4. MENARA DESTILASI

MENARA DESTILASI

Teknik Kimia

Fakultas Teknik Industri

Universitas Pembangunan Nasional “ Veteran” Yogyakarta

Oleh : Heni Anggorowati, S.T., M.Eng.

Referensi

1. Yaws, 1999, Chemical Properties Handbook, McGrow Hill 2. Smith, 2016, Chemical Process Design and Integration,

John Wiley & Sons, Ltd

3. Towler and Sinnott, 2007, Chemical Engineering Design, Butterwort-Heinemann

Distilasi

➢ Pemisahan senyawa – senyawa dalam campuran yang homogen

➢ Pemisahan senyawa dalam campuran homogen

memerlukan pembentukan fasa baru atau penambahan agen pemisah

➢ Pemisahan berdasarkan

perbedaan titik didih senyawa

➢ Menggunakan prinsip uap - cair

A , B

A

B

MENARA DESTILASI

Umpan (F)

Destilat (D)

Botom (B)

Umpan (F) C₁,C₂,C_3,

x₁, x₂, x₃,T_F

Destilat Uap (DV)

Botom (B) Kondensor total

Kondensor parsial

Umpan (F) C₁,C₂, x₁,

x₂,T_F

Umpan (F) C₁,C₂, x₁,

x₂,T_F Botom (B)

C₁,C_2, x_1B, x_2B,T_B Top product

(D_T) C₁,C₂, x_1DT,

x_2DT, ,T_DT

Destilat (D) C₁,C₂, x_1D,

x_2D, T_D

Botom (B) C₁,C_2, x_1B,

x_2B,T_B Steam

Seksi atas menara (Enricher)

Seksi bawah menara (Striper)

Umpan (F) C₁,C₂,C_3,

x₁, x₂, x₃,T_F

Destilat (D) C₁,C₂,C_3,

x_1D, x_2D, x_3D,T_D

Botom (B) C₂,C_3, x_2B,

x_3B,T_B

Q_CD

Q_RB Q_F

Q_D

Q_B

Q_V

Q_D Q_R

Q_CD

Q_VB

Q_LB

Q_RB Q_B

NERACA MASSA TOTAL F = B + D

NERACA MASSA KOMPONEN

𝑋 _𝐹𝑖 𝐹 = 𝑋 _𝐵𝑖 B + 𝑋 _𝐷𝑖 D

NERACA PANAS TOTAL 𝑄 _{𝑈𝑚𝑝𝑎𝑛} + 𝑄 _{𝑅𝑒𝑏𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟} =

𝑄 _{𝐶𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟} + 𝑄 _{𝐷𝑖𝑠𝑡𝑖𝑙𝑎𝑡} + 𝑄 _{𝐵𝑜𝑡𝑡𝑜𝑚}

KONDISI OPERASI (Suhu dan Tekanan)

Pendingin Pada Kondensor

a. Pendingin air

Usahakan memakai pendingin yang paling murah yaitu air sebagai pendingin

• Suhu air = suhu sekeliling ( 30 – 36

^o

C)

• ΔT yang diijinkan ( 6 – 20

^o

C) suhu air pendingin > 50

^o

C tidak

diperbolehkan karena dapat mengakibatkan

kerak sehingga transfer panasnya terganggu

b. Refrigeration

Refrigeration dipakai sebagai pendingin kondensor agar tekanan dan suhu operasi rendah, Pemakaian refrigerant di sesuaikan dengan suhu yang di

inginkan:

• Freon, NH₃ dapat mencapai suhu sekitar – 20^oC

• C₃H₈ ---“ --- – 30^oC

• C₃H₆ ---“ --- – 35^oC

• C₃H₄ ---“ --- – 100^oC

• CH₄ ---“ --- – 150^oC

• MCR (multi component refrigerant)--- –162^oC

• Δt yang diijinkan : 3 – 10^oC.

c. Udara Pendingin

• Untuk daerah yang kekurangan air

• Cooler yang dipakai jenis fin-fan cooler

• Suhu udara pendingin = suhu sekeliling

• ∆𝑡 = 20 − 50^𝑜𝐶

a. Pemanas fluid

Dalam rangka “ energi integrasi “ atau “ energi utilization “/penghematan energi

Δt =10 – 20^oC b. Pemanas steam

paling banyak dipakai suhu tergantung tekanan, umumnya dipakai uap air jenuh yang akan keluar sebagai embunan

Δt = 10 – 60^oC Pemanas/Reboiler

c. Api langsung

jarang digunakan karena pengendaliannya susah terutama pada bagian bawah/ Bottom. Perlu

furnace/dapur.

d. Hot oil (minyak pemanas).

Untuk suhu reboiler yang cukup tinggi minyak pemanas dipakai bila dibandingkan dengan

memakai uap air masih lebih murah atau di pabrik tersedia cukup dibandingkan dengan air.

Δt = 20 – 60 ^OC

Untuk Menentukan Suhu dan Tekanan Operasi pada Kesetimbangan Fasa Berlaku Hukum Roult Dalton

Keterangan :

• 𝐾_𝑖 = konstanta kesetimbangan uap cair

• 𝑥_𝑖, 𝑦_𝑖 = 𝑚𝑜𝑙 𝑓𝑟𝑎𝑘𝑠𝑖 𝑘𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛 𝑖

• 𝑝_𝑡 = 𝑡𝑒𝑘𝑎𝑛𝑎𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑎𝑟𝑖 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚

• 𝑝𝑖^𝑜 = 𝑡𝑒𝑘𝑎𝑛𝑎𝑛 𝑢𝑎𝑝 𝑚𝑢𝑟𝑛𝑖 𝑘𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛 𝑖

• Pada Titik Didih : σ 𝑦_𝑖 = σ 𝐾_𝑖. 𝑥_𝑖 = 1

• Pada titik embun : σ 𝑥_𝑖 = σ^𝑦𝑖

𝐾_𝑖 = 1

𝐾_𝑖 = ^𝑦𝑖

𝑥_𝑖

Suhu dan Tekanan Operasi

Hukum Roult : 𝑝_𝑖= 𝑥_𝑖. 𝑝_𝑖^𝑜 atau 𝑥_𝑖= ^𝑝𝑖

𝑝𝑖^𝑜

Hukum Dalton : 𝑦_𝑖 = ^𝑝𝑖

𝑝_𝑡

Sehingga : 𝐾_𝑖 = ^𝑝𝑖𝑜

𝑝_𝑡

Menentukan Suhu dan Tekanan Operasi

Dalam mentukan suhu dan tekanan operasi perlu diperhatikan hal-hal sebagai berikut : campurannya terjadi azeotrop atau tidak, zat-zat dalam campuran mudah terpolarisasi atau tidak.

• Kondisi operasi atas harus jauh dibawah titik kritis contoh : Tc, ^oK Tc, ^oC Pc, atm

C₃H₈ 370 97 42,0

n-C₄H₁₀ 425 152 37,5

dari suhu kritisnya bisa digunakan air sebagai pendingin kondensor, air pendingin yang tersedia 35^oC = 95^oF, suhu hasil atas dicoba 120^oF (Δt = 25^oF ≈ 13,89^oC) masuk range.

• Kondisi operasi atas pada suhu 120^𝑜𝐹, trial P sehingga σ 𝑥_𝑖 = 1

• Kondisi operasi bawah p seluruh menara dianggap sama, trial suhu sehingga σ 𝑦_𝑖 = 1

Daftar Kondisi Kritis Beberapa Senyawa Organik

Nama Formula Tc (K) Pc (atm)

Etilene 𝐶₂𝐻₄ 283,1 50,5

Etana 𝐶₂𝐻₆ 305,43 48,2

Propilen 𝐶₃𝐻₆ 365,1 45,4

Propana 𝐶₃𝐻₈ 369,9 42,01

i-Butana 𝐶₄𝐻₁₀ 408,1 36,0

n-Butana 𝐶₄𝐻₁₀ 425,2 37,47

i-Pentana 𝐶₅𝐻₁₂ 461,0 32,9

n-Pentana 𝐶₅𝐻₁₂ 469,8 33,31

n-Hexana 𝐶₆𝐻₁₄ 507,9 29,92

n-Heptana 𝐶₇𝐻₁₆ 540,16 27,01 ……. dst

Contoh :

1. Suatu menara distilasi digunakan untuk memisahkan campuran senyawa hidrokarbon sebanyak 1000

lbmol/jam, terdiri dari (% mol) n-butana 60%, n-pentana 25% dan n-heksana 15%, ingin dipisahkan n-butana

dengan kemurnian 99%, umpan masuk menara pada bubble point, tentukan :

a. Kondisi operasi Menara

b. Jumlah plate minimum dan teoritis

c. Jumlah Plate actual jika efisiensi plate 60 % d. Letak umpan

e. Diameter Menara

Jawab : D

Neraca massa : n-C4 = 99%= 594

n-C5 = 1% = 6

F =1000 lbmol/j = 600

n-C4 = 60% = 600 n-C5 = 25% = 250 n-C6 = 15% = 150

B

n-C4 = 6 = 1,5%

n-C5 = 244 = 61 % n-C6 = 150 = 37,5%

= 400

a. Kondisi Operasi Menara : Kondisi operasi atas :

Untuk n-C4 dilihat dari Tc nya = 425 K = 152^𝑜𝐶 dapat digunakan air sebagai pendingin.

Air pendingin suhunya 30^𝑜𝐶, ∆𝑡 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖𝑖𝑗𝑖𝑛𝑘𝑎𝑛 (6 𝑠𝑑 20^𝑜𝐶 ), maka dipilih suhu atas = 30 + 10 = 40^𝑜𝐶

Digunakan kondensor total pada titik embun (dew point) sehingga σ 𝑥 = 1, 𝑥 = ^𝑦

𝐾

Pada T = 40^𝑜𝐶, di trial P = …. , sehingga σ 𝑥 = 1, Komponen Fraksi Y K, P= 360 Kpa 𝑥 = ^𝑦

𝐾

n-C4 0,99 1,01 0,98

n-C5 0,01 0, 33 0.03

1,01

Kondisi operasi bawah : pada bubble point ( ttk didih)

Tekanan diseluruh Menara dianggap sama

Maka P = 360 Kpa, trial T sehingga σ 𝑦 = 1, 𝑦 = 𝑘𝑥 Komponen Fraksi x K, T= 90^𝑜𝐶, 𝑦 = 𝑘𝑥

n-C4 0,015 2,8 0,042

n-C5 0,61 1,25 0,7625

n-C6 0,375 0,52 0,195 0,9995

Kondisi Operasi Umpan pada bubble point ( ttk didih) Tekanan diseluruh Menara dianggap sama

Maka P = 360 Kpa, trial T sehingga σ 𝑦 = 1, 𝑦 = 𝑘𝑥 Komponen Fraksi x K, T= 95^𝑜𝐶, 𝑦 = 𝑘𝑥

n-C4 0,60 1,42 0,852

n-C5 0,25 0,48 0,120

n-C6 0,15 0,19 0,028 1,000 Jadi kondisi operasi : suhu Tekanan

Atas 40^𝑜𝐶, 360 Kpa

Umpan 55^𝑜𝐶 360 Kpa

Bawah 95^𝑜𝐶, 360 Kpa

Soal

Suatu menara distilasi digunakan untuk memisahkan campuran senyawa hidrokarbon sebanyak 1000 lbmol/jam, terdiri dari (% mol) n- propana 5%, n-butana 35% dan n-pentana 60%, ingin dipisahkan n-pentana dengan kemurnian 98%, Jika tekanan seluruh MD dianggap sama yaitu 5 atm, dan n-propane seluruhnya teruapkan menjadi produk atas, tentukan:

a. Kondisi operasi Menara

b. Jumlah plate minimum dan teoritis

c. Jumlah Plate actual jika efisiensi plate 70 %