BAB V. CONTINUOUS CONTACT

(1)

Universitas Gadjah Mada 1 BAB V. CONTINUOUS CONTACT

Operasi pemisahan continuous contact secara prinsip berbeda dengan stage wise contact. Pada operasi pemisahan ini, kecepatan perpindahan massa berlangsung saat kedua fasa tersebut berkontak atau ada perubahan konsentrasi sebagai fungsi posisi. Oleh karena itu pada operasi pemisahan ini, konsep rate processes memegang peran penting.

Proses continous contact dapat digunakan pada:

1. Proses dua fluida yang saling berkontak. Bahan isian berupa inert yang merupakan media kontak antara dua fluida tersebut, misalnya pada proses:

1. Absorbsi 2. Distilasi 3. Ekstraksi 4. Stripping

2. Proses perpindahan massa antara fasa padatan dengan fluida yang mengalir di antaranya, misalnya pada fasa adsorpsi atau ion exchange. Pada cara kontak ini biasanya padatan disusun dalam kolom (fixed bed) dan fluida dialirkan melewati tumpukan padatan dalam kolom tersebut.

(2)

Universitas Gadjah Mada 2 Keuntungan dan kerugian proses kontak dengan stage wise dan kontinyu, adalah sebagai berikut:

Stage wise Continous

 P besar

 L>>> tidak flooding

 Mudah dibersihkan

 Tergantung bahan platenya (biasanya dari logam)

 Untuk ‘D’ yang kecil lebih mahal

 P kecil

 Mudah terjadi flooding untuk’ L’ tertentu

 Relatif sulit

 Tidak korosif karena biasanya bahan isiannya terbuat dari plastik atau keramik.

 Untuk ‘D’ yang kecil Iebih murah

Bahan isian harus memenuhi persyaratan sebagai berikut:

o Luas permukaan bidang transfer per unit volum harus besar (luas permukaan yang dapat terbasahi oleh cairan besar untuk per satuan volum)

o Tumpukan bahan isian porositasnya harus besar (P lebih kecil) o Tidak korosif

o Bulk density rendah o Murah

Jenis bahan isiannya adalah: o Raschig ring

o Intalog saddle o Pall ring

o Cyclohelix spiral ring o Berl saddle

o Lessing ring o Cross-partition ring

Gambar dari sebagian jenis bahan isian dapat dilihat pada gambar berikut ini (Foust, et.al., 1980):

(3)

(4)

Universitas Gadjah Mada 4 Karakteristik fisis bahan isian dapat dilihat pada tabel berikut ini (Foust, et.al; 1980):

Tabel V.1. Karakteristik Fisis Bahan Isian: Packing Percent Voids () Specific Surface (av) ft2/ft3 Packing factor Dumped weight lb/ft3 Raschig rings keramik (inci)

⁄ 73 240 1600 46

⁄ 63 111 580 54

1 73 58 155 40

2 74 28 65 38

Raschig rings metal (1/16 in. wall)

⁄ 73 118 410 132

1 85 57 137 71

2 92 31.4 57 37

Ben saddles (inci)

⁄ 60 274 900 56

⁄ 63 142 240 54

1 69 76 110 45

2 72 32 45 40

Pall rings (inci)

1 93.4 66.3 48 33

2 94.0 36.6 20 27.5

Cyclohelix dan single spiral (inci)

⁄ 58 40 60

4 60 32 61

(5)

Universitas Gadjah Mada 5 Bahasan Kuantitatif di Tumpukan Bahan Isian

Neraca massa komponen pada ketinggian Z (dari posisi 0 sampai dengan posisi Z)

Persamaan ini merupakan garis operasi yang berlaku untuk ‘x’ dari x1 sampai dengan x2 dan untuk ‘y’ dari y1 sampal dengan y2. Persamaan garis operasi ini bukan merupakan kurva (garis tidak lurus) karena ‘V’ dari ‘L’ selalu berubah terhadap perubahan konsentrasi atau posisi.

Pada kasus tertentu yaitu untuk larutan yang sangat encer, besarnya ‘L’ dan ‘V’ dapat dianggap tetap, sehingga garis operasi merupakan garis lurus.

Kecepatan perubahan konsentrasi komponen pada masing-masing fasa sama dengan kecepatan perpindahan massa komponen ke atau dari fasa tersebut.

Review Konsep Kecepatan Perpindahan Massa

dengan: A = luas permukaan bidang transfer

Untuk permukaan-permukaan yang sulit diukur (tumpukan bahan isian) nilai A sulit ditentukan, untuk itu diajukan konsep perpindahan massa volumetris seperti berikut:

(6)

Universitas Gadjah Mada 6 Two Film Theory

Persamaan kecepatan perpindahan massa:

Nilai xi dan yi sulit ditentukan (yi = H, xi), oleh karena itu diajukan model 1 film gabungan (di fasa cair saja atau dari fasa gas saja). Persamaan kecepatan perpindahan massa dapat dituliskan sebagai berikut:

(7)

Universitas Gadjah Mada 7 Gas :

Hubungan antara koefisien perpindahan massa total dan individual:

Penyederhanaan untuk proses-proses kecepatan yang berlangsung secara paralel seperti kasus di atas, kecepatan yang cepat dapat diabaikan pengaruhnya. Oleh karena itu dapat diambil cara penyederhanaan seperti berikut ini:

1. Untuk nilai k'x yang jauh lebih besar daripada k'y, maka nilai

2. Untuk nilai k'y yang jauh lebih besar daripada k'x, maka nilai

3. Gas yang mudah larut dalam air mempunyai nilai H yang sangat kecil, maka nilai

4. Gas yang sukar larut dalam air mempunyai nilai yang sangat besar, maka nilai

Neraca massa ‘A’ pada fasa gas pada elemen volume (lihat Gambar V.3)

(8)

Universitas Gadjah Mada 8 Atau

Dengan cara yang sama untuk fasa cair:

Atau

Dengan menggunakan persamaan (1) dan (2) dapat ditentukan tinggi tumpukan bahan isian untuk derajat pemisahan tertentu, jika diketahui:

1. Nilai k'x a, k'y a, K'x a, atau K'y a, yang merupakan fungsi ‘V’ dan ‘L’ dan sifat fisis bahan pada kedua fasa, yang sering dinyatakan dalam bentuk persamaan sebagai berikut:

2. Nilai (x – xi), (x – x*), (yi – y) atau (y* - y). NiIai ini dapat ditentukan bila hubungan keseimbangan di antara kedua fasa diketahui.

Komposisi bulk dapat ditentukan dari persamaan neraca massa komponen (persamaan garis operasi berikut):

Kesulitan yang dihadapi adalah bahwa penyelesaian persamaan integrasi (1) dan (2) yang merupakan persamaan-persamaan simultan dengan keseimbangan persamaan nilai koefisien perpindahan massa dan keseimbangan. Tetapi persamaan-persamaan tersebut dapat diselesaikan dengan bantuan komputer pada era sekarang ini. Bila tidak tersedia komputer maka dapat dilakukan penyederhanaan sebagai berikut:

(9)

Universitas Gadjah Mada 9 I. Equimolar Counter Diffusion (E.C.D)

E.C.D. terjadi dalam proses distilasi, yaitu keadaan dimana kecepatan perpindahan untuk konstituen yang volatil dan tidak volatil di antara fasa-fasanya sama, sehingga dapat dianggap sebagai nilai ‘V’ dan ‘L’ tetap. Jika ‘V’ dan ‘L’ tetap, maka persamaan (1) dan (2) dapat ditulis menjadi:

Dengan :

Atau

Pada kondisi tertentu sifat fisis dapat dianggap tetap, sehingga k'y a = f (V) saja, jika V = tetap, maka nilai k'y a juga tetap. Oleh sebab itu persamaan (1) dan (2) dapat dituliskan sebagai berikut :

(10)

Universitas Gadjah Mada 10 Dengan :

N = number of transfer unit

= perubahan komposisi dibagi driving forces

= ukuran mudah-sukarnya derajat pemisahan tersebut. H = Height of transfer unit

2. Diffusion Through a Stationary Component (D.T.S.C.)

D.T.S.C. terjadi dalam proses absorpsi gas dan ekstraksi. Pada proses-proses ini anggapan nilai bahwa nilai ‘L’ dan ‘V’ tetap tidak sesuai, karena terdapat suatu komponen yang berpindah dari ‘V’ ke ‘L’.

Dalam keadaan seperti ini, dapat digunakan dasar perhitungan solvent bebas solute, karena biasanya nilai-nilai komponen yang tidak melarut besarnya tetap.

Analog dengan penjabaran di atas (N.M. pada fasa tertentu)

dengan ky a dan Ky a = koefisien perpindahan massa pada DTSC

Untuk fasa cair analog:

Persamaan (3) dan (4) merupakan persamaan untuk menentukan tinggi tumpukan bahan isian pada proses DTSC untuk derajat permisahan tertentu. Persamaan tersebut dulu merupakan persamaan yang rumit tetapi sekarang bersamaan dengan berkembangnya komputer, merupakan persamaan yang dapat diselesaikan dengan mudah.

Pada pemakaian persamaan-persamaan tersebut terdapat kemungkinan dilakukan penyederhanaan, sama dengan yang dilakukan pada ECD. Untuk kondisi sistem tertentu,

(11)

Universitas Gadjah Mada 11 geometri, sifat-sifat fisis yang tertentu nilai k'x a, k'y a, K'x a, atau K'y a tetap. Korelasi koefisien pada ECD dan DTSC dinyatakan sebagai berikut:

Persamaan (3) dan (4) dapat diubah menjadi:

Secara kasar dianggap nilai

( ) dan ( )

=

konstan atau tidak begitu terpengaruh oleh perubahan konsentrasi, atau merupakan harga rata-rata di dasar (bottom) dan di atas (top) kolom, maka persamaan (3) dan (4) dapat dituliskan sebagai berikut:

Dengan cara yang sama dapat ditentukan tinggi tumpukan bahan isian atas dasar nilai koefisien perpindahan massa yang berbeda, yang kemudian disajikan dalam tabel berikut ini:

(12)

Z = N H

N = number of transfer unit

= mengukur derajat kesulitan pemisahan H = Height of transfer unit

= efektivitas pemisahan suatu jenis bahan isian tertentu

(13)

Universitas Gadjah Mada 13 Perhitungan Number of Transfer Units (N)

Penyelesaian integrasi pada tabel 16.2. (Foust, et.al., 1980) sebagai contohnya adalah sebagai berikut:

Terdapat beberapa cara penyelesaian, yaitu:

 Cara integrasi grafis

 Cara penyederhanaan integrasi

 Cara grafts dari Baker

Cara Integrasi Grafis

Langkah pertama yaitu menggambar dulu dalam grafik garis/kurva operasi dan kurva seimbang. Jika menggunakan persamaan (A) maka dibutuhkan nilai y*, sebaliknya jika menggunakan persamaan (B) membutuhkan nilai yi.

(14)

Universitas Gadjah Mada 14 Langkah selanjutnya adalah:

 Menentukan y* pada x,y tertentu, menarik garis tegak lurus dari x,y di garis operasi untuk dipotongkan dengan garis seimbang, sehingga didapatkan x,y*.

 Menentukan xi,yi pada x,y tertentu

Penyelesaian integrasi:

 Numeris (Simpson Rule’s, dll) digunakan bila korelasi seimbang diketahui dalam bentuk persamaan.

(15)

Universitas Gadjah Mada 15 Dengan cara sama dapat ditentukan NG, NL, NOL.

Evaluasi Height of A Transfer Unit (H)

Contoh data korelasi koefisien perpindahan massa untuk air dan zat organik, adalah sebagai berikut:

Fasa cair:

Fasa gas:

Correlation of Liquid Phase Coefficients

Data ini didapatkan dari absorpsi dan desorpsi CO2, O2, dan H2 dalam sistem udara - air. Kecepatan massa gas dari 30 sampai dengan 1300

. Kecepatan cairan dari 200

hingga 32.000

pada suhu 5 ºC sampai dengan 40 ºC, dengan menggunakan berbagai

jenis bahan isian.

Gas-gas ini sukar larut dalam air, sehingga tahanan di fasa gas diabaikan pengaruhnya, oleh karena itu nilai

(16)

Universitas Gadjah Mada 16 Persamaan Umum Perpindahan Massa

dengan:

kL a = liquid phase mass transfer coefficient

[

( )( )( )

]

GI = mass velocity of liquid

*

_{+ ⇒ (}

)

S = biasanya konstanta sebesar 0,5

Nilai konstanta untuk ‘’ , ‘n’ dan ‘S’ dapat dilihat pada tabel 56 untuk berbagai tipe packing yang telah diteliti.

Correlation of Gas Phase Coefficients

Data untuk absorpsi ammonia dari udara dengan menggunakan air untuk berbagai jenis packing disajikan dengan persamaan berikut:

dengan:

Gg dan Ge = masing-masing adalah kecepatan massa dari gas dan cairan

*

+

B,n dan m = konstanta spesifik empirik pada sistem ammonia, udara dan air serta fungsi packing yang dipakai pada tabel 57.

Untuk gas lain dapat diperkirakan dengan persamaan berikut:

Pressure Drop in Packed Coloumns

Dalam bahan isian umumnya aliran cairan masuk dari puncak kolom, mengalir ke bawah karena gaya gravitasi, dan aliran gas dari dasar kolom ke puncak. Gas dapat mengalir karena terdapat blower/fan (absorbsi). Uap panas yang mempunyai tekanan tertentu yang dihasilkan oleh reboiler (distilasi).

Pada perancangan kolom bahan isian P sangat berperan sehingga perlu diperhatikan, karena P dipengaruhi oleh kedua aliran baik gas maupun cairan.

(17)

Universitas Gadjah Mada 17 Kondisi operasi kolom bahan isian sebaiknya di bawah kondisi loading. Dalam hal ini Colburn menyatakan bahwa kecepatan gas sebaiknya sebesar 50 sampai dengan 75% kecepatan gas pada kondisi flooding untuk kecepatan aliran yang tertentu.

(18)

Universitas Gadjah Mada 18 Gas yang mengandung hidrokarbon (HC) yang akan diserap dengan non-volatile oil. Diketahui BM HC = 44 dan BM oil =300.

Basis hitungan Ibmol gas masuk

Gas keluar

(19)

Universitas Gadjah Mada 19 Neraca massa pada posisi tertentu:

Dengan persamaan tersebut di atas, dapat ditentukan hubungan antara ‘y’ dan ‘x’, dan garis tersebut selanjutnya disebut sebagai garis operasi. Data keseimbangan untuk keadaan ini dituliskan dalam kurva berikut:

(20)

Algoritma perhitungannya sebagai berikut:

y Y* 1 – y 1 – y* (1 – y)lm y* – y ( ) ( )( ) 0.0124 0.03 0.05 0.08 0.10 0.14 0.15 0.18 0.20 0 0.003 0.0117 0.03 0.0475 0.0945 0.106 0.1445 0.1730 0.9876 0.97 0.95 0.92 0.90 0.86 0.85 0.82 0.80 1.0 0.997 0.9883 0.97 0.9525 0.9055 0.893 0.8555 0.8720 0.9938 0.9885 0.9692 0.9450 0.9265 0.8825 0.8715 0.8352 0.8135 -0.0124 - 0.027 -0.0383 - 0.050 - 0.0475 - 0.0455 -0.044 - 0.0355 - 0.0270 -81.0 - 37.7 -26.6 - 20.6 -21.7 - 22.6 -23.3 - 28.7 - 37.6 (Foust, et.aI., 1980)

Penerapan Stage Wise Contact pada Menara Penyerap (Absorpsi)

Absorpsi dapat berarti cara pemisahan komponen dalam gas dengan menggunakan solven penyerap (absorben). Atau suatu operasi yang berdasarkan daya serap/daya larut gas dalam cairan pada suhu dan tekanan tetap. Daya serap tergantung pada jenis dan jumlah solven serta jumlah plate.

(21)

Universitas Gadjah Mada 21 Dari neraca bahan total didapatkan persamaan:

Persamaan tersebut diatas merupakan persamaan garis operasi, yaitu hubungan komposisi dua arus yang berkontak bila pada stage wise contact merupakan komposisi antara 2 stages secara berurutan. Persamaan ini berlaku secara umum untuk seluruh menara.

(22)

Universitas Gadjah Mada 22 Garis operasi dinyatakan dengan mol ratio bebas solute (X,Y) yang berupa garis lurus dalam diagram X,Y. Garis lurus menunjukkan sistem campuran encer (sedikit zat yang terlarut). Bila garis operasi dinyatakan dalam mol fraksi atau fraksi massa atas dasar massa total, maka garis operasinya akan berupa garis lengkung:

Untuk sistem campuran pekat (banyak zat terlarut), akan seperti berikut:

Absorpsi  garis operasi lurus

 garis operasi di atas kurva seimbang

(23)

Universitas Gadjah Mada 23 Stripper

Untuk stripper dalam keadaan berlainan dengan absorber pada stripper komponen dalam cairan dikeluarkan ke gas dengan uap.

Antara garis operasi dan kurva setimbang dengan batas terminal (1) dan (2) akan didapatkan jumlah stage atau dapat ditentukan tinggi tumpukan bahan isian:

Stage Wise Contact:

(24)

Universitas Gadjah Mada 24 Garis AC adalah garis operasi untuk suatu keadaan absorpsi normal:

( ) — ( ) ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅

 Jika jumlah solven penyerap ditambah, maka LS akan bertambah sehingga LS/GS juga bertambah

Untuk terminal (2) tetap, maka garis AC akan condong ke kiri Jika LS banyak, maka garis AC  garis vertikal

2 X1

Solven masuk = solven ke luar

 Jika solven dikurangi, maka

Garis AC akan condong ke kanan dan menyinggung kurva seimbang, sehingga garis AD akan mengakibatkan

(

)

minimum

Pemakaian solven sebenarnya sebesar 1,5 —2 (Ls/V), dengan pertimbangan:

 Sifat fisik dan kimia solven

 Harga solven

 Biaya operasi

A = L/mG  ekonomis  1,5 – 2

Jumlah plate secara teoritis ditunjukkan dengan grafik 5.16 Treyball atau dengan persamaan:

Absorption:

Stripping:

(25)

Universitas Gadjah Mada 25 Notasi lain untuk absorber yang menggunakan tray adalah:

L1 menjadi LNp G1 menjadi GNp+1 L2 menjadi L0 G2 menjadi G1 x1 menjadi xNp y1 menjadi yNp+1 x2 menjadi x0 y2 menjadi y1 x1 menjadi xNp x2 menjadi x0 y1 menjadi yNp+1 y2 menjadi y1

(26)

(27)

Universitas Gadjah Mada 27 Menara Penyerap dengan Bahan Isian

(28)

Universitas Gadjah Mada 28 1. HETP (Height of Packing Equivalent to A Theoritical Plate)

HETP bervariasi terhadap:

 Tipe dan ukuran packing

 Flow rate

2. Transfer Unit

Terdapat di dalam diferensial volum dZ. Permukaan interfacenya dinyatakan dengan: dS = a dZ

(29)

Universitas Gadjah Mada 29 Jika ditinjau dari fasa cair:

(30)

Universitas Gadjah Mada 30 Overall coefficient and transfer unit

Atau

Untuk larutan encer

Dengan

Garis operasi :

(31)

Larutan encer, Henry’s Law

dengan: A = L/mG Atau:

Overall Heights of Transfer Unit

Bila tahanan transfer massa semuanya ada di fasa gas y y* , maka:

(32)

Universitas Gadjah Mada 32 Bila tahanan transfer massa semuanya ada di fasa cair:

Contoh soal:

Hitunglah tinggi packing yang dibutuhkan untuk soal sebelumnya!

Penyelesaian: Gas : y1 = 0,02 ; Y1 = 0,0204 y2 = 0,00102 ; Y2 = 0,00102 GS = 0,01051 kmol/dt Cairan : x1 = 0,1063 ; X1 = 0,1140 x2 = 0,005 ; X2 = 0,00503 LS = 1,787 x 10-3 kmol/dt GS(Y1 – Y) = LS (X1 – X) 0,01051(0,0204 – Y) = 1,787 x 10-3_{(0,119 – X)} X x Y y 0,0053 0,00502 0,00102 0,00102 0,02 0,01961 0,00357 0,00356 0,04 0,0385 0,00697 0,00692 0,06 0,0566 0,01036 0,01025 0,08 0,0741 0,01376 0,01356 0,10 0,0909 0,01714 0,01685 0,119 0,1063 0,0204 0,020 Diketahul: = 0,0719 kmol/m3 dt = 0,01377 kmol/m3 dt

(33)

Universitas Gadjah Mada 33 y yi Log y 0,00102 0,000784 4,32 -2,99999 0,00356 0,00285 5,02 -2,4486 0,00692 0,00562 5,39 -2,1599 0,01052 0,0083 5,26 -1,9893 0,01356 0,0109 5,10 -1,8687 0,01685 0,0134 4,84 -1,7734 0,020 0,0158 4,76 -1,699

(34)

Universitas Gadjah Mada 34 Ulangi perhitungan di atas untuk overall coefficient

(35)

Universitas Gadjah Mada 35 Menggunakan grafik 8.20

Dari grafik didapatkan nilai Nt0G = 9,16

x y y _ 0,00502 0,00102 0,000625 2531 0,02 0,00357 0,00245 893 0,04 0,00697 0,00483 467 0,06 0,01036 0,00712 309 0,08 0,01276 0,00935 227 0,10 0,01714 0,01149 177 0,119 0,0204 0,01347 144

(36)

Universitas Gadjah Mada 36 Bila gas dan cairan dialirkan searah maka slope garis operasinya akan negatif