NON IDEALITAS SIFAT CAIRAN PADA VERIFIKASI MODEL NON KESEIMBANGAN MENARA DISTILASI

Transkripsi

1 Dasar-Dasar Teknk Kma ISSN NON IDELITS SIFT CIRN PD VERIFIKSI MODEL NON KESEIMBNGN MENR DISTILSI ref Budman, Sutjan, Erla Yusntha, dan Rmbo Bworondoko Process System Engneerng Research Group Jurusan Teknk Kma, Fakultas Teknk, UGM Jl.Grafka, Yogyakarta, 558 Indonesa e-mal : abudman@ugm.ac.d bstrak Model kesembangan pada menara dstlas merupakan model yang banyak dpaka untuk smulas perhtungan menara dstlas. Model n menganggap bahwa gas-caran yang keluar dar satu plate berada pada konds kesembangan, sehngga sangat populer karena sederhana dan tdak memerlukan perhtungan matematk yang rumt. Bagamanapun, saat n para chemcal engneers semakn sadar bahwa alran gas dan car yang mennggalkan plate tdak pada konds kesembangan satu sama lan. Proses pemsahan sebenarnya lebh banyak tergantung pada kecepatan perpndahan massa dar fase uap ke fase car. Pada tulasan terdahulu penuls mengusulkan model non kesembangan pada menara dstlas dan pada tulsan n akan dlakukan verfkas model dengan campuran non-deal etanol-ar pada skala laboratorum. Pada peneltan n dgunakan menara dstlas jens seve tray dengan plate, termasuk kondenser dan reboler. Dar percobaan yang dlakukan dperoleh data yang mendekat hasl smulas yang dajukan, sehngga dapat dkatakan bahwa model yang dusulkan dapat memperkrakan unjuk kerja menara dstlas pada skala ndustr. Kata kunc : dstlas, seve tray, model non kesembangan. bstrak The equlbrum stage model s the most popular model for smulatng dstllaton. Ths model s so smple n concepts, so elegant from the mathematcal vew of pont. Recently, however, chemcal engneers have long been aware that the stream leavng a real tray are not n equlbrum. In fact, the separaton actually acheved depends on the rates of mass transfer from the vapor to the lqud phases and these rates depend on the etent to whch the vapor and lqud stream are not n equlbrum wth each other. In the prevous paper, author have proposed non-equlbrum model for dstllaton column. Ths paper wll dscussed the verfcaton of the proposed model wth the lab-scale eperment of ethanol-water mture. Ten plates of seve tray column ncludng condenser and reboler used n ths study. The mass transfer model used n ths study shows reasonably good agreement wth the epermental results, so t s capable for predctng actual dstllaton column performance n the ndustry. Keyword : dstllaton, seve tray, non-equlbrum model.. Pendahuluan Dstlas merupakan proses pemsahan campuran caran berdasarkan perbedaan volatlas dan sudah dpaka sejak abad ke satu maseh. Selanjutnya pada abad ke sebelas, salah satu perusahaan d Ital memproduks alkohol secara batch. Baru pada abad ke duabelas, dstlas dengan sstem multstage dan kontnyu banyak dpaka secara luas untuk memsahkan campuran caran. Salah satu kendala yang dhadap pada proses n adalah kebutuhan energ yang dperlukan cukup besar (Porter, 995). Untuk keperluan perancangan menara dstlas, model yang serng dpaka adalah model kesembangan, sepert yang basa daplkaskan pada metoda Ponchon Savart maupun McCabe-Thele (Kng, 97). Model n Penngkatan Daya Sang Nasonal Melalu Pemanfaatan Sumber Daya lam untuk Pengembangan Produk dan Energ lternatf

2 Dasar-Dasar Teknk Kma ISSN menganggap bahwa suhu caran dan gas keluar dar suatu plate mempunya nla yang sama. Konsekuens dar model n adalah panas yang dbawa gas dterma oleh caran semua, sehngga perpndahan panas dar fase gas ke fase car berlangsung sempurna. Dalam perkembangannya semakn dsadar bahwa kontak uap-car yang relatf sngkat kadang belum memungknkan terjadnya kesembangan fase, sehngga dperlukan suatu faktor untuk mengoreks metodametoda perhtungan yang sudah ada. Untuk merevs keadaan deal tersebut dtambahkan harga efsens menara yang nlanya berksar -7 % (McCabe et.al., 985). kan tetap, pada kenyataannya konsep npun mash belum dapat memberkan gambaran konds yang sesungguhnya pada menara dstlas, sehngga muncul model non kesembangan. Model non kesembangan, yang juga dkenal dengan mass transfer model, memperhatkan adanya perpndahan panas dan massa yang terjad secara smultan melewat nterfase pada saat terjad kontak car-gas. Banyak tulsan tentang model n terutama pada kolom dengan bahan san (Krshnamurty dan Taylor, 985; Koojman dan Taylor, 995). Pada artkel terdahulu penuls (Budman, 999) mempelajar model n untuk kolom jens seve tray. nggapan yang dpaka adalah fase gas mengontrol kecepatan penguapan maupun pengembunan pada tap-tap plate, sehngga neraca massa, neraca panas, fluks dfus dan fluks konvektve dpaka untuk menghtung proses kesembangan, penguapan dan pengembunan pada suatu plate. Pada model n sfat caran pada kesembangan gas-car mash danggap deal. Model non kesembangan n dapat dlhat pada append. Pada tulsan n akan dkembangkan model non kesembangan dengan sfat caran non deal. Selanjutnya dlakukan verfkas model yang ada dengan data peneltan d laboratorum. Campuran yang dgunakan adalah ethanol-ar.. Model dan smulasnya a. Kesembangan uap-car Model sederhana campuran dua caran adalah dengan menganggap campurannya deal. Banyak pustaka yang telah membahas sepert Smth, J.M., et al (). Hubungan fraks mol caran dan gas pada model n mengkut persamaan: sat Py = P () Persamaan () juga dkenal dengan hukum Roult, dan dapat pula dtuls sat P P y = = () P P Nla tekanan uap murn P dapat dcar dengan bantuan persamaan ntone. Pada konds sebenarnya, campuran deal tdak dapat dgunakan, sehngga dperlukan faktor koreks yang dkenal dengan koefsen aktvtas, γ dan persamaan dapat dtuls sebaga: sat γp γp y = = () P P Untuk mencar besarnya γ ada beberapa persamaan yang bsa dgunakan, sepert Margules, van Laar, NRTL, UNIQUC dan Wlson (Seader and Henley, 998). Jka dgunakan persamaan Wlson, γ dapat dcar dengan persamaan ln = ln( + ) γ (4) ln = ln( + ) + + γ (5) dengan, Λ, Λ = koefsen Wlson untuk pasangan bner, Harga γ pada persamaan (4), (5) dan harga tekanan uap murn, P dan tekanan total P dapat dpaka untuk mencar hubungan gas-car. Selanjutnya persamaan tersebut dpaka bersama-sama dengan persamaan model non kesembangan sepert yang dpaparkan pada ppend. b. Smulas program Smulas model non-kesembangan dengan sfat caran non deal datas dlakukan dar puncak ke bagan bawah menara. Komposs caran pada plate dber harga tertentu untuk sebaga awal dengan cara tral-error. Setelah konds pada plate dketahu (F lq dan F gas ), neraca massa dan neraca panas pada plate dapat dhtung. Dengan defns fluks massa, jumlah perubahan masng-masng komponen dapat dketahu. Selanjutnya, kecepatan alran caran dan gas masuk pada batas bawah juga dapat dhtung. Dengan dketahunya Penngkatan Daya Sang Nasonal Melalu Pemanfaatan Sumber Daya lam untuk Pengembangan Produk dan Energ lternatf

3 Dasar-Dasar Teknk Kma ISSN fraks mol pada kedua fase, suhu d fase uap dan car yang merupakan dew-pont dan bubble-pont temperature dapat pula dhtung. Pada reboler, perhtungan dlakukan dengan menganggap terjad kesembangan. Komposs menara bagan bawah dhtung dengan neraca massa sektar reboler. Jka komposs hasl bawah berdasarkan kesembangan dan neraca massa mempunya harga yang hampr sama, perhtungan dhentkan. Jka belum, maka perhtungan dulang dar plate dengan menggunakan nla awal yang berbeda. Demkan seterusnya sampa nla tolerans tercapa. Gambar menunjukkan harga koefsen aktvtas, γ dsetap plate untuk R=. dan R=.. Terlhat bahwa γ untuk R=. dan R=. nlanya hampr sama, sedangkan γ untuk R=. nlanya lebh tngg dbandngkan γ untuk R=.. Secara umum terlhat juga bahwa, γ nlanya nak dar plate ke plate, dan sebalknya γ turun dar atas ke bawah.. Verfkas model dengan data laboratorum Setelah data smulas dhaslkan dar model yang dusulkan, selanjutnya dlakukan verfkas model dengan data yang dambl d laboratorum. Gambar adalah rangkaan alat yang terdr dar satu set alat Contnue Dstllaton Column yang dkontrol dengan sebuah komputer PC menggunakan software Geness Control Seres (rmfeld, 996). Menara terdr dar 8 seve tray dan masng-masng tray mempunya buah hole dengan dameter hole sebesar.5 m. Tngg caran dalam plate aebesar, m. Plate adalah kondenser total, plate adalah reboler dan umpan masuk menara pada plate 6. Pada peneltan n dgunakan campuran bner etanol-ar. Mula-mula tangk umpan ds dengan 5 lter umpan. Reboler ds dengan lter campuran etanol dan ar yang mempunya fraks mol mendekat konds kesembangan saat proses sudah berjalan dengan maksud untuk mempercepat tercapanya konds steady state pada proses dstlas. dawal dengan memastkan semua valve dalam keadaan tertutup kemudan menghdupkan komputer dan power control console. Selanjutnya, menghdupkan reboler pada nla tertentu dengan mengatur pada power control console dan kran ar pendngn dbuka dengan kecepatan,5 lter/ment. Pada step n campuran etanol-ar yang terdapat dalam reboler akan mula menguap, campuran uap akan masuk kondenser, kemudan oleh kondensor akan dcarkan kembal. Caran yang keluar dar kondensor dtampung pada tangk destlat dan akan mengalr ke kran pangatur reflu. dmula pada reflu total, artnya semua uap yang terkondensas akan dkembalkan ke kolom. Sstem n akan berada dalam konds stedy state apabla temperatur pada setap tray hampr konstan (tdak berubah terhadap waktu). pabla sstem sudah stabl pada reflu total, umpan dmasukkan dengan menghdupkan pompa pada rpm. Bersamaan dengan tu reflu dset sesua dengan yang dngnkan. Kecepatan destlat yang dngnkan dset dengan mengatur beban reboler. Proses n akan mencapa konds steady state apabla pada beban reboler, kecepatan umpan, reflu rato dan kecepatan destlat tertentu memberkan nla temperature d tap plate yang konstan (tdak berubah lag terhadap waktu). Setelah konds stedy state tercapa, temperature yang dtunjukkan oleh alat dcatat, kemudan hasl atas dan hasl bawah dambl. γ, koef aktftas gamma,r gamma,r gamma,r gamma,r Nomer Plate, N Gambar. Nla koefsen aktftas, γ dsetap plate untuk R=. dan. 4. Hasl dan Pembahasan Kasus Utama Sebaga kasus utama dgunakan campuran bner ethanol () dan ar () dengan kecepatan,9 mol/detk dengan fraks mol yang sama, =,5 dan =,5. Umpan dmasukkan menara pada plate 6 dan kecepatan hasl atas/dstlat dset pada kecepatan dstlat D =.86 mol/detk atau, F. Gambar menunjukkan unjuk kerja hasl atas (,D ) pada berbaga reflu rato. Blok data/ttk yang dhubungkan satu sama lan merupakan data,d hasl smulas, sedangkan blok data/ttk yang tdak dhubungkan merupakan data,d Gambar. Rangkaan alat percobaan Penngkatan Daya Sang Nasonal Melalu Pemanfaatan Sumber Daya lam untuk Pengembangan Produk dan Energ lternatf

4 Dasar-Dasar Teknk Kma ISSN hasl percobaan laboratorum. Jka dbandngkan antara.69 data,d hasl smulas dengan data,d hasl percobaan laboratorum, terlhat bahwa data hasl smulas sangat dekat dengan data percobaan. Dar hasl perhtungan.67 dperoleh tngkat kesalahan sebesar,67 %. Hal yang perlu dcatat adalah adanya nla,d optmum bak dar data smulas maupun data percobaan, yatu saat R=4. Untuk melhat seberapa jauh penympangan data smulas dengan data laboratorum dar fraks mol etanol d.65.6 Smulas setap plate sepanjang menara, dtamplkan pada operas R=, sepert terlhat pada Gambar 4. Jka dbandngkan antara fraks mol etanol hasl smulas dengan hasl percobaan, terlhat bahwa pada N= sampa dengan N= 6 Reflu Rato, R Gambar. Unjuk kerja hasl atas pada berbaga nlanya bermpt. Sedangkan pada N= 7 dan N= 9 terdapat sedkt penympangan. Tngkat penympangan rata-rata dar data tersebut besarnya 4,44 %. Reboler pada proses dstlas merupakan sumber panas yang bebannya tergantung seberapa banyak caran jumlah beban reboler akan nak serng dengan kenakan yang duapkan. Sedangkan jumlah caran tersebut sangat Smulas tergantung seberapa besar operas reflu rato. kbatnya reflu rato. Hubungan reflu rato dengan beban reboler.5.45 pada kasus yang dtnjau (D=. F) dapat dlhat pada Gambar 5. Fraks mol, X Nomer Plate, N Gambar 4. Hubungan antara fraks mol alkohol dengan nomor plate Jka dbandngkan antara data beban reboler, Qreb hasl smulas dengan Qreb hasl percobaan, terlhat bahwa pada R= sampa dengan R=4 nlanya bermpt. Sedangkan pada R= dan R=5 terdapat sedkt penympangan. Dengan menganggap efsens reboler 95 %, tngkat penympangan rata-rata dar data tersebut besarnya 4, %. Kondenser merupakan heat snk yang bebannya tergantung seberapa banyak uap yang dembunkan. Sedangkan jumlah uap tersebut tergantung seberapa besar operas reflu rato. kbatnya jumlah beban kondenser akan nak serng dengan kenakan reflu rato. Hubungan reflu rato dengan beban kondenser pada kasus yang dtnjau (D=. F) dapat dlhat pada Gambar 6. Jka dbandngkan antara data beban kondenser, Qkond hasl smulas dengan Qkond hasl percobaan, terlhat bahwa pada R= sampa dengan R=5 nlanya bermpt. Sedangkan pada R= terdapat sedkt penympangan. Dengan menganggap efsens kondenser 95 %, tngkat penympangan rata-rata besarnya,77 %..5 X,D Beban Reboler, KJ/s Smulas Refluks Gambar 5. Hubungan reflu rato dengan beban reboler pada D=,F 5. Kesmpulan Model non kesembangan menara dstlas telah dkembangkan. Pengujan model dlakukan pada skala laboratorum untuk campuran non deal. Data percobaan menunjukkan bahwa terdapat harga reflu rato optmum dan harga n dapat dcar dengan smulas model nonkesembangan yang dusulkan. Verfkas data hasl smulas model non-kesembangan dengan data hasl percobaan mempunya harga yang tdak jauh berbeda, sehngga model yang dusulkan dapat dpaka untuk mempredks unjuk kerja menara dstlas. Q kondenser, kj/s.4... Smulas Refluk Gambar 6. Hubungan reflu rato dengan beban kondenser pada D=,F Penngkatan 4 Daya Sang Nasonal Melalu Pemanfaatan Sumber 4 Daya lam untuk Pengembangan Produk dan Energ lternatf

5 Dasar-Dasar Teknk Kma ISSN Daftar Pustaka rmfeld, (996), Instructon Manual Contnuous Dstllaton Column, rmfeld Ltd., England. Budman,., (999), Perancangan Menara Dstlas Dengan Model Non Kesembangan, Semnar Nasonal Dasar-Dasar dan plkas Perpndahan Panas dan Massa, PU IT, UGM, hal 9-95 Budman,. and Bayu, H.T., (), Eergy nalyss of Heat Integrated Dstllaton Column, Internatonal Conference on Effcency, Cost, Optmzaton, Smulaton and Envronmental spect of Energy System, ECOS-, Berln, Germany. Ito,. and sano, K., (98), Thermal Effect n Non-dabatc Bnary Dstllaton; Effect of Partal Condensaton of Med Vapor on The Rates of heat and Mass Transfer and Predcton of H.T.U, Chem. Eng. Sc., 7, hal 7-4 Kng, C.J., (97), Separaton Processes, nd. Ed., McGraw-Hll, New York. Koojman, H. and Taylor, R., (995), Modellng Mass Transfer n Multcomponent Dstllaton, Chem. Eng. J., 57, hal Khrshnamurthy, R. and Taylor, R., (985), Nonequlbrum Model Stage of Multcomponent Separaton Processes, part : Model Descrpton and Method of soluton, ICHE J.,,, hal McCabe, W.L., Smth, J.C., and Harrot, P., (985), Unt Operatons of Chemcal Engneerng, 4 th ed., McGraw-Hll, New York. Ognsty, T.P., (995), nalyze Dstllaton Column Wth Thermodynamcs, Chem. Eng. Prog., 9,, hal 4-46 Porter, K.E., (995), Why Research s Needed n Dstllaton, Trans. I. Chem. E., 7, Part, hal 57-6 Seader, J.D. and Henley, E.J., (998), Separaton Process Prncples, John Wley & Sons, Inc., New York. Smth, J.M., Van Ness, H.C., and bbot, M.M., (), Chemcal Engneerng Thermodynamcs, 6th. Ed., McGraw-Hll, New York. ppend Model non kesembangan secara fss dapat dlhat pada Gambar -. Fluks massa dalam lapsan gas (N ) dapat dtulskan sebaga penjumlahan fluks massa secara dfus (J ) dan fluks massa secara konveks. N = J + Cvs. y (-) dengan C adalah molar denstas gas, dan v s adalah nterfacal velocty. Untuk menyelesakan persamaan d atas dapat dgunakan hubungan berkut (Kosuge and sano,98) : J D.668( π / 4Gz) o Sh = =.66 + ep(.98 Re. Sc) (-) CD ( y nt yout) +.4( π / 4Gz) dengan D o adalah dameter lubang pada fase uap. Blangan Graetz (Gz), Reynold (Re) dan Schmdt (Sc) dapat dhtung dengan persamaan : πdo V Gz = (-) 4D z V Re.Sc = s D (-4) o D Pada persamaan (-), (-) dan (-4) D adalah koefsen dfus efektf dar komponen dan dapat dhtung dengan persamaan Wlke. y D = (-5) Dj Gambar -. Model non kesembangan dengan Dj adalah koefsen dfus pasangan -j yang dapat dhtung pada suatu plate dar persamaan Fujta :.8.67T Dj = + (-6) P[ ( Tc / Pc) + ( Tc / Pc) j ] M M j dengan P adalah tekanan (atm), T c dan P c adalah suhu krts (K) dan tekanan krts (atm). M dan M j adalah berat molekul komponen dan j, serta T adalah suhu caran pada konds tersebut. Penngkatan 5 Daya Sang Nasonal Melalu Pemanfaatan Sumber 5 Daya lam untuk Pengembangan Produk dan Energ lternatf