PEMILIHAN TIPE KOLOM PEMISAH. Asep Muhamad Samsudin

(1)

PEMILIHAN TIPE KOLOM PEMISAH

PERANCANGAN ALAT PROSES

Asep Muhamad Samsudin

(2)

Menara

➢ Menara adalah alat proses, umumnya berupa bejana (silinder) tegak yang digunakan pada proses pemisahan secara Distilasi, Absorpsi maupun Desorpsi.

➢ Bagian dalam dari Menara (Kolom), bisa jadi berupa

➢ Sejumlah tray yang disusun pada jarak tertentu sepanjang kolom atau

➢ Sejumlah packing dengan ketinggian tertentu baik tersusun secara acak maupun teratur.

➢ Tray dan Packing adalah suatu alat kontak fase yang dirancang sedemikian dengan harapan distribusi komposisi dalam kedua fase mendekati sempurna.

(3)

Tahapan Perancangan Menara

1. Memilih tipe kolom : Tray, Plate atau Kombinasi 2. Perhitungan jumlah tray atau tinggi packing

3. Perhitungan diameter kolom

(4)

Alat Kontak

➢ Distilasi, Absorpsi dan Desorpsi adalah termasuk proses pemisahan berdasarkan proses difusi.

➢ Kecepatan perpindahan massa tergantung pada luas permukaan bidang batas antara fase uap dan fase cair yang saling mengadakan kontak.

➢ Saat merancang alat kontak diusahakan mendapatkan luas bidang kotak yang besar sehingga meningkatkan efisiensi pemisahan.

➢ Secara umum alat kontak bisa diklasifikasikan sebagai tray/plate dan packing.

(5)

Klasifikasi Alat Kontak

Type of Device Examples

Crossflow trays Bubble caps, sieve, valve, others

Counterflow trays Rectangular (slotted) openings, round

openings, others

Random Packings Rings, saddles, others Regular packings Grids, mesh, others

Special devices Splash decks, sprays, moving internals, others

Sumber : Fair, 1965

(6)

Pemilihan Tipe Kolom Pemisah

Secara umum ada dua tipe kolom pemisah yang dapat dipilih 1. Tray/Plate Tower

2. Packed Tower

(7)

Tray Tower / Plate Tower

➢ Tray atau Plate Tower adalah kolom pemisah berupa silinder tegak dimana bagian dalam dari kolom berisi sejumlah tray atau plate yang disusun pada jarak tertentu (tray/plate spacing) di sepanjang kolom.

➢ Umumnya cairan dimasukan dari puncak kolom dan dalam perjalanannya cairan akan mengalir dari tray yang satu ke tray yang lain yang ada di bawahnya.

➢ Selama proses berlangsung, di setiap tray akan terjadi kontak fasa Antara fasa cairan dengan fasa uap yang dimasukkan dari dasar kolom.

➢ Secara keseluruhan kontak Antara fasa dalam Tray Tower dapat dipandang sebagai aliran lawan arah (countercurrent), meskipun arus yang sebenarnya terjadi arus silang (crossflow).

(8)

Tray Tower / Plate Tower

➢ Kecepatan aliran uap/gas juga akan berpengaruh terhadap keberhasilan proses pemisahan.

➢ Jika kecepatan gas terlalu rendah, maka gelembung-gelembung gas akan mengembang sehingga luas permukaan bidang kontak tiap satuan volume menjadi kecil sehingga menurunkan efisiensi pemisahan.

➢ Sebaliknya gas dengan kecepatan tinggi cenderung akan terdispersi lebih sempurna sehingga efisiensi pemisahan meningkat.

➢ Namun, aliran gas dengan kecepatan tertentu akan membawa percikan cairan masuk ke dalam tray yang ada di atasnya. Peristiwa ini disebut Liquid Entrainment

➢ Jika entrainment terjadi berlebihan akan mengakibatkan flooding yang menyebabkan efisiensi pemisahan menurun.

(9)

Pemilihan Tray Tower

➢ Tray Tower umumnya digunkan untuk proses Distilasi, Absorpsi atau Desorpsi

➢ Sebagai alat pemisah Tray Tower dipilih jika 1. Diameter kolom lebih dari 3 (tiga) feet 2. Campuran yang akan dipisahkan :

a. Tidak korosif

b. Tidak mudah membentuk buih c. Terdapat suspensi padatan

3. Dinginkan hasil samping pada berbagai komposisi 4. Proses pemisahan disertai dengan reaksi kimia

5. Kolom dioperasikan pada tekanan vakum, dengan memasang stiffener disetiap tray.

(10)

Tray Tower / Plate Tower

Source: A. Mersmann, M. Kind, J. Stichlmair: Thermal Separation Technology. Berlin, Heidelberg: Springer 2011 Symbols

a downcomer

b tray support

c sieve trays

d man way

e outlet weir

f inlet weir

g side wall of

downcomer

h liquid seal

A_ac active area

A_d downcomer area

D_c column diameter d_{cap, v, h} bubble cup, valve,

hole diameter H, z tray spacing h_cl height of down-

comer clearance h_w weir height l_w weir length l_L length of liquid

flow path

 relative free area

Characteristic dimensions of industrial tray designs

w_G

(11)

Komponen Tray Tower

Downcomer : lubang tempat masuknya aliran dari atas berupa liquid (plate atas) ke plate bawah (kita memandang plate bawah ini sebagai acuan)

Downflow : lubang tempat keluaran liquid dari plate atas (kita memandang sebagai acuan) ke plate di bawahnya

Weir : penghalang yang dipasang di pinggir dari downflow utk membuat agar volume liquid yang tertampung di tray banyak, sehingga efektif terjadinya kontak antara liquid dan gas

Baffle : penghalang yang berada di tengah-tengah tray untuk membuat aliran lebih lama berada di tray (penerapan hanya di reverse flow)

(12)

Komponen Tray Tower

Cap : penghalang / pengkontak antara liquid dan uap yang dipasang di setiap tray, bentuk seperti topi yang pinggirnya ada slot untuk mengatur besar kecilnya gas yang keluar keatas

Slot : tempat bukaan pada cap yang mempunyai macam-macam bentuk (trapesium, persegi, segitiga dll) yang berfungsi mengatur bukaan gas yang keluar ke atas sehingga liquid dan gas berkontak secara normal

(13)

Tray / Plate

Tray atau plate adalah alat kontak antar fasa yang berfungsi sebagai 1. Tempat berlangsungnya proses perpindahan

2. Tempat terbentuknya keseimbangan 3. Alat pemisah dua fasa seimbang

Tipe tray atau plate 1. Bubble Cap Tray

2. Sieve Tray atau Perforated Tray 3. Ballast atau Valve Tray

(14)

CONTOH TRAY

Source: GEA Wiegand GmbH, Ettlingen Sieve Tray

Bubble Cap Tray

Tunnel Cap Tray

| Prof. Dr. M. Reppich | Conceptual Design of Distillation, Absorption and Stripping Systems | 14|

(15)

CONTOH TRAY

Floating valve tray with rectangular-shaped valves (BDH™ valve)

Source: Sulzer Chemtech AG

Detail of Varioflex valve tray Source: Koch-Glitsch, Inc.

| Prof. Dr. M. Reppich | Conceptual Design of Distillation, Absorption and Stripping Systems | 15|

(16)

Bubble Cap Tray

➢ Bubble Cap Tray adalah tray yang menggunakan bubble cap untuk mencapai tahap keseimbangan.

➢ Bubble Cap berupa mangkok terbalik yang terletak di atas riser, yang mana uap dapat masuk dari bagian bawah tray dan terdispersi pada permukaan bawah cairan melalui celah-celah atau slot.

➢ Bubble cap yang dirancang dengan baik akan memberikan turbulensi massa uap-cairan membentuk froth dengan luas antar muka yang besar hingga efisiensi tray tinggi.

➢ Keuntungan penggunaan Bubble Cap Tray

1. Banyaknya data teknis dan pengalaman tentang Bubble Cap tray

2. Memungkinkan peralatan beroperasi pada kondisi yang beragam dengan efisiensi relatif tetap.

(17)

Bubble Cap Tray

www.ambanimetal.com

(18)

Bubble Cap Tray

(19)

Sieve Tray / Perforated Tray

➢ Sieve Tray atau Perforated Tray adalah tray yang terbuat dari lapisan logam datar dengan sejumlah lobang.

➢ Diameter lobang berkisar Antara 1/8 – ½ inchi, tetapi yang sering digunakan adalah 3/16 inchi.

➢ Setiap tray dilengkapi dengan satu atau lebih downcomer untuk membawa cairan turun dari tray yang satu ke tray lainnya yang ada di bawahnya.

➢ Pada operasi normal, uap mengalir melalui lobang-lobang sehingga menyebabkan turbulensi cairan membentuk froth sepanjang tray, hingga perpindahan massa uap cairan lebih efisien.

➢ Dibandingkan dengan Bubble Cap tray, kelebihan Sieve Tray adalah bahwa lobang-lobang yang terdapat dalam tray dapat dipasang cap-cap seperti halnya pada konstruksi Bubble cap tray.

(20)

Sieve Tray / Perforated Tray

(21)

Ballast/Valve Tray

➢ Ballast/Valve Tray serupa dengan Sieve Tray, hanya di setiap lubang dipasang cap-cap yang dapat diangkat atau berupa valve yang dapat naik turun tergantung variasi kecepatan aliran uap.

➢ Gerak vertikal dari cap yang diizinkan antara ¼ - ½ inchi.

➢ Operasi Valve Tray lebih fleksibel dibanding dengan Sieve Tray.

(22)

Ballast/Valve Tray

(23)

Perbandingan Antar Tray

(24)

Pola Aliran Cairan

Reverse Flow : aliran liquid datang dari atas (downcomer) lalu mengalir di sepanjang tray dan berbelok ke bagian tray sebelahnya karena adanya baffle lalu mengalir ke plate bawahnya di downflow. Disebut reverse flow karena letak downcomer dan downflow di sisi yg sama. Dapat digunakan utk menampung cap lebih banyak, luas downcomer kecil. Kec.

Liquid = 0-50 gpm [0-0.003 m³/s]

Cross Flow : aliran liquid datang dari atas (downcomer) lalu mengalir di sepanjang tray dan mengalir ke plate bawahnya di downflow. Disebut cross flow karena letak downcomer dan downflow di sisi berseberangan. Jarak yang dilewati liquid panjang sehingga efisiensi tinggi. Kec. Liquid = 50-500 gpm [0.003-0.03 m³/s]

Double Pass Flow: aliran liquid datang dari atas dari 2 bagian downcomer (kiri kanan ) lalu mengumpul di tengah-tengah plate dan turun ke bawahnya. Digunakan untuk beban liquid yang besar,. Kec. Liquid = 500 gpm [0.03 m³/s]

(25)

Pola Aliran Cairan

➢ Susunan aliran cairan di atas permukaan Tray tergantung pada rasio aliran cairan terhadap aliran gas.

(26)

Batasan/Jangkauan Operasi Tray

➢ Untuk rancangan aliran tray yang diberikan terdapat batasan tertentu bagi aliran gas dan cairan dimana operasi stabil diperoleh.

➢ Apabila operasi terjadi diluar Satisfactory operation Area akan mengakibatkan Entrainment, Flooding, Weeping dan Coning

➢ Entrainment : peristiwa liquid terangkut ke plate atasnya karena dorongan gas dari bawah yang berlebihan, disebabkan laju alir gas terlalu besar.

(27)

Batasan/Jangkauan Operasi Tray

➢ Flooding disebabkan laju alir uap yang atau laju alir cair terlalu tinggi. Efisiensi plate turun dan pressure drop meningkat.

➢ Weeping terjadi ketika aliran uap tidak cukup menahan level cairan pada plate karena laju alir uap terlalu kecil sehingga cairan turun melalui pori plate yang berakibat menurunnya efisiensi

➢ Coning terjadi jika laju alir cairan terlalu rendah sehingga uap mendorong cairan dari tray.

(28)

Liquid Entrainment Flooding coning weeping

(29)

(30)

PACKED TOWER

➢ Packed tower adalah kolom pemisah berupa silinder tegak alat yang didalamnya berisi sejumlah kumpulan packing (isian) yang digunakan sebagai alat kontak fase gas-cair atau cair-cair.

➢ Packed tower banyak digunakan sebagai alat pemisah suatu campuran yang mendasarkan pada operasi difusi, yang melibatkan kontak antara :

1. Fase gas dengan fase cair (Distilasi, Absorpsi, dan Desorpsi) atau 2. Fasa cair dengan fasa cair (Ekstraksi)

(31)

Pemilihan Packed Tower

1. Untuk diameter kolom kurang dari 3 (tiga) feet, packed tower lebih dipilih

2. Kolom yang harus dioperasikan pada tekanan vakum 3. Campuran yang akan dipisahakan

a. Bersifat korosif

b. Cenderung membentuk buih

c. Tidak mengandung suspensi padatan 4. Tidak diinginkan hasil samping

5. Tidak disertai dengan reaksi kimia

(32)

Tinjauan Tray & Packed Tower

Aspek Tray Tower Packed Tower

Alat Kontak Tray / Plate Packing / Bahan Isian

Arah Aliran Kontak Fase Arus silang Arus lawan arah Terjadinya Perpindahan Setiap Tray sepanjang

kolom

Setiap titik di setiap

permukaan bidang basah dari packing

Kemungkinan Terwujudnya Keseimbangan

Di setiap Tray sepanjang kolom

Pada kolom Packing setinggi HETP

(33)

Symbols

a liquid distributor

b liquid collector

c structured packing

d support grid

e man way

f g h

liquid re-distributor restrainer

Column sump

(A) (B)

Sources: A. Mersmann, M. Kind, J. Stichlmair: Thermal Separation Technology. Berlin, Heidelberg:

Springer 2011; D.W. Green (ed.): Perry´s Chemical Engineers´ Handbook, New York: McGraw-Hill 2008

Komponen Packed Tower

h g

(34)

Dinding Kolom (Shell)

➢ Terbuat dari metal, plastik, kayu, kombinasi atau bahan yang lainnya.

➢ Umumnya penampang bentuk bulat.

Gambar : Shell suatu packed tower tampak atas

(35)

Distributor

➢ Mempunyai peranan penting jika dikaitkan dengan efisiensi pemisahan.

➢ Distribusi cairan yang jelek akan menurunkan efektivitas dari permukaan packing yang terbasahkan.

➢ Pemilihan mekanisme distribusi cairan pada permukaan tumpukan packing, sangat tergantung pada ukuran kolom, tipe packing dan lain- lain.

➢ Umumnya dibutuhkan 5 (lima) titik untuk tiap ft² penampang kolom dengan diameter lebih besar atau sama dengn 4 ft.

(36)

Distributor

(37)

Distributor

(38)

(39)

Distributor testing facilities. (Photo courtesy of KochGlitsch Inc.)

(40)

Redistributor

➢ Digunakan pada setiap ketinggian 3-10 kali diameter kolom, tergantung pada jenis packing.

➢ Sebagai anjuran, kira-kira 3 kali diameter kolom atau maksimal 10-15 ft untuk tipe Raschig Ring dan 5-10 kali diameter kolom atau 12-20 ft untuk tipe Berl / Intalox Saddle.

➢ Pada tumpukan packing setinggi 10 ft, maka 20-30 % cairan mengalir ke bawah melalui dinding.

(41)

Packing Support

➢ Dalam kolom, packing ditahan oleh packing support.

➢ Perforated plate, dapat digunakan sebagai penahan packing, tetapi tipe bar-grid lebih mudah dan kuat.

(42)

Support grids TEB / TSB

for Structured Packing

Support grids TE / TS

for Structured Packing

Support grids GIS / EMS

for Random Packing

(43)

Packing Restrainer

➢ Dibutuhkan jika laju alir gas tinggi

➢ Digunakan untuk menahan pengangkatan packing ketika ada kenaikan laju alir gas yang mendadak.

Retaining grid for Random Packing

(44)

Packing Restrainer

(45)

Entraintment Eliminator

➢ Pada laju alir gas tinggi, dimana Spray liquid distributor digunakan, maka ketika gas meninggalkan permukaan tumpukan packing, sangat boleh jadi akan membawa tetesan cairan. Peristiwa ini disebut Entrainment.

➢ Dengan menggunakan Entrainment Eliminator, Tetesan cairan akan tertangkap pada permukaan alat tersebut dan jatuh menetes kembali.

(46)

Packing

➢ Packing adalah bahan isian yang digunakan sebagai alat kontak antar fasa dalam kolom pemisah.

➢ Tujuan utama packing adalah untuk menyediakan luas kontak yang besar antara kedua fase.

➢ Sebagai alat kontak antar fasa, packing memiliki 3 (tiga) fungsi

1. Tempat berlangsungnya proses perpindahan 2. Tempat terbentuknya keseimbangan

3. Alat pemisah dua fasa seimbang

➢ Packing dapat disusun secara acak (Random packing) maupun secara teratur (Regular packing)

(47)

Kriteria Pemilihan Packing

1. Memberikan luas permukaan bidang kontak yang besar tiap satuan volume.

2. Tumpukan packing dalam kolom harus memberikan rongga yang cukup.

3. Karakteristik pembasahan packing baik.

4. Tahan terhadap bahan yang bersifat korosif.

5. Bulk density rendah

6. Ringan, kuat dan tidak mudah pecah.

7. Murah dan mudah diperoleh

(48)

Pemilihan Ukuran Packing

Column diameter Packing size

< 0,3 m (1 ft) < 25 mm (1 in)

0,3 – 0,9 m (1 to 3 ft) 25 to 38 mm (1 to 1,5 in)

> 0,9 m (3 ft) 50 to 75 mm (2 to 3 in)

Ukuran kecil mahal, pressure drop tinggi, m²/m³ tinggi

Ukuran besar murah, pressure drop rendah, m²/m³ rendah

Menara berukuran besar packing ukuran besar Menara berukuran kecil packing ukuran kecil

Rekomendasiukuran random packing:

(49)

Cara Penyusunan Packing

• Dijatuhkan acak

• Pressure drop lebih besar

• Luas permukaan besar

• cost kecil

Random Packing

• Disusun secara teratur

• Pressure drop rendah

• Aliran fluida besar

• cost besar

Regular

Packing

(50)

Random Packing

(51)

Historical Development of Characteristic Random Packings

First Generation (Raschig Ring, Berl Saddle) 1895 to the 1950s

simple shapes with closed surfaces, robust and stable design, cost-effective production

Second Generation (Pall Ring, Intalox Saddle) late 1950s to the early 1970s

surfaces with cutted windows and bent tongues, improved area distribution lowering pressure drop and enhancing capacity

Third Generation (Net/Grid Structures, IMPT Ring) late 1970s to the 1990s

framework structure, large free cross section, low pressure drop, high efficiency

Fourth Generation (Raschig Super-Ring) late 1990s until present

lower pressure drop and better mass transfer efficiency

(52)

Rachig Rings

Kelebihan Kelemahan

• Harganya lebih murah

• Tidak terlalu berat

• Dapat digunakan untuk bahan yang tidak tahan suhu tinggi

• Efisiensinya lebih rendah

• Kontaknya berlangsung secara cepat

(53)

Lessing Rings

• Harganya murah

• Tidak terlalu berat

• Dapat digunakan untuk bahan yang tidak tahan suhu tinggi

• Efisiensinya lebih rendah

(54)

Partition Rings

• Penyerapannya baik

• Tidak bereaksi dengan zat kimia

• Lebih banyak memiliki laluan sehingga memungkinkan untuk kontak dengan baik

• Pembersihannya sulit dilakukan.

• Harganya lebih mahal

dibandingkan raschig ring, lessing ring, berl saddle dan intalox saddle

(55)

Pall Rings

• Kapasitas lebih tinggi dan

Pressure drop rendah (di bawah separuh Raschig Rings)

• Nilai HTU lebih rendah dari Berl Saddle.

• Distribusi cairan baik dan kapasitas besar.

• Pembersihannya sulit dilakukan.

(56)

Berl Saddle

• Distribusi uap-cair

didistribusikan secara merata sama pada kedua sisi.

• Stabilitas kimia tinggi, dan daya tahan panas yang sangat baik,

• Luas permukaannya besar

• Harganya mahal

(57)

Intalox Saddle

• Pressure Drop rendah dengan luas permukaan yang lebih tinggi

• Distribusi uap-cair

didistribusikan secara merata sama pada kedua sisi.

• Stabilitas kimia tinggi, dan daya tahan panas yang sangat baik

• Harganya mahal

(58)

Tellerette

• Pressure drop dan nilai HTU rendah.

• Batas flooding lebih tinggi dari pada Raschig Ring maupun Berl Saddle.

• Dapat dibuat dari plastik

• Luar permukaan lebih besar

• lebih banyak memiliki laluan sehingga memungkinkan untuk kontak dengan baik.

• Pembersihannya sulit dilakukan

(59)

Common Random Packings

(60)

Regular Packing

(61)

Material Packing

PLASTICS

CERAMIC

CARBON

METALS

• Plastic packings (usually polypropylene) are inexpensive and have sufficient strength, but have poor wettability particularly at low liquid rates.

• Ceramic packings are useful for resisting corrosion at elevated temperatures, where plastic may not be suitable. Ceramic packings also have good wettability, but inferior strength than metal packings

• Carbon packings packings are useful for resisting corrosion. but inferior strength than ceramic and metal packings

• Metal packings are usually preferred because of their superior strength and good wettability.

(62)

Random Packing

(63)

Regular Packing

Mellapak 125.X Plastic

Mellacarbon Carbon BX Gauze

Logam

Ceramic

(64)

(65)

Masalah yang Sering Terjadi dalam Packed Column

➢ CHANELLING  Cairan bukannya seragam mengairi materi, akan tetapi menemukan satu / lebih jalur sempit dan mengalir sebagian besar melalui itu, sehingga mengurangi efektivitas. Alasan utama untuk kinerja yang buruk dari packed tower besar Terjadi biasanya pada regular packed tower

➢ FLOODING  Akumulasi cairan di atas kolom

➢ LOADING  Akumulasi cairan di dalam packing

(66)

LIQUID INLET

DISTRIBUTION OF LIQUID UNDER IDEAL CONDITIONS

1. PACKED MATERIALS 2. SUPPORTING GRID 3. LIQUID COLLECTOR

4. LIQUID REDISTRIBUTOR 5. LIQUID DISTRIBUTOR

(67)

LIQUID INLET

CHANNELING

PROBLEM IN PACKED TOWERS

1. PACKED MATERIALS 2. SUPPORTING GRID 3. LIQUID COLLECTOR

4. LIQUID REDISTRIBUTOR 5. LIQUID DISTRIBUTOR

(68)

(69)

(70)