Download - Tugas Terakhir Kelompok 6
TUGAS
ANALISIS PROSES TEKNIK KIMIA LANJUT
ANALISIS UNJUK KERJA KOLOM DISTILASI
PROSES PEMISAHAN BENZENE-TOLUENE
Oleh :
KELOMPOK 6
ADE NURISMAN 23009019
MOHAMMAD RESALTO PRADEWA 23009021
KEVIN RIZKY LISMANA 23009031
2010
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
BANDUNG
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI.....................................................................................................................ii
DAFTAR GAMBAR.......................................................................................................iii
I. Pendahuluan...............................................................................................................1
II. Deskripsi Masalah......................................................................................................1
III. Ringkasan Proses........................................................................................................1
IV. Analisa Variabel Proses..............................................................................................3
V. Unit Operasi dan Spesifikasinya................................................................................3
VI. Batasan Simulasi Proses.............................................................................................4
VII. Hasil dan Pembahasan................................................................................................4
a. Simulasi Model PFD..............................................................................................4
b. Analisis Sensitivitas...............................................................................................5
VII. Kesimpulan...............................................................................................................12
DAFTAR PUSTAKA......................................................................................................13
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Bagian Umum Kolom Destilasi...................................................................2
Gambar 2. Diagram proses pembangkit listrik tenaga uap sederhana...........................3
Gambar 3. Grafik Hubungan Laju Alir Mol Benzen Terhadap Laju Alir Mol Boil-up dan Recovery................................................................................................5
Gambar 4. Grafik Hubungan Laju Alir Mol Benzen Terhadap Daya Reboiler dan Recovery.......................................................................................................6
Gambar 5. Grafik Hubungan Laju Alir Mol Benzen Terhadap Reboiler Rate dan Recovery.......................................................................................................7
Gambar 6. Grafik Hubungan Laju Alir Mol Benzen Terhadap Laju Alir Mol Reflux dan Recovery................................................................................................8
Gambar 7. Grafik Hubungan Laju Alir Mol Benzen Terhadap Laju Alir Mol Boil-up dan Recovery................................................................................................9
Gambar 8. Grafik Hubungan Laju Alir Mol Benzen Terhadap Max Flooding (%) dan Recovery.....................................................................................................10
Gambar 9. Grafik Hubungan Laju Alir Mol Benzen Terhadap Temperatur Kondensor dan Recovery..............................................................................................11
Gambar 10. Grafik VLE.................................................................................................11
iii
I. PENDAHULUAN
Distilasi atau penyulingan adalah suatu metode pemisahan bahan kimia berdasarkan
perbedaan kecepatan atau kemudahan menguap (volatilitas) bahan. Dalam penyulingan,
campuran zat dididihkan sehingga menguap, dan uap ini kemudian didinginkan kembali ke
dalam bentuk cairan. Zat yang memiliki titik didih lebih rendah akan menguap lebih dulu.
Metode ini merupakan termasuk unit operasi kimia jenis perpindahan massa. Penerapan
proses ini didasarkan pada teori bahwa pada suatu larutan, masing-masing komponen akan
menguap pada titik didihnya. Model ideal distilasi didasarkan pada Hukum Raoult dan
Hukum Dalton.
Umumnya proses distilasi dalam skala industri dilakukan dalam menara, oleh karena
itu unit proses dari distilasi ini sering disebut sebagai menara distilasi (MD). Menara distilasi
biasanya berukuran 2-5 meter dalam diameter dan tinggi berkisar antara 6-15 meter. Masukan
dari menara distilasi biasanya berupa cair jenuh (cairan yang dengan berkurang tekanan
sedikit saja sudah akan terbentuk uap) dan memiliki dua arus keluaran, arus yang diatas
adalah arus yang lebih volatil (lebih ringan/mudah menguap) dan arus bawah yang terdiri dari
komponen berat. Secara umum menara distilasi terbagi dalam 2 jenis kategori besar, yaitu:
1. Menara Distilasi tipe Stagewise, MD ini terdiri dari banyak plate yang memungkinkan
kesetimbangan terbagi-bagi dalam setiap platenya, dan
2. Menara Distilasi tipe Continous, yang terdiri dari packing dan kesetimbangan cair-
gasnya terjadi di sepanjang kolom menara.
II. DESKRIPSI MASALAH
1. Pengembangan model operasi distilasi dalam pemisahan benzen dab toluen.
2. Analisis sensitivitas pengaruh perubahan laju molar benzen terhadap berbagai
variabel, antara lain rasio reflux, rasio boilup, daya kondensor, daya reboiler, laju alir
produk distilat, laju alir produk bawah, dan lain sebagainya pada berbagai macam
proses recovery.
III. RINGKASAN PROSES
Destilasi adalah proses pemisahan secara fisik (physical separation) yang berdasarkan
perbedaan titik didih, dan sedikitnya dibutuhkan dua komponen. Proses pemisahan tidak
dapat dilakukan apabila kedua komponen memiliki titik didih yang sama dan kondisi ini
lazimnya disebut dengan azeotrop. Pemisahan destilasi dua komponen memang jarang
ditemukan pada proses-proses di industri, tetapi dengan mempelajari pemisahan destilasi dua
1
komponen ini akan memberikan pemahaman yang cukup baik mengenai pengaruh-pengaruh
dari berbagai variabel yang ada (seperti, reflux rasio, kondisi umpan, kemurnian produk dan
lain-lain).
Secara umum sebuah kolom distilasi terdiri dari :
Vessel atau kolom itu sendiri, dimana pada kolom ini lah terjadi pemisahan, aliran yang
terjadi didalamnya secara countercurrent atau cocurrent, uap yang berasal dari reboiler
naik kebagian atas kolom, sedangkan liquid yang disupplai dari reflux turun kebawah.
Didalam kolom terdapat plate atau piring (disebut juga dengan stage) pada plate ini lah
terjadi proses pemisahan yang efektif.
Condenser, berfungsi untuk mengkondensasikan uap (V’) yang berasal dari kolom,
kondensor dapat mengkondensasikan seluruh uap yang berasal dari kolom (disebut juga
dengan total kondenser, tidak dihitung sebagai 1 stage), atau dapat pula
mengkondensasikan sebagaian uap (partial kondenser, dihitung sebagai 1 stage).
Accumulator, berfungsi sebagai penyedia reflux (R).
Reboiler, menguapkan kembali liquid yang berasal dari kolom distilasi (L”) dan
(umumnya dihitung sebagai 1 stage).
Gambar 1. Bagian Umum Kolom Destilasi
2
Menurut McCabe (2005), dalam prakteknya distilasi didasarkan pada dua prinsip
metode dasar. Metode pertama berdasarkan pada produksi uap (vapor) dengan mendidihkan
cairan campuran untuk dipisahkan dan di-kondensasi uapnya tanpa meloloskan cairan untuk
kembali ke kolom pemisahan. Dalam hal ini adalah tanpa adanya proses reflux. Metode
kedua berdasarkan pada kembalinya salah satu bagian kondensat ke kolom pemisahan dalam
kondisi dimana cairan yang dikembalikan ini dibawa untuk meningkatkan kontak dengan uap
dalam perjalanannya menuju kondensor. Kedua metode tersebut dapat dilakukan pada proses
kontinyu maupun proses batch.
IV. ANALISA VARIABEL PROSES
Aliran benzene laju alir ditetapkan sebesar 0.4 kgmole/hr, dan komposisi ditetapkan
murni komponen benzen dengan fraksi mol = 1.
Aliran toluene laju alir ditetapkan berdasarkan laju alir aliran benzen, dan
komposisi ditetapkan murni komponen toluen dengan fraksi mol =
1.
Aliran umpan ditetapkan sebesar 1 kgmole/hr. Aliran campuran di-split sebagai
feed dan dummy agar dapat diketahui perubahan alirannya saat
dilakukan variasi operasi pada unit operasi distilasi. Tekanan
ditetapkan sebesar 2 bar. Fasa campuran ditetapkan dalam fasa cair.
Aliran destilate laju alir molar dan komposisi komponen ditetapkan sebesar 30
kgmole/hr dengan komposisi kemurnian benzen sebesar 88.5%.
Kolom distilasi jumlah stage/tray pada kolom distilasi ditetapkan sebanyak 20
stage/tray + kondensor + reboiler. Aliran umpan memasuki kolom
distilasi pada stage/tray 13.
V. UNIT OPERASI DAN SPESIFIKASINYA
Unit operasi utama dan spesifikasi masing-masing unit operasi pemodelan proses
pemisahan benzen-toluen ini adalah:
1. Mixer (MIX-100)
Mixer berfungsi untuk mencampur aliran benzen dengan aliran toluen. Temperatur,
dan laju alir keluaran mixer terhitung secara otomatis dengan ditetapkannya tekanan
sebesar 2 bar, dan laju alir aliran benzen dan toluene sebesar 1 kgmole/hr.
2. Spliter (TEE-100)
3
Spliter berfungsi sebagai pemecah aliran umpan campuran. Penggunaan spliter
dimaksudkan agar perubahan laju umpan masuk kolom distilasi dapat diamati saat
kondisi operasi kolom distilasi divariasikan. Penggunaannya dimodifikasi dengan
pembuatan aliran dummy agar laju alir molar umpan campuran tetap 1 kgmole/hr.
3. Kolom Distilasi (T-100)
Kolom distilasi merupakan unit operasi utama dalam proses pemisahan benzen-toluen.
Kolom distilasi ini ditetapkan terdiri dari 20 stage/tray ditambah dengan unit operasi
kondensor dan reboiler yang telah terintegrasi dalam satu sistem kolom distilasi. Kolom
destilasi dispesifikasi laju aliran distilat (top product) sebesar 30 kgmole/hr dengan rasio
reflux sebesar 2.38. Unjuk kerja kolom distilasi ini mampu memisahkan produk top
dengan kemurnian 88.5%.
VI. BATASAN SIMULASI PROSES
Pemodelan proses pemisahan benzen-toluen ini menggunakan bantuan software
Aspen Hysys 2006.5. Properti fluid package yang digunakan dalam pemodelan ini adalah
NRTL Ideal. Simulasi proses dilakukan pada rentang laju alir molar benzen antara 0.24–0.40
kgmole/hr dan pada berbagai macam tingkat recovery proses, yakni pada tingkat recovery
75%, 80%, 85%, 90%, dan 95%.
VII. HASIL DAN PEMBAHASAN
a. Simulasi Model PFD
Gambar 2. Model Simulasi PFD Proses Pemisahan Benzen-Toluen
4
b. Analisis Sensitivitas
Gambar 3. Grafik Hubungan Laju Alir Mol Benzen Terhadap Laju Alir Mol Boil-up dan Recovery
Pada kondisi laju alir mol benzen di umpan tetap, peningkatan persentase recovery
dapat menyebabkan laju alir mol uap dari reboiler meningkat. Hal tersebut disebabkan laju
mol umpan yang masuk ke kolom destilat (F) menurun karena pengaruh dari konsentrasi
kemurnian benzene pada umpan yang masuk ke kolom destilasi (zf) dan persentase recovery
(Γ) pada kondisi konsentrasi kemurnian benzene di destilat (xD) dan laju alir mol destilat (D)
tetap. Dengan demikian, usaha untuk memurnikan makin besar sehingga laju alir uap yang
kembali ke dalam kolom destilasi juga semakin meningkat. Hubungan persamaan konsentrasi
kemurnian benzene pada umpan yang masuk ke kolom destilasi (zf) dan persentase recovery
(Γ) dapat ditulis sebagai berikut:
Γ= xD . Dzf . F
Pada kondisi proses yang lain, jika laju alir mol benzene di umpan ditingkatkan,
sedangkan persentase recovery, konsentrasi kemurnian benzene di destilat dan laju alir mol
destilat tidak mengalami perubahan (tetap), ternyata dapat menyebabkan laju alir mol uap
dari reboiler menurun. Hal ini dikarenakan pada kondisi proses tersebut laju alir umpan yang
masuk ke kolom destilat menurun, namun konsentrasi benzene pada umpan meningkat.
Dengan demikian, proses pemurnian benzen dari campuran akan lebih mudah dan
5
kemungkinan adanya benzene yang ikut terbawa dalam aliran yang ke reboiler menjadi lebih
sedikit, sehingga laju alir mol uap dari reboiler menurun.
Gambar 4. Grafik Hubungan Laju Alir Mol Benzen Terhadap Daya Reboiler dan Recovery
Pada kondisi laju alir mol benzen di umpan tetap, peningkatan persentase recovery
dapat menyebabkan daya yang dibutuhkan reboiler meningkat. Hal tersebut disebabkan laju
alir mol umpan yang masuk ke kolom destilat (F) menurun karena pengaruh dari konsentrasi
kemurnian benzene pada umpan yang masuk ke kolom destilasi (zf) dan persentase recovery
(Γ) pada kondisi konsentrasi kemurnian benzene di destilat (xD) dan laju alir mol destilat (D)
tetap. Dengan demikian, kemungkinan adanya benzen dalam campuran aliran di bagian
bawah destilasi meningkat dan usaha untuk memurnikannya makin besar sehingga daya yang
dibutuhkan reboiler untuk menguapkan benzene yang terbawa ke bagian bawah kolom
destilasi juga meningkat.
Pada kondisi proses dengan laju alir mol benzene pada umpan meningkat sedangkan
persentase recovery tetap akan menyebabkan daya yang dibutuhkan oleh reboiler menurun.
Hal tersebut disebabkan laju mol umpan masuk ke kolom destilat menurun karena pengaruh
dari konsentrasi kemurnian benzene pada umpan yang masuk ke kolom destilasi (zf) dan
persentase recovery (Γ) pada kondisi laju alir benzene di destilate tetap. Dengan demikian,
proses pemurnian benzen dari campuran akan lebih mudah dan kemungkinan adanya benzene
yang ikut terbawa dalam aliran yang ke reboiler menjadi lebih sedikit, sehingga daya yang
dibutuhkan reboiler untuk menguapkan benzene yang ikut terbawa dalam aliran yang ke
reboiler akan menurun. Hubungan laju alir mol keseluruhan terhadap daya reboiler dapat
dijelaskan pada persamaan berikut:
6
Q=ṁ∆ H
Gambar 5. Grafik Hubungan Laju Alir Mol Benzen Terhadap Reboiler Rate dan Recovery
Pada kondisi laju alir mol benzen di umpan tetap, peningkatan persentase recovery
dapat menyebabkan reboiler ratio meningkat. Hal tersebut disebabkan laju mol umpan yang
masuk ke kolom destilat dan laju alir mol bottom menurun karena pengaruh dari konsentrasi
kemurnian benzene pada umpan yang masuk ke kolom destilasi (zf) dan persentase recovery
(Γ) pada kondisi konsentrasi kemurnian benzene di destilat dan laju alir mol destilat tetap.
Dengan demikian, kemungkinan adanya benzen dalam jumlah banyak pada campuran aliran
di bagian bawah destilasi (L) meningkat dan dengan reboiler akan menguapkan kembali
benzen dalam jumlah banyak tersebut dengan tujuan agar persentase recovery meningkat.
Hubungan persamaan laju alir mol keluaran reboiler (V) dan laju mol aliran bottom (B) dan
persamaan tersebut dikenal dengan (reboil ratio) dapat ditulis sebagai berikut:
Reboil Ratio=VB
Pada kondisi proses dengan laju alir mol benzen pada umpan meningkat sedangkan
persentase recovery tetap akan menyebabkan reboiler ratio meningkat. Hal tersebut
disebabkan laju mol umpan yang masuk ke kolom destilat dan laju alir mol bottom menurun
karena pengaruh dari konsentrasi kemurnian benzene pada umpan yang masuk ke kolom
destilasi (zf) dan persentase recovery (Γ) pada kondisi konsentrasi kemurnian benzene di
destilat dan laju alir mol destilat tetap. Berdasarkan hasil analisa bahwa laju alir mol bottom
lebih kecil dibanding laju alir mol dari reboiler, sehingga reboiler ratio meningkat.
7
Gambar 6. Grafik Hubungan Laju Alir Mol Benzen Terhadap Laju Alir Mol Reflux dan Recovery
Pada kondisi laju alir mol benzen di umpan tetap, peningkatan persentase recovery
dapat menyebabkan laju alir mol reflux meningkat. Hal tersebut disebabkan laju mol umpan
yang masuk ke kolom destilat menurun karena pengaruh dari konsentrasi kemurnian benzene
pada umpan yang masuk ke kolom destilasi (zf) dan persentase recovery (Γ) pada kondisi
konsentrasi kemurnian benzene di destilat dan laju alir mol destilat tetap. Dengan demikian,
usaha untuk memurnikan makin besar sehingga laju alir cairan yang kembali ke dalam kolom
destilasi juga semakin meningkat.
Pada kondisi proses yang lain, jika laju alir mol benzen di umpan ditingkatkan,
sedangkan persentase recovery, konsentrasi kemurnian benzene di destilat dan laju alir mol
destilat tidak mengalami perubahan (tetap), ternyata dapat menyebabkan laju alir mol reflux
menurun. Hal ini dikarenakan pada kondisi proses tersebut laju alir umpan yang masuk ke
kolom destilat menurun, namun konsentrasi benzen pada umpan meningkat. Dengan
demikian, proses pemurnian benzen dari campuran akan lebih mudah dan kemungkinan
adanya toluen yang ikut terbawa dalam aliran yang ke kondensor menjadi lebih sedikit,
sehingga laju alir mol reflux dari kondensor menurun.
8
Gambar 7. Grafik Hubungan Laju Alir Mol Benzen Terhadap Laju Alir Mol Boil-up dan Recovery
Pada kondisi proses dengan laju alir mol benzene pada umpan tetap, peningkatan
recovery dapat menyebabkan daya yang dibutuhkan kondensor meningkat. Hal tersebut
dikarenakan peningkatkan recovery benzen di destilat pada kondisi laju alir mol benzen di
umpan tetap dapat menyebabkan usaha untuk memurnikan makin besar sehingga daya yang
dibutuhkan kondesor untuk memisahkan destilat dengan liquid yang ingin dikembalikan lagi
ke kolom destilasi juga makin meningkat.
Pada kondisi proses dengan laju alir mol benzene pada umpan meningkat sedangkan
persentase recovery tetap akan menyebabkan daya yang dibutuhkan kondensor menurun. Hal
tersebut disebabkan laju mol umpan masuk ke kolom destilat menurun karena pengaruh dari
konsentrasi kemurnian benzen pada umpan yang masuk ke kolom destilasi (zf) dan
persentase recovery (Γ) pada kondisi konsentrasi kemurnian benzene di destilat dan laju alir
mol destilat tetap. Dengan demikian, proses pemurnian benzen dari campuran akan lebih
mudah dan kemungkinan adanya toluen yang ikut terbawa dalam aliran yang ke kondensor
menjadi lebih sedikit, sehingga daya yang dibutuhkan kondensor untuk menguapkan toluen
yang ikut terbawa dalam aliran yang ke kondensor akan menurun. Hubungan laju alir mol
keseluruhan terhadap daya kondensor dapat dijelaskan pada persamaan berikut:
Q=ṁ∆ H
9
Gambar 8. Grafik Hubungan Laju Alir Mol Benzen Terhadap Max Flooding (%) dan Recovery
Pada kondisi proses dengan laju alir mol benzen pada umpan tetap, peningkatan
recovery dapat menyebabkan kemungkinan terjadinya flooding meningkat. Hal ini
dipengaruhi oleh peningkatan reflux rate sehingga laju alir mol cairan yang masuk kembali
ke kolom destilasi meningkat. Peningkatan laju alir mol cairan yang masuk kembali ke kolom
destilasi juga berpengaruh terhadap peningkatan laju alir mol uap yang masuk kembali ke
kolom destilasi meningkat dari reboiler. Jika laju alir uap dari bawah terlalu besar dapat
menyebabkan cairan pada tray kolom destilasi bergejolak dan tumpah (flooding).
Pada kondisi proses dengan laju alir mol benzene pada umpan meningkat sedangkan
persentase recovery tetap dapat menyebabkan kemungkinan terjadinya flooding menurun.
Peningkatan laju alir mol benzene pada kondisi persentase recovery (Γ), dan laju alir mol
destilat tetap berpengaruh terhadap menurunnya laju alir mol uap dari reboiler. Jika laju alir
mol uap dari reboiler menurun dapat menyebabkan kemungkinan terjadinya flooding
menurun. Namun, jika laju alir mol uap dari reboiler semakin menurun bahkan laju alir mol
uap dari reboiler terlalu kecil dapat mengakibatkan cairan yang mengalir dari kondensor
melewati lubang-lubang tray. Peristiwa mengalirnya cairan yang mengalir dari kondensor
melewati lubang-lubang tray dikenal dengan weeping.
10
0.240.26
0.28 0.30.32
0.340.36
0.38 0.4103.1
103.15
103.2
103.25
103.3
103.35
103.4
103.45
103.5
103.55
Recovery 75%Recovery 80%Recovery 85%Recovery 90%Recovery 95%
Benzene - Molar Flow [kgmole/h]
To C
onde
nser
- Te
mpe
ratu
re [C
]
Gambar 9. Grafik Hubungan Laju Alir Mol Benzen Terhadap Temperatur Kondensor dan Recovery
Pada grafik hubungan laju alir mol benzen terhadap temperatur kondensor dan
recovery terlihat bahwa pada laju alir mol benzene tetap dan persentase recovery meningkat
berpengaruh terhadap menurunnya temperature aliran menuju kondensor. Hal tersebut
dikarenakan peningkatan persentase recovery menyebabkan konsentrasi benzene murni yang
keluar dari kolom destilasi akan meningkat. Karena titik didih benzene lebih rendah dari titik
didih toluen maka lairan keluaran kolom destilasi menuju kondesor lebih banyak
mengandung benzene. Hal ini menyebabkan temperatur aliran menuju kondensor lebih
rendah seiring meningkatnya persentase recovery.
Gambar 10. Grafik VLE
Berdasarkan grafik di atas menegaskan titik didih benzene lebih rendah dibanding titik didih
toluene sehingga pada temperature tertentu misalkan T1 diketahui bahwa komponen benzene
11
telah menjadi fase uap dibandingkan dengan toluene yang masih dalam keadaan cair, dengan
demikian apabila grafik tersebut diaplikasikan dalam proses pemisahan di atas dapat
diketahui bahwa pada temperature yang lebih tinggi persentase recovery benzen lebih sedikit.
VII. KESIMPULAN
Hal-hal yang dapat disimpulkan dari simulasi ini adalah :
1. Pada kondisi persentase recovery, laju alir mol destilat (xD), dan konsentrasi
kemurnian benzene di destilat (xD) tetap, sedangkan laju alir mol benzene umpan
meningkat dapat mangakibatkan laju alir mol boil-up dan reboiler rate meningkat.
Namun, kondisi tersebut juga dapat mengakibatkan daya reboiler, laju alir mol
reflux, laju alir mol kondensor, dan max flooding (%) menurun.
2. Pada kondisi laju alir mol benzene umpan, laju alir mol destilat (xD), dan
konsentrasi kemurnian benzene di destilat (xD) tetap, sedangkan persentase recovery
meningkat dapat mangakibatkan laju alir mol boil-up dan reboiler rate menurun.
Namun, kondisi tersebut juga dapat mengakibatkan daya reboiler, laju alir mol
reflux, laju alir mol kondensor, dan max flooding (%) meningkat.
12
DAFTAR PUSTAKA
Anonim. Benzene. 5 Mei 2010. http://www.newworldencyclopedia.org/entry/BenzeneAnonim. Benzene-Toluene. 5 Mei 2010. http://www.chemsystems.com/about/cs/news/items/PERP%200607_6_BenzeneToluene.cfmAnonim. Distilasi. 5 Mei 2010. http://id.wikipedia.org/wiki/DistilasiAnonim. Perhitungan Theoritical Stage (McCabe-Thiele) Kolom Distilasi. 5 Mei 2010.
http://blog.unsri.ac.id/chemeng%20sai/mrdetail/6100Mc. Cabe W.L, J.C. Smith, Peter Harriot. 2005. Unit Operations of Chemical Engineering 7th
ed. Mc Graw Hill. USA.Perry, R.H., Green, D. 1999. Perry’s Chemical Engineer’s Hand book, 7th ed. Mc Graw Hill
Company. USA.Smith, J.M., Van Ness, H.C., dan Abbott, M.M. 2005. Introduction to Chemical Engineering
Thermodynamics 7th edition. McGraw-Hill. Singapore.Turton, R. et al. 2008. Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes 3rd edition.
Prentice Hall Pearson Education. Massachusetts, USA.
13