1) Menghitung laju uap dan cairan maksimum dan minimum 2) Mengumpulkan dan perkirakan sifat fisis campuran 3) Memilih jarak antar plat 4) Menetukan

(1)

PERANCANGAN PLAT

(2)

1) Menghitung laju uap dan cairan maksimum dan

minimum

2) Mengumpulkan dan perkirakan sifat fisis campuran

3) Memilih jarak antar plat

4) Menetukan diamater kolom berdasarkan pertimbangan

flooding

Tahapan

Tahapan Perancangan

Perancangan Plat

Plat

flooding

5)

Menetukan susunan aliran cairan

6) Tebak tray lay out: downcomer area, plate area, dll.

7) Check laju weeping

8) Check pressure drop

9) Check downcomer back-up

10) Detail plate lay out

(3)

PERANCANGAN PLATE

Menara Distilasi (MD)

bertugas untuk memisahkan

metil benzoat yang

merupakan produk utama

dari campuran metil

benzoat, metanol dan air.

Hasil atas dari MD yang

berupa metanol dan air

pada suhu 66,9°C.

Sedangkan hasil bawah MD

yang berupa metil benzoat.

Desain kolom distilasi

tersebut dengan

menggunakan kontaktor

plat

(4)

Dari perhitungan awal (Shorcut methode)

diperoleh:

Rasio refluk optimum

: 0,5795

Jumlah plat total

: 14

Jumlah plat rektifikasi : 6

Jumlah plat Strippng

: 8

Jumlah plat Strippng

: 8

Plat umpan terletak

: plat 8 dan 9

Efisiensi

: 48,9673

(5)

1. Laju Alir Gas dan Cairan

Komponen Umpan (kmol/jam) Distilat (kmol/jam) Bottom (kmol/jam) Metanol Air Metil benzoat. 416,4453 7,7788 44,2530 412,2408 0,0078 0 4,1645 7,7010 44,2530 Total 468,4771 412,3586 56,1185 Total 468,4771 412,3586 56,1185 Komponen Umpan (kg/jam) Distilat (Kg/jam) Bottom (kg/jam) Metanol 13326,249 13192,98636 133,26249 Air 140,01879 1,400187916 138,6186 Metil Benzoat 5398,872 0 5398,872 Total 18865,14 13194,38655 5670,7531

(6)

Neraca Massa:

Bagian Atas

BM

_a

= 32,0394

Lo = R x D

= 0,5793 x 13194,38655 kg/jam

= 7643,5081 kg/jam = 2,1259 kg/s

V

₁

= Lo + D = 7643,5081 + 13194,38655

= 20837,895 kg/jam = 5,7957 kg/s

Bagian bawah

BM

_a

= 42,4024

V

₁₄

= R x B

= 0,5793 x 5670,7531 kg/jam

= 3286,0673 kg/jam = 0,9125 kg/s

L

₁₃

= V

₁₄

+ B = 3286,0673 + 5670,7531

= 8955,8204 kg/jam = 2,4877 kg/s

(7)

1. Asam Benzoat

• Rumus kimia : C6H5COOH • Berat Molekul : 122,12 kg/kmol • Kenampakan : kristal putih • Titik didih normal : 249,2°C

• Titik kritis : 630,3 K = 357,3°C • Rapat massa : 1,266 kg/L

• Kelarutan : 0,2% dalam air ; 46% dalam alkohol ; 66% dalam ether • Kadar : 99,99% asam benzoat ; 0,01% toluen

2. Metanol

• Rumus kimia : CH3OH

• Berat molekul : 32,042 kg/kmol

2. Properti Bahan (1)

• Kenampakan : cairan tidak berwarna • Titik didih normal : 64,7°C

• Titik kritis : 512,6K = 239,6°C • Rapat massa : 0,792 kg/L

• Kelarutan : larut dalam air dan ether dalam semua perbandingan • Kadar : 99% metanol ; 1% air

3. Metil Benzoat

• Rumus kimia : C6H5COOCH3 :

• Kenampakan : cairan tidak berwarna • Titik didih normal : 198°C

• Titik kritis : 692,02 K = 419,02°C • Rapat massa : 1,087 kg/L

• Kelarutan : tidak larut dalam air, larut dalam alkohol • Kadar : 95,5% metil benzoat ; 2,1% metanol ; 2,4% air

(8)

Menara Bagian Atas T = 339,98 K P = 1,1 atm BM_a = 32,039 ρ_v = 1,2572 kg//m3 ρ_L = 792,0164 kg/m3

Menara Bagian Bawah T = 386,44 K P = 1,2 atm BM_a = 42,4024 ρ_v = 1,1601 kg//m3 ρ_L = 934,0270 kg/m3

2. Properti Bahan (2)

Komponen x_f μ, cp Metanol 0,8870 0,3001 Air 0,0188 0,3813 Metil Benzoat 0,0943 0,6872

(9)

A. Berdasarkan Kecepatan Flooding

3. Diameter Kolom (1)

v v L 1 f ρ ρ ρ K u  

U_f = kecepatan flooding uap, m/s

K₁ = kostanta

Nilai F_LV pada grafik flooding dinyatakan dengan persamaan

Gbr 1. Grafik kecepatan flooding, sieve tray dinyatakan dengan persamaan

L_w : laju alir cairan , kg/s V_w : Laju alir uap, kg/s

Grafik berlaku untuk cairan dg tegangan Permukaan 0,02 N/m. Untuk TP selain itu nilai K1 harus dikali dg (TP/0,02)0,2

(10)

Menara Bagian atas

• F_LV = (2,1259/5,7957) x (1,2572/ 792,0164)1/2 = 0,0146 • Jarak plat dipilih 0,6 m, dari Gmbr. 1

diperoleh K₁ =0,1 nilai tegangan permukaan cairan diasumsikasn 0,02 N/m

• U_f = 0,1 x ((792,0164- 1,2572)/ 1,2572)1/2 _{= 2,5080 m/s} kondisi operasi u_v = 0,8 x U_f = 2,006 m/s

• A_c = V_w/(U_f x rho_g) = 2,7032 m2 • Dc = (4 x A_c/pi)0,5 _{= 1,855 m} Menara Bagian bawah

• F_LV = 0,0948  Jarak plat dipilih 0,6 m diperoleh K₁ =0,1

• Uf = 0,1 x ((792,0164-1,2572)/ 1,2572)1/2 = _{2,8357 m/s} • operasi u_v = 0,8 x uf = 2,686 m/s

• Ac = G_w/V_w = 0,4235 m2

(11)

B. Berdasarkan Kecepatan Uap max



2



0.5 047 . 0 27 . 0 171 . 0 _           v v L t t v L L U   

Kecepatan uap max:

L_t : jarak antar plat, dari grafik

U_v = (-0,171 x 0,62 _{+ 0,27 x 0,6 -0,047) ((792,0164-1,2572)/1,2572)}0,5 = 1,3403 m/s Diameter menara: 5 . 0

4 



V

Bagian Atas 5 . 0

4 













v v w c

U

V

D



D_c = ((4 x 5,7957)/(3,14 X 1,2572 x 1,3403))0,5 = 2,0927 m

(12)



2



0.5 047 . 0 27 . 0 171 . 0 _           v v L t t v L L U   

Kecepatan uap max:

L_t : jarak antar plat

U_v = -,171 x 0,62 _{+ 0,27 x 0,6 -0,047 (934,0207-1,1601)/1,1601)}0,5 = 1,5154 m/s Diameter menara: Bagian Bawah 5 . 0 4        v v w c U V D  D_c = ((4 x 5,7957)/(3,14 X 1,2572 x 1,5154))0,5 = 0,8185

(13)

4. Menentukan Jenis Aliran

(14)

Bagian Enriching Q max = Lw/ ρ_L = 2,1259/792,0164 = 0,0027 m3_/s Bagian Stripping Q max = Lw/ ρL = 2,877/934,0270 = 0,0027 m3/s = 0,0027 m3/s Berdasarkan Q_max dan

diameter kolom jenis aliran dipilih dari grafik disamping. Untuk kolom yang dimaternya lebih kecil dari satu, dapat digunakan single pass plate

(15)

5. Plate Area Lay Out (Single pass)

A_c = total column cross sectional area

A_d = cross sectional area of dowmncomer

A_n = net area available for vapor-liquid disengagement

= Ac-Ad for single pass plate A_a = active or bubbling area,

= A -2A for single pass plate

Sieve tray

= A_c-2A_d for single pass plate

A_h = hole area, total area of all the active holes

A_p = perforated area (including blaked area)

A_ap = the clearence area under the downcomer apron

(16)

(17)

A_d = 0,12 x Ac = 0,12 x 2,7032 m2 = 0,3244 m2 A_n = A_c - A_d = 2,7032-0,3244 m2 A_a = A_c – 2A_d = 2,7032-2 x 0,3244 = 2,0544 m2 A_h = 0,1A_a = 0,1 x 2,0544 = 0,2054 m2

Perhitungan Plate Area

= 0,2054 m2 A_d/A_c = 0,12 (A_d/A_c ) x 100% = 12 % diperoleh lw/D_c= 0,78 panjang weir: l_w = D_c x 0,78 = 1,55 m, dipilih •tinggi weir, h_w = 50 mm •diamter hole = 5 mm •tebal plat = 3 mm

(18)

6. Check Weeping

Batasan operasi terendah yang terjadi ketika kebocoran

cairan yang melalui lubang plat berlebih disebut

weep

point

. Kecepatan uap pada titik weep adalah nilai

minimum untuk operasi yang stabil. Hole area harus

dipilih sedemikian rupa sehingga pada laju operasi

terendah kecepatan aliran uap masih baik di atas weep

point.

Persamaan untuk memprediksi keceptan uap pada weep

point :

U_h = kecepatan uap minimum melalui lubang, m/s d_h = diameter lubang, mm

K₂ = konstanta, tergantung pada kedalaman cairan pada plat, dari gambar 11.30





2 / 1 2 ^

₀

_.

₉₀

₍

₂₅

_.

₄

₎

v h h

d

K

u







(19)

(20)

Menara Bagian Atas Menara Bagian Atas

L_{w max} = 2,1259 kg/s

TDR = 80% (TDR = turn down ratio) L_{w min} = 1,7007

Ketinggian cairan diatas puncak weir dihitung:

3 / 2

750 













w L w ow

l

L

h



h_{ow max} = 750 (2,1259/(792,0164 x1,55))2/3 _{= 10,82 mm cairan} h = 750 (1,7007/(792,0164 x1,55))2/3 _{= 9,32 mm cairan} h_{ow min} = 750 (1,7007/(792,0164 x1,55))2/3 _{= 9,32 mm cairan}

Pada kecepatan minimum h_w + h_{ow min} = 50 + 9,32 = 67, 4378 mm Dari gambar 11.30, pada h_w + h_{ow min} = 67,43 mm K₂ = 30,5

U_{h min} = (30,5-0,90(25, 4 -5))/(1,1601)0,5 = 10,8272 m/s

Kecepatan uap aktual:

V_h = laju alir uap minimum/A_h = 0,8 x (0,9250/1,160)/0,2054 = 3,1050 m/s

(21)

7. Plate Pressure Drop

Terdapat dua sumber utama

penyebab kehilangan

tekanan yaitu: aliran uap melewati lubang (orifice loss) dan static head of liquid pada plate.

Total pressure drop diperoleh dari jumlah

pressure yang dihitung dari pressure yang dihitung dari friksi uap yang melewati lubang plate kering (dry plate drop, h_d); head clear liquid pada plate (h_w + h_ow); dan kehilangan oleh sebab tegangan permukaan yg disebut kehilangan

residual, h_r.

Pressure drop total :

(22)

Menara bagian atas

**Dry Pressure drop

Kecepatan uap melalui holes: U_{h max} = (5,7957/1,1601)/ 0,2054

= 22,4396 m/s

A_h/A_a = 0,2054/2,0544 = 0,1 dari gambar 11,34 untuk plate thickness/hole diameter = 0,6 dan A /A = 10% didapat coeff. dan A_h/A_a = 10% didapat coeff. orifice = 0,74 L v o h d

C

u

h



2

51 _













h_d = 51(22,4396/0,74)2 _{x (1,2572 /792,10)} = 74,44 mm cairan

(23)

**Residual Head L r

x

h



3

10

5 .

12 

= (12,5 x103_{)/792,1064 = 13,3819 mm cairan}

**Total plate pressure drop

h_t = h_d + (h_w +h_ow) + h_r

= 74,44 + 67,43 + 13,3819 = 155,2609 mm cairan

** Total plate pressure drop ** Total plate pressure drop

ΔP = 9,81 x 10-3 _{x h}

t x ρL

= 9,81 x 10-3 _{x 155, 2609 x 792,1064}

(24)

8. Downcomer Pressure Loss

Downcomer area dan plate harus

dirancang sedemikian rupa hingga level cairan dan froth dalam

downcomer berprilaku dg baik dibawah unjung (puncak) outlet weir pada plat atas. Jika

ketinggian meningkat sampai di atas outlet weir kolom akan banjir.

banjir.

Baliknya cairan di downcomer disebabkan pressure drop di atas plate dan adanya tahanan untuk mengalir di dawncomer itu

sendiri.

Clear liquid the dowmncomer back-up dinyatakan:

(25)

Untuk menghindari flooding nilai h_b harus menenuhi: h_b > ½(l_t + h_w)

Tahanan utama cairan untuk mengalir akan disebabkan oleh desakan pada downcomer outlet, dan head loss dalam downcomer dapat diperkirakan menggunakan persamaan Cicalese (1947):

2

166 _













m L wd dc

A

L

h



h_dc = head loss pada downcomer, mm h_dc = head loss pada downcomer, mm

L_wd = laju alir cairan dalam downcomer, kg/s A_m = downcomer area A_d, atau clearence

area under the downcomer, A_ap, m2 Clearence area under the downcomer:

A_ap = h_ap l_w

dimna h_ap adalah ketinggian tepi bawah pinggir diatas plate, biasanya 5-10 mm di bawah

ketinggian outlet weir:

(26)

Perhitungan

Dipilih: h_ap = 50 -10 = 40 mm = 0,04 A_ap = h_ap x l_w = 0,04 m x 1,55 m = 0,0619 m2

Menara bagian atas:

Head loss pd downcomer:

h = 166(2,2159/(792,0612x0,0619))2 h_dc = 166(2,2159/(792,0612x0,0619))2 = 0,3117 mm Downcomer back-up: h_b =(h_w + h_ow) + h_t + h_dc = (50 +10,82) + 155,2609 + 0,3117 = 208,2209 mm = 0,18 m

½ (plate space + weir height) = ½ x (0,6 + 0,05) = 0,325 m h_b <0,325  jarak plate memenuhi syarat

(27)

Menara bagian bawah:

Head loss pd downcomer:

h_dc = 166(2,2159/(934,0270 x 0,0619))2 = 0,2241 mm Downcomer back-up: h_b =(h_w + h_ow) + h_t + h_dc = (50 +10,82) + 155,2609 + 0,2241 = 208,1709 mm = 0,18 m

½ (plate space + weir height) = ½ x (0,6 + 0,05) = 0,325 h_b <0,325  jarak plate memenuhi syarat

(28)

9. Downcomer Residence Time

Residence time yang cukup dalam downcomer harus dipenuhi untuk naiknya melepas dari aliran cairan; untuk mencegah cairan teraerasi yang terbawa di bawah downcomer. Direkomendasikan paling kecil 3 detik. Persamaan downcomer residence time:

w L b d r

L

h

A

t





t = residence time t_r = residence time

h_bc = clear liquid back-up, m Bagian Atas t_r = 0,3244 x 0,18 x 792,0612)/2,1259 = 21,75 sekon > 3 , memnuhi Bagian bawah, t_r = 0,3244 x 0,18 x 934,0270)/2,1259 = 25,65 sekon > 3 , memnuhi

(29)

10. Check Entrainment

Entrainment dapat diestimasi

dari korelasi Fair (1961) pada gambar 11.29.yang memberikan fraksional entrainment (kg/kg gross liquid flow) sebagai fungsi faktor cairan-uap, F_LV, dengan pendekatan persentase pendekatan persentase floding sebagai parameternya. Persentasi flooding: f

u

velocity

flooding

velocity

actual

u

flooding

n

,

%



Batasan tertinggi nilai

entraintment adalah 0,1. Di bawah nilai ini pengaruh entrainment

terhadap efisiensi kecil.

(30)

Bagian atas

Actual persentasi flooding untuk desain area: U_v = V_w/(ρ_v x A_c) = 5,7957/(1,2572 x 2,2977)

= 1,7054 m/s

% flooding = 1,7054/ 2,5080 = 68%

Pada F_LV = 0,0146 dan % flood = 68 %, pada gmb 11.29 diperoleh

Ψ = 0,075 < 0,1  OK Bagian bawah

Actual persentasi flooding untuk desain area: Actual persentasi flooding untuk desain area: Uv = V_w/(ρ_v x Ac) = 0,9125 /(1,1601 x 0,4235)

= 1,9284 m/s

% flooding = 1,9284/ 2,8357 = 68%

Pada F_LV = 0,0948 dan % flood = 68 %, pada gmb 11.29 diperoleh

(31)

Luas Area Perforasi

Area perforasi yang tersedia akan turun oleh halangn/gangguan yg disebabkan oleh perubahan struktur (support ring, dan beam) dan oleh penggunaan calming zone yaitu potongan plat nonperforasi pada sisi inlet dan outlet plat. Lebar masing2 zona biasanya dibuat sama; nilai yg

10. Tray Layout

zona biasanya dibuat sama; nilai yg direkomendasikan : u diameter < 1,5 m 75 mm; diatas 1,5  100 mm.

Lebar support ring u sekat normalnya 50-75 mm, support ring harus tidak panjang sampai downcomer area. Sekat unperforasi plat

Luas area unperforasi dapat dihitung dari geometri plat. Hubungan antara panjang garis weir, tinggi garis dan sudut diberikan gambar 11.32

(32)

Tray Lay Out

Lay out plat digunakan cartridge type construction, dengan unperforated strip around plate edge 50 mm, dan lebar calming zone = 50 mm. 1 ,5 5 m 2 ,0 9 2 7 m α 1 ,5 5 m 2 ,0 9 2 7 m

(33)

Perforated Area

Dari gambar 11.32 pada l_w/D_c = 1,55/ 2,0927 = 0,78, diperoleh θ =102o

α = 180-102= 78o l_h/D_c = 0,115

Panjang rata2 unperforated edge strip =(2,0927-0,05) π x 78/180 = 2,7809 m

Luas unperforated edge strip, A_up = 0,05 x 2,7809 = 0,0139 m2 Luas calming zone, A_cz = 2(0,05)x(1,55-2x0,05)

Luas calming zone, A_cz = 2(0,05)x(1,55-2x0,05) = 0,0162 m2

Luas total tersedia u perforated, A_p =A_a-(A_up + A_cz)

= 2,0544 - (0,0139 + 0,0162) = 2,0243 m2

(34)

Hole Pitch

Hole pitch (jarak antar posat lubang) lp, harus tidak kurang dari 2 x diameter lubang, dan range normal 2,5-4,0 kali diameter lubang. Dengan range ini pitch dapat dipilih untuk memberikan jumlah lubang aktiv yg diperlukan untuk luas lubang tertentu. Dari bentuk square dan equilateral triangular yang digunakan, triangular lebih dipilih. Total area lubang sebagi fraksi area perforasi Ap diberikan persamaan berikut, untuk equilateral triangular (segitiga sama sisi) pitch:

2

9 ,

0 















p h p h

l

d

A

Persamaan diplot pd gambar 11.33 d_h = dimeter hole

(35)

A_h/A_p = 0,2054/2,0243 = 0,1015 Dari gambar 11.33, l_p/d_h = 2,85 Hole pitch = (l_p/d_h) x d_h = 2,85 x 0,005 m = 0,01425 m = 0,01425 m Luas 1 hole = ¼ x 3,14 x 0,0052 = 1,96 x 10-5

Jumlah hole= A_h/ luas 1 hole = 0,2054/1,96 x 10-5 = 10.643,077 holes

(36)

Diameter plat Diameter lubang Hole pitch Jumlah lubang TDR material plate 2,0927 m 0,005 m 0,0149 m 10.643 80 % Stainless steel Spesifikasi plate Material downcomer Tray spacing Plate thickeness Panjang weir Tinggi weir

Plate pressure drop

Stainlees steel 0,6 m 0,003 m 1,55 m 0,05 m 10,113 mmHg

(37)

1 ,5 5 m 2 ,0 2 7 9 m