Perancangan Kolom Distilasi. Abdul Wahid Surhim

Perancangan

Kolom Distilasi

Abdul Wahid Surhim 2015

Rujukan

• Towler and Synnott. 2008.

Chemical Engineering Design.

Chapter 11 SEPARATION COLUMNS (DISTILLATION, ABSORPTION, AND EXTRACTION)

• Champbell. 1992.

Gas Conditioning and Processing. Volume 2.

Chapter 17 Fractionation and Absorption Fundamentals.\. • Kister. 1992.

Distillation Design.

McGraw-Hill, Inc.

• Lydersen et al.

Bioprocess Engineering: Systems, Equipment and

Facilities.

Chapter 14. Sub Chapter 14.4.12 Distillation

Kerangka Pembelajaran

• Jenis-jenis Distilasi

• Pemilihan Jenis Kolom Distilasi • Basis Perancangan

• Efisiensi Talam

Jenis Distilasi

1. Distilasi

SEDERHANA: TUMPAK

(Batch

Distillation)

2. Distilasi

FRAKSIONASI

(minyak bumi)

3. Distilasi

KUKUS

(Steam Distillation)

Distilasi Sederhana

KELEBIHANNYA

1. Kolom tunggal (single column)

• Campuran tunggal (biner atau komponen jamak) menjadi

beberapa produk (single separation duty)

• Campuran jamak (biner atau komponen jamak) menjadi sejumlah produk (multiple separation duty)

2. Satu tahapan operasi (one sequence of operation)

3. Waktu pengoperasiannya lebih cepat

DISTILASI TUMPAK (BATCH DISTILLATION)

KOLOM

DISTILASI

DISTILASI KUKUS (STEAM DISTILLATION)

• untuk menyuling

• Produk-produk yang sensitif terhadap panas (

heat-sensitive

products

)

• Campuran yang titik didihnya tinggi

• Contoh

• Ekstraksi minyak dari bahan tumbuhan

Keuntungan Distilasi Reaktif

1.

Pembatasan kesetimbangan kimia teratasi:

produk dihilangkan sesaat ia terbentuk

2.

Penghematan energi

: panas reaksi dapat

digunakan untuk distilasi

3. Biaya modal terkurangi

: hanya perlu satu bejana

saja

Jenis Modifikasi Distilasi

Jenis-jenis Kolom Distilasi Fraksionator

1. Distilasi atmosferik

2. Distilasi vakum

Posisi 3 Distilasi Minyak Bumi

Crude Oil Distilasi

Atmosferik Produk Distilat Distilasi HK Ringan Produk Bottom Distilasi Vakum

Contoh Ketiga Jenis Distilasi

• Haryoso, Untung. 1995.

Tugas Akhir: Perancangan Proses dan

Mekanik Kolom

Distilasi Atmosferik

Jenis Pumpback Refluks

Menggunakan Crude Assay Arab Saudi.

Jurusan Teknik Gas dan Petrokimia, FTUI

• Susanto, Bambang Heru. 1996.

Tugas Akhir: Perancangan Proses

dan Mekanik Awal Kolom

Distilasi Vakum

Residu Atmosfir Minyak

Bumi Jenis Fuels-Pitch.

Jurusan Teknik Gas dan Petrokimia, FTUI • Abdurrafiq, Mohamad. 1997.

Skripsi: Studi Awal Perancangan

Kolom Depropanizer

Menggunakan Talam dan Bahan Isian

DISTILASI ATMOSFERIK

• LANGKAH PERTAMA pemisahan minyak bumi menjadi berbagai macam fraksi

• Fraksi-fraksi ini dapat berupa produk langsung atau mungkin sebagai umpan unit pengolahan atau proses lainnya

• Pada distilasi atmosferik

• Minyak bumi dipanaskan sampai suhu maksimum yang diijinkan pada tekanan atmosfir

• Hasilnya BUKAN komponen murni, tetapi pada rentang titik didih tertentu

• Tidak dapat memisahkan campuran minyak yang titik didihnya tinggi sekali atau gas-gas ringan yang mudah menguap

3 Jenis Distilasi Atmosferik

1. Jenis U (Unreflux)

2. Jenis A (pump Around

reflux)

3. Jenis R (pump back

Reflux)

Jenis U (

U

nreflux)

• Pengambilan kalor hanya pada kondensor puncak dengan

suhu yang rendah

• Ini menyebabkan

• lalu lintas uap dan cairan yang melintasi kolom membesar

secara tajam dari bawah ke puncak kolom

• Ukuran kolom berdasarkan aliran bahan pada piring

puncak menjadi besar

• Diameter kolom jenis ini paling besar dibanding jenis A dan

R

Jenis A (pump

A

round reflux)

• Penarikan aliran di antara dua aliran produk • Aliran tersebut didinginkan dan

dimasukkan kembali kedalam kolom

• Keuntungan jenis A: pemanfaatan kalor yang dikeluarkan oleh pendinginan refluks untuk memanaskan minyak bumi

• Kerugiannya: pengembalian aliran itu memerlukan TIGA PIRING yang dianggap sebagai satu piring efektif

• Ini untuk menjaga kesetimbangan kolom fraksionasi

• Karena cairan yang dikembalikan kedalam kolom asing untuk zona yang dimasuki

Jenis R (pumpback

R

eflux)

• Pendinginan refluks dilakukan bersamaan dengan keluaran produk samping

• Refluks ini adalah cairan dalam kesetimbangan pada piring yang dimasuki

• Keuntungannya:

• selain pemanfaatan kalor refluks untuk memanaskan umpan, • juga tidak memerlukan piring tambahan untuk keperluan

fraksionasi pada daerah yang dimasuki refluks sehingga jenis ini PALING EKONOMIS

DISTILASI VAKUM

• Distilasi lanjutan dari distilasi atmosferik • Hasilnya

• Gas oil ringan dan berat • Tar vakum

• Produk-produk tersebut perlu ditingkatkan nilainya ada unit-unit selanjutnya

• Terjadi pada tekanan vakum untuk menjaga suhu agar tidak melebihi yang diijinkan sehingga terhindar dari perengkahan • Suhunya tergantung spesifikasi umpan

Produk Distilat dan Residu

• Pemanfaatan distilat dan residu tergantung • Kandungan umpan minyak buminya • Jenis kilang

• Unit proses lanjutan • Penjualan produknya • Beberapa contoh

• Gas oil untuk umpan unit catalytic cracking • Umpan untuk hydrotreater dan hydrocracker • Sebagai bahan bakar dan aspal

• Fungsi umum kolom vakum ini adalah

• memanfaatkan secara maksimal residu yang mungkin dari minyak bumi

DISTILASI HIDROKARBON RINGAN

• Produk distilat atmosferik masih berupa campuran yang tidak

memenuhi standar sehingga nilai jualnya rendah atau menyulitkan bila akan diproses selanjutnya

• Prosesnya berlangsung pada TEKANAN TINGGI

• Besar tekanannya tergantung pada jenis pendingin yang digunakan dan suhu dekomposisi komponen-komponennya • Produknya: LPG (LPG propana atau LPG butana)

Jenis Kontak dalam Kolom

• Distilasi dapat dibagi juga berdasarkan jenis

permukaan kontak dalam kolom distilasi

• Ada dua jenis

• Kolom TALAM (

tray column

)

KOLOM TALAM

• Media untuk memperluas permukaan kontak fasa uap dan cair adalah talam

• Pada talam ini terjadi proses pemisahan antar komponen dalam kolom distilasi

• Fasa cair melalui talam-talam ini ke bagian bawah secara vertikal dan horisontal

• Fasa uap mengalir menuju ke atas kolom melalui talam-talam ini secara vertikal

• Terjadi kontak antara uap yang mengalir dari bawah dan cairan yang ada di talam

Jenis Tray

• Jenis Umum

• Bubble cap tray • Sieve tray

• Dual-flow tray • Valve tray

• Jenis khusus

• Flexytray (Koch)

Pemilihan Jenis Talam

Table 6.1 KISTER (1992)

NO Kondisi DIsain Sieve Valve Bubble-cap Dual-flow

1 Kapasitas T T - ST M ST 2 Jatuh Tekanan M M T R - M 3 Rasio Turndown M T ST R 4 Efisiensi T T M R 5 Fouling Tendency R R - M T SR 6 Harga R M T R 7 Perawatan R R - M T R 8 Korosifitas R R - M T SR 9 Informasi ST M ST M SR : Sangat Rendah R : Rendah M : Menengah T : Tinggi ST : Sangat Tinggi

Bubble Cap Tray (BCT)

• Talam yang memiliki lubang-lubang atau

perforated tray

dengan

cap

(topi) sebagai tudung dari lubang-lubang

pada talam

• Topi-topi itu biasanya terpasang dengan beberapa slot atau lubang tempat uap keluar

• Fasa cair terperangkap di atas talam pada ketinggian yang sejajar dengan ketinggian weir dan uap yang mengalir melalui cairan

tersebut menimbulkan gelembung yang memungkinkan talam ini bekerja pada tekanan rendah sekalipun

Penggunaan BCT

• Semua aplikasi, kecuali pada proses

• yang mudah terbentuk pengarangan (

coking

), • pembentukan polimer dan

• yang memiliki faktor pengotor (

fouling factor

) yang tinggi • Diutamakan untuk laju alir cairan yang sangat rendah

Sieve Tray

• Talam berlubang-lubang tempat uap keluar menuju

atas kolom yang memberikan efek MULTI-ORIFIS

• Kecepatan aliran uap menjaga aliran cairan agar tidak mengalir melalui lubang

• Biaya turn down sieve tray dapat dipermurah dengan

menggunakan laju alir uap yang rendah, sehingga cairan mengalir melalui lubang lalu aliran ini di-bypass melalui beberapa talam, tapi ini menurunkan efisiensi

• Cairan akan mengalir melalui talam dan melewati outlet weir, lalu turun melalui downcomer menuju talam di

Penggunaan Sieve Tray

• Sistem pemisahan kontinyu dengan kapasitas aliran sangat tinggi yang mengutamakan kemudahan perawatan

• Bisa digunakan untuk sistem pemisahan yang mengandung endapan padat

• Tidak dapat digunakan untuk pemisahan yang mengandung garam dan dioperasikan pada keadaan panas dan kering, karena dapat menyebabkan lubang (hole) tersumbat

Dual-flow Tray

• Dual-flow tray adalah sieve tray tanpa downcomer

• Talam ini beroperasi dengan uap naik ke atas melalui lubang pada talam dan kontak dengan cairan

• Cairan secara berlawanan melalui lubang menuju talam di bawahnya

• Aliran cairan terjadi secara acak melalui lubang dan tidak terbentuk aliran cairan yang terus-menerus melalui lubang yang sama

• Penggunaan: pada sistem dengan kapasitas aliran yang tinggi dan sistem yang mengandung endapan kristal dan padatan yang kecil

Valve Tray

• Talam dilengkapi dengan katup-katup

• Bukaan katup diatur oleh laju alir uap yang mengalir

• Batas tertinggi bukaanya dikendalikan oleh struktur dudukan pada bagian bawah katup

• Bila laju uap jatuh, bukaan katup akan berkurang atau bahkan menutupi hole 

mencegah cairan membasahi lubang

• Valve tray sangat baik digunakan untuk laju alir yang rendah sehingga

didapatkan harga turndown (daerah operasi untuk sistem agar dapat berjalan normal) yang tinggi

• Penggunaan: baik untuk operasi dengan laju cairan yang rendah dan rasio turndown tinggi

Flexytray (Koch)

• Jenis

valve tray

dengan katup-katup yang dapat diangkat yang beroperasi seperti

check valve

• Kapasitasnya melebihi kapasitas sieve tray dan dapat beroperasi dengan efisiensi konstan pada rentang operasi yang besar

• Keuntungannya: kapasitasnya besar, efisiensi yang tinggi pada rentang operasi yang lebih luas, dan dapat digunakan lebih lama pada sistem yang mengalami

fouling

Ballast Tray (Glitsch)

• Sejenis valve tray yang telah dimodifikasi dengan ditambah flush seated,

sehingga dapat mengurangi problem ketidakstabilan pada penggunaan valve tray

• Ketidakstabilan valve tray terjadi pada laju alir uap yang rendah; uap dapat menyelinap melalui bukaan katup yang cukup lebar di daerah aerasi yang sempit

• Penggunaan flush seated pada talam satu pass dapat mem-bypass-kan cairan di sekeliling daerah aerasi

• Pada talam dua pass, satu sisi dari talam dapat benar-benar tidak aktif, atau dapat menukar aktivitas antara satu sisi dan sisi lainnya

Keuntungan Ballast Tray

• Dapat beroperasi dengan utilitas minimum pada rentang laju alir umpan yang lebar karena adanya derajat fleksibilitas dari kolom jenis ini

• Efisiensi yang tinggi, sehingga utilitas dan perlengkapan tambahan yang digunakan lebih efektif

• Efisiensi yang tinggi pada kondisi load pertengahan dapat digunakan untuk memperbaiki kualitas produk, seperti untuk mengurangi rasio refluks sehingga utilitas yang digunakan lebih hemat atau untuk mengurangi jumlah talam

• Untuk sistem vakum, kombinasi antara jatuh tekanan yang rendah dan efisiensi yang tinggi menjadikan jatuh tekanan yang lebih rendah

KOLOM ISIAN (PACKED COLUMN)

• Kolom isian adalah kolom distilasi yang di dalamnya berisi unggun tempat terjadinya kontak antara fasa uap dan cair secara kontinyu dan berlawanan arah (

counter-current

)

• Kolom ini berbentuk vertikal yang sudah diisi dengan unggun (packing)

• Kinerja kolom ini bergantung pada jenis material isian dan karakteristik dari fluida (uap dan caiaran)

Tujuan Penggunaan Isian

• Tujuannya adalah untuk memaksimalkan efisiensi dan kapasitas pemisahan dengan cara

1. Memaksimalkan luas permukaan kontak

2. Meningkatkan keseragaman distribusi uap dan cairan pada permukaan kontak

3. Meminimalkan cairan yang tergenang

Jenis Material Isian

1. Random packing atau damped packing • Rasching rings • Lessing rings • Pall rings • Berl saddle • Intalox saddle 2. Structure packing

• Wire-mesh structured packing • Corrugated structured packing

Pemilihan Isian

JENIS APLIKASI

Rasching Rings

• Jenis paling awal

• Harga per unit relatif murah

• Efisiensi rendah dibandingkan jenis acak lainnya Pall Rings • Jatuh tekanan (pressure drop) yang lebih

rendah dari Rasching rings (hampir setengahnya)

• Harga HTU rendah

• Batas flooding lebih tinggi

• Distribusi cairan baik, kapasitas tinggi, efisiensinya tinggi

Pemilihan Isian

JENIS

APLIKASI

Lessing

Rings

• Kinerjanya lebih baik dibandingkan rasching

rings

• Jatuh tekanannya sedikit lebih tinggi

• Memiliki

side wall trusht

lebih tinggi

Berl Saddle

• Efisiensinya lebih tinggi dari rasching rings

dalam banyak aplikasi, tetapi lebih mahal

• Memiliki HTU dan jatuh tekanan yang rendah

• Mudah pecah dari pada rasching rings

Pemilihan Isian

JENIS APLIKASI

Intalox Saddle

• Salah satu jenis isian dengan efisiensi yang paling baik, tetapi harganya lebih mahal

• Batas flooding yang tinggi

• Mampu membuat aliran mengalir dengan merata

• Jatuh tekanan dan HTU lebih rendah dari rasching rings dan berl saddle

• Lebih mudah pecah dalam kolom dibandingkan rasching rings Wire mesh

packing

• Hanya terbuat dari bahan logam saja

• Baik digunakan untuk kolom distilasi dengan diameter besar maupun kecil, absorpsi, scrubbing, dan liquid extraction

• Memiliki efisiensi yang tinggi • HETP rendah

Pemilihan Jenis Kolom

• Pertimbangan jenis kolom perlu dilakukan dengan

• membandingkan biaya tiap-tiap disain atau

• berdasarkan pengalaman ataupun percobaan melalui

pilot

plant

Kriteria Pemilihan

1. Kolom talam dapat didisain untuk menangani rentang laju alir cairan dan uap yang lebih lebar

2. Distribusi cairan akan lebih baik menggunakan talam bila laju alir cairan kecil, kecuali dengan diameter yang relatif kecil pada kolom isian

3. Lebih mudah untuk mengatur suhu pada kolom talam, karena dapat dengan mudah disisipkan pada jarak antar-talam

Kriteria Pemilihan (2)

4. Disain menggunakan

side-stream

, lebih mudah menggunakan kolom talam

5. Cairan yang menyebabkan

fouling

, harus ada

man-way

pada kolom talam, sedangkan pada kolom dengan diameter kecil lebih baik

menggunakan kolom isian

6. Untuk cairan yang mudah menimbulkan korosi lebih baik menggunakan kolom isian

Kriteria Pemilihan (3)

7. Kolom isian lebih cocok untuk menangani sistem yang berbuih 8. Jatuh tekanan per tahapan kesetimbangan lebih rendah pada

kolom isian dari pada kolom talam. Kondisi operasi vakum lebih cocok dengan kolom isian

9. Pemasangan instrumen area kontak uap-cair pada kolom isian lebih mudah dari pada kolom talam

Langkah Perhitungan

Spesfikasi Produk Kondisi Operasi Neraca Massa dan Energi Jumlah Tray Efisiensi Tray Diameter Kolom Diameter Tray Panjang Weir

Kasus 1: CRUDE ASSAY ARAB SAUDI (ALC:

Arabian Light Crude)

• Jenis minyak bumi : 33.5 o_{API ALC}

• Laju alir umpan : 100,000 BPSD

• Suhu maks keluar reboiler : 650 o_F

• Suhu operasi refluks : 120 oF, minimum • Spesifikasi produk :

• Penentuan produk didasarkan pada penentuan crude break-up yang dilakukan oleh disainer kolom distilasi (lihat Tabel di tayangan berikutnya)

• Overflash : 2 volume % umpan

Spesifikasi Produk

Produk

EP

ASTM

o

F

Spes. Gap ASTM

(5-95)

o

F

Overhead

307

20 – 30

Nafta berat

381

25 – 50

Distilat ringan

541

0 – 10

Kondisi Operasi Kolom

• Tekanan : atmosferik • Jumlah piring : 31

Dasar Disain Mekanik

• Kolom puncak

• Umpan, pengambilan produk samping, atau titik tempat ada penambahan atau penarikan panas

• Dasar kolom

Hasil Neraca Massa dan Energi

1. Laju alir cairan : tinggi

2. Tekanan : tinggi (750 kPa)

3. Jatuh tekanan : sedang (0.175 psia per

piring)

4. Turndown ratio : diharapkan tinggi

5. Foaming : sedang

Hasil Neraca Massa dan Energi

7. Endapan padat : kemungkinan terjadi

endapan padat besar

(minyak mentah)

8. Produk samping : 3 buah aliran

9. Viskositas : sedang

10.Polimerisasi : tidak ada

Pemilihan Jenis Kolom sesuai Kondisi

Operasi

NO Kondisi DIsain Kolom Talam Kolom Isian

1 Kapasitas 3 1 2 Tekanan 3 1 3 Turndown 3 1 4 Foaming 2 2 5 Pressure drop 2 1 6 Endapan padat 2 1 7 Produk samping 3 0 8 Korosifitas 2 3 9 Terjadinya fouling 1 3 21 14

Pemilihan Jenis Talam

NO Kondisi DIsain Sieve Valve Bubble-cap

1 Kapasitas 2 3 1 2 Jatuh Tekanan 3 3 2 3 Rasio Turndown 1 2 3 4 Efisiensi 3 3 2 5 Fouling Tendency 3 2 1 6 Harga 3 2 1 7 Perawatan 3 2 1 8 Korosifitas 3 2 1 9 Informasi 3 2 3 24 21 15

BASIS PERANCANGAN

Spesifikasi Produk

Penentuan Kondisi Operasi Neraca Massa dan Energi Perhitungan Jumlah Tray

JENIS-JENIS SPESIFIKASI

• Tekanan uap kadang digunakan sebagai spesifikasi di

komposisi

• Fraksi produk dapat dibuat menggunakan prosedur di Bab

17 buku Campbell Vol. 2

• Dalam beberapa kasus, khususnya menara yang sudah

ada, satu spesifikasinya dapat berupa laju refluks, reboiler

duty atau condenser duty

Kasus 1

Recovery yang dispesifikasi

• Sebuah depropanizer memiliki spesifikasi umpan seperti pada Tabel 1. Diinginkan untuk mengambil kembali 81% propana di distilat dan 99.4% isobutana di bottom

• Tentukan laju alir dan komposisi di D dan B

Komponen Mol Umpan

C2 0.2 C3 8.9 iC4 63.3 nC4 27.6 100.0

Solusi Kasus 1

Komponen Mol Umpan

Distilat Bottom

Mol %

Mol Mol % Mol

C2 0.2

C3 8.9 (0.81)(8.9) = 7.2 8.9-7.2= 1.7

iC4 63.3 63.3-62.9= 0.4 (0.994)(63.3)=62.9

nC4 27.6

Solusi Kasus 1

Komponen Mol Umpan

Distilat Bottom

Mol % Mol Mol % Mol C2 0.2 0.2 0.0

C3 8.9 7.2 1.7 iC4 63.3 0.4 62.9 nC4 27.6 0.0 27.6

100.0 7.8 92.2

Asumsi: Komponen yang bukan kunci tidak terganggu

Solusi Kasus 1

Komponen Mol Umpan

Distilat Bottom

Mol % Mol Mol % Mol C2 0.2 0.2 2.6 0.0 0.0 C3 8.9 7.2 92.3 1.7 1.8 iC4 63.3 0.4 5.1 62.9 68.3 nC4 27.6 0.0 0.0 27.6 29.9 100.0 7.8 100.0 92.2 100.0

Kasus 2

Komposisi yang dispesifikasi

• Menggunakan Tabel 1, tentukan komposisi

overhead dan bottom yang menghasilkan

produk D yang mengandung paling tidak

95% propona dan produk B yang

Solusi Kasus 2

Komponen Mol Umpan

Distilat Bottom

Mol % Mol Mol % Mol

C2 0.2

C3 8.9 95.0 1.0

iC4 63.3

nC4 27.6

100.0

Laju alir D didapat dari rasio D/F:

084 . 0 0 . 1 0 . 95 0 . 1 9 . 8 _       B D B F x x x x F D D = 8.4 mol

Solusi Kasus 2

Komponen Mol Umpan

Distilat Bottom

Mol % Mol Mol % Mol

C2 0.2 0.2 0.0

C3 8.9 (8.4)(0.95)= 7.98 95.0 8.9-7.98= 0.92 1.0

iC4 63.3 8.4-(0.2+7.98)= 0.22 63.3-0.22= 63.08

nC4 27.6 0.0 27.6

100.0 8.4 91.6

Solusi Kasus 2

Komponen Mol Umpan Distilat Bottom

Mol % Mol Mol % Mol C2 0.2 0.2 2.4 0.0 0.0 C3 8.9 7.98 95.0 0.92 1.0 iC4 63.3 0.22 2.6 63.08 68.9 nC4 27.6 0.0 0.0 27.6 30.1 100.0 8.4 100.0 91.6 100.0

Kasus 3

Recovery dan komposisi yang dispesifikasi

• Menggunakan Tabel 1, kita ingin mengambil

kembali 95% propana di produk D dengan

kemurnian 94%

Solusi Kasus 3

Komponen Mol Umpan

Distilat Bottom

Mol % Mol Mol % Mol C2 0.2

C3 8.9 (0.95)(8.9) = 8.46 94.0

iC4 63.3 nC4 27.6

Solusi Kasus 3

Komponen Mol Umpan

Distilat Bottom

Mol % Mol Mol % Mol C2 0.2 0.2 0.0 C3 8.9 8.46 94.0 8.9-8.46= 0.44 iC4 63.3 8.99-(0.2+8.46)= 0.33 63.3-0.33= 62.97 nC4 27.6 0.0 27.6 100.0 8.99 91.01

Solusi Kasus 3

Komponen Mol Umpan Distilat Bottom

Mol % Mol Mol % Mol C2 0.2 0.2 2.2 0.0 0.0 C3 8.9 8.46 94.0 0.44 0.5 iC4 63.3 0.33 3.7 62.97 69.2 nC4 27.6 0.0 0.0 27.6 30.3 100.0 8.99 100.0 91.01 100.0

P_top=? T_top=? P=? T = 54o_C Bubble-point Calculation Dew point Calculation P=P_op T=?

Bubble point Calculation

P

P_operasi=P_f=P_top T_f=?

Contoh Penentuan Kondisi Operasi

• Tentukan tekanan operasi depropanizer untuk

Kasus 1 menggunakan total kondenser yang

beroperasi pada 54

o

C.

• Tentukan suhu bagian atas kolom dan suhu di

bottom

Ref. 1, hlm. 467 (SUHU RENDAH)

K-values

for

Ref. 1, hlm. 468 SUHU TINGGI

K-values

for

Estimasi Titik-didih dan Titik-embun

• Bubble point calculation

• Dew point calculation



y

_i





K

_i

x

_i



1

.

0









1

.

0

i i i

K

y

x

• Gunakan ‘‘De Priester charts’’ untuk menentukan nilai

K.

•

K =

konstanta kesetimbangan untuk komponen tertentu pada suhu dan tekanan tertentu

Solusi Contoh 1

Koreksi:

Harga K seperti pada Tabel di atas terjadi pada tekanan 2100 kPa

Tekanan Kolom

• Untuk total condenser, tekanan akumulator ditentukan dengan melakukan perhitungan titik didih (

bubble-point calculation

);

dew-point calculation

untuk partial condenser

• Asumsikan: ∆P = 100 kPa antara akumulator dan kolom, tekanan kolom (tekanan keluar kondenser + ∆P) menjadi 1928 kPa

Dew point Calculation

pada Atas Kolom

Koreksi:

Karena tekanan pada akumulator 2100 kPa dan DP = 100 kPa, maka tekanan pada kolom 2200 kPa dan hasilnya

Suhu Kolom

• Uap dari talam atas memiliki komposisi yang sama seperti produk D saat total condenser digunakan

• Saat partial condenser digunakan, kondenser akan beroperasi

dew-point

dari distilat

• Pada kasus manapun, pemisahan uap-cairan dalam kolom berada pada

dew-point

dari distilat

Bubble-point Calculation

pada Bottom

Koreksi:

Suhu Umpan

• Dari sudut pandang fraksionasi, operasi kolom yang optimum diperoleh saat suhu umpan masuk ke kolom berada pada titik didihnya

• Asumsikan bahwa umpan ke kolom berada pada titik didihnya untuk depropanizer, suhunya turun ke 100 oC

Bubble-point Calculation

pada Umpan

Koreksi:

Suhu di Bottom

• Suhu bagian bawah kolom (suhu reboiler) didapatkan dengan

bubble-point calculation

pada produk bawah

• Untuk depropanizer, suhu bawah adalah 105 o_{C seperti ditunjukkan}

P_top=1928 kPa T_top= 61 oC P= 1828 kPa T = 54o_C Bubble-point Calculation Dew point Calculation P= 1928 kPa T= 105 o_C

Bubble point Calculation

P = 100 kPa

P_operasi= 1928 kPa T_f= 100 o_C

Contoh

• Tentukan suhu operasi dari sebuah pemisah butana-pentana dioperasikan pada 8.3 bar dengan komposisi umpan sebagai berikut:

Komposisi di D dan B

• Untuk memperkirakan titik embun dan titik didih, asumsinya tidak ada komponen yang lebih berat dari pada HK yang muncul di distilat dan tidak ada yang lebih ringan dari LH di bottom. • For a specification of not more than 1 mol of the light key in the bottom product and not more

P_top=8.3 bar T_top= 60 oC P= 8.44 bar Bubble-point Calculation Dew point Calculation P= 8.3 bar T= 120 o_C

Bubble point Calculation

P = 0.14 bar

P_operasi= 8.3 bar T_f= 85 o_C

Membuat MODEL UNISIM

Masukkan KOMPONEN

Pilih FLUID PACKAGES

Pilih SHORT CUT DISTILLATION Kondisi Operasi FEED Buat Aliran F, D, B, Qc dan Qr Set PARAMETER: LK, HK, Tekanan Qc dan Qr, R HASIL: Jumlah Tray dan Suhu

Qc, Qr

Pilih

DISTILLATION COLUMN (di Hlm

yang SAMA)

Set FEED = F Buat Aliran D2, B2, Qc2 dan Qr2

Set NT, NF, P Qc dan Qr, T Qc dan

Qr, R

Set PARAMETER: LK, HK, Tekanan Qc dan

Qr, R

DISAIN TRAY (PLATE)

COLUMN

Lewis-Sorel Method (Equimolar Overflow)

• Lewis (1909) menyederhanakan asumsi yang dapat menghilangkan keperluan untuk menyelesaikan persamaan neraca energy di tahapan (stage energy

balance equation)

• Kondisinya disebut EQUIMOLAR OVERFLOW: aliran uap dan cair molar di setiap tahapan adalah tetap

• Kondisi ini hanya benar apabila:

• Panas laten molar komponen dari penguapan adalah sama

• Bersama dengan panas jenis, keduanya tetap pada rentang suhu dalam kolom

• Tidak ada panas pencampuran yang signifikan • Kehilangan panas diabaikan

• Secara substansi, kondisi ini terjadi saat KOMPONEN-KOMPONENNYA MEMBENTUK CAMPURAN CAIRAN YANG MENDEKATI IDEAL

Penentuan Jumlah Tray Sistem Biner (Dua Komponen)

NO KONDISI PERMASALAHAN SOLUSI PENEMU CONTOH

1 Kesetimbangan - Metode McCabe-Thiele McCabe and Thiele (1925) 2 Konsentrasi Produk

Sangat Rendah

Diagram McCabe-Thiele menjadi sangat kecil dan sulit untuk diplot

Memplot kembali bagian atas atau bawah dengan skala yang lebih besar ATAU pada kertas LOG-LOG

Alleva (1962) Example 11.2

3 Konsentrasi Produk Sangat Rendah dengan GARIS OPERASI DAN KESETIMBANGANNYA LURUS

Diagram McCabe-Thiele menjadi sangat kecil dan sulit untuk diplot

Persamaan Robinson and Gilliland Robinson and Gilliland (1950) Example 11.3 4 Relative Volatility-nya TETAP Diagram McCabe-Thiele tidak dapat digunakan

Persamaan Smoker (persamaan ini dapat

digunakan juga jika relative volatility-nya kecil, seperti pada separation of close boiling isomers

Smoker (1938)

Prosedur Penggambaran McCabe-Thiele

1. Plot kurva kesetimbangan uap-cair dari data yang tersedia pada tekanan operasi kolom. Nyatakan sebagai fungsi relative volatility ():

𝑦 = 𝛼𝑥

1 + 𝛼 − 1 𝑥

dengan  adalah geometric average relative volatility dari komponen yang lebih ringan (lebih volatile, cepat menguap) dibandingkan dengan komponen yang lebih berat (sulit menguap):

𝛼 = 𝑡𝑒𝑘𝑎𝑛𝑎𝑛 𝑢𝑎𝑝 𝑘𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛 𝑙𝑒𝑏𝑖ℎ 𝑟𝑖𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑡𝑒𝑘𝑎𝑛𝑎𝑛 𝑢𝑎𝑝 𝑘𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛 𝑙𝑒𝑏𝑖ℎ 𝑏𝑒𝑟𝑎𝑡

Umumnya dan untuk menghindari kerancuan, gunakan skala yang sama untuk sumbu x dan y

2. Buatlah neraca massa dari kolom untuk menentukan komposisi atas (xd) dan bawah (xb), dari data yang diketahui

Prosedur Penggambaran McCabe-Thiele

3. Garis operasi atas dan bawah berpotongan secara diagonal pada xd dan xb; tandai titik ini pada diagram tersebut

4. Titik perpotongan dua garis operasi tersebut tergantung pada

kondisi fasa (suhu) dari umpannya. Garis terjadinya perpotongan tersebut disebut

q line.

Garis

q

ditemukan dengan cara sebagai berikut:

i. Hitung harga rasio q dengan:

𝑞 = 𝑝𝑎𝑛𝑎𝑠 𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑚𝑒𝑛𝑔𝑢𝑎𝑝𝑘𝑎𝑛 1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑎𝑟𝑖 𝑢𝑚𝑝𝑎𝑛

𝑝𝑎𝑛𝑎𝑠 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑎𝑟𝑖 𝑢𝑚𝑝𝑎𝑛

ii. Plot garis

q

, slope =

q/(q – 1)

, memotong diagonal pada zf (komposisi umpan)

Prosedur Penggambaran McCabe-Thiele

5. Pilih rasio reflux dan tentukan titik tempat garis operasi atas

yang dipanjangkan memotong sumbu y:

∅ =

𝑥𝑑

1+𝑅

(11.24)

6. Gambar pada garis operasi atas, dari xd pada diagonal ke



7. Gambar pada garis operasi bawah, dari xb pada diagonal

ke titik perpotongan dari garis operasi atas dan garis

q

Kasus 2: EXAMPLE 11.2 (Metode ALLEVA)

• Acetone is to be recovered from an aqueous waste stream by continuous distillation. The feed will contain 10% w/w acetone.

Acetone of at least 98% purity is wanted, and the aqueous effluent must not contain more than 50 ppm acetone. The feed will be at 20

o_{C. Estimate the number of ideal stages required.}

• Solution

• There is no point in operating this column at other than atmospheric pressure. • The equilibrium data available for the acetone-water system were discussed

The equilibrium curve can be drawn with sufficient accuracy to determine the stages above the feed by plotting the concentrations at increments of 0.1. The diagram would normally be plotted at about twice the size of Figure 11.7.

Example 11.3

• For the problem specified in Example 11.2,

estimate the number of ideal stages

required below an acetone concentration of

0.04 (more volatile component) using the

Contoh

A column is to be designed to separate a mixture

of ethyl-benzene and styrene. The feed will

contain 0.5 mole fraction styrene, and a styrene

purity of 99.5% is required, with a recovery of

85%. Estimate the number of equilibrium stages

required at a reflux ratio of 8. Maximum column

bottom pressure 0.20 bar.

Azeotrop

• Azeotrop adalah campuran dari dua atau lebih komponen

yang memiliki titik didih yang konstan.

• Azeotrop dapat menjadi gangguan yang menyebabkan hasil

distilasi menjadi tidak maksimal.

• Komposisi dari azeotrope tetap konstan dalam pemberian

atau penambahan tekanan

• Akan tetapi ketika tekanan total berubah, kedua titik didih

dan komposisi dari azeotrop berubah

Azeotrop

• Sebagai akibatnya,

• azeotrop bukanlah komponen tetap, yang komposisinya harus selalu konstan dalam interval suhu dan tekanan,

• tetapi lebih ke campuran yang dihasilkan dari saling memengaruhi dalam kekuatan intramolekuler dalam larutan

• Azeotrop dapat didistilasi dengan menggunakan tambahan

pelarut tertentu, misalnya

Azeotrop

• Air dan pelarut akan ditangkap oleh penangkap

Dean-Stark

• Air akan tetap tinggal di dasar penangkap dan pelarut

akan kembali ke campuran dan memisahkan air lagi

• Campuran azeotrop merupakan penyimpangan

KOMPONEN JAMAK

• Tentu lebih kompleks dari pada komponen biner

• Untuk menyederhanakan ditentukan KOMPONEN KUNCI (“key component”): • Komponen ringan (light component, LK)

• Komponen terringan di produk bawah (bottom product) • Komponen berat (heavy component, HK)

• Komponen terberat di produk atas (top product) • Komponen NONKEY dibagi dua:

• Komponen yang terdapat di produk atas dan bawah disebut DISTRIBUTED components • Komponen yang TIDAK terdapat di produk atas dan bawah disebut NONDISTRIBUTED

components

• Solusi normal: menyelesaikan persamaan MESH (Material balance, Equilibrium relationships,

Summations of mole fractions, and Heat balance) tahap demi tahap (stage-by-stage) • SHORTCUT method

Metode Shortcut

• Metode shortcut dibagi dua:

1. Simplifikasi prosedur rigorous stage-by-stage dengan perhitungan tangan atau grafis:

• SMITH AND BRINKLEY (1960) • HENGSTEBECK (1976)

2. Empirik, didasarkan pada kinerja kolom operasi atau hasil dari rigorous design

• Korelasi GILLILAND

Rigorous Method

1. BP (boiling-point) methods 2. SR (sum-rates) methods 3. 2N Newton methods

4. Global newton or SC (simultaneous correction) methods 5. Inside-out methods

6. Relaxation methods

7. Homotopy-continuation methods 8. Nonequilibrium models

EFISIENSI TALAM

• Asumsi pada setiap talam adalah bahwa

keadaan uap-cair adalah SETIMBANG

(equilibrium)

• Kenyataannya tidak demikian



lebih kecil



berapa efisiensinya?

1. Murphree plate efficiency (MPE)

y

_e = komposisi uap yang berada pada kesetimbangan dengan cairan yang meninggalkan talam

2. Point Efficiency (Murphree Point

Efficiency)

• Jika komposisi uap dan cairan diambil pada titik di talam, maka persamaan MPE sebelumnya menjadi efisiensi lokal atau titik

E

_mv

3. Efisiensi Kolom Menyeluruh (Overall Column

Efficiency, OCE)

Hubungan OCE dan MPE

• Pada keadaan ideal sehingga garis operasi dan kesetimbangan lurus, maka hubungan antara OCE dan MPE adalah seperti

Efisiensi Talam Komponen Jamak

(

Toor and

Burchard, 1960

)

dari Data Biner

1. Jika komponennya mirip, efisiensi komponen jamak akan mirip juga dengan komponen biner

2. Jika efisiensi yang diprediksi untuk pasangan biner tinggi, efisiensi komponen jamak tinggi

3. Jika resistensi terhadap perpindahan massa terutamanya pada fase cair, perbedaan antara efisiensi biner dan komponen jamak adalah kecil

4. Jika resistensi terhadap perpindahan massa terutamanya pada fase uap, perbedaan antara efisiensi biner dan komponen jamak adalah besar

Contoh 11.10

• Using O’Connell’s correlation, estimate the overall column efficiency and the number of real stages required for the separation given in Example 11.5.

Metode AIChE

N_G = bilangan satuan perpindahan fasa gas N_L = bilangan satuan perpindahan fasa cair

Hubungan antara Point Efficiency dan

Degree of Mixing

• E_mV = E_mv terjadi hanya jika terjadi pencampuran sempurna

• Nyatanya tidak demikian, sehingga perlu ada perhitungan derajat pencampuran

• Bilangan Pecklet (Pe) mengkarakterisasi derajat pencampuran suatu sistem

• Pe = 0  Pencampuran sempurna • Pe = ∞  Plug flow

Hubungan

E

_mV

= E

_mv

Entrainment

• Metode AIChE dan Van Winkle memprediksi MPE “kering”

• Kenyataannya ada cairan yang terperangkap dan naik ke atas kolom terbawa oleh aliran uap  mengurangi efisiensinya

APPROXIMATE COLUMN SIZING

• Plate spacing • Column diameter

• Ukuran kolom menyeluruh dapat dibuat kalau jumlah talam aktual diketahui

• Ini diperlukan untuk estimasi biaya modal (cost of capital) saat evaluasi proyek

Jarak Talam

• Tinggi kolom keseluruhan tergantung dari jarak talam

• Normalnya: 0.15 m (6 in.) – 1 m (36 in.)

• Jaraknya tergantung dari diameter kolom dan kondisi

operasi

• JARAK DEKAT

• Diameter kecil

• Ruangan terbatas (jika kolom dipasang di dalam

gedung)

Jarak Talam

• Contoh: Diameter kolom di atas 1 m

• Normal jarak talam: 0.3 - 0.6 m

• Estimasi awal: 0.5 m

• Estimasi ini bisa direvisi, bila perlu, saat disain detailnya

sudah dibuat

• JARAK JAUH

• Mengakomodasi aliran umpan dan produk samping

• Manways

Diameter Kolom

• Faktor mendasar yang menentukan diameter kolom adalah LAJU ALIR UAP

• Laju alir uap harus di bawah kondisi yang menyebabkan terjadinya entrainment dan tingginya jatuh tekanan

Diameter Kolom

Diameter yang sudah diestimasi bisa direvisi saat desain

rinci talam sudah diambil

DISAIN HIDROLIKA TALAM

1. Rentang operasi

2. Prosedur disain talam 3. Luas talam

4. Diameter

5. Pengaturan Aliran-cairan 6. Entrainment

7. Weep point

8. Weir liquid crest (Puncak tanggul cairan) 9. Dimensi tanggul

10. Luas lubang (perforated area) 11. Ukuran lubang (hole size)

12. Hole pitch

13. Dydraulic gradient 14. Liquid throw

15. Jatuh tekanan talam 16. Disain downcomer

Kebutuhan Mendasar

• Kebutuhan mendasar dari talam tempat terjadi kontak uap-cair: • Menyediakan kontak uap-cair yang baik

• Menyediakan holdup cairan yang cukup untuk perpindahan massa yang baik (efisiensi tinggi)

• Memiliki luas dan jarak yang cukup untuk menjaga entrainment dan ∆P dalam batas yang dapat diterima

• Memiliki luas downcomer yang cukup agar cairan mengalir bebas dari talam ke talam

Beberapa Kejadian

• Flooding (Banjir)

• Laju alir uap melebihi batas

• Terjadi penurunan tajam pada efisiensi dan kenaikan pada ∆P

• Penyebabnya: cairan terbawa secara berlebihan ke talam berikutnya karena entrainment atau cairan kembali lagi ke downcomer

• Weeping

• Laju uap air terlalu rendah sehingga tidak cukup untuk menjaga level cairan pada talam

• Coning

• Laju cairan terlalu rendah sehingga uap menekan cairan kembali melalui lubang • Kontaknya buruk

Prosedur Disain Talam

1. Calculate the maximum and minimum vapor and liquid flow rates, for the turndown ratio required.

2. Collect or estimate the system physical properties. 3. Select a trial plate spacing (Section 11.11).

4. Estimate the column diameter, based on flooding considerations (Section 11.13.3).

5. Decide the liquid flow arrangement (Section 11.13.4).

6. Make a trial plate layout: downcomer area, active area, hole area, hole size, weir height (Sections 11.13.8 to 11.13.10).

Prosedur Disain Talam

8. Check the plate pressure drop (Section 11.13.14); if too high, return to step 6. 9. Check downcomer backup; if too high, return to step 6 or 3 (Section 11.13.15).

10.Decide plate layout details: calming zones, unperforated areas. Check hole pitch; if unsatisfactory, return to step 6 (Section 11.13.11).

11.Recalculate the percentage flooding based on chosen column diameter. 12.Check entrainment; if too high, return to step 4 (Section 11.13.5).

13.Optimize design: repeat steps 3 to 12 to find smallest diameter and plate spacing acceptable (lowest cost).

14.Finalize design: draw up the plate specification and sketch the layout. This procedure is illustrated in Example 11.11.

Perhitungan DIAMETER KOLOM

INPUT: Kondisi operasi, Reflux,

Slope (L_w/V_w)

Sifat-sifat Fluida: densitas (uap dan cair) dan surface

tension ()

F_LV (liquid-vapor

flow factor) K1 Terkoreksi

Figure 11.29 u_f (Flooding Vel) Laju Alir Volumetrik Maksimum Luas Kolom + Downcomer Diameter Kolom Panjang Weir Figure 11.33

Example 11.11

• Aseton (C₃H₆O, MW = 58,08 g/mol) diambil kembali dari aliran limbah cair dengan distilasi kontinyu.

• Umpannya mengandung 10% berat aseton. Aseton diinginkan

memiliki kemurnian paling sedikit 98%, dan effluent cairnya harus mengandung tidak lebih dari 50 ppm aseton. Umpan pada suhu 20

o_{C. Estimasikan jumlah tahapan ideal yang diperlukan.}

• Laju alir umpan 13,000 kg/h. Use sieve plates.

• Number of stages = 16

• Slope of the bottom operating line = 5.0 • Slope of top operating line = 0.57

• Top composition 94% mol. 98% w/w. • Bottom composition—essentially water. • Reflux ratio = 1.35

Physical Properties

• Estimate base pressure, assume column efficiency of 60%, and take reboiler as equivalent to one stage