MODUL4 Perancangan Tray Absorber

(1)

MODUL 4

(2)

Multistage Counter Current Distillation Multistage Counter Current Distillation

Continuous Rectification Continuous Rectification Continuous Fractionation Continuous Fractionation

- Menggunakan kolom destilasi yang terdiri atas beberapa stage, pada - Menggunakan kolom destilasi yang terdiri atas beberapa stage, pada

setiap stage terjadi kesetimbangan cair-gas. setiap stage terjadi kesetimbangan cair-gas. - Kolom dibagi menjadi 2

- Kolom dibagi menjadi 2 yang dipisahkan oleh feed (umpan).yang dipisahkan oleh feed (umpan). - Bagian atas disebut

- Bagian atas disebut adsorptionadsorption,, enriching enriching atauatau rectifying rectifying section, disection, di bagian ini terjadi pencucian gas dengan cairan untuk m

bagian ini terjadi pencucian gas dengan cairan untuk mengabsorbengabsorb komponen yang kurang volatile.

komponen yang kurang volatile. - Bagian bawah disebut

- Bagian bawah disebut stripping stripping atauatau exhausting exhausting section, terjadisection, terjadi stripping terhadap cairan dengan

stripping terhadap cairan dengan uap untuk memisahkan komponenuap untuk memisahkan komponen yang lebih volatile.

yang lebih volatile. - Karena tidak ada

- Karena tidak ada tambahan umpan selain umpan sentral, makatambahan umpan selain umpan sentral, maka diperlukan

diperlukan reboiler reboiler dibagian bawah kolom untuk memproduksi uap,dibagian bawah kolom untuk memproduksi uap, dan

dan kondensor kondensor untuk mengembunkan uap diatas kolom.untuk mengembunkan uap diatas kolom. - Cairan yang dikembangkan ke kolom disebut

- Cairan yang dikembangkan ke kolom disebut refluk refluk dandan distilat distilat yangyang diambil sebagai produk. Produk bawah disebut

(3)

Notasi

Nomer Tray dimulai dari atas Ln: laju alir cair dari tray n G_n+1: laju alir gas dari tray n+1 R: besarnya rasio refluk =Lo/D (external)

Enthalpy balance Total Bag.I

G₁ = D+Lo =D+RD=D(R+1) untuk komponen A

G₁y₁ =Dz_D +LoXo

G₁H_G1 =Qc+LoH_Lo +DH_D Sehingga beban kondensor= Qc= D[(R+1)H_G1 – RH_L0-H_D] Dan beban reboiler=

(4)

Metode PONCHON and SAVARIT Asumsi : tidak terjadi kehilangan kalor

Lebih teliti, bisa untuk setiap kondisi tetapi memerlukan H-xy dan xy diagram

Bagian enriching (material dan heat balance bagian III) dengan total kondensor

G_n+1 = L_n + D; untuk komponen A : G_n+1y_n+1 = L_n x_n + Dz_D (*) atau G_n+1 y_n+1 - L_n x_n = Dz_D = konstan

menunjukkan perbedaan aliran komponen A keatas dan kebawah Entalpi balance : G_n+1 H_G,n+1 = L_n H_Ln + Qc + DH_D

Q’ = (Qc + DH_D)/D = Qc/D + H_D

G_n+1 H_G,n+1 - L_n H_Ln = DQ’, menunjukkan aliran kalor keatas : konst. Dari (*) L_n / G_n+1 = internal reflux ratio = (Z_D - y_n+1)/(Z_D - X_n)

= (Q’ - H_G,n+1)/(Q’ - H_Ln)

merupakan garis lurus yang memotong G_n+1, L_n dan DD

dan merupakan slope garis operasi (linier) bagian enriching

DD = (Q’,Z_D) (perbedaan aliran heat dan masa top-botom)

Reflux ratio = R = Lo/D = (Q₁ - H_G1)/(H_G1 - H_Lo = garis DD G₁/garis G₁D

(5)

Bila digunakan Kondensor parsial : terjadi kesetimbangan cair-uap di kondensor sehingga kondensor dihitung sebagai 1 stage.

D diambil berfasa uap dan reflux (Lo) adalah cairan yang setimbang dengan D.

Bagian Stripping

Material dan heat balance (Bagian IV)

L_m = G_m+1 + W; untuk komponen A : L_m x_m = G_m+1 y_m+1 + Wx_W (*) Perbedaan laju komponen A dari bawah-keatas

Entalpi balance : L_m H_Lm + Q_B = G_m+1 + WH_W

Q’’ = kalor yang dibutuhkan reboiler/mol residu = (WH_W - Q_B)/W = H_W - Q_B/W Dari (*) didapat L_m/G_m+1 = (y_m+1 - x_W)/(x_m - x_W) = (H_G,m+1 - Q’’)/(H_Lm - Q’’)

merupakan garis yang melewati G_m+1. L_m, DW

merupakan slope garis operasi (linier) bagian stripping

(6)

(7)

(8)

(9)

Kolom fraksionasi secara komplit

Material dan heat balance untuk bagian II

F = D + W, untuk komponen A  Fz_F = Dz_D + Wx_W (*) Dari Q_B = DH_D + WH_W + Q_C + Q_L - FH_F dan Q’, Q’’

 didapat FH_F = DQ’ + WQ’’ (**)

Eliminasi F dari (*, **) : D/W = (Z_F - X_W)/(Z_D - Z_F) = (H_F - Q’’)/(Q’ -H_F) merupakan garis lurus yang melewati DD, F dan DW

dan F = DD + DW, Titik feed (F) harus selalu pada garis ini.

Garis ini memotong H-xy diagram di T dan S yang memberikan titik

M di xy diagram sebagai titik potong garis operasi enriching dan stripping. Dengan menarik garis random dari DD memotong H_L didapat garis

operasi enriching sedangkan garis DW memotong H_G didapat garis operasi stripping yang berpotongan di M.

Jumlah stage dapat ditentukan dengan membuat garis yang mewakili satu kesetimbangan cair-uap dengan satu stage.

(10)

(11)

Tahap menentukan jumlah stage metode ponchon-savarit 1. Buat diagram H-xy dan xy

2. Tentukan Z_F, D dan Y_D dan W dan X_W 3. Tentukan Q’, Q’’, H_F, juga Q_C dan Q_B

perhatikan besarnya R 4. Tentukan F, DD, dan DW 5. Tentukan M

6. Buat garis operasi di H-xy secara random kira-kira 4 di enriching dan 4 di stripping dan buat garis operasi enriching dan stripping di xy diagram 7. Buat garis kesetimbangan untuk masing-masing stage dengan

(12)

Lokasi Feed

Lokasi feed memisahkan tray/stage bagian enriching dan stripping terdapat 3 kemungkinan lokasi :

- diperpotongan grs operasi enriching dan grs kesetimbangan - diperpotongan grs operasi stripping dan grs kesetimbangan - diperpotongan grs operasi enriching dan stripping

Lokasi ke-3 memberikan jumlah stage yang lebih sedikit……expected Feed dapat berbentuk 3 macam :

- cair keseluruhan, dimasukkan di tray diatas feed tray - gas keseluruhan, dimasukkan di tray dibawah feed tray

- campuran gas-cair, dipisahkan lebih dahulu diluar kolom dan dimasukkan ke kolom sebagai cair dan gas secara terpisah (biasanya pemisahan ini tidak dilakukan karena alasan ekonomi)

(13)

Gambar 13. A. penggambaran stage apabila menggunakan garis operasi enriching sebagai batas perpindahan B. Apabila menggunakan garis stripping sebagai baris operasi batas perpindahan

C.Apabila menggunakan perputongan garis operasi stripping dan enriching

A

B

(14)

Perubahan Reflux Ratio

Besarnya reflux ratio (R = Lo/D) dapat diubah sedemikian sehingga didapat :

- Total Reflux, dimana seluruh produk atas dikembalikan ke kolom

- Minimum Reflux, yang mengakibatkan beban condensor dan reboiler menjadi minimum. Rm ini mengakibatkan jumlah stage menjadi tak berhingga

Total Reflux

Menaikkan besarnya R berarti menaikkan rasio panjang DD G₁/G₁ D Total reflux berarti R = ~ dan DD bertempat di ~ dan garis operasi di H-xy diagram menjadi vertikal yang menyebabkan Nm

Minimum Reflux

Menurunkan minimum reflux berarti menurunkan letak DD. DD paling rendah didapat pada saat garis operasi berimpit dengan tie line.

(15)

(16)

Optimum Reflux

Perubahan R menyebabkan perubahan N, sehingga didapat hubungan

- Nm bila terjadi total reflux

- N~ bila terjadi minimum reflux (Rm)

Untuk mendesain kolom distilasi, R haruslah R optimum. R optimum

ini menyebabkan jumlah stage juga optimum sehingga cost dapat

ditekan seminimal mungkin.

Pada saat Nm, cost untuk konstruksi kolom (fixed cost) minimum tetapi

operating cost menjadi maksimum dan sebaliknya untuk N ~.

R optimum mempunyai harga antara

1,2 Rm ~ 1,5 Rm

.

Lihat Gambar 15 yang menjelaskan fenomena perubahan jumlah stage

akibat perubahan refluk.

(17)

(18)

Contoh Soal :

5000 lb/jam larutan metanol-air yang mengandung 50% berat metanol dan 50% berat air pada 80oC hendak difraksionasi kontinyu pada 1 atm. Produk atas diharapkan mengandung 95% berat metanol dan 1% berat metanol untuk produk bawah. Sebelum masuk kolom, feed dipanaskan pada HE dengan produk baweah sebagai pemanas sehingga residu keluar

HE bersuhu 100o_{F. Total kondensor dipakai pada kolom ini dengan}

besarnya reflux = 1,5 dari reflux minimum. Tentukan :

1. Laju alir produk

2. Entalpi feed dan produk 3. Minimum reflux ratio 4. Minimum tray teoritis

5. Beban kondensor dan reboiler 6. Jumlah tray teoritis

(19)

BM methanol (A) = 32, BM air (B) = 18, basis 1 jam operasi 1. Menghitung Z _F , X _D dan X _W dalam % mol serta D dan W

F = 5000 x 0,5/32 + 5000 x 0,5/18 = 78 + 138,8 = 216,8 mol/jam

Z_F = 78/216,8 = 0,36 fraksi mol; BM rata2 _{Feed = 5000/216,8 =23,1}

X_D = (95/32)/(95/32 + 5/18) = 2,94/3,217 = 0,915 fraksi mol

BM rata2 _{Distilat = 100/3,217 =31,1}

X_W= (1/32)/(1/32 + 99/18) = 0,0312/5,53 = 0,00565 fraksi mol

BM rata2 _{Residu = 100/5,53 = 18,08}

Material balance total : 216,8 = D + W

untuk komponen A : 216,8 x 0,36 = D x 0,915 + W x 0,00565

didapat D = 84,4 mol/jam atau 2620 lb/jam W = 132,4 mol/jam atau 2380 lb/jam

(20)

2. Menghitung entalpi F, D dan W

Menghitung suhu feed masuk kolom (keluar HE) t_b residu = 210o_{F, C}

W = 0,998, CD = 0,920 BTU/lboF

Enthalpi balance di HE, 5000(0,92)(tF-80) = 2380(0,998)(210-100) t_F masuk kolom = 136o_F

Menghitung H_F (DH_S = -388 BTU/lbmol, pada t_ref= 67,5o_F)

H_F = 0,92(136-67,5)(23,1) = 1070 BTU/lbmol.

Dari H-xy diagram didapat H_D = 1565 dan H_W = 2580 BTU/lbmol 3. Menghitung Rm

Apabila ditarik tie line yang melewati F didapat titik DDm dan Q’m = 26900 BTU/lbmol, sedangkan H_G1 = 16600 BTU/lbmol Rm = (26900 - 16600) / (16600 - 1565) = 0,685

4. Menentukan Nm

Dengan meletakkan DD di ~, didapat Nm+1 (termasuk reboiler) = 5 Nm = 5 - 1 = 4

(21)

5. Menentukan Q_C dan Q_B

R = 1,5 Rm = 1,5 x 0,685 = 1,029

Menentukan titik DD dengan menghitung Q’ 1,029 = (Q’-16600)/(16600-1565) Q’ = 32070 = H_D + Q_C/D = 1565 + Q_C/84,4  Q_C = 2575000 BTU/jam Dengan pers FH_F = DQ’ +WQ’’; 216,8(1070) = 84,4(32070) + 134,4Q’’ Q’’ = -18690 = H_W - Q_B/W = 2580 - Q_B/132,4  Q_B = 2816000 BTU/jam 6. Menentukan jumlah tray teoritis

Dengan DD pada X_D = 0,915, Q’ = 32070 dan

DW pada X_W = 0,00565, Q’’ = 32070 dapat dibuat garis DD, F, DW dan garis operasi enriching, stripping shg didapat teoritical tray = 9 termasuk reboiler, atau 8 tray teoritis. Feed tray = tray nomor 5.