DECANTER (D)
Deskripsi
Tugas : Memisahkan benzaldehyde dari campuran keluar reaktor yang mengandung benzaldehyde, cinnamaldehyde, serta NaOH dan katalis 2 HPb-CD terlarut dalam air
Suhu : 50 oC (323 K) Tekanan : 1 atm
Kondisi : Isothermal adiabatis
Neraca Massa
Arus masuk decanter berasal dari arus keluar evaporator. Arus hasil atas decanter mengalir ke tangki akumulasi. Arus hasil bawah decanter direcycle ke reaktor.
Arus masuk dan keluar decanter ditampilkan dalam tabel berikut.
Komponen Input
Output Top Bottom kg/jam kg/jam kg/jam Cinnamaldehyde 9,5728 7,4572 2,1156 Water 1.489,8707 0,0000 1.489,8707 NaOH 59,8298 0,0000 59,8298 2 HPb-CD 997,1633 0,0000 997,1633 Benzaldehyde 79,5396 69,1850 10,3546 Total 2.635,9761 2.635,9761
Sifat Fisis Komponen
Beberapa sifat fisis dari komponen-komponen dalam decanter ditampilkan dalam tabel berikut. Komponen Mr, kg/kmol ρ, kg/m3 Cinnamaldehyde 132 1050 Water 18 1000 NaOH 40 2130 2 HPb-CD 1.375 1624 Benzaldehyde 106 1040
Light dan Heavy Stream
Prinsip dasar kerja decanter adalah pemisahan berdasarkan perbedaan massa jenis. Dipilih light stream berupa arus yang memiliki massa jenis lebih ringan dan heavy stream berupa arus yang memiliki massa jenis lebih berat. Dalam hal ini, light stream adalah campuran benzaldehyde dan cinnamaldehyde, sedangkan heavy stream adalah air yang mengandung NaOH, 2 HPb-CD, benzaldehyde, dan cinnamaldehyde terlarut.
Light Stream Komponen m, kg/jam ρ, kg/m3 Fv, m3/jam Benzaldehyde 69,1850 1.040 0,0665 Cinnamaldehyde 7,4572 1.050 0,0071 Total 76,6422 0,0736 Heavy Stream Komponen m, kg/jam ρ, kg/m3 Fv, m3/jam Water 1.489,8707 1000 1,4899 NaOH 59,8298 2130 0,0281 2 HPb-CD 997,1633 1624 0,6140 Benzaldehyde 10,3546 1040 0,0100 Cinnamaldehyde 2,1156 1050 0,0020 Total 2.559,3339 2,1439
Massa jenis masing-masing arus dapat ditentukan sebagai berikut:
V
m ρ =
F Dengan,
ρ = Massa jenis campuran, kg/m3 m = Laju massa total campuran, kg/jam Fv = Laju volumetrik total campuran, m3/jam
Untuk light stream:
3
76,6422 kg/jam ρ =
0,0736 m /jam = 1.040,9646 kg/m3
Untuk heavy stream: 3 2.559,3339 kg/jam ρ = 2,1439 m /jam = 1.193,7483 kg/m3 Fase Terdispersi
Untuk menentukan fase terdispersi, digunakan persamaan berikut (Walas, 2005).
L L H H H L 0,3 Q ρ .μ Ψ = ( ) Q ρ .μ r Dengan,
QL = Volumetric flow rate light stream, m3/jam QH = Volumetric flow rate heavy stream, m3/jam ρL = Densitas light stream, kg/m3
ρH = Densitas heavy stream, kg/m3 μL = Viskositas light stream, Nms/m2 μH = Viskositas heavy stream, Nms/m2
Dari perhitungan sebelumnya dan data fisis diperoleh: QL = 0,0736 m3/jam QH = 2,1439 m3/jam ρL = 1.040,9646 kg/m3 ρH = 1.193,7483 kg/m3 μL = 0,0013 Nms/m2 μH = 0,0009 Nms/m2 Sehingga, 3 3 2 0,3 3 3 2 . 0,0736 m /jam 1.040,9646 kg/m 0,0009 Nms/m 2,1439 m /jam 1.193,7483 kg/m 0,0013 Nms/ = . m Ψ ( ) = 0,0293
ψ Hasil
<0,3 Light phase always dispersed 0,3-0,5 Light phase probably dispersed
0,5-2,0 Phase inversion probable, design for worst case 2,0-3,3 Heavy phase probably dispersed
3,3 Heavy phase always dispersed
Maka, berdasarkan nilai ψ hasil hitungan sebesar 0,0293 (<0,3), dapat disimpulkan bahwa yang terdispersi adalah light phase.
Fase terdispersi : Light phase Fase kontinyu : Heavy phase
Settling Velocity
Dasar perancangan ukuran decanter adalah kecepatan fase kontinyu harus lebih kecil dari settling velocity droplet dalam fase terdispersi.
uc < ud Dengan,
uc = Kecepatan fase kontinyu
ud = Kecepatan settling fase terdispersi
d d c d c 2 g (ρ -ρ ) u = d 18μ Dengan, dd = Diameter droplet, m
ρc = Densitas fase kontinyu, kg/m3 ρd = Densitas fase terdispersi, kg/m3 μc = Viskositas fase kontinyu, Ns/m2 g = Percepatan gravitasi, m/s2
Diasumsikan diameter droplet sebesar 15 mikrometer. dd = 15 x 10-6 m
ρc = 1.193,7483 kg/m3 ρd = 1.040,9646 kg/m3 μc = 0,0009 Nms/m2 g = 9,8 m/s2
-6 d 2 2 3 2 (15 x 10 m) (9,8 m/s ) (1.040,9646 1.193,7483 k- ) u = 18 g/m 0,0009 Nms ( /m ) = -0,0021 m/s
Tanda negatif menunjukkan bahwa arah kecepatan adalah ke atas (rising).
c c i L u = A c i c L A = u Dengan,
uc = Kecepatan fase kontinyu, m/s
Lc = Volumetric flow rate fase kontinyu, m3/s Ai = Area interface, m2
Nilai uc maksimal adalah sama dengan nilai ud. ucmaks = 0,0021 m/s Lc = 2,1439 m3/jam = 0,0006 m3/s c imin cmaks L A = u 3 0,0006 m /s 0,0021 m/s = 0,2829 m2 Ai = wl w = 2(2rz-z2)1/2
Dengan,
w = Kedalaman interface, m
z = Ketinggian interface dari dasar vessel, m l = Panjang silinder, m
r = Jari-jari silinder, m
Untuk menghitung nilai w, l, z, dan r, digunakan metode trial and error. Diambil perbandingan L/D = 2.
Hasil trial ditampilkan dalam tabel berikut.
D r l w ztrial wtrial ltrial
0,3988 0,1994 0,7976 0,3547 0,2906 0,3547 0,7976 Sehingga diperoleh: Diameter decanter = 0,3988 m = 15,7008 in Panjang decanter = 0,7976 m Kedalaman interface = 0,3547 m Ketinggian interface = 0,2906 m Waktu Tinggal d z τ = u Dengan,
τ = Waktu tinggal dalam decanter, detik z = Ketinggian interface dari dasar vessel, m ud = Kecepatan settling fase terdispersi, m/s
Dari perhitungan sebelumnya diperoleh: z = 0,2906 m
ud = 0,0021 m/s
( ) τ = ( 0,2906 m 0,0021 m/s) = 138,0316 detik = 2,3005 menit
Hasil tersebut memenuhi syarat waktu tinggal yang baik dalam decanter, yaitu antara 2 sampai 5 menit.
Cek Bilangan Reynold
ρuD Re =
μ Dengan,
Re = Bilangan Reynold
ρ = Densitas fase kontinyu, kg/m3 u = Kecepatan fase kontinyu, m/s D = Diameter decanter, m
μ = Viskositas fase kontinyu, Ns/m2
Dari perhitungan sebelumnya diperoleh: ρ = 1.193,7483 kg/m3 u = 0,0021 m/s D = 0,3988 m μ = 0,0009 Ns/m2 Sehingga, 3 2 1.193,7483 kg/m 0,0021 m/s 0,3988 m 0,0 ( )( )( ) Re = 009 Ns/m ( ) = 1.126,0140
NRe Effect
Less than 5.000 Little problem 5.000-20.000 Some hindrance
20.000-50.000 Major problem may exist Above 50.000 Expect poor separation
Berdasarkan tabel tersebut, pemisahan pada decanter dapat berlangsung dengan baik.
MECHANICAL DESIGN
Design Pressure and Temperature
Operating pressure
Decanter beroperasi pada tekanan atmosferis. Level cairan pada decanter cukup rendah karena diameter decanter relatif kecil, sehingga tekanan hidrostatis dapat diabaikan dan cukup dikoreksi dengan overdesign factor.
P = 1 atm
Design pressure
Design pressure di-set 10% di atas operating pressure. Pdesign = (110%) (1 atm)
= 1,1 atm = 16,17 psia
Operating temperature
Decanter beroperasi pada suhu 50 oC. Toperasi = 50 oC
= 323 K = 122 oF
Design temperature
Reaktor didesign agar dapat beroperasi pada suhu 50 oF di atas suhu operasinya (Walas, 2005).
Tdesign = (122+50) oF = 172 oF
Material
Komponen-komponen dalam decanter bersifat korosif sehingga harus dipilih material yang tahan korosi. Untuk perancangan decanter ini, dipilih material stainless steel AISI 316.
Design Stress
Untuk material Stainless Steel AISI 316 yang bekerja pada temperatur kurang dari 200 oF, tensile strength sebesar 16.100 psia (Walas, 1990).
f = 16.100 psia
Corrosion Allowance
Untuk mengantisipasi reaktan yang bersifat korosif, diset corrosion allowance sebesar 4 mm.
c = 4 mm = 0,1575 in
Tebal Shell
Untuk mencari tebal shell, digunakan persamaan berikut (Rase and Barrow, 1957).
i s P.r t = + C f.E - 0,6.P Dengan, ts = Tebal shell, in P = Tekanan design, psia ri = Jari-jari, in
f = Allowable working stress, psia E = Joint efficiency
C = Corrosion allowance, in
Dari perhitungan sebelumnya diketahui diameter decanter sebesar 0,3988 m. Sehingga,
ri = D/2
= 0,3988/2 m = 0,1994 m = 7,8504 in
P = 16,17 psia
Joint efficiency sebesar 0,8.
s
(16,17 psia) x (7,8504 in)
t = + 0,1575 in
(16.100 psia) x (0,8) - (0,6) x (16,17 psia) = 0,1674 in
Untuk perancangan, diambil tebal shell standard sebesar 3/16 in. ts = 0,1875 in
Head
Decanter beroperasi pada tekanan hampir atmosferis, sehingga digunakan flanged and dished head. Flanged and dished head merupakan jenis head yang paling ekonomis dan hanya sesuai untuk vessel dengan tekanan rendah dan diameter kecil, sesuai dengan kondisi decanter.
Head pada vessel didesain berdasarkan outside diameternya. OD = ID + 2 x ts
= (15,7008 + 2 x 0,1875) in = 16,0758 in
= 0,4083 m
Diambil OD standar sebesar 16 in.
Dari tabel diperoleh data untuk OD sebesar 16 in dan tebal shell sebesar 3/16 in (Brownell and Young, 1959). icr = 0,5625 sf = 2 ID = 15,625 in = 0,3969 m r = 15 in
a = ID 2 b = r - (BC) - (AB)2 2 AB = ID 2 – icr BC = r – icr AC = 2 2 (BC) - (AB) OA = t + b + sf Sehingga diperoleh, a = 7,8125 in AB = 7,25 in BC = 14,4375 in AC = 12,4851 in b = 2,5149 in OA = 4,7024 in
Pipa
Untuk pipa dengan bahan stainless steel, diameter optimum dapat dihitung dengan persamaan berikut (Coulson, 2005).
dopt = 260 G0,52 ρ-0,37
Dengan,
dopt = Diameter optimum pipa, mm G = Laju aliran massa, kg/s ρ = Massa jenis, kg/m3 Untuk pipa pemasukan: Dari data diperoleh: G = 2.635,9761 kg/jam = 0,7322 kg/s ρ = 1.188,6757 kg/m3 Sehingga, dopt = 260 (0,7322 kg/s)0,52 (1.188,6757 kg/m3)-0,37 = 16,0995 mm = 0,0161 m = 0,6338 in
Berdasarkan tabel Kern, dipilih ukuran pipa standar sebagai berikut: Material Stainless steel (Korosif)
NPS ½
Schedule number 40
Inside diameter (ID) 0,622 in Outside diameter (OD) 0,840 in
Untuk pipa pengeluaran top product: Dari data diperoleh:
G = 76,6422 kg/jam = 0,0213 kg/s ρ = 1.040,9646 kg/m3
Sehingga,
dopt = 260 (0,0213 kg/s)0,52 (1.040,9646 kg/m3)-0,37 = 2,6864 mm
= 0,0027 m = 0,1058 in
Berdasarkan tabel Kern, dipilih ukuran pipa standar sebagai berikut: Material Stainless steel (Korosif)
NPS 1/8
Schedule number 80
Inside diameter (ID) 0,215 in Outside diameter (OD) 0,405 in
Untuk pipa pengeluaran bottom product: Dari data diperoleh:
G = 2.559,3339 kg/jam = 0,7109 kg/s ρ = 1.193,7483 kg/m3 Sehingga, dopt = 260 (0,7109 kg/s)0,52 (1.193,7483 kg/m3)-0,37 = 15,8294 mm = 0,0158 m = 0,6232 in
Berdasarkan tabel Kern, dipilih ukuran pipa standar sebagai berikut: Material Stainless steel (Korosif)
NPS ½
Schedule number 40
Inside diameter (ID) 0,622 in Outside diameter (OD) 0,840 in
