Uruta ut n a Pemi sahan saha dan a Ur U uta ut n a Pemi sahan saha Di D stilasi a Biasa

Transkripsi

1

2 Urutan Pemisahan dan Urutan Pemisahan Distilasi Biasa Heri Rustamaji Referensi: Seider, W.D., Seider, J.D. and Lewin, D.R., 2003, Product & Process Design Principles - Synthesis, Analysis & Evaluation, 2nd Ed.

3 Pendahuluan Hampir semua proses kimia memerlukan pemisahan zat kimia (komponen), untuk : Memurnikan umpan Me-recovery komponen yang tidak bereaksi untuk di-recycle ke reaktor Memisahkan dan memurnikan produk dari reaktor Seringkali, biaya investasi utama dan biaya operasi proses akan berkaitan dengan peralatan pemisahan Untuk campuran biner, dimungkinkan untuk memilih metode pemisahan yang dapat memenuhi tugas pemisahan dalam satu alat. Lebih umum, campuran umpan melibatkan sistem pemisahan yang lebih kompleks.

4 TUJUAN Mengenal metode pemisahan yang digunakan di industri secara lebih luas dan dasar-dasarnya untuk pemisahan. Mampu menjelaskan konsep faktor pemisahan dan mampu memilih metode pemisahan yang sesuai untuk campuran zat cair. Mampu membuat urutan susunan kolom distilasi dan mampu menerapkan hirarki untuk mempersempit pencarian urutan yang mendekati optimal Mampu menerapkan metode sistematis untuk menentukan urutan optimal jenis pemisahan distilasi

5 Contoh: Recovery Butene Species b.pt.( C) Tc ( C) Pc, (MPa) Propane A Butene B n-butane C trans-2-butene D cis-2-butene E n-pentane F

6 Contoh: Recovery Butene Kolom 100 tray C3 & 1-Butene pada distillate Pengambilan Pentane sebagai produk bawah (bottoms) Pengambilan 2-C4=s sebagai distillate. Furfural direcovery sebagai bottoms dan direcycle ke C-4 Recovery Propane dan 1-Butene n C4 and 2-C4=s tidak dapat dipisahkan dengan distilasi biasa ( =1.03), sehingga 96% furfural ditambahkan sebagai extractive agent ( 1.17). Pengambilan nc4 sebagai distillate.

7 Pemisahan adalah Intensive Energi Tidak seperti pencampuran spontan zat kimia, pemisahan campuran bahan kimia memerlukan beberapa bentuk energi Pemisahan suatu campuran umpan ke dalam aliran yang komposisi kimianya berbeda dicapai dengan mendorong zat yang berbeda kedalam lokasi spasial yg berbeda, dengan satu atau kombinasi empat teknik yang umum di industri : Pembuatan transfer panas, kerja poros (shaft work), atau penurunan tekanan fasa kedua yang tidak bercampur dengan fasa umpan (ESA energy separating agent) Pengenalan kedalam sistem fasa fluida kedua (MSA mass separating agent). Ini kemudian harus dibuang/dipisahkan. Penambahan fasa padatan yang menyebabkan adsorpsi dapat terjadi Penempatan penahan membran

8 Metode Pemisahan Umum Separation Method Phase of the feed Separation agent Developed or added phase Separation principle Equilibrium flash L and/or V Pressure reduction or heat transfer V or L difference in volatility Distillation L and/or V Heat transfer or shaft work V or L difference in volatility Gas Absorption V Liquid absorbent L difference in volatility Stripping L Vapor stripping agent V difference in volatility Extractive Distillation L and/or V Liquid solvent and heat transfer V and L difference in volatility Azeotropic Distillation L and/or V Liquid entrainer and heat transfer V and L difference in volatility

9 Metode Pemisahan Umum Separation Method Phase of the feed Separation agent Developed or added phase Separation principle Liquid-liquid Extraction L Liquid solvent Second liquid Difference in solubility Crystallization L Heat transfer Solid Difference in solubility or m.p. Gas adsorption V Solid adsorbent Solid difference in adsorbabililty Liquid adsorption L Solid adsorbent Solid difference in adsorbabililty Membranes L or V Membrane Membrane difference in permeability and/or solubility

10 Metode Pemisahan Umum Separation Method Phase of the feed Separation agent Developed or added phase Separation principle Supercritical extraction L or V Supercritical solvent Supercritical fluid Difference in solubility Leaching S Liquid solvent L Difference in solubility Drying S and L Heat transfer V Difference in volatility

11 Seleksi Metode Pemisahan Pengembangan proses pemisahan membutuhkan pemilihan : Metode pemisahan (separation methods) Agen pemisahan (ESAs and/or MSAs) Alat pemisahan (Separation equipment) Susunan yang optimal atau urutan alat Suhu dan tekanan operasi yang optimal untuk alat Pemilihan metode pemisahan tergantung pada kondisi umpan: Vapor Liquid Solid Partial condensation, distillation, absorption, adsorption, gas permeation (membranes) Distillation, stripping, LL extraction, supercritical extraction, crystallization, adsorption, and dialysis or reverse osmosis (membranes) If wet drying, if dry leaching

12 Seleksi Metode Pemisahan Faktor pemisahan, SF, mendefinisikan derajat pemisahan yg dapat dicapai antara dua komponen kunci dari umpan. Faktor ini, untuk pemisahan komponen 1 dari komponen 2 antara fase I & II, untuk kontak tahap tunggal yaitu: SF C 1I / C 2I C 1II / C 2II C =variable composition, I, II = phases rich in components 1 and 2. (8.1) SF umumnya dibatasi oleh kesetimbangan termodinamika. Sebagai contoh, dalam kasus distilasi, penggunaan fraksi mol sebagai variabel komposisi dan misalkan fasa I adalah uap dan fasa II adalah cairan, batasan nilai dari SF diberikan dalam bentuk rasio kesetimbangan uap-cair (nilai-k) sebagai: y1 / x1 K1 P1 s SF 1, 2 s y2 / x2 K2 P2 for ideal L and V (8.2), (8.3)

13 Seleksi Metode Pemisahan Untuk operasi pemisahan uap-cair yang menggunakan MSA yang menyebabkan pembentukan larutan cairan non-ideal (misalnya distilasi ekstraktif): SF 1,2 2LP2s (8.5) Jika MSA digunakan untuk membuat dua fase cair, seperti dalam ekstraksi cair-cair, SF disebut sebagai selektivitas relatif, β, dimana: II / II SF 1,2 1LP1 s 1 2 1I / 2I (8.6) Secara umum, MSA untuk distilasi ekstraktif dan ekstraksi caircair dipilih berdasarkan kemudahan pemulihan untuk daur ulang dan untuk mencapai nilai yang relatif besar dari SF.

14 Equal Cost Separators Liquid-Liquid Extraction should NOT be used when α for ordinary distillation is greater than 3.2 Extractive distillation should NOT be used when α for ordinary distillation is greater than 2

15 Urutan Kolom Distilasi Biasa Gunakan urutan kolom distilasi biasa untuk memisahkan campuran multikomponen jika tersedia: pada setiap kolom > Beban reboiler tidak berlebih. Tekanan kolom tidak menyebabkan campuran mendekati titik kritis TC campuran. Pressure drop kolom dapat ditoleransi, terutama jika kondisi operasi vakum. Uap produk atas minimal dapat terkondensai secara parsial pada tekanan kolom untuk menyediakan refluks tanpa kebutuhan refrigerasi yang berlebih Suhu bagian bawah pada tekanan kolom tidak terlalu tinggi yang dapat terjadi dekomposisi kimia. Azeotropes jangan menghalangi pemisahan yag diinginkan.

16 Algoritma Menentukan Tekanan/Kondensor

17 Jumlah Urutan Kolom Distilasi Biasa (DB) Jumlah urutan yang berbeda dari P 1 kolom distilasi biasa NS, untuk menghasilkan P produk: Ns [2(P 1)]! P! (P 1)! (8.9) P # of Separators Ns

18 Contoh: 4 komponen

19 Contoh: 4 komponen

20 Urutan terbaik menggunakan hirarkis Berikut petunjuk yang serig digunakan untuk mereduksi jumlah urutan DB yang perlu dipelajari dengan detil: Pisahkan komponen yang tdk stabil secara termal, korosiv, atau reaktif secara kimia pada urutan awal. Pisahkan produk akhir satu demi satu sebagai distilat (the direct sequence). Sequence separation points to remove, early in the sequence, those components of greatest molar percentage in the feed. Sequence separation points in the order of decreasing relative volatility so that the most difficult splits are made in the absence of other components. Sequence separation points to leave last those separations that give the highest purity products. Sequence separation points that favor near equimolar amounts of distillate and bottoms in each column. The reboiler duty should not be excessive.

21 Latihan Rancang suatu urutan kolom distilasi biasa untuk memenuhi spesifikasi yang diinginkan.

22 Latihan - kemungkinan solusi Guided by Heuristic 4, the first column in position to separate the key components with the greatest SF. Sequence separation points in the order of decreasing relative volatility so that the most difficult splits are made in the absence of other components.

23 Latihan - kemungkinan solusi a = 1.5 a = 3.6 a = 2.8 a = 1.35

24 Complex Columns Dalam beberapa kasus, kolom kompleks harus dipertimbangkan daripada kolom sederhana ketika membuat urutan pemisahan Ref: Tedder and Rudd (1978)

25 Region Optimality Seperti ditunjukkan di bawah, optimal regions untuk berbagai konfogurasi tergantung pada komposisi umpan dan the ease-of-separation index (ESI) : ESI = AB/ BC ESI 1.6 ESI 1.6

26 Sequencing V-L Separation Ketika distilasi sederhana tidak praktis untuk semua separator dalam sistem pemisahan campuran multikomponen, separator tipe lain harus digunakan dan tingkat volatilitas atau indeks pemisahan mungkin berbeda untuk setiap jenis separator. Jika semua bahan kimia adalah produk separator (P) dan jika T sama dg jumlah tipe separator yg berbeda, maka jumlah kemungkinan urutan diberikan dg persamaan: NsT T P 1 Ns (A) Contoh, jika P = 3, dan distilasi biasa, distilasi ekstraktiv dengan solven I atau solven II, dan ekstraksi cair-cair dengan solven III dipertimbangkan, T=4, dimasukkan ke pers (8.9) dan (A) memberikan 32 kemungkinan urutan (untuk distilasi biasa sendiri, NS = 2).

27 C0ntoh: Recovery Butene Species b.pt.( C) Tc ( C) Pc, (MPa) Propane A Butene B n-butane C trans-2-butene D 0.9 cis-2-butene E 3.7 n-pentane F Propane Butane Butene Pentane Untuk T = 2 (OD dan ED), and P = 4, NS = 40. Namun demikian, karena 1-Butene juga harus dipisahkan (why?), P = 5, dan NS = 224. Jelas, akan sangat membantu mereduksi jumlah urutan yang perlu dianalisis. 1-Butene dan 2-Butene secara struktural sangat berbeda sedangkan isomer optik jauh Perlu megelimiasi pemisahan yang tidak feasible (layak), dan mendorong lebih dekat terkait dan sulit dipisahkan DB untuk pemisahan dengan colatilitas yang sapat diterima. dengan distilasi

28 C0ntoh: Recovery Butene Pasangan Biner Berdekatan ij at 65.5 oc Propane/1-Butene (A/B) Butene/n-Butane (B/C) 1.18 n-butane/trans-2-butene (C/D) 1.03 cis-2-butene/n-pentane (E/F) 2.50 Pisahkan A/B dan E/F harus hanya dengan Distilasi Biasa (OD) ( 2.5) Pisahkan C/D tidak feasible dengan OD ( = 1.03). Split B/C feasible, tapi alternaive lain mungkin lebih menarik. Gunakan 96% furfural sebagai solvent untuk distilasi ekstraktiv (ED) meningkatkan volatilitas paraffin terhadap olefins, menyebabkan pembalikan volatilitas antara 1-Butene dan n-butane, mengubah tingkat/urutan pemisahan terhadap ACBDEF, dan memberikan C/B = juga, pisahkan (C/D)II dengan = 1.7, harus digunakan untuk mengganti OD. So, pemisahan yg hrs dipertimbangkan dg semua batasan adalah : (A/B )I, ( E/F)I, ( B/C )I, (A/C )I, ( C/B )II, and ( C/D )II

29 Estimasi Biaya Tahunan Untukk masing2 pemisahan, CA diestimasi dengn asumsi 99 mol % recovery komponen ringan di distillate dan 99 mol % recovery komponen berat di bottoms. Tahapan berikut diikuti : Set tekanan distillate dan bottoms column menggunakan Estimasi jumlah tahap dan rasio refluks dengan WUG method (ex. menggunakan Aspen Plus DSTWU Column ) Pilih tray spacing (typically 2 ft.) dan hitung tingggi kolom, H Hitung diameter kolom, D (gunakan Fair correlation for flooding velocity, or Aspen Plus Tray Sizing Utility) Estimasi installed cost dari tower (ex. Peters & Timmerhaus) Hitung ukuran da biaya peralatan tambahan (condenser, reboiler, reflux drum). Jumlah total capital investment, CTCI Hitung annual cost dari heating and cooling utilities (COS) Hitung CA assumsikan ROI (typically r = 0.2). CA = COS + r *CTCI

30 Recovery Butene 1st Branch (A/B )I, ( E/F)I, ( B/C )I, (A/C )I, ( C/B )II, and ( C/D )II Sequence Cost, $/yr , , ,127, , Species Propane 1-Butene n-butane trans-2-butene cis-2-butene n-pentane 1,095,600 A B C D E F

31 Recovery Butene 2nd Branch (A/B )I, ( E/F)I, ( B/C )I, (A/C )I, ( C/B )II, and ( C/D )II Sequence Cost, $/yr 2-(8,9-21) 888,200 2-(8,10-22) 860,400 Species Propane 1-Butene n-butane trans-2-butene cis-2-butene n-pentane A B C D E F

32 Recovery Butene 3rd Branch (A/B )I, ( E/F)I, ( B/C )I, (A/C )I, ( C/B )II, and ( C/D )II Sequence (25,26) Species Propane 1-Butene n-butane trans-2-butene cis-2-butene n-pentane Cost, $/yr 878,200 1,095, ,400 1,080,100 A B C D E F

33 Recovery Butene 4th Branch (A/B )I, ( E/F)I, ( B/C )I, (A/C )I, ( C/B )II, and ( C/D )II Sequence Species Propane 1-Butene n-butane trans-2-butene cis-2-butene n-pentane Cost, $/yr 1,115,200 A B C D E F

34 Contoh : Recovery Butene Urutan Biaya Termurah Sequence 2-(8,10-22) Cost, $/yr 860,400

35 Contoh : Recovery Butene

36 Terima kasih