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

Transkripsi

1 PERANCANGAN PLAT

2 Tahapan Perancangan Plat 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 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 Plat umpan terletak : plat 8 dan 9 Efisiensi : 48,9673 Jumlah plat aktual : 25,9493 =26

5 1. Laju Alir Gas dan Cairan Komponen Metanol Air Metil benzoat. Umpan (kmol/jam) 416,4453 7, ,2530 Distilat (kmol/jam) 412,2408 0, Bottom (kmol/jam) 4,1645 7, ,2530 Total 468, , ,1185 Komponen Umpan (kg/jam) Distilat (Kg/jam) Bottom (kg/jam) Metanol 13326, , ,26249 Air 140, , ,6186 Metil Benzoat 5398, ,872 Total 18865, , ,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, ,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, ,7531 = 8955,8204 kg/jam = 2,4877 kg/s

7 2. Properti Bahan (1) 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 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 : Berat molekul : 136,14 kg/kmol 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 2. Properti Bahan (2) Menara Bagian Atas T = 339,98 K P = 1,1 atm BM a = 32,039 ρ v = 1,2572 kg//m3 = 792,0164 kg/m3 ρ L Menara Bagian Bawah T = 386,44 K P = 1,2 atm BM a = 42,4024 ρ v = 1,1601 kg//m3 = 934,0270 kg/m3 ρ L Komponen x f μ, cp Metanol 0,8870 0,3001 Air 0,0188 0,3813 Metil Benzoat 0,0943 0,6872

9 ρa. Berdasarkan Kecepatan Flooding 3. Diameter Kolom (1) u L f 1 ρρk v v U f = kecepatan flooding uap, m/s K 1 = kostanta Nilai F LV pada grafik flooding 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 Gbr 1. Grafik kecepatan flooding, sieve tray

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 K 1 =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 K 1 =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 Dc = (4 x A c /pi) 0,5 = 0,7256 m

11 B. Berdasarkan Kecepatan Uap max Bagian Atas Kecepatan uap max: L v U v Lt Lt v L t : jarak antar plat, dari grafik U v = (-0,171 x 0, ,27 x 0,6-0,047) ((792,0164-1,2572)/1,2572) 0,5 = 1,3403 m/s Diameter menara: 4V V w D c vu v 0.5 D c = ((4 x 5,7957)/(3,14 X 1,2572 x 1,3403)) 0,5 = 2,0927 m

12 Bagian Bawah Kecepatan uap max: U v L 2 t L t : jarak antar plat 0.27 L t L U v = -,171 x 0, ,27 x 0,6-0,047 (934,0207-1,1601)/1,1601) 0,5 = 1,5154 m/s Diameter menara: v v 0.5 D c 4V w U v v 0.5 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 m 3 /s Bagian Stripping Q max = Lw/ ρl = 2,877/934,0270 = 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 vaporliquid disengagement = Ac-Ad for single pass plate A a = active or bubbling area, = 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 Sieve tray

16

17 Perhitungan Plate Area A d = 0,12 x Ac = 0,12 x 2,7032 m 2 = 0,3244 m 2 A n = A c - A d = 2,7032-0,3244 m 2 A a = A c 2A d = 2, x 0,3244 = 2,0544 m 2 A h = 0,1A a = 0,1 x 2,0544 = 0,2054 m 2 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 tebal plat = 5 mm = 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 : ^ K (25.4 dh) u h 1/ 2 v U h d h K 2 = kecepatan uap minimum melalui lubang, m/s = diameter lubang, mm = konstanta, tergantung pada kedalaman cairan pada plat, dari gambar 11.30

19

20 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: h ow L w 750 Llw 2/3 h ow max = 750 (2,1259/(792,0164 x1,55)) 2/3 = 10,82 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 = ,32 = 67, 4378 mm Dari gambar 11.30, pada h w + h ow min = 67,43 mm K 2 = 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 V h < U h, maka weeping tidak terjadi = 3,1050 m/s

21 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 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 : h t = h d + (h w + h ow ) + h r 7. Plate Pressure Drop

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 h /A a = 10% didapat coeff. orifice = 0,74 h d 2 u h 51 C o v L h d = 51(22,4396/0,74) 2 x (1,2572 /792,10) = 74,44 mm cairan

23 **Residual Head h r 12.5x10 L 3 = (12,5 x10 3 )/792,1064 = 13,3819 mm cairan **Total plate pressure drop h t = h d + (h w +h ow ) + h r = 74, , ,3819 = 155,2609 mm cairan ** Total plate pressure drop ΔP = 9,81 x 10-3 x h t x ρ L = 9,81 x 10-3 x 155, 2609 x 792,1064 = 10,113 mmhg

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. 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: h b =(h w + h ow ) + h t + h dc

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): h dc L wd A m h dc L wd 166 L Am 2 = head loss pada downcomer, mm = laju alir cairan dalam downcomer, kg/s = downcomer area A d, atau clearence area under the downcomer, A ap, m 2 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: h ap = h w (5 sampai 10 mm)

26 Perhitungan Dipilih: h ap = = 40 mm = 0,04 A ap = h ap x l w = 0,04 m x 1,55 m = 0,0619 m 2 Menara bagian atas: Head loss pd downcomer: 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, ,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, ,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: t r A d h L b w L t r h bc = residence time = 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 yang memberikan fraksional entrainment (kg/kg gross liquid flow) sebagai fungsi faktor cairan-uap, F LV, dengan pendekatan persentase floding sebagai parameternya. Persentasi flooding: % flooding un actual velocity flooding velocity, Batasan tertinggi nilai entraintment adalah 0,1. Di bawah nilai ini pengaruh entrainment terhadap efisiensi kecil. uf atas bawah

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 diperoleh Ψ = 0,075 < 0,1 OK Bagian bawah 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 diperoleh Ψ = 0,025 < 0,1 OK.

31 10. Tray Layout 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 direkomendasikan : u diameter < 1,5 m 75 mm; diatas 1,5 100 mm. Lebar support ring u sekat normalnya 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 55 m 2, m α

33 Perforated Area Dari gambar pada l w /D c = 1,55/ 2,0927 = 0,78, diperoleh θ =102 o α = = 78 o 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 m 2 Luas calming zone, A cz = 2(0,05)x(1,55-2x0,05) = 0,0162 m 2 Luas total tersedia u perforated, A p =A a -(A up + A cz ) = 2, (0, ,0162) = 2,0243 m 2

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: A A h p d 0,9 l h p 2 Persamaan diplot pd gambar d h = dimeter hole = hole pitch l p

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 Luas 1 hole = ¼ x 3,14 x 0,005 2 = 1,96 x 10-5 Jumlah hole= A h / luas 1 hole = 0,2054/1,96 x 10-5 = ,077 holes

36 Spesifikasi plate Diameter plat Diameter lubang Hole pitch Jumlah lubang TDR material plate Material downcomer Tray spacing Plate thickeness Panjang weir Tinggi weir Plate pressure drop 2,0927 m 0,005 m 0,0149 m % Stainless steel Stainlees steel 0,6 m 0,003 m 1,55 m 0,05 m 10,113 mmhg

37 1,55 m 2,0279 m