70
THE EFFECT OF ETHANOL-WATER COMPOSITION VARIATION IN ACETONE-ETHANOL-WATER-n-BUTANE MIXTURES ON THE PERFORMANCE OF DISTILLATION COLUMN Iryanti Fatyasari Nata§ ABSTRAK Campuran aseton (1)/etanol (2)/air (3)/n-butanol (4) dapat diperoleh dari fermentasi molases dengan bantuan mikroorganisme clostridium acetobutilycum. Variasi komposisi umpan yang paling baik menghasilkan kemurnian etanol 97,6% berat dengan recovery etanol 95,55%. Pada penelitian ini dilihat pengaruh variasi komposisi etanol dan air sebagai umpan masuk kolom etanol. Desain kolom distilasi dengan simulasi komputer dalam bahasa VISUAL FORTRAN 5.0. Perhitungan secara ekstensif (rigorous) menggunakan metode Wang-Henke dengan memperhatikan perancangan non equal molar overflow dan campuran non ideal. Koefisien aktifitas untuk cairan non ideal diprediksi dengan persamaan UNIQUAC. Kinerja kolom terhadap perubahan komposisi ini dibatasi dengan media pendingin air pada kondensor. Kata kunci: simulasi, kolom distilasi, kemurnian etanol. ABSTRACT Fermenting molasses using clostridium acetobutilycum can produce a mixture of acetone (1)/ethanol (2)/water (3)/n-butanol (4). Varying composition (ethanol-water) can increase the purity of ethanol 97.6-wt % with recovery 95.55%. This work is primarily concerned with the variation of ethanol-water composition. Distillation columns were designed using computer programs written in VISUAL FORTRAN 5.0. A rigorous equilibrium based calculation method due to Wang-Henke that taking into account the effects of non-equal molar overflow and non-ideal vapor-liquid equilibrium was used in this study. UNIQUAC, a method of estimating activity coefficient in non-ideal liquid mixtures, was used to model the vapor–liquid equilibrium. The column performance was studied by varying the composition that is constrained by the cooling water temperature in the condenser. Keywords: simulation, distilation column, purity of ethanol.
1. PENDAHULUAN Campuran aseton-etanol-air-n-butanol dapat diperoleh dari fermentasi molasses sebagai limbah pabrik gula. Pada fermentasi ini bakteri yang mampu mengkonversi bahan tersebut adalah Clostridium acetobutylicum (Roffler dkk. 1987). Dalam merancang kolom distilasi masalah utama adalah menentukan jumlah plate, letak plate umpan, refluks rasio, beban kondensor dan reboiler. Perhitungan distilasi multikomponen memerlukan penyelesaian yang simultan dari neraca massa, neraca panas, kesetimbangan uapcair (VLE) dari sistem. Selain itu perlu dihitung distribusi komponen, temperatur, laju alir cairan dan uap tiap plate. Dari segi termodinamika persoalan kesetimbangan akan bertambah rumit karena campuran aseton-etanol-air-n-butanol merupakan campuran yang tidak ideal. Oleh karena itu penyelesaian persamaan yang lebih teliti secara analitis sukar dilakukan. Selain itu waktu yang diperlukan lebih banyak. Dengan kemajuan teknologi persoalan tersebut dapat diselesaikan dengan simulasi komputer seperti yang dilakukan pada penelitian ini. §
Roffler dkk. (1987) menggunakan empat buah kolom distilasi untuk memisahkan campuran aseton-etanol-air-n-butanol yang terdiri dari kolom aseton, kolom etanol, water stripper dan butanol stripper. Kolom aseton beroperasi pada tekanan 0.7 atm dan kolom etanol 0,3 atm, water stripper 0,3 atm dan butanol stripper 1,5 atm dengan komposisi produk atas aseton 99,5% berat, produk atas etanol 95% berat dan produk bawah butanol 99,7% berat. Proses Pemisahan Aseton-Etanol-Air-nButanol Pemisahan ini diawali dari produk atas beer stripper yang mengandung 70 % berat air dan 30 % berat aseton-etanol-n-butanol (lihat Gambar 1). Produk atas dari beer stripper diumpankan ke kolom aseton. Kolom aseton menghasilkan produk atas 99,5 % berat berupa aseton pada 0,7 atm. Produk bawah diumpankan ke kolom etanol yang beroperasi 0,3 atm. Kolom ini menghasilkan 95 % berat etanol dan produk bawah diumpankan ke decanter. Selain dari kolom etanol, decanter menerima umpan dari produk atas water stripper dan butanol stripper. Fasa kaya air mengandung sekitar 95 % berat butanol dan
Prodi. T. Kimia, FT Univ. Lambung Mangkurat, Jl. A. Yani Km. 36 Banjarbaru, Kalsel 70714 E-mail:
[email protected]
Majalah IPTEK - Vol. 16, No. 2, Mei 2005
71 99,5 % berat Aseton Kolom Aseton
0,7 atm Kolom Etanol
95 % berat Etanol 0,3 atm
Decanter
1,5 atm
Beer Stipper Steam
Water Stripper 0,3 atm
Hasil fermentasi Waste Air
1,5 atm
Butanol Stripper
99,7 % n-butanol
Gambar 1. Proses pemisahan campuran aseton-etanol-air-n-butanol. diumpankan ke water stripper. Fasa kaya butanol mengandung sekitar 23 % berat air diumpankan ke butanol stripper. Water stripper beroperasi pada 0,3 atm dengan produk bawah air dengan kandungan 0,01 % berat. Butanol stripper beroperasi pada 1,5 atm dengan produk bawah 99,7 % berat n-butanol. Diagram alir proses tersebut dapat dilihat dalam Gambar 1. Penelitian selanjutnya mengkondisikan tekanan kolom pemisah (aseton dan etanol) pada tekanan vacuum untuk menghemat utilitas/energi yang digunakan pada proses pemisahan. Hasilnya adalah kemurnian aseton 99,5% berat dan etanol 75,6% berat dengan kondisi operasi 0,6 atm untuk kolom aseton dan 0,2 atm untuk kolom etanol (Handogo dkk. 2001). Metode Bubble Point (Wang-Henke) Untuk Perhitungan Distilasi Kolom distilasi denagn model skematik Countercurrent Cascade N (Gambar 2.2) plate kesetimbangan meliputi empat golongan persamaan (MESH Equation) sebagai berikut:
Persamaan M (material balance) untuk tiap komponen (C persamaan untuk tiap plate). Mi,j = Lj-1Xi,j-1+Vj-1yi,j+1+Fjzi,j-(Lj)Xi,j–(Vj)yi,j =0 .......(1) Persamaan E (equilibrium relation) untuk tiap komponen (C persamaan untuk tiap plate). Ei,j = yi,j – Ki,j xi,j .......(2) Ki,j = rasio kesetimbangan fasa Persamaan S (summation of mole fraction) untuk tiap-tiap plate. c
(Sy ) j yi, j 1,0 0
.......(3)
(Sx ) j x i, j 1,0 0
.......(4)
i 1 c
i 1
Persamaan H (enthalpy balance) untuk masingmasing plate Hj = Lj-1HL,j-1+Vj+1Hv,j+1+FjHF-(Lj)HL,j –(Vj)HV,j-Qj = 0 .......(5) Dengan pengabaian perubahan energi potensial dan kinetik.
Vol. 16, No. 2, Mei 2005 - Majalah IPTEK
72
V1 Q1
F1
Plate 1
V2
W2
U1
L1
F2
Plate 2
V3
W3
U2
Wj Fj
Uj-1
Lj-1 Vj+1
Plate j
Wj+1
Uj
Lj
WN-1
UN-2
LN-2
FN-1
Plate N-1
VN
WN
UN-1
LN-1
QN
FN
Plate N
LN
Gambar 2. Model skematik Countercurrent Cascade N plate kesetimbangan Selain 5 persamaan di atas terdapat persamaan neraca massa total dari plate 1 sampai j yang merupakan kombinasi dari Persamaan (3) atau (4) dengan Persamaan (1). j
L j Vj1 (Fm Wm - U m ) V1
.......(6)
m 1
Untuk pemisahan campuran aseton-etanolair-n-butanol, prediksi kesetimbangan uap-cair (VLE) dan cair-cair (LLE telah banyak dilakukan seperti yang dipublikasikan oleh Gmehling dan Ongken (1977), Ismartono dan Syamsul (1997) dan Wiryanto dan Teddy (1999). Tekanan uap jenuh suatu zat dapat diestimasi dengan persamaan Antoinne (Prausnitz dkk. 1977), sedangkan harga koefisien aktifitas komponen dalam campuran dapat dihitung dengan korelasi UNIQUAC (Walas 1985). Untuk data entalpi uap dan cairan diprediksi dari Reid dkk. (1987). Algoritme Matriks Tridiagonal Algoritme matriks tridiagonal yang digunakan Wang-Henke dikembangkan oleh Thomas, dengan mengeliminasi y dan L dari neraca massa (M) (Henley dan Seader 1981).
Majalah IPTEK - Vol. 16, No. 2, Mei 2005
Laju Alir Uap dan Cairan pada Tiap Plate Laju alir uap dapat dihitung dengan persamaan neraca entalpi (Henley dan Seader 1981): jVj + jVj+1 = j .......(7) dengan j= HLj-1- Hvj .......(8) j= HVj-1- HLj .......(9) j 1
j ( (Fm Wm U m ) V1 )(HL j HL j1 ) Fj (HL j HFj ) m 1
.....(10) Secara umum harga aliran uap pada tiap plate adalah: j1 α j1Vj1 .....(11) V j
β j1
Laju alir cairan pada tiap plate dapat dihitung: j
Lj = Vj+1 + (Fm - U m - Wm ) - V1 m 1
Kebutuhan energi kondensor dihitung berdasarkan persamaan: N
N 1
j1
j1
.....(12) dan
reboiler
Q N (FjH F j U jH Lj WjH Vj ) Q j V1H V1 L N H LN
.....(13)
73
Kriteria Konvergensi Kriteria yang disarankan Wang-Henke merupakan jumlah dari error tiap plate yang dikuadratkan. Hal ini tidak menunjukkan error tiap-tiap plate yang memenuhi toleransi, sehingga dibuat kriteria konvergensi yang berdasarkan error tiap plate yang memenuhi toleransi. .....(14) Tj(k) Tj(k 1) ε
Harga merupakan harga toleransi suhu tiap-tiap plate, sehingga dengan kriteria ini dapat memeriksa perbedaan suhu iterasi tiap-tiap plate agar memenuhi error yang ditoleransi. 2. METODOLOGI PENELITIAN Pengerjaan dibagi dalam dua tahap, yaitu tahap perancangan kolom dan tahap unjuk kerja kolom etanol berdasarkan perubahan komposisi mol etanol dalam umpan. Program yang digunakan adalah program yang dibuat sendiri dengan menggunakan bahasa FORTRAN. Asumsi yang digunakan dalam perhitungan ini adalah: - Gas ideal dan beda tekanan tiap plate sebesar 0,0034 atm - umpan dan refluks masuk cairan jenuh (saturated liquid) - kolom distilasi sederhana dengan menggunakan kondensor total dan reboiler parsial - efisiensi plate 100 % Basis perhitungan: 1000 gmol/jam Komposisi variasi umpan berupa cairan dengan perubahan komposisi mol etanol dan air dengan mol aseton dan butanol konstan (Tabel 1). Tabel 1. Komposisi variasi umpan Fraksi mol Komposisi ke- Aseton
Etanol
Air
n-Butanol
1
0,00032
0,01117
0,92446
0,06405
2
0,00032
0,11117
0,82446
0,06405
3
0,00032
0,21117
0,72446
0,06405
4
0,00032
0,31117
0,62446
0,06405
5
0,00032
0,41117
0,52446
0,06405
6
0,00032
0,51117
0,42446
0,06405
7
0,00032
0,61117
0,32446
0,06405
8
0,00032
0,71117
0,22446
0,06405
9
0,00032
0,81117
0,12446
0,06405
10
0,00032
0,91117
0,02446
0,06405
Tekanan kolom etanol, atm: 0,2 Jumlah plate kolom, buah: 30 Letak plate umpan, ke-: 7
Kolom Pemisah Etanol Pada penelitian ini, peneliti mencoba memvariasikan komposisi umpan masuk kolom etanol dengan variasi pada mol etanol dan air sedangkan mol aseton dan n-butanol konstan. Hal ini dilakukan karena pada komposisi umpan yang diperoleh dari penelitian terdahulu (Handogo dkk. 2001) kemurnian serta recovery etanol sebagai produk atas sangat rendah yaitu 75,6 % berat dan recovery 56,56% . Dengan variasi komposisi umpan diharapkan kemurnian dan recovery etanol dapat meningkat dan dapat dilihat pula kinerja dari kolom. Algoritme Perhitungan Metode Bubble Point dari Wang-Henke 1. Spesifikasi problem meliputi: Komposisi, kondisi termal dan lokasi umpan masuk, tekanan tiap plate, laju alir side stream, perpindahan panas dari dan menuju tiap plate, kecuali untuk plate ke-1 (kondensor) dan plate ke-N (reboiler), jumlah plate total.Memasukkan harga, tekanan kolom, jumlah plate, letak plate umpan, laju produk atas dan refluks rasio. 2. Menghitung harga awal untuk variable Tj dan Vj. 3. Menghitung komposisi tiap plate (xi,j) dengan metode Thomas. 4. Menormalisasi komposisi (xi,j) tiap plate 5. Menghitung (Tj) baru dari perhitungan bubble point tiap plate dengan harga komposisi yang dihitung dari tridiagonal matrik. 6. Menghitung kebutuhan beban kondensor (Q1) dan beban reboiler (QN). 7. Menghitung laju alir uap (Vj) dan cairan (Lj) tiap plate dari persamaan neraca panas dalam bentuk matrik didiagonal. 8. Menguji toleransi error pada Persamaan (14), bila memenuhi perhitungan selesai dan bila tidak memenuhi maka ulangi perhitungan kembali pada langkah 3. Pada tahap unjuk kerja kolom akan dipelajari pengaruh perubahan komposisi mol umpan terhadap refluks rasio, kemurnian etanol, laju destilat, recovery etanol dan beban reboiler dan kondensor. Perubahan ini dapat dilihat pengaruhnya profil suhu tiap plate, komposisi cairan tiap plate, komposisi uap tiap plate dan laju alir molar uap dan cairan tiap plate. Algoritme perhitungan jumlah plate kolom dengan metode Wang-Henke: 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Penentuan Jumlah Plate Kolom Etanol Untuk mendapatkan spesifikasi produk yang diinginkan, penentuan jumlah plate merupakan salah satu masalah penting dalam kolom distilasi. Vol. 16, No. 2, Mei 2005 - Majalah IPTEK
74
Mulai
Spesifikasi : Fj,Xfi,j, kondisi feed (TFj,PFj,HFj), Pj, N, NF, D (laju distilat ), R (refluk rasio) Set k = k+1 Initialize tear variables Tj,Vj (nilai tebakan awal untuk variabel Tj,Vj)
Menghitung x dengan metode Thomas
Menormalisasi xi,j tiap plate
Menghitung Tj baru dari perhitungan bubble point
Menghitung Q1 dan QN
Dievaluasi secara bergiliran
Menghitung Vj dan Lj tidak (Tj baru-Tj)< Ya selesai
Gambar 3. Algoritme metode bubble point Wang-Henke Dalam penentuan jumlah plate tidak terlepas dari penentuan letak plate umpan dan harga refluks rasio untuk penggunaan kebutuhan energi reboiler dan kondensor yang minimum. Penentuan jumlah plate kolom etanol dicari setelah memperoleh komposisi produk bawah kolom aseton. Kemurnian etanol hasil penelitian Roffler (1987) mencapai 95% berat. Perhitungan kolom etanol yang dihasilkan Roffler berdasarkan shortcut, pada penelitian ini dilakukan perhitungan secara ekstensif (rigorous) dengan metode WangHenke. Kemurnian etanol yang diperoleh dari metode Wang-Henke hanya mencapai 75,6% berat. Untuk kemurnian etanol yang lebih tinggi perhitungan tidak konvergen. Hal ini menunjukkan bahwa perhitungan secara shotcut harus dikaji ulang dengan perhitungan ekstensif (rigorous). Pengaruh Letak Plate Umpan terhadap Refluks Rasio dan Kebutuhan Energi Reboiler Penentuan letak plate umpan sangat penting, karena berpengaruh terhadap karakteristik kolom terutama harga refluks rasio dan beban reboiler. Pada kolom etanol 0,3 atm letak plate umpan hanya pada plate tertentu, misalnya untuk jumlah plate 30, letak plate umpan hanya pada plate ke-7 Majalah IPTEK - Vol. 16, No. 2, Mei 2005
di bawah kondensor dengan kemurnian etanol 75,6% berat, recovery etanol 55,56% dan recovery air 99,6%. Letak plate umpan di bawah atau di atas plate ke-7 perhitungan tidak konvergen untuk kemurnian dan recovery etanol yang ditetapkan. Hal ini disebabkan campuran yang dipisahkan mempunyai perbandingan komposisi etanol terhadap air yang cukup besar yaitu 1:92, sehingga campuran tersebut merupakan larutan aseton-etanol-n-butanol yang sangat encer. Dalam larutan tersebut etanol lebih sukar menguap. Jadi diambil letak plate umpan ke-7 dan dianggap refluks rasio dan kebutuhan energi reboiler yang minimum. Pada proses lain produksi aseton-etanol-nbutanol (Dagdar Ali M dan Gary L. Fouth. 1988) air yang dihasilkan dari fermentasi diekstraksi dengan 2-ethyl-1-heksanol, sehingga umpan kolom pemisah aseton dan etanol tidak mengandung air. Dengan metode yang sama perhitungan dilakukan pada proses ini, kemurnian etanol mencapai 99% berat etanol dan n-butanol 98,7% berat. Hal ini membuktikan bahwa komposisi air sangat berpengaruh terhadap distribusi dan kesetimbangan sistem. Distribusi etanol tiap plate untuk sistem aseton-
75
Komposisi cairan etanol, X(2)
1.0 0.9 0.8 0.7
dengan air
0.6
tanpa air
0.5 0.4 0.3
fungsi linier dari komposisi mol etanol dalam umpan.
Refluk rasio
etanol-air-n-butanol yang mengandung dan tanpa air dapat dilihat pada Gambar 4. Sebagai dasar perhitungan pada kolom etanol dengan tekanan total kolom berdasarkan kinerja kolom etanol terhadap perubahan tekanan untuk mengetahui pengaruh terhadap refluks rasio (R), temperatur atas kolom (Ttop), kebutuhan energi reboiler (QR) dan energi kondensor (QC) yang minimum beroperasi pada tekanan 0,2 atm (Renanto dkk. 2001). Spesifisikasi yang dihasilkan adalah: Tekanan total kolom etanol = 0,2 atm Jumlah plate kolom, buah = 30 Letal plate umpan, ke=7 Beda tekanan tiap plate = 0,0034 atm Media pendingin kondensor = air Data diatas dijadikan dasar untuk mensimulasikan berbagai komposisi etanol-air dalam umpan untuk memperoleh kemurnian dan recovery etanol yang lebih tinggi.
24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0.01 0.11 0.21 0.31 0.41
0.51 0.61 0.71 0.81 0.91
XF(2) etanol
Gambar 5. Hubungan komposisi mol etanol dalam umpan (XF(2)) dengan refluks rasio (R). Dari segi kebutuhan panas dan pendingin kolom etanol semakin besar komposisi mol etanol dalam umpan semakin besar kebutuhan panas dari 2,384613.106 menjadi 8,72975.106 kal/jam meningkat 266% dan kebutuhan pendingin dari 2,296615.106 menjadi 8,828391.106 kal/jam menurun 284%. FhF + QR – QC – DhD – BhB = 0 B=F–D QR = DhD + BhB - FhF + QC = DhD + BhB - DhB - FhF = D (hD-hB) + FhB - FhF
0.2 0.1 0.0 1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
Plate ke- N
Gambar 4. Hubungan komposisi cairan etanol (XF(2)) terhadap plate ke-N untuk sistem asetonetanol-air-n-butanol dengan dan tanpa air. Pengaruh Komposisi Mol Etanol dalam Umpan terhadap Refluk Rasio, Laju Destilat dan Kebutuhan Reboiler dan Kondensor Dengan bertambahnya komposisi mol etanol dalam umpan, dimana komposisi mol air berkurang dan komposisi mol aseton dan butanol konstan menyebabkan komposisi mol etanol naik dan komposisi mol butanol akan turun. Gambar 5. menunjukkan pengaruh komposisi mol etanol dalam umpan terhadap refluk rasio. Semakin besar komposisi mol etanol dalam umpan semakin kecil refluk rasionya. Sedangkan Gambar 6 menunjukkan hubungan antara komposisi mol etanol dalam umpan dengan terhadap laju alir molar produk atas (destilat). Semakin besar komposisi mol etanol dalam umpan semakin besar laju alir molar produk atas, hal ini dapat juga dilihat dari hubungan L = R/D. Hal ini menunjukkan pula bahwa laju alir molar produk atas merupakan
Dari persamaan QR dapat dilihat beban panas reboiler dan kondensor yang berpengaruh adalah laju molar produk atas (D), entalpi produk atas dan entalpi produk bawah. Untuk perubahan komposisi mol etanol dalam umpan menyebabkan laju alir produk atas (destilat) semakin besar, hal ini menyebabkan kenaikan beban reboiler dan kondensor. Dari hasil variasi komposisi mol etanol dalam umpan diperoleh pada komposisi mol etanol paling besar akan menghasilkan kemurnian etanol yang paling tinggi yatu 97,6% berat. Gambar 7 menunjukkan hubungan antara komposisi mol etanol dalam umpan terhadap beban kondensor dan reboiler. Semakin besar komposisi mol etanol dalam umpan semakin besar beban kondensor dan reboiler, tetapi pada komposisi umpan ke-7 yaitu mol etanol sebesar 0,61 beban kondensor dan reboiler paling tinggi. Pada komposisi ke-8 yaitu mol etanol 0,71 beban reboiler dan kondensor semakin turun sampai komposisi umpan ke-10, hal ini disebabkan kompisisi etanol yang semakin besar sehingga penguapan yang terjadi lebih cepat dan energi yang dibutuhkan juga semakin kecil.
Vol. 16, No. 2, Mei 2005 - Majalah IPTEK
1000
100
900
95
800
90
Recovery etanol (%)
Laju Destilat (gmol/j)
76
700 600 500 400 300 200
85 80 75 70 65 60
100
55
0
50 0.01 0.11 0.21 0.31 0.41
0.51 0.61 0.71 0.81
0.91
0.01 0.11 0.21 0.31 0.41 0.51 0.61 0.71 0.81 0.91
XF(2) e tanol
1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
XF(2) etanol
Gambar 8. Hubungan komposisi mol etanol dalam umpan (XF(2)) dengan recovery etanol pada produk atas (REC). 1.0
Reboiler
0.9
Kondensor
Kemurnian etanol ( % )
Kebutuhan Energy,107(kal/j)
Gambar 6. Hubungan komposisi mol etanol dalam umpan (XF(2)) dengan laju alir molar produk atas (D).
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.01 0.11 0.21 0.31 0.41
0.01 0.11 0.21 0.31 0.41 0.51 0.61 0.71 0.81 0.91
XF(2) etanol
0.51 0.61 0.71 0.81 0.91
XF(2) etanol
Gambar 7. Hubungan komposisi mol etanol dalam umpan (XF(2)) dengan beban reboiler (QR) dan kondensor (QC).
Gambar 9. Hubungan komposisi mol etanol dalam umpan (XF(2)) dengan kemurnian etanol pada produk atas (XD(2)).
Pengaruh Komposisi Mol Etanol dalam Umpan terhadap Recovery etanol, Kemurnian Etanol dan Distribusi Mol Etanol tiap Plate Hubungan antara komposisi mol etanol dalam umpan terhadap recovery etanol ke produk atas ditunjukkan oleh Gambar 8, menyebabkan recovery air sebagai komponen yang lebih sukar menguap akan berkurang sehingga recovery etanol sebagai produk atas akan semakin besar pula. Gambar 9 menumjukkan profil kemurnian etanol pada tiap komposisi mol etanol. Profil distribusi komposisi etanol tiap plate pada berbagai komposisi mol etanol dalam umpan ditunjukkan oleh Gambar 10. Dengan bertambahnya komposisi mol etanol dalam umpan menyebabkan komposisi etanol sebagai produk atas semakin besar. Hal ini disebabkan komposisi komponen yang lebih mudah menguap semakin besar dalam umpan sehingga kemurnian etanol sebagai produk atas juga bertambah. Pada Tabel 2 ditampilkan kemurnian etanol yang dihasilkan untuk berbagai macam komposisi mol etanol dalam umpan.
Perubahan komposisi umpan masuk kolom etanol menyebabkan penurunan refluks rasio dari 21,248 menjadi 0,01 menurun 99,9% dan laju distilat dari 10 menjadi 874 dengan recovery etanol 55,547% dan produk 75,6% berat etanol menjadi recovery etanol 95,552% dan produk 97,6% berat etanol. Dengan penambahan komposisi etanol dalam umpan, komponen ringan (light key) lebih mudah menguap.
Majalah IPTEK - Vol. 16, No. 2, Mei 2005
Tabel 2. Kemurnian etanol dalam berbagai komposisi umpan Komposisi (Fraksi Mol) No
Aseton
Etanol
Air
n-butanol
Kemurnian (%)
1
0,00032
0,01117
0,92446
0,06405
0,75598
2
0,00032
0,11117
0,82446
0,06405
0,84251
3
0,00032
0,21117
0,72446
0,06405
0,83944
4
0,00032
0,31117
0,62446
0,06405
0,85234
5
0,00032
0,41117
0,52446
0,06405
0,86695
6
0,00032
0,51117
0,42446
0,06405
0,88995
7
0,00032
0,61117
0,32446
0,06405
0,91193
8
0,00032
0,71117
0,22446
0,06405
0,91587
9
0,00032
0,81117
0,12446
0,06405
0,93940
10
0,00032
0,91117
0,02446
0,06405
0,97602
77
1
1.00 0.90
0.8
komposisi etanol (1)
0.7
komposisi etanol (2) komposisi etanol (3)
0.6
komposisi etanol (4)
0.5
komposisi etanol (5) komposisi etanol (6)
0.4
komposisi etanol (7)
0.80
Komposisi cairan, x
Komposisi cairan, x
0.9
0.70 0.60 komposisi etanol (1) 0.50
komposis etanol (10)
0.40 0.30
0.3
komposisi etanol (8)
0.20
0.2
komposisi etanol (9) komposisi etanol (10)
0.10 0.00
0.1
0
2
4
6
8
10 12
14
16
18 20
22
24
26 28
30
Plate ke- N
0 1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 Plate ke- N
Gambar 10. Profil distribusi komposisi mol etanol tiap plate dalam variasi komposisi mol etanol dalam umpan.
Gambar 11. Profil komposisi mol cairan tiap plate kolom etanol komposisi umpan ke-1 dan ke-10. 1.00 0.90
Pengaruh Variasi Komposisi Umpan terhadap Distribusi Komponen Kunci Gambar 11 menunjukkan profil komposisi mol cairan etanol tiap plate untuk variasi komposisi umpan masuk kolom yaitu komposisi ke-1 dan ke-10. Untuk komposisi ke-1 pada bagian stripping (di bawah plate umpan) kenaikan komposisi cairan mol etanol konstan, sedangkan bagian enriching (di atas plate umpan) komposisi mol cairan bertambah dengan cepat dari 0,01547 mol menjadi 0,03406 mol sampai komposisi etanol mencapai 0,60229 mol (75,6 % berat) pada plate ke-1. Untuk komposisi ke-10 pada bagian stripping (di bawah plate umpan) kenaikan komposisi cairan mol etanol konstan, sedangkan bagian enriching (di atas plate umpan) komposisi mol cairan bertambah dengan konstan sampai komposisi etanol mencapai 0,96471 mol (97,6 % berat) pada plate ke-1. Hal ini juga berlaku untuk komposisi mol uap etanol yang ditunjukkan Gambar 12, distribusi mol uap etanol meningkat pada bagian enriching (setelah plate umpan).
0.80
Komposisi uap, y
Unjuk Kerja Kolom Etanol Kinerja kolom etanol terhadap perubahan komposisi umpan untuk mengetahui pemisahan campuran etanol-etanol-air-n-butanol menjadi produk etanol yang lebih murni. Umpan yang akan dipisahkan merupakan cairan jenuh dengan perubahan mol etanol dalam umpan dengan mol aseton dan n-butanol konstan. Hal ini akan mempengaruhi profil suhu, komposisi uap dan cairan serta laju alir molar uap dan cairan tiap plate. Pada unjuk kerja ini ditampilkan komposisi mol etanol dalam umpan asal (komposisi ke-1) dan yang paling besar (komposisi ke-10) kemurnian etanol sebagai produk akhir.
0.70 aseton(1) etanol (2)
0.60 0.50
air (3) n-butanol (4)
0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
Plate ke- N
Gambar 12. Profil komposisi mol uap tiap plate kolom etanol komposisi umpan ke-1 dan ke-10 Untuk komposisi ke-1 pada bagian stripping ini terjadi kenaikan mol etanol yang konstan dari plate ke-30 sampai plate ke-7. Hal ini disebabkan campuran umpan yang masuk sangat encer. Perbandingan komposisi umpan antara komponen kunci ringan (light key) dengan komponen kunci berat (heavy key) sangat besar, yaitu 1:92. Komposisi komponen berat yang sangat besar menyebabkan mol etanol lebih sukar menguap. Distribusi mol cairan maupun uap etanol pada bagian stripping kenaikannya sangat kecil. Untuk komposisi ke-10 pada bagian stripping dan enriching ini terjadi kenaikan mol etanol yang konstan dari plate ke-30 sampai plate ke-1. Pada bagian enriching mulai terjadi pemisahan etanol dari campurannya. Kenaikannya komposisi mol etanol lebih cepat pada bagian enriching karena kandungan komponen berat (air) berkurang, sehingga fraksi kaya etanol semakin besar. Perubahan komposisi umpan dari menyebabkan distribusi mol cairan maupun uap etanol cepat naik karena kandungan air berkurang. Perubahan komposisi umpan berpengaruh pada kesetimbangan uap-cair (VLE) sistem, yaitu relative volatility () semakin besar yang menyebabkan proses pemisahan lebih cepat. Distribusi keempat komponen tiap plate Vol. 16, No. 2, Mei 2005 - Majalah IPTEK
78
untuk komposisi ke-1 dan ke-10 dapat dilihat pada Gambar 4.13 dan Gambar 4.14. Pengaruh Variasi Komposisi Umpan terhadap Temperatur tiap Plate Profil temperatur kolom aseton tiap plate variasi komposisi umpan masuk kolom yaitu komposisi ke-1 dan ke-10 ditujukkan Gambar 15. Bagian bawah kolom ditunjukkan nomor plate yang paling besar dan terus mengecil sampai bagian atas kolom. Temperatur di bagian stripping menurun secara konstan, kemudian terjadi penurunan yang tajam di daerah sekitar plate umpan. Pada bagian atas kolom penurunan temperatur konstan kembali. Temperatur atas kolom 312,07 K dan bawah kolom 322,4 K untuk komposisi ke-1 dan komposisi ke-10 temperatur atas kolom 311,27 K dan bawah kolom 334,55 K. Perhitungan temperatur tiap plate pada kolom berdasarkan metode bubble point yang tergantung dari tekanan dan komposisi cairan tiap plate.
1.0 0.9
Komposisi cairan, x
0.8 0.7 X(1) = aseton
0.6
X(2) = etanol
0.5
X(3) = air
0.4
X(4) =n-butanol
0.3 0.2 0.1 0.0 1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
Jumlah plate , N
Gambar 13. Profil komposisi mol cairan tiap plate kolom etanol komposisi ke-1. 1.00 0.90
Komposisi cairan, x
0.80 0.70 aseton(1) etanol (2) air(3) n-butanol (4)
0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 0
2
4
6
8
10
12
14 16
18
20 22
24
26
28 30
Plate ke- N
Gambar 14. Profil komposisi mol cairan tiap plate kolom etanol komposisi ke-10. Pada bagian stripping terjadi penurunan yang konstan karena distribusi mol cairan yang cenderung konstan (lihat Gambar 14), sehingga temperatur tiap plate mengikuti perubahan komposisi. Pada bagian enriching profil temperatur penurunannya tajam (T) besar. Hal Majalah IPTEK - Vol. 16, No. 2, Mei 2005
ini disebabkan bertambahnya komposisi cairan dari umpan (xF). Pada saat mendekati bagian atas kolom penurunan temperatur konstan kembali, karena komposisi cairan light key mendekati murni.
Gambar 15. Profil temperatur tiap plate kolom etanol komposisi ke-1 dan komposisi ke-10. Perubahan komposisi mol umpan menyebabkan kenaikan temperatur pada tiap plate sampai 10 K. Kenaikan temperatur ini disebabkan kenaikan tekanan tiap plate. Perhitungan tekanan kolom tergantung pada tekanan total kolom, sehingga berkurangnya tekanan tiap plate menyebabkan temperatur menurun. Hal ini dapat dilihat dari persamaan di bawah ini: ln P sat = A - (B / C+T) Distribusi temperatur untuk plate yang sama untuk komposisi ke-10 lebih besar daripada komposisi ke-1, sehingga energi yang dibutuhkan untuk kondensor dan reboiler juga bertambah besar. Pengaruh Variasi Umpan Kolom Etanol terhadap Laju Cairan dan Laju Uap tiap Plate Gambar 16 menunjukkan profil laju cairan (Lj) dan laju uap (Vj) tiap plate untuk variasi komposisi umpan masuk kolom yaitu komposisi ke-1. Untuk komposisi ke-1 laju alir cairan bagian stripping bertambah tiap plate konstan 0,4– 0,8 kgmol/jam, kemudian pada bagian enriching naik sampai 215 kgmol/jam pada plate ke-1. Hal ini terjadi karena bagian enriching laju molal cairan tidak diperhitungkan, sehingga kontak antara cairan dan uap menjadi lebih kecil dan uap yang meninggalkan plate dan konsentrasinya meningkat. Pada plate ke-6 konsentrasin uap meningkat karena laju uap bertambah karena umpan yang masuk berupa campuran uap dan cairan (saturated liquid). Gambar 17 menunjukkan komposisi ke-10, laju alir uap bagian striping konstan bertambah tiap plate 4 sampai 6 kgmol/jam, kemudian pada bagian enriching terjadi kenaikan 103,19
79
kgmol/jam pada plate ke-6, selanjutnya kenaikan konstan sampai plate ke-1 sebesar 841 kgmol/jam. Hal ini terjadi karena bagian enriching laju molal cairan tidak diperhitungkan, sehingga kontak antara cairan dan uap menjadi lebih kecil dan uap yang meninggalkan plate dan konsentrasinya meningkat. Pada plate ke-6 konsentrasi uap meningkat karena laju uap bertambah dengan penambahan umpan berupa cairan jenuh (saturated liquid).
Gambar 16. Profil laju cairan dan laju uap tiap plate kolom etanol komposisi ke-1. 10.0 9.0
Laju.106 (gmol/j)
8.0
Nomenklatur Ai,Bi, Ci Aij,Bij, Cij,Dij C Cp E F f H J K L M N P Q Qc QR R R S TR U V W x y Subscri pts
7.0 6.0 Laju cairan (x) 5.0
Laju uap (y)
4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
Jumlah plate , N
Gambar 17. Profil laju cairan dan laju uap tiap plate kolom etanol komposisi ke-10. 4. SIMPULAN Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan: 1. Penentuan jumlah plate etanol tergantung letak plate umpan yang optimum ditunjukkan oleh refluks rasio dan beban panas reboiler yang paling kecil. 2. Variasi komposisi umpan menghasilkan kemurnian etanol 97,6% berat dengan recovery 95,55%. 3. Perubahan komposisi etanol dan air sebagai umpan dalam campuran aseton-etanol-air-nbutanol menyebabkan: penurunan refluks rasio kenaikan kemurnian dan recovery etanol kenaikan beban kondensor dan reboiler kenaikan distribusi temperatur tiap plate kenaikan laju molar uap dan cairan tiap plate
F i j m l v Supersc ripts l sat v Greek Latter
: Konstanta Antoine : Konstanta matrix tridiagonal : Jumlah komponen : Kapasitas panas : Hubungan kesetimbangan : Laju alir : Konstanta fugasitas : Entalpi : Energi : Konstanta distribusi : Laju alir cairan : Persamaan neraca massa : Jumlah plate (termasuk reboiler) : Tekanan uap : Laju perpindahan panas : Beban kondensor : Beban reboiler : Konstanta gas ideal : Refluk rasio : Total fraksi : Temperatur absolut : Aliran samping berupa cairan pada kolom distilasi : Laju alir uap : Aliran samping berupa uap pada kolom distilasi Fraksi mol cairan Fraksi mol uap : Umpan : Indeks komponen : Nomor plate : Nomor plate : Keadaan cair : Keadaan uap
: Keadaan cair : Kondisi saturated : Keadaan uap
: : Total Konstanta toleransi
DAFTAR ACUAN Dagdar, A.M., dan Foutch G.L. (1988), ‘Improving The Acetone-Butanol Fermentation Process with Liquid-Liquid Extraction’, Biotech. Prog., Vol. 4, p. 26. Gmehling, J., dan Onken, U. (1977), ‘VaporLiquid Equilibrium Data Collection’, DECHEMA Chemistry Data Series, I, DECHEMA, Frankfurt. Henley, E. J., dan Seader J. D. (1981), Equilibrium-Stage Separation Operation in Chemical Engineering, John Wiley & Sons, Singapore.
Vol. 16, No. 2, Mei 2005 - Majalah IPTEK
80
Ismartono, T. dan Syamsul, A.W. (1997), Pengukuran Kesetimbangan Uap-Cair Sistem Biner Etanol(1)-n-Butanol(2), Aseton(1)-Etanol(2), dan Aseton(1)-nButanol(2) pada Tekanan Atmosfir, Skripsi S-1, ITS, Surabaya. Prausnitz, J. M., Sherwood, T.K., dan Poling B.E. (1977), The Properties of Gases & Liquid, Edisi 3, McGraw-Hill Book Co., Singapore. Reid, R.C., Prausnitz, J.M, B.E. (1987), The Properties of Gas and Liquid, Mc. Graw Hill International edition, 4th edition, Singapore. Roffler, S., Blanch, H.W, dan Wilke, C.R. (1987), ‘Extractive Fermentation of Acetone and Butanol: Process Design and Economic Evaluation’, Biotech. Prog., Vol. 3, p. 131.
Renanto, H. dan Iryanti , F.N. (2001), ‘Pengaruh Tekanan terhadap Kinerja Kolom Distilasi Aseton dan Etanol pada Pemisahan Campuran Aseton-Etanol-Air-n-Butanol’, Majalah IPTEK, Vol. 3, p. 134. Smith, J.M., dan Van Ness, H.C. (1996), Introduction to Chemical Engineering Thermo-dynamics, 5th ed., McGraw-Hill, Singapore. Walas, S.M. (1985), Phase Equilibrium in Chemical Engineering, Butterworth Publisher, Boston. Wiryanto, dan Teddy, S.W. (1999), Kesetimbangan Uap-Cair Sistem Biner Etanol(1)-Air(2), Aseton91)-Air(2), Air(1)n-Butanol(2) dan Kesetimbangan Caircair Air(1)-n-Butanol(2) pada Tekanan Atmosfir, Skripsi S-1 ITS, Surabaya. Diterima: 06 Desember 2004 Disetujui untuk diterbitkan: 21 April 2005
Majalah IPTEK - Vol. 16, No. 2, Mei 2005
