PACKED BED ABSORBER. Dr.-Ing. Suherman, ST, MT Teknik Kimia Universitas Diponegoro. Edisi : Juni 2009

(1)

PACKED BED ABSORBER

Dr.-Ing. Suherman, ST, MT

Teknik Kimia Universitas Diponegoro

(2)

Packed Bed Absorber

1 P

d h l

1. Pendahuluan

– Bagian packed bed absorber

– Problem Umum

2. Menghitung Tinggi

– Penurunan Persamaan Desain

Definisi N

dan H

– Definisi N

_OG

dan H

_OG

3. Menghitung Diameter

(3)

1 PENDAHULUAN

1. PENDAHULUAN

(4)

Packed Bed Absorber

P

k d t

b

t b

• Packed tower: berupa tube

atau pipa yang diisi dengan

beberapa packing

beberapa packing.

• Cairan masuk dari bagian atas,

sedangkan gas masuk dari

bagian bawah.

• Hitung:

– Laju alir air

Diamater tower

– Diamater tower

– Tinggi packing

(5)

Packing

Ada 3 jenis Ada 3 jenis

1. Raschig ring: potongan pipa L ≈ D ≈ 0,5-1 in L D 0,5 1 in 2. Berl saddle 3. Pall ring Packing memberikan

kontak yg bagus antar kedua fasa

Sehingga luas

permukaan menjadi maksimum

(6)

Distributor

T j

hi d i t j di

h

li

• Tujuan: menghindari terjadinya channeling

(7)

Problem Umum

Ai d

Air dengan 0,02% acetone Packed bed tower berisikan 1 in raschig ring.

Laju alir umpan 1,1 kali nilai minimum.

80°F Tekanan parsial acetone di larutan:

(

)

2 A A A 0 A A P x dimana ln 1,951 x p = γ γ = − 1 atm atm 33 , 0

P_A0 = _{, tekanan uap acetone pada 80°F}

Diambil 95% 500 SCM

udara mengandung Hitung:

1. Laju alir air

2. Diamater tower

acetone 14% mool acetone

(8)

Overview Jawaban

1. Pemilihan laju alir larutan : L = 1,1 -1,5 kali L_min 2. Diameter tower: berdasarkan pada basis pressure drop.

packing ft O H in 5 , 0 25 , 0 Z p ₂ T − = ∆

3. Ketinggian tower ditentukan oleh laju transfer massa. N

H Z

Konsep transfer unit

OG OG T H xN Z = HETP x N Z_T = Konsep transfer unit

(9)

(A) Laju alir minimum 1

(A) Laju alir minimum -1

2 SCFM = standard cubic feet per minute

Gas ideal: PV = nRT

(

)

(

)

lbmol ft 359 gmol liter 4 , 22 atm 1 K 273 R P RT n V ₌ ₌ ₌ ₌ 3 3 min lbmol 39 , 1 lbmol ft 359 min ft 500 V ₃ 3 = = 1 V L

Berapa laju alir minimum cairan yang dibutuhkan? Untuk menghitungnya perlu memplot garis operasi dan kurva kesetimbangan

(10)

(A) Laju alir minimum 2

(A) Laju alir minimum -2

Kurva Kesetimbangan 0 1 0.12 0.14 0.16 0.18

(

)

2 A A A 0 A A P x dimana ln 1,951 x p = γ γ = − 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 y x aktA pA y = pA/P atm 33 , 0

P_A0 = _{, tekanan uap acetone pada 80°F}

0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 x p y p 0 7.0287 0.0000 0.0000 0.01 6.7612 0.0223 0.0223 0.02 6.5064 0.0429 0.0429 0.03 6.2636 0.0620 0.0620 0 04 6 0322 0 0796 0 0796 0.04 6.0322 0.0796 0.0796 0.05 5.8117 0.0959 0.0959 0.06 5.6014 0.1109 0.1109 0.07 5.4008 0.1248 0.1248 0.08 5.2095 0.1375 0.1375 0.09 5.0269 0.1493 0.1493 0.1 4.8525 0.1601 0.1601

(11)

(A) Laju alir minimum 3

(A) Laju alir minimum -3

Garis Operasi 2

Y

X

V

L

Y

=

+

x

1 x

X

−

=

y

1 y

Y

−

=

_0.120.14 0.16 0.18

V

₁

_x

₁

_y

x₂ = 0.0002 Æ X₂ = 0.0002 y₁ = 0.14 Æ Y₁ = 0.1628 0.04 0.06 0.08 0.10 Y Y₂ = 0.05 Y₁ = 0.00814 0.00 0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 X

Kurva kesetimbangan (EC) berada di bawah garis operasi (OL) Selanjutnya minimum

00814

0 1628

0 Y

Y

L

⎞

₁

−

₂

−

⎜

⎛

garis operasi (OL). Selanjutnya, minimum slope tercapai ketika OL menyinggung EC. Akhirnya, X₂ bisa dibaca pada OL.

91 .

1 0002

.

0

081 .

0 00814

.

0 1628

.

0 X

X

Y

V

L

2 1 2 1 min

=

−

=

−

=

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

0081

.

0 X

91 .

1 Y

=

+

L = 1 91 V = 1 91 x 1 39 lbmol/min = 2 66 lbmol/min L_min = 1.91 V = 1.91 x 1.39 lbmol/min = 2.66 lbmol/min

(12)

(B) N

1 (B) N

_OG

-1

d _Ai

∫

₋ = 2 1 y y * OG y y dy N Air x₂ = 0.0002 y₂= 0.00807 (95% terambil dari cairan) Dalam soal ini misalkan x = 0 07

⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − 2 1 2 1 1 y 1 y V 1 x 1 x L 80°F

Dalam soal ini misalkan x₁ = 0.07 Maka L dihitung (1) ⎠ ⎜ ⎝ − − ⎠ ⎜ ⎝1−x1 1−x2 1 y1 1 y2 1 atm

Maka akan didapat L/V = 2.06

(1) x₁ = 0.07 Aceton di udara y₁= 0.14

(

)

[

1.951 x

]

x exp 33 . 0 * y = − 2 ₍₂₎ V = 1.39 lbmol/min

(13)

(B) N

2 (B) N

_OG

-2

/(1 ) * 1/( *) I t i 0 1 y x/(1-x) x y* 1/(y-y*) Integrasi 0.00807 0.0002 0.0002 0.0005 131.467 2.0885 0.022 0.0072 0.0071 0.0161 168.393 2.6133 0.036 0.0144 0.0142 0.0311 204.932 3.0153 0.05 0.0218 0.0213 0.0456 225.819 2.8986 0 063 0 0289 0 0281 0 0585 220 119 2 6900 0.10 0.15 Y y* y 0.063 0.0289 0.0281 0.0585 220.119 2.6900 0.076 0.0362 0.0349 0.0708 193.725 2.2949 0.089 0.0437 0.0418 0.0827 159.343 1.8611 0.102 0.0514 0.0489 0.0941 126.987 1.4787 0.115 0.0593 0.0560 0.1051 100.508 1.1737 0.128 0.0675 0.0632 0.1155 80.063 0.8741 0 00 0.05 Y ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( 2 1) 2 1 0 1 1 0 x x ₂ x x x f x f x x 2 x f x f dx x f 2 0 − + + − + =

∫

0.128 0.0675 0.0632 0.1155 80.063 0.8741 0.14 0.0753 0.0700 0.1248 65.615 20.988 0.00 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 X 250 150 200 y -y *)

∫

₋ = 2 1 y y * OG y y dy N = 21.0 0 50 100 1/ (y 0.00 0.05 0.10 0.15 y

(14)

(C) H

1 (C) H

_OG

-1

G S V a K G a K S V H g g OG = = Bila Bila K_ga = 0.04 lbmol/s m3 D_T = 1 m Maka S = π r2 _{= 0.7854 m}2 G = V/S = 1.39 lbmol/min/60/0.7854 G = 0.0295 lbmol/s m2 H_OG = 0.7374 m

(15)

2

(16)

Ketentuan Penurunan

L₂ x₂ V₂ y₂ Ketentuan:

1. Transfer mass dari fase L ke V diberi tanda positif 2 Integrasi persamaan dihitung dari bagian bawah

L+dL

V+dV

2. Integrasi persamaan dihitung dari bagian bawah (posisi 1) ke atas (posisi 2)

3. Aliran ke atas adalah fase V sedang ke bawah adalah fase L

dz ada a ase

Notasi:

V, L = laju alir molar (lbmol/hr) (atau mol/s)

L

V

j ( ) ( )

y, x = fraksi mol fase V, L Z = tingi tower, ft (atau m)

L V

Catatan:

(17)

Penurunan Persamaan Desain

Neraca total

dL

dV

=

_d

Laju perubahan kompenen di fasa

( )

_Vy

_k

(

_y

)

_dA

_K

(

_y

*

_y

)

_dA

y i y

−

=

−

=

Neraca komponen

( ) ( )

Vy

d

Lx

d

=

dz

S

a

dA

=

a: luasan interface per unit volume packing

S l li k 1 1 1 1

y

Lx

L

x

V

Vy

−

=

−

1 1 1 1

x

Lx

V

y

L

Vy

+

=

+

S: luasan penampang melintang tower kosong Karena a sering tidak diketahui, maka

dik lk k t t k it k 1 1 1 1

x

Lx

V

y

L

Vy

+

_{dikenalkan konstanta komposit k}

ya

( )

Vy

k

a

(

y

)

Sdz

K

a

(

y

)

Sdz

d

=

_y _i

−

=

_y *

−

( )

(

)

∫

( )

(

)

∫

=

₋

−

=

2 1 2 1 y y * y y y i y z 0

_K

_aS

_y

Vy

d

y

aS

k

Vy

d

dz

(18)

Penurunan Persamaan Desain

Asumsi V, L konstan : tidak valid

( )

_⎜

⎛

y ⎞

dy

(

1 y

)

V

'

V

=

−

( )

(

)

(

1 y

)

dy

V

y

1 dy

'

V

y

1 y

d

'

V

Vy

d

₂

−

=

−

=

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

=

(

)

dy

_*

(

1 y

)

K

a

(

y

)

S

dz

dy

V

=

_y *

−

d

V

(

)

(

)

∫

=

2

₋

1 y y * y z 0

₁

_y

dy

S

a

K

V

dz

(19)

Penurunan Persamaan Desain

Untuk memudahkan intergrasi maka diharapkan nilai H konstan Untuk memudahkan intergrasi, maka diharapkan nilai H_OG konstan

Dari penurunan Chapter 13 Buku Foust: dasar mekanisme perpindahan massa

(

1 y

)

kons

tan

a

K

_y_y

(

−

y

)

_lm_lm

=

(

)

(

)

(

)

∫

=

2

−

1 y y * lm z 0

₁

_y

dy

y

1 y

1 S

a

K

V

dz

(

) (

)

(

)

∫

y₁

₋

lm y 0

_K

_a

_S

₁

_y

₁

_y

(

)

(

)

∫

z

=

V

y2

1 −

y

_lm

dy

dz

∫

y2

(

)

∫

(

)

(

)

∫

=

₋

1 y * lm y 0

dz

_K

_a

_S

₁

_y

₁

_y

(

)

∫

=

2 1 y y OG OG

dN

H

z

(

)

(

)

₍

(

₎

)

(

*

)

* lm

₁

_y

ln

y

1 y

1 −

−

=

−

(

*

)

y

1 ln

−

(20)

Definisi H

& N

Definisi H

_OG

& N

_OG

NTU NTU

- Ukuran tingkat kesulitan proses separasi

- Semakin tinggi tingkat kemurnian produk yang diinginkan, semakin besar NTU ang diperl kan

NTU yang diperlukan

HTU

Uk f k ifi i d i ki k i ki i

- Ukuran efektifitas separasi dari packing tertentu untuk spesies kimia yang diproses

- Semakin tinggi laju perpindahan massa dan luas permukaan perpindahan, k HTU k ki k il

(21)

Z = H

x N

Z

_T

= H

_OG

x N

_OG

N b f t f it H i ht f t f it D i i F

(

)

(

)(

)

∫

y2

−

lm

dy

y

1 N

_G

Number of transfer unit Height of transfer unit Driving Force

H

_G

V

y

i

−

y

(

)(

)

∫

y₁

₋

i

y

1 N

_G

(

1 )

d

H

_G

₍

₎

lm y

a

S

1 y

k

−

V

y

_i

N

_OG

(

)

(

)

(

)

∫

2

₋

−

₋

1 y y * lm

y

1 dy

y

1 _H

OG

(

)

lm y

a

S

1 y

K

V

−

y

*

−

y

N

_L

(

)

(

)(

)

∫

2

₋

−

₋

1 x x i lm

x

1 dx

x

1 H

_L

(

)

_lm x

a

S

1 x

k

V

−

x

−

x

i

N

_OL

(

)(

)

(

)

(

)

(

)

∫

x2

−

x * lm

x

1 dx

x

1 H

_OL

(

)

(

1 x

)

S

a

K

V

*

x

−

(

)

(

)

∫

x₁

₁

₋

_x

₋

_x

(

)

lm x

a

S

1 x

K

−

(22)

Cara menghitung N

_OG

(

)

_l

(

)

₍

(

₎

*

)

1 y 1 y 1 y 1− = − − − 1. Secara grafis y versus 1. Secara grafis y versus

(

)

₍

₎

(

*

)

lm y 1 y 1 ln y 1 − − y e sus 2. Metoda Wiegand y e sus 2. Metoda Wiegandg

Bahwa nilai (1-y)_lm sama dengan nilai rata-rata aritmatik dari (1-y) dan (1-y*)

(

)

(

)

∫

+ −₋ − = 2 1 y y 2 * OG y 1 y 1 ln 2 1 y y dy

N Biasanya, suku terakhir bisa diabaikan g

Bahwa nilai (1-y)_lm sama dengan nilai rata-rata aritmatik dari (1-y) dan (1-y*)

(

)

(

)

∫

y1 ₋ ₋ 1 y 1 2 y y

3. Metoda Log-Mean Driving Force

Jika larutannya encer, dimana mol fraksi hampir sama dengan rasio mol, Jika larutannya encer, dimana mol fraksi hampir sama dengan rasio mol, dan garis operasi dan kurva keseimbangan adalah lurus

y y −

( )

(

*₋

) (

₋ *₋

)

(23)

Hubungan H

H H

H

Hubungan H

_OG

,H

_G

,H

_OL

,H

_L

L G OG

H

L

mV

H

=

+

L G OG

H

L

mV

H

=

+

(24)

3

(25)

Pressure Drop di Packed Bed

• Aliran di packed bed absorber: lawan arah • Cairan jatuh ke bawah karena gravitasi

G li k t d dikit d

i gas

packing • Gas mengalir ke atas dengan sedikit pressure drop

• Laju alir massa (lb/hr m2₎

cairan gas packing S V M G_y = y

(26)

Hubungan G G dan

∆p

(27)

Terjadinya fenomena Flooding

Aliran gas ke atas gas yang memiliki gaya dorong terhadap cairan

akan memperlambat laju alir cairan.

Semakin besar laju alir gas semakin besar gaya dorong.

Ketika gaya dorong mendekati gravitasi maka cairan akan mengalir

Ketika gaya dorong mendekati gravitasi, maka cairan akan mengalir

lebih lambat, dan cairan mulai terakumulasi di tower

(28)

Terjadinya fenomena Flooding

Liquid holdup: fraksi intersticial Liquid holdup: fraksi intersticial volume yang terisi cairan

Intersticial volume: ruang kosong Intersticial volume: ruang kosong antara packing

Loading: kenaikan holdup cairan Loading: kenaikan holdup cairan karena naiknya laju alir gas

Flooding: aliran ke bawah cairan g berhenti karena tingginya aliran ke atas gas

Fl di ∆ /L 2 3 i H O/ft ki Flooding : ∆p_f/L ≈ 2 – 3 in H₂O/ft packing Loading : ∆p_f/L ≈ 0.5 in H₂O/ft packing

(29)

Pengaruh ukuran packing

Semakin besar ukuran packing semakin toleran packing, semakin toleran terhadap laju alir gas yang lebih tinggi.