BAB V. CONTINUOUS CONTACT

Transkripsi

1 BAB V. CONTINUOUS CONTACT Operasi pemisahan continuous contact secara prinsip berbeda dengan stage wise contact. Pada operasi pemisahan ini, kecepatan perpindahan massa berlangsung saat kedua fasa tersebut berkontak atau ada perubahan konsentrasi sebagai fungsi posisi. Oleh karena itu pada operasi pemisahan ini, konsep rate processes memegang peran penting. Proses continous contact dapat digunakan pada: 1. Proses dua fluida yang saling berkontak. Bahan isian berupa inert yang merupakan media kontak antara dua fluida tersebut, misalnya pada proses: 1. Absorbsi 2. Distilasi 3. Ekstraksi 4. Stripping 2. Proses perpindahan massa antara fasa padatan dengan fluida yang mengalir di antaranya, misalnya pada fasa adsorpsi atau ion exchange. Pada cara kontak ini biasanya padatan disusun dalam kolom (fixed bed) dan fluida dialirkan melewati tumpukan padatan dalam kolom tersebut. Universitas Gadjah Mada 1

2 Keuntungan dan kerugian proses kontak dengan stage wise dan kontinyu, adalah sebagai berikut: Stage wise Continous P besar P kecil L>>> tidak flooding Mudah terjadi flooding untuk L tertentu Mudah dibersihkan Tergantung bahan platenya (biasanya dari logam) Untuk D yang kecil lebih mahal Relatif sulit Tidak korosif karena biasanya bahan isiannya terbuat dari plastik atau keramik. Untuk D yang kecil Iebih murah Bahan isian harus memenuhi persyaratan sebagai berikut: o Luas permukaan bidang transfer per unit volum harus besar (luas permukaan yang dapat terbasahi oleh cairan besar untuk per satuan volum) o Tumpukan bahan isian porositasnya harus besar ( P lebih kecil) o Tidak korosif o Bulk density rendah o Murah Jenis bahan isiannya adalah: o Raschig ring o Intalog saddle o Pall ring o Cyclohelix spiral ring o Berl saddle o Lessing ring o Cross-partition ring Gambar dari sebagian jenis bahan isian dapat dilihat pada gambar berikut ini (Foust, et.al., 1980): Universitas Gadjah Mada 2

3 Universitas Gadjah Mada 3

4 Karakteristik fisis bahan isian dapat dilihat pada tabel berikut ini (Foust, et.al; 1980): Tabel V.1. Karakteristik Fisis Bahan Isian: Packing Percent Voids ( ) Specific Surface (a v ) ft 2 /ft 3 Packing factor Dumped weight lb/ft 3 Raschig rings keramik (inci) Raschig rings metal (1/16 in. wall) Ben saddles (inci) Pall rings (inci) Cyclohelix dan single spiral (inci) Universitas Gadjah Mada 4

5 Bahasan Kuantitatif di Tumpukan Bahan Isian Neraca massa komponen pada ketinggian Z (dari posisi 0 sampai dengan posisi Z) Persamaan ini merupakan garis operasi yang berlaku untuk x dari x 1 sampai dengan x 2 dan untuk y dari y 1 sampal dengan y 2. Persamaan garis operasi ini bukan merupakan kurva (garis tidak lurus) karena V dari L selalu berubah terhadap perubahan konsentrasi atau posisi. Pada kasus tertentu yaitu untuk larutan yang sangat encer, besarnya L dan V dapat dianggap tetap, sehingga garis operasi merupakan garis lurus. Kecepatan perubahan konsentrasi komponen pada masing-masing fasa sama dengan kecepatan perpindahan massa komponen ke atau dari fasa tersebut. Review Konsep Kecepatan Perpindahan Massa dengan: A = luas permukaan bidang transfer Untuk permukaan-permukaan yang sulit diukur (tumpukan bahan isian) nilai A sulit ditentukan, untuk itu diajukan konsep perpindahan massa volumetris seperti berikut: Universitas Gadjah Mada 5

6 Two Film Theory Persamaan kecepatan perpindahan massa: Nilai x i dan y i sulit ditentukan (y i = H, x i ), oleh karena itu diajukan model 1 film gabungan (di fasa cair saja atau dari fasa gas saja). Persamaan kecepatan perpindahan massa dapat dituliskan sebagai berikut: Cair: Universitas Gadjah Mada 6

7 Gas : Hubungan antara koefisien perpindahan massa total dan individual: Penyederhanaan untuk proses-proses kecepatan yang berlangsung secara paralel seperti kasus di atas, kecepatan yang cepat dapat diabaikan pengaruhnya. Oleh karena itu dapat diambil cara penyederhanaan seperti berikut ini: 1. Untuk nilai k' x yang jauh lebih besar daripada k' y, maka nilai 2. Untuk nilai k' y yang jauh lebih besar daripada k' x, maka nilai 3. Gas yang mudah larut dalam air mempunyai nilai H yang sangat kecil, maka nilai 4. Gas yang sukar larut dalam air mempunyai nilai yang sangat besar, maka nilai Neraca massa A pada fasa gas pada elemen volume (lihat Gambar V.3) Dengan : Universitas Gadjah Mada 7

8 Atau Dengan cara yang sama untuk fasa cair: Atau Dengan menggunakan persamaan (1) dan (2) dapat ditentukan tinggi tumpukan bahan isian untuk derajat pemisahan tertentu, jika diketahui: 1. Nilai k' x a, k' y a, K' x a, atau K' y a, yang merupakan fungsi V dan L dan sifat fisis bahan pada kedua fasa, yang sering dinyatakan dalam bentuk persamaan sebagai berikut: 2. Nilai (x x i ), (x x*), (y i y) atau (y* - y). NiIai ini dapat ditentukan bila hubungan keseimbangan di antara kedua fasa diketahui. Komposisi bulk dapat ditentukan dari persamaan neraca massa komponen (persamaan garis operasi berikut): Kesulitan yang dihadapi adalah bahwa penyelesaian persamaan integrasi (1) dan (2) yang merupakan persamaan-persamaan simultan dengan keseimbangan persamaan nilai koefisien perpindahan massa dan keseimbangan. Tetapi persamaan-persamaan tersebut dapat diselesaikan dengan bantuan komputer pada era sekarang ini. Bila tidak tersedia komputer maka dapat dilakukan penyederhanaan sebagai berikut: Universitas Gadjah Mada 8

9 I. Equimolar Counter Diffusion (E.C.D) E.C.D. terjadi dalam proses distilasi, yaitu keadaan dimana kecepatan perpindahan untuk konstituen yang volatil dan tidak volatil di antara fasa-fasanya sama, sehingga dapat dianggap sebagai nilai V dan L tetap. Jika V dan L tetap, maka persamaan (1) dan (2) dapat ditulis menjadi: Dengan : Atau Pada kondisi tertentu sifat fisis dapat dianggap tetap, sehingga k' y a = f (V) saja, jika V = tetap, maka nilai k' y a juga tetap. Oleh sebab itu persamaan (1) dan (2) dapat dituliskan sebagai berikut : Jika memenuhi asumsi yang diambil, maka: Universitas Gadjah Mada 9

10 Dengan : N = number of transfer unit = perubahan komposisi dibagi driving forces = ukuran mudah-sukarnya derajat pemisahan tersebut. H = Height of transfer unit 2. Diffusion Through a Stationary Component (D.T.S.C.) D.T.S.C. terjadi dalam proses absorpsi gas dan ekstraksi. Pada proses-proses ini anggapan nilai bahwa nilai L dan V tetap tidak sesuai, karena terdapat suatu komponen yang berpindah dari V ke L. Dalam keadaan seperti ini, dapat digunakan dasar perhitungan solvent bebas solute, karena biasanya nilai-nilai komponen yang tidak melarut besarnya tetap. Analog dengan penjabaran di atas (N.M. pada fasa tertentu) dengan k y a dan K y a = koefisien perpindahan massa pada DTSC Untuk fasa cair analog: Persamaan (3) dan (4) merupakan persamaan untuk menentukan tinggi tumpukan bahan isian pada proses DTSC untuk derajat permisahan tertentu. Persamaan tersebut dulu merupakan persamaan yang rumit tetapi sekarang bersamaan dengan berkembangnya komputer, merupakan persamaan yang dapat diselesaikan dengan mudah. Pada pemakaian persamaan-persamaan tersebut terdapat kemungkinan dilakukan penyederhanaan, sama dengan yang dilakukan pada ECD. Untuk kondisi sistem tertentu, Universitas Gadjah Mada 10

11 geometri, sifat-sifat fisis yang tertentu nilai k' x a, k' y a, K' x a, atau K' y a tetap. Korelasi koefisien pada ECD dan DTSC dinyatakan sebagai berikut: Persamaan (3) dan (4) dapat diubah menjadi: Secara kasar dianggap nilai ( ) dan ( ) = konstan atau tidak begitu terpengaruh oleh perubahan konsentrasi, atau merupakan harga rata-rata di dasar (bottom) dan di atas (top) kolom, maka persamaan (3) dan (4) dapat dituliskan sebagai berikut: Dengan cara yang sama dapat ditentukan tinggi tumpukan bahan isian atas dasar nilai koefisien perpindahan massa yang berbeda, yang kemudian disajikan dalam tabel berikut ini: Universitas Gadjah Mada 11

12 Dengan : Z N H = N H = number of transfer unit = mengukur derajat kesulitan pemisahan = Height of transfer unit = efektivitas pemisahan suatu jenis bahan isian tertentu Arti fisis single transfer unit: Universitas Gadjah Mada 12

13 Perhitungan Number of Transfer Units (N) Penyelesaian integrasi pada tabel (Foust, et.al., 1980) sebagai contohnya adalah sebagai berikut: Terdapat beberapa cara penyelesaian, yaitu: Cara integrasi grafis Cara penyederhanaan integrasi Cara grafts dari Baker Cara Integrasi Grafis Langkah pertama yaitu menggambar dulu dalam grafik garis/kurva operasi dan kurva seimbang. Jika menggunakan persamaan (A) maka dibutuhkan nilai y*, sebaliknya jika menggunakan persamaan (B) membutuhkan nilai y i. Universitas Gadjah Mada 13

14 Langkah selanjutnya adalah: Menentukan y* pada x,y tertentu, menarik garis tegak lurus dari x,y di garis operasi untuk dipotongkan dengan garis seimbang, sehingga didapatkan x,y*. Menentukan x i,y i pada x,y tertentu Penyelesaian integrasi: Numeris (Simpson Rule s, dll) digunakan bila korelasi seimbang diketahui dalam bentuk persamaan. Cara trapedoidal (grafis) Universitas Gadjah Mada 14

15 Dengan cara sama dapat ditentukan N G, N L, N OL. Evaluasi Height of A Transfer Unit (H) Contoh data korelasi koefisien perpindahan massa untuk air dan zat organik, adalah sebagai berikut: Fasa cair: Fasa gas: Correlation of Liquid Phase Coefficients Data ini didapatkan dari absorpsi dan desorpsi CO 2, O 2, dan H 2 dalam sistem udara - air. Kecepatan massa gas dari 30 sampai dengan Kecepatan cairan dari 200 hingga pada suhu 5 ºC sampai dengan 40 ºC, dengan menggunakan berbagai jenis bahan isian. Gas-gas ini sukar larut dalam air, sehingga tahanan di fasa gas diabaikan pengaruhnya, oleh karena itu nilai Universitas Gadjah Mada 15

16 Persamaan Umum Perpindahan Massa dengan: k L a = liquid phase mass transfer coefficient [ ( )( )( ) ] G I = mass velocity of liquid * + ( ) S = biasanya konstanta sebesar 0,5 Nilai konstanta untuk, n dan S dapat dilihat pada tabel 56 untuk berbagai tipe packing yang telah diteliti. Correlation of Gas Phase Coefficients Data untuk absorpsi ammonia dari udara dengan menggunakan air untuk berbagai jenis packing disajikan dengan persamaan berikut: dengan: G g dan G e = masing-masing adalah kecepatan massa dari gas dan cairan * + B,n dan m = konstanta spesifik empirik pada sistem ammonia, udara dan air serta fungsi packing yang dipakai pada tabel 57. Untuk gas lain dapat diperkirakan dengan persamaan berikut: Pressure Drop in Packed Coloumns Dalam bahan isian umumnya aliran cairan masuk dari puncak kolom, mengalir ke bawah karena gaya gravitasi, dan aliran gas dari dasar kolom ke puncak. Gas dapat mengalir karena terdapat blower/fan (absorbsi). Uap panas yang mempunyai tekanan tertentu yang dihasilkan oleh reboiler (distilasi). Pada perancangan kolom bahan isian P sangat berperan sehingga perlu diperhatikan, karena P dipengaruhi oleh kedua aliran baik gas maupun cairan. Universitas Gadjah Mada 16

17 Kondisi operasi kolom bahan isian sebaiknya di bawah kondisi loading. Dalam hal ini Colburn menyatakan bahwa kecepatan gas sebaiknya sebesar 50 sampai dengan 75% kecepatan gas pada kondisi flooding untuk kecepatan aliran yang tertentu. Contoh soal (Foust, et.al., 1980) Universitas Gadjah Mada 17

18 Gas yang mengandung hidrokarbon (HC) yang akan diserap dengan non-volatile oil. Diketahui BM HC = 44 dan BM oil =300. Basis hitungan Ibmol gas masuk Gas keluar Cairan keluar Universitas Gadjah Mada 18

19 Neraca massa pada posisi tertentu: Dengan persamaan tersebut di atas, dapat ditentukan hubungan antara y dan x, dan garis tersebut selanjutnya disebut sebagai garis operasi. Data keseimbangan untuk keadaan ini dituliskan dalam kurva berikut: Untuk kasus ini, Universitas Gadjah Mada 19

20 Dengan : Algoritma perhitungannya sebagai berikut: y Y* 1 y 1 y* (1 y) lm y* y (Foust, et.ai., 1980) ( ) ( )( ) Penerapan Stage Wise Contact pada Menara Penyerap (Absorpsi) Absorpsi dapat berarti cara pemisahan komponen dalam gas dengan menggunakan solven penyerap (absorben). Atau suatu operasi yang berdasarkan daya serap/daya larut gas dalam cairan pada suhu dan tekanan tetap. Daya serap tergantung pada jenis dan jumlah solven serta jumlah plate. Universitas Gadjah Mada 20

21 Dari neraca bahan total didapatkan persamaan: Persamaan tersebut diatas merupakan persamaan garis operasi, yaitu hubungan komposisi dua arus yang berkontak bila pada stage wise contact merupakan komposisi antara 2 stages secara berurutan. Persamaan ini berlaku secara umum untuk seluruh menara. Universitas Gadjah Mada 21

22 Garis operasi dinyatakan dengan mol ratio bebas solute (X,Y) yang berupa garis lurus dalam diagram X,Y. Garis lurus menunjukkan sistem campuran encer (sedikit zat yang terlarut). Bila garis operasi dinyatakan dalam mol fraksi atau fraksi massa atas dasar massa total, maka garis operasinya akan berupa garis lengkung: Untuk sistem campuran pekat (banyak zat terlarut), akan seperti berikut: Absorpsi garis operasi lurus garis operasi di atas kurva seimbang LS/GS tetap Universitas Gadjah Mada 22

23 Stripper Untuk stripper dalam keadaan berlainan dengan absorber pada stripper komponen dalam cairan dikeluarkan ke gas dengan uap. Antara garis operasi dan kurva setimbang dengan batas terminal (1) dan (2) akan didapatkan jumlah stage atau dapat ditentukan tinggi tumpukan bahan isian: Stage Wise Contact: Kemungkinan-kemungkinan letak garis operasi Universitas Gadjah Mada 23

24 Garis AC adalah garis operasi untuk suatu keadaan absorpsi normal: ( ) ( ) Jika jumlah solven penyerap ditambah, maka L S akan bertambah sehingga L S /G S juga bertambah Untuk terminal (2) tetap, maka garis AC akan condong ke kiri Jika L S banyak, maka garis AC garis vertikal Jika solven dikurangi, maka 2 X 1 Solven masuk = solven ke luar Garis AC akan condong ke kanan dan menyinggung kurva seimbang, sehingga garis AD akan mengakibatkan ( ) minimum Pemakaian solven sebenarnya sebesar 1,5 2 (L s /V), dengan pertimbangan: Sifat fisik dan kimia solven Harga solven Biaya operasi A = L/mG ekonomis 1,5 2 Jumlah plate secara teoritis ditunjukkan dengan grafik 5.16 Treyball atau dengan persamaan: Absorption: Stripping: dengan: A = L/mG ; S = mg/l Universitas Gadjah Mada 24

25 Notasi lain untuk absorber yang menggunakan tray adalah: L 1 menjadi L Np G 1 menjadi G Np+1 L 2 menjadi L 0 G 2 menjadi G 1 x 1 menjadi x Np y 1 menjadi y Np+1 x 2 menjadi x 0 y 2 menjadi y 1 x 1 menjadi x Np x 2 menjadi x 0 y 1 menjadi y Np+1 y 2 menjadi y 1 Universitas Gadjah Mada 25

26 Universitas Gadjah Mada 26

27 Menara Penyerap dengan Bahan Isian Continuous Contact Universitas Gadjah Mada 27

28 1. HETP (Height of Packing Equivalent to A Theoritical Plate) HETP bervariasi terhadap: Tipe dan ukuran packing Flow rate 2. Transfer Unit Terdapat di dalam diferensial volum dz. Permukaan interfacenya dinyatakan dengan: ds = a dz Dengan Universitas Gadjah Mada 28

29 Jika ditinjau dari fasa cair: Universitas Gadjah Mada 29

30 Overall coefficient and transfer unit Atau Untuk larutan encer Dengan Garis operasi : Driving force: Universitas Gadjah Mada 30

31 Dengan : Larutan encer, Henry s Law dengan: A = L/mG Atau: Overall Heights of Transfer Unit Bila tahanan transfer massa semuanya ada di fasa gas y y*, maka: Untuk larutan encer: Universitas Gadjah Mada 31

32 Bila tahanan transfer massa semuanya ada di fasa cair: Contoh soal: Hitunglah tinggi packing yang dibutuhkan untuk soal sebelumnya! Penyelesaian: Gas : y 1 = 0,02 ; Y 1 = 0,0204 y 2 = 0,00102 ; Y 2 = 0,00102 G S = 0,01051 kmol/dt Cairan : x 1 = 0,1063 ; X 1 = 0,1140 x 2 = 0,005 ; X 2 = 0,00503 L S = 1,787 x 10-3 kmol/dt G S (Y 1 Y) = L S (X 1 X) 0,01051(0,0204 Y) = 1,787 x 10-3 (0,119 X) X x Y y 0,0053 0, , , ,02 0, , , ,04 0,0385 0, , ,06 0,0566 0, , ,08 0,0741 0, , ,10 0,0909 0, , ,119 0,1063 0,0204 0,020 Diketahul: = 0,0719 kmol/m 3 dt = 0,01377 kmol/m 3 dt Universitas Gadjah Mada 32

33 y yi Log y 0, , ,32-2, , , ,02-2,4486 0, , ,39-2,1599 0, ,0083 5,26-1,9893 0, ,0109 5,10-1,8687 0, ,0134 4,84-1,7734 0,020 0,0158 4,76-1,699 Universitas Gadjah Mada 33

34 Ulangi perhitungan di atas untuk overall coefficient Universitas Gadjah Mada 34

35 Menggunakan grafik 8.20 Dari grafik didapatkan nilai N t0g = 9,16 x y y 0, , , ,02 0, , ,04 0, , ,06 0, , ,08 0, , ,10 0, , ,119 0,0204 0, Universitas Gadjah Mada 35

36 Bila gas dan cairan dialirkan searah maka slope garis operasinya akan negatif Universitas Gadjah Mada 36