Column Sizing untuk Packing Column

Simulasi 2 : Distillation Template

4.2 Column Sizing untuk Packing Column

Prosedur desain packed column adalah sebagai berikut : a. Pilih jenis dan ukuran packing.

b. Tentukan tinggi kolom yang diperlukan untuk proses pemisahan yang akan dilakukan.

c. Tentukan diameter kolom (kapasitas) untuk laju alir liquid dan gas tertentu.

d. Pilih dan desain internal kolom: packing support, liquid distributor, redistributor.

a. Pemilihan jenis dan ukuran packing Syarat-syarat pemilihan packing :

 Memiliki luas permukaan yang besar: luas interface yang tinggi antara gas dan liquid

 Memiliki struktur yang terbuka: resistansi yang rendah untuk aliran gas

 Menghasilkan distribusi liquid yang seragam pada permukaan packing

 Menghasilkan aliran gas yang seragam sepanjang penampang kolom

Penyusunan Packing

 Stacked: Disusun secara manual dengan tenaga manusia dan relatif lebih mahal. Biasanya digunakan untuk laju alir gas yang tinggi dan mengharuskan pressure drop yang rendah. Contoh : cooling tower.

 Dumped: Cara yang paling sering digunakan dalam menyusun packing. Tower diisi dengan air dan packing dijatuhkan ke bagian dasar packing support.Cara ini yang paling banyak digunakan di industri proses.

Jenis Packing

 Packing dengan regular geometry : stacked rings, grids dan proprietary structured packings.

 Random peckings : rings, saddles dan proprietary shapes, which are dumped into the column and take up a random arrangement

Gambar.1.23. Tipe packing (a) Raschig rings (b) Pall rings (c) Berl saddle ceramic (d) Intalox saddle ceramic (e) Metal Hypac ( f ) Ceramic, super Intalox

Tabel 1.6. Data Desain untuk Berbagai Packings

size

Bulk ^Surface ^packing densit y area a factor in mm ^(kg/m3) ^(m 2/m3 ) Fpm-1 raching rings 0,5 13 881 368 2100 ceramic 1 25 673 190 525

1,5 38 689 128 310 2 51 651 95 210 3 76 561 69 120 Metal 0,5 13 1201 417 980 (density for carbon

steel) 1 25 625 207 375

1,5 38 785 141 270 2 51 593 102 190 3 76 400 72 105 Pall ring metal ^0,625 16 593 341 230 (density for carbon

steel) 1 25 481 210 160 1,25 32 385 128 92 2 51 353 102 66 3,5 76 273 66 52 plastics ^0,625 16 112 341 320 (density for polypropylene) 1 25 88 207 170 1,5 38 76 128 130 2 51 68 102 82 3,5 89 64 85 52 Intalox saddles 0,5 13 737 480 660 ceramic 1 25 673 253 300 1,5 38 625 194 170 2 51 609 108 130 3 76 577 72

Ring dan Saddle tersedia dari bahan keramik, logam, plastik, dan karbon. Ring yang terbuat dari logam dan plastik (polipropilen), lebih efisien dibandingkan dengan ring yang terbuat dari keramik, karena dapat dibuat lebih tipis. Dibandingkan dengan pall ring dan saddle, Raschig ring per volume harganya lebih murah namun efisiensinya lebih rendah, dan biasanya biaya total kolom akan lebih mahal jika menggunakan raschig ring. Untuk kolom yang baru, biasanya digunakan pall ring dan berl atau intalox saddle.

Pemilihan material packing

Untuk Pemilihan material packing bergantung pada jenis fluida dan temperatur operasi.

 Packing keramik dipilih jika liquid yang digunakan bersifat korosif; namun keramik tidak cocok untuk basa kuat.

 Packing plastik lemah terhadap beberapa pelarut organik dan hanya dapat digunakan sampai temperatur moderat (tidak terlalu tinggi), maka tidak cocok untuk kolom distilasi.

 Jika kondisi operasi kolom cendedrung tidak stabil, maka sebaiknya digunakan packing logam, karena keramik akan mudah pecah.

Ukuran packing

Secara umum, ukuran maksimum packing yang digunakan dalam kolom adalah 50 mm. Packing yang lebih kecil lebih mahal daripada packing yang lebih besar. Jika digunakan packing dengan ukuran diatas 50 mm, maka biaya per meter kubik (per volume) yang lebih rendah, efisiensi perpindahan masa yang lebih rendah. Jika menggunakan packing yang terlalu besar dalam kolom yang kecil, maka tidak akan diperoleh distribusi liquid yang baik.

Tabel 1.7. Rentang ukuran packing yang direkomendasikan

Diameter kolom ^{Ukuran Packing yang} digunakan

< 0,3 m (1 ft) < 25 mm (1 in) 0,3 – 0,9 m (1 –

3 ft) ^{25 – 38 mm (1 – 1,5 in)} > 0,9 m 50 – 75 mm (2 – 3 in)

b. Menentukan tinggi Packing - bed

Penentuan tinggi packing-bed pada kolom distilasi, dapat menggunakan konsep tinggi tahap kesetimbangan ekivalen (height of an equivalent equilibrium stage) untuk mengkonversi jumlah tahap ideal yang diperlukan menjadi tinggi packing. Tinggi tahap kesetimbangan ekivalen yang biasanya disebut tinggi plate teoritik (height of a theoritical plate, HETP), adalah tinggi packing yang diperlukan untuk menghasilkan proses pemisahan yang sama seperti pada tahap kesetimbangan. Eckert (1975) sudah menunjukkan bahwa

pada proses distilasi untuk jenis dan ukuran packing tertentu, HETP akan konstan dan tidak dipengaruhi oleh sifat fisik sistem.

Berikut ini nilai HETP untuk packing jenis Pall rings yang dapat digunakan untuk memperkirakan tinggi packing bed yang diperlukan.

Ukuran, mm HETP, m 25 (1 in.) 0,4 - 0,5 38 (1 ½ in.) 0,6 – 0,75 50 (2 in.) 0,75 – 1,0 Nilai HETP untuk sadel

packing akan serupa dengan Pall ring , memberikan pressure drop 29 mm per meter. HETP untuk Raschig ring akan lebih tinggi dari Pall ring atau sadel, dan memberikan pressure drop yang cukup tinggi yaitu 42 mm per meter.

Jadi tinggi packing – bed dihitung dengan persamaan berikut ini : H=n × HETP

Hubungan antara unit transfer dan ketinggian suatu pelat teoritis , HETP dapat dilihat pada persamaan dibawah ini :

HETP= H_OGL_n

(

mG_m L_m

)

(

mG_m L_m−1

)

H_OG=H_G+

(

mG_m L_m

)

H_L Keterangan :

H : Tinggi packing bed

n : Jumlah stage teoritikal

Memprediksi Tinggi Transfer Unit (HTU )

Berikut ini adalah nilai HTU pada random Packing :

Berikut adalah nilia HTU dan HTPE untuk berbagai jenis tipe Packing

Menentukan tinggi gas –phase transfer (HG) dan liquid-phase transfer (HL) 25 mm ( 1 in) 0,3 - 0,6 m ( 1-2 ft) 38 mm (1 1/2 in) 0,5 - 0,75 m (1 1/2 - 2 1/2 ft) 50 mm (2 in ) 0,6 - 1 m (2 -3 ft ) System Pressur e Column dia. m Packing HTU HETP kPa type size ,

mm m m

Absorption

Hydrocarbons 6000 0,9 pall 50 0,85 NH3-Air-H2O 101 - berl 50 0,5

Air - water 101 - berl 50 0,5

Aceton - water 101 0,6 pall 50 0,75 Distillation Pentane-propane 101 0,46 pall 25 0,46 IPA-water 101 0,46 int. 25 0,75 0,5 Methanorl-water 101 0,41 pall 25 0,52 101 0,2 int. 25 0,46 Acetone-water 101 0,46 pall 25 0,37 101 0,39 int. 25 0,46 Formic acid - water 101 0,91 pall 50 0,45

Acetone - water 101 0,38 pall 38 0,55 0,45 101 0,38 int. 50 0,5 0,45 101 1,07 int. 38 1,22 MEK-Toluen 101 0,38 pall 25 0,29 0,35 101 0,38 int. 25 0,27 0,23 101 0,38 berl 25 0,31 0,31 Pall = Pall rings, Berl = Berl saddles, Int. = Intalox saddles

Ada dua metode dalam menentukan nilai (HG) dan (HL) yaitu 1. Cornell’s method H_G= 0,011ψ_h(S_c)_v^0,5

(

D_c 0,305

)

^1,11

(

Z 3 , 05

)

^0,33

(

L_w× f₁× f₂× f₃

)

^0,5 H_L=0,305 ɸ_h(S_c)^0,5_L K₃

(

Z 3,05

)

^0,15 Keterangan :

H_G : Tinggi dari transfer unit fasa gas (m) H_L : Tinggi dari transfer unit fasa cair (m) (S_c)_v : Gas Schmidt number = ( μv/ρ_vD_v¿

(S_c)_L : Liquid Schmidt number = ( μL/ρ_LD_L¿

D_c : Diameter kolom (m) Z : Tinggi kolom (m)

K₃ : Faktor koreksi persen flooding (Gambar 1. ) ψ_h : H_G Factor (Gambar 1. )

ɸ_h : H_L Factor (Gambar 1. )

L_w : Liquid mass flow-rate per unit area column cross-sectional area (kg/m2s)

f₁ : Faktor koreksi liquid velocity =

(

μ_L/μ_w

)

^0,16 f₂ : Faktor koreksi liquid density =

(

ρ_w/ρ_L

)

^1,25 f₃ : Faktor koreksi surface tension =

(

σ_w/σ_L

)

^0,8

Gambar 1. Percentage flooding correction factor

Gambar 1. Factor for HG for Berl saddles

Gambar 1. Factor for HL for Berl saddles

Nilai (Dc / 0.305) dan (Z / 3.05) termasuk dalam persamaan untuk memungkinkan efek diameter kolom dan tinggi dari packing- bed.

"Standar" nilai-nilai yang digunakan oleh Cornell yaitu 1 ft (0.305 m) untuk diameter, dan 10 ft (3.05 m) untuk tinggi. Untuk diameter diatas 0,6 m (2 ft) diameter koreksi harus diambil sebagai nilai tetap yaitu sebesar 2,3 dan koreksi tinggi hanya disertakan saat jarak antara Pendistribusi cair lebih besar dari 3 m. Untuk menggunakan Gambar 1. Dan 1. diperlukan perkiraan Persentase flooding yang dapat ditentukan dengan persamaan berikut ini ,dimana nilai K4 diperoleh dari Gambar 1. :

Percentage flooding=

[

K₄pada design pressure drop K4pada flooding

]

1/ 2 2. Onda’s method a_w a ^=1−exp

[

−1,45

(

σ_c σ_L

)

0,75

(

L_w a μ_L

)

0,1

(

L_w2 ρ_L²g

)

^−0,05

(

L_w2a ρ_Lσ_La

)

^0,2

]

K_L

(

ρ_L μ_Lg

)

^{1/ 3}=0,0051

(

L_w a μ_L

)

^{2 /3}

(

μ_L ρ_LD_L

)

^{−1/ 2}

(

a d_p

)

^0,4 K_G a RT D_v^=K5

(

V_w a μ_v

)

^0,7

(

μ_v ρ_vD_v

)

^{1 /3}

(

a d_p

)

⁻² Keterangan :

K₅ : 5,23 untuk packing ukuran dibawah 15 mm dan 2 untuk ukuran diatas 15 mm

L_w : Liquid mass flow rate per unit cross-sectional area (kg/m2s) V_w : Gas mass flow rate per unit cross-sectional area (kg/m2s) a_w : Effective interfacial area of packing per unit volume (m2/m3) a : Actual area of packing per unit volume ( m2/m3)

d_p : Packing size (m)

σ_c : Critical surface tension for the particular packing material σ_L : Liquid surface tension (N/m)

K_G : Gas film mass transfer coefficient (kmol/m2s atm) atau (kmol/m2s bar)

K_L : Liquid film mass transfer coefficient (kmol/m2s) R : 0,08206 atm m3/kmol K atau 0,08314 bar m3/kmol K

Nilai Critical surface tension for the particular packing material sesuai dengan jenis material berikut ini :

Material σ_{c m} N/m ceramic 61 Metal (steel) 75 Plastic (polyethylene) 33 Carbon 56

Maka nilai untuk tinggi unit transfer dapat ditentukan dengan persamaan : H_G= G_m K_Ga_wP H_L= L_m K_La_wC_t Keterangan :

P : Tekanan operasi kolom (atm atau bar) C_t : Total konsentrasi (kmol/m3) = ρL/BM solven

G_m : Molar gas flow rate per unit cross section area (kmol/m2s)

L_m : Molar liquid flow rate per unit cross section area (kmol/m2s)

c. Column Diameter (Capacity)

Kapasitas packing kolom ditentukan dari luas penampangnya, biasanya kolom dirancang untuk beroperasi pada pressure drop yang memiliki nilai ekonomi tinggi. untuk memastikan distribusi gas yang baik dalam cairan , pressure drop normalnya tidak akan melebihi 80 mm air per tinggi packing dan kecepatan gas akan dikisaran 80 % dari kecepatan flooding. Nilai desain yang dianjurkan adalah sebagai berikut :

Kegunaan Mm air / m packing

Absorber dan strippers 15 sampai 50

Untuk distilasi vakum penurunan tekanan maksimum yang diijinkan akan ditentukan oleh persyaratan proses, tapi untuk distribusi cairan yang baik pressure drop yang disarankan tidak boleh kurang dari 8 mm air per m packing .