PERANCANGAN TRAY TOWER PERANCANGAN ALAT PROSES Asep Muhamad Samsudin
Ruang Lingkup 1. Pemilihan Tipe Kolom 2. Penentuan Kondisi operasi 3. Perancangan Tray Tower 4. Perancangan Packed Tower
Penentuan Kondisi Operasi Kolom Ditentukan oleh pasangan suhu dan tekanan yang membentuk kesetimbangan pada suatu tray, di sepanjang Kolom.
Penentuan Kondisi Operasi Puncak Kolom Kondisi puncak kolom ditentukan oleh pasangan suhu T1, dan tekanan P1 yang membentuk keseimbangan pada tray puncak (tray ke1) baik menggunakan kondensor total maupun parsial. Kondensor Total Kondensor Parsial
Penentuan Kondisi Operasi Puncak Kolom Pada suhu T 1 dan tekanan P 1, arus L 1 dengan komposisi x 1 seimbang dengan arus V 1 dengan komposisi y 1. Dengan demikian dipenuhi kriteria berikut : 1. Suatu komponen pada suhu T 1 dan Tekanan P 1 di setiap fasa, baik fasa L 1 maupun V 1 terdapat distribusi suhu, tekanan dan konsentrasi yang serba sama. 2. Fasa L 1 dan fasa V 2 keduanya jenuh. 3. Netto propertiesnya sama dengan nol, artinya a. Suhu L 1 sama dengan suhu V 1 T 1 b. Tekanan L 1 sama dengan tekanan V 1 P 1 4. Korelasi komposisi V 1 yang seimbang dengan L 1 memenuhi persamaan y 1 = K 1 x 1 K 1 adalah Konstanta Keseimbangan komponen pada suhu T 1 dan P 1
Penentuan Kondisi Operasi Puncak Kolom Jika kondensor yang digunakan KONDENSOR TOTAL 1. Hasil puncak diambil berupa cairan D dengan komposisi x D 2. Komposisi y 1 = X D =X o Jika kondensor yang digunakan KONDENSOR PARSIAL 1. Hasil puncak diambil berupa uap D v dengan komposisi y D 2. Komposisi y 1 y D X o 3. Komposisi y 1, merupakan komposisi rata-rata dengan D v dan L o y 1 = L o X 0 + D v y D L 0 + D v
Penentuan Kondisi Operasi Puncak Kolom 4. Arus D v boleh jadi seimbang dengan arus L o sehingga a. Kondensor parsial setara dengan satu tray / plate ideal yang letaknya di luar kolom b. Korelasi komposisi Antara hasil puncak y D dengan cairan refluk X 0 memenuhi persamaan : c. y D = Kx 0 d. K adalah Konstanta Keseimbangan thermodinamis suatu komponen pada suhu T dan Tekanan P kondensor 5. Kondisi puncak kolom ditentukan setelah suhu dan tekanan yang membentuk keseimbangan pada kondensor parsial ditentukan terlebih dahulu
Penentuan Kondisi Operasi Dasar Kolom Ditentukan oleh pasangan suhu T n dan tekanan P n yang membentuk keseimbangan pada Tray ke n atau tray dasar, baik menggunkan reboiler total maupun reboiler parsial. Reboiler Total Reboiler Parsial
Penentuan Kondisi Operasi Dasar Kolom Pada suhu T n dan tekanan P n, arus V n dengan komposisi y n seimbang dengan arus L n dengan komposisi X n. Dengan demikian dipenuhi kriteria berikut : 1. Di setiap fasa, baik fasa V n maupun L n terdapat distribusi suhu, tekanan dan konsentrasi yang serbasama. 2. Fasa L n dan fasa V n keduanya jenuh. 3. Netto propertiesnya sama dengan nol, artinya a. Suhu L n sama dengan suhu V n T n b. Tekanan V n sama dengan tekanan L n P n 4. Korelasi komposisi V n yang seimbang dengan L n memenuhi persamaan y n = K n x n K n adalah Konstanta Keseimbangan suatu komponen pada suhu T n dan Tekanan P n
Penentuan Kondisi Operasi Dasar Kolom Jika reboiler yang digunakan REBOILER TOTAL Komposisi X n = X w =y n+1 Jika reboiler yang digunakan REBOILER PARSIAL 1. Komposisi X n X w y n+1 2. Komposisi X n, merupakan komposisi rata-rata antara arus W dan V n+1 x n = WX w + V n+1 y n+1 W + V n+1
Penentuan Kondisi Operasi Puncak Kolom 4. Arus V n+1 boleh jadi seimbang dengan arus W sehingga a. Reboiler parsial setara dengan satu tray / plate ideal yang letaknya di luar kolom b. Korelasi komposisi antara hasil dasar x w dengan uap refluk y n+1 memenuhi persamaan : y n+1 = Kx w K adalah Konstanta Keseimbangan thermodinamis suatu komponen pada suhu T dan Tekanan P Reboiler 5. Kondisi dasar kolom ditentukan setelah suhu dan tekanan yang membentuk keseimbangan pada reboiler parsial ditentukan terlebih dahulu
Penting untuk diperhatikan 1. Jika dimungkinkan, operasikan kolom pada tekanan 1 (satu) atmosfer 2. Suhu dan tekanan puncak kolom, harus di bawah suhu dan tekanan kritis masing-masing komponen yang terdapat pada hasil puncak 3. Suhu dan tekanan puncak kolom, lebih rendah dari suhu dan tekanan dasar kolom 4. Kondisi operasi kolom, ditentukan dengan mempertimbangkan utilitas yang ada serta beda suhu yang diizinkan. 5. Pada kondensor parsial, kondisi puncak kolom ditentukan setelah kondisi keseimbangan pada kondensor ditentukan lebih dahulu. 6. Pada reboiler parsial, kondisi dasar kolom ditentukan setelah suhu dan tekanan reboiler parsial dihitung lebih dulu.
Algoritma Penentuan Kondisi Operasi Puncak Kolom 1. Tentukan komposisi hasil puncak x D atay y D dan komposisi hasil dasar x W, sesuai dengan spesifikasi yang direncanakan. 2. Tentukan komposisi uap y i,1 3. Tentukan suhu operasi T 1 dengan pertimbangan : a. Suhu T 1 harus di bawah suhu kritis T c masing-masing komponen yang terdapat dalam hasil puncak. b. Utilitas yang ada, misalnya air dapat digunakan sebagai pendingin dengan T yang diizinkan antara 6 20 o C 4. Hitung atau tentukan tekanan operasi P 1 dengan pertimbangan : a. Tekanan P 1 harus di bawah tekanan kritis P c masing-masing komponen yang terdapat pada hasil puncak b. Jika dimungkinkan, coba P 1 = 1 atm.
Algoritma Penentuan Kondisi Operasi Puncak Kolom 5. Cek korelasi komposisi uap y i,1 yang seimbang dengan komposisi cairan x i,1 dari hub : y i,1 = K i,1 X i,1 Harga konstanta keseimbangan K i dibaca pada Nomogram pada suhu dan Tekanan T 1 dan P 1 a. Jika X i,1 = 1, maka benar bahwa T 1 dan P 1 merupakan kondisi operasi puncak kolom. b. Jika X i,1 1, maka T 1 dan/atau P 1 harus diralat dengan pertimbangan bahwa jika dimungkinkan, pertahankan air sebagai pendingin dan hindari penggunaan tekanan vacuum atau tekanan tinggi
Algoritma Penentuan Kondisi Operasi Dasar Kolom 1. Tentukan komposisi hasil puncak x D dan hasil dasar x W, sesuai dengan spesifikasi yang direncanakan. 2. Tentukan komposisi cairan x i,n 3. Tentukan suhu operasi T n dengan pertimbangan : a. Suhu T n lebih tinggi dari T 1 b. Utilitas yang ada, misalnya air (steam) dapat digunakan sebagai pemanas dengan T yang diizinkan antara 10 60 o C 4. Hitung atau tentukan tekanan operasi P n dengan pertimbangan : a. Tekanan P n harus lebih tinggi dari P 1 b. Steam jenuh padatekanan rendah sampai medium dapat digunakan
Algoritma Penentuan Kondisi Operasi Dasar Kolom 5. Cek korelasi komposisi uap x i,n yang seimbang dengan komposisi uap y i,n dari hub : y i,n = K i,n x i,n Harga konstanta keseimbangan K i dibaca pada Nomogram pada suhu dan Tekanan T n dan P n a. Jika y i,n = 1, maka benar bahwa T 1 dan P 1 merupakan kondisi operasi dasar kolom. b. Jika y i,n 1, maka T 1 dan/atau P 1 harus diralat.
Contoh Soal 1 Menara fraksinasi dirancang untuk memisahkan campuran hidrokarbon yang terdiri dari 50% mol C 3 H 8, 30% mole C 3 H 6 dan 20% mole n-c 4 H 10. Diharapkan hasil puncak dan dasar masing-masing mengandung minimal 98 % mole C 3 dan maksimal 1 % mole C 3. Hitunglah kondisi operasi puncak dan dasar menara. Komponen P i o (atm) C 3 H 8 17.40 C 3 H 6 20.24 n-c 4 H 10 5.00 Komponen Tc ( o C) P c ( o C) C 3 H 8 91.4 45.4 C 3 H 6 96.8 42.0
Tugas 1 Menara Fraksionasi yang bekerja kontinyu pada tekanan 1 atm direncanakan untuk memisahkan 550 lbmol/jam campuran hidrokarbon yang terdiri dari Komponen BM % mol A 32 30 1.75 B 46 20 1.00 C 60 15 0.50 D 74 35 0.20 Diharapkan hasil puncak mengandung minimal 95% mol A dan sisanya B sedangkan hasil bawah maksimal mengandung 5% mol A. Jika diketahui tekanan uap murni B pada berbagai macam suhu. Tentukan kondisi operasi (suhu) puncak dan dasar kolom jika digunakan kondensor dan reboiler total. T ( o C) 60 70 80 90 100 P o B (mmhg) 340 540 810 1180 1680
Perhitungan Jumlah Tray / Plate Ideal
Perhitungan Jumlah Tray / Plate Ideal Untuk memperoleh produk hasil pemisahan sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan. Jumlah tray / plate ideal yang dibutuhkan dapat dihitung dengan : 1. Cara Grafis (Ponchon-Savarit, Mc Cabe Thiele) 2. Cara Short-Cut 3. Cara Analitis Dibandingkan dengan cara "short cut", perhitungan jumlah stage ideal menurut cara analitis lebih membertkan ketelitian yang tinggl. Distribusi suhu, tekanan, dan komposisi di setiap Tray di setiap seksi di sepanjang kolom dapat diketahui
Cara Short-Cut Menggunakan bantuan Grafik korelasi Underwood, Fenske, Girriland Pada suatu nilai absis (R-Rmin) / (R+1), jumlah tray / plate ideal yang dibutuhkan (N) dapat dihitung dari nilai ordinat (N-N min ) / (N + 1). R min, R dan N min ditentukan terlebih dahulu.
Perbandingan Refluk Minimal (R min ) Dimana : X i i = fraksi mol kompenen I yang terdapat dalam distilat = komponen a, b,.. N = Sifat penguapan relatif komponen I terhadap referensi = Konstanta Underwood
Konstanta Underwood ( ) Dimana : q = Sejumlah panas yang dibutuhkan untuk menguapkan satu mol umpan dibagi dengan panas laten
Menghitung q Nilai q tergantung pada kondisi thermal umpan
Menghitung q Jika umpan masuk kolom berupa cairan pada titik didihnya, harga konstanta Underwood
Perbandingan Refluk (R) Ditentukan berdasarkan jenis pendingin yang digunakan
Jumlah Stage Minimal (N min ) Dalam hubungan ini, X LK ; X HK = Fraksi mol komponen kunci ringan; berat LK HK = Sifat pernguapan relative komponen kunci ringan terhadap kunci berat pada suhu rata-rata kolom.
Penentuan Komponen Kunci Komponen Kunci adalah Komponen yang terdistribusi baik pada hasil puncak maupun hasil dasar. Komponen Kunci Ringan (LK) adalah komponen kunci yang mempunyai titik didih rendah atau mempunyai tekanan uap murni tinggi, tetapi dia ada dalam hasil dasar W. Komponen Kunci Berat (HK) adalah komponen kunci yang mempunyai titik didih tinggi atau tekanan uap murni rendah, tetapi dia terdapat dalam hasil puncak D.
Penentuan Komponen Kunci Komponen Umpan Distilat Residu A x A x A B x B x B C, LK x C x C x C D, HK x D x D x D E x E x E F x F x F
Contoh Soal 2 Menara fraksinasi dirancang untuk memisahkan campuran hidrokarbon yang terdiri dari 50% mol C 3 H 8, 30% mole C 3 H 6 dan 20% mole n-c 4 H 10. Diharapkan hasil puncak dan dasar masing-masing mengandung minimal 98 % mole C 3 dan maksimal 1 % mole C 3. Hitunglah jumlah plate ideal yang dibutuhkan.
Tugas 2 Menara fraksinasi dirancang untuk memisahkan campuran hidrokarbon yang terdiri dari 45% mol C 2 H 6, 30% mole C 2 H 4 dan 25% mole n-c 4 H 10. Diharapkan hasil puncak dan dasar masing-masing mengandung minimal 95 % mole C 2 dan maksimal 2 % mole C 2. Hitunglah jumlah plate ideal yang dibutuhkan.
Cara Analitis
Cara Analitis Menurut cara analitis, Jumlah tray / plate ideal dapat dihitung dengan bantuan : 1. Persamaan hubungan Neraca bahan 2. Persamaan hubungan Neraca panas 3. Persamaan hubungan Keseimbangan Perhitungan dilakukan dari plate satu ke plate yang lain di setiap seksi di Sepanjang kolom Disebut PLATE TO PLATE CALCULATION
Neraca pada Plate Neraca Bahan Total L n 1 + V n+1 = L n + V n (1) Neraca Komponen Pers (1) L n 1 x n 1 + V n+1 y n+1 = L n x n + V n y n (2) Neraca Panas Pers (1) L n 1 H Ln 1 + V n+1 H Vn+1 = L n H Ln + V n H Vn (3)
Neraca pada Plate Hubungan Keseimbangan a. Korelasi komposisi dalam kedua fasa seimbang y n = Po P t (x n ) atau y n = αx n 1+(α 1)x n (4) b. Korelasi Enthalpi komposisi dalam kedua fasa seimbang H Ln = x n C PA (t n t r ) + 1 x n C PB (t n t r ) (5) H Vn = y n λ A + 1 y n λ B + H Ln (6)
Neraca pada Plate Umpan Neraca Bahan Total F + L f 1 + V f+1 = L f + V f (7) Neraca Komponen Pers. (7) Fx f + L f 1 x f 1 + V f+1 y f+1 = L f x f + V f y f (8) Neraca Panas Pers. (7) FH f + L f 1 H Lf 1 + V f+1 H Vf+1 = L f H Lf + V f H Vf (9) L f L f 1 F = q dan q = H V H F H V H L (10)
Neraca pada Kondensor Pada Kondensor Total V 1 = L o + D (11) y 1 = X o = X D (11) V 1 H V1 = L o H L0 + DH D + ( q c ) (13) R = L 0 D (14)
Neraca pada Reboiler Pada Reboiler Parsial L n = V N+1 + W (15) x n = V N+1y N+1 +Wx w V N+1 +W (16) L 1 H LN + q r = V N+1 H VN+1 + W HW (17) y N+1 = Po P t (x W ) atau y N+1 = αx W 1+(α 1)x W (18)
Neraca di Sekitar Kolom Neraca Bahan Total F= D + W (19) Neraca Komponen Pers. (19) Fx f = Dx D + Wx W (20) Neraca Panas pers.(19) FH f + q r = DH D + q c + W Hw (21)
ALGORITMA 1. Hitung L 0 L 0 = R + D 2. Hitung V 1 V 1 = D(R + 1) 3. Tentukan y 1 Pada kondensor total y 1 = X o = X D 4. Gunakan hubungan keseimbangan untuk menentukan x 1 y n = Po P t (x n ) atau y n = αx n 1+(α 1)x n atau y 1 = Kx 1
ALGORITMA 5. Tentukan entalpi H L0, H V1, H L1 6. Hitung L 1, V 2, H V2 7. Asumsikan H V2 =H V1 8. Gunakan asumsi (7) untuk menghitung V 2 dan L 1 9. Hitung y 2. Gunakan neraca komponen pada plate ke 1 (satu) 10. Hitung H V2 dari hubungan Entalpi-komposisi pada suatu nilai y=y 2 11. Ulangi langkah 7-10 hingga diperoleh H V2 asumsi (7) = H V2 hasil perhitungan (10) 12. Lanjutkan perhitungan untuk stage ke 2 (dua) dan seterusnya hingga plate ke (f) 13. Lanjutkan perhitungan dari plate ke plate lain secara berturutan hingga diperoleh komposisi cairan sama dengan komposisi hasil dasar
Penyederhanaan Perhitungan Jika suatu sistem kesimbangan memenuhi kriteria yang disyaratkan oleh Mc. Cabe Thiele Neraca panas dapat diabaikan. Jumlah plate ideal yang dibutuhkan dapat dihitung hanya dengan bantuan 1. Persamaan hubungan Neraca Bahan, yang dikenal sebagai Persamaan Garis Operasi 2. Persamaan Hubungan Keseimbangan.
Persamaan Garis Operasi
Korelasi antar arus di sekitar Feed Plate
Persamaan Hubungan Keseimbangan Di setiap tray di setiap seksi di sepanjang kolom pada suhu dan tekanan tertentu memenuhi persamaan : Dimana : X i,n = fraksi mol komponen i dalam fasa cair yang keluar dari tray/plate ke n Y i,n = fraksi mol komponen i dalam fase uap yang keluar dari tray / plate ke n P n T n = Pasangan tekanan dan suhu yang membentuk keseimbangan pada tray ke n K i,n = Konstanta keseimbangan komponen i pada suhu dan tekanan T n dan P n
Algoritma 1. Tentukan komposisi hasil puncak x D dan komposisi hasil dasar x W sesuai spesifikasi yang direncanakan 2. Hitung L, V, L dan V 3. Tentukan persamaan garis operasi atas dan persaman garis operasi bawah 4. Tentukan komposisi uap y 1 5. Tentukan suhu dan tekanan yang membentuk keseimbangan pada Tray 1 misalnya T 1 dan P 1 6. Hitung x 1 dengan bantuan persamaan y 1 = K 1 x 1 7. Hitung y 2 dengan bantuan persamaan garis operasi atas y 2 = L V x 1 + x D R+1
Algoritma 8. Tentukan suhu dan tekanan T 2 dan P 2 yang membentuk keseimbangan pada Tray 2 9. Hitung x 2 dengan persamaan y 2 = K 2 x 2 10. Hitung y 3 = L V x 2 + x D R+1 11. Tentukan suhu dan tekanan T 3 dan P 3 yang membentuk keseimbangan pada Tray 2 12. Hitung x 3 dengan persamaan y 3 = K 3 x 3 13. Ulangi langkah 10 12 untuk Tray ke 4, 5 dan seterusnya hingga diperoleh komposisi sama dengan komposisi umpan. 14. Ulangi langkah 10 12 untuktray ke (f+1); (f+2) dan seterusnya sampai dengan tray ke N hingga diperoleh komposisi x N = x W dengan menggunakan persamaan garis operasi bawah
Contoh 3 Menara fraksionasi yang bekerja pada 1 atm direncanakan untuk memisahkan campuran hidrokarbon yang terdiri 50% mole pentana (A), 30% mole heksana (B) dan 20% mol heptane. Hasil puncak diharapkan maksimal mengandung 0.5 % mole heksana dan hasil dasar mengandung 1% mol pentane. Umpan pada titik didihnya dimasukan menara tepat pada plate yang mempunyai suhu yang sama. Jika dalam operasi tersebut digunakan perbandingan refluk sama dengan 4. Hitung jumlah plate idealnya.
Perhitungan Efisiensi Kolom
Perhitungan Efisiensi Kolom Pada keadaan seimbang komposisi ringan dalam fasa uap maksimal dan komposisi ringan dalam fasa cairan minimal. Kenyataannya sulit dicapai oleh alat kontak antar fasa jenis apapun Komposisi uap sesungguhnya relatif lebih rendah dibandingkan komposisi idealnya jika keseimbangan benar-benar terwujud. Juga sebaliknya untuk komposisi cairannya. Jika x * dan y * adalah komposisi cairan dan uap idealnya ketika keseimbangan benarbenar terwujud kemudian x dan y merupakan komposisi cairan dan uap aktual yang dapat dicapai, maka y <y * dan x > x * N aktual = N ideal Efisiensi
Efisiensi Murphree Jika efisien setiap tray di sepanjang kolom tidak sama, Murphree mendefinisakan efisiensi tray sebagai berikut : Tinjauan fase uap E MV = y n y n+1 y n y n+1 Tinjauan fase cair E ML = x n 1 x n x n 1 x n
Tinjauan fase uap E MV = BC AC Tinjauan fase cair E ML = PQ PR
Contoh Soal 4 Menara Distilasi direncanakan untuk memisahkan 100 kmol/jam campuran A dan B dengan komposisi 50% A hingga diperoleh hasil puncak dan dasar masing-masing dengan kemurnian 90% dan 10%A, sedangkan efisiensi Murphree pada berbagai komposisi ditunjukan pada tabel. Jika sifat penguapan relatif A terhadap B adalah 4 dan pada operasi ini digunakan perbandingan refluk = 2 dan umpan dimasukan pada titik didihnya, hitung jumlah plate aktual yang dibutuhkan. X a 0,05 0,20 0,40 0,60 0,80 0,90 E MV 0,67 0,67 0,67 0,50 0,50 0,50
Contoh Soal 5 Menara fraksionasi direncanakan untuk memisahkan campuran a dan b hingga diperoleh hasil puncak dan dasar seperti yang ditunjukan pada tabel 1, sedangkan efisiensi Murphree pada berbagai komposisi ditunjukan pada tabel 2. Jika sifat penguapan relatif a terhadap b adalah 4 dan pada operasi ini digunakan perbandingan refluk = 1,5; hitung jumlah plate aktual yang dibutuhkan. Arus bahan Jumlah Komposisi Kondisi Umpan I 50 lbmol/jam 0,5 Cair jenuh Umpan II 100 lbmol/jam 0,35 Uap jenuh Distilat 0,90 Cair jenuh Residu 0,05 Cair jenuh X a 0,05 0,20 0,40 0,60 0,80 0,90 E MV 0,67 0,67 0,67 0,50 0,50 0,50
Penyelesaian 1. Gambar diagram x-y y 0 = α.x a 1+(α 1)x b = 2. Melukis garis q F 1 = cair jenuh H F1 = H L q = H V H F1 H V H L = 1 Slope = 4x a 1+3x a q = 1 = 1 = ~ q 1 1 1 0 Garis q untuk F 1 dapat dilukis dari titik y = x = 0,5 dengan arah tegak luruh ke atas,
Penyelesaian F 2 = uap jenuh H F1 = H V q = H V H F1 H V H L =0 Slope = q = 0 = 0 q 1 0 1 garis q untuk F 2 dapat dilukis dari titik y = x = 0,35 dengan arah mendatar ke kiri.
Penyelesaian 3. Melukis persamaan garis operasi Persamaan garis operasi atas V = L + D Neraca komponen Vy = Lx + Dx D Pada plate ke n y n+1 = L V x n + Dx D V
Penyelesaian Persamaan garis operasi tengah V + F 1 = L + D Vy + F 1 x F1 = Lx + Dx D Pada plate ke m y m+1 = L V x m + Dx D F 1 X F1 V Persamaan garis operasi bawah L = V + W Lx = Vy + Wx W Plate N y N = L V x N Wx w V
Penyelesaian 4. Menghitung parameter neraca bahan Neraca bahan total F 1 + F 2 = D + W 50 + 100 = D + W 150 = D + W (1) Neraca komponen a F 1 x F1 + F 2 x F2 = Dx D + Wx W 50 0,5 + 100 0,35 = D 0,9 + W 0,05 60 = D 0,9 + W 0,05 (2) Eliminasi (1) dan (2) didapat D = 61,75 lbmol/jam W = 88,25 lbmol/jam
Penyelesaian L = R. D = 1,5x61,75 = 92,625 lbmol/jam V = L + D = 92,625 + 61,75 = 154,375 lbmol/jam L L F 1 = q = 1 L = F 1 + L = 50 + 92,625 = 142,625 lbmol/jam V = V = 154,375 lbmol/jam F 2 + V + L = V + L L L F 2 = q = 0 L = L = 142,625 lbmol jam V = V F 2 = 54,375 lbmol/jam
Penyelesaian 5. Melukis garis operasi : 1. Garis operasi atas dapat dilukis dari titik y=x=0,9 dengan : a. Slope = L/V = 92,625/154,375 = 0,6 atau b. Intersep = D 61,75 V x D = 154,375 0,9 = 0,36 2. Garis operasi tengah dapat dilukis dari titik potong antara garis operasi atas dengan garis q F1 dengan : a. Slope = L V = 142,625 154,375 = 0,923 atau b. Titik potong garis operasi bawah dengan garis q FII c. Intersep = Dx D F 1 X F1 V = 61,75 0,9 50 0,05 154,375 = 0,20 3. Garis operasi bawah dapat dilukis dari titik y=x=0,05 dengan a. Slope = L = 142,625 = 2,63 V 154,375 b. Intersep = Wx w = 88,25 0,05 = 0,081 V 54,375
Penyelesaian 6. Melukis kurva aktual E MV = y n y n+1 y n y n+1 Untuk x n = 0,05 E MV = 0,67 Dari titik 0,05 dibuat garis lurus keatas kemudian cari titik potongnya dengan garis operasi dan kurva seimbang, misalkan pada titik A dan C. A (0,05; 0,05) dan C (0,05;0,18). 0,67 = y n 0,05 0,18 0,05 y n = 0,14 X a 0,05 0,20 0,40 0,60 0,80 0,90 E MV 0,67 0,67 0,67 0,50 0,50 0,50 y n 0,14 0,46 0,68 0,79 0,89 0,935
Korelasi Empiris Efisiensi plate dapat dinyatakan sebagai fungsi dari viskositas dan sifat penguapan relatif suatu komponen. Korelasi ini hanya menggunakan (1) atau (2) perubah saja sehinggah tidak dapat digunakan untuk sistem yang kompleks. Terbagi menjadi 1. Korelasi Drickamer dan Bradfort 2. Korelasi O Connel
1. Korelasi Drickamer dan Bradfort Pengaruh viskositas terhadap efisiensi kolom telah diteliti oleh Drickamer Bradfort dan korelasinya dinyatakan oleh persamaan: E o = 17 61. 1 log μ avg Dimana E o = Efisiensi kolom, % μ avg = viskositas umpan rata rata, Cp.
1. Korelasi Drickamer dan Bradfort Dalam bentuk grafik, hubungan antara μ avg dengan E o
2. Korelasi O'Connel O'Connel mempelajari pengaruh viskositas dan sifat penguapan relatif komponen kunci ringan terhadap komponen kunci berat kaitannya dengan efisiensi kolom. log E o = 1. 67 0. 25 log μ Favg α avg + 0. 3 log ( L M V M ) + 0. 09(S m + C 2) Dimana : S m = Static Submergence, ft C = Tinggi slot, ft L M = Laju alir cairan. Ibmole/jam V M = Laju alir uap, Ibmole/jam α avg = Sifat penguapan relatif Lk Hk μ Favg = viskositas umpan pada suhu rata rata kolom.
2. Korelasi O'Connel Efisiensi kolom dari korelasi O Connel untuk Distilasi dengan Bubble Cap Tray
Contoh Soal 5 Menara fraksinasi dirancang untuk memisahkan campuran hidrokarbon yang terdiri dari 50% mol C 3 H 8, 30% mole C 3 H 6 dan 20% mole n-c 4 H 10. Diharapkan hasil puncak dan dasar masing-masing mengandung minimal 98 % mole C 3 dan maksimal 1 % mole C 3. Hitunglah efisiensi kolom dan Jumlah plate aktual Komponen P i o (atm) C 3 H 8 17.40 C 3 H 6 20.24 n-c 4 H 10 5.00 Komponen Tc ( o C) P c ( o C) C 3 H 8 91.4 45.4 C 3 H 6 96.8 42.0
Penyelesaian Dari penyelesaian contoh soal 2 diperoleh 1. Distribusi komposisi seimbang pada puncak menara (T=122 o F) Komponen y K x = y/k C 3 H 6 0,98 1,0 0,98 C 3 H 8 0,02 0,9 0,018 2. Distribusi komposisi seimbang pada puncak menara (T=160 o F) Komponen y K x = y/k C 3 H 6 0,01 1,30 0,0130 C 3 H 8 0,70 1,20 0,8400 n-c 4 H 8 0,29 0,45 0,1305
Penyelesaian 3. Menghitung avg α puncak = K C 3 H 6 K C 3 H 8 = 1,0 0,9 = 1,11 α dasar = K C 3 H 6 K C 3 H 8 = 1,3 1,2 = 1,0833 α avg = 1,0965 4. Menghitung viscositas pada T avg T avg = 122+160 2 = 141 o F Komponen, Cp C 3 H 6 0,07 C 3 H 8 0,08 n-c 4 H 8 0,14
Penyelesaian Komponen x f C 3 H 6 0,30 C 3 H 8 0,50 n-c 4 H 8 0,20 μ avg = 0,30 0,07 + 0,50 0,08 + 0,20 0,14 = 0,089 Cp α avg μ avg = 1,0965 x 0,089 = 0,0976 N ideal = 108 buah (dari contoh 2)
Penyelesaian Dengan metode Drickamer dan Bradfort μ avg = 0,089 Cp Dengan menggunakan Tabel korelasi Drickamer dan Bradfort E 0 = 0,8 N aktual = N ideal = 108 E 0 0,8 Dengan metode O Connel = 135 buah α avg μ avg = 1,0965 x 0,089 = 0,0976 Dengan menggunakan Tabel korelasi O Connel didapat E 0 = 0,9 N aktual = N ideal = 108 E 0 0,9 = 120 buah
0,8
0,9
Penentuan Diameter Kolom
Penentuan Diameter Kolom Diameter Tray Tower, ditentukan berdasarkan kecepatan linier uap V dibawah kecepatan linier uap maksimal V F dimana banjir atau "flooding" tepat terjadi. Banjir atau "Flooding" adalah peristiwa tergenangnya tray oleh cairan yang boleh jadi disebabkan 1. Naiknya kecepatan uap, sementara kecepatan cairannya tetap. 2. Naiknya kecepatan cairan, sementara kecepatan uapnya tetap. Flooding, harus dihindari. Sebab tergenangnya tray oleh cairan akan menurunkan efisiensi pemisahaan.
Penentuan Diameter Kolom Dalam perancangan, digunakan kecepatan linier uap sebagai berikut : 1. Jika campuran yang akan dipisahkan cenderung mudah membentuk buih, v = 0,75 VF 2. Jika campuran yang akan dipisahkan tidak mudah membentuk buih, v = 0,85 VF Kecepatan linier uap V F dimana banjir tepat terjadi dihitung dengan persamaan: Dimana : V F = C F ( ρ L ρ V υ V ) V F = Kecepatan linier uap dimana banjir terjadi, ft/dt C F = Konstanta yang harganya tergantung pada jenis tray ρ L = density cairan Ib/cuft ρ V = density gas lb/cuft
Penentuan Diameter Kolom Konstanta C F dapat dihitung dengan bantuan persamaan : 1. Bubble Cap Tray C F = a log L V 1 ρ V ρl 0.5 + b σ 0.2 20 2. Perforated / Sieve Tray C F = a log L V 1 ρ V ρl 0.5 + b σ 20 0.2 5Ah Aa + 0.5
Penentuan Diameter Kolom Dimana L, V = Kecepatan massa cairan ; gas, lb/jam, ft 2 a ; b = Tegangan permukaan cairan, lb/ft = Konstanta yang harganya tergantung pada jenis tray dan rentang batas harga L V ρ V ρl 0.5 Ah Aa = Luas lobang per tray = Luasan aktif
Penentuan Diameter Kolom
Penentuan Diameter Kolom Diameter kolom, ft Tray Spacing, in Kurang dari 4 ft 18-20 4-10 24 10-12 30 12-24 36
Penentuan Diameter Kolom Secara grafis, kecepatan linier uap maksimal dimana banjir tepat terjadi dapat diperkirakan dengan menggunakan korelasi Fair's Korelasi ini, penggunaannya terbatas pada suatu sistem 1. Tegangan permukaannya 20 Dyne/cm Untuk sistem dengan tegangan permukaan lain, maka harga parameter Csb, perlu dikoreksi dengan : Csb / (Csb) =20 = ( /20) 0,2 2. Perbandingan luas lobang tiap luasan aktif = 0,10. Untuk harga luas lobang tiap luasan aktif 0,08 dan 0,06 maka harga Csb perlu dikalikan dengan 0,90 dan 0,80. 3. Tidak atau hanya sedikit menimbulkan buih.
Penentuan Diameter Kolom korelasi Fair's
Penentuan Diameter Kolom Pada suatu nilai absis (L/V) ( v / L ) 0.5 tertentu, maka harga ordinat Csb dapat dibaca pada berbagai tray spacing, t. Dari harga Csb, maka kecepatan linier uap dimana - flooding terjadi dapat dihitung. v F = Csb (ρ v ρ L ρ v ) 0.5 Diameter kolom D dapat dihitung dengan persamaan A = Q v D = 4Q πv Dimana Q = Kecepatan volume uap, ft 3 /dt V = Kecepatan linier uap, tergantung pada sifat campuran, ft/dt
Contoh Soal 6 Tray Tower yang bekerja pada tekanan 1 atm direncanakan untuk memisahkan campuran 60% mol benzene dan 40% mol Toluene. Diharapkan hasil puncak dan dasar masing-masing mengandung 95% dan 5% mol benzene. Jika umpan dimasukkan pada titik didihnya dengan kecepatan 13.100 lb/jam. Hitunglah diameter jika tray yang dipakai adalah jenis sieve tray dimana luas downcomer adalah 12% dari luas penampang menara. Data : Densitas cairan rata-rata = 43,3 lb/ft 3 Densitas uap pada puncak dan dasar menara : 0,168 dan 0, 182 lb/ft 3 Viskositas cairan rata-rata = 0,32 cp Perbandingan refluk = 4 Tegangan permukaan = 20 Dyne/cm
0,43 0,425