MODUL 4 Multistage Counter Current Distillation Continuous Rectification

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 G 1 = D+Lo =D+RD=D(R+1) untuk komponen A G 1 y 1 =Dz. D +Lo. Xo G 1 HG 1 =Qc+Lo. HLo +DHD Sehingga beban kondensor= Qc= D[(R+1)HG 1 –RHL 0 -HD] Dan beban reboiler= QB =DHD +WHW + Qc +QL -FHF Gambar 8 Segmen pada kolom distilasi

Metode PONCHON and SAVARIT Asumsi : tidak terjadi kehilangan kalor Lebih teliti, bisa untuk setiap kondisi tetapi memerlukan H-xy dan xy diagram Bagian enriching (material dan heat balance bagian III) dengan total kondensor Gn+1 = Ln + D; untuk komponen A : Gn+1 yn+1 = Ln xn + Dz. D (*) atau Gn+1 yn+1 - Ln xn = Dz. D = konstan menunjukkan 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 DD dan merupakan slope garis operasi (linier) bagian enriching DD = (Q’, ZD) (perbedaan aliran heat dan masa top-botom) Reflux ratio = R = Lo/D = (Q 1 - HG 1)/(HG 1 - HLo = garis DD G 1/garis G 1 D

Bila digunakan Kondensor parsial : terjadi kesetimbangan cair-uap di kondensor sehingga kondensor dihitung sebagai 1 stage. D diambil berfasa uap dan reflux (Lo) adalah cairan yang setimbang dengan D. Bagian Stripping Material dan heat balance (Bagian IV) Lm = Gm+1 + W; untuk komponen A : Lm xm = Gm+1 ym+1 + Wx. W (*) Perbedaan laju komponen A dari bawah-keatas Entalpi balance : Lm HLm + QB = Gm+1 + WHW Q’’ = kalor yang dibutuhkan reboiler/mol residu = (WHW - QB)/W = HW - QB/W Dari (*) didapat Lm/Gm+1 = (ym+1 - x. W)/(xm - x. W) = (HG, m+1 - Q’’)/(HLm - Q’’) merupakan garis yang melewati Gm+1. Lm, DW merupakan slope garis operasi (linier) bagian stripping DW = (Q’’, z. W) (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 komplit Material dan heat balance untuk bagian II F = D + W, untuk komponen A Fz. F = Dz. D + Wx. W (*) 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 DD, F dan DW dan F = DD + DW, Titik feed (F) harus selalu pada garis ini. Garis ini memotong H-xy diagram di T dan S yang memberikan titik M di xy diagram sebagai titik potong garis operasi enriching dan stripping. Dengan menarik garis random dari DD memotong HL didapat garis operasi enriching sedangkan garis DW 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-savarit 1. Buat diagram H-xy dan xy 2. Tentukan ZF, D dan YD dan W dan XW 3. Tentukan Q’, Q’’, HF, juga QC dan QB perhatikan besarnya R 4. Tentukan F, DD, dan DW 5. Tentukan M 6. 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 diagram 7. Buat garis kesetimbangan untuk masing-masing stage dengan memperhatikan jenis kondensor

Lokasi Feed Lokasi feed memisahkan tray/stage bagian enriching dan stripping terdapat 3 kemungkinan lokasi : - diperpotongan grs operasi enriching dan grs kesetimbangan - diperpotongan grs operasi stripping dan grs kesetimbangan - diperpotongan grs operasi enriching dan stripping Lokasi 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 dilakukan karena alasan ekonomi)

A C B Gambar 13. A. penggambaran stage apabila menggunakan garis operasi enriching sebagai batas perpindahan B. Apabila menggunakan garis stripping sebagai baris operasi batas perpindahan C. Apabila menggunakan perputongan garis operasi stripping dan enriching

Perubahan Reflux Ratio Besarnya reflux ratio (R = Lo/D) dapat diubah sedemikian sehingga didapat : - 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 Reflux Menaikkan besarnya R berarti menaikkan rasio panjang DD G 1/G 1 D Total reflux berarti R = ~ dan DD bertempat di ~ dan garis operasi di H-xy diagram menjadi vertikal yang menyebabkan Nm Minimum Reflux Menurunkan minimum reflux berarti menurunkan letak DD. DD 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 ini menyebabkan jumlah stage juga optimum sehingga cost dapat ditekan seminimal mungkin. Pada saat Nm, cost untuk konstruksi kolom (fixed cost) minimum tetapi operating 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 stage akibat perubahan refluk.

Gambar 15 Jumlah Stage Vs Refluk

Contoh Soal : 5000 lb/jam larutan metanol-air yang mengandung 50% berat metanol dan 50% berat air pada 80 o. C hendak difraksionasi kontinyu pada 1 atm. Produk atas diharapkan mengandung 95% berat metanol dan 1% berat metanol untuk produk bawah. Sebelum masuk kolom, feed dipanaskan pada HE dengan produk baweah sebagai pemanas sehingga residu keluar HE bersuhu 100 o. F. Total kondensor dipakai pada kolom ini dengan besarnya reflux = 1, 5 dari reflux minimum. Tentukan : 1. Laju alir produk 2. Entalpi feed dan produk 3. Minimum reflux ratio 4. Minimum tray teoritis 5. Beban kondensor dan reboiler 6. 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 W F = 5000 x 0, 5/32 + 5000 x 0, 5/18 = 78 + 138, 8 = 216, 8 mol/jam ZF = 78/216, 8 = 0, 36 fraksi mol; BM rata 2 Feed = 5000/216, 8 =23, 1 XD = (95/32)/(95/32 + 5/18) = 2, 94/3, 217 = 0, 915 fraksi mol BM rata 2 Distilat = 100/3, 217 =31, 1 XW = (1/32)/(1/32 + 99/18) = 0, 0312/5, 53 = 0, 00565 fraksi mol BM rata 2 Residu = 100/5, 53 = 18, 08 Material balance total : 216, 8 = D + W untuk komponen A : 216, 8 x 0, 36 = D x 0, 915 + W x 0, 00565 didapat D = 84, 4 mol/jam atau 2620 lb/jam W = 132, 4 mol/jam atau 2380 lb/jam

2. Menghitung entalpi F, D dan W Menghitung suhu feed masuk kolom (keluar HE) tb residu = 210 o. F, CW = 0, 998, CD = 0, 920 BTU/lbo. F Enthalpi balance di HE, 5000(0, 92)(t. F-80) = 2380(0, 998)(210 -100) t. F masuk kolom = 136 o. F Menghitung HF (DHS = -388 BTU/lbmol, pada tref = 67, 5 o. F) 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 Rm Apabila ditarik tie line yang melewati F didapat titik DDm dan Q’m = 26900 BTU/lbmol, sedangkan HG 1 = 16600 BTU/lbmol Rm = (26900 - 16600) / (16600 - 1565) = 0, 685 4. Menentukan Nm Dengan meletakkan DD di ~, didapat Nm+1 (termasuk reboiler) = 5 Nm = 5 - 1 = 4

5. Menentukan QC dan QB R = 1, 5 Rm = 1, 5 x 0, 685 = 1, 029 Menentukan titik DD 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, 4 Q’’ = -18690 = HW - QB/W = 2580 - QB/132, 4 QB = 2816000 BTU/jam 6. Menentukan jumlah tray teoritis Dengan DD pada XD = 0, 915, Q’ = 32070 dan DW pada XW = 0, 00565, Q’’ = 32070 dapat dibuat garis DD, F, DW dan garis operasi enriching, stripping shg didapat teoritical tray = 9 termasuk 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 steam pengganti reboiler dan bagaimana metode penentuan tahap kesetimbangannya 2. Bagaimana menentukan tray efisiensi (Murphee eficiency) 3. Apa yang dimaksud dengan Multiple Feed dan Side Stream serta pengaruhnya terhadap penentuan tahap kesetimbangan 4. Kerjakan Soal No. 9. 10