modul4 perancangan tray absorber
DESCRIPTION
Bebeberapa metode perancangan tray absorberTRANSCRIPT
MODUL 4
Multistage Counter Current Distillation Continuous Rectification Continuous Fractionation
- Menggunakan kolom destilasi yang terdiri atas beberapa stage, pada setiap stage terjadi kesetimbangan cair-gas.- Kolom dibagi menjadi 2 yang dipisahkan oleh feed (umpan).- Bagian atas disebut adsorption, enriching atau rectifying section, di bagian ini terjadi pencucian gas dengan cairan untuk mengabsorb komponen yang kurang volatile.- Bagian bawah disebut stripping atau exhausting section, terjadi stripping terhadap cairan dengan uap untuk memisahkan komponen yang lebih volatile.- Karena tidak ada tambahan umpan selain umpan sentral, maka diperlukan reboiler dibagian bawah kolom untuk memproduksi uap, dan kondensor untuk mengembunkan uap diatas kolom.- Cairan yang dikembangkan ke kolom disebut refluk dan distilat yang diambil sebagai produk. Produk bawah disebut residu atau bottom.
Notasi
Nomer Tray dimulai dari atas
Ln: laju alir cair dari tray n
Gn+1: laju alir gas dari tray n+1
R: besarnya rasio refluk =Lo/D
(external)
Enthalpy balance Total
Bag.I
G1 = D+Lo =D+RD=D(R+1)
untuk komponen A
G1y1 =DzD +LoXo
G1HG1 =Qc+LoHLo +DHD
Sehingga beban kondensor=
Qc= D[(R+1)HG1 –RHL0-HD]
Dan beban reboiler=
QB =DHD +WHW + Qc +QL -FHFGambar 8 Segmen pada kolom distilasi
Metode PONCHON and SAVARIT
Asumsi : tidak terjadi kehilangan kalorLebih teliti, bisa untuk setiap kondisi tetapi memerlukan H-xy danxy diagram
Bagian enriching (material dan heat balance bagian III) dengantotal kondensorGn+1 = Ln + D; untuk komponen A : Gn+1 yn+1 = Ln xn + DzD (*)
atau Gn+1 yn+1 - Ln xn = DzD = konstanmenunjukkan perbedaan aliran komponen A keatas dan kebawah Entalpi balance : Gn+1 HG,n+1 = Ln HLn + Qc + DHD
Q’ = (Qc + DHD)/D = Qc/D + HD
Gn+1 HG,n+1 - Ln HLn = DQ’, menunjukkan aliran kalor keatas : konst.Dari (*) Ln / Gn+1 = internal reflux ratio = (ZD - yn+1)/(ZD - Xn)
= (Q’ - HG,n+1)/(Q’ - HLn)merupakan garis lurus yang memotong Gn+1, Ln dan Ddan merupakan slope garis operasi (linier) bagian enrichingD = (Q’,ZD) (perbedaan aliran heat dan masa top-botom)Reflux ratio = R = Lo/D = (Q1 - HG1)/(HG1 - HLo = garis D G1/garis G1D
Bila digunakan Kondensor parsial : terjadi kesetimbangan cair-uap dikondensor sehingga kondensor dihitung sebagai 1 stage.D diambil berfasa uap dan reflux (Lo) adalah cairan yang setimbangdengan D.
Bagian StrippingMaterial dan heat balance (Bagian IV)Lm = Gm+1 + W; untuk komponen A : Lm xm = Gm+1 ym+1 + WxW (*)Perbedaan laju komponen A dari bawah-keatasEntalpi balance : Lm HLm + QB = Gm+1 + WHW
Q’’ = kalor yang dibutuhkan reboiler/mol residu = (WHW - QB)/W = HW - QB/WDari (*) didapat Lm/Gm+1 = (ym+1 - xW)/(xm - xW) = (HG,m+1 - Q’’)/(HLm - Q’’)merupakan garis yang melewati Gm+1. Lm, Wmerupakan slope garis operasi (linier) bagian strippingW = (Q’’,zW) (perbedaan aliran heat dan masa bottom-up)
Gambar 9 HXY diagram untuk sistem aceton-air
Gambar 10 Reboiler parsial dan metode penggambaran stage pada diagram HXY
Gambar 11 metode penggambaran garis kesetimbangan bagian stripping
Kolom fraksionasi secara komplitMaterial dan heat balance untuk bagian IIF = D + W, untuk komponen A FzF = DzD + WxW (*)Dari QB = DHD + WHW + QC + QL - FHF dan Q’, Q’’ didapat FHF = DQ’ + WQ’’ (**)Eliminasi F dari (*, **) : D/W = (ZF - XW)/(ZD - ZF) = (HF - Q’’)/(Q’ -HF)merupakan garis lurus yang melewati D, F dan Wdan F = D + W, Titik feed (F) harus selalu pada garis ini.Garis ini memotong H-xy diagram di T dan S yang memberikan titikM di xy diagram sebagai titik potong garis operasi enriching dan stripping.
Dengan menarik garis random dari D memotong HL didapat garis operasi enriching sedangkan garis W memotong HG didapat garis operasi stripping yang berpotongan di M.Jumlah stage dapat ditentukan dengan membuat garis yang mewakili satu kesetimbangan cair-uap dengan satu stage.
Gambar 12 Jumlah stage gabungan bagian enriching dan stripping
Tahap menentukan jumlah stage metode ponchon-savarit1. Buat diagram H-xy dan xy2. Tentukan ZF, D dan YD dan W dan XW
3. Tentukan Q’, Q’’, HF, juga QC dan QB
perhatikan besarnya R4. Tentukan F, D, dan W5. Tentukan M6. Buat garis operasi di H-xy secara random kira-kira 4 di enriching dan 4
di stripping dan buat garis operasi enriching dan stripping di xy diagram7. Buat garis kesetimbangan untuk masing-masing stage dengan
memperhatikan jenis kondensor
Lokasi FeedLokasi feed memisahkan tray/stage bagian enriching dan strippingterdapat 3 kemungkinan lokasi :- diperpotongan grs operasi enriching dan grs kesetimbangan- diperpotongan grs operasi stripping dan grs kesetimbangan- diperpotongan grs operasi enriching dan strippingLokasi ke-3 memberikan jumlah stage yang lebih sedikit……expected
Feed dapat berbentuk 3 macam :- cair keseluruhan, dimasukkan di tray diatas feed tray- gas keseluruhan, dimasukkan di tray dibawah feed tray- campuran gas-cair, dipisahkan lebih dahulu diluar kolom dan
dimasukkan ke kolom sebagai cair dan gas secara terpisah (biasanya pemisahan ini tidak dilakukankarena alasan ekonomi)
Gambar 13. A. penggambaran stage apabila menggunakan garis operasi enriching sebagai batas perpindahanB. Apabila menggunakan garis stripping sebagai baris operasi batas perpindahan
C.Apabila menggunakan perputongan garis operasi stripping dan enriching
A
B
C
Perubahan Reflux RatioBesarnya reflux ratio (R = Lo/D) dapat diubah sedemikian sehinggadidapat :- Total Reflux, dimana seluruh produk atas dikembalikan ke kolom- Minimum Reflux, yang mengakibatkan beban condensor dan reboiler
menjadi minimum. Rm ini mengakibatkan jumlah stage menjadi tak berhingga
Total RefluxMenaikkan besarnya R berarti menaikkan rasio panjang D G1/G1 DTotal reflux berarti R = ~ dan D bertempat di ~ dan garis operasi diH-xy diagram menjadi vertikal yang menyebabkan Nm
Minimum RefluxMenurunkan minimum reflux berarti menurunkan letak D. D paling rendah didapat pada saat garis operasi berimpit dengan tie line.Garis operasi ini menyebabkan jumlah stage (N) menjadi ~.
Gambar 14. Jumlah stage untuk refluk maksimum
Optimum Reflux
Perubahan R menyebabkan perubahan N, sehingga didapat hubungan- Nm bila terjadi total reflux- N~ bila terjadi minimum reflux (Rm)Untuk mendesain kolom distilasi, R haruslah R optimum. R optimum ini menyebabkan jumlah stage juga optimum sehingga cost dapatditekan seminimal mungkin.Pada saat Nm, cost untuk konstruksi kolom (fixed cost) minimum tetapioperating cost menjadi maksimum dan sebaliknya untuk N ~.R optimum mempunyai harga antara 1,2 Rm ~ 1,5 Rm.Lihat Gambar 15 yang menjelaskan fenomena perubahan jumlah stageakibat perubahan refluk.
Gambar 15 Jumlah Stage Vs Refluk
Contoh Soal :5000 lb/jam larutan metanol-air yang mengandung 50% berat metanoldan 50% berat air pada 80oC hendak difraksionasi kontinyu pada 1 atm.Produk atas diharapkan mengandung 95% berat metanol dan 1% beratmetanol untuk produk bawah. Sebelum masuk kolom, feed dipanaskan pada HE dengan produk baweah sebagai pemanas sehingga residu keluar HE bersuhu 100oF. Total kondensor dipakai pada kolom ini denganbesarnya reflux = 1,5 dari reflux minimum.Tentukan :1. Laju alir produk2. Entalpi feed dan produk3. Minimum reflux ratio4. Minimum tray teoritis5. Beban kondensor dan reboiler6. Jumlah tray teoritis
BM methanol (A) = 32, BM air (B) = 18, basis 1 jam operasi
1. Menghitung ZF, XD dan XW dalam % mol serta D dan WF = 5000 x 0,5/32 + 5000 x 0,5/18 = 78 + 138,8 = 216,8 mol/jamZF = 78/216,8 = 0,36 fraksi mol; BM rata2 Feed = 5000/216,8 =23,1XD = (95/32)/(95/32 + 5/18) = 2,94/3,217 = 0,915 fraksi mol
BM rata2 Distilat = 100/3,217 =31,1XW = (1/32)/(1/32 + 99/18) = 0,0312/5,53 = 0,00565 fraksi mol
BM rata2 Residu = 100/5,53 = 18,08
Material balance total : 216,8 = D + Wuntuk komponen A : 216,8 x 0,36 = D x 0,915 + W x 0,00565didapat D = 84,4 mol/jam atau 2620 lb/jam
W = 132,4 mol/jam atau 2380 lb/jam
2. Menghitung entalpi F, D dan WMenghitung suhu feed masuk kolom (keluar HE)tb residu = 210oF, CW = 0,998, CD = 0,920 BTU/lboFEnthalpi balance di HE, 5000(0,92)(tF-80) = 2380(0,998)(210-100)tF masuk kolom = 136oFMenghitung HF (HS = -388 BTU/lbmol, pada tref = 67,5oF)HF = 0,92(136-67,5)(23,1) = 1070 BTU/lbmol.Dari H-xy diagram didapat HD = 1565 dan HW = 2580 BTU/lbmol
3. Menghitung RmApabila ditarik tie line yang melewati F didapat titik Dm danQ’m = 26900 BTU/lbmol, sedangkan HG1 = 16600 BTU/lbmolRm = (26900 - 16600) / (16600 - 1565) = 0,685
4. Menentukan NmDengan meletakkan D di ~, didapat Nm+1 (termasuk reboiler) = 5Nm = 5 - 1 = 4
5. Menentukan QC dan QB
R = 1,5 Rm = 1,5 x 0,685 = 1,029Menentukan titik D dengan menghitung Q’1,029 = (Q’-16600)/(16600-1565)
Q’ = 32070 = HD + QC/D = 1565 + QC/84,4 QC = 2575000 BTU/jam
Dengan pers FHF = DQ’ +WQ’’; 216,8(1070) = 84,4(32070) + 134,4Q’’Q’’ = -18690 = HW - QB/W = 2580 - QB/132,4 QB = 2816000 BTU/jam
6. Menentukan jumlah tray teoritisDengan D pada XD = 0,915, Q’ = 32070 danW pada XW = 0,00565, Q’’ = 32070 dapat dibuat garis D, F, Wdan garis operasi enriching, stripping shg didapat teoritical tray = 9termasuk reboiler, atau 8 tray teoritis. Feed tray = tray nomor 5.
Gambar 16 Diagram HXY untuk aceton-air dan penentuan jumlah stage
TUGAS 4
1. Apa yang dimaksud dengan penggunaan open steampengganti reboiler dan bagaimana metode penentuantahap kesetimbangannya
2. Bagaimana menentukan tray efisiensi (Murphee eficiency)3. Apa yang dimaksud dengan Multiple Feed dan Side Stream
serta pengaruhnya terhadap penentuan tahap kesetimbangan4. Kerjakan Soal No.9.10 metode MT