PERANCANGAN ALAT BIOPROSES Dr.rer.nat. Ir. Yuswan Muharam, M.T. Ir. Rita Arbiati, MSc.
TUJUAN β’ Mahasiswa mampu merancang alat bioproses. β’ Mahasiswa mampu menentukan ukuran alat bioproses.
RUJUKAN
DISTILASI DAN ABSORPSI GAS
DISTILASI
ABSORPSI
DISTILASI DAN ABSORPSI GAS
Heat
Liquid solvent
DISTILASI DAN ABSORPSI GAS Distilasi
Absorpsi
Pemisahan gas(uap)-cair
Pemisahan gas(uap)-cair
Komposisi fasa gas dan fasa cair pada kesetimbangan berbeda
Komposisi fasa gas dan fasa cair pada kesetimbangan berbeda
Fasa gas kaya akan komponen yang mudah menguap.
Fasa gas kaya akan komponen yang mudah menguap.
Menggunakan panas untuk penguapan dan pendingin untuk kondensasi.
Menggunakan cairan yang tidak mudah menguap dan mampu melarutkan komponen di fasa uap.
Perpindahan komponen dari gas ke cair dan dari cair ke gas
Perpindahan komponen dari gas ke cair
Alat dan persamaan desain sama dengan absorbsi.
Alat dan persamaan desain sama dengan distilasi.
Dilengkapi dengan reboiler dan kondenser.
Dilengkapi dengan kolom stripping dan reboiler.
DISTILASI DAN ABSORPSI GAS
DISTILASI DAN ABSORPSI GAS
DISTILASI DAN ABSORPSI GAS
DISTILASI DAN ABSORPSI GAS
Kesetimbangan Uap-Cair β’ Hubungan antara komposisi uap dan cairan pada berbagai suhu dan tekanan. π¦π = π π, π, π₯1 , π₯2 , β¦ , π₯π π¦π = πΎπ π₯π Ki atau vaporization equilibrium ratio (VER) = f(P, T, xi, yi) β’ Hukum Raoult:
π¦π = ππsat Ξ€π π₯π πΎπ
β’ Pada P < 5 atm:
ideal
= ππsat Ξ€π
Volatilitas Relatif β’ Volatilitas relatif: komposisi fasa uap dan cairan dari sistem biner pada kesetimbangan
(tidak konstan)
DISTILASI KOMPONEN JAMAK Dr.rer.nat. Ir. Yuswan Muharam, M.T. Ir. Rita Arbiati, MSc.
DISTILASI KOMPONEN JAMAK β’ Kolom distilasi: pemisahan di antara dua produk (atas dan bawah), atau komponen-komponen murni antara komponen kunci ringan dan berat. β Bagian rectifying (di atas umpan) β Bagian stripping (di bawah umpan)
β’ Komponen kunci ringan: komponen yang paling mudah menguap yang konsentrasinya dikendalikan di produk bawah (bottom). β’ Komponen kunci berat: komponen yang paling sedikit menguap yang konsentrasinya dikendalikan di produk atas (overhead). β’ Komponen terdistribusi: komponen yang volatilitasnya menengah yang terdistribusi di produk atas dan produk bawah. β’ Jika produk > 2, misalnya n produk atas dan bawah, jumlah kolom = n - 1.
DISTILASI KOMPONEN JAMAK β’ Produk samping diambil dari kolom dengan komposisi komponen antara. β Kolom fraksionasi minyak bumi: aliran campuran komponen dengan rentang titik didih tertentu. β Aliran dengan sedikit pengotor namun kritis yang konsentrasinya tinggi pada lokasi tertentu karena terjadi pembalikan volatilitas akibat gradien konsentrasi. β’ 1-pentuna dengan kehadiran n-pentana di dalam campuran rengkahan C yang kaya akan isoprene. β’ Rektifikasi alkohol fermentasi, ester dan alkohol tinggi yang tidak diinginkan menumpuk pada posisi tertentu karena kelarutannya di dalam etanol berkonsentrasi tinggi dan rendah dalam air sangat berbeda.
Normal
Anomali
RANGKAIAN KOLOM β’ n produk atas dan bawah dengan n - 1 kolom dapat disusun dengan beberapa cara. β’ Cara langsung: β Komponen-komponen yang paling mudah menguap dipisahkan satu per satu sebagai produk atas kolom-kolom yang disusun seri dengan produk terberat sebagai produk bawah kolom terakhir.
β’ Jumlah cara naik tajam dengan jumlah produk β 3 produk β2 susunan. β 7 produk β > 100 susunan.
RANGKAIAN KOLOM β’ Panduan: β’ Lakukan pemisahan termudah terlebih dahulu, yaitu pemisahan yang paling sedikit memerlukan talam dan refluks. Pemisahan paling sulit dilakukan terakhir. β’ Apabila volatilitas relatif atau konsentrasi pada umpan tidak sangat variatif, singkirkan komponen-komponen itu satu per satu sebagai produk atas. β’ Apabila volatilitas relatif pada umpan sangat variatif, susun pemisahan dalam urutan volatilitas relatif yang menurun. β’ Apabila konsentrasi umpan sangat variatif tetapi volatilitas relatifnya tidak, urutkan pemisahan komponen-komponen umpan dalam urutan konsentrasi menurun.
JUMLAH VARIABEL BEBAS β’ Kinerja kolom distilasi diprediksi dengan menyelesaikan persamaan matematis: β β β β
Neraca massa Neraca panas Kesetimbangan uap-cair Batasan fraksi mol (spesifikasi)
di setiap talam
β’ Pemisahan C komponen dengan n talam: β Variabel-variable pada persamaan, β C + 6 variabel.
atau komposisi produk atas atau komposisi produk bawah
TAHAP DESAIN KOLOM DISTILASI β’ Tentukan spesifikasi distribusi komponen ringan dan berat yang diinginkan. β’ Tentukan kondisi operasi spesifik. β’ Hitung ukuran alat (sizing)
β’ Hitung keekonomian atau tentukan berdasarkan pengalaman.
Parameter Desain β’ Jumlah minimum talam teoritis, β’ Distribusi komponen bukan kunci di produk atas dan bawah, β’ Rasio refluks minimum, β’ Rasio refluks operasi, β’ Jumlah talam teoritis, β’ Lokasi talam umpan, β’ Efisiensi talam.
Metode Desain β’ Metode pintas dan cepat (short cut). β’ Metode teliti (rigorous). β’ Menggunakan program komputer. β’ Menggunakan nilai-nilai parameter hasil perhitungan metode pintas sebagai nilai taksiran awal (dasar). β’ Proses iteratif yang bergantung pada konvergensi nilai taksiran awal.
Kolom Paking β’ Kondisi berubah secara kontinyu dari atas ke bawah. β’ Makroskopis (persamaan desain): ketinggian paking setara dengan talam teoretis (HETP) β menggunakan teori kolom talam. β’ Mikroskopis (persamaan perubahan): variasi kondisi secara kontinyu.
Metode Pintas (Metode FenskeUnderwood-Gilliland) β’ Asumsi luapan (overflow) molal konstan di zona rectifying dan stripping β’ Asumsi volatilitas relatif konstan β’ Pada kondisi talam umpan. β’ Pada kondisi rata-rata geometrik talam paling atas dan paling bawah. Karena kondisi pada talam paling atas dan paling bawah belum diketahui, maka evaluasi volatilitas relatif rata-rata adalah proses iteratif yang bisa dimulai dengan kondisi pada talam umpan.
β’ Metode Winn: rasio ekuilibrium penguapan (VER)
Skala industri: ο‘ ο³ 1,05 β’ ο’ dan ο€ dari plot logβlog untuk K β’ atau
ο§ = 1 jika tidak ada informasi
Jumlah Talam Minimum (Refluks Total) β’ Underwood-Fenske:
β’ VER:
Distribusi Komponen Bukan Kunci
Rasio Refluks Minimum β’ Metode Underwood (ο± = parameter bantu)
β’ Jika hanya satu komponen terdistribusi (dk):
β’ q = kondisi termal umpan
Rasio Refluks Minimum β’ Underwood:
β’ Jika tidak ada komponen terdistribusi:
Rasio Refluks Operasi β’ Rasio refluks operasi: β Lebih besar dari rasio refluks minimum. β Penetapannya harus mempertimbangkan keekonomian (biaya operasi dan biaya capital). β R = 1,2Rm (mendekati optimal).
Jumlah Talam Teoritis β’ Jumlah talam teoretis: jumlah talam dimana kesetimbangan uap-cair dicapai untuk semua komponen. β’ Gilliland (untuk q rendah):
Jumlah Talam Teoritis β’ Molokanov:
β’ Rusche:
Lokasi Talam Umpan β’ Underwood-Fenske termodifikasi:
β’ Akashah, Erbar dan Maddox:
β Kirkbride:
Contoh Soal: β’ Suatu campuran memiliki kondisi termal q = 0,8 dan tekanan 10 atm. Campuran ini akan difraksionasi sehingga 98% komponen C dan 1% komponen E muncul di produk atas. Hitung rasio refluks, jumlah talam teoritis, dan posisi talam umpan!
Jawab: β’ Jumlah talam minimum:
Jawab: β’ Distribusi komponen A:
β’ Distribusi komponen lainnya dihitung dengan cara yang sama.
Jawab: β’ Distribusi komponen
Jawab: β’ Refluks minimum:
Jawab: β’ Refluks minimum:
Jawab: β’ Refluks minimum: Substitusi ο±1 = 1,8817, ο±2 = 1,12403
Jawab: β’ Refluks operasi dan jumlah talam: Apabila R = 1,2 Rm = 1,2(2,3077) = 2,7692
Jawab: β’ Lokasi talam umpan:
Jawab: β’ Lokasi talam umpan:
Lebih akurat!
Jawab: β’ Distribusi komponen D:
ο‘ A B C D E F
f 3.1 2.6 2.2 1.3 1 0.8
0.03 0.07 0.15 0.33 0.3 0.12
d 0.0300 0.0698 0.1470 0.0930 0.0030 0.0001
b 0.0000 0.0002 0.0030 0.2370 0.2970 0.1199
Efisiensi Talam β’ Perhitungan sejauh ini adalah untuk jumlah talam teoretis. β’ Efisiensi talam aktual tergantung pada: β’ Jenis sistem, β’ Laju alir, β’ Konstruksi talam. β’ Rentang efisiensi talam: β’ < 10% hingga > 100%, β’ Ketidakpastian terbesar dalam perancangan kolom distilasi. β’ 60% (fraksionasi hidrokarbon)
PEMISAHAN DI DALAM KOLOM PAKING
PEMISAHAN DI DALAM KOLOM PAKING β’ Kontaktor: paking β’ Pemisahan kontinyu β’ Teori perpindahan massa antarfasa β’ Fluks perpindahan massa antarfasa: π = πG π¦ β π¦ β = πL π₯ β β π₯ π΄
β’ Dua kasus: β Difusi dua arah sama-molar (distilasi) β Difusi searah (absorpsi dan stipping)
πG
effective
=
πG π¦ β π¦β
log mean
β 1 β π¦ β 1 β π¦ π¦ β π¦β log mean = ln 1 β π¦ Ξ€ 1 β π¦β
π¦β β π¦ = ln 1 β π¦ Ξ€ 1 β π¦β
Koefisien Perpindahan Massa β’ Koefisien perpindahan massa total (partikel bola):
Distilasi
Distilasi Satu Tahanan Perpindahan Massa: β’ Laju pada elemen dengan tinggi dz: ππ = πGπ π¦ β π¦ β ππ§ π πΊπ¦ β = πG π π¦ β π¦ β ππ§ πΊππ¦ β = πGπ π¦ β π¦β ππ§ πΊ ππ¦ ππ§ = β πGπ π¦ β π¦ β π π¦2 πΊ ππ¦ ΰΆ± ππ§ = β ΰΆ± πGπ π¦1 π¦ β π¦ β 0 π¦2 πΊ ππ¦ Tinggi kolom: π= ΰΆ± πG π π¦1 π¦ β β π¦ β
a = luas permukaan antarmuka per satuan volume unggun.
Distilasi Satu Tahanan Perpindahan Massa: β’ Laju pada elemen dengan tinggi dz: ππ = πL π π₯ β β π₯ ππ§ π πΏπ₯ β = πL π π₯ β β π₯ ππ§ πΏππ₯ β = πL π π₯ β β π₯ ππ§ πΏ ππ₯ ππ§ = β πL π π₯ β β π₯ π π₯2 πΏ ππ₯ ΰΆ± ππ§ = β ΰΆ± πL π π₯1 π₯ β β π₯ 0 π₯2 πΏ ππ₯ π= ΰΆ± πL π π₯1 π₯ β π₯ β β
Tinggi kolom:
Distilasi β’ Hubungan antara (x*, y*) dan (x, y): ππ β = πGπ π¦ β π¦β ππ§
π¦ β π¦ β πL = π₯ β β π₯ πG
ππ β = πL π π₯ β β π₯ ππ§
π¦β β π¦ πL = β π₯β β π₯ πG
(x, y) β neraca massa. (x*, y*) β kesetimbangan (grafik, tabel, persamaan). π¦β = π π₯ β β πΌπ₯ π¦β = 1 + πΌ β 1 π₯β
Distilasi β’ Jumlah tray teoritis β jumlah unit perpindahan (distilasi biner):
β’ Tinggi unit perpindahan: πΊ π»ππG = πGπ
πΏ π»ππL = πL π
β’ Tinggi unggun paking: π = π»ππGπππG = π»ππL πππL
Distilasi
Distilasi Dua tahanan perpindahan massa β HTU overall: π»ππoG = π»ππG + ππ»ππL Faktor stripping: π =
πΎπ πΊ πΏ
Koefisien perpindahan massa overall:
1 1 π»π = + ππG πG πL
Konstanta hokum Henry: π»π = πΎπ π
π = π»ππoGππππG
Distilasi Campuran Multikomponen β’ Height equivalent to a theoretical plate (HETP) komponen kunci: ln π π»πΈππ = π»πππG πβ1 ππππG ln π πβ1
β’ Jumlah tahap teoritis:
πt =
β’ Tinggi kolom:
π = π»πΈππ πt
β’ Jika kL/kG >>> β HETP = HTUOG
Contoh Soal β’ Sebuah campuran equimolal pada titik didihnya dipisahkan menjadi 95% dan 5% komponen ringan di produk atas dan produk bawah. Volatilitas relatif ο‘ = 2, refluks minimum = 1,714, dan refluks operasi = 50% lebih besar dari refluks minimum. Koefisien perpindahan massa pada film gas kG = 0,012 kmol/m2.jam, sedangkan tahanan perpindahan massa pada sisi cair sangat kecil. Paking yang digunakan adalah berl saddle. Jika laju alir umpan = 1 kmol/m2.jam, hitung tinggi kolom paking dan tentukan posisi umpan!
x2 = 0,95
xF = 0,5
x1 = 0,05
Jawab β’ Diketahui: F = 1 kmol/m2.jam xF = 0.5 q=1 x2 = 0.95 x1 = 0.05 ο‘=2 Rm = 1,714 R = 1,5Rm Berl saddle: kG = 0,012 kmol/m2.jam kL >>>> (tidak digunakan) a = 250 m2/m3
x2 = 0,95
xF= 0,5
x1 = 0,05
Jawab β’ Hitung fluks produk atas, produk bawah, uap di bagian rectifying dan uap di bagian stripping: βͺ Gunakan rumus untuk distilasi biner dengan kontaktor talam! D = 0,5 kmol/m2.jam B = 0,5 kmol/m2.jam Vr = 1,786 kmol/m2.jam Vs = 1,786 kmol/m2.jam β’ Hitung rasio refluks operasi: R = 1,5Rm = 2,571
Jawab 1
β’ Buat kurva kesetimbangan!
0.9 0.8
πΎπ πΌ= =2 πΎπ
0.7
0.6 0.5 0.4
0.3 0.2
0.1 0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Jawab 1
β’ Buat garis operasi! π¦r = π¦s =
π
π
+1
π₯r +
π
π·+ππΉ
1
π
+1
π₯ π
π·+ππΉβπ΅ s
β
0.9 0.8
π₯D
0.7
π΅
π₯ π
π·+ππΉβπ΅ B
0.6 0.5 0.4
0.3 0.2
0.1 0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Jawab 1
β’ Buat garis-garis tahanan perpindahan antarfasa:
0.9
0.8
π¦β β π¦ πL = β =ο₯ β π₯ βπ₯ πG
0.7
0.6 0.5 0.4
0.3 0.2
0.1 0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Jawab β’ Hitung pasangan nilai y dan y*, tabulasikan! Kemudian hitung nilai y* 0.093 0.178 0.257 0.331 0.399 0.462 0.520 0.573 0.623 0.669 0.712 0.751 0.788 0.823 0.856 0.887 0.916 0.945 0.973
1/(y*-y) 23.424 15.621 12.623 11.281 10.795 10.924 11.668 13.251 16.347 23.163 20.077 18.719 18.397 18.881 20.170 22.445 26.160 32.313 43.371
π¦β βπ¦
50 45 40 35
1/(y*-y)
y 0.050 0.114 0.178 0.242 0.306 0.370 0.434 0.498 0.562 0.626 0.662 0.698 0.734 0.770 0.806 0.842 0.878 0.914 0.950
1
30 25 20 15 10 5 0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
y
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Jawab β’ Integrasikan! y* 0.093 0.178 0.257 0.331 0.399 0.462 0.520 0.573 0.623 0.669 0.712 0.751 0.788 0.823 0.856 0.887 0.916 0.945 0.973
1/(y*-y) 23.424 15.621 12.623 11.281 10.795 10.924 11.668 13.251 16.347 23.163 20.077 18.719 18.397 18.881 20.170 22.445 26.160 32.313 43.371
50 45 40 35
1/(y*-y)
y 0.050 0.114 0.178 0.242 0.306 0.370 0.434 0.498 0.562 0.626 0.662 0.698 0.734 0.770 0.806 0.842 0.878 0.914 0.950
30 25 20 15 10 5 0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
y
Luas area di bawah kurva β integrasi numeris!
Jawab β’ Hasil integrasi numeris: β Luas area di bawah kurva = 15,627 (NTUG) βͺ Luas zona stripping = 8,052 (NTUGs) βͺ Luas zona rectifying = 7,575 (NTUGr) β’ Hitung HTUG β π»ππG =
πΊ πG π
βͺ Zona stripping: π»ππGs = βͺ Zona rectifying: π»ππGr =
πs πG π πr
πG π
= 0,595 = 0,595
Jawab β’ Hitung tinggi unggung paking: β Tinggi unggun paking zona stripping: βͺ πs = π»ππGsπππGs = 4,792 m β Tinggi unggun paking zona rectifying: βͺ πr = π»ππGrπππGr = 4,508 m β’ Maka: β’ Tinggi unggun paking, Z = 9,3 m β’ Posisi umpan = 4,508 m dari atas
Absorpsi dan Stripping β’ Absorpsi: β Gas β cair β’ Stripping β Cair β gas β’ Laju alir massa atau molar tidak konstan. β’ Untuk 1 komponen berpindah β laju alir fasa bebas zat terlarut, Gβ atau Lβ Gβ = G(1 β y) = G1(1 - y1) Lβ = L(1 β x) = L1(1 - x1)
Absorpsi dan Stripping β’ Neraca massa di sekitar bagian bawah kolom: πΊπ¦ + πΏ1 π₯1 = πΊ1 π¦1 + πΏπ₯ Eliminasi G dan L: πΊβ² πΏβ² πΊβ² πΏβ² π¦+ π₯ = π¦ + π₯ 1βπ¦ 1 β π₯1 1 1 β π¦1 1 1 β π₯ π¦ πΏβ² π₯ π¦1 πΏβ² π₯1 = + β 1 β π¦ πΊβ² 1 β π₯ 1 β π¦1 πΊβ² 1 β π₯1
Absorpsi dan Stripping β’ Neraca massa di sekitar bagian atas kolom: πΊπ¦ + πΏ2 π₯2 = πΊ2 π¦2 + πΏπ₯ Eliminasi G dan L: πΊβ² πΏβ² πΊβ² πΏβ² π¦+ π₯ = π¦ + π₯ 1βπ¦ 1 β π₯2 2 1 β π¦2 2 1 β π₯ π¦ πΏβ² π₯ π¦2 πΏβ² π₯2 = + β 1 β π¦ πΊβ² 1 β π₯ 1 β π¦2 πΊβ² 1 β π₯2
Absorpsi dan Stripping β’ Neraca massa pada elemen dengan tinggi dz: ππ = π πΊπ¦ = πG
eff π
ππ = π πΏπ₯ = πL
eff π
π¦ β π¦ β ππ§
π₯ β β π₯ ππ§
Absorpsi dan Stripping β’ Neraca massa di sekitar bagian bawah kolom: β Fasa gas: πΊβ² π¦ π¦ β² β² π πΊπ¦ = π π¦ = ππΊ ππ¦ + πΊ π ππ¦ 1βπ¦ 1βπ¦ 1βπ¦ β² β² πΊ πΊ πΊ =0+ ππ¦ = ππ¦ = ππ¦ 1βπ¦ 2 1βπ¦ 2 1βπ¦ β Fasa cair: πΏβ² π₯ β² π₯ β² π πΏπ₯ = π π₯ = ππΏ ππ₯ + πΏ π ππ₯ 1βπ₯ 1βπ₯ 1βπ₯ πΏβ² πΏβ² πΏ =0+ ππ₯ = ππ₯ = ππ₯ 1βπ₯ 2 1βπ₯ 2 1βπ₯
Absorpsi dan Stripping β’ Substitusi π πΊπ¦ =
πΊ
1βπ¦
ππ¦ dan πG
π πΊπ¦ = πG
effective
mean π
=
πG π¦ β π¦β
log mean
π¦ β π¦ β ππ§
Menghasilkan πΊ π= πG π atau
πΊ π= πG π
π¦2
π¦ β π¦ β log mean ΰΆ± ππ¦ 1 β π¦ π¦ β π¦β
mean π¦
1
π¦2
ππ¦ ΰΆ± 1 β π¦ ln 1 β π¦ Ξ€ 1 β π¦ β
mean π¦1
ke
Absorpsi dan Stripping β’ Tinggi unit perpindahan: πΊ π»ππG = πG π
π»ππL =
πΏ πL π
mean
mean
Absorpsi dan Stripping β’ Jumlah unit perpindahan: π¦2
ππ¦ πππG = ΰΆ± 1 β π¦ ln 1 β π¦ Ξ€ 1 β π¦ β π¦1
π₯2
ππ₯ πππL = ΰΆ± 1 β π₯ ln 1 β π₯ Ξ€ 1 β π₯ β π₯1
Absorpsi dan Stripping β’ Jumlah unit perpindahan keseluruhan: 1 1 π = + ππππG πππG πππL
Absorpsi dan Stripping β’ Garis operasi dan kurva kesetimbangan lurus dan umpan pelarut bebas dari solut: 1 πππG = ln ππΊ 1β πΏ
ππΊ π¦1 ππΊ 1β + πΏ π¦2 πΏ
m = kemiringan kurva (garis kesetimbangan)
Absorpsi dan Stripping β’ Dua tahanan lapisan film: 1 πΎoG π
=
1 πG π
+
π»π πL π
Hi = konstantan hukum Henry π=
atau
πΊ
πΎoG π
π¦2
ππ¦ ΰΆ± 1 β π¦ ln 1 β π¦ Ξ€ 1 β π¦ β
mean π¦1
π = π»ππoG πππoG
Absorpsi dan Stripping
Contoh Soal β’ Karbondioksida (CO2) di dalam gas bumi dipisahkan di acid removal gas unit (ARGU) dengan menggunakan kolom absorpsi jenis paking. CO2 ini akan digunakan untuk pertumbuhan mikroalga di industri biofuel. Pelarut yang digunakan adalah dietanolamina (DEA) 2 M. Kadar CO2 di dalam gas umpan adalah 50%. Kadar CO2 di dalam pelarut lean DEA adalah 10%, sedangkan kadarnya di dalam pelarut rich DEA yang keluar kolom adalah 35%. Apabila laju alir gas dan cairan yang bebas CO2 adalah 2 dan 4 kmol/m2.jam, hitung tinggi kolom!
Jawab β’ Diketahui: x2 = 0,1 (kadar CO2 di dalam larutan lean DEA ) x1 = 0,35 (kadar CO2 di dalam larutan rich DEA) y1 = 0,5 (kadar CO2 di dalam larutan umpan gas bumi) P = 2 atm (tekanan operasi) T = 323 K (temperatur operasi) Lβ = 4 kmol/m2.jam (fluks larutan DEA bebas CO2) Gβ = 2 kmol/m2.jam (fluks gas bumi bebas CO2) kG = 0,025 kmol/m2.jam.atm (koef perpindahan massa di film gas) -kL/kG = β0,94199 a = 250 m2/m3 (luas area spesifik) HCO2 = 0.50956 atm.m3/kmol (konstanta Henry)
Jawab β’ Buat kurva kesetimbangan: 0.6
0.5
y
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.1
0.2
0.3 x
0.4
0.5
Jawab β’ Buat garis operasi (neraca massa): 0.6
0.5
0.4
y
π¦ 1βπ¦ πΏβ² π₯ = πΊβ² 1 β π₯ π¦1 πΏβ² π₯1 + β 1 β π¦1 πΊβ² 1 β π₯1
0.3
0.2
0.1
0
0
0.1
0.2
0.3 x
0.4
0.5
Jawab β’ Buat garis-garis tahanan perpindahan antarfasa: πL β = β0,94199 πG
0.6
0.5
y
0.4
0.3
0.2
0.1
0 0
0.1
0.2
0.3
x
0.4
0.5
Jawab β’ Hitung jumlah satuan perpindahan: 0.500 0.470 0.438 0.405 0.371 0.335 0.297 0.258 0.216 0.173 0.127 Luas =
Integran
0
0.0 0.53002 0.42646 0.36638 0.32838 0.30368 0.28832 0.28103 0.28343 0.30463 0.37180 3.484
0.1
0.2
0.3
-5 1/(1βπ¦)ln[(1βπ¦)β(1βπ¦β ) ]
y
-10
-15
-20
NTUoG = 3,484
-25
y
0.4
0.5
0.6
Jawab β’ Hitung tinggi satuan perpindahan: 1 πΎoG π
=
1 πG π
+
π»π πL π
π»ππoG =
= 0,330 m3 jam. atm/kmol πΊ
πΎoG π mean
= 2,020 m
β’ Hitung tinggi kolom: π = π»ππoGπππoG = 7,038 m
Tugas Kelompok β’ Senyawa A di dalam gas dipisahkan dengan menggunakan kolom absorpsi jenis paking dengan pelarut B. Kadar A di dalam gas umpan adalah 75%. Kadar A di dalam pelarut lean adalah 2,5%, sedangkan kadarnya di dalam pelarut rich adalah 40%. Apabila fluks aliran gas dan cair yang bebas A adalah 4 dan 10 kmol/m2.jam, hitung tinggi kolom! Data lain: a = 250/m kG = 0,015 kmol/m2.hr.atm kL = 0,012 m/hr H = 0.5 atm.m3/kmol
ο‘ = 2,5 π¦β
πΌπ₯ β = 1 + πΌ β 1 π₯β
Distilasi Kolom Paking Komponen Jamak β’ Tinggi kolom: π = π»πΈππ πt Nt = jumlah talam teoritis HETP = height equivalent to a theoretical plate (untuk komponen kunci) π»πΈππ =
lnπ π»ππoG π β1
ο¬ = rasio kemiringan garus kesetimbangan terhadap kemiringan garis operasi = m/(L/G) m sangat bervariasi apabila volatilitas relatif tinggi.
ABSORPSI FISIK ππΆπΆCO ,G π 2 πΆCO2,G 2 β π G πP π·π§,G βπ βπ π πΆ β πΆCO2,L = 0 G L,CO CO 2 2 ,L ππ§ 2 ππ§ π 2 πΆCO2,L ππΆCO2 ,L β π L πP π·π§,L βπ +π π πΆ β πΆCO2,L = 0 L L,CO CO 2 2 ,L ππ§ 2 ππ§
ABSORPSI KIMIA ππΆπΆCO ,G π 2 πΆCO2,G 2 β π G πG π·π§,G βπ βπ π πΆ β πΆCO2,L = 0 G L,CO CO 2 2 ,L ππ§ 2 ππ§ π 2 πΆCO2,L ππΆCO2,L β π L πL π·π§,L βπ +π π πΆ β πΆCO2,L β π
CO2 ,L = 0 L L,CO CO 2 2 ,L ππ§ 2 ππ§ π 2 πΆMEA,L ππΆMEA,L π L πL π·π§,L βπ + π
MEA,L = 0 L 2 ππ§ ππ§
ABSORPSI KIMIA β’ Reaksi kimia CO2-MEA: k
CO2 + 2RNH2 βkβ1 RNCOOβ + RH2+ 2
π
= π2 CO2 MEA πππ π2 = 10.99 β
2152 π
Kondisi Batas β’ Fasa gas: β Pada z = 0: CCO2,G = CCO2,G,inlet β Pada z = L:
ππΆCO2,G =0 ππ§
β’ Fasa cair: β Pada z = L β CCO2,L = CCO2,L,inlet CMEA,L = CMEA,L,inlet β Pada z = 0:
ππΆCO2,L =0 ππ§ ππΆMEA, L =0 ππ§
CONTOH β’ CO2 di dalam aliran gas bumi ingin diturunkan kadarnya dari 20% hingga 5% dengan menggunakan pelarut kimia MEA. Apabila tinggi kolom 15 m dan diameter kolom 1,5 m, apakah desain dengan kondisi di bawah sudah sesuai? Data: mol CO2/mol MEA di dalam lean solven = 0,1 Konsentrasi MEA inlet = 1000 mol/m3 Kecepatan superfisial gas = 1 m/detik Kecepatan superfisial cair = 1 m/detik Tekanan gas = 10 bar Suhu = 323 K Paking berupa silinder berongga dengan jari-jari 1 cm.
JAWAB
JAWAB
Pengaruh UG
Pengaruh UG
Pengaruh UG
Pengaruh UL
Pengaruh UL
Pengaruh P
Pengaruh P
Pengaruh T
Pengaruh T
Pengaruh CMEA,inlet
Pengaruh CMEA,inlet
Pengaruh mol CO2/mol MEA lean
Pengaruh mol CO2/mol MEA lean
Pengaruh jari-jari paking
Pengaruh jari-jari paking
Pengaruh diameter kolom
Pengaruh tinggi kolom
5m
10 m
15 m
20 m
Pengaruh diameter kolom
0,5 m
1m
1,5 m
2m
Optimalisasi
rp = 100 mm
UL = 5 m/detik
rp = 20 mm, UL = 3 m/detik
Desain β’ CO2 di inlet gas bumi = 20% β’ CO2 di outlet gas bumi = 5% β’ Tinggi kolom =15 m β’ Diameter kolom = 1,5 m β’ Mol CO2/mol MEA di dalam lean solven = 0,1 β’ Konsentrasi MEA inlet = 1000 mol/m 3 β’ Kecepatan superfisial gas = 1 m/detik β’ Kecepatan superfisial cair = 3 m/detik β’ Tekanan gas = 10 bar β’ Suhu = 323 K β’ Paking berupa silinder berongga dengan jari-jari 2 cm.
Sizing Kolom Talam
Sizing Kolom Talam β’ Uap harus mengalir hanya melalui daerah terbuka pada talam di antara downcomer-downcomer. β’ Cairan harus mengalir hanya melalui downcomer-downcomer. β’ Cairan tidak boleh menetes melalui lubang-lubang talam. β’ Cairan tidak boleh terbawa naik ikut aliran uap (entrainment flooding). β’ Uap tidak boleh turun ikut aliran cair (downcomer flooding). β’ Uap tidak boleh menggelembung melalui downcomer.
Aliran Cairan dan Aliran Uap β’ VG <<< cairan menetes melalui lubang. β’ VG >>> entrainment flooding β efisiensi ο―
Aliran Cairan dan Aliran Uap β’ Beban gas minimum: β’ Pada kecepatan gas rendah, gas tidak lagi mengalir secara merata melalui semua lubang talam atau cairan menetes melalui lubang talam. β’ Kedua mode operasi itu harus dihindari karena efisiensi talam berkurang akibat tingkat pencampuran kedua fase tidak cukup. β’ Faktor utama yang mempengaruhi tetesan adalah diameter lubang (beban gas minimum meningkat dengan meningkatnya diameter lubang).
Aliran Cairan dan Aliran Uap β’ Beban gas maksimum: β’ Pada kecepatan gas tinggi, gas meniup cairan dari talam dalam bentuk droplet-droplet halus (entrainment, jet flood) β’ Cairan mengalir tidak lagi berlawanan arah dengan aliran gas. β’ Beban gas maksimum yang layak tergantung pada sistem (kadar gas dan cairan, tegangan permukaan) serta desain talam. β’ Entrainment flooding pada talam terjadi pada jarak talam οz yang sangat besar. Untuk jarak talam yang lebih kecil tinggi buih pada talam menentukan batasan yang lebih rendah.
Aliran Cairan dan Aliran Uap β’ Beban cair minimum: β’ Pada beban cairan yang sangat rendah, aliran cairan tidak merata di atas talam (maldistribution) sehingga efisiensi perpindahan massa berkurang. β’ Tinggi minimum overflow weir hwo ο³ 5 mm β’ Nilai ini sama dengan beban weir cair minimum
πL πw
οz
lw
= 2 m3/(m/jam)
Aliran Cairan dan Aliran Uap β’ Beban cair maksimum: β’ Aliran cairan ke bawah melalui downcomer didesak oleh gaya gravitasi sehingga beban cairan maksimum terbatas. β’ Empat aturan empiris untuk menentukan laju alir cairan maksimum: 1. Beban weir, πL Ξ€πw < 60 m3/(m.jam). 2. Kecepatan cairan di downcomer ο£ 0,1 m/s. 3. Volume downcomer memberikan waktu tinggal cairan οΎ 5 detik. 4. Tinggi cairan jernih di downcomer hld ο£ Β½ οz.
Floading β’ Downcomer flooding terjadi apabila cairan tergenang di atas talam karena downcomer area terlalu kecil. β’ Entrainment flooding terjadi karena terlalu banyak cairan yang terbawa oleh aliran uap β masalah besar β Kecepatan desain = 80%β85% kecepatan flooding. β Kecepatan flooding, πf = πΎ1 K1 = faktor kapasitas
πL βπG πG
Floading Faktor kapasitas: πΏm πG πΉLV = πΊm πL Lm = laju alir massa cairan [kg/detik] Gm = laju alir massa gas [kg/detik] β’ Persen flooding = UG/Uf
Kecepatan Penetesan (Weeping) β’ Kecepatan uap di lubang: πG πh = πh QG = laju alir volumetrik gas [m3/detik] ah = luas total lubang [m2] β’ Kecepatan weeping:
πΎ2 β 0,90 25,4 β πh πh = πG dh = diameter lubang [m], K2 dari chart
Efisiensi Talam dan Paking β’ Jumlah talam teoritis (kesetimbangan) dihitung dengan menggunakan data kesetimbangan. Namun kenyataannya kesetimbangan tidak tercapai sepenuhnya pada talam. β’ Tinggi paking dihitung dengan anggapan bahwa pencampuran komponen di fasa gas dan fasa cair berlangsung sempurna. Namun kenyataannya, untuk kolom berdiameter besar, penyebaran komponen di dalam kolom tidak berlangsung sempurna. β’ Jumlah talam atau tinggi paking yang dihitung dengan cara yang sudah dilakukan perlu dikoreksi sehingga jumlah talam dan tinggi paking aktual lebih besar dari yang dihitung sejauh ini.
Efisiensi Talam β’ Jumlah talam aktual: πteoritis πaktual = πΈoc Eoc = efisiensi kolom keseluruhan Dipengaruhi oleh: β β β β
Geometri talam, Laju alir, Rasio kesetimbangan uap-cair, Sifat fisik uap dan cair.
Efisiensi Talam β’ Kolom distilasi (metode OβConnel):
ο [cP]
Efisiensi Talam β’ Kolom absorpsi/stripping (metode OβConnel):
H [lb mol/(ft3)(atm)], P [atm], and ο [cP]
Efisiensi Talam β’ Metode rigorous:
Jatuh Tekan β’ Jatuh tekan total pada talam: βt = βd + βL [mm cair] β’ Jatuh tekan melalui lubang (sieve tray): βd = 92,8 πG Ξ€πL πh2 Uh = kecepatan di lubang [m/detik]
Jatuh Tekan β’ Jatuh tekan melalui campuran teraerasi (holdup cairan): βL = π½ βw + βow
ο’ = faktor aerasi (=0,5); hw = tinggi weir β’ Crest di atas outlet weir: βow = 664 πL Ξ€πw
2Ξ€3
QL= laju alir volumetrik cairan [m3/detik] lw = panjang weir [m]
Koefisien Perpindahan Massa β’ Koefisien perpindahan massa volumetrik fasa uap: πG π =
316π·G0,5 1030π β 867π 2
1Ξ€detik
β0,5 L
β’ Koefisien perpindahan massa volumetrik fasa cair: πL π = 0,40πΉva + 0,17 3,875E8π·L
0,5
DG, DL = koefisien difusi fasa uap dan cair [m2/detik] hL = holdup cairan [mm] f = fraksi flooding f Va = factor-F luas aktif = ππ πG0,5
1Ξ€detik
Waktu Tinggal β’ Fasa uap dalam campurannya di dalam talam: π‘G =
volume uap di dalam busa (ππππ‘β) π΄a ππf = laju alir volumetrik uap πG
β’ Fasa cair dalam campurannya di dalam talam: volume cairan di dalam busa (ππππ‘β) π΄a 1 β π πf π‘L = = laju alir volumetrik cairan πL Zf = tinggi busa (froth); dari chart. Aa = luas talam aktif
ο₯ = fraksi kosong (uap) di dalam busa = 1 β hL/Zf
Waktu Tinggal
Satuan Perpindahan Massa β’ Fasa uap: πππG = πG ππ‘G β’ Fasa cair:
πππL = πL ππ‘L
Efisiensi Lokal (Titik) 1 1 π = + πππoG πππG πππL
πΈoG = 1 β exp βπππoG
ο¬ = faktor stripping = m(L/G) EoG = efisiensi lokal (titik), [fraksi]
Efisiensi Talam Murphree β’ Pencampuran sempurna di talam: β’ Kolom kecil β’ Kolom vakum (G >>> L) πΈmv = πΈoG
β’ Aliran sumbat melalui talam: πΈmv =
1 exp ππΈoG β 1 π
Efisiensi Kolom Keseluruhan β’ Refluks total: πΈoc = πΈmv β’ Selain refluks total: πΈoc =
ln 1 + πΈmv π β 1 lnπ
Koreksi Entrainment β’ Resirkulasi cairan sebagai entrainment antara talam-talam. β’ Mempengaruhu efisiensi. β’ Terutama terjadi pada kolom vakum. β’ Konversi dari efisiensi kering ke efisiensi basah (dengan entrainment) πΈwet
πΈdry = 1 β πΈdryπΞ€ 1 β π
Efisiensi Talam β’ Contoh: β’ Lihat Example 13.17 pada buku Couper dkk, 2005, Chemical Process Equipment β Selection and Design, Elsevier.
Sistem Multikomponen β’ Menggunakan komponen kunci sebagai sistem biner semu.
Diameter Kolom β’ Dikontrol oleh kecepatan uap. β’ Menggunakan kecepatan superfisial uap. β’ UG = 0,5β2,5 m/detik (3 β 6 m/s di kolom dengan bubble cup). β’ UL = 1x10-3β15x10-3 m/detik. β’ Diameter kolom: πΊmax π π·c = 102,89 [m] ππG,allow πΊmax = laju alir molar uap maksimum [kmol/detik]
Diameter Kolom β’ Kecepatan uap yang diperolehkan tergantung pada: β’ Jenis talam dan geometrinya, β’ Kecepatan cairan, β’ Sifat fisik fasa uap dan cair. π΄a π΄a πL β πG πG,allow = π π =π πΎ π΄Q f π΄Q 1 πG f = fraksi flooding AQ = luas penampang lintang kolom =
π 2 π· 4 c
Aa = luas aktif talam [mΒ²] πG = berat molekul rata-rata campuran gas
=
πΊαΆ max πG πG πG
[mΒ²]
Efisiensi Paking β’ Tinggi paking aktual: π = π»πΈππ πteoritis Z = tinggi unggun paking untuk pemisahan yang ekuivalen dengan N tahap teoritis. HETP = height equivalent to a theoretical plate β Tinggi unggun dimana satu tahap teoritis dilaksanakan. β Istilah empiris yang hanya berhubungan dengan kecepatan transfer massa setelah dikonversi ke nilai HTU. β Dipengaruhi oleh: β Konfigurasi geometri paking, β Laju alir, β Rasio kesetimbangan uap-cair, β Sifat fisik uap dan cair.
Paking Acak Cornell dkk (1960) β’ Fasa cair π»ππ
0,5 Ξ€ = πSc L L πΆ π 10
0,15
β’ Fasa gas:
πScG0,5 πcΞ€12 π πΞ€10 π»ππ G = πΏm π1 π2 π3 0,6
1Ξ€3
Paking Acak HTUL, HTUG = tinggi satuan perpindahan, ft
ο¦ dan οΉ = parameter ScL dan ScG = Bilangan Schmidt fasa cair dan gas (= π Ξ€ππ·) C = faktor koreksi Z = tinggi bagian paking (di antara distributor-distributor), m dc = diameter kolom, in Lm = laju alir massa cair (lb/jam.ft 2) f 1 = koreksi viskositas cair (= οL/1,005)0,16, οL dalam cP f 2 = koreksi densitas cair (= 1/ ο²L)0,16, ο²L dalam g/cm3 f 3 = koreksi tegangan permukaan (= 72,8/ ο³)0,8, ο³ dalam dyn/cm m = eksponen = 1,24 (ring) dan 1,11 (saddle)
Paking Acak
Paking Acak
Paking Acak
C
Paking Acak Onda (1968) β’ Fasa cair:
β’ Fasa gas:
πΏ π»ππ L = πL πwπL
πΊ π»ππ G = πG πwππG
L = laju alir massa cairan G = laju alir massa uap aw = luas permukaan paking yang basah (m2/m3)
Paking Acak Onda (1968) πL
πL ππL
πG
1Ξ€3
π
π πp π·G
= 0,0051
1Ξ€3
πΏ πwπL
πΊ =πΆ πp πG
2Ξ€3
0,7
ScLβ0,5 πpπp
Ξ€ ScG1 3
πpπp
DG = koefisien difusi uap [m2/detik] ap = luas permukaan spesifik paking (m2/m3) dp = ukuran nominal paking C = 5,23 (normal) atau 2 (Raschig ring atau Berl saddles)
β2
0,4
Paking Acak Onda (1968) β0,05 0,2 πw = πp 1 β exp β1,45Re0,1 Fr We L L L
π πc
β0,75
ReL = Bilangan Reynolds = (L/apοL) FrL = Bilangan Froude = (πp πΏ2 Ξ€ππL2) WeL = Bilangan Weber = (πΏ2 ΰ΅πpππL) Berlaku untuk 0,04 < ReL < 500; 1,2x10-8 < WeL < 0,27; 2,5x10-9 < FrL < 1,8x10-2
0,3 < (ο³c/ο³) < 2.
Paking Terstruktur Metode pintas: π»πΈππ = π΄1 + π΅1 πΉs,80 [m] β Berlaku pada refluks total dan ο¬ = m/(L/V) = 1,0 β Fs,80 = faktor-F superfisial pada 80% flooding
π»πΈππ =
2450πΉs,80 πp0,5
[m]
Paking Terstruktur β’ Locket: 4,82 πL β πG π»πΈππ = πΌ
πΌ = πΌp
0,5 πβ0,006 r
1 + 0,78π 0,00058πp
ππ =
πL πH2O pada 20 C
ap = luas area spesifik paking (m2/m3)
πG πL
0,25 2
Paking Terstruktur Model mekanistik (Bravo dkk, 1985): β’ Fasa gas 0,333 ShG = 0,0338Re0,8 Sc G G
β’ Fasa cair
Paking Terstruktur ShG = Bilangan Sherwood = (kGdeq/DG) ReG = Bilangan Reynolds = (deqο²G/οG)(UG,eff + UL,eff) ScG = Bilangan Schmidt = (οG/ο²GDG) S = Panjang sisi lekukan = diameter ekuicalen [m] π·L dan π·G = koefisien difusi fasa cair dan fasa gas [[m2/detik] πL,eff dan πG,eff = laju alir efektif cairan dan gas [m/detik] πG,eff =
πG,s π 1 β βt sinπ
πL,eff =
πL,s πβt sinπ
Paking Terstruktur ht = holdup cairan total
ο± = sudut lekukan yand diukur dari bidang horisontal, deg UG,s dan UL,s = kecepatan superdisial gas dan cairan [m/detik]