SIMULASI KOLOM DISTILASI JENIS SIEVE TRAY UNTUK SISTEM TERNARY METANOL ETANOL AIR

Transkripsi

1 PROSIDING SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2004 ISSN : SIMULASI KOLOM DISTILASI JENIS SIEVE TRAY UNTUK SISTEM TERNARY METANOL ETANOL AIR Herry Santoso, Sobar Malk, Grace Mayasar dan Harry Kusnawan Jurusan Teknk Kma, Fakultas Teknolog Industr, Unverstas Katolk Parahyangan Jl. Cumbuleut 94, Bandung Telp/Fax: , E-mal: hsantoso@home.unpar.ac.d Abstrak Dstlas merupakan metode pemsahan yang banyak sekal dgunakan d ndustr. Metode n sudah dkenal sejak dulu untuk pembuatan mnuman beralkohol. Jens kolom dstlas yang banyak dgunakan adalah jens seve tray, karena jens n membutuhkan baya nvestas dan perawatan relatf lebh kecl dbandngkan jens kolom lannya. Selan tu seve tray juga mempunya performa yang cukup bak. Smulas dalam peneltan n dlakukan dengan cara mengubah masukan kolom kemudan mengamat pengaruhnya terhadap keluaran kolom. Masukan yang dvaraskan melput varas besar laju umpan, varas komposs metanol dalam umpan, varas besar refluks, serta varas jumlah uap yang dhaslkan reboler. Sementara keluaran kolom yang damat adalah komposs metanol, etanol, dan ar dalam dstlat dan bottom. Berdasarkan hasl smulas yang dlakukan ddapatkan bahwa secara gars besar varas laju umpan, konsentras metanol dalam umpan, dan laju caran refluks (Lr) memberkan pengaruh yang serupa untuk konsentras zat d dstlat dan produk bawah. Semakn besar laju umpan, konsentras metanol dalam umpan, dan laju caran refluks, semakn besar pula konsentras metanol dalam dstlat dan produk bawah. Sementara tu, varas jumlah uap yang dhaslkan reboler memberkan pengaruh yang bertolak belakang. Dalam setap varas, konsentras zat yang palng tdak volatl (ar) memlk respon yang bertolak belakang dengan konsentras zat palng volatl (metanol). Kata kunc : Dstllaton; Equlbrum Model; SeveTray Pendahuluan Dstlas merupakan metode pemsahan suatu komponen dar suatu campuran, yang bergantung kepada dstrbus komponen tersebut pada fasa gas dan fasa car, dmana semua komponen berada d kedua fasa. Pada awalnya, dstlas dgunakan sebaga sebuah metode dalam pembuatan mnuman beralkohol. Pada akhr abad XX stud mengena dstlas berkembang serng dengan perkembangan komputer dalam melakukan perhtungan-perhtungan eksak yang memberkan hasl jauh lebh akurat dalam mendesan system dstlas. Telah dketahu bahwa kolom tray banyak sekal dgunakan dalam ndustr, dbandngkan kolom packed. Hal n dkarenakan kolom tray mempunya lebh banyak kelebhan dbandngkan kolom packed, dantaranya kolom tray lebh mudah doperaskan dengan nterreboler, ntercondenser, coolng col, dan sde draw off; tray bsa mengatas padatan lebh bak saat terjad foulng; waktu tnggal campuran d dalam kolom lebh lama dbandngkan packed; kolom tray lebh mudah dbershkan dar packed; untuk laju alr caran yang tngg kolom tray tdak mengalam penurunan kapastas, sedangkan pada kolom packed kapastas n harus urunkan; dan secara keseluruhan harganya lebh murah dbandngkan kolom packed. Peneltan n bertujuan untuk melakukan pemodelan suatu kolom dstlas tray yang memberkan keakuratan yang bak terhadap perolehan dstlat dan mempelajar pengaruh dar varas laju dan komposs umpan, serta varas refluks dan jumlah uap yang dhaslkan reboler terhadap perolehan dstlat dan bottom. D-1-1

2 Pemodelan Kolom Dstl;as Skema kolom dstlas yang dgunakan adalah sebaga berkut : CW n out FC LC Dstllaton Column Steam n out Gambar 1. Skema Proses Dstlas Adapun asums-asums yang dgunakan pada peneltan n adalah : 1. Adanya kesetmbangan uap car d setap tahap dalam kolom. 2. Caran turun ke tahap yang ada d bawah tahap kesetmbangan dan uap sebalknya, sehngga perhtungan dlakukan dsetap tahap. 3. Caran pada tap tray tercampur sempurna dan bersfat nkompresbel 4. Feed masuk sebaga saturated lqud 5. Holdup uap pada tray dabakan 6. Constant molar overflow Model kolom yang dgunakan dalam peneltan n adalah sebaga berkut: Model kolom rectfyng dx = ((( xr xr Lr yr yr Vr HL (1) + 1 ) ) + (( 1 ) )) Model kolom strppng dx = ((( xs xs Ls ys ys Vs HL (2) + 1 ) ) + (( 1 ) )) Model kolom umpan dx = ( xr(1) Lr xf Ls + ys(9) Vs yf Vr + xf F HL ) (3) Model kondensor total dx = Vr ( yr(9) xc Mc (4) ) Model reboler parsal dx = ( xs(1) Ls yb Vs xb B) Mb (5) Efsens pada setap tray yang dgunakan pada peneltan n dambl berdasarkan lteratur yatu sebesar 80% (Kster,1992). Sementara untuk menghtung kesetmbangan uap-car pada peneltan n, dgunakan metode UNIFAC. Metode UNIFAC sendr merupakan analog dar metode UNIQUAC, keduanya menggunakan metode pengelompokan kontrbus. UNIFAC merupakan metode yang palng abstrak dan basanya dgunakan untuk penaksran. Metoda UNIFAC dbutuhkan bla data spesfk tdak dketahu. Untuk menyelesakan model yang telah dbentuk, dgunakan metode penyelesaan sstem persamaan aljabar tak lner untuk smulas steady state dan metode ntegras numerk sstem persamaan dfferensal basa (Ordnary Dfferental Equaton/ODE) masalah nla awal untuk smulas dnamk. Prant lunak yang dgunakan dalam penyelesaaan numerk n adalah MATLAB TM v6.1. Adapun fungs yang dpaka adalah D-1-2

3 fsolve untuk penyelesaan sstem persamaan aljabar tak lner dan ode15s yang basanya dgunakan untuk menyelesakan sstem persamaan dfferensal basa jens stff equaton masalah nla awal. Smulas Dalam smulas n, varas besar refluks dan besar kalor pada reboler dlakukan dengan menggunakan besaran lan. Pada varas besar refluks, dgunakan besar laju alran caran untuk bagan rectfyng (Lr). Hal n dapat dlakukan sesua dengan hubungan bahwa: R = Lr (6) D Sedangkan untuk varas besar kalor pada reboler, dgunakan besar laju uap untuk bagan strppng (Vs). Hal n dmungknkan karena besar keclnya kalor yang dpasok pada reboler secara langsung akan mempengaruh jumlah uap yang terbentuk yang selanjutnya akan masuk kembal ke dalam kolom dstlas dan selanjutnya akan dkenal sebaga besaran Vs. Semakn besar kalor yang dpasok, semakn banyak pula uap yang terbentuk, begtu pula sebalknya. Penggantan besaran n dlakukan dengan tujuan untuk mempermudah permodelan. Adapun hasl smulas yang ddapatkan adalah sebaga berkut : Kurva perubahan fraks mol tap tray No Tray Fraks Mol Methanol ar Etanol Gambar 2. Kurva perubahan fraks mol tap tray Tray 1 merupakan reboler, tray 11 merupakan tray umpan sementara tray 21 merupakan tray kondensor. Pada grafk terlhat bahwa untuk fraks metanol terjad penngkatan secara konstan untuk tap traynya, fraks mol ar akan turun sejalan dengan penurunan tray, sementara fraks mol etanol mengkut kecenderungan dar fraks mol ar. Hal n dsebabkan ttk ddh etanol yang hampr terletak d tengah-tengah ttk ddh ar dan metanol, selan tu jumlah dar metanol sama banyaknya dengan jumlah etanol dan ar. Pada tray umpan terjad perubahan yang cukup sgnfkan, hal n dkarenakan pada tray feed terdapat masukan yang berasal dar umpan. D-1-3

4 Perubahan Fraks Mol Metanol D Dstlat Perubahan Fraks Mol Metanol D Bottom Fraks Mol % -10% -5% 0% 5% 10% 15% Besar Perubahan Fraks Mol % -10% -5% 0% 5% 10% 15% Besar Perubahan Perubahan Fraks Mol Etanol D Dstlat Perubahan Fraks Mol Etanol D Bottom Fraks Mol % -10% -5% 0% 5% 10% 15% Besar Perubahan % -10 % -5% 0 % 5% 10 % 15% B esar P erub ahan Perubahan Fraks Mol Ar D Dstlat Perubahan Fraks Mol Ar D Bottom % -10 % -5% 0 % 5% 10 % 15% B esar P erub ahan % -10 % -5% 0 % 5% 10 % 15% B esar P erub ahan Gambar 3. Kurva perubahan fraks mol d dstlat dan bottom untuk tap komponen Penambahan laju umpan akan menngkatkan konsentras metanol d dstlat dan produk bawah. Sedangkan pengurangan laju umpan akan mengakbatkan menurunnya konsentras metanol d dstlat dan produk bawah. Penambahan laju umpan memlk pengaruh yang berkebalkan terhadap konsentras ar, sementara untuk etanol secara gars besar respon yang dhaslkan memlk kecenderungan yang sama dengan respon ar, hanya saja produk bawah, pengurangan laju umpan akan mengakbatkan menurunnya konsentras etanol. Penambahan jumlah umpan juga akan mengakbatkan penngkatan jumlah produk bawah yang dperoleh. Perubahan fraks mol metanol pada umpan menghaslkan efek yang sejalan dengan gangguan yang dberkan. Penngkatan fraks mol metanol pada umpan akan menngkatkan fraks mol metanol sekalgus D-1-4

5 mengurang fraks mol etanol dan ar pada umpan, begtu pula sebalknya. Penngkatan fraks mol suatu komponen pada umpan akan mengakbatkan menngkatnya konsentras komponen tersebut d dstlat dan produk bawah, sedangkan penurunan fraks mol suatu komponen pada umpan akan mengakbatkan penurunan fraks mol komponen tersebut d dstlat dan produk bawah. Hanya saja pada respon produk bawah untuk etanol, pengurangan fraks mol metanol mengakbatkan turunnya fraks mol etanol karena pertambahan jumlah etanol lebh sedkt dbandngkan pertambahan konsentras ar d dalam kolom dstlas sehngga walaupun jumlah etanol d produk bawah menngkat tetap fraks molnya menurun. Perubahan besar laju caran bagan rectfyng (Lr) memlk pengaruh yang sejalan dengan respon yang ddapatkan untuk fraks mol metanol pada dstlat dan produk bawah. Penambahan Lr akan mengakbatkan menngkatnya fraks mol metanol pada dstlat dan produk bawah, begtu pula sebalknya. Sedangkan pengaruh laju Lr terhadap fraks mol ar d dstlat dan produk bawah berkebalkan dengan pengaruh yang dberkan varas n terhadap fraks mol metanol d dstlat dan produk bawah. Sementara pada respon fraks mol etanol ddapatkan bahwa kenakan laju Lr lebh kecl pengaruhnya terhadap fraks mol etanol yang ddapat d dstlat dan produk bawah bla dbandngkan dengan penurunan laju Lr. Penambahan Lr juga mengakbatkan menngkatnya jumlah produk bawah yang dperoleh, begtu juga sebalknya. Sedangkan varas penambahan laju uap (Vs) akan mengakbatkan konsentras metanol berkurang, bak pada dstlat maupun produk bawah. Sementara pengurangan Vs akan mengakbatkan konsentras metanol pada dstlat dan produk bawah menngkat. Varas n memlk pengaruh yang bertolak belakang terhadap konsentras ar d dstlat dan produk bawah bla dbandngkan dengan pengaruhnya terhadap konsentras metanol. Dar respon yang ddapatkan juga terlhat bahwa penurunan besar laju uap (Vs) lebh kecl pengaruhnya terhadap fraks mol etanol d dstlat dan produk bawah bla dbandngkan dengan penngkatan laju Vs. Penngkatan jumlah kalor yang dberkan pada reboler juga akan mengakbatkan menngkatnya jumlah dstlat yang akan dperoleh, begtu pula sebalknya. Kesmpulan 1. Kolom dstlas dapat dmodelkan dengan menggunakan pendekatan teortk melalu neraca massa dan persamaan kesetmbangan uap-car. 2. Secara gars besar dapat dkatakan varas laju alr umpan, konsentras umpan, dan laju car (Lr) memberkan efek yang sama terhadap konsentras zat d dstlat maupun produk bawah. Semakn besar laju alr umpan, konsentras umpan serta laju car, semakn tngg pula konsentras zat volatl d dstlat dan produk bawah. 3. Varas Vs memberkan pengaruh yang berkebalkan dar varas-varas yang lan, semakn besar laju Vs atau kalor yang dberkan kepada reboler, maka semakn rendah konsentras zat volatl d dstlat dan produk bawah.. 4. Secara gars besar dapat dkatakan bahwa varas yang dlakukan memberkan pengaruh yang berbandng terbalk antara zat yang volatl dengan zat palng tdak volatl. 5. Varas besar Vs dan Lr memberkan pengaruh yang lebh besar darpada pengaruh yang dberkan oleh varas laju alr umpan dan fraks umpan. Vs adalah yang palng berpengaruh. Daftar Notas D laju alr dstlat, kmol/jam F laju alr massa feed, kmol/jam Lr laju alr massa caran d rectfyng, kmol/jam Ls laju alr massa caran d strppng, kmol/jam R Refluks Vr laju alr massa uap d rectfyng, kmol/jam Vs laju alr massa uap d strppng, kmol/jam HL Hold up lqud, kmol Mc Hold up kondensor, kmol Mb Hold up boler, kmol xr fraks mol lqud d rectfyng xs fraks mol lqud d strppng yr fraks mol vapour d rectfyng ys fraks mol vapour d strppng Subscrpt dan superscrpt: tahap pada tray D-1-5

6 Daftar Pustaka 1. Brd, R. B., Warren E. S., and Edwn N. L., Transport Phenomena, John Wley & Sons, Inc., Sngapore, Daubert, Thomas E., Chemcal Engneerng Thermodynamcs, McGraw-Hll, Unted States of Amerca, Geankopls C. J., Transport Processes and Unt Operatons, 3rd ed., Prentce-Hall Int. New Jersey, Humphrey, Jmmy L. And George E. K. II, Separaton Process Technology, McGraw-Hll, Unted States of Amerca, Kster, Henry Z., Dstllaton Desgn, McGraw-Hll, Unted States of Amerca, Khrsna, R., Koojman, Hendrk K. and Taylor, R., Real World Modellng Of Dstllaton, CEP Magazne, July Koojman, Hendrk K. and Taylor, R., Modellng Mas Transfer In Multcomponent Dstllaton, The Chemcal Engneerng Journal 57(1995) : Luyben, Wllam L., Process Modellng, Smulaton and Control For Chemcal Engnneers, McGraw Hll, Sngapore, McCabe, W. L., Julan C. S. And Peter H., Unt Operatons of Chemcal Engneerng, 5th ed., McGraw Hll, Sngapore, Perry, R. H. and Green D. W., Perry s Chemcal Engneers Handbook, 7th ed., McGraw-Hll, New York, Phllp Thomas, Smulaton Of Industral Processes For Control Engnners, Butterworth Henemann, USA, Rce, R. G. and Do, D. D., Appled Mathematcs and Modellng for Chemcal Engneers, John Wley and Sons, New York, Seader, J. D. And Ernest J. H., Separaton Process Prncples, John Wley & Sons, Inc., Unted States of Amerca, Smth, J. M., Van Ness, H. C. and Abbot, M. M., Introducton to Chemcal Engneerng Thermodynamcs, 5th ed., McGraw-Hll, Sngapore, Treybal, R. E., Mass Transfer Operatons, 3rd ed., McGraw-Hll, Sngapore, Walas, Chemcal Process Equpment, 10th ed., Butterworth Publshers, USA, D-1-6