Operasi Teknik Kimia 2 Minggu 2

(1)

Operasi Teknik Kimia 2, Minggu 2

_{Yuli Amalia Husnil, PhD}

(2)

(3)

Flash distillation





 • Single-stage distillation, equilibrium

distillation, flash vaporization

• Memisahkan komponen yang lebih volatile dari campuran

• Pre-distillation, meringankan beban separasi pada proses distilasi bertingkat







Pemanasan hingga T_bubble

Ekspansi, menghasilkan dua fasa

(4)

100 mol campuran liquid yang mengandung 50 mol% n-heptane (A) dan 50 mol% n-octane (B) diumpankan kepada sebuah flash distillation unit yang beroperasi pada tekanan 1 atm. Jika 60% dari feed akan diubah menjadi produk uap, hitunglah PADA TEMPERATUR BERAPA campuran tersebut seharusnya memasuki unit flash distillation serta hitung komposisi produk uap dan liquid.

Flash distillation: example

F, z_F

L, x_L V,y_V

0.5A 0.5B 100 mol

60 mol

(5)

Flash distillation: example

F, z_F

L, x_L V,y_V

0.5A 0.5B 100 mol

0.6 F Langkah 1: Neraca massa

(6)

Langkah 2: Membuat spreadsheet

Persamaan Antoine

Tmin ( o

C) Tmax ( o

C)

� = � �

� + � �_�� = �

∙ �_� �

Dicari

(7)

Langkah 2: Membuat spreadsheet

Tmin ( o

C) Tmax ( o

C)

By changing cell

(8)

80 85 90 95 100 105 110 115

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

T

(

oC

)

Xbenzene

Txy diagram benzene-toluene

Heat Boiling Equilibrium Condensation         (0.5,0.5) (0.713,0.287)

Prinsip kerja distilasi

Heat

Equimolar benzene-toluene

Condenser

T_bubble= 92.64o_C

T_dew= 87o_C

Komposisi vapor: 71.3 mol% benzene, 28.7 mol% toluene

(9)

Prinsip kerja distilasi

Heat

Equimolar benzene-toluene

Condenser

T_bubble= 92.64o_C

T_bubble= 87o_C

80 85 90 95 100 105 110 115

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

T

(

oC

)

Xbenzene

Heat Boiling Condensation Boiling  -    - - -

(0.5,0.5) (0.713 B,0.287 T)

(0.855 B,0.145 T)



Condenser

(10)

Fractional distillation

80 85 90 95 100 105 110 115

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

T

(

oC

)

Xbenzene

Heat Boiling Condensation Boiling  -    - - -

(0.5,0.5) (0.713 B,0.287 T)

(0.855 B,0.145 T)



Feed

Preheater

92.64o_C

87o_C

71.3 mol% benzene, 28.7 mol% toluene

50 mol% benzene, 50 mol% toluene 85.5 mol% benzene,

14.5 mol% toluene

(11)

(12)

Perancangan kolom distilasi

Prosedur

Penetapan degrees

of freedom

Spesifikasi produk distilat dan bottom Tekanan kolom

Kondisi termal feed

Penentuan jumlah

equilibrium stage

Minimum tray (N_M)

Actual tray (N_T)

Penentuan

temperatur

Reboiler (T_R)

Condenser (T_C)

Kalkulasi

beban kalor

Reboiler (Q_R)

(13)

Tekanan kolom

Dew point campuran

Bubble point campuran

Beban pendinginan di

condenser

Beban pemanasan

di reboiler Jumlah

tray

(14)

Perancangan kolom distilasi

Tekanan kolom

(15)

Tekanan kolom: bagaimana cara menentukannya?

Mulai

Komposisi distilat dan bottom diketahui

(diperkirakan)

Hitung bubble-point pressure (P_D) distilat

pada 49o_C

Hitung dew-point pressure (P_D) distilat

pada 49o_C

Pilih refrigerant untuk mengoperasikan partial condenser pada 25.16 atm

Perkirakan tekanan bottom (P_B)

Hitung bubble-point temperature (T_B)

bottom pada P_B

Turunkan P_Bdan hitung ulang P_Ddan T_D P_D> 14.8 atm

P_D> 25.16 atm

P_D < 25.16 atm

Gunakan total condenser (reset P_Dmenjadi 2.06 atm jika P_D< 2.06 atm) P_D< 25.16 atm

Gunakan partial condenser

T_B< temperatur komponen bottom terdekomposisi atau

temperatur kritis

T_B> temperatur komponen bottom terdekomposisi atau

(16)

Perancangan kolom distilasi

Kondisi termal feed (q)

F

“RASIO antara panas yang harus ditambahkan pada feed

dengan entalpi penguapan feed”

Vapor

Liquid

Berapao_C?

Berapa DH_vap?

� = �� − �� + ∆��

(17)

Equivalen dengan komposisi liquid di dalam feed

F

Vapor

Liquid

Jumlah liquid dalam feed akan mempengaruhi

besarnya panas yang harus diberikan pada feed untuk menguapkannya

qF (1-q)F

Feed tray Rectifying section

(18)

Perancangan kolom distilasi

(19)

(20)

� = − � � + �� = �_� + �_�

Neraca massa di feed tray

� ∙ � = � − � � + � ∙ ��

� = −�_{− �} � + _{− �}�

Neraca massa total di feed tray

Neraca massa untuk satu komponen di feed tray

(21)

Bagian rectifying

Dari setiap massa vapor yang naik…

…sebagian akan turun kembali sebagai liquid…

…sementara ada sejumlah uap yang terus naik (distilat imajiner dari tiap tray)

(22)

� = � +

�� = �� +

� =_�� + �

� =_{� +}� � + � +

� =

�

� ₊ � +_�

+

� =

�

� ₊ � +_�

+

Perancangan kolom distilasi

Neraca massa bagian rectifying

� _{= � =} _{Reflux ratio}

� = _{� +}� � + _{� +}�

(23)

Minimum reflux ratio

1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Mi n im um re flux rat io Opt im um re flux rat io Ann u al cos t Reflux ratio Total cost Operating cost Capital/fixed cost Jumlah tray tak

berhingga

(24)

Condenser

Umum dipakai • Jika produk yang

diinginkan berada dalam fasa gas

• Menjadi tray teratas di kolom distilasi

(25)

Perancangan kolom distilasi

Bagian stripping

� = � +

� � = � � +

� = �_� � − �

� = � +_� � − �

� = � +_� � − _�

� ₌ _{Boilup ratio.}

Neraca massa satu komponen

(26)

Reboiler: Kettle-type

�

1. � dan berada dalam kesetimbangan dua fasa

2. Dianggap sebagai tray kolom distilasi (tray terbawah)

3. Diperlukan pompa untuk mengalirkan liquid dari kolom ( �) ke reboiler. Atau dapat mengalir sendiri jika ada

perbedaan head static antara � dengan liquid di dalam reboiler

4. Tipe reboiler yang paling banyak digunakan karena pengoperasiannya relatif sederhana

Variabel penting:

(27)

Perancangan kolom distilasi

Reboiler: Thermosyphon-type

Thermosyphon reboilers are favored for 1. Thermally sensitive bottom product

compounds

2. High bottom pressure

3. Only small T available for heat transfer

(28)

(29)

Feed masuk ke kolom distilasi dengan laju alir 450 lbmol/h dengan komposisi 60 mol%

benzene dan 40 mol% toluene. Spesifikasi produk distilat yang diinginkan adalah 95

mol% benzene sementara spesifikasi untuk produk bottom adalah 5 mol% benzene. Feed

dipanaskan sehingga ketika memasuki kolom, fraksi mol vapor di feed �� _� sama

dengan ratio antara laju alir distilat dan feed _� . Jika diasumsikan kolom memiliki

tekanan yang seragam dari atas hingga ke bawah yaitu 101.3 kPa, tentukan dengan

metode McCabe-Thiele: 1) Jumlah minimum tray yang dibutuhkan, 2) Minimum reflux

ratio, R_min, 3) Jumlah equilibrium stages (R = 1.5R_min) dan 4) Lokasi feed tray.

Metode McCabe Thiele

(30)

Metode McCabe Thiele

Step 1: Degrees of freedom

Variabel Value

Feed rate (F) 450 lbmol/hr

Benzene composition in feed (x_F,Ben) 0.6

Toluene composition in feed (x_F,Tol) 0.4

Benzene composition in distillate (x_D,Ben) 0.95

Benzene composition in bottom (x_B,Ben) 0.05

(31)

= +

�, � ∙ � = , � ∙ + , � ∙

. = . + . −

= � � /ℎ = � � /ℎ

��

�

�_�

� = � = = . �_�

� = − �_�

� = .

Step 2: Neraca massa

� → ��

(32)

Step 3: Equilibrium curve-Metode Antoine

(33)

Metode McCabe Thiele

(34)

� =

Step 3a: Equilibrium curve-Metode relative volatility

Relative volatility (�) adalah INDEKS yang menggambarkan TINGKAT

KEMUDAHAN atau kesulitan proses DISTILASI untuk memisahkan komponen-komponen yang ada di dalam suatu campuran.

� =relative volatility komponen A yang lebih volatile, terhadap komponen Byang kurang volatile = konsentrasi komponen idi fasa uap

(35)

= _{� + � =}× � × A− +�

× A− +� + × A− +�

Persamaan equilibrium curve

Metode McCabe Thiele

(36)

= _{� +�}� ×�� ; = _{� +�}� ×�� = Substitusi

persamaan ini

Kedalam persamaan ini

(37)

= _{� +�}� ×�� ; = _{� +�}� ×�� = Substitusi

persamaan ini

Kedalam persamaan ini

(38)

Metode McCabe Thiele

(39)

• Jarak antara kurva dan garis 45o _{menggambarkan sebesar}

apa driving force untuk terjadinya pemisahan

(40)

(41)

Metode McCabe Thiele

Step 5: Menentukan jumlah tray minimum

(42)

Step 6: Menggambar q-line (garis kondisi termal feed)

(43)

(44)

Step 7: Menemukan nilai minimum reflux ratio (� _� ) dan actual reflux ratio (�)

. , . �

= −₋ = .

� _�

� _� + = .

� _� = .

(45)

Step 7: Menggambar garis rectifying line

� = _{� +}� � + � +

� = . , = .

(46)

Metode McCabe Thiele

Step 8: Menggambar garis stripping line

Tarik garis dari titik temu ini menuju (x_B,y_B)

(47)

(48)

(49)

0 50 100 150 200 250 300

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

T(

o C

)

x,y ammonia

Txy diagram ammonia-water pada 34.47 atm

Temperatur reboiler

(50)

-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

T(

o C

)

x,y ammonia

Txy diagram ammonia-water pada 1 atm

Temperatur reboiler

(51)

Next week

1. Latihan metode Mccabe-Thiele (akan jadi salah satu bentuk soal UTS) 2. Reboiler dan Condenser duty

(52)

Suatu liquid mengandung 50 mol% benzene, 25 mol% toluene, dan 24 mol% o-xylene. Campuran ini kemudian dipisahkan melalui proses flash distillation pada tekanan 1 atm. Jika setelah dipisahkan rasio antara laju alir liquid dan vapor (L/V) adalah 2.1, hitung pada

temperatur berapa flash distillation ini dioperasikan. Hitung juga fraksi mol masing-masing komponen di fasa liquid dan vapor. Gunakan basis feed 100 mol.

Tugas

F

L V

100 mol

L/V = 2.1