#21 Lampiran a Perhitungan Neraca Massa.pdf

(1)

PERHITUNGAN NERACA

PERHITUNGAN NERACA MASSAMASSA Kapasitas

Kapasitas produksi produksi : : 232.000 232.000 ton/tahunton/tahun Kapasitas

Kapasitas bahan bahan baku baku : : 720.000 720.000 ton/tahunton/tahun Masa

Masa aktif aktif produksi produksi : : 330 330 hari/tahunhari/tahun Bahan

Bahan Baku Baku : : Ampas Ampas TebuTebu Produk

Produk : : Bioetanol Bioetanol !"#!"#

Distilasi Distilasi

$un%si : &ntuk memurnikan 'men%hilan%kan kandun%an air( etanol hin%%a $un%si : &ntuk memurnikan 'men%hilan%kan kandun%an air( etanol hin%%a

"# "# Massa masuk Massa masuk Aliran F Aliran F1919_:_: Massa keluar Massa keluar

Persamaan nera)a massa total pada distilasi : Persamaan nera)a massa total pada distilasi :

F F1919 ₌_{= F}_F!!_"_{" F}_F11 *+.0",!20, *+.0",!20, k%/-am k%/-am  FF!!_"_{" F}_F11 F F!! ₌_{= *+.0",!20,}_{*+.0",!20, k%/-am}_{k%/-am  F}_F11

Persamaan nera)a massa komponen pad

Persamaan nera)a massa komponen pada distilasi :a distilasi : #$tt$m :

#$tt$m :

e . $

e . $11 __{ e}_{e .}_{. $}_$2020__{ e .}_{e . $}_$2121

'0!,7(' '0!,7(' *+.0",!20,( *+.0",!20,(   0!" 0!" $$2020 __{ 0!0"}_{0!0" $}_$2121 32.17!,"+ 32.17!,"+   0!" 0!" '*+.0",!20,'*+.0",!20,-- $ $2121( $( $2020  0!0" 0!0" $$2121 3 322..1177!!,,""++  * *++..00"",,!!2200,,-- 0!" $ 0!" $2121_{ 0!0" $}_{ 0!0" $}2121 0! $ 0! $2121 __{ 1".+"+!"*+}_{1".+"+!"*+ k%/-am}_k%/-am F

F11 ₌_{= 1%&%%'(}_{1%&%%'( k)*+am}_k)*+am

Distilat Distilat

$

$2020 __{ *+.0",!20,}_{*+.0",!20, k%/-am}_k%/-am_-_- _$_$2121



 *+.0",!20, *+.0",!20, k%/-amk%/-am-- 1%&%%'(1%&%%'( k%/-amk%/-am 

 (!&%%,',, k)*+am(!&%%,',, k)*+am

Aliran F

Aliran F!!_{untuk etanol dan air pada ba%ian}_{untuk etanol dan air pada ba%ian Distila}_Distilat:_t:

era)a massa komponen era)a massa komponen ::

 Air Air   1"."*!" 1"."*!" k%/-amk%/-am  4tanol4tanol Total $ Total $11   32.32."0,!"0,!,1, ,1, k%/k%/-am-am " "   *+.0",!20, *+.0",!20, k%/-amk%/-am

(2)

$e20  e5 $20  0!" 5 30.77+!++2 k%/-am  2.23!2 k%/-am $A20  A 5 $20  0!0" 5 30.77+!++2 k%/-am  1."3+!**1 k%/-am

Aliran F1_{!untuk etanol dan air pada ba%ian #$tt$m:}

$e21  e21. $21

 0!0" '17.277!322(  +,3!+,, k%/-am

$A21 17.277!322  +,3!+,,

 1,.*13!*", k%/-am

Tabel 1. 6an%kuman nera)a massa kolom distilasi

-$m.$nen Masuk /k)*+am0 -eluar /k)*+am0

F19 F! F1 Um.an : Air 1"."*!" -  4tanol 32."0,!,1,   Distilat : 4tanol  2.23!2  Air  1."3+!7,  #$tt$m : 4tanol   +,3!+,, Air   1,.*13!**

T$tal ,&!2('9 ,&!2('9(

&ntuk menentukan temperatur umpan masuk! ter%antun% dari har%a k :

imana: p8  Tekanan uap murni komponen P  Tekanan oprasi total

istilasi dilakukan pada tekanan operasi 1 atm. Berdasarkan persamaan Antoine! ditemukan har%a tekanan uap murni komponen '9eankoplis! 1+3(.

 Penentuan dew point /titik em3un0 .a4a 4istilat

Tabel 2. Bilan%an antoine untuk men%hitun% tekanan uap komponen

-$m.$nen A # C D E

4tanol 1,!1"2 3.*23."3 ""!71"2  

(3)

umber : Appendi5 *; 6eklaitis! 1+3 Persamaan tekanan uap :

&ntuk 4tanol dan <2= '6eklaitis!1+3(

Nera5a massa m$lar .a4a 4estilasi

Tabel 3. 6an%kuman nera)a massa molar komponen berdasarkan nera)a massa pada kolom distilasi

-$m.$nen F19 _{/Aliran masuk0} _F!_/Distilat0 _F1_/#$tt$m0

N /km$l0 6F N /km$l0 7i N /km$l0 6i 4tanol 70!,, 0!,7 ,3"!,* 0!" 1+!7, 0!0" <2= +,"!+, 0!33 +"!*+ 0!0" 11!+* 0!" 8 9(' 1 %1'1 1 9(!' 1

Temperatur dew point dilakukan den%an )ara Trial and error dan di)oba dilakukan pada:

Trial Temperatur dew point  3"2!720 K '7!"700_>(

Tekanan 'P(  100 kPa

Tabel *. Trial titik embun

-$m.$nen 7i kPa - i = Pa*P 7i *k i i

4tanol 0!" 10,!"2 1!0,"2 0!+1+ 2!30,+

Air 0!0" *,!177 0!*,1+ 0!10+3 1!000

8 1'!!! 12'1 1'2%! 1 ('(!,

?arat

=leh karena ! maka temperatur dew point pada distilat adalah 3"2.720o_K

'7!"7o_>(

 Penentuan bubble point /titik )elem3un)0 .a4a bottom &ntuk produk ba@ah! di)oba temperatur bottom :

Trial Temperatur bubble point  371!370 K '+!220_>(

Tekanan  100 kPa

Tabel ". Trial titik %elembun%

-$m.$nen 6i Pa - i = Pa*P k i 6i i

4tanol 0!0" 210!*+ 2!10*7 0!10"2 2!23*,

Air 0!" *!1 0!*1 0!+*+ 1!000

8 1'!!! (!'2% ('!2% 1'!!! ('(

?arat ∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑ ∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑= ∑= 1

=leh karena∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑ = 1! maka bubble point pada distilat adalah 371!3,0 K

'+!220_>(

(4)

'9eankoplis!17( iketahui massa masuk pada titik didihn?a '1( maka 1   0!

ehin%%a

uhu ?an% di%unakan untuk perhitun%an adalah suhu relatif!

Trial nilai  :

en%an nilai   1!22*" didapatkan ! maka nilai  1!22*" Menentukan R4 /T$tal re<luks0

Tabel ,. ata untuk men%hitun% 6d

-$m.$nen 7i Pa - i = Pa*P i

4tanol 0!" 10,!"3 1!0,"* 2!30,+ 2!02*

Air 0!0" *,!1+ 0!*,1+ 1!0000 0!2227

8 1'!!! 12'% 1'2% ('(!, 1',!

 = 1,5  '9eankoplis! 17(

 = 1,5 × 0,8022 = 1,203

 Nera5a massa reboiler .a4a 4istilasi Cb  Db E $21_B Db  Dd  $1 Dd  Dde DdA '9eankoplis! 17( Keteran%an: Cb : Vapor bottom 'uap( Db : Liquid bottom Dd : Liquid distilat $1 $21

: Da-u alir massa umpan masuk distilasi : Da-u produk Bottom

D b  Dd  $1 D b  3+.,!+2 k%/-am  *+.0"3!2 k%/-am D b  ,&%2('% k)*+am C b  D b E B  +,.7"3!7* E +.,3+!,, 3 = %,&112'!, k)*+am

(5)

Nera5a massa k$m.$nen />30

>3 = ,&%2('% k%/-am

D b4  0!0" 5 +,.7"3!7* k%/-am  *.337!,+7 k%/-am

D bA  0!" 5 +,.7"3!7* k%/-am  +2.*1+!2+* k%/-am

Keteran%an:

Db4  la-u alir liquid bottom

'etanol(

DbA  la-u alir liquid bottom 'air(

Nera5a massa k$m.$nen /30

3 = %,&112'!, k%/-am

C b4  0!0" 5 %,&112'!, k%/-am  3.*73!3+ k%/-am

C bA  0!" 5 %,&112'!, k%/-am  ,,.00*!+2 k%/-am

Keteran%an:

Cb4  la-u alir vapor bottom

'etanol(

CbA  la-u alir vapor bottom 'air(

Nera5a k$m.$nen alur />40

Tabel 7. era)a komponen alur Dd

-$m.$nen 6i N /km$l*+am0 F /k)*+am0

4tanol 0!" +2"!22 37.1+!++

Air 0!0" *3!3+ 7+0!2

8 1'!!! ,%'% (,&99',

Nera5a k$m.$nen alur 4

4tanol : Cd4  Dd4  $204 'etanol( '9eankoplis!

17( Cd4  37.1+!++ k%/-am  2.23!2 k%/-am Cd4  ,7.1"+!+2 k%/-am Air : CdA _{ D}_dA_{ $}20_'Air( CdA  7+0!2 k%/-am  1."3+!7, k%/-am CdA  2.31+!,+ k%/-am

 Nera5a massa k$n4ens$r .a4a 4istilasi

Asumsi komposisi pada tiap alur adalah sama

Dd  6d 5 istilat '9eankoplis! 17(

 =  + 

Keteran%an:

Cd : Vapor distilat 'uap( Dd : Liquid distilat

(6)

$ : Feed '&mpan( B : Bottom  : istillat '9eankoplis! 17(   20 Dd  6d 5   1!203 5 721!12 kmol/-am Dd  +,7!"07 kmol/-am  =  +    = +,7!"07 + 721!12  = 1.588,6274 kmol/-am

9ambar >.2 Kolom istilasi '>101(

ata :

Tekanan operasi  1 atm '0o_>(

ari perhitun%an nera)a massa pada lampiran A diperoleh : Light key 'DK(  etanol

Heavy key '<K(  Air 6 m'6efluks minimum( = 0!+

6  '6efluks total( = 1!2

(7)

D$' Light Feed (  0!33 <' Heavy Distillat (  0!0" D' Light Distillat (  0!" DF' Light Bottom(  0!0" <F' Heavy Bottom(  0!" GD  2!30", G<  2!23"

Aliran umpan  *+.0",!20, k%/-am Aliran distilat  30.77+!++2 k%/-am

Aliran bottom  17.277!322 k%/-am

Temp. pun)ak menara 'Td(  7!"7o>  3"2!72 K Temp. ba@ah menara 'Tb(  +!22o_{>  371!37 K}

Temp. umpan masuk 'Tf(  0o_{>  3,3!1" K}

 Per;itun)an +umla; tray minimum 4en)an men))unakan met$4e Fenske

'Pers. 11.712 9eankoplis :,+3!2003(

imana 'Pers. 11.713 9eankoplis :,+3!2003(

α _Lav₌√ _2,3056 x_{2,2359  2!13}

m  'Do% H0!" 5 30.77+!++2/0!0" 5 30.77+!++2('0!" 5 17.277!322/0!0" 5

1

−

exp

exp

(

10,8464 32,2132

0,857

(8)

+  0!1*3 '1( +  0!1*3  0!1*3  E 0!1*3   0!1*3+

0!+"7  +!1*3

  !"  10 tray

Maka -umlah tray teoritis ?an% di%unakan adalah 11 tray  10 tray teoritis  1 reboiler

4fisiensi tray ,"# 'Perr?! 1(!

Maka! -umlah tray  11/0!,"  "!2 tray 'di%unakan 17 tray(

 Penentuan um.an masuk 4en)an met$4e Kirkbride

'Pers. 11.721 9eankoplis :13( Do% N _e N s =0,206 log

[

(

0,32 0,67

)

17.277,322 30.778,882

(

0,05 0,95

)

]

Do% N _e N _s=0,206 log

[

0,014

]

Do% N e N _s

=−

0,3812 N _e N _s=0,41 e  0!*1  s   e   s 17  0!*1  s   s 17  1!*1  s s  12!0", 'di%unakan 12( e  1712  " tray

Jadi! umpan masuk pada tray ke " dari atas.  Desain -$l$m Distilasi

a& -$l$m Atas iren)anakan :

Jarak tray 't(  0!* m

Hole diameter 'do(  *!" mm 'Tre?bal! 1+*(

!pa"e between hole "enter 'p(  12 mm 'Tre?bal! 1+*( #eir heigt 'h@(  " )m $it"h  trian%ular L in Tekanan  1 atm T kolom atas  T D+T F 2  79,57+98,2 2 =88,9 >

(9)

Tabel +. Komposisi bahan pada alur Cd 'Vapour Distillat (

-$m.$nen N /km$l*+am0 ? m$l #M ?m$l 6 #M

4tanol ,3"!,* 0!" *, *3!70

<2= +"!*+ 0!0" 1+ 0!0

T$tal %1'1 #M Cam.uran '!

Da-u alir uap!9D  721!12 kmol/-am  0!2 kmol/s

&ntuk men%hitun% densitas %as ! dian%%ap %as ideal sehin%%a berlaku hukum!

PC  n6T!

imana n  massa/BM! sehin%%a :

imana :

P  Tekanan operasi '1 atm( Po = Tekanan %as ideal '1 atm(

To  Temperature %as ideal '273!1" K(

T  ++!0o_{> '3,2!0" K(}

C0  Colume %as ideal '22!*1 m3/kmol(

BM  **!,0 k%/kmol

6  0!0+20"7 m3_.atm/kmol.K

Da-u Nolumetri) uap 'ON(  0!2 5 22!* 5 3,2!0"/273!1"  "!* m3/s

Tabel . Komposisi bahan pada alur Db

-$m.$nen F /k)*+am0 N /km$l*+am0 @/k)*m(₀ _{? t} _{?t 6 @}

4tanol +,3!+,, 1+!7+ 7+!30 0!0" 3!*7

<2= 1,.*13!*", 11!+, 72!*1 0!" 23!+0

Total 17.277!322 30!,* 3.2,! 72 1 ,3!2,

Da-u alir massa )airan ! 9D  17.277!32/3.,00  *!7 k%/s

Da-u alir Nolumetri) )airan! D

$er%orations :

 *!7 k%/s/,3!2,  *!+ 5 103_m3_/s

!ur%a"e tension '(  0!0* /m 'D?man! 1+2(

(10)

G  0!07**t  0!01173  '0!07** 5 0!* ( 0!01173  0!0*1" Q  0!030*t  0!01"  '0!030* 5 0!*(  0!01"  0!0272

iasumsikan +0# ke"epatan %looding& An  O/0!+ 5 C$ 'Tre?bal! 1+*(

&ntuk F 0!7T 'Tabel ,.1:Tre?bal! 1+*( diketahui luas do@nspout sebesar +!+#.

'olumn Diameter 'T( H'* 5 2"!"** RS0!"_{ "!70 m} #eir Length 'F (  0!7 '"!70(  3! m Downspout (rea 'Ad(  +!+# 5 2"!"*  2!2* m ("tive area 'Aa(  At  2 Ad  21!0" m Feir )rest 'h0@( Jika h1  0!02" h1/T  0!02"/"!7 0!00* Pressure rop

Dry $ressure Drop

Ao  0!127" Aa  0!127" 5 21!0"  2!, m2

vo  O/ Ao  2!+ m3/s /2!, m2  1!11 m/s

>o  1!0 'do/1(1/*  1!0 '1/0!2*(1/*  1!",

(11)

Hydrauli" head

hD 0!00,1  0!72" h@0!23+ hF CaN0!"  1!22" '/U(

hD 0!00,1  0!72" '0!0"(0!23+ '0!0"( '0!1*('1!"1(0!"  1!22" '0!002*/*!+"(

hD 0!0*+ m

)esidual $ressure Drop

Total gas $ressure Drop h9  hd  hDh6  0!0002 0!03+0!00000"7

h9  0!0* m

$ressure loss at liquid entran"e Ada  0!02" D@ 0!02" 5 3! m  0!10 m h2  3/2 %)'h6 /Ada( h2 3/2 '0!00000"7/0!10( 0!0001 m Ba"kup in downspout h3  h9  h2 h3  0!0* m0!0001 m  0!0* m Pen)e5ekan lua.an h@ h1  h3  0!0"  0!00* 0!0*  0!10 m t/2  0!*0/2  0!20 m

Karena nilai h@ h1  h3 lebih ke)il dari t/2! maka spesifikasi ini dapat diterima!

artin?a den%an ran)an%an plate seperti ini diharapkan tidak ter-adi luapan.

S.esi<ikasi -$l$m Distilasi

Tin%%i kolom  1* 5 0!*  "!,0 m Tin%%i tutup  V'"!7 m(  1!*3m Tin%%i total  "!,0 '251!*3(  +!*" m Tekanan operasi  1 atm '101!32" kPa(

$aktor kelon%%aran  20#

Jari-ari kolom  "!7/2  2!+" m '112!30 in( Tekanan &ap pada ba%ian Kolom :

(12)

Basis Perhitun%an  1 -am operasi Da-u Nolumetrik %as!O 2!+ m3_/s

ensitas %as! v = 1!"0 k%/m3

Massa 9as!mv  2!+ m3/s 5 1!"0 k%/m3 5 3,00 s  1,.0+1 k%

P  7!* kPa  1!0 Psi

P design  1!2 5 '1!0 Psi  1*!7 Psi( itetapkan spesifikasi kolom distilasi :

 1+!* psi

Bahan Konstruksi : 'arbon !teel A 2+3> (llowable !tress '( : 13.+00 Psi

'orrosion allowan"e '>a( : 0!12" in

Jenis sambun%an : double welded butt *oint

'Buthod:1++! 17(

4fisiensi *oint : 0!+" ' spot e+amined (

'Buthod:172! 17(

 Te3alshell /4in4in) tan)ki0

'Pers. Buthod:17! 17( Keteran%an notasi :

P : Tekanan operasi maksimum ?an% diiUinkan! Psi  : !tress value o% material ! Psi

4 : 4fisiensi sambun%an! in 6 : Jari-ari inside! in

t : Ketebalan dindin% ' shell (! in

i%unakan tebal shell 3/+ in. Tebal tutup tan%ki -u%a sama den%an tebal tan%ki.

(13)

$un%si : Memurnikan etanol

Tipe : sieve tray

Bahan Konstruksi : 'arbon !teel ! A2+3 grade >

Jumlah : 1 unit

Kondisi =perasi : P  1 atm T  0o_>

iameter kolom : 2!7 m

Tin%%i : "!, m

Tebal kolom : 3/+ in

Tray

Jumlah : 17

Dokasi &mpan : tray ke" iameter luban% : 0!00*" m