08-11 Fraksinasi (Rektifikasi) MT-PS

Fraksinasi (Rektifikasi)

Fraksinasi (Rektifikasi)





Rektifikasi dapat dianggap sebagai

Rektifikasi dapat dianggap sebagai flash distillation

flash distillation

yang disusun secara seri sehingga uap dan liquid

yang disusun secara seri sehingga uap dan liquid

tiap stage berlawanan arah satu sama lain sehingga

tiap stage berlawanan arah satu sama lain sehingga

terjadi kontak secara intens di antara keduanya.

terjadi kontak secara intens di antara keduanya.





Liquida mengalir ke stage di bawahnya, sedangkan

Liquida mengalir ke stage di bawahnya, sedangkan

uap mengalir ke stage di atasnya.

uap mengalir ke stage di atasnya.





Karena dalam rektifikasi tiap stage merupakan plate,

Karena dalam rektifikasi tiap stage merupakan plate,

maka dipergunakan istilah plate untuk menyatakan

maka dipergunakan istilah plate untuk menyatakan

stage.

stage.



Kolom Fraksinasi

Kolom Fraksinasi





Feed dengan rate dan kadar tertentu.

Feed dengan rate dan kadar tertentu.





Plate tempat masuk feed disebut

Plate tempat masuk feed disebut feed

feed

 plate

 plate..





Bagian di atas feed plate disebut

Bagian di atas feed plate disebut

““rectifying 

rectifying ””





Bagian di bawah feed plate disebut

Bagian di bawah feed plate disebut

bagian “

bagian “stripping 

stripping ””





Feed

Fe

ed Re

Rebo

boililer p

er pro

rodu

duk ba

k bawa

wah (b

h (bott

ottom

om

product)

product)





Uap Condensor produk atas (overhead

Uap Condensor produk atas (overhead

product)

product)

F F Total Condensor  Total Condensor  Partial Reboiler  Partial Reboiler 

Plate column

Plate column



 Plate ideal: suatu plate standard, sebagai pembanding dalamPlate ideal: suatu plate standard, sebagai pembanding dalam

menentukan plate yang sebenarnya (actual plate) menentukan plate yang sebenarnya (actual plate)



 Uap dan liquid yang meninggalkan plate ini Uap dan liquid yang meninggalkan plate ini berada dalamberada dalam

kesetimbangan kesetimbangan



 Plate efisiensi: untuk menentukan jumlah plate actualPlate efisiensi: untuk menentukan jumlah plate actual

Pl Platate n e n -- 11 Plate n Plate n Plate n + 1 Plate n + 1 L L_n-2n-2 L L_n-1n-1 L L_nn L L₊₁₊₁ V V_n-1n-1 V V_nn V V_n+1n+1 V V_n+2n+2

Design dan Karakteristik Operasi Plate

Column



Faktor-faktor penting dalam perencanaan dan operasi

plate column

 Jumlah plate ideal yang diperlukan

 Diameter kolom

 Panas yang diperlukan reboiler 

 Panas yang dibuang di kondensor 

 Jarak antara dua plate berturutan

 Tipe plate

Menentukan jumlah plate ideal (plate teoritis)



Metode McCabe-Thiele

 Bila panas pelarutan dan kehilangan panas tidak besar 

 Didasarkan pada garis operasi dan kurva kesetimbangan

  Anggapan: antara feed dan plate teratas dan antara feed dan

plate terbawah alirannya equimolar 



Metode Ponchon-Savarit

Metode McCabe-Thiele



 Anggapan: antara feed dan plate teratas dan antara feed

dan plate terbawah alirannya equimolar 



Digambarkan:

 Kurva kesetimbangan

 Garis operasi bagian rectifying

Garis operasi bagian rectifying (1)



Material balance : V

_n+1

= L

_n

+ D



Komponen A: V

_n+1

y

_n+1

= L

_n

x

_n

+ D x

_D



Reflux ratio: perbandingan antara reflux dengan produk

atas atau dengan uap dari plate teratas



Internal Reflux Ratio:



External Reflux Ratio:

1 n D n 1 n n 1 n

V

 x

D

x

V

L

y

 

   Pers. Garis Operasi

D

L

L

V

L

R 

a v   

D

D

V

D

L

R 

_{D  } 

ｙ₂

Garis operasi bagian rectifying (2)

1

R 

 x

x

1

R 

R 

y

_{n 1 n} D     

Pers. Garis Operasi

D

L

 x

D

x

D

L

L

y

n D n n n 1 n      x y y₁ 1 R   x_D  x₁ Total Condensor  x_D V₁, ｙ₁ x₁ Plate 1 Plate 2 D, x_D L, x_D y₂ 1 2

ｙ₂

Garis operasi bagian rectifying (3)

1

R 

 x

x

1

R 

R 

y

_{n 1 n} D     

Pers. Garis Operasi

D

L

 x

D

x

D

L

L

y

n D n n n 1 n      x y y₀ 1 R   x_D  x₀ Partial Condenser  x_D V₁, ｙ₁ x₁ Plate 1 Plate 2 D, x_D L, x₀ y₁ C 1 ｙ₀

Garis operasi bagian stripping 



Material balance : V

_m+1

= L

_m

- B



Komponen A: V

_m+1

y

_m+1

= L

_m

x

_m

- B x

_B 1 m B m 1 m m 1 m

V

 x

B

x

V

L

y

 

   Pers. Garis Operasi

y y_B x_B x_N Garis Operasi Partial Reboiler  B, x_B y_B x_N x_N y_N Plate N N Plate N-1 x_N-1 R

Feed Plate(1)

V_m L_m qF (1-q)F F V_n L_n  L v  F  v  H   H   H   H      feed dari  penguapan molar laten  panas feed mol 1 menguapkan untuk dibutuhkan yang  panas q

H_v = enthalpy feed pada dew point

H_L = enthalpy feed pada boiling point (bubble point)

H_F = enthalpy feed pada kondisi masuk kolom

q=0 bila F saturated vapor (pada dew point) q>1 bila F liquid dingin

q<0 bila F superheated

0<q<1 bila F sebagian liquid sebagian uap

L

_m

= L

_n

+ qF

Feed Plate(2)

V_m L_m qF (1-q)F F

V_n L_n Untuk mendapatkan titik potong garis operasi_{enriching dan stripping:}

1. Pers garis operasi enriching (tanpa tray subscript)

2. Pers grs operasi stripping (tanpa tray subscript)

3. Pengurangan dua pers diatas:

L

_m

= L

_n

+ qF ; V

_n

= V

_m

+ (1-q)F

V_n y = L_n x + D x_D

V_m y = L_m x - B x_B

(V_m - V_n) y = (L_m - L_n) x – (D x_D + BV_n)

4. Pers komponen total 5. Pers pada feed plate

6. Substitusi pers 4 dan 5 ke pers 3 diperoleh:

F x_F = D x_D + B x_B

1

q

x

x

1

q

q

y

F   

Feed Plate(3)

x_{B x} F xD q=0 q>1 0<q<1

Garis operasi enriching q=1

Garis operasi stripping y

q=0 bila F saturated vapor (pada dew point) q = 1 bila F liquid jenuh

q>1 bila F liquid dingin q<0 bila F superheated

0<q<1 bila F sebagian liquid sebagian uap Mis. q = 0.4 berarti feed terdiri dari 40% liquid

Feed plate (4)

x_{B xF xD} y １ 2 3 4

Lokasi feed yang tepat pada plate 2

Lokasi feed bila masuk pada plate 4:

x_{B x} F xD y １ 2 3 4 5

 Akan tetapi penempatan feed pada plate 4 kurang tepat dan tidak efisien Feed campuran liquid dan vapor:

Kebutuhan Air Pendingin pada Condenser



Beban condenser:



Rate air pendingin:

V = rate uap masuk condenser (dari plate teratas)

λ= panas pengembunan molar uap campuran

t

₁

= suhu air pendingin masuk

t

₂

= suhu air pendingin keluar 

 

V

q

_C  



2 1



cw cw

C

t

t

V

m

 

 

Kebutuhan Steam Pemanas pada Reboiler



Beban reboiler:



Rate steam:

= rate liquid masuk reboiler (dari plate terbawah)



S

= panas latent steam



_{= panas penguapan liquid campuran}

 

V

q

_R 



S S

V

m

 

 

 V

V = V + (1-q)F

V = V - (1-q)F

V = D(R+1)

Contoh

Dalam sebuah kolom fraksinasi kontinyu dipergunakan untuk memisahkan 30.000 lb/j campuran 40% berat benzene dan 60% berat toluene menjadi

sebuah produk atas yang mengandung 97% berat benzene dan produk bawah mengandung 98% berat toluene.

Reflux ratio = 3,5 mol reflux per mol distilat. Molal latent heat dari benzene dan toluene masing-masing 7.360 dan 7.960 kal/gmol.

Benzene dan toluene merupakan larutan ideal dengan volatilitas relatif = 2,5 (titik didih feed 95 ºC, tekanan 1 atm).

Tentukan:

a) Rate produk atas dan bawah, lbmol/j

b) Jumlah plate ideal bila feed masuk pada keadaan liquid dingin 20º_{C (Cp = 0,44}

Btu/lb. ºF

c) Rate steam untuk reboiler bila tekanan steam = 20 psig

Persamaan garis kesetimbangan:





 x  x  y 1 1      





x  x  x  x  y 5 . 1 1 5 . 2 1 5 . 2 1 5 . 2      BM benzene = 78 BM toluene = 92 mol) (fraksi x_D 0,974 92 03 , 0 78 97 , 0 78 97 , 0    mol) (fraksi x_B   0,0235 92 98 , 0 78 02 , 0 78 02 , 0    mol) (fraksi x_F 0,44 92 60 , 0 78 40 , 0 78 40 , 0    BM campuran: F=0,44x78 + 0,56x92 = 85,84 lb/lbmol D=0,974x78 + 0,026x92 = 78,364 lb/lbmol B=0,0235x78 + 0,9765x92 = 91,671 lb/lbmol lbmol/jam F 350 84 , 85 000 . 30  

a) Neraca massa total: F=B+D (1)

350=B+D

Neraca massa komponen: : F x_F=B x_B+D x_D (2)

350x0,44=0,0235 B + 0,974 D Dari pers (1) dan (2) diperoleh:

b. Feed dalam keadaan dingin:

 _{campuran feed = 0,44 x 7360 + 0,56 x 7960 = 7696 kal/gmol}

 _{campuran feed = 7696 kal/gmol x 1,8 Btu/lbmol = 161,5 Btu/lb}

85,84





_

_

37 , 1 5 , 161 8 03 44 , 1 1        0 2 6 T T C q p b F   Slope garis q: 70 , 3 1        1,37 1 1,37 q q Intercept: 216 , 0      1 3,5 0,974 1 R x_D

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1 2 3 4 6 5 7 8 9 10 6 R

 Total Reflux

Garis operasi x_B x x_D

1

R 

 x

x

1

R 

R 

y

_{n 1 n} D      R=∞ → slope = 1 D = 0, L = V B = 0, F = 0 ↓

Garis operasi = garis diagonal

→ total reflux → jumlah plate minimal

Bila harga volatilitas relatif konstan, jumlah plate minimum dapat ditentukan secara analitis (Pers. Fenske-Underwood):

   





AB D B B D min

log

x

1

x

/

x

1

x

log

 N

     ｙ₂ Total Condensor  V₁, ｙ₁ x₁ Plate 1 Plate 2 D, x_D L, x_D

Reflux Minimum (R 

_m

 )

Kondisi reflux = R_m →

 jumlah plate tak berhingga Slope garis operasi enriching untuk kurva normal:

Reflux ratio operasi / optimum:

R = 1,2 – 2,0 R_m x_{B x ’ xF} x_D 1 R   x m D  y ’

'

x

x

'

y

x

1

R 

R 

D D m m    

Reflux Minimum (R 

Reflux Minimum (R 

_m

_m

 ) untuk kurva

 ) untuk kurva

garis kesetimbangan tidak normal

garis kesetimbangan tidak normal

x x_{BB xxFF} xx_DD 1 1 R  R   x  x m m D D   x x_{BB xxFF} xx_DD 1 1 R  R   x  x m m D D  

Efisiensi Plate

Efisiensi Plate

x

x_BB xx_FF xx_DD

Efisiensi Total (Overall Efficiency) Efisiensi Total (Overall Efficiency)

Efisiensi Murphree (Murphree Efficiency) Efisiensi Murphree (Murphree Efficiency)

% % 100 100 aktual aktual  pl  platatee  ju  jummllahah ideal ideal  pl  platatee  ju  jummllahah E E₀₀  

%

%

100

100

x

x

y

y

y

y

y

y

E

E

D D * * n n 1 1 n n n n M M         a a d d c c y

y_nn=konsentrasi rata-rata uap meninggalkan plane n=konsentrasi rata-rata uap meninggalkan plane n y

y_n+1n+1=konsentrasi rata-rata uap meninggalkan plane n+1=konsentrasi rata-rata uap meninggalkan plane n+1 y *

y *_nn=konsentrasi kesetimbangan uap dengan liquida=konsentrasi kesetimbangan uap dengan liquida yang meninggalkan plane n, x

yang meninggalkan plane n, x_nn

ac ac ad ad E E M M 

Untuk sistem dengan kurva

Untuk sistem dengan kurva kesetimbangkesetimbanganan

berupa garis lurus slope m dan garis berupa garis lurus slope m dan garis operasi L/V, maka hubungan E

operasi L/V, maka hubungan E₀₀ dan Edan E_MM::























 

 

 

 



 

 

 

 













L L V V m m llogog 1 1 L L V V m m E E 1 1 llogog E E M M 0 0

Soal

Soal

Campuran yang terdiri dari 20% mol etanol dan

Campuran yang terdiri dari 20% mol etanol dan sisanya air dengan ratesisanya air dengan rate

100 lbmol/jam dilakukan fraksinasi secara kontinyu dalam sebuah plate 100 lbmol/jam dilakukan fraksinasi secara kontinyu dalam sebuah plate

kolom distilasi. Diharapkan 90% etanol yang ada dalam feed dapat diambil kolom distilasi. Diharapkan 90% etanol yang ada dalam feed dapat diambil sebagai distilat dengan kadar 80% mol etanol. Feed

sebagai distilat dengan kadar 80% mol etanol. Feed masuk menara dalammasuk menara dalam

keadaan campuran 60% liquid dan 40% uap. Reflux

keadaan campuran 60% liquid dan 40% uap. Reflux ratio 2 kali refluxratio 2 kali reflux

minimalnya. Menara dilengkapi dengan total

minimalnya. Menara dilengkapi dengan total condensor dan partial reboiler.condensor dan partial reboiler. T

Soal

Campuran yang terdiri dari 20% mol etanol dan sisanya air dengan rate 100 lbmol/jam dilakukan fraksinasi secara kontinyu dalam sebuah plate

kolom distilasi. Diharapkan 90% etanol yang ada dalam feed dapat diambil sebagai distilat dengan kadar 80% mol etanol. Feed masuk menara dalam keadaan campuran 60% liquid dan 40% uap. Reflux ratio 2 kali reflux

minimalnya. Menara dilengkapi dengan total condensor dan partial reboiler. Tentukan jumlah plate aktual bila efisiensi Murphree = 40%.

Neraca Massa: 0.9 F x_F = 0.8 D (0.9) (100) (0.2) = 0.8 D D = 22.5 lbmol/j F = D + B B = 100 – 22.5 = 77.5 lbmol/j F x_F = D x_D + B x_B 100 (0.2) = 22.5 (0.8) + 77.5 x_B x_B = 0.026 Slope garis q: Harga q = 0.6 Slope = - q/(1-q) = - 0.6 (1 – 0.6) = - 1.5

Dari grafik diperoleh x_D/(1+R_m) = 0.35

R_m = 1.286

R_op = 2 x 1.286 = 2.572

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 R

Open Steam (Direct Steam)

Neraca massa: F + S = B + D

F x_F + S y_S = B x_B + D x_D

S = rate steam

y_s = fraksi komponen dalam S

D, x_D

F, x_F

B, x_B

S

Garis operasi:

Bagian enriching tidak berubah Bagian stripping

L_m + S = V_m+1 + B

L_m x_m + S(0) = V_m+1 y_m+1 + B x_B

Bila larutan encer dari komponen lebih volatile dalam air, maka dalam distilasi sering digunakan steam langsung sebagai pemanas yang langsung

diinjeksikan dari dasar bejana

V

V

L

Open Steam (lanjutan)

x_B x_F x_D

Garis feed

Garis operasi

Bila steam jenuh, S = V_m+1; L_m = B

Garis operasi stripping:

memotong absis pada titik x_B dan garis

diagonal pada:

Perhatikan bahwa segitiga paling bawah berakhir pada sumbu x

B m 1 m

x

S

B

x

S

B

y

_   S B  x B x B   x

Soal

Campuran etanol-air dengan kadar 30% mol etanol dilakukan fraksinasi secara kontinyu dalam menara distilasi bertekanan 1 atm. Direncanakan produk atas dengan kadar 80% mol etanol dan produk bawah 4% mol etanol. Kolom dilengkapi dengan total condensor tanpa reboiler. Untuk pemanas dipergunakan steam jenuh bertekanan 5 psig yang diinjeksikan langsung ke dalam menara dari dasar menara. Rate feed = 100 lbmol/jam berupa campuran 40% uap dan 60% liquida. Tentukan:

a) R minimum

b) Bila R operasi = 1,5 x Rminimum, berapa jumlah plate idealnya c) Kebutuhan steam, lb/jam

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Dari grafik diperoleh:

405

,

0

1

R 

x

m D  

405

,

0

1

R 

0,8

m  

R

_m

= 0,975

R = 1,5 x R

_m

= 1,4625

Intercept =

325

,

0

1

4625

,

1

0,8

1

R 

x

_D    

Material balance:

F+S=B+D ………(1)

S B B.x X B  



q

1



F

V

V

S

   

…………(2)

……(3)

V=(R+1)D

S=(R+1)D + F(q – 1)

V = V + (1-q)F

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Feed Ganda

Neraca massa: F + G = B + D

F x_F + G x_G = B x_B + D x_D

Terdapat tiga daerah: 1. Enriching (rectifying) 2. Intermediate 3. Exhausting (stripping) D, x_D F, x_F Daerah intermediate:

Pada keadaan tertentu diperlukan pengumpanan pada kolom rektifikasi pada beberapa tempat G, x_G p-1 p B, x_B B V F L_{  } B  p F 1  p Fx V y B x x L _   

V

x

B

x

F

x

V

L

y

 _p   _p1  F  B

Feed Ganda

D, x_D F, x_F Daerah intermediate: G, x_G p-1 p B, x_B B V F L_{  } B  p F 1  p F x V y B x x L _   

V

x

B

x

F

x

V

L

y

 _p   _p1  F  B L V L _V G q F q L L  _F  _G

   

1 q F 1 q G V V   _F   _G G q L L  _G



1 q



G V V   _G F q L L  _F



1 q



F V V    _F L _V Daerah intermediate

Feed Ganda (Lanjutan)

x_B x_G x_D

q_G Hubungan antar ketiga bagian:

G q F q L L  _F  _G

   

1 q F 1 q G V V   _F   _G G q L L  _G



1 q



G V V    _G F q L L  _F



1 q



F V V    _F x_F q_F 1 R   x_D  x y

Soal

Sebuah menara distilasi direncanakan untuk memisahkan campuran CS₂

-CCl₄ pada tekanan 1 atm.

Feed berasal dari dua tempat yaitu:

Feed 1 dengan rate 60 kg mol/jam mengandung 30% mol CS₂

Feed 2 dengan rate 40 kg mol/jam mengandung 80% mol CS₂

Produk atas dengan kadar 96% mol CS₂ dikeluarkan dari total kondensor,

sedangkan produk bawah dengan kadar 2% mol CS₂ diambil langsung dari

plate terbawah.

Feed 1 berupa liquida jenuh sedangkan feed 2 berupa uap jenuh. R operasi = 1,5 dan efisiensi 60%. Hitung:

a) Rate D dan B dalam kg/jam b) N ideal dan N actual

c) % recovery

Data kesetimbangan CS

₂

 –

CCl

₄

dalam mol

fraksi

x

y

0

0

0.0296

0.0823

0.0615

0.1555

0.1106

0.266

0.1435

0.3325

0.2585

0.495

x

y

0.3908

0.634

0.5318

0.747

0.663

0.829

0.7574

0.878

0.8604

0.932

1

1

Dari soal diketahui:

F1 = 60 kmol/jam; xF1=0,3 (fraksi mol); liquid jenuh qF1 = 1,0 F2 = 40 kmol/jam; xF2=0,8 (fraksi mol); uap jenuh qF2 = 0 xD = 0,96 (fraksi mol)

xB = 0,02 (fraksi mol)

Total kondensor dan total reboiler 

F₁ F₂

B

D

Neraca massa total: F1 + F2 = B + D

60 + 40 = B + D (1)

F1 x_F1 + F2 x_F2 = B x_B + D x_D

(60)(0,3)+(40)(0,8) = 0,02 B + 0,96 D (2)

Dari pers. (1) dan (2) diperoleh B =

Menentukan garis operasi enriching:

Intercept garis operasi enriching dengan sumbu y: Menentukan garis operasi stripping:

Dimana L = R x D = V=(R+1) D =

Slope garis operasi stripping: % recovery = 384 , 0 1 5 , 1 0,96 1 R  x_D     2 F 1 F F q F q L L 2 1   

   

qF F1 qF F2 V V 2 1      1 1

56

,

1

5

,

87

5

,

136

  V L 100% x F x F x D 2 1 2 F F 1 D  

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 F₁ F₂ D B q₁ q₂ Slope stripping = 1,56 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Side stream

Neraca massa: F = B + D + S F x_F = B x_B + D x_D+ S x_S D, x_D F, x_F Daerah intermediate:

Tambahan produk selain produk utama dari puncak kolom disebut sidestream. Digunakan pada industri yang mengharapkan beberapa macam produk dengan beberapa macam kadar, mis. Industri petroleum dan industri etanol

S, x_S B, x_B D S L V    D S 1  p  p Lx Sx D x y V  _  

V

x

D

x

S

x

V

L

y

 _p   _p1  S  D p-1 p



1 q



S V V    _S dimana S q L L   _S

Slope garis operasi intermediate=

V L

Side Stream (Lanjutan)

x_B x_S x_D q_S x_F q_F 1 R   x_D  x y

Side stream tergantung

keperluan, misal dalam hal ini berupa campuran liquid-uap

dengan perbandingan q_S

Soal

Suatu campuran etanol-air dengan kadar 16% mol etanol difraksinasi secara kontinyu dalam sebuah fraksinator. Ada 3 macam produk dari kolom ini:

Feed masuk dengan rate 200 lbmol/jam dalam keadaan liquid jenuh, menara dilengkapi dengan total kondensor dan partial reboiler. Bila

Roperasi = 2,0 tentukan jumlah plate ideal dan plate actual bila efisiensi total 40%

 Produk atas (distilat) dengan kadar 77% mol etanol

 Produk bawah dengan kadar 2% mol etanol

 Produk lain (side stream) yang menyerap 25% dari etanol yang

masuk kolom sehingga kadarnya 50% mol etanol, dimana side stream dalam keadaan liquid jenuh

Neraca Massa Total: F = B + D + S

0.25 F x_F = S x_S

S = (0.25) (200) (0.16) /0.5 = 16 lbmol/jam

Necara massa komponen:

F x_F = B x_B + D x_D + S x_S 200 (0.16) = 0.02 B + 0.77 D + (0.5) (16) 200 = B + D + 16 Didapat B = 156,91 lbmol/jam D = 27,09 lbmol/jam Data soal:

• F=200 lbmol/jam, liquida jenuh

x_F=0,16 mol fraksi; q_F=1,0

• Side stream = S, liquida jenuh

x_S=0,50 mol fraksi; q_S=1,0 • Distilat: x_F=0,77 mol • Bottom: x_B=0,02 mol Slope garis q: Harga q = 1 Slope = - q/(1-q) = ~

Penentuan garis operasi bagian bawah:

= (2 x 27,09) + (200 x 1) – (16 x 1) = 238,18 lbmol/jam S q F q L L  _F  _S

   

1 q F 1 q S V V    _F   _S S q F q L L   _F  _S Dimana L=R x D (fase liquid) (fase uap)

   

1 q F 1 q S V V   _F   _S L = (2+1) x 27,09 – 200 (1 – 1) + 16 (1 – 1) = 81,27 lbmol/jam 93 , 2 27 , 81 18 , 238 V L  

 S lope g aris

operas i s tripping

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 R 1 2 3 4 5 6 7 8 9

METODE PONCHON-SAVARIT



Metode yang memperhitungkan neraca enthalpi dalam sebuah

kolom distilasi



Diperlukan grafik enthalpy-konsentrasi

Data Enthalpy-Konsentrasi



Enthalpy liquid jenuh



Enthalpy uap jenuh

Dimana x, y = fraksi massa atau fraksi mol komponen T = titik didih larutan pada konsentrasi tersebut, K

T_o = suhu reference, K

C_p = panas jenis larutan murni, kJ/kg K atau kJ/kmol K

D_H

S = panas pelarutan, kJ/kg atau kJ/kmol

 _{= panas penguapan komponen,kJ/kg atau kJ/kmol}



_o

 

_A

 

 _{pB o}



_S  pA A C T T 1 x C T T H x h      D

 

_{o A}

   

_{A  pB o B}  pA A C T T λ  1 y C T T λ  y H       

V_a ｙ_a Heat out, -q_C Reflux L_a x_a Overhead product_{D, x} D L_n x_n Vｙ_n+1n+1 F x_F L_m x_m Vｙ_m+1m+1 V_b ｙ_b L_b xb Bottom product n m m+1 Heat in, q_r 

Net Flow massa

Bagian Rectifying D     a n n_1 a V L V L D L V a a   D V L_a  _a   D   D Bagian Stripping D      _{b m m1}  b

V

L

V

L

B V L _b   _b  B  D Overall F=D+B  _{F  D  D}

Penentuan jumlah plate

Di dalam diagram enthalpi-konsentrasi, feed terletak dalam satu garis lurus

Penentuan jumlah plate

Net Flow Enthalpi Bagian Rectifying a a a ah V H L h   D _D



_c



D a a a a

H

L

h

D

h

q

V

   



h q /D



D h L H V_{a a}  _{a a}  _D  _c



_{D c}



a a a aH L h D h Q V    D / q Q_c  _c dimana

＝Panas yang dilepas di kondensor

per unit massa distilat

V_a ｙ_a Heat out, -q_C Reflux L_a x_a Overhead product_{D, x} D L_n x_n Vｙ_n+1n+1 F x_F L_m x_m Vｙ_m+1m+1 V_b ｙ_b L_b xb Bottom product n m m+1 Heat in, q_r 





C D C D Q _{h Q} h D h   D    D D

h = net flow panas/net flow massa

D a a a ax V y Dx L x     D _D Neraca komponen D D _x Dx x  D   D

Letak titik dapat ditetapkan pada diagram enthalpi-konsentrasi bila jumlah dan konsentrasi distilat serta beban

lanjutan

Hubungan dengan Reflux Ratio a a a a h H H h R  D L     D  h_D  R 



Ha ha



Ha Bagian stripping R  B Q h h_D   B x x_D  B  b Δ  b  b h H h h B V   

 Aliran net flow massa / enthalpi positif (+) bila arahnya ke bawah

Bagian rectifying: ke atas karena harganya negatif ( - D) Bagian stripping: ke bawah, harganya positif (B)

Langkah-langkah penentuan plate ideal

1.

Siapkan diagram entalphi konsentrasi dan diagram kesetimbangan

pada tekanan yang diinginkan.

2.

Letakkan titik F pada titik (xF, hF)

3.

Letakkan titik B pada liquida jenuh kadar xB (entalphi hB)

4.

Letakkan titik D pada garis liquida jenuh dengan kadar xD (entalphi hD)

dan titik ini sama dengan titik refluks (xa, hD)

5.

Letakkan titik dengan koordinat (x

yaitu terletak pada garis vertikal melalui

xD (=X dan bila total kondensor = xa)

perhatikan bahwa QC negatif sehingga

h selalu positif

Bila diketahui kondisi proses distilasi pada sebuah fraksinator sbb.

Feed masuk dengan rate F kg/j dengan kadar xF dan spesifik panas hF kJ/kg menghasilkan produk atas dengan kadar xD dan produk bawah xW. Beban total kondensor –qC. Distilat dan reflux diambil pada titik liquida  jenuhnya.





C D C D Q _{h Q} h D h   D    D



H_a h_a



H_a R  h_D   

Langkah-langkah penentuan plate ideal

6. Karena , maka titik terletak pada perpanjangan garis lurus

Titik adalah perpotongan antara garis vertikal ke bawah melalui xB dengan

perpanjangan garis

7. Bila dipergunakan total kondensor, maka ya (selanjutnya disebut y1) =xa

(selanjutnya disebut x0)=xD, maka titik V1(y1,H1) adalah perpotongan garis

vertikal dengan garis uap jenuh.

8. Selanjutnya tentukan titik (x1,h1) dengan bantuan garis kesetimbangan,

dengan cara:

Dari titik (y1, H1) tarik garis lurus ke bawah memotong diagonal kurva kesetimbangan, lalu tarik mendatar hingga hingga memotong kurva

kesetimbangan, dari titik ini tarik kembali garis lurus ke atas yang memotong garis liquida jenuh pada titik (L1,a1). Garis putus yang menghubungkan titik V1 (v1, H1) dan titik L1(x1,h1) merupakan garis yang menyatakan 1 plate ideal (yaitu “tie-line)

9. Selanjutnya dari titik L1 ditarik garis lurus menuju titik memotong garis uap

 jenuh dititik V2 (y2, H2)

10. Dengan cara yang sama dengan langkah 8 tentukan titik L2 dan seterusnya

hingga diperoleh titik Li yang letaknya di sebelah kiri titik F

F  D  D D DF F D D D D

11. Untuk menentukan titik Vi+1 (yi+1, Hi+1) ditarik garis lurus dari Li ke titik yang perpanjangannya memotong garis uap jenuh di titik Vi+1

12. Dengan cara yang sama titik Li+1 dapat ditentukan dari tie-line nya dst hingga diperoleh titik LN (xN, hN) yang letaknya tepat pada titik B (xB, hB) atau

melebihi.

13. Jumlah plate ideal sama dengan jumlah tie-line yang diperoleh. 14. Feed plate dinyatakan oleh tie-line yang memotong garis overall.

D

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 y x 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 E n th a lp y (k J /k g ) Soal Geankoplis 11.6-1 Q_C Q_R V₁ L₁ V₂ L₂ V₃ L₃ V₄ L₄ R

x_{B xD} y D D D h D h D D C L_o V₁ 1 L₁ H h R N B L_N V_N V₂ Partial Condenser  V₁, ｙ₁ L₁ L, x0 D, xD ｙ₀=y_D 0 1 1 0 L V V D L R _{ } D B, x_B , y_B x_N Partial Reboiler  V

x_{B xD} y m D m D D H h F B

REFLUX RATIO MINIMUM

h_F

x_F

Untuk kurva kesetimbangan normal,

Rmin dicari dengan trial and error tie-line

yangmelalui titik feed (F)

D 1 1 min 0 min h H H h D L R  min









 

 



 

 



D

Soal 11.6-3 Geankoplis

Neraca massa total: F = D + B

Neraca massa komponen: F x_F = D x_D + B x_B

a)

b) Untuk mencari reflux ratio minimum dipergunakan grafik

enthalpi-konsentrasi. Di “trial” agar diperoleh sebuah tie -line (dengan bantuan kurva kesetimbangan) yang melewati titik feed (F). Bila tie line telah diperoleh, maka titik potong garis perpanjangannya dengan garis tegak

lurus melalui x_D adalah titik D

min. D 1 1 min h H H h R  min    D c) R_op = 2 x R_min h_D  R _op



H₁ h_D



H₁ d) Beban kondensor: qC  QC D 



HD hD



D Beban reboiler: qR   QR B  h_D hB B

x_{B xD} y D H h F B

REFLUX TOTAL

h_F x_F

Untuk reflux total,

 Dalam metode Ponchon-Savarit letak

titik-titik dan adalah di tak berhingga

 Jumlah plate ideal minimum

D D

 



 _

Open Steam

Neraca enthalpi:

F h_F + S H_S = B h_B + D h_D + q_c

Bagian enriching tidak berubah Bagian stripping: S B V L 1 m m     D _ S B S x x B x _{ } D _D D F Dx Fx S B Bx x B F D      D D D D F B S S Koordinat S_{: F + S =} S _{= B -} D S F Fx x F   S S F SH Fh h F S    S S F S

 Lever arm rule

D x D, x_D F, x_F B, x_B S V V L L D   D Neraca total: F + S = B + D

Soal pada Geankoplis hal 693 no. 11-6.1 tetapi tanpa

menggunakan reboiler. Sebagai gantinya digunakan

steam jenuh 70 kPa (gauge) pada dasar kolom

sedangkan keadaan lain-lainnya tetap (kecuali residu).

(F=453,6 kg/j; x

_F

=50%berat)

D=260,0 kg/j; x

_D

=85%berat)

Tentukan

a) Tentukan rate dan kadar produk bawah

b) Tentukan jumlah plate ideal

H_steam

≈

2700 kJ/kg

(sat. vapor, 70 kPa gauge = 171,3 kPa abs) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 -3500 -3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 E n th a lp y (k J /k g ) 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 y B = (0,5 x 453,6 – 0,85 x 260,0) / 0,012 B = 483,33 kg/j Secara analitis S = D + B – F S = 260 + 483,33 – 453,6 = 289,73 kg/j Dengan cara grafis

D x S B 03 , 0 x 0 , 260 6 , 453 0 , 260 85 , 0 6 , 453 5 , 0 x D F  x D x F S B  x B x B F D            D D D karena F + S = B + D maka B – S = F – D

Titik S dan dihubungkan

diperoleh titik potong dengan garis liquida jenuh pada titik B dan

terbaca x_B=0,012 D F _D D D 1 2 3 4 S F F S S S  5

Feed Ganda

Terdapat 3 daerah: • Enriching (Rectifying) • Intermediate • Exhausting (Stripping) Daerah Intermediate: D, x_D F₂, x_F2 D F V L _p   _{p 1}  ₁   D _ D F  x D x F x 1 D F1 1    D D D D B F₂ Hubungan lain: B, x_B D F q h D h F h  F1  D  C D

B

D

Z

F

F

₁  ₂    D  D    F Z F_{1 2} D  D  2 F Z D F₁, x_F1 F₁



_{1 2}



Z Z F2 2 F1 1x F x x Z x F F F     F2 2 F1 1 Z x F x F x   D

Soal Feed Ganda

Letakkan titik-titik F, G, B dan D sesuai dengan kadar dan kondisi masing-masing.

Dari diagram enthalpy-konsentrasi diperoleh H₁= 550 btu/lb dan h_D = 90 btu/lb

Pers. Reflux ratio = 1,5(550 – 90)+550 = 1240 btu/lb

Jadi koordinat titik D _{= (0,9 ; 1240)}

Letak titik z berada pada garis lurus FG dengan absis 0,26

Titik diperoleh yaitu perpotongan perpanjangan garis D_{Z dengan garis x = x}

B



H1 hD



H1 R  h_D   





26 , 0 1000 1500 1000 35 , 0 1500 2 , 0 G F Gx Fx x_Z F G          D

Dua macam larutan ethanol-air akan didistilasi dalam sebuah fraksinator hingga

diperoleh produk atas dengan kadar 90% massa ethanol dan produk bawah dengan kadar 5% massa ethanol. Kedua macam feed yang diumpankan adalah

Feed F, 20% (massa) ethanol berupa liquid jenuh sebanyak 1500 lb/jam Feed G, 35% (massa) ethanol dengan specific enthalpy 50 btu/lb, 1000 lb/j

Reflux ratio sebesar 1,5. Kolom dilengkapi dengan partial reboiler. Tentukan jumlah plate ideal dalam kolom ini dan pada plate ke berapa kedua feed tersebut dimasukkan?

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 E n th a lp y (k J /k g ) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 y x D D D Z _G F B D

Side Stream

Terdapat 3 daerah: • Enriching • Intermediate • Exhausting: Daerah Intermediate: D, x_D F, x_F







 D   V _ D S L _{p  p 1} S D  x S x D x D S    D D D D F B Z Hubungan lain: S, x_S B, x_B S D q h S h D h D S C     D D      B D S F D  D    S Z F D  D  F S D S F Sx Fx x_Z  F  S

Ｔ_{itik-titik feed dan sidestream diletakkan pada garis liquida jenuh sesuai dengan kadarnya,}

demikian pula untuk produk atas dan produk bawah.

Sesuai dengan “lever -arm rule” maka titik Z yang merupakan titik beda F dan S akan berada pada perpanjangan garis lurus SF dengan absis:

B, D, dan S dapat dicari dengan overall dan komponen material balance, diperoleh D=153,85 lb, S=153,85 lb, B=692,30 lb

Diperoleh x_Z = 0,19

R=3=(HD – H₁)/(H₁ – h_D) = (HD – 600)/(600 – 100)

HD = 2100 btu/lb. Koordinat D (0,80; 2100)

Soal Side Stream

1000 lb alkohol 25% (massa) didistilasi menjadi tiga macam produk masing-masing dengan kadar 80%, 60%, dan 5% yang kesemuanya dikeluarkan dari kolom pada suhu liquida jenuhnya. Produk dengan kadar 80% jumlahnya sama dengan produk dengan kadar 60%. Reflux ratio 3. Tentukan jumlah plate ideal yang diperlukan untuk ini bila

dipergunakan sebuah total condensor dan sebuah partial reboiler. Feed masuk pada titik didih. Tentukan pula jumlah produk atas, produk bawah dan sidestream

S F Sx Fx x F S Z   

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 E n th a lp y (B tu /l b ) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 y x D D D Z B F S D 1 2 3

Latihan Soal

Suatu campuran etanol-air dengan kadar 25% mol etanol

difraksinasi secara kontinyu dalam sebuah fraksinator pada tekanan 1 atm. Rate umpan adalah 2000 kmol/j dan 98% dari etanol yang masuk menjadi produk atas (distilat) dan produk samping (side

stream) dimana kadarnya masing-masing 80% dan 60% mol etanol. Sedangkan sisanya 2% keluar sebagai produk bawah. Jumlah

distilat yang dihasilkan sama dengan jumlah side stream. Aliran umpan, produk bawah dan side stream berupa liquid jenuh

sedangkan produk atas berupa uap jenuh yang keluar dari kondensor partial. Bila reflux ratio = 3,2 Tentukan

a) Jumlah produk atas, produk samping dan produk bawah b) Jumlah plate ideal

c) Pada plate ke berapa umpan dimasukkan

d) pada plate berapa produk samping dikeluarkan e) Beban kondensor dan reboiler