38 BAB VI
TUGAS KHUSUS
PEMBUKTIAN JUMLAH TRAY UNIT KOLOM DESTILASI D01 SECTION 107 METHANOL RECOVERY BERDASARKAN
PERHITUNGAN 6.1 Pendahuluan
6.1.1 Latar Belakang
Section 107 Methanol recovery merupakan salah satu unit yang penting
yang ada di “Methyl Ester Plant” EOB 1. Unit ini me-recovery methanol yang merupakan produk keluaran dari section 105: hidrogenation plant agar dapat digunakan kembali pada section 103 Transesterification. Diharapkan bahwa metanol keluaran section 107 ini memiliki konsentrasi 99.99%. Untuk itu dilakukan proses pemurnian dengan cara distilasi untuk memisahkan metanol dan campurannya.
Pemisahan merupakan suatu cara yang dilakukan untuk memisahkan suatu senyawa atau sekelompok senyawa yang mempunyai susunan kimia yang berkaitan dari suatu bahan, baik dalam skala laboratorium maupun skala industri. Pada prinsipnya, pemisahan dilakukan untuk memisahkan dua zat atau lebih yang saling bercampur. Dalam prakteknya kolom distilasi methanol pada section 107 memiliki tray sejumlah 52 tray. Dengan jumlah tray tersebut diperoleh methanol dengan konsentrasi sekitar 99.5%. Sehingga perlu dilakukan perhitungan tray secara teoritis untuk membuktikan jumlah tray yang digunakan mendekati jumlah
tray teoritis.
6.1.2 Waktu dan Tempat Pelaksanaan
Pelaksanaan tugas khusus dilakukan selama 22 hari, dimulai pada tanggal 21 april 2017 s/d 19 mei 2017 di PT. Ecogreen Oleochemicals Batam (EOB 1)
section 107 : methanol recovery.
6.1.3 Tujuan
1. Memahami dan memecahkan masalah nyata yang dihadapi pada proses produksi di industri.
39 2. Memahami prinsip dari kolom distilasi
3. Menentukan jumlah tray kolom distilasi secara teoritis dengan menggunakan metode Fenske.
6.1.4 Batasan Masalah
1. Tugas khusus dilakukan pada unit distilasi di section 107 methanol
recovery PT. Ecogreen Oleochemicals Batam 1 (EOB 1)
2. Data aktual yang digunakan pada tanggal 21 April 2017
3. Perhitungan jumlah tray dilakukan dengan menggunakan metode Fenske. 6.1.5 Metode Penyelesaian yang digunakan
1. Menghitung kondisi operasi atas dan bawah menara distilasi. 2. Menentukan volatilitas rata-rata
3. Mengecek pemilihan light key component (LK) dan heavy key component (HK) dengan persamaan Shira’s et. Al. pada Rm.
𝑋𝑗𝐷.𝐷 𝑋𝑗𝐹.𝐹 = (𝛼 𝐽−1)𝑥 𝐿𝐾 𝐷.𝐷 (𝛼 𝐿𝐾−1)𝑥 𝐿𝐾 𝐹.𝐹+ (𝛼 𝐿𝐾−𝛼 𝑗)𝑥 𝐻𝐾 𝐷.𝐷 (𝛼 𝐿𝐾−1)𝑥 𝐻𝐾 𝐹.𝐹 (Treybal, 1981 pers. 9.164) Batasan:
Komponen j tidak terdistribusi jika: 𝑋𝑗𝐷. 𝐷
𝑋𝑗𝐹. 𝐹 < −0.01 𝑎𝑡𝑎𝑢
𝑋𝑗𝐷. 𝐷
𝑋𝑗𝐹. 𝐹 < 1.01 𝑎𝑡𝑎𝑢 komponen j terdistribusi jika: −0.01 ≤ 𝑋𝑗𝐷.𝐷
𝑋𝑗𝐹.𝐹 ≤ 1.01
4. Menghitung jumlah plate minimum dengan persamaan Fenske. 𝑁𝑚 = log[(
𝑋 𝐿𝐾 𝑋 𝐻𝐾)𝐷(
𝑋 𝐻𝐾 𝑋 𝐿𝐾)𝐵]
log 𝛼 𝑎𝑣𝑔 𝐿𝐾 (Coulson, 2005 Pers.11.58)
5. Menghitung refluks minimum dengan persamaan Colburn & Underwood. ∑𝛼𝑖 .𝑥𝑖 𝐷
𝛼𝑖− 𝜃 = 𝑅𝑚 + 1 (Coulson, 2005 Pers.11.60)
Nilai Ө didapat dari persamaan : ∑𝛼𝑖 .𝑥𝑖 𝐹
𝛼𝑖− 𝜃 = 1 − 𝑞 (Coulson, 2005 Pers.11.61)
6. Penentuan jumlah stage ideal 7. Penentuan efisiensi
8. Menentukan lokasi feed plate dengan persamaan Kirkbride. log (𝑁𝑟 𝑁𝑠) = 0.206 log [ 𝐵 𝐷 ( 𝑋 𝐻𝐾.𝐹 𝑋 𝐿𝐾.𝐹) ( 𝑋 𝐿𝐾.𝐵 𝑋 𝐻𝐾.𝐷) 2 ] (Coulson, 2005 Pers. 11.62)
40 6.2 Landasan Teori
6.2.1 Pengertian Distilasi
Distilasi atau penyulingan adalah suatu metode pemisahan campuran bahan kimia berdasarkan perbedaan kemudahan menguap (volatilitas) bahan dengan titik didih yang berbeda. Distilasi menggunakan panas sebagai agen pemisah campuran, campuran zat dididihkan hingga menguap dan uap ini kemudian didinginkan kembali ke dalam bentuk cairan. Zat yang memiliki titik didih lebih rendah akan menguap lebih dulu.
Pada proses pemisahan secara distilasi, fase uap akan segera terbentuk setelah sejumlah cairan dipanaskan pada kondisi tekanan dan suhu tertentu. Uap dipertahankan kontak dengan sisa cairannya (dalam waktu relatif cukup) dengan harapan pada suhu dan tekanan tertentu, antara uap dan sisa cairan akan berada dalam keseimbangan, sebelum campuran dipisahkan menjadi distilat dan residu. Pada pemanasan yang terus menerus, komponen yang lebih volatil akan berubah menjadi fasa uap. Fasa uap yang terbentuk selanjutnya diembunkan (dikondensasi), kemudian akan diperoleh kondensat yang berupa komponen- komponen dalam keadaan yang relatif murni.
Distilasi merupakan cara yang paling umum digunakan dalam industri untuk memisahkan suatu campuran yang homogen dalam bentuk larutan. Proses distilasi beroperasi dalam satu perangkat yang terdiri dari beberapa peralatan, yang masing-masing peralatan memiliki fungsi yang berbeda-beda. Peralatan-peralatan yang digunakan pada proses distilasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.1 adalah sebagai berikut (Christyananta, 2012):
a. Kolom Distilasi
Kolom distilasi berfungsi untuk memisahkan campuran berdasarkan titik didihnya.
b. Kondenser
Kondenser berfungsi untuk mendinginkan produk atas dari kolom distilasi sehingga berubah menjadi fasa cair.
c. Reboiler
Reboiler berfungsi untuk memanaskan sebagian produk bawah kolom distilasi sehingga berubah menjadi gas. Gas yang terbentuk dipompakan
41 kembali menuju kolom distilasi sebagai pemanas untuk proses distilasi. d. Pompa
Pompa berfungsi untuk mengalirkan kondensat sebagai reflux ke kolom distilasi.
e. Tangki Pengumpul
Tangki pengumpul berfungsi menampung hasil pemisahan dari kedua campuran
Gambar 6.1 Peralatan-peralatan pada proses distilasi 6.2.2 Jenis-jenis Distilasi
1. Jenis distilasi secara umum
Secara umum distilasi dibagi atas 4 jenis, yaitu: a. Distilasi Sederhana
Pada distilasi sederhana, dasar pemisahannya adalah perbedaan titik didih yang jauh atau salah satu komponen lebih bersifat volatile dari komponen yang laindan bekerja pada tekanan atmosfer. Jika campuran dipanaskan maka komponen yang titik didihnya lebih rendah akan menguap lebih dulu.
Selain perbedaan titik didih dan perbedaan volatilitas, yaitu kecenderungan sebuah komponen untuk menjadi gas. Distilasi ini dilakukan pada tekanan atmosfer, aplikasi distilasi seerhana digunakan untuk memisahkan campuran air dan alkohol, air dan NaCl dan lain-lain
.
42 b. Distilasi Fraksionasi
Distilasi fraksionasi adalah proses pemisahan distilasi ke dalam bagian- bagian dengan titik didih makin lama makin tinggi yang selanjutnya pemisahan bagian-bagian ini dimaksudkan untuk destilasi ulang. Distilasi ini berfungsi untuk memisahkan campuran larutan/cairan yang terdiri dari dua komponen atau lebih, dari suatu larutan berdasarkan perbedaan titik didihnya. Distilasi ini dapat digunakan untuk campuran dengan perbedaan titik didih kurang dari 20°C dan bekerja pada tekanan atmosfer atau dengan tekanan rendah. Aplikasi dari distilasi jenis ini digunakan untuk memisahkan komponen-komponen dalam minyak mentah, minyak atsiri, dan lain-lain.
Perbedaan distilasi fraksionasi dan distilasi sederhana adalah adanya kolom fraksionasi. Di kolom ini terjadi pemanasan secara bertahap dengan suhu yang beda pada setiap plate atau tahapnya. Pemanasan yang berbeda-beda ini bertujuan untuk pemurnian distilat yang lebih dari tahap-tahap di bawahnya.
c. Distilasi Uap
Distilasi uap digunakan pada campuran senyawa-senyawa yang memiliki titik didih mencapai 200°C atau lebih. Distilasi uap dapat menguapkan senyawa- senyawa ini dengan suhu mendekati 100°C dalam tekanan atmosfer menggunakan uap atau air mendidih. Sifat dari distilasi uap adalah dapat mendistilasi campuran senyawa di bawah titik didih dari masing-masing senyawa campurannya. Distilasi uap dapat digunakan untuk campuran yang tidak larut dalam air di semua suhu, tapi dapat didistilasi dengan air. Aplikasi dari distilasi uap adalah untuk mengekstrak beberapa produk alam seperti minyak eucalyptus dari eucalyptus, minyak sitrus dari lemon, dan untuk ekstraksi minyak parfum dari tumbuhan.
Campuran dipanaskan melalui uap air yang dialirkan ke dalam campuran dan ditambah juga dengan pemanasan. Uap dari campuran akan naik ke atas menuju ke kondensor menghasilkan distilat dan akhirnya masuk ke labu distilat.
d. Distilasi Vakum
Distilasi vakum biasanya digunakan jika senyawa yang ingin didistilasi tidak stabil, dengan pengertian dapat terdekomposisi sebelum atau mendekati titik didihnya atau campuran yang memiliki titik didih di atas 150°C. Metode distilasi
43 ini tidak dapat digunakan pada pelarut dengan titik didih yang rendah jika kondensornya menggunakan air dingin karena komponen yang menguap tidak dapat dikondensasi oleh air. Untuk mengurangi tekanan digunakan pompa vakum atau aspirator. Aspirator berfungsi sebagai penurun tekanan pada sistem distilasi vakum.
2. Jenis Distilasi Berdasarkan Jumlah Komponen
Berdasarkan komponennya, distilasi dibagi menjadi dua, yaitu (Geankoplis, 1983):
a. Distilasi Dua Komponen (Binary)
Distilasi dua komponen merupakan proses pemisahan larutan biner, yaitu larutan yang mengandung dua komponen yang dapat melarut dengan baik. Contoh dari distilasi dua komponen adalah pada proses pemisahan benzene dan toluene yang dapat dilihat pada Gambar 6.2.
Gambar 6.2 Distilasi dua Komponen
Perhitungan neraca massa berfungsi untuk mengetahui fraksi mol komponen di umpan, distilat, dan bottom. Selanjutnya hasil perhitungan tersebut dapat digunakan untuk menentukan jumlah stage teoritis menggunakan kurva McCabe- Thiele untuk distilasi dua komponen.
Asumsi yang digunakan pada metode McCabe-Thiele adalah terjadinya kesetimbangan pada menara distilasi antara umpan masuk dengan top traynya dan antara umpan masuk dengan bottom traynya. Dapat dilihat pada Gambar 6.3, fasa cair dan uap memasuki tray, kemudian terjadi kesetimbangan, dan selanjutnya meninggalkan tray.
44 Gambar 6.3 Laju fasa uap dan cair memasuki dan meninggalkan tray Neraca massa totalnya adalah sebagai berikut :
Vn+1 + Ln-1 = Vn + Ln (1)
Neraca massa komponennya adalah sebagai berikut :
Vn+1 yn+1 + Ln-1 xn-1 = Vn yn + Ln xn (2)
Keterangan :
Vn+1 = laju alir uap dari tray n+1 Ln-1 = laju alir cairan dari tray n-1 Vn = laju alir uap dari tray ke-n Ln = laju alir cairan dari tray ke-n
yn+1 = fraksi mol uap suatu komponen di Vn+1 xn-1 = fraksi mol cair suatu komponen di Ln-1 yn = fraksi mol uap dari tray ke-n
xn = fraksi mol cair dari tray ke-n
Neraca massa overall di keseluruhan bagian kolom distilasi dihitung dengan menggunakan persamaan (3) :
F = D + W (3)
Sedangkan persamaan neraca massa komponennya dapat dilihat pada persamaan (4) :
xF . F = xD . D + xw . W (4)
Keterangan :
xF = fraksi mol umpan (mol) xD = fraksi mol distilat (mol) xW = fraksi mol bottom (mol)
45 D = laju alir mol distilat (kmol/jam)
W = laju alir mol bottom (kmol/jam b. Distilasi Multikomponen
Pada umumnya, di industri proses pemisahan menggunakan distilasi melibatkan lebih dari dua komponen. Secara umum, desain untuk menara distilasi multikomponen sama dengan distilasi dua komponen (binary). Begitu pula dengan neraca massa, pada distilasi multikomponen terdapat neraca massa untuk masing-masing komponen di dalam campuran. (Geankoplis, 1983)
Pada distilasi dua komponen hanya digunakan satu menara untuk memisahkan dua komponen A dan B menjadi komponen yang kebih murni. Komponen A mempunyai sifat lebih volatile daripada B, sehingga pada hasil proses distilasi koomponen A sebagai produk atas dan koponen B sebagai produk bawah. Berbeda dengan distilasi dua komponen, pada campuran multikomponen yang terdiri dari n komponen, akan dibutuhkan n 1 fractionator untuk memisahkan komponen-komponen tersebut. Sebagi contoh untuk memisahkan komponen A, B, dan C. A dan B merupakan komponen yang paling mudah menguap dengan volatilitas berdekatan dan C merupakan komponen yang paling sulit menguap. Untuk memisahkan ketiga komponen tersebut dibutuhkan dua buah kolom seperti pada Gambar 6.4.
Gambar 6.4 Pemisahan tiga komponen A, B, dan C
Umpan yang terdiri dari komponen A, B, dan C didistilasi di kolom 1. Produk atas yang dihasilkan, yaitu komponen A dan B, sedangkan produk bawahnya merupakan komponen C. Di bottom masih dapat terkandung komponen A dan B dalam jumlah yang sedikit (sering disebut trace component).
46 Pada kolom 2 terjadi pemisahan komponen A dan B. Distilat yang dihasilkan, yaitu komponen A dengan sejumlah kecil komponen B, sedangkan pada bottom dihasilkan komponen B yang juga mengandung sedikit komponen A dan C.
Pada campuran multikomponen dengan mengetahui komposisi dari satu komponen tidak dapat langsung mengetahui komposisi dari komponen lainnya. Selain itu, jika umpan mengandung lebih dari dua komponen tidak dapat ditentukan komposisi produk atas dan produk bawahnya secara langsung. Akan tetapi, hal tersebut dapat diketahui dengan dua komponen kunci (key components) (Sinnott, 2005).
Proses pemisahan dari campuran multikomponen pada menara distilasi hanya akan terjadi pada dua komponen saja. Misalnya, untuk campuran A, B, C, D, dan seterusnya, proses pemisahan dalam satu menara distilasi hanya dapat terjadi antara komponen A dan B, atau B dan C, dan seterusnya. Misalnya, pada distilasi multikomponen ini terjadi pemisahan antara komponen A dan B. Komponen A merupakan light key component dan komponen B merupakan heavy
key component. Light key component merupakan komponen yang lebih mudah
menguap (LK) yang akan dihasilkan pada distilat. Heavy key component merupakan komponen yang lebih sulit untuk menguap (HK) dan akan dihasilkan pada bottom. Komponen-komponen yang lebih mudah menguap disebut dengan
light components yang akan terdapat dalam jumlah yang sedikit pada bottom.
Untuk komponen-komponen yang lebih sulit menguap daripada heavy key
components akan terdapat pada distilat dalam jumlah yang sedikit. (Geankoplis,
1983).
Pada distilasi multikomponen, hukum Raoult dapat digunakan untuk menentukan komposisi fasa uap dalam keadaan setimbang dengan fasa liquidnya. Misalkan, untuk komponen A, B, C, dan D rumus untuk mencari komposisi fasa uapnya adalah sebagai berikut (Geankoplis, 1983) :
pA = PA xA pB = PB xB pC = PC xC pD = PD xD (5)
𝑦
𝐴=
𝑝𝐴 𝑝=
𝑃𝐴 𝑃𝑥
𝐴𝑦
𝐵=
𝑝𝐵 𝑝=
𝑃𝐵 𝑃𝑥
𝐵 𝑦𝐶 = 𝑝𝐶 𝑝 = 𝑃𝐶 𝑃 𝑥𝐶 𝑦𝐷 = 𝑝𝐷 𝑝 = 𝑃𝐷 𝑃 𝑥𝐷 (6)47 Untuk Senyawa hidrokarbon, data kesetimbanganny dirumuskan sebagai berikut:
𝑦
𝐴= 𝐾
𝐴𝑥
𝐴𝑦
𝐵= 𝐾
𝐵𝑥
𝐵𝑦
𝐶= 𝐾
𝐶𝑥
𝐶𝑦
𝐷= 𝐾
𝐷𝑥
𝐷(7) KA merupakan konstanta kesetimbangan fasa uap-cair atau koefisien
distribusi untuk komponen A. Pada penentuan nilai relative volatility (αi) untuk
masing-masing komponen pada campuran multi komponen digunakan cara yag sama seperti pada distilasi dua komponen, maka:
𝛼
𝑖=
𝐾𝑖 𝐾𝑒
(8)
Relative volatility (αi) adalah ukuran kemudahan terpisahkan lewat
eksploitasi perbedaan volatillitas. Relative volatility ditulis sebagai perbandingan nilai K dari komponen lebih mudah menguap terhadap nilai K komponen yang lebih sulit menguap. Oleh karena itu, jika harga mendekati satu atau bahkan satu, maka kedua komponen sangat sulit bahkan tidak mungkin dipisahkan melalui operasi distilasi.
6.2.3 Penentuan Jumlah Tray Distilasi 1. Metode McCabe Thiele
Salah satu metode yang sering digunakan dalam menghitung jumlah stage ideal untuk distilasi dua komponen adalah dengan menggunakan metode McCabe-Thiele, disamping itu terdapat metode lain, yaitu metode Ponchon Savarit. Bila dibandingkan dengan metode ponchon savarit, maka metode McCabe-Thiele lebih mudah digunakan karena dengan metode McCabe-Thiele tidak memerlukan perhitungan Heat Balance (necara panas) untuk menentukan jumlah stage yang dibutuhkan. Metode McCabe-Thiele ini mengasumsikan bahwa laju alir molar baik liquid maupun vapour atau L/V konstan, atau dikenal juga dengan istilah Constant Molar Overflow (CMO), namun pada keadaan sebenarnya keadaan CMO tidaklah konstan. Dalam perhitungan theoritical stage ada beberapa tahap yang harus dilakukan, yaitu:
Pembuatan kurva kesetimbangan uap cair (biasanya untuk senyawa atau komponen yang lebih ringan)
Membuat garis operasi baik seksi rectifying (enriching) maupun stripping Membuat garis umpan (q-line) yang menunjukkan kualitas dari umpan itu
48 Membuat atau menarik garis stage yang memotong kurva kesetimbangan yang memotong kurva kesetimbangan xy, garis operasi rectifying dan
stripping yang diawali dari XD dan berakhir pada XB
Pada Gambar 6.5 merupakan contoh penentuan jumlah stage teoritis pada distilasi dua komponen (benzene-toluene) dengan menggunakan grafik McCabe- Thiele.
Gambar 6.5 Grafik McCabe-Thiele untuk menentukan jumah stage teoritis a. Menghitung Jumlah Stage Minimum (Nm) untuk distilasi biner
Jumlah stage minimum merupakan suatu kondisi yang kedua garis operasinya (Rectifying dan stripping) saling berimpitan dengan garis y = x disebut dengan refluk total (total reflux), pada kondisi ini akan memberikan jumlah stage minimum.
Pada saat rasio refluk menjadi tidak terhingga menghasilkan jumlah minimum stage, atau garis operasi rectifying dan stripping saling berimpitan pada garis y = x sehingga membentuk sudut 45° kondisi ini disebut juga dengan total refluk. Pada kondisi ini, semua kondensat dikembalikan kedalam kolom sebagai refluk, tidak ada produk yang diambil serta tidak ada umpan yang masuk. Pada
49 saat start up, kolom-kolom distilasi sering kali dijalankan pada keadaan total refluk hingga keadaan steady dicapai. Untuk menentukan berapa jumlah stage minimum dari suatu pemisahan adalah dengan membuat stage yang dimulai dari fraksi nol distilat (produk atas) dan berakhir pada fraksi mol produk bawah. Kedua garis operasi berimpit pada garis y = x sehingga dihasilkan kurva pada Gambar 6.6.
Gambar 6.6 Jumlah stage pada kondisi total refluks
Untuk menentukan jumlah stage minimum pada distilasi dua komponen digunakan persamaan (5) berikut ini.
log(𝑥𝐷 1− 𝑥𝑊
1− 𝑥𝐷 𝑥𝑊)
log 𝛼𝑎𝑣
(9) 𝛼𝑎𝑣 = (𝛼𝐷 𝛼𝑊)1/2 (10)
Katerangan :
Nm = Jumlah stage minimum
xD = Fraksi mol distilat (mol)
xW = Frasi mol bottom (mol)
αav = Relative volatility rata-rata
αD = Realative volatility distilat
50 b. Reflux Ratio Minimum
Refluk memiliki peranan yang penting dalam sebuah pengoperasian kolom. Seiring dengan naiknya nilai rasio refluk, maka jumlah stage yang dibutuhkan akan semakin kecil, begitu juga sebaliknya apabila nilai rasio refluk semakin kecil maka jumlah stage yang dibutuhkan akan semakin banyak hingga pada akhirnya jumlah stage akan menjadi tidak terhingga. Jumlah stage yang tidak terhingga terjadi pada nilai rasio refluk minimum. Pada saat jumlah stage tidak terhingga konsentrasi komponen pada liquid dan uap tidak mengalami perubahan. Zona tidak terjadi perubahan ini disebut juga dengan zona invariant, istilah lainnya adalah pinch point (titik pencekik), seperti yang dapat dilihat pada Gambar 6.7 berikut ini.
Gambar 6.7 Pinch Point pada Grafik McCabe-Thiele
Untuk menentukan reflux ratio minimum pada distilasi dua komponen digunakan persamaa (11) berikut ini.
𝑅𝑚
𝑅𝑚+ 1
=
𝑥𝐷− 𝑦′
𝑥𝐷− 𝑥′
(11) Keterangan :
Rm = reflx ratio minimum xD = fraksi mol distilat (mol)
y’ = fraksi mol uap pada pinch point (mol) x’ = fraksi mol cair pada pinch point (mol)
51 Umumnya reflux ratio minimum dapat terjadi oleh kondisi :
Perpotongan antara garis umpan (q-line) dengan kurva kesetimbangan uap-cair dan dapat juga terjadi pada ketika garis operasi rectifying menyinggung garis kesetimbangan uap-cair. Pada umumnya kondisi ini terjadi pada jenis kurva kesetimbangan normal, q line mempunyai peranan penting daripada kurva kesetimbangan.
Garis operasi rectifying menyinggung kurva kesetimbangan uap-cair, titik singgung ditunjukkan oleh pinch point. Umumnya terjadi pada jenis kurva kesetimbangan yang tidak normal, kurva kesetimbangan mempunyai peranan penting dari pada q line.
2. Metode Fenske, Underwood, Gilliand
Jumlah stage minimum (Nm) untuk distilasi multi komponen dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan Fenske. Akan tetapi, hanya dua komponen saja yang digunakan, yaiti heavy key (K) dan light key (LK). Rumus perhitungannya adalah sebagai berikut:
(12) Perhitungan menggunakan metode shortcut dapat digunakan untuk membantu designer dalam menyelesaikan beberapa masalah secara cepat, seperti menentukan kondisi optimum dan dapat juga digunakan untuk memperoleh informasi tentang estimasi biaya. Berikut ini akan dijelaskan beberapa perhitungan dengan menggunakan metode shortcut.
a. Metode Shortcut untuk Reflux Ratio Minimum (Rm)
Pada distilasi multikomponen, terdapat dua pinch points, yaitu satu berada di atas tray umpan dan satu lagi berada di bawahnya. Penentuan nilai Rm dengan menggunakan metode plate-by-plate dengan cara trial and error membutuhkan waktu yang cukup lama jika dihitung manual. Pada metode shortcut digunakan persamaan Underwood untuk menghitung Rm menggunakan nilai rata-rata dan mengasumsikan laju alir konstan di kedua bagian menara distilasi. Untuk menentukan nilai reflux ratio minimum digunakan dua persamaan berikut.
52
1 – q
= ∑
𝛼𝑖 𝑥𝑖𝐹𝛼𝑖− 𝜃
(13)
Keterangan :
𝛼𝑖 = Relative Volatility untuk komponen i pada umpan 𝑥𝑖𝐹 = Fraksi komponen i pada umpan
q = Perbandingan antara panas untuk menguapkan 1 mol umpan dengan kalor laten umpan, keadaan q : kondisi/ wujud-wujud umpan pada proses distilasi dapat dilihat pada Gambar 6.8 berikut ini.
Gambar 6.8 q-line berdasarkan nilai q pada kurva kesetimbangan q = 0, Umpan pada kondisi titik embun, saturated vapour
q = 1, Umpan pada kondisi titik gelembung, saturated liquid 0 < q < 1, Umpan pada kondisi campuran uap dan cair q > 1, Umpan pada kondisi dingin
q < 0, Umpan pada kondisi uap panas lanjut, superheated vapour Rm + 1 = 𝛼𝑖 𝑥𝑖𝐷
𝛼𝑖− 𝜃 (14)
Keterangan :
𝛼𝑖 = relative volatility untuk komponen i pada distilat
𝑥𝑖𝐷 = fraksi komponen i pada distilat Rm = reflux ratio minimum
53 θ. Nilai θ berada di antara α dari light key component dan α dari heavy key
component. Jika nilai θ sudah ditemukan maka nilai Rm bisa langsung dapat
diketahui.
b. Metode Shortcut untuk Jumlah Stage pada Reflux Ratio Operasi (Rop)
Tahapan penting pada metode shortcut untuk menentukan jumlah stage teoritis yang digunakan pada reflux ratio operasi (R) adalah dengan menggunakan grafik dari Gilliand seperti pada Gambar 6.9.
Gambar 6.9 Grafik Gilliand antara reflux ratio dan jumlah stage
Reflux ratio operasi berhubungan dengan nilai Rm yang diperoleh
menggunakan metode Underwood, jumlah stage minimum (Nm) diperoleh dengan menggunakan metode Fenske. Dari grafik diatas dapat diketahui jumlah stage teoritis (N).
54 6.3 Hasil Perhitungan dan Pembahasan
Data yang diperoleh dari EOB 1 section 107 Methanol Recovery dengan asumsi fatty alcohol dialirkan pada receiver F2 dan tidak terdestilasi sehingga campuran dianggap biner.
Tabel 6.1 Data Kolom Distilasi D01 Section 107
Parameter Nilai
Laju Alir Umpan, F 2300 kg/jam
Komposisi Umpan Metanol 66 %
Fatty Alcohol 0.6 %
Air 33.4%
Temperatur Umpan Boiling Point
Tekanan Operasi Kolom Atmosfer
Kondensor Kolom Total Condensor
Reboiler Kolom Partial Reboiler
Komposisi Distilat , xD 99 % Metanol
1 % Air
Komposisi Bottom, xW 98.8% Air
0.2 % Metanol
1.0% Fatty Alcohol
Untuk merancang menara destilasi ada beberapa tahapan yang harus dicari dan spesifikasi data yang diperlukan. Berikut adalah tahapan-tahapan untuk dalam perancangan utuk menara destilasi, yaitu:
6.3.1 Menentukan Kondisi Operasi Atas dan Bawah Menara Distilasi Berdasarkan data yang diperoleh, dapat dihitung neraca massa total dan neraca massa komponen menggunakan persamaan berikut.
𝐹 = 𝐷 + 𝑊 (Geankoplis, 1993 Pers.11.4-3) 𝐹 𝑥𝐹 = 𝐷 𝑥𝐷+ 𝑊 𝑥𝑊 (Geankoplis, 1993 Pers.11.4-4) Keterangan :
F = Laju alir umpan (kg/h atau mol/h) D = Laju alir distilat (kg/h atau mol/h) W = Laju alir bottom (kg/h atau mol/h)
XF = Fraksi umpan
XD = Fraksi distilat
55 Tabel 6.2 Neraca Massa D01
Senyawa Feed distilat bottom
kg kmol kg kmol kg kmol
Methanol 1699.7 53.12 1469.03 45.91 48.97 1.53
Air 600.3 33.35 14.84 0.82 767.16 42.62
Jumlah 2300 86.47 1483.87 46.73 816.13 44.15
Untuk menentukan temperatur umpan maka perlu ditrial temperatur
bubble point feed pada tekanan operasi. Tekanan uap tiap komponen dihitung
dengan menggunakan persamaan:
log10(P) = A + B/T + C LogT + DT + ET2 (Yaws, 1996)
keterangan:
A, B, C,D, E = konstanta
P = tekanan uap komponen i (mmHg)
T = temperatur (K)
Konstanta untuk tiap – tiap senyawa dapat dilihat pada tabel berikut. Tabel 6.3 Konstanta Tekanan Uap
Nama A B C D E
Metanol 45.6171 -3.2447x103 -13.988 6.6365 x10-3 -1.0507x10-13 Air 29.8605 -3.1522 x103 -7.3037 2.4247 x10-9 1.809x10-6 Sumber : Chemical Properties Handbook ; Carl L Yaws, 1996.
Menentukan temperatur bubble point umpan
Pada keadaan bubble point, menghitung fraksi mol uap menggunakan persamaan:
∑ Yi = ∑ (KiXi) = 1 (Abbott, 2005 Pers.10.10) Keterangan :
yi = fraksi mol uap
Ki = Koefisien distribusi = Pi / P xi = fraksi mol cair = ni/ntot
Dengan cara trial T pada tekanan operasi 1 atm hingga ∑ yi = 1 maka akan diperoleh temperatur bubble point feed.
56 Tabel 6.4 Penentuan Bubble Point Feed
Senyawa Feed Pi K Yi
kg kmol Xi atm Ki.Xi
Metanol 1518 47.44 0.52 1.55 1.55 0.81
Air 782 43.44 0.48 0.4 0.4 0.19
Jumlah 2300 86.47 1 1.95 1.95 1
P = 1 atm
T trial = 349.3 K
Menentukan temperatur dew point distilat
Pada keadaan dew point, ∑ xi = ∑ (yi/Ki) = 1. Dengan cara trial T pada tekanan operasi hingga ∑ xi = 1 maka akan diperoleh temperatur dew point distilat.
Tabel 6.5 Penentuan Dew Point Distilat
Senyawa Distilat Pi K Xi
kg kmol Yi atm Yi/Ki
Metanol 1469.03 45.91 0.98 1.05 1.05 0.94
Air 14.84 0.82 0.02 0.27 0.27 0.06
Jumlah 1483.87 46.73 1 1.32 1.32 1
P = 1 atm
T trial = 343 K
Menentukan temperatur bubble point bottom
Pada keadaan bubble point, ∑ yi = ∑ (Ki x xi) = 1. Dengan cara trial T pada tekanan operasi hingga ∑ yi = 1 maka akan diperoleh temperatur bubble
point bottom.
Tabel 6.6 Penentuan Bubble Point Bottom
Senyawa Bottom Pi K Yi
kg kmol Xi atm Ki.Xi
Metanol 48.97 1.53 0.035 17.74 17.74 0.615
Air 767.16 42.62 0.965 0.4 0.4 0.385
Jumlah 816.13 44.15 1 18.14 18.14 1
P = 1 atm
57 6.3.2 Menentukan Volatilitas Rata-rata
Light key component (LK) merupakan komponen yang lebih mudah
menguap yang akan dihasilkan pada distilat. Heavy key component (HK) merupakan komponen yang lebih sulit menguap dan akan dihasilkan pada bottom (Geankoplis, 1983). Pada perhitungan relative volatility selalu mengacu terhadap
heavy key component, α untuk heavy key component sama dengan 1 sedangkan
untuk komponen yang lebih ringan dari heavy key component, memiliki α lebih besar dari 1 (Treybal, 1981).
𝛼𝑗 =𝑃 𝑗 𝑃
𝐻𝐾
⁄ (Treybal, 1981 Pers. 9.163) 𝛼 𝑎𝑣𝑔 = √𝛼 𝑡𝑜𝑝 𝑋 𝛼 𝑏𝑜𝑡𝑡𝑜𝑚 (Geankoplis, 1983 Pers. 11.7-13) Keterangan :
α avg = Volatilitas relatif rata-rata α top = Volatilitas relatif pada distilat α bottom = Volatilitas relatif pada bottom
dengan mengunakan persamaan tersebut diperoleh nilai α avg sebagai berikut Tabel 6.7 Nilai α avg Tiap Komponen
Senyawa α top α bottom α avg
Metanol 3.85 44.5 13.08
Air 1 1 1
6.3.3 Mengecek Pemilihan Light Key Component (LK) dan Heavy Key
Component (HK) dengan Persamaan Shira’s et. Al. pada Rm.
𝑋𝑗𝐷.𝐷 𝑋𝑗𝐹.𝐹 = (𝛼 𝐽−1)𝑥 𝐿𝐾 𝐷.𝐷 (𝛼 𝐿𝐾−1)𝑥 𝐿𝐾 𝐹.𝐹+ (𝛼 𝐿𝐾−𝛼 𝑗)𝑥 𝐻𝐾 𝐷.𝐷 (𝛼 𝐿𝐾−1)𝑥 𝐻𝐾 𝐹.𝐹 ( Treybal, 1981 pers.9.164) Batasan:
Komponen j tidak terdistribusi jika: 𝑋𝑗𝐷. 𝐷
𝑋𝑗𝐹. 𝐹 < −0.01 𝑎𝑡𝑎𝑢
𝑋𝑗𝐷. 𝐷
𝑋𝑗𝐹. 𝐹 < 1.01 𝑎𝑡𝑎𝑢 komponen j terdistribusi jika: −0.01 ≤ 𝑋𝑗𝐷.𝐷
𝑋𝑗𝐹.𝐹 ≤ 1.01
58 Senyawa xj, F xj, D 𝑿𝒋𝑫. 𝑫
𝑿𝒋𝑭. 𝑭 Keterangan
Metanol 0.52 0.98 0.97 Terdistribusi
Air 0.48 0.018 0.024 Terdistribusi
Light Key : Metanol
Heavy Key : Air
6.3.4 Menghitung Jumlah Plate Minimum dengan Persamaan Fenske 𝑁𝑚 = log[(
𝑋 𝐿𝐾 𝑋 𝐻𝐾)𝐷(
𝑋 𝐻𝐾 𝑋 𝐿𝐾)𝐵]
log 𝛼 𝑎𝑣𝑔 𝐿𝐾 (Coulson, 2005 Pers.11.58)
Keterangan :
Nm : Jumlah Plate Minimum
XLX : Fraksi Mol Light Key
XHK : Fraksi Mol Heavy Key
Α avg LK : Relatif volatilitas Light Key rata-rata
𝑁𝑚 = log [( 0.98 0.018) 1483.87 ( 0.965 0.035) 816.13] log 13.08 𝑁𝑚 = 8.3 𝑝𝑙𝑎𝑡𝑒 = 9 𝑃𝑙𝑎𝑡𝑒
6.3.5 Menghitung Rasio Refluks Minimum dengan Persamaan Colburn & Underwood
Persamaan yang digunakan untuk menentukan refluks minimum adalah dengan persamaan underwood :
∑𝛼𝑖 .𝑥𝑖 𝐹
𝛼𝑖− 𝜃 = 1 − 𝑞 (Coulson, 2005 Pers.11.61)
Untuk menghitung nilai refluks minimum dicari dengan cara trial θ sampai diperoleh nilai persamaan diatas sama dengan nol.
∑𝛼𝑖 .𝑥𝑖 𝐷
𝛼𝑖− 𝜃 = 𝑅𝑚 + 1 (Coulson, 2005 Pers.11.60)
Keterangan:
αi = Relatif volatilitas rata-rata komponen i
X i,F = Fraksi mol komponen i dalam feed, q nilainya tergantung kondisi umpan
X i,D = Fraksi mol komponen i dalam distilat
Rm = Rasio refluks minimum
59 Nilai θ ditrial hingga ∑𝛼𝑖 .𝑥𝑖 𝐹
𝛼𝑖− 𝜃 = 0 . nilai θ harus berada diantara nilai volatilitas
relatif komponen LK dan HK.
Tabel 6.9 Hasil Trial Nilai θ
Senyawa α avg Xi, F α avg.Xi,F αi Xi.F / (αi-θ)
Metanol 13.08 0.52 6.83 0.605
Air 1 0.48 0.48 -0.605
Jumlah 14.08 1 7.31 0
θ = 1.79
Tabel 6.10 Hasil Perhitungan Rm
Senyawa α avg Xi, D α avg.Xi,D αi Xi.D / (αi-θ)
Metanol 14.41 0.98 12.85 1.14 Air 1 0.02 0.02 -0.022 Jumlah 15.41 1 12.87 1.118 ∑𝛼𝑖 . 𝑥𝑖 𝐷 𝛼𝑖 − 𝜃 = 𝑅𝑚 + 1 1.118 = 𝑅𝑚 + 1 𝑅𝑚 = 1.118 − 1 𝑅𝑚 = 0.118
R operasi berkisar antara 1.2 -1.5 Rm (Geankoplis, 1993) Dipilih R operasi = 1.4 Rm
Sehingga R operasi = 1.4 (0.118) = 0.162 6.3.6 Penentuan Jumlah Stage Ideal
𝑅 𝑜𝑝 𝑅 𝑜𝑝 + 1= 0.162 1.162= 0.14 𝑅 𝑚 𝑅 𝑚 + 1= 0.118 1.118= 0.104 Dari gambar 6.1 diperoleh :
𝑁𝑚
𝑁 = 0.2
𝑁 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 8
60 Gambar 6.10 Erber-Maddox Correlation
6.3.7 Penentuan Efisiensi Plat
Untuk menentukan viskositas rata-rata maka diperlukan data viskositas
masing-masing senyawa. Viskositas tiap komponen dihitung dengan
menggunakan persamaan:
Log 10 n Liq = A+B/T+CT+DT2 (Yaws, 1996)
n liq = Viskositas liquid, centipoise A, B, dan C = Koefisien regresi
T = Temperatur, K
Konstanta untuk tiap – tiap senyawa dapat dilihat pada tabel berikut. Tabel 6.11 Konstanta Viskositas Liquid
Nama A B C D @25oC
Methanol -9.0562 1.2542x103 2.2383x10-2 -2.3583x10-5 0.539 Air -10.2158 1.792x103 1.7730x10-2 -1.2631x10-5 0.911
61 Tabel 6.12 μ avg Produk Atas D01
Senyawa distilat yD/μD
kg kmol Yj, D μ, D Metanol 1469.03 45.91 0.98 0.319 3.08 Air 14.84 0.82 0.02 0.0237 0.744 jumlah 1483.87 46.73 1 3.824 𝜇 𝑡𝑜𝑝 𝑎𝑣𝑔 = ∑ 𝑦𝐷 ∑𝑦𝐷 𝜇 = 1 3.824 = 0.261 𝑐𝑝
Tabel 6.13 μ avg Produk Bawah D01
Senyawa Bottom yW/μW
kg kmol Yj, W μ, W Metanol 48.97 1.53 0.035 6.84x10-5 506 Air 767.16 42.62 0.965 1.61x10-2 6 jumlah 816.13 44.15 1 566 𝜇 𝑏𝑜𝑡𝑡𝑜𝑚 𝑎𝑣𝑔 = ∑ 𝑦𝐵 ∑𝑦𝐵 𝜇 = 1 0.0162= 0.00177 𝑐𝑝 𝜇 𝑎𝑣𝑔 = √𝜇 𝑡𝑜𝑝 𝑥 𝜇 𝑏𝑜𝑡𝑡𝑜𝑚 𝜇 𝑎𝑣𝑔 = √0.261𝑥0.00177 𝜇 𝑎𝑣𝑔 = 0.02147 𝑐𝑝 α LK, avg = 13.08 α LK, avg x μ avg = 13.08 x 0.02147 = 0.28084
Gambar 6.11 Effisiensi kolom (Chopey, 2004) 𝑁 𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑙 = 𝑁 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙
𝐸𝑜 =
42
62 6.3.8 Menentukan Lokasi Feed Plate dengan Persamaan Kirkbride
log (𝑁𝑟 𝑁𝑠) = 0.206 log [ 𝐵 𝐷 ( 𝑋 𝐻𝐾.𝐹 𝑋 𝐿𝐾.𝐹) ( 𝑋 𝐿𝐾.𝐵 𝑋 𝐻𝐾.𝐷) 2 ] (Coulson, 2005 Pers. 11.62) Keterangan :
B : laju alir molar bottom (kmol/jam)
D : laju alir molar distilat (kmol/jam)
(X LK, XHK)F : fraksi mol light key dan heavy key di feed
XLK, B : fraksi mol light key di bottom
XHK, D : fraksi mol heavy key di distilat
Nr : Number of stage di atas feed
Ns : Number of stage di bawah feed
D = 46.73 kmol/jam X HK F = 0.39
B = 44.15 kmol/jam X LK F = 0.61
X HK D = 0.01764
X LK B = 0.035
Berdasarkan persamaan tersebut diperoleh : 𝑁𝑟
𝑁𝑠 = 1.25 𝑁𝑟 = 1.25 𝑁𝑠
Jumlah plate tidak termasuk reboiler adalah 42 plate Nr + Ns = N
Nr + Ns = 42 plate 𝑁𝑠 = 42
1 + 1.25 Ns = 18.5 = 19 plate
63 6.4 Kesimpulan dan Saran
6.4.1 Kesimpulan 1. Cd
2. Dfs 3. Fd
64 DAFTAR PUSTAKA
Abbott, J.M. Smith, H.C. Van Ness, M.M. 2005. “Introduction to chemical
engineering thermodynamics” ed. 7th ed. Montreal: McGraw–Hill.
Boston.
Budiawan, R. Zulfansyah, W. Fatra dan Z. Helwani. 2103. “Off-grade Palm Oil
as A Reneweble Raw Material for Biodiesel Production By Two-Step Process”. ChESA Conference, 7, 40-50
Chopey, P. Nicholas. 2004. “Handbook Of Chemical Engineering Calculations”, 3rd Ed. McGraw–Hill. New York.
Christyananta, 2012, “Pembuatan Operator Training Simulator Proses Distilasi Pada Pabrik Petrokimia Menggunakan Dcs Centum Cs3000 Yokogawa”, Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, Bandung.
Coulson, J.M. And J.F, Young. 2005, “Chemical Engineering Design”, Vol. 6, 4th
ed, Pergamon Press, Oxford.
Condea, 2000, “All About Fatty Alcohol”,
https://www.researchgate.net/file.PostFileLoader.html?id, Diakses tanggal 09 Mei 2017.
Geankoplis, C.J. 1983, “Transport Processes and Unit Operations”, 3rd Ed.
Prentice Hall International. London.
Kemenperin. 2014. “Profil Industri Oleokimia Dasar dan Biodisel”. Kementrian Perindustrian Republik Indonesia. Jakarta.
Ketaren, S., 1986, “Pengantar Teknologi Minyak dan Lemak Pangan”, Universitas Indonesia (UI Press), Jakarta.
Konwar,L.J.,J. Boro dan D.Deka,2014. “Review On Latest Development In
Biodiesel Production Using Carbon-Based Catalyst”, Renewable Energy,
29,546-564.
Perdana, F.K dan Ibnu Hakim, 2009, “Pembuatan Sabun Cair dari Minyak Jarak
dan Soda Q Sebagai Upaya Meningkatkan Pangsa Pasar Soda Q”,
http://eprints.undip.ac.id, Diakses tanggal 2 Mei 2017.
Schuchardt, Ulf, Shercheli, Ricardo & Rogerio Matheus Vargas, 1998, “Transesterification of Vegetable Oils”, Instituto de Quimica, Universidade Estadual de Campinas, Brazil.
Sunarko, 2006, “Petunjuk Praktis Budidaya dan Pengolahan Kelapa Sawit”, PT. Agromedia Pustaka, Jakarta.
65 Sonntag, 1981. “Fat Splitting, Esterification and Interesterifiation. Dalam
Bailey’s Industrial Oil and Fat Products”. John Wiley and Sons.
Newyork.
Treybal, R.E. 1981. “Mass-Transfer Operations”, 3rd ed. McGraw-Hill Book Company. Singapore.
Yaws, C. L .1996. “Chemical Properties Handbook”. Texas. Printed in Chemical Engineering Lamar University.
