Universitas Gadjah Mada 1 BAB III. PERHITUNGAN STAGE SEIMBANG
Konsep stage seimbang dapat dipergunakan untuk memperkirakan hasil pemisahan suatu campuran. Konsep ini menggunakan dasar bahwa arus yang keluar stage dalam keadaan seimbang atau telah terjadi keseimbangan fase. Ada kemungkinan kedua fase yang berkontak dipisahkan sebelum keadaan keseimbangan terjadi karena untuk mencapai keadaan keseimbangan diperlukan waktu yang lama (ingat kecepatan perpindahan berjalan lambat bila sudah mendekati keadaan keseimbangan). Oleh karena itu diperlukan faktor efisiensi pemisahan.
Seperti sudah diketahui bersama bahwa pada suatu stage seimbang untuk suhu dan tekanan tertentu komposisi hasil keseimbangan juga tertentu (ingat kaidah keseimbangan fase). Oleh karena itu untuk mendapatkan hasil yang memenuhi spesifikasi tertentu digunakan cara operasi berulang (multiple stage).
A. Seimbang Tunggal
Alat kontak paling sederhana pada stage wise adalah single stage equilibrium. Misalnya ekstraksi single stage, yaita suatu larutan A — C (umpan) ditambah dengan larutan B murni (atau tidak murni). Pertanyaannya adalah bagaimana komposisi hasil Ekstrak (E) dan Rafinat ( R).
Persamaan matematis yang dapat disusun untuk konsep ini (ingat konsep Chemical Engineering Tools)
1. Neraca massa total
2. Neraca massa komponen solute (A)
3. Neraca massa komponen solvent (C) atau (neraca separating agent)
4. Hubungan keseimbangan ( ) ( ) ( )
Neraca panas tidak ditinjau karena umumnya ekstraksi berlangsung pada suhu tetap atau panas pelarutan umumnya rendah.
Universitas Gadjah Mada 2 Perhitungan dapat dilakukan bila tersedia data seimbang untuk sistem (A, B, dan C) pada suhu dan tekanan operasi.
Lukiskan kurva seimbangnya: - Segitiga ABC sama sisi
Persamaan-persamaan aljabar yang tersusun dapat diselesaikan dengan bantuan komputer atau secara grafis. Pada era sekarang ini yang perkembangan komputer sudah sangat pesat dan didukung kemampuan berhitung secara analitis, numeris, dan kemampuan penyusunan program komputer yang baik maka persamaan-persamaan di atas dapat diselesaikan dengan sangat mudah. Pada kuliah ini akan dibahas secara rinci cara penyelesaian dengan cara grafis karena sampai saat ini masing-masing mahasiswa belum dimungkinkan membawa komputer ke kelas. Tetapi penanaman konsep-konsep penyusunan model matematis atau analisis kasus ditekankan sehingga cara penyelesaian persamaan yang dipilih dapat bebas karena merupakan bagian yang terpisah.
Perhitungan secara grafis
Pada perhitungan secara grafis muncul konsep penjumlahan secara grafis dan pengurangan secara grafis. Untuk itu muncul kaidah penjumlahan secara grafis dan pengurangan secara grafis.
Kaidah penjumlahan secara grafis (graphical addition rule) campuran yang terjadi dari penjumlahan dua arus yang masuk atau keluar terletak pada garis lurus yang dibentuk dari kedua komposisi-komposisi tersebut. Sedangkan posisi titik campuran tersebut ditentukan dengan kaidah lengan tuas terbalik (inverse lever arm rule). Kaidah ini dijabarkan berdasarkan neraca massa sebagai berikut:
Berdasarkan persamaan neraca bahan, kita dapat mengadakan analisis secara grafik.
( )
Universitas Gadjah Mada 3
Jadi ‘m1’ berada pada garis ̅̅̅̅̅ dengan posisi dicari dari:
berlaku untuk komponen A dan C Persamaan ini yang kemudian dinyatakan sebagai kaidah lengan tuas terbalik, dengan dasar pemikiran yang sama dapat dinyatakan sebagai panjang garis.
̅̅̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅̅
dan seterusnya untuk perbandingan yang lain.
Prinsip pengurangan
Pengurangan dapat juga dilakukan secara grafis, konsep yang digunakan sama dengan prinsip penjumlahan arus. Prinsip pengurangan dapat digunakan untuk menentukan jumlah dan komposisi arus diantara dua stage yang berturutan dan dikenal dengan konsep arus netto. Kaidah lengan tuas terbalik juga berlaku pada pengurangan arus.
Letak titik pada perpanjangan garis yang dihubungkan dari E1 dan R0 atau dari E2
dan R1 dan seterusnya, dan posisinya dapat ditentukan berdasarkan kaidah lengan tuas
terbalik misalnya:
Universitas Gadjah Mada 4 Penentuan Jumlah dan Komposisi Arus-arus yang Keluar dari Stage Seimbang
Kuantitas (jumlah dan komposisi) ekstrak dan rafinat ditentukan berdasarkan persamaan-persamaan neraca massa dan keseimbangan yang telah disusun di atas. Komposisi ekstrak dan rafinat dalam keadaan seimbang maka titik ekstrak dan rafinat berada pada kurva seimbang dan tie line yang dihubungkan dari komposisi ekstrak dan rafinat harus melalui titik m1 (seperti gambar di atas). Penentuan garis tersebut dilakukan
dengan coba-coba. Bila garis yang dimaksudkan diperoleh maka komposisi ekstrak dan rafinat dibaca dan jumlahnya dapat ditentukan berdasarkan persamaan neraca massa total dan komponen atau dengan kaidah lengan tuas terbalik.
Dan R1 dicari dari :
Pada konsep keseimbangan, E R, yang berarti ̅̅̅̅ = garis seimbang. Jadi kita harus mencari garis seimbang yang melalui ‘m’.
Cara mencari garis tersebut dengan cara trial and error. Sebagai catatan, lebih mudah memakai kurva distribusi seimbang.
a. Tarik garis sembarang (tie line) melalui ‘m’
b. Cek apakah tie line tersebut merupakan tie line yang benar.
B. Multi Stage Cross-Current Extraction
Untuk masing-masing stage dapat disusun: Neraca massa total:
Universitas Gadjah Mada 5 Neraca massa komponen Solut (A)
Neraca massa komponen Solven (C) atau neraca separating agent
dan hubungan keseimbangan
Contoh soal:
Larutan asam asetat (A) dan air (B) sebanyak 100 kg berisi 30% asam diekstraksi tiga tingkat secara arus silang dengan isopropil eter (C) dengan menggunakan 40 kg solven di tiap tingkatnya. Hitunglah komposisi dan jumlah tiap-tiap aliran. Hitunglah juga jumlah solven yang dibutuhkan apabila digunakan 1 tingkat ekstraksi dengan kondisi rafinat yang sama. Hubungan keseimbnagan diberikan dalam bentuk grafik berikut:
Solven Diluen Solute Solven Diluen Solute 98,1 97,1 95,5 91,7 84,4 71,1 58,9 45,1 37,1 1,2 1,5 1,6 1,9 2,3 3,4 4,4 10,6 16,5 0,69 1,41 2,89 6,42 13,30 25,5 36,7 44,3 46,4 0,5 0,7 0,8 1,0 1,9 3,9 6,9 10,8 15,1 99,3 98,9 97,4 97,1 93,3 84,7 71,5 58,1 48,7 0,18 0,37 0,79 1,93 4,82 11,4 21,6 31,1 36,2 Penyelesaian: Tingkat I (Stage I):
F = 100 kg, xF = 0,3, ys = 0, S1 = 40 kg,
Neraca massa total M1 = F + S1 = 100 +40 = 140 kg
Neraca massa asam asetat
Titik m1 terletak pada garis FS1 dengan komposisi asam asetat pada arus campuran (m)
Universitas Gadjah Mada 6 Jumlah dan komposisi ekstrak dan rafinat dapat ditentukan dengan bantuan kurva distribusi dengan cara coba-coba dicari tie line yang melalui m1. Berdasarkan hasil perhitungan
didapatkan xA1 = 0,258 dan yA1 = 0,117
Tingkat II:
Titik m2 terletak pada garis R1S2 dengan komposisi asam asetat pada arus campuran (m2)
adalah xm2 = 0,1822 dengan bantuan kurva distribusi dapat dicari kesetimbangan melalui m2,
dan didapatkan x2 = 0,227 dan y2 = 0,095
Tingkat III:
Dengan jalan yang sama didapatkan:
S3 = 40; m3 = 130,1; xm3 = 0,1572; x3 = 0,2; y3 = 0,078; E3 = 45,7; R3 = 84,4
Jumlah asam dalam rafinat: (0,2) (84,4) = 16,88 kg Jumlah ekstrak:
E1 + E2 + E3 = 43,6 + 43,6 + 45,7 = 135,6kg
Kandungan asam:
Universitas Gadjah Mada 7 Bila digunakan 1 tingkat dengan kondisi rafinat yang sama x = 0,2, maka garis seimbang akan menjadi R3 E3.
Dari perpotongan ̅̅̅̅ dan ̅̅̅̅̅̅̅ akan didapatkan xm = 0,12
Larutan yang Tak Tercampur
Bila solven yang digunakan dan larutan umpan (diluen) tidak saling larut dan tetap demikian sampai zat yang terlarut terdistribusi sempurna, maka perhitungan dapat disederhanakan (KESEIMBANGAN EKSTRAKSI TIPE I)
Kurva kesetimbangan untuk tipe ekstraksi ini sebaiknya dituliskan dalam bentuk:
Universitas Gadjah Mada 8 OIeh karena larutan solvent dan diluent tidak saling tercampur, maka seluruh diluent akan terdapat di dalam rafinat dan solvent ada di dalam ekstrak, sehingga neraca massa untuk sistem ini adalah:
R’ = massa diluen, E’= massa solven
Persamaan di atas adalah persamaan garis operasi untuk stage yang ke ‘n’ dengan slope – dengan melalui titik (xn-1,ys) dan (xn,yn)
Contoh soal:
Nikotin dalam air dengan konsentrasi 1% nikotin diekstraksi dengan kerosin pada suhu 20 C. Air dan kerosin tidak saling melarut. Pertanyaannya:
a. Hitunglah persen nikotin yang terekstraksi bila 100 kg umpan diekstraksi dengan 150 kg solven (single stage)
b. Ulangi perhitungan di atas untuk tiga stages cross current dengan menggunakan 50 kg solven pada tiap stagenya.
Data keseimbangan untuk proses di atas adalah:
0 0,001011 0,00246 0,00502 0,0075 0,00998 0,0204
Universitas Gadjah Mada 9 Penyelesaian :
a.
Dari kurva kesetimbangan, dan titik umpan F ditarik garis lurus dengan slope = - 0,66, dan didapatkan x1’ = 0,00425 dan y1’ = 0,0038.
Nikotin yang dihilangkan dari air = 99 (0,0101 — 0,00425) = 0,58 kg Atau 58% dari umpan.
b. Untuk tiap stage
Mulai dari F dibuat garis operasi dengan slope = - 1,98. Rafinat akhir yang didapatkan x3’ = 0,0034.
Nikotin yang diekstraksi adalah:
Universitas Gadjah Mada 10 MULTI STAGE ARUS LAWAN ARAH SEDERHANA
COUNTE CURRENT MULTISTAGE OPERATIONS
Di seluruh stage terdapat arus ekstrak dan rafinat yang mengalir dari stage ke stage secara berlawanan arah. Dari stage ke stage akan terjadi perpindahan massa. Arus-arus yang meninggalkan stage dalam keadaan keseimbangan.
Tinjauan Umum secara Keseluruhan (untuk menentukan arus terminal)
Neraca massa total di seluruh stage:
Neraca massa komponen ‘A’ di seluruh stage:
Neraca massa komponen ‘C’ di seluruh stage:
Dari korelasi di atas dapat ditentukan arus yang sangat berguna untuk menentukan korelasi arus-arus Terminal I.
Letak titik ∑( ) dapat ditentukan atau jika ditentukan secara grafis adalah sebagai berikut:
Jika koordinat dan jumlah L0, dan VN+1 diketahui, maka dengan korelasi di atas letak
Universitas Gadjah Mada 11 data yang diketahui), maka letak titik rafinat akhir dalam grafik dengan mudah dapat ditentukan.
Hal-hal lain yang masih perlu dianalisis adalah sebagai berikut:
1. Berapa jumlah kebutuhan stage ideal yang harus digunakan agar komposisi terminal tersebut dapat dicapai.
2. Bagaimana komposisi arus-arus yang keluar atau masuk pada setiap stage Dalam kaitannya, terdapat dua konsep pokok yang bisa digunakan disini, yaitu:
a. Arus yang meninggalkan stage dalam keadaan seimbang. Korelasi komposisi kedua arus yang ke luar stage ditunjukkan oleh garis seimbang.
b. Korelasi komposisi arus-arus di antara dua stage yang berurutan dapat diketahui berdasarkan konsep arus netto. Oleh karena akumulasi massa dalam setiap stage adalah 0, maka arus netto pada setiap stage besarnya tetap. Hal ini dapat digunakan pada prinsip pengurangan.
Universitas Gadjah Mada 12 Arus netto total:
Arus netto komponen A:
Arus netto komponen C (ekstraksi):
Letak titik ( ) dapat ditentukan kemudian.
Secara Grafis
Titik terletak pada perpotongan perpanjangan garis yang menghubungkan keempat titik terminal yang ada, yaitu garis ̅̅̅̅̅̅ dan ̅̅̅̅̅̅̅̅̅. Jika titik sudah dapat ditentukan, maka korelasi arus netto di antara dua stage dapat digambarkan. Garis-garis ini selanjutnya disebut sebagai garis operasi.
Kebutuhan stage dapat ditentukan dengan pertolongan garis operasi dan garis seimbang secara bergantian dan berurutan. Urutan pengerjaan secara grafis untuk menentukan jumlah stage adalah sebagai berikut:
1. Menentukan letak titik terlebih dahulu, untuk mencari neraca massa di sekitar seluruh stage yang selanjtunya dipakai untuk menentukan arus-arus terminal.
2. Menentukan letak titik A pada perpotongan perpanjangan garis ̅̅̅̅̅̅ dan ̅̅̅̅̅̅̅̅̅ 3. Perhitungan dari stage ke stage dapat dimulai dari y1 dan xn. jika dari y1 dengan
korelasi garis seimbang dapat ditentukan letak x1, kemudian dari x1 dihubungkan
dengan titik , titik potong antara garis ̅̅̅̅̅ dan kurva seimbang di cabang ekstrak adalah letak titik y2 (korelasi garis operasi), dan seterusnya sampai didapatkan
Universitas Gadjah Mada 14 Jika jumlah stage diketahui (sudah tertentu), kemurnian hasil yang ditanyakan dapat dicari dengan cara coba-coba.
1. Tentukan letak titik ( = L0 + Vn+1)
2. Coba titik xn, lalu hubungkan dengan titik yang memotong kurva seimbang di y1.
3. Tentukan titik (titik [otong antara ̅̅̅̅̅̅ dan ̅̅̅̅̅̅̅̅̅
4. Hitung jumlah stage, jika jumlah stage hasil hitungan belum sama dengan jumlah stage yang diketahui, cobalah dengan nilai xn yang lain sampai didapatkan hasil :
Ndiketahui = Nhasil hitungan
Perancangan dan Variabel Operasi
Terdapat 4 ubahan penting yang ada pada operasi arus lawan arah, yaitu : 1. Kemurnian hasil (kadar solute dalam ekstrak yang lebih besar)
2. Persentase recovery yang dapat memungut solute sebanyak mungkin (V1 yA1
yang lebih besar atau LN xAN yang makin kecil)
3. Jumlah stage (N), karena jika N bertambah, maka biaya akan mengalami kenaikan
4. V/L ratio, karena jika V/L rationya besar, maka hasil pada arus V akan encer sehingga biaya recovery menjadi tinggi
Apabila 2 ubahan dari keempat ubahan di atas kita tentukan, maka 2 ubahan sisanya akan tertentu pula. Penentuan ubahan optimum akan mempengaruhi analisa ekonomi. ( )
Memilih dua variable dari keempat variable operasi tidak selalu memberikan hasil seperti yang dikehendaki, karena ada nilai batas yang ditentukan oleh sifat fisis zat yang dipisahkan.
Missal pada proses ekstraksi asam asetat – air – isopropyl eter, pada operasi pemisahannya diinginkan percent recovery sebesar 60 % dengan menggunakan ( ) tetapi tidak mungkin tercapai karena walaupun jumlah stagenya (N) tak terhingga hanya didapatkan percent recovery sebesar 31%. Apabila percent recovery diinginkan 60%, maka ( )
Universitas Gadjah Mada 15
Pada Proses Ekstraksi
Jika solven (V) dikurangi untuk percent recovery yang sudah tertentu, maka jumlah N akan menjadi Iebih banyak, sehingga untuk pengurangan ‘V’ yang terus menerus untuk precent recovery yang sama pada suatu ketika akan diperlukan jumlah ‘N’ yang tak terhingga.
Jadi untuk ( )
diperlukan jumlah stage yang tak terhingga. Nilai ( ) pada
suatu proses pemisahan diperlukan untuk diketahui, karena merupakan nilai batas operasi yang digunakan, yang dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut:
Universitas Gadjah Mada 16 dengan:
Faktor = f (Teknis, ekonomis)
Cara Menentukan NiIai ( )
Kondisi ( )
terjadi apabila garis seimbang berimpit dengan garis operasi atau
dapat dikatakan dengan perpanjangan garis seimbang melalui titik . Jika ada beberapa garis seimbang yang melalui titik , maka ( )
yang dipilih
adalah yang mempunyai harga ‘V’ yang paling besar atau yang membentuk paling dekat dengan diagram segitiga. Menurut R.E. Treybal, perpanjangan garis seimbang yang melalui titik umpan adalah yang menentukan ( )
Cara menentukan letak ( )
- Tentukan letak titik Lo (xo) dan Vn+1 (yn+1) yang sudah diketahui.
- Letakkan titik xn, yang sudah ditentukan.
- Dengan coba-coba letakkan titik ∑( ), kemudian hitung ‘N’ sampai didapatkan jumlah ‘N’ tak terhingga, sehingga didapatkan garis seimbang yang berimpit dengan garis operasi. Jika cara coba-coba untuk nilai ‘Z’ dilakukan dengan memperkecil nilai ‘Z’, maka nilai ‘Z’ yang pertama yang memberikan N tidak terhingga adalah ( )
Contoh soal:
Suatu campuran berisi 50% ethyl benzene (A) dan 50% styrene (C) sebanyak 1000 kg/j dipisahkan menjadi produk yang bersisi 10% dan 90% styrene dengan menggunakan solven diethylene glycol.
Hitunglah:
a. Jumlah stage minimum b. Minimum extract reflux
Universitas Gadjah Mada 17 Hydrocarbon Rich Solution Solvent Rich Solution
x 0 0,0870 0,1883 0,288 0,384 0,458 0,464 0,561 0,573 0,781 1,00 N 0,00675 0,00817 0,00938 0,01010 0,01101 0,01215 0,01215 0,01410 0,01405 0,01833 0,0256 X 0 0,1429 0,273 0,386 0,480 0,557 0,565 0,605 0,674 0,833 1,00 N 8,62 7,71 6,81 6,04 5,44 5,02 4,95 4,46 4,37 3,47 2,69
Data di atas diplot dalam koordinat solvent free. F = l000kg/j, xF = 0,5
xp’E = 0,9; XRNP = 0,1
Titik E1 dapat dilihat dari gambar dan NE1 = 3,1
Penyelesaian:
a. Jumlah stage minimum dicari dengan menggambar garis keseimbangan dari E1, garis
vertikal dari R1, garis keseimbangan dari E2 dan seterusnya sampai mencapai produk
rafinat. Dari gambar didapatkan jumlah stage minimum adalah 9,5.
b. Garis keseimbangan yang bila diteruskan melalui titik F adalah minimum reflux ratio dari gambar didapatkan NEm = 20,76
External reflux ratio minimum:
Universitas Gadjah Mada 18 d. Titik E digambar pada grafik kemudian ditarik garis lurus melalui F dan dari
pertemuan dengan garis Y = 0,1 didapatkan titik R dengan NR = -29,6.
e. Dengan bantuan kurva keseimbangan dihitung jumlah stage yang dipenlukan dan didapatkan = 15,5.
Dari grafik didapatkan:
Universitas Gadjah Mada 20
Countercurrent Multistage Operations pada Proses Distilasi
Pada proses distilasi, uap pembawa panas mengalir secara berlawanan arah terhadap cairannya. Dari stage ke stage antara uap dan cairannya akan terjadi perpindahan panas dan massa.
Tinjauan Umum
Neraca massa total di seluruh stage:
Neraca massa komponen ‘A’ di seluruh stage:
Universitas Gadjah Mada 21 Dari persamaaan-persamaan di atas dapat ditentukan komposisi dan jumlah arus terminal. Dan seterusnya, caranya sama dengan pada ekstraksi, tetapi hanya diagram entalpi - komposisi.
Arus Lawan Arah Sederhana Cara Numeris
y = f(x) diketahui h = f(x) diketahui N = f(y) diketahui
Jumlah, komposisi dan entalpi umpan diketahui (L0, x0, h0)
Jumlah, komposisi dan entalpi media pemisah diketahui (VN+1, yN+1, HN+1)
Diharapkan hasil xn akan tertentu (dikehendaki)
I. Mencari Komposisi Arus Terminal
Selanjutnya dicari 3 bilangan ‘tertentu’ dengan 3 persamaan di atas.
Universitas Gadjah Mada 22
Universitas Gadjah Mada 23 REFLUKS
Operasi Multi Stage Berlawanan Arah dengan Refluks
Proses pemisahan dengan simple contercurrent flow tidak dapat memberikan hasil yang sempurna. Hasil yang tertinggi yang dapat dicapai dengan simple countercurrent flow jika digunakan jumlah stage tidak terhingga (N = tak terhingga).
Kemungkinan lain yang dapat digunakan untuk menaikkan kemurnian hasil atas (E1)
adalah dengan cara menaikkan kemurnian (kandungan solut) dalam umpan yang masuk puncak kolom (R0), oleh karena itu muncul fenomena Reflux.
Reflux adalah sebagaian dari hasil atas yang mempunyai kemurnian tinggi dikembalikan ke ‘cascade’ atau menara sebagai umpan pada bagian puncak menara.
Tetapi biasanya kemurnian umpan alat pemisah merupakan hasil dari alat sebelumnya. Pertanyaan yang muncul umpan ini dimasukkan ke menara pada bagian mana?.
Umpan sebenarnya dimasukkan ke menara melalui bagian plate yang mempunyai komposisi dan sifat-sifat yang mirip dengan komposisi dan sifat umpan. Plate dimana umpan dimasukkan disebut dengan feed plate.
SISTEM REFLUX UNTUK EKSTRAKSI
Stage 1 sampai F-1 disebut dengan dengan sesi enriching. Stage F sampai N disebut dengan sesi stripping.
Nomor stage di mulai dari bagian puncak menara
Bila dilihat perbagian (enriching dan stripping) dapat digunakan cara perhitungan arus lawan arah sederhana (simple countercurrent flow) konsep arus sigma (berdasarkan neraca massa pada seluruh kolom), arus netto (berdasarkan neraca massa tiap stage yang kemudian disebut sebagai garis operasi), dan keseimbangan (garis seimbang).
Universitas Gadjah Mada 24 Data yang diketahui komposisi dan jumlah arus umpan dan separating agent (arus
solvent).
Data yang dikehendaki kemurnian hasil
Data yang diambil atau diketahui perbandingan reflux ratio (R0/PE)
Konsep arus netto pada seksi enriching (seksi ekstrak) Neraca massa total pada sesi enriching
Neraca massa komponen A atau komponen C pada sesi enriching
Konsep arus netto pada seksi stripping (seksi rafinat) Neraca massa total pada sesi enriching:
Neraca massa komponen A atau komponen C pada sesi enriching:
Neraca massa total pada sekitar kondenser:
Neraca massa komponen A atau komponen C pada sekitar kondensor:
Konsep arus netto pada seksi stripping (seksi rafinat) Neraca massa total pada sesi stripping:
Neraca massa komponen A atau komponen C pada seksi enriching analog Neraca massa total pada seluruh stage
Jika komposisi F, ̅, dan telah diketahui atau telah terhitung maka letak titik-titik tersebut dalam satu garis lurus.
Universitas Gadjah Mada 25 BAGAIMANA CARA MENENTUKAN LETAK TITIK ̅ DAN ̿ ?
1. Gambarkan letak titik-titik arus terminal yang sudah diketahui komposisinya yaitu:
2. Cari komposisi arus E1 yaitu y1 berdasarkan neraca massa sekitar separation solvent
(solvent recovery) yaitu: E1 = BE + ESS jadi letak y1, yBE, dan xSS dalam satu garis lurus,
selain itu arus y1 merupakan arus yang keluar dari stage seimbang sehingga titik y1
terletak pada kurva seimbang.
3. Letak titik dapat dievaluasi dari arus netto pada bagian enriching.
Neraca massa komponen A atau komponen C pada sesi enriching
jika yang terambil dari solvent recovery (BE) adalah solven murni maka YBBA = 0, maka
dan dengan persamaan ini letak x dapat ditentukan atau letak titik dapat ditentukan.
Letak titik ̅ dapat ditentukan berdasarkan persamaan arus netto pada sesi stripping, yaitu dengan:
Dan persamaan neraca massa total pada seluruh kolom:
Dengan menggunakan dua persamaan ini letak titik ̅ dapat ditentukan. Untuk selanjutnya perhitungan jumlah stage yang diperlukan untuk derajad pemisahan tertentu dapat dilakukan.
Universitas Gadjah Mada 26 Untuk kasus ekstraksi dengan data korelasi keseimbangan yang memberikan kurva pada fase ekstrak sempit perhitungan berdasarkan fraksi massa total seperti contoh di atas tidak menguntungkan. Karena dengan dasar perhitungan fraksi massa total ini akan memberikan kesalahan hitung yang relatif tinggi. Oleh karena itu sebaiknya digunakan perhitungan atas dasar SOLVENT FREE. Keuntungan berhitung atas dasar solvent free adalah bentuk persamaan yang tersusun dan grafik yang diperoleh mempunyai bentuk yang sama dengan DISTILASI.
Solvent Free
Dasar-dasar perhitungan yang dipakai sama dengan cara sebelumnya. Dasar solvent free ini dapat dipilih terutama bila kita menggunakan teori kesamaan atau analogi antara proses distilasi dan ekstraksi, karena keduanya mempunyai bentuk kurva yang mirip.
Notasi-notasi yang digunakan adalah sebagai berikut:
Universitas Gadjah Mada 27 Contoh 6.1 (Foust) Diketahui: A. = styrene B. = ethyl-benzene C. = diethylene glycol Pertanyaan: a. Hitunglah N b. Jika F = 1000 kg, hitunglah VN+1 Penyelesaian:
Universitas Gadjah Mada 28 Karena , maka tempat kdudukan adalah garis yang tegak lurus pada karena = = .
Jadi titik merupakan titik potong antara garis yang tegak lurus dengan dengan kurva seimbang, karena merupakan arus yang keluar dari stage. Bila titik tertentu, maka dapat ditentukan.
Menentukan letak titik :
dengan , , dan pada satu garis lurus. Arus netto:
Dengan letak titik pada garis lurus yang tegak lurus dengan xN, sehingga
dapat ditentukan. Selanjutnya karena ̅ dan sudah dapat ditentukan, maka jumlah stage dapat ditentukan pula, yaitu N 23.
Universitas Gadjah Mada 29 dengan: VN+1 = 0
Komponen ‘C’:
Universitas Gadjah Mada 31
Distilasi Reflux
Perhitungan Distilasi Diperlukan Data Diagram Entalpi — Komposisi
Cara penyelesaiannya sama dengan ekstraksi yang sudah dibicarakan sebelumnya, tetapi neraca separating agentnya berupa panas.
Sesi enriching:
Sesi stripping:
Neraca massa di sekitar kondenser:
Neraca massa di sekitar reboiler:
Arus netto entalpi untuk sesi atas (Enriching):
Nilai , dapat ditentukan (dievaluasi) berdasarkan neraca entalpi di sekitar kondenser. Informasi yang diketahui untuk menentukan nilai adalah:
a) beban kondensor atau b) nilai reflux. a. Jika diketahui beban kondensor:
Universitas Gadjah Mada 32 Dengan: - = entalpi yang diambil oleh pendingin
= entalpi pendingin ke luar — entalpi pendingin masuk
Maka:
dengan: qC = D QCD
Jika diketahui
XD = komponen distilat, hD = entalpi distilat, dan
QCD = qC/D = beban kondenser
Maka titik ( ) dapat ditentukan.
b. Jika diketahui nilai reflux:
Jika diketahui = Reflux, maka penentuan h dapat dilakukan dengan persamaan
berikut (analog dengan cara ekstraksi):
Universitas Gadjah Mada 33 Pada Sesi stripping, analisisnya analog dengan meninjau neraca panas sekitar reboiler, yaitu:
Selanjutnya nilai ̅ dapat ditentukan jika yang diketahui nilai reflux . Umumnya nilai ̅ dievaluasi berdasarkan informasi nilai dengan menggunakan korelasi + F = ̅ (neraca massa seluruh kolom).
Ada dua tipe kondensor yaitu:
1. Kondensor total (distilat dalam bentuk cair) pembahasan seperti yang sudah dipelajari
Universitas Gadjah Mada 34 Kondensor Total
Nilai y1 = XD = X0 = X, sehingga jika XD sudah diketahui maka titik (XD, hD) dapat
ditentukan dan titik (y1, H1) juga dapat ditentukan.
Menentukan titik h:
Atau dengan cara :
Kondensor Partial
Tidak seluruh uap yang masuk kondensor diembunkan, hasil atas dapat dalam bentuk uap, dan reflux berbentuk cair.
Terdapat dua keadaan yang mungkin terjadi dalam kondisi parsial yaitu: Uap dan cairan dalam keadaan keseimbangan
Uap dan cairan tidak dalam keadaan keseimbangan
Jika uap dan cairan dalam keadaan seimbang, maka akan ekuivalen dengan stage. Kondensor 1 stage seimbang.
Universitas Gadjah Mada 35 Persamaan-persamaan yang dapat disusun dalam kondisi parsial, adalah:
Atau jika diketahui , maka :
4.yD = K x0 (korelasi seimbang)
Reboiler (Still)
Pada operasi distilasi, panas (qs) ditambahkan pada still (S) untuk menguapkan
sebagian dari cairan pada bagian bawah kolom. Uap yang terbentuk pada still kemudian di reflux (Vs) sebagai uap pembawa panas. Oleh karena itu, reboiler ekuivalen dengan satu
Universitas Gadjah Mada 36 Secara skematis kondensor dan rebolier dapat digambarkan sebagai berikut:
Perhitungan distilasi dengan menggunakan diagram entalpi-komposisi disebut Metode PONCHON-SAVARIT. Jumlah cairan yang direflux dapat bervariasi yaitu dari suatu jumlah minimal (REFLUX MINIMAL) sampai semua cairan dikembalikan (REFLUX TOTAL).
Penentuan Reflux Maksimal dan Minimal
Bila nilai perbandingan reflux ( ) tertentu,maka jumlah stage (N) yang dibutuhkan untuk derajat pemisahan yang tertentu mempunyai jumlah yang tertentu pula.
Universitas Gadjah Mada 37 Reflux Minimum
( )
Bila ( ) berkurang untuk (X0, XD, Y1) yang tetap, maka letak X akan semakin
mendekati Y1, dan hal ini akan menyebabkan jumlah ‘N’ naik. Batas nilai ( ) yang paling
kecil adalah ( ) minimum. Bila garis operasi berimpit dengan garis seimbang, maka jumlah stage (N) maksimum adalah tak terhingga.
Reflux Maksimum
Bila nilai ( ) bertambah besar, sampai pada suatu nilai dimana semua hasil atas dimasukkan ke dalam kolom kembali sehingga nilai D = 0 maka keadaan ini disebut sebagai REFLUX TOTAL (R Total) → D = 0
F = 0 B = 0
Jadi : ( ) =
, maka letak titik dan ̅ pada tak terhingga berupa garis tegak lurus sehingga YN+1 = XN
( ) =
Pada keadaan ini jika reflux semakin besar maka ‘N’ semakin kecil
Reflux (R) yang semakin besar akan memerlukan jumlah stage (N) yang semakin kecil (harga murah), tetapi beban kondensor dan reboiler akan semakin besar (biaya mahal), sehingga perlu dipilih ‘R’ tertentu agar total biaya yang diperlukan menjadi sekecil mungkin.
Universitas Gadjah Mada 38 Ringkasan Metode PONCHON-SAVARIT
Gambarkan letak arus-arus terminal yang diketahui: D (XD, hD), F(XF, hF), dan B (XB, hB).
Tentukan letak titik (x, h) atau ̅( ̅ ̅). Tergantung data yang diketahui di kondensor
atau di reboiler.
Bila (x, h) atau ̅( ̅ ̅) sudah dapat ditentukan, selanjutnya tentukan letak:
o ̅( ̅ ̅), bila diketahui data di reboiler o (x, h), bila diketahui data di kondensor
dengan menggunakan korelasi:
̅ ( ̅ dalam satu garis lurus)
̅ (tempat kedudukan ̅ adalah garis tegak lurus pada xB)
x = xD (tempat kedudukan x adalah garis tegak lurus pada xD)
o ̅( ̅ ̅) bila diketahui data di reboiler o ( ), bila diketahui data di kondensor dengan menggunakan korelasi
̅ ( ̅ )
̅ (tempat kedudukan ̅ adalah garis tegak lurus pada
(tempat kedudukan adalah garis tegak lurus pada
Gambarkan garis operasi dan garis seimbang secara bergantian pada masing – masing sesi
Hitung ‘N’ pada sesi enriching dan sesi stripping serta letak feed plate.
Reflux minimum (N = tak terhingga): garis operasi berimpit dengan garis seimbang. Pilihlah yang member Rmin yang paling maksimum (biasanya yang melewati feed)
Reflux maksimum (N = minimum): D = = , letak titik di tak terhingga B = = , letak titik ̅ di tak terhingga
Universitas Gadjah Mada 39 Atau garis operasi berupa garis tegak lurus pada masing – masing komposisi. (Lihat gambar 6.11 dan 6.14, Foust).
Universitas Gadjah Mada 40
Open Steam
Uap pembawa panas dari reboiler diganti dengan steam dari sumber lain, sehingga biasanya bebas dari komponen yang dipisahkan.
Universitas Gadjah Mada 41 Untuk sesi atas (Enriching), sama dengan proses distilasi yang sudah dibahas.
Jika kondensor total : y1 = X0 = XD
letak tegak lurus pada Letak titik ditentukan dengan neraca entalpi
Sekitar kondensor: Bila QCD yang diketahui
Universitas Gadjah Mada 42 dengan:
Bila yang diketahui, maka:
Sesi stripping:
dengan:
̅ , Lm dan Vm+1 pada satu garis lurus pada garis seimbang.
Neraca massa di sekitar kolom:
dengan:
Contoh soal (Brown, 1950)
Tentukan jumlah stage seimbang yang diperlukan untuk memisahkan campuran etanol-air dengan konsentrasi etanol 42,2% menjadi distilat dengan konsentrasi etanol 90% dan hasil bawah dengan konsentrasi etanol 10%. Dsitilasi mi menggunakan open steam yang mempunyai entalpi 1.200 BTU/lb, lalu dimasukkan langsung dari bagian bawah kolom dengan kecepatan 0,416 lb steam per lb umpan. Umpan masuk dengan entalpi 200 BTU/lb dan hasil atas (distilat) mempunyai entalpi 50 BTU/Ib diperoleh dengan menggunakan kondensor total.
Universitas Gadjah Mada 43
INTERMEDIATE STREAM
Dalam operasi perpindahan massa (operasi pemisahan) ada kemungkinan lebih dari satu umpan yang dimasukkan atau lebih dari dua hasil yang diambil, arus-arus ini disebut sebagai arus intermediate:
Universitas Gadjah Mada 44 Persamaan yang dapat disusun pada keadaan ini adalah:
dengan :
Data-data yang diketahui adalah komposisi dan jumlah arus-arus terminal. Data lain yang merupakan parameter perancangan yang diambil atau ditentukan adalah atau N.
Jika diketahui, maka akan didapatkan:
Untuk menentukan titik :
Persamaan (1) , terletak pada garis ̅̅̅̅̅̅̅ atau ̅̅̅̅̅̅̅ sehingga , , dan sudah dapat ditentukan.
Universitas Gadjah Mada 45 Menentukan titik ̿:
Persamaan (2) ̅ terletak pada garis ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅
Persamaan (5a) titik dapat ditentukan
Persamaan (5b) ̅ terletak pada garis ̅̅̅̅̅̅̅
Menentukan titik ̿:
Persamaan (6) ̿ terletak pada garis ̅̅̅̅̅̅
Universitas Gadjah Mada 46 Bagaimana jika arus’ I’ bukan merupakan umpan tetapi merupakan hasil?
Cara pengerjaannya sama seperti di atas, yang berbeda hanya pada persamaan (5) (5) F – I + = ̅
(5a) F + I = (prinsip pengurangan) Dalam garis digambarkan sebagai berikut:
Untuk yang lain sama dengan gambar terdahulu.
Penyulingan dengan Umpan Ganda
Cara yang dilakukan sama dengan seperti proses ekstraksi, hanya dalam hal ini menggunakan diagram entalpi-komposisi.
Universitas Gadjah Mada 47 Persamaan-persamaan yang dapat disusun:
