jika digunakan kondensor dan reboiler total. T (oC)
60
70
80
90
100
PoB (mmHg)
340
540
810
1180
1680
Perhitungan Jumlah Tray / Plate Ideal
Perhitungan Jumlah Tray / Plate Ideal ο Untuk memperoleh produk hasil pemisahan sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan. Jumlah tray / plate ideal yang dibutuhkan dapat dihitung dengan : 1.
Cara Grafis (Ponchon-Savarit, Mc Cabe Thiele)
2.
Cara βShort-Cutβ
3.
Cara Analitis
ο Dibandingkan dengan cara "short cut", perhitungan jumlah stage ideal menurut cara analitis lebih membertkan ketelitian yang tinggl. ο Distribusi suhu, tekanan, dan komposisi di setiap Tray di setiap seksi di sepanjang kolom dapat diketahui
Cara βShort-Cutβ ο
Menggunakan bantuan Grafik korelasi Underwood, Fenske, Girriland
ο
Pada suatu nilai absis (R-Rmin) / (R+1), jumlah tray / plate ideal yang dibutuhkan (N) dapat dihitung dari nilai ordinat (N-Nmin) / (N + 1).
ο
Rmin, R dan Nmin ditentukan terlebih dahulu.
Perbandingan Refluk Minimal (Rmin)
Dimana : Xi = fraksi mol kompenen I yang terdapat dalam distilat i
= komponen a, b,.. N
ο‘ = Sifat penguapan relatif komponen I terhadap βreferensiβ ο± = Konstanta Underwood
Konstanta Underwood (ο±)
Dimana : q = Sejumlah panas yang dibutuhkan untuk menguapkan satu mol umpan dibagi dengan panas laten
Menghitung q
ο Nilai q tergantung pada kondisi thermal umpan
Menghitung q ο Jika umpan masuk kolom berupa cairan pada titik didihnya, harga konstanta Underwood ο±
Perbandingan Refluk (R) Ditentukan berdasarkan jenis pendingin yang digunakan
Jumlah Stage Minimal (Nmin)
Dalam hubungan ini, XLK; XHK = Fraksi mol komponen kunci ringan; berat
ο‘LK β HK = Sifat pernguapan relative komponen kunci ringan terhadap kunci berat pada suhu rata-rata kolom.
Penentuan Komponen Kunci ο Komponen Kunci adalah Komponen yang terdistribusi baik pada hasil puncak maupun hasil dasar. ο Komponen Kunci Ringan (LK) adalah komponen kunci yang mempunyai titik didih rendah atau mempunyai tekanan uap murni tinggi, tetapi dia ada dalam hasil dasar W. ο Komponen Kunci Berat (HK) adalah komponen kunci yang mempunyai titik didih tinggi atau tekanan uap murni rendah, tetapi dia terdapat dalam hasil puncak D.
Penentuan Komponen Kunci Komponen
Umpan
Distilat
Residu
A
xA
xA
B
xB
xB
C, LK
xC
xC
xC
D, HK
xD
xD
xD
E
xE
xE
F
xF
xF
Contoh Soal 2 Menara fraksinasi dirancang untuk memisahkan campuran hidrokarbon yang terdiri dari 50% mol C3H8, 30% mole C3H6 dan 20% mole n-C4H10. Diharapkan hasil puncak dan dasar masing-masing mengandung minimal 98 % mole C3 dan maksimal 1 % mole C3. Hitunglah jumlah plate ideal yang dibutuhkan.
Tugas 2 Menara fraksinasi dirancang untuk memisahkan campuran hidrokarbon yang terdiri dari 45% mol C2H6, 30% mole C2H4 dan 25% mole n-C4H10. Diharapkan hasil puncak dan dasar masing-masing mengandung minimal 95 % mole C2 dan maksimal 2 % mole C2. Hitunglah jumlah plate ideal yang dibutuhkan.
Cara Analitis
Cara Analitis ο Menurut cara analitis, Jumlah tray / plate ideal dapat dihitung dengan bantuan : 1. Persamaan hubungan Neraca bahan 2. Persamaan hubungan Neraca panas 3. Persamaan hubungan Keseimbangan
ο Perhitungan dilakukan dari plate satu ke plate yang lain di setiap seksi di Sepanjang kolom ο Disebut PLATE TO PLATE CALCULATION
Neraca pada Plate Neraca Bahan Total Lnβ1 + Vn+1 = Ln + Vn
(1)
Neraca Komponen Pers (1) Lnβ1 π₯πβ1 + Vn+1 π¦π+1 = Ln π₯π + Vn π¦π
(2)
Neraca Panas Pers (1) Lnβ1 HLnβ1 + Vn+1 HVn+1 = Ln HLn + Vn HVn
(3)
Neraca pada Plate Hubungan Keseimbangan a. Korelasi komposisi dalam kedua fasa seimbang π¦π =
ππ (π₯π ) ππ‘
atau
π¦π =
πΌπ₯π 1+(πΌβ1)π₯π
(4)
b. Korelasi Enthalpi β komposisi dalam kedua fasa seimbang HLn = xn CPA (π‘π β π‘π ) + 1 β π₯π CPB (π‘π β π‘π )
(5)
HVn = yn Ξ»A + 1 β π¦π Ξ»B + HLn
(6)
Neraca pada Plate Umpan Neraca Bahan Total F + Lfβ1 + Vf+1 = Lf + Vf
(7)
Neraca Komponen Pers. (7) Fπ₯π + Lfβ1 π₯πβ1 + Vf+1 π¦π+1 = Lf π₯π + Vf π¦π
(8)
Neraca Panas Pers. (7) FHf + Lfβ1 HLfβ1 + Vf+1 HVf+1 = Lf HLf + Vf HVf Lf βLfβ1 F
= π dan π =
π»π βπ»πΉ π»π βπ»πΏ
(9)
(10)
Neraca pada Kondensor Pada Kondensor Total
V1 = Lo + D
(11)
y1 = Xo = XD
(11)
V1 HV1 = Lo HL0 + DHD + (βqc ) (13) R=
L0 D
(14)
Neraca pada Reboiler Pada Reboiler Parsial
Ln = VN+1 + W xn =
(15)
VN+1 yN+1 +Wxw VN+1 +W
(16)
L1 HLN + ππ = VN+1 HVN+1 + WHW
π¦π+1 =
ππ (π₯π ) ππ‘
atau π¦π+1 =
πΌπ₯π 1+(πΌβ1)π₯π
(17)
(18)
Neraca di Sekitar Kolom Neraca Bahan Total F= D + W
(19)
Neraca Komponen Pers. (19) Fxf = DxD + WxW
(20)
Neraca Panas pers.(19) FHf + qr = DHD + βqc + WHw
(21)
ALGORITMA 1. Hitung L0 L0 = R + D 2. Hitung V1 V1 = D(R + 1) 3. Tentukan y1 Pada kondensor total y1 = Xo = XD 4. Gunakan hubungan keseimbangan untuk menentukan x1 π¦π =
ππ (π₯π ) ππ‘
atau
π¦π =
πΌπ₯π 1+(πΌβ1)π₯π
atau
y1 = Kx1
ALGORITMA 5.
Tentukan entalpi HL0, HV1, HL1
6.
Hitung L1, V2, HV2
7.
Asumsikan HV2=HV1
8.
Gunakan asumsi (7) untuk menghitung V2 dan L1
9.
Hitung y2. Gunakan neraca komponen pada plate ke 1 (satu)
10. Hitung HV2 dari hubungan Entalpi-komposisi pada suatu nilai y=y2 11. Ulangi langkah 7-10 hingga diperoleh HV2 asumsi (7) = HV2 hasil perhitungan (10) 12. Lanjutkan perhitungan untuk stage ke 2 (dua) dan seterusnya hingga plate ke (f) 13. Lanjutkan perhitungan dari plate ke plate lain secara berturutan hingga diperoleh komposisi cairan sama dengan komposisi hasil dasar
Penyederhanaan Perhitungan ο Jika suatu sistem kesimbangan memenuhi kriteria yang disyaratkan oleh Mc. Cabe Thiele ο Neraca panas dapat diabaikan. ο Jumlah plate ideal yang dibutuhkan dapat dihitung hanya dengan bantuan 1. Persamaan hubungan Neraca Bahan, yang dikenal sebagai Persamaan Garis Operasi 2. Persamaan Hubungan Keseimbangan.
Persamaan Garis Operasi
Korelasi antar arus di sekitar Feed Plate
Persamaan Hubungan Keseimbangan Di setiap tray di setiap seksi di sepanjang kolom pada suhu dan tekanan tertentu memenuhi persamaan :
Dimana : Xi,n = fraksi mol komponen i dalam fasa cair yang keluar dari tray/plate ke n Yi,n = fraksi mol komponen i dalam fase uap yang keluar dari tray / plate ke n Pn Tn = Pasangan tekanan dan suhu yang membentuk keseimbangan pada tray ke n
Ki,n = Konstanta keseimbangan komponen i pada suhu dan tekanan Tn dan Pn
Algoritma 1.
Tentukan komposisi hasil puncak xD dan komposisi hasil dasar xW sesuai spesifikasi yang direncanakan
2.
Hitung L, V, L dan V
3.
Tentukan persamaan garis operasi atas dan persaman garis operasi bawah
4.
Tentukan komposisi uap y1
5.
Tentukan suhu dan tekanan yang membentuk keseimbangan pada Tray 1 misalnya T1 dan P1
6.
Hitung x1dengan bantuan persamaan y1 = K1x1
7.
Hitung y2 dengan bantuan persamaan garis operasi atas πΏ
π₯
π· π¦2 = π π₯1 + π
+1
Algoritma 8.
Tentukan suhu dan tekanan T2 dan P2 yang membentuk keseimbangan pada Tray 2
9.
Hitung x2 dengan persamaan y2 = K2x2
10. Hitung π¦3 =
πΏ π
π₯2 +
π₯π· π
+1
11. Tentukan suhu dan tekanan T3 dan P3 yang membentuk keseimbangan pada Tray 2
12. Hitung x3 dengan persamaan y3= K3x3 13. Ulangi langkah 10 β 12 untuk Tray ke 4, 5 dan seterusnya hingga diperoleh komposisi sama dengan komposisi umpan. 14. Ulangi langkah 10 β 12 untukTray ke (f+1); (f+2) dan seterusnya sampai dengan tray ke N hingga diperoleh komposisi xN = xW dengan menggunakan persamaan garis operasi bawah
Contoh 3 Menara fraksionasi yang bekerja pada 1 atm direncanakan untuk memisahkan campuran hidrokarbon yang terdiri 50% mole pentana (A), 30% mole heksana (B) dan 20% mol heptane. Hasil puncak diharapkan maksimal mengandung 0.5 % mole heksana dan hasil dasar mengandung 1% mol pentane. Umpan pada titik didihnya dimasukan menara tepat pada plate yang mempunyai suhu yang sama. Jika dalam operasi tersebut digunakan perbandingan refluk sama dengan 4. Hitung jumlah plate idealnya.
Perhitungan Efisiensi Kolom
Perhitungan Efisiensi Kolom ο Pada keadaan seimbang komposisi ringan dalam fasa uap maksimal dan komposisi ringan dalam fasa cairan minimal.
ο Kenyataannya sulit dicapai oleh alat kontak antar fasa jenis apapun ο Komposisi uap sesungguhnya relatif lebih rendah dibandingkan komposisi idealnya jika keseimbangan benar-benar terwujud. Juga sebaliknya untuk komposisi cairannya. ο Jika x* dan y* adalah komposisi cairan dan uap idealnya ketika keseimbangan benarbenar terwujud kemudian x dan y merupakan komposisi cairan dan uap aktual yang dapat dicapai, maka y
x*
π΅
ππππππ =
π΅ππ
πππ π¬ππππππππ
Efisiensi Murphree Jika efisien setiap tray di sepanjang kolom tidak sama, Murphree mendefinisakan efisiensi tray sebagai berikut :
Tinjauan fase uap πΈππ =
π¦π βπ¦π+1 π¦πβ βπ¦π+1
Tinjauan fase cair πΈππΏ =
π₯πβ1 βπ₯π β π₯πβ1 βπ₯π
Tinjauan fase uap
πΈππ
π΅πΆ = π΄πΆ
Tinjauan fase cair πΈππΏ
ππ = ππ
Contoh Soal 4 Menara Distilasi direncanakan untuk memisahkan 100 kmol/jam campuran A dan B dengan komposisi 50% A hingga diperoleh hasil puncak dan dasar masing-masing dengan kemurnian 90% dan 10%A, sedangkan efisiensi Murphree pada berbagai komposisi ditunjukan pada tabel. Jika sifat penguapan relatif A terhadap B adalah 4 dan pada operasi ini digunakan perbandingan refluk = 2 dan umpan dimasukan pada titik didihnya, hitung jumlah plate aktual yang dibutuhkan. Xa
0,05 0,20 0,40 0,60 0,80
0,90
EMV
0,67 0,67 0,67 0,50 0,50
0,50
Contoh Soal 5 Menara fraksionasi direncanakan untuk memisahkan campuran a dan b hingga diperoleh hasil puncak dan dasar seperti yang ditunjukan pada tabel 1, sedangkan efisiensi Murphree pada berbagai komposisi ditunjukan pada tabel 2.
Jika sifat penguapan relatif a terhadap b adalah 4 dan pada operasi ini digunakan perbandingan refluk = 1,5; hitung jumlah plate aktual yang dibutuhkan. Arus bahan
Jumlah
Komposisi
Kondisi
Umpan I
50 lbmol/jam
0,5
Cair jenuh
Umpan II
100 lbmol/jam
0,35
Uap jenuh
Distilat
0,90
Cair jenuh
Residu
0,05
Cair jenuh
Xa
0,05
0,20
0,40
0,60
0,80
0,90
EMV
0,67
0,67
0,67
0,50
0,50
0,50
Penyelesaian 1. Gambar diagram x-y πΌ.π₯
4π₯
π π¦0 = 1+(πΌβ1)π₯ = 1+3π₯π
π
π
2. Melukis garis βqβ F1 = cair jenuh HF1 = HL π=
π»π βπ»πΉ1 π»π βπ»πΏ π
=1 1
1
πππππ = πβ1 = 1β1 = 0 = ~ Garis q untuk F1 dapat dilukis dari titik y = x = 0,5 dengan arah tegak luruh ke atas,
Penyelesaian F2 = uap jenuh HF1 = HV π=
π»π βπ»πΉ1 π»π βπ»πΏ
πππππ =
=0
π πβ1
=
0 0β1
=0
garis q untuk F2 dapat dilukis dari titik y = x = 0,35 dengan arah mendatar ke kiri.
Penyelesaian 3. Melukis persamaan garis operasi Persamaan garis operasi atas π =πΏ+π· Neraca komponen ππ¦ = πΏπ₯ + π·π₯π· Pada plate ke n πΏ π
π¦π+1 = π₯π +
π·π₯π· π
Penyelesaian Persamaan garis operasi tengah π + πΉ1 = πΏ + π· ππ¦ + πΉ1 π₯πΉ1 = πΏπ₯ + π·π₯π· Pada plate ke m πΏ
π¦π+1 = π π₯π +
π·π₯π· βπΉ1 ππΉ1 π
Persamaan garis operasi bawah πΏ=π+π πΏπ₯ = ππ¦ + ππ₯π Plate N πΏ
π¦π = π π₯π β
ππ₯π€ π
Penyelesaian 4. Menghitung parameter neraca bahan Neraca bahan total
πΉ1 + πΉ2 = π· + π 50 + 100 = π· + π 150 = π· + π
(1)
Neraca komponen a πΉ1 π₯πΉ1 + πΉ2 π₯πΉ2 = π·π₯π· + ππ₯π 50 0,5 + 100 0,35 = π· 0,9 + π 0,05 60 = π· 0,9 + π 0,05
(2)
Eliminasi (1) dan (2) didapat D = 61,75 lbmol/jam
W = 88,25 lbmol/jam
Penyelesaian L = R. D = 1,5x61,75 = 92,625 lbmol/jam V = L + D = 92,625 + 61,75 = 154,375 lbmol/jam LβL F1
=q=1
L = F1 + L = 50 + 92,625 = 142,625 lbmol/jam V = V = 154,375 lbmol/jam
F2 + V + L = V + L LβL F2
=q=0
L = L = 142,625
lbmol jam
V = V β F2 = 54,375 lbmol/jam
Penyelesaian 5. Melukis garis operasi : 1.
Garis operasi atas dapat dilukis dari titik y=x=0,9 dengan : a. Slope = L/V = 92,625/154,375 = 0,6 atau b. Intersep = π· π π₯π· = 61,75 154,375 0,9 = 0,36
2.
Garis operasi tengah dapat dilukis dari titik potong antara garis operasi atas dengan garis qF1 dengan : a. Slope = L V = 142,625 154,375 = 0,923 atau b. Titik potong garis operasi bawah dengan garis qFII c. Intersep =
3.
DxD βF1 XF1 V
=
61,75 0,9 β 50 0,05 154,375
= 0,20
Garis operasi bawah dapat dilukis dari titik y=x=0,05 dengan L
142,625
a. Slope = V = 154,375 = 2,63 b. Intersep =
Wxw V
=β
88,25 54,375
0,05 = β0,081
Penyelesaian 6. Melukis kurva aktual πΈππ =
π¦π βπ¦π+1 π¦πβ βπ¦π+1
Untuk xn = 0,05 EMV = 0,67 Dari titik 0,05 dibuat garis lurus keatas kemudian cari titik potongnya dengan garis operasi dan kurva seimbang, misalkan pada titik A dan C. A (0,05; 0,05) dan C (0,05;0,18). 0,67 =
π¦π β0,05 0,18β0,05
π¦π = 0,14 Xa
0,05
0,20
0,40
0,60
0,80
0,90
EMV
0,67
0,67
0,67
0,50
0,50
0,50
π¦π
0,14
0,46
0,68
0,79
0,89
0,935
Korelasi Empiris ο Efisiensi plate dapat dinyatakan sebagai fungsi dari viskositas dan sifat penguapan relatif suatu komponen. ο Korelasi ini hanya menggunakan (1) atau (2) perubah saja sehinggah tidak dapat digunakan untuk sistem yang kompleks. ο Terbagi menjadi 1.
Korelasi Drickamer dan Bradfort
2.
Korelasi OβConnel
1. Korelasi Drickamer dan Bradfort Pengaruh viskositas terhadap efisiensi kolom telah diteliti oleh Drickamer β Bradfort dan korelasinya dinyatakan oleh persamaan:
ππ¨ = ππ β ππ. π π₯π¨π πππ―π
Dimana Eo
= Efisiensi kolom, %
ΞΌavg
= viskositas umpan rata β rata, Cp.
1. Korelasi Drickamer dan Bradfort Dalam bentuk grafik, hubungan antara ΞΌavg dengan Eo
2. Korelasi O'Connel O'Connel mempelajari pengaruh viskositas dan sifat penguapan relatif komponen kunci ringan terhadap komponen kunci berat kaitannya dengan efisiensi kolom. π₯π¨π ππ¨ = π. ππ β π. ππ π₯π¨π ππ
ππ―π πΆπππ + π. π π₯π¨π (π³β²π΄ π½β²π΄ ) + π. ππ(πΊπ + πͺ π) Dimana : Sm = Static Submergence, ft πΆ = Tinggi slot, ft πΏβ²π = Laju alir cairan. Ibmole/jam ππβ² = Laju alir uap, Ibmole/jam πΌππ£π = Sifat penguapan relatif Lk β Hk
ΞΌFavg = viskositas umpan pada suhu rata β rata kolom.
2. Korelasi O'Connel
Efisiensi kolom dari korelasi OβConnel untuk Distilasi dengan Bubble Cap Tray
Contoh Soal 5 Menara fraksinasi dirancang untuk memisahkan campuran hidrokarbon yang terdiri dari 50% mol C3H8, 30% mole C3H6 dan 20% mole n-C4H10. Diharapkan hasil puncak dan dasar masing-masing mengandung minimal 98 % mole C3 dan maksimal 1 % mole C3. Hitunglah efisiensi kolom dan Jumlah plate aktual Komponen
π·ππ (atm)
C3H8
17.40
C3H6
20.24
n-C4H10
5.00
Komponen
Tc (oC)
Pc (oC)
C3H8
91.4
45.4
C3H6
96.8
42.0
Penyelesaian Dari penyelesaian contoh soal 2 diperoleh 1. Distribusi komposisi seimbang pada puncak menara (T=122oF) Komponen
y
K
x = y/K
C3H6
0,98
1,0
0,98
C3H8
0,02
0,9
0,018
2. Distribusi komposisi seimbang pada puncak menara (T=160oF) Komponen
y
K
x = y/K
C3H6
0,01
1,30
0,0130
C3H8
0,70
1,20
0,8400
n-C4H8
0,29
0,45
0,1305
Penyelesaian 3. Menghitung ο‘avg πΎ 1,0 πΌππ’ππππ = πΎC3H6 = 0,9 = 1,11 C3H8 πΎ
1,3 πΌπππ ππ = πΎC3H6 = 1,2 = 1,0833 C3H8
πΌππ£π = 1,0965
4. Menghitung viscositas pada Tavg πππ£π =
122+160 2
=
141π F
Komponen
ο, Cp
C3H6
0,07
C3H8
0,08
n-C4H8
0,14
Penyelesaian Komponen
xf
C3H6
0,30
C3H8
0,50
n-C4H8
0,20
ΞΌavg = 0,30 0,07 + 0,50 0,08 + 0,20 0,14 = 0,089 Cp Ξ±avg ΞΌavg = 1,0965 x 0,089 = 0,0976 Nideal = 108 buah (dari contoh 2)
Penyelesaian Dengan metode Drickamer dan Bradfort
ΞΌavg = 0,089 Cp Dengan menggunakan Tabel korelasi Drickamer dan Bradfort E0 = 0,8 Naktual =
Nideal E0
=
108 0,8
= 135 buah
Dengan metode OβConnel Ξ±avg ΞΌavg = 1,0965 x 0,089 = 0,0976 Dengan menggunakan Tabel korelasi OβConnel didapat E0 = 0,9 Naktual =
Nideal E0
=
108 0,9
= 120 buah
0,8
0,9
Penentuan Diameter Kolom
Penentuan Diameter Kolom ο Diameter Tray Tower, ditentukan berdasarkan kecepatan linier uap V dibawah kecepatan linier uap maksimal VF dimana banjir atau "flooding" tepat terjadi. ο Banjir atau "Flooding" adalah peristiwa tergenangnya tray oleh cairan yang boleh jadi disebabkan 1. Naiknya kecepatan uap, sementara kecepatan cairannya tetap. 2. Naiknya kecepatan cairan, sementara kecepatan uapnya tetap. ο Flooding, harus dihindari. Sebab tergenangnya tray oleh cairan akan menurunkan efisiensi pemisahaan.
Penentuan Diameter Kolom Dalam perancangan, digunakan kecepatan linier uap sebagai berikut : 1. Jika campuran yang akan dipisahkan cenderung mudah membentuk buih, v = 0,75 VF 2. Jika campuran yang akan dipisahkan tidak mudah membentuk buih, v = 0,85 VF Kecepatan linier uap VF dimana banjir tepat terjadi dihitung dengan persamaan: ππΏ βππ ) ππ
ππΉ = πΆπΉ ( Dimana :
VF = Kecepatan linier uap dimana banjir terjadi, ft/dt CF = Konstanta yang harganya tergantung pada jenis tray
ππΏ = density cairan Ib/cuft ππ = density gas lb/cuft
Penentuan Diameter Kolom Konstanta CF dapat dihitung dengan bantuan persamaan : 1. Bubble Cap Tray πΆπΉ = π log
1 πΏβ²
πβ²
ππ
0.5
+π
π 0.2 20
+π
π 0.2 5π΄β 20 π΄π
ππΏ
2. Perforated / Sieve Tray πΆπΉ = π log
1 πΏβ²
πβ²
ππ
0.5 ππΏ
+ 0.5
Penentuan Diameter Kolom Dimana Lβ, Vβ
= Kecepatan massa cairan ; gas, lb/jam, ft2
ο³
= Tegangan permukaan cairan, lb/ft
a;b
= Konstanta yang harganya tergantung pada jenis tray dan rentang batas harga
Ah
= Luas lobang per tray
Aa
= Luasan aktif
πΏβ²
πβ²
ππ
ππΏ
0.5
Penentuan Diameter Kolom
Penentuan Diameter Kolom Diameter kolom, ft
Tray Spacing, in
Kurang dari 4 ft
18 - 20
4 - 10
24
10 - 12
30
12 - 24
36
Penentuan Diameter Kolom Secara grafis, kecepatan linier uap maksimal dimana banjir tepat terjadi dapat diperkirakan dengan menggunakan korelasi Fair's
Korelasi ini, penggunaannya terbatas pada suatu sistem 1. Tegangan permukaannya 20 Dyne/cm Untuk sistem dengan tegangan permukaan lain, maka harga parameter Csb, perlu dikoreksi dengan : Csb / (Csb)ο³=20 = (ο³/20)0,2 2. Perbandingan luas lobang tiap luasan aktif = 0,10. Untuk harga luas lobang tiap luasan aktif 0,08 dan 0,06 maka harga Csb perlu dikalikan dengan 0,90 dan 0,80. 3. Tidak atau hanya sedikit menimbulkan buih.
Penentuan Diameter Kolom
korelasi Fair's
Penentuan Diameter Kolom Pada suatu nilai absis (L/V) (ο²v/ο²L)0.5 tertentu, maka harga ordinat Csb dapat dibaca pada berbagai tray β spacing , t. Dari harga Csb, maka kecepatan linier uap dimana-flooding terjadi dapat dihitung. πΆπ π (ππ£ ππΏ βππ£ )0.5
π£πΉ =
Diameter kolom D dapat dihitung dengan persamaan π΄=
π π£
π·=
4π ππ£
Dimana Q = Kecepatan volume uap, ft3/dt
V = Kecepatan linier uap, tergantung pada sifat campuran, ft/dt
Contoh Soal 6 Tray Tower yang bekerja pada tekanan 1 atm direncanakan untuk memisahkan campuran 60% mol benzene dan 40% mol Toluene. Diharapkan hasil puncak dan dasar masing-masing mengandung 95% dan 5% mol benzene. Jika umpan dimasukkan pada titik didihnya dengan kecepatan 13.100 lb/jam. Hitunglah diameter jika tray yang dipakai adalah jenis sieve tray dimana luas downcomer adalah 12% dari luas penampang menara. Data :
ο Densitas cairan rata-rata = 43,3 lb/ft3 ο Densitas uap pada puncak dan dasar menara : 0,168 dan 0, 182 lb/ft3 ο Viskositas cairan rata-rata = 0,32 cp ο Perbandingan refluk = 4 ο Tegangan permukaan = 20 Dyne/cm
0,43 0,425
