PERANCANGAN TRAY TOWER

PERANCANGAN ALAT PROSES

Asep Muhamad Samsudin

Ruang Lingkup1. 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) baikmenggunakan kondensor total maupun parsial.

Kondensor Total Kondensor Parsial

Penentuan Kondisi Operasi Puncak KolomPada suhu T1dan tekanan P1, arus L1 dengan komposisi x1 seimbang dengan arusV1 dengan komposisi y1. Dengan demikian dipenuhi kriteria berikut :

1. Suatu komponen pada suhu T1 dan Tekanan P1 di setiap fasa, baik fasa L1 maupun V1 terdapat distribusi suhu, tekanan dan konsentrasi yang serbasama.

2. Fasa L1 dan fasa V2keduanya jenuh.

3. Netto propertiesnya sama dengan nol, artinyaa. Suhu L1 sama dengan suhu V1 T1

b. Tekanan L1 sama dengan tekanan V1 P1

4. Korelasi komposisi V1 yang seimbang dengan L1 memenuhi persamaan𝑦1 = K1𝑥1

K1 adalah Konstanta Keseimbangan komponen pada suhu T1 dan P1

Penentuan Kondisi Operasi Puncak KolomJika kondensor yang digunakan KONDENSOR TOTAL

1. Hasil puncak diambil berupa cairan D dengan komposisi xD

2. Komposisi y1 = XD =Xo

Jika kondensor yang digunakan KONDENSOR PARSIAL

1. Hasil puncak diambil berupa uap Dv dengan komposisi yD

2. Komposisi y1≠yD≠Xo

3. Komposisi y1,merupakan komposisi rata-rata dengan Dvdan Lo

𝑦1 =𝐿𝑜 𝑋0 + 𝐷𝑣𝑦𝐷

𝐿0 + 𝐷𝑣

Penentuan Kondisi Operasi Puncak Kolom4. Arus Dv boleh jadi seimbang dengan arus Lo sehingga

a. Kondensor parsial setara dengan satu tray / plate ideal yang letaknya di luar kolom

b. Korelasi komposisi Antara hasil puncak yD dengan cairan refluk X0 memenuhi persamaan :

c. 𝑦𝐷 = K𝑥0d. 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 KolomDitentukan oleh pasangan suhu Tn dan tekanan Pn yang membentukkeseimbangan pada Tray ke n atau tray dasar, baik menggunkan reboiler total maupun reboiler parsial.

Reboiler Total Reboiler Parsial

Penentuan Kondisi Operasi Dasar KolomPada suhu Tn dan tekanan Pn, arus Vn dengan komposisi yn seimbang dengan arusLn dengan komposisi Xn. Dengan demikian dipenuhi kriteria berikut :

1. Di setiap fasa, baik fasa Vn maupun Ln terdapat distribusi suhu, tekanan dankonsentrasi yang serbasama.

2. Fasa Ln dan fasa Vn keduanya jenuh.

3. Netto propertiesnya sama dengan nol, artinyaa. Suhu Ln sama dengan suhu Vn Tn

b. Tekanan Vn sama dengan tekanan Ln Pn

4. Korelasi komposisi Vn yang seimbang dengan Ln memenuhi persamaan𝑦𝑛 = K𝑛𝑥𝑛

Kn adalah Konstanta Keseimbangan suatu komponen pada suhu Tndan Tekanan Pn

Penentuan Kondisi Operasi Dasar KolomJika reboiler yang digunakan REBOILER TOTAL

Komposisi Xn = Xw =yn+1

Jika reboiler yang digunakan REBOILER PARSIAL

1. Komposisi Xn≠Xw≠ yn+1

2. Komposisi Xn,merupakan komposisi rata-rata antara arus W dan Vn+1

𝑥𝑛 =𝑊𝑋𝑤 + 𝑉𝑛+1𝑦𝑛+1

𝑊 + 𝑉𝑛+1

Penentuan Kondisi Operasi Puncak Kolom4. Arus Vn+1 boleh jadi seimbang dengan arus W sehingga

a. Reboiler parsial setara dengan satu tray / plate ideal yang letaknya di luarkolom

b. Korelasi komposisi antara hasil dasar xw dengan uap refluk yn+1 memenuhipersamaan :

𝑦𝑛+1 = K𝑥𝑤K 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 diperhatikan1. Jika dimungkinkan, operasikan kolom pada tekanan 1 (satu) atmosfer

2. Suhu dan tekanan puncak kolom, harus di bawah suhu dan tekanan kritismasing-masing komponen yang terdapat pada hasil puncak

3. Suhu dan tekanan puncak kolom, lebih rendah dari suhu dan tekanan dasarkolom

4. Kondisi operasi kolom, ditentukan dengan mempertimbangkan utilitas yangada serta beda suhu yang diizinkan.

5. Pada kondensor parsial, kondisi puncak kolom ditentukan setelah kondisikeseimbangan pada kondensor ditentukan lebih dahulu.

6. Pada reboiler parsial, kondisi dasar kolom ditentukan setelah suhu dantekanan reboiler parsial dihitung lebih dulu.

Algoritma Penentuan Kondisi Operasi Puncak Kolom

1. Tentukan komposisi hasil puncak xD atay yD dan komposisi hasildasar xW, sesuai dengan spesifikasi yang direncanakan.

2. Tentukan komposisi uap yi,1

3. Tentukan suhu operasi T1 dengan pertimbangan :a. Suhu T1 harus di bawah suhu kritis Tc masing-masing komponen yang

terdapat dalam hasil puncak.

b. Utilitas yang ada, misalnya air dapat digunakan sebagai pendingindengan T yang diizinkan antara 6 – 20oC

4. Hitung atau tentukan tekanan operasi P1 dengan pertimbangan :a. Tekanan P1 harus di bawah tekanan kritis Pc masing-masing komponen

yang terdapat pada hasil puncak

b. Jika dimungkinkan, coba P1 = 1 atm.

Algoritma Penentuan Kondisi Operasi Puncak Kolom

5. Cek korelasi komposisi uap yi,1 yang seimbang dengan komposisicairan xi,1 dari hub : yi,1 = Ki,1Xi,1

Harga konstanta keseimbangan Ki dibaca pada Nomogram pada suhudan Tekanan T1 dan P1

a. Jika Xi,1 = 1, maka benar bahwa T1 dan P1 merupakan kondisioperasi puncak kolom.

b. Jika Xi,1 ≠ 1, maka T1 dan/atau P1 harus diralat denganpertimbangan bahwa jika dimungkinkan, pertahankan airsebagai pendingin dan hindari penggunaan tekanan vacuumatau tekanan tinggi

Algoritma Penentuan Kondisi Operasi Dasar Kolom

1. Tentukan komposisi hasil puncak xD dan hasil dasar xW, sesuaidengan spesifikasi yang direncanakan.

2. Tentukan komposisi cairan xi,n

3. Tentukan suhu operasi Tn dengan pertimbangan :a. Suhu Tn lebih tinggi dari T1

b. Utilitas yang ada, misalnya air (steam) dapat digunakan sebagaipemanas dengan T yang diizinkan antara 10 – 60oC

4. Hitung atau tentukan tekanan operasi Pn dengan pertimbangan :a. Tekanan Pn harus lebih tinggi dari P1

b. Steam jenuh padatekanan rendah sampai medium dapat digunakan

Algoritma Penentuan Kondisi Operasi Dasar Kolom

5. Cek korelasi komposisi uap xi,n yang seimbang dengan komposisi uapyi,n dari hub : yi,n = Ki,nxi,n

Harga konstanta keseimbangan Ki dibaca pada Nomogram pada suhudan Tekanan Tn dan Pn

a. Jika yi,n = 1, maka benar bahwa T1 dan P1 merupakan kondisioperasi dasar kolom.

b. Jika yi,n ≠ 1, maka T1 dan/atau P1 harus diralat.

Contoh Soal 1Menara fraksinasi dirancang untuk memisahkan campuran hidrokarbonyang terdiri dari 50% mol C3H8, 30% mole C3H6 dan 20% mole n-C4H10.Diharapkan hasil puncak dan dasar masing-masing mengandungminimal 98 % mole C3 dan maksimal 1 % mole C3. Hitunglah kondisioperasi puncak dan dasar menara.

Komponen 𝑷𝒊𝒐 (atm)

C3H8 17.40

C3H6 20.24

n-C4H10 5.00

Komponen Tc (oC) Pc (oC)

C3H8 91.4 45.4

C3H6 96.8 42.0

Tugas 1 Menara Fraksionasi yang bekerja kontinyu pada tekanan 1 atm direncanakanuntuk memisahkan 550 lbmol/jam campuran hidrokarbon yang terdiri dari

Diharapkan hasil puncak mengandung minimal 95% mol A dan sisanya Bsedangkan hasil bawah maksimal mengandung 5% mol A. Jika diketahui tekananuap murni B pada berbagai macam suhu. Tentukan kondisi operasi (suhu)puncak dan dasar kolom jika digunakan kondensor dan reboiler total.

Komponen BM % mol

A 32 30 1.75

B 46 20 1.00

C 60 15 0.50

D 74 35 0.20

T (oC) 60 70 80 90 100

PoB (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 dapatdihitung dengan :

1. Cara Grafis (Ponchon-Savarit, Mc Cabe Thiele)

2. Cara “Short-Cut”

3. Cara Analitis

Dibandingkan dengan cara "short cut", perhitungan jumlah stageideal menurut cara analitis lebih membertkan ketelitian yang tinggl.

Distribusi suhu, tekanan, dan komposisi di setiap Tray di setiap seksidi 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-Nmin) / (N + 1).

Rmin, R dan Nmin ditentukan terlebih dahulu.

Perbandingan Refluk Minimal (Rmin)

Dimana :

Xi = fraksi mol kompenen I yang terdapat dalam distilat

i = komponen a, b,.. N

= Sifat penguapan relatif komponen I terhadap “referensi”

= Konstanta Underwood

Konstanta Underwood ()

Dimana :

q = Sejumlah panas yang dibutuhkan untuk menguapkan satu molumpan 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 (Nmin)

Dalam hubungan ini,

XLK; XHK = Fraksi mol komponen kunci ringan; berat

LK – HK = Sifat pernguapan relative komponen kunci ringan terhadapkunci berat pada suhu rata-rata kolom.

Penentuan Komponen KunciKomponen 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 murnitinggi, tetapi dia ada dalam hasil dasar W.

Komponen Kunci Berat (HK) adalah komponen kunci yang mempunyaititik didih tinggi atau tekanan uap murni rendah, tetapi dia terdapatdalam hasil puncak D.

Penentuan Komponen Kunci

Komponen Umpan Distilat Residu

A xA xA

B xB xB

C, LK xC xC xC

D, HK xD xD xD

E xE xE

F xF xF

Contoh Soal 2Menara fraksinasi dirancang untuk memisahkan campuran hidrokarbonyang terdiri dari 50% mol C3H8, 30% mole C3H6 dan 20% mole n-C4H10.Diharapkan hasil puncak dan dasar masing-masing mengandungminimal 98 % mole C3 dan maksimal 1 % mole C3. Hitunglah jumlahplate ideal yang dibutuhkan.

Tugas 2Menara fraksinasi dirancang untuk memisahkan campuran hidrokarbonyang terdiri dari 45% mol C2H6, 30% mole C2H4 dan 25% mole n-C4H10.Diharapkan hasil puncak dan dasar masing-masing mengandungminimal 95 % mole C2 dan maksimal 2 % mole C2. Hitunglah jumlahplate 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 PlateNeraca Bahan Total

Ln−1 + Vn+1 = Ln + Vn (1)

Neraca Komponen Pers (1)

Ln−1𝑥𝑛−1 + Vn+1𝑦𝑛+1 = Ln𝑥𝑛 + Vn𝑦𝑛 (2)

Neraca Panas Pers (1)

Ln−1HLn−1 + Vn+1HVn+1 = LnHLn + VnHVn (3)

Neraca pada PlateHubungan Keseimbangan

a. Korelasi komposisi dalam kedua fasa seimbang

𝑦𝑛 =𝑃𝑜

𝑃𝑡(𝑥𝑛) atau 𝑦𝑛 =

𝛼𝑥𝑛

1+(𝛼−1)𝑥𝑛(4)

b. Korelasi Enthalpi – komposisi dalam kedua fasaseimbang

HLn = xnCPA(𝑡𝑛 − 𝑡𝑟) + 1 − 𝑥𝑛 CPB(𝑡𝑛 − 𝑡𝑟) (5)

HVn = ynλA + 1 − 𝑦𝑛 λB + HLn (6)

Neraca pada Plate UmpanNeraca Bahan Total

F + Lf−1 + Vf+1 = Lf + Vf (7)

Neraca Komponen Pers. (7)

F𝑥𝑓 + Lf−1𝑥𝑓−1 + Vf+1𝑦𝑓+1 = Lf𝑥𝑓 + Vf𝑦𝑓 (8)

Neraca Panas Pers. (7)

FHf + Lf−1HLf−1 + Vf+1HVf+1 = LfHLf + VfHVf (9)

Lf−Lf−1

F= 𝑞 dan 𝑞 =

𝐻𝑉−𝐻𝐹

𝐻𝑉−𝐻𝐿(10)

Neraca pada KondensorPada Kondensor Total

V1 = Lo + D (11)

y1 = Xo = XD (11)

V1HV1 = LoHL0 + DHD + (−qc) (13)

R =L0

D(14)

Neraca pada ReboilerPada Reboiler Parsial

Ln = VN+1 +W (15)

xn =VN+1yN+1+Wxw

VN+1+W(16)

L1HLN + 𝑞𝑟 = VN+1HVN+1 +WHW (17)

𝑦𝑁+1 =𝑃𝑜

𝑃𝑡(𝑥𝑊) atau 𝑦𝑁+1 =

𝛼𝑥𝑊

1+(𝛼−1)𝑥𝑊(18)

Neraca di Sekitar KolomNeraca Bahan Total

F= D +W (19)

Neraca Komponen Pers. (19)

Fxf = DxD +WxW (20)

Neraca Panas pers.(19)

FHf + qr = DHD + −qc + WHw (21)

ALGORITMA1. Hitung L0

L0 = R + D

2. Hitung V1

V1 = D(R + 1)

3. Tentukan y1

Pada kondensor total y1 = Xo = XD

4. Gunakan hubungan keseimbangan untuk menentukan x1

𝑦𝑛 =𝑃𝑜

𝑃𝑡(𝑥𝑛) atau 𝑦𝑛 =

𝛼𝑥𝑛

1+(𝛼−1)𝑥𝑛atau y1 = Kx1

ALGORITMA5. Tentukan entalpi HL0, HV1, HL1

6. Hitung L1, V2, HV2

7. Asumsikan HV2=HV1

8. Gunakan asumsi (7) untuk menghitung V2 dan L1

9. Hitung y2. Gunakan neraca komponen pada plate ke 1 (satu)

10. Hitung HV2 dari hubungan Entalpi-komposisi pada suatu nilai y=y2

11. Ulangi langkah 7-10 hingga diperoleh HV2 asumsi (7) = HV2 hasilperhitungan (10)

12. Lanjutkan perhitungan untuk stage ke 2 (dua) dan seterusnya hinggaplate ke (f)

13. Lanjutkan perhitungan dari plate ke plate lain secara berturutan hinggadiperoleh 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 denganbantuan1. 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 KeseimbanganDi setiap tray di setiap seksi di sepanjang kolom pada suhu dan tekanan tertentumemenuhi persamaan :

Dimana :

Xi,n = fraksi mol komponen i dalam fasa cair yang keluar dari tray/plate ke n

Yi,n = fraksi mol komponen i dalam fase uap yang keluar dari tray / plate ke n

Pn Tn = Pasangan tekanan dan suhu yang membentuk keseimbangan pada tray ke n

Ki,n = Konstanta keseimbangan komponen i pada suhu dan tekanan Tn dan Pn

Algoritma1. Tentukan komposisi hasil puncak xD dan komposisi hasil dasar xW sesuai

spesifikasi yang direncanakan

2. Hitung L, V, L dan V

3. Tentukan persamaan garis operasi atas dan persaman garis operasibawah

4. Tentukan komposisi uap y1

5. Tentukan suhu dan tekanan yang membentuk keseimbangan pada Tray 1 misalnya T1 dan P1

6. Hitung x1dengan bantuan persamaan y1 = K1x1

7. Hitung y2 dengan bantuan persamaan garis operasi atas

𝑦2 =𝐿

𝑉𝑥1 +

𝑥𝐷

𝑅+1

Algoritma8. Tentukan suhu dan tekanan T2 dan P2 yang membentuk keseimbangan

pada Tray 2

9. Hitung x2 dengan persamaan y2 = K2x2

10. Hitung 𝑦3=𝐿

𝑉𝑥2 +

𝑥𝐷

𝑅+1

11. Tentukan suhu dan tekanan T3 dan P3 yang membentuk keseimbanganpada Tray 2

12. Hitung x3 dengan persamaan y3= K3x3

13. Ulangi langkah 10 – 12 untuk Tray ke 4, 5 dan seterusnya hinggadiperoleh komposisi sama dengan komposisi umpan.

14. Ulangi langkah 10 – 12 untukTray ke (f+1); (f+2) dan seterusnya sampaidengan tray ke N hingga diperoleh komposisi xN = xW denganmenggunakan persamaan garis operasi bawah

Contoh 3Menara fraksionasi yang bekerja pada 1 atm direncanakan untukmemisahkan campuran hidrokarbon yang terdiri 50% mole pentana (A),30% mole heksana (B) dan 20% mol heptane. Hasil puncak diharapkanmaksimal mengandung 0.5 % mole heksana dan hasil dasarmengandung 1% mol pentane. Umpan pada titik didihnya dimasukanmenara tepat pada plate yang mempunyai suhu yang sama. Jika dalamoperasi tersebut digunakan perbandingan refluk sama dengan 4. Hitungjumlah 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 jikakeseimbangan benar-benar terwujud. Juga sebaliknya untuk komposisi cairannya.

Jika x* dan y* adalah komposisi cairan dan uap idealnya ketika keseimbangan benar-benar terwujud kemudian x dan y merupakan komposisi cairan dan uap aktual yangdapat dicapai, maka

y <y*dan x > x*

𝑵𝒂𝒌𝒕𝒖𝒂𝒍 =

𝑵𝒊𝒅𝒆𝒂𝒍𝑬𝒇𝒊𝒔𝒊𝒆𝒏𝒔𝒊

Efisiensi MurphreeJika efisien setiap tray di sepanjang kolom tidak sama, Murphreemendefinisakan efisiensi tray sebagai berikut :

Tinjauan fase uap

𝐸𝑀𝑉 =𝑦𝑛−𝑦𝑛+1

𝑦𝑛∗−𝑦𝑛+1

Tinjauan fase cair

𝐸𝑀𝐿 =𝑥𝑛−1−𝑥𝑛

𝑥𝑛−1−𝑥𝑛∗

Tinjauan fase uap Tinjauan fase cair

𝐸𝑀𝑉 =𝐵𝐶

𝐴𝐶𝐸𝑀𝐿 =

𝑃𝑄

𝑃𝑅

Contoh Soal 4Menara Distilasi direncanakan untuk memisahkan 100 kmol/jamcampuran A dan B dengan komposisi 50% A hingga diperoleh hasilpuncak dan dasar masing-masing dengan kemurnian 90% dan 10%A,sedangkan efisiensi Murphree pada berbagai komposisi ditunjukan padatabel. Jika sifat penguapan relatif A terhadap B adalah 4 dan padaoperasi ini digunakan perbandingan refluk = 2 dan umpan dimasukanpada titik didihnya, hitung jumlah plate aktual yang dibutuhkan.

Xa 0,05 0,20 0,40 0,60 0,80 0,90

EMV 0,67 0,67 0,67 0,50 0,50 0,50

Contoh Soal 5Menara fraksionasi direncanakan untuk memisahkan campuran a dan bhingga diperoleh hasil puncak dan dasar seperti yang ditunjukan padatabel 1, sedangkan efisiensi Murphree pada berbagai komposisiditunjukan pada tabel 2.

Jika sifat penguapan relatif a terhadap b adalah 4 dan pada operasi inidigunakan perbandingan refluk = 1,5; hitung jumlah plate aktual yangdibutuhkan.

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

Xa 0,05 0,20 0,40 0,60 0,80 0,90

EMV 0,67 0,67 0,67 0,50 0,50 0,50

Penyelesaian1. Gambar diagram x-y

𝑦0 =𝛼.𝑥𝑎

1+(𝛼−1)𝑥𝑏=

4𝑥𝑎

1+3𝑥𝑎

2. Melukis garis “q”

F1 = cair jenuh

HF1 = HL

𝑞 =𝐻𝑉−𝐻𝐹1

𝐻𝑉−𝐻𝐿= 1

𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 =𝑞

𝑞−1=

1

1−1=

1

0= ~

Garis q untuk F1 dapat dilukis dari titik y = x = 0,5 dengan arah tegak luruhke atas,

PenyelesaianF2 = uap jenuh

HF1 = HV

𝑞 =𝐻𝑉−𝐻𝐹1

𝐻𝑉−𝐻𝐿=0

𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 =𝑞

𝑞−1=

0

0−1= 0

garis q untuk F2 dapat dilukis dari titik y = x = 0,35 dengan arahmendatar ke kiri.

Penyelesaian3. Melukis persamaan garis operasi

Persamaan garis operasi atas

𝑉 = 𝐿 + 𝐷

Neraca komponen

𝑉𝑦 = 𝐿𝑥 + 𝐷𝑥𝐷

Pada plate ke n

𝑦𝑛+1 =𝐿

𝑉𝑥𝑛 +

𝐷𝑥𝐷

𝑉

PenyelesaianPersamaan garis operasi tengah

𝑉 + 𝐹1 = 𝐿 + 𝐷

𝑉𝑦 + 𝐹1𝑥𝐹1 = 𝐿𝑥 + 𝐷𝑥𝐷

Pada plate ke m

𝑦𝑚+1 = 𝐿

𝑉𝑥𝑚 +

𝐷𝑥𝐷−𝐹1𝑋𝐹1 𝑉

Persamaan garis operasi bawah

𝐿 = 𝑉 +𝑊

𝐿𝑥 = 𝑉𝑦 +𝑊𝑥𝑊

Plate N

𝑦𝑁 = 𝐿

𝑉𝑥𝑁 −

𝑊𝑥𝑤 𝑉

Penyelesaian4. Menghitung parameter neraca bahan

Neraca bahan total

𝐹1 + 𝐹2 = 𝐷 +𝑊

50 + 100 = 𝐷 +𝑊

150 = 𝐷 +𝑊 (1)

Neraca komponen a

𝐹1𝑥𝐹1 + 𝐹2𝑥𝐹2 = 𝐷𝑥𝐷 +𝑊𝑥𝑊

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

PenyelesaianL = R. D = 1,5x61,75 = 92,625 lbmol/jam

V = L + D = 92,625 + 61,75 = 154,375 lbmol/jam

L−L

F1= q = 1

L = F1 + L = 50 + 92,625 = 142,625 lbmol/jam

V = V = 154,375 lbmol/jam

F2 + V + L = V + L

L− L

F2= q = 0

L = L = 142,625lbmol

jam

V = V − F2 = 54,375 lbmol/jam

Penyelesaian5. 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 𝑉 𝑥𝐷 = 61,75154,375 0,9 = 0,36

2. Garis operasi tengah dapat dilukis dari titik potong antara garis operasiatas dengan garis qF1 dengan :a. Slope = L V = 142,625

154,375 = 0,923 atau

b. Titik potong garis operasi bawah dengan garis qFII

c. Intersep =DxD−F1XF1

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

V=

142,625

154,375= 2,63

b. Intersep =Wxw V

= −88,25

54,3750,05 = −0,081

Penyelesaian6. Melukis kurva aktual

𝐸𝑀𝑉 =𝑦𝑛−𝑦𝑛+1

𝑦𝑛∗−𝑦𝑛+1

Untuk xn = 0,05 EMV = 0,67

Dari titik 0,05 dibuat garis lurus keatas kemudian cari titik potongnyadengan garis operasi dan kurva seimbang, misalkan pada titik A dan C. A (0,05; 0,05) dan C (0,05;0,18).

0,67 =𝑦𝑛−0,05

0,18−0,05

𝑦𝑛= 0,14

Xa 0,05 0,20 0,40 0,60 0,80 0,90

EMV 0,67 0,67 0,67 0,50 0,50 0,50

𝑦𝑛 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 sehinggahtidak dapat digunakan untuk sistem yang kompleks.

Terbagi menjadi

1. Korelasi Drickamer dan Bradfort

2. Korelasi O’Connel

1. Korelasi Drickamer dan BradfortPengaruh viskositas terhadap efisiensi kolom telah diteliti olehDrickamer — Bradfort dan korelasinya dinyatakan oleh persamaan:

𝐄𝐨 = 𝟏𝟕 − 𝟔𝟏. 𝟏 𝐥𝐨𝐠𝛍𝐚𝐯𝐠

Dimana

Eo = Efisiensi kolom, %

μavg = viskositas umpan rata — rata, Cp.

1. Korelasi Drickamer dan BradfortDalam bentuk grafik, hubungan antara μavg dengan Eo

2. Korelasi O'ConnelO'Connel mempelajari pengaruh viskositas dan sifat penguapan relatif komponen kunci ringan

terhadap komponen kunci berat kaitannya dengan efisiensi kolom.

𝐥𝐨𝐠𝐄𝐨 = 𝟏. 𝟔𝟕 − 𝟎. 𝟐𝟓 𝐥𝐨𝐠 𝛍𝐅𝐚𝐯𝐠𝜶𝒂𝒗𝒈 + 𝟎. 𝟑 𝐥𝐨𝐠 ( 𝑳𝑴′ 𝑽𝑴

′ ) + 𝟎. 𝟎𝟗(𝑺𝒎 + 𝑪 𝟐)

Dimana :

Sm = Static Submergence, ft

𝐶 = Tinggi slot, ft

𝐿𝑀′ = Laju alir cairan. Ibmole/jam

𝑉𝑀′ = Laju alir uap, Ibmole/jam

𝛼𝑎𝑣𝑔 = Sifat penguapan relatif Lk – Hk

μFavg = 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 5Menara fraksinasi dirancang untuk memisahkan campuran hidrokarbonyang terdiri dari 50% mol C3H8, 30% mole C3H6 dan 20% mole n-C4H10.Diharapkan hasil puncak dan dasar masing-masing mengandungminimal 98 % mole C3 dan maksimal 1 % mole C3. Hitunglah efisiensikolom dan Jumlah plate aktual

Komponen 𝑷𝒊𝒐 (atm)

C3H8 17.40

C3H6 20.24

n-C4H10 5.00

Komponen Tc (oC) Pc (oC)

C3H8 91.4 45.4

C3H6 96.8 42.0

PenyelesaianDari penyelesaian contoh soal 2 diperoleh

1. Distribusi komposisi seimbang pada puncak menara (T=122oF)

2. Distribusi komposisi seimbang pada puncak menara (T=160oF)

Komponen y K x = y/K

C3H6 0,98 1,0 0,98

C3H8 0,02 0,9 0,018

Komponen y K x = y/K

C3H6 0,01 1,30 0,0130

C3H8 0,70 1,20 0,8400

n-C4H8 0,29 0,45 0,1305

Penyelesaian3. Menghitung avg

𝛼𝑝𝑢𝑛𝑐𝑎𝑘 =𝐾C3H6𝐾C3H8

=1,0

0,9= 1,11

𝛼𝑑𝑎𝑠𝑎𝑟 =𝐾C3H6𝐾C3H8

=1,3

1,2= 1,0833

𝛼𝑎𝑣𝑔 = 1,0965

4. Menghitung viscositas pada Tavg

𝑇𝑎𝑣𝑔 =122+160

2= 141𝑜F

Komponen , Cp

C3H6 0,07

C3H8 0,08

n-C4H8 0,14

PenyelesaianKomponen xf

C3H6 0,30

C3H8 0,50

n-C4H8 0,20

μavg = 0,30 0,07 + 0,50 0,08 + 0,20 0,14 = 0,089 Cp

αavgμavg = 1,0965 x 0,089 = 0,0976

Nideal = 108 buah (dari contoh 2)

PenyelesaianDengan metode Drickamer dan Bradfort

μavg = 0,089 Cp

Dengan menggunakan Tabel korelasi Drickamer dan Bradfort E0 = 0,8

Naktual =Nideal

E0=

108

0,8= 135 buah

Dengan metode O’Connel

αavgμavg = 1,0965 x 0,089 = 0,0976

Dengan menggunakan Tabel korelasi O’Connel didapat E0 = 0,9

Naktual =Nideal

E0=

108

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 VF dimana banjir atau"flooding" tepat terjadi.

Banjir atau "Flooding" adalah peristiwa tergenangnya tray oleh cairanyang 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 akanmenurunkan efisiensi pemisahaan.

Penentuan Diameter KolomDalam 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 VF dimana banjir tepat terjadi dihitung dengan persamaan:

Dimana :

VF = Kecepatan linier uap dimana banjir terjadi, ft/dt

CF = Konstanta yang harganya tergantung pada jenis tray

𝜌𝐿= density cairan Ib/cuft

𝜌𝑉 = density gas lb/cuft

𝑉𝐹 = 𝐶𝐹(𝜌𝐿−𝜌𝑉

𝜐𝑉)

Penentuan Diameter KolomKonstanta CF dapat dihitung dengan bantuan persamaan :

1. Bubble Cap Tray

𝐶𝐹 = 𝑎 log1

𝐿′

𝑉′

𝜌𝑉𝜌𝐿

0.5 + 𝑏𝜎

20

0.2

2. Perforated / Sieve Tray

𝐶𝐹 = 𝑎 log1

𝐿′

𝑉′

𝜌𝑉𝜌𝐿

0.5 + 𝑏𝜎

20

0.2 5𝐴ℎ

𝐴𝑎+ 0.5

Penentuan Diameter KolomDimana

L’, V’ = Kecepatan massa cairan ; gas, lb/jam, ft2

= Tegangan permukaan cairan, lb/ft

a ; b = Konstanta yang harganya tergantung pada jenis tray dan

rentang batas harga 𝐿′

𝑉′ 𝜌𝑉𝜌𝐿

0.5

Ah = Luas lobang per tray

Aa = 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 KolomSecara grafis, kecepatan linier uap maksimal dimana banjir tepat terjadi dapatdiperkirakan 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 perludikalikan dengan 0,90 dan 0,80.

3. Tidak atau hanya sedikit menimbulkan buih.

Penentuan Diameter Kolom

korelasi Fair's

Penentuan Diameter KolomPada suatu nilai absis (L/V) (v/L)

0.5 tertentu, maka harga ordinat Csb dapatdibaca pada berbagai tray — spacing , t. Dari harga Csb, maka kecepatan linieruap dimana-flooding terjadi dapat dihitung.

𝑣𝐹 =𝐶𝑠𝑏

(𝜌𝑣 𝜌𝐿−𝜌𝑣)0.5

Diameter kolom D dapat dihitung dengan persamaan

𝐴 =𝑄

𝑣𝐷 =

4𝑄

𝜋𝑣

Dimana

Q = Kecepatan volume uap, ft3/dt

V = Kecepatan linier uap, tergantung pada sifat campuran, ft/dt

Contoh Soal 6Tray Tower yang bekerja pada tekanan 1 atm direncanakan untuk memisahkancampuran 60% mol benzene dan 40% mol Toluene. Diharapkan hasil puncak dandasar masing-masing mengandung 95% dan 5% mol benzene. Jika umpandimasukkan pada titik didihnya dengan kecepatan 13.100 lb/jam. Hitunglahdiameter jika tray yang dipakai adalah jenis sieve tray dimana luas downcomeradalah 12% dari luas penampang menara.

Data :

Densitas cairan rata-rata = 43,3 lb/ft3

Densitas uap pada puncak dan dasar menara : 0,168 dan 0, 182 lb/ft3

Viskositas cairan rata-rata = 0,32 cp

Perbandingan refluk = 4

Tegangan permukaan = 20 Dyne/cm

0,43

0,425