Bab 1, Bab 2 3s2b20

1

BAB I PENDAHULUAN

Alat pemisahan berperan penting dalam berlangsungnya proses produksi benzen, toluen, xylen (BTX). Alat pemisahan untuk pabrik BTX terdiri dari menara distilasi, flash drum, dan kolom stripper. Menara distilasi digunakan untuk memisahkan produk benzen, toluen dan xylen berdasarkan perbedaan titik didih dan volatilitas. Flash drum digunakan untuk memisahkan dan gas H2 dari proses catalytic reforming dengan cara menurunkan tekanan umpan, sehingga fasa gas akan terpisah dari fasa cair. Stripper berfungsi untuk memisahkan gas H2S dari proses hydrotreating. Proses pemisahan pada pabrik BTX diharapkan dapat menghasilkan produk benzen dengan kemurnian 99,85%; toluen dengan kemurnian 99,84%; dan xylen dengan kemurnian 99,7%. Oleh karena itu digunakan serangkaian alat pemisahan agar kemurnian produk dapat dicapai. 1.1

Menara Distilasi Distilasi atau penyulingan adalah suatu metode pemisahan campuran

bahan kimia berdasarkan perbedaan kemudahan menguap (volatilitas) bahan dengan titik didih yang berbeda. Distilasi menggunakan panas sebagai agen pemisah campuran, campuran zat dididihkan hingga menguap dan uap ini kemudian didinginkan kembali ke dalam bentuk cairan. Zat yang memiliki titik didih lebih rendah akan menguap lebih dulu. Pada proses pemisahan secara distilasi, fase uap akan segera terbentuk setelah sejumlah cairan dipanaskan pada kondisi tekanan dan suhu tertentu. Uap dipertahankan kontak dengan sisa cairannya (dalam waktu relatif cukup) dengan harapan pada suhu dan tekanan tertentu, antara uap dan sisa cairan akan berada dalam keseimbangan, sebelum campuran dipisahkan menjadi distilat dan residu. Pada pemanasan yang terus menerus, komponen yang lebih volatil akan berubah menjadi fasa uap. Fasa uap yang terbentuk selanjutnya diembunkan (dikondensasi), kemudian akan diperoleh kondensat yang berupa komponenkomponen dalam keadaan yang relatif murni.

2

Type dari kolom destilasi berdasarkan tipe internal: 1. Tray dan Plate Istilah “tray” dan “plate” adalah sama. Ada banyak tipe desain tray, tetapi yang paling umum adalah: a. Sieve tray Pada dasarnya, jenis yang sama dari sieve tray digunakan di dalam penyerapan gas (absorbsi) dan di dalam penyulingan (destilasi). Di dalam sieve tray, uap air meluap melalui lubang sederhana dalam tray dengan cairan yang mengalir. Diameter ukuran lubang berkisar dari 3 sampai 12 mm, dan umumnya berukuran 5 mm. Vapor area dari holes bervariasi antara 5 sampai 15% dari tray area. Cairan dijaga agar tetap pada permukaan tray dan dicegah agar tidak mengalir turun kelubang oleh energi kinetik dari uap air atau gas. Kedalaman cairan pada tray dijaga dengan overflow saluran bendungan. Overflow cairan mengalir kedalam downspout pada tray berikutnya. b. Valve Tray Suatu modifikasi dari sieve tray adalah valve tray, yang terdiri dari bukaan pada tray dan suatu lift-valve yang melindungi masing-masing bukaan. Tray jenis ini dapat beroperasi pada suatu cakupan laju alir yang lebih besar dibanding sieve tray, tetapi biayanya 20% lebih tinggi dibanding suatu valve tray. Saat ini valve tray sedang banyak digunakan di industri. c. Bubble-cap tray Bubble-cap tray telah digunakan untuk lebih 100 tahun, tetapi sejak 1950 mereka telah menggantinya dengan sieve-type atau valve tray karena biayanya yang hampir dua kali dari tipe sieve tray. Di dalam babble cap tray, uap air atau gas naik sampai ke bukaan di dalam tray ke dalam bubble cups. Kemudian gas mengalir sepanjang slot di dalam batas luar dari tiap cap dan yang naik melalui cairan yang mengalir (Geankoplis, 2003). Berikut adalah tabel perbandingan performa masing-masing tray:

3

Tabel 1.1 Perbandingan sieve tray, valve tray, dan bubble-cap tray (Kister, 1992) Kapasitas Efisiensi

Sieve tray Tinggi tinggi

Valve tray Tinggi-sangat tinggi Tinggi-sangat tinggi

Entrainment

Sedang

Sedang

Pressure drop

Sedang

Sedang

Biaya

Rendah

Perawatan Fouling tendency Efek korosi Pangsa pasar

Rendah

20% lebih tinggi dari sieve tray Sedang

Rendah

Sedang

Rendah 25%

Sedang 70%

Bubble-cap tray Sedang-tinggi Sedang-tinggi Tinggi, sekitar 3x lebih tinggi dari sieve tray Tinggi, sekitar 3x lebih tinggi dari sieve tray Tinggi, sekitar 2-3x biaya sieve tray Relatif tinggi Tinggi, cenderung mengumpul padatan Tinggi 5%

Kelebihan distilasi jenis tray: -

Laju alir liquid dan gas lebih besar

-

Efisiensi lebih tinggi

-

Lebih mudah membuat pendingin, coil dapat dipasang pada tray

-

Lebih mudah membuat side-streams

-

Jika liquid menyebabkan fouling atau mengandung padatan, lebih mudah dibersihkan

Kekurangan distilasi jenis tray: -

Untuk liquid yang bersifat korosif, penanganan lebih mahal

-

Pressure drop per tahap kesetimbangan lebih tinggi

-

Tidak sesuai untuk menangani foaming system

-

Biaya lebih mahal daripada jenis packing

2. Packing Packed tower dapat digunakan untuk memperbesar kontak cairan dan gas di dalam proses distilasi. Packed tower terdiri dari suatu kolom silindris yang berisi inlet gas dan ruang distribusi berada di bawah, inlet liquid dan ruang disrtibusi berada di puncak, untuk outlet gas juga berada di puncak, outlet liquid berada di bawah, dan suatu packing atau filling berada pada tower. Gas masuk ke dalam ruang distribusi pada bagian bawah packed melalui bukaan atau celah dalam packed dan kontak dengan cairan yang turun mengalir melalui operasi yang sama.

4

Area yang besar dapat mengkontakkan gas dan liquid yang diberikan oleh packing. Banyak jenis packed tower yang berbeda telah dikembangkan. Jenis umum packing yang sering digunakan antara lain rasching ring, lessing ring, pall ring, dan berl saddle,. Packing umumnya berukuran antara 3 mm sampai 75 mm dan terbuat dari material murah seperti tanah liat, porselin, grafit, atau plastik. High void ruang antara 60 sampai 90% adalah karakteristik yang baik untuk packing. Packing

permit

volume

cairan

yang

relatif

besar

untuk

memberikan

countercurrently pada gas yang mengalir sepanjang bukaan relatif rendah, gas terjadi kehilangan tekanan (Geankoplis, 2003). Berikut adalah tabel kelebihan dan kekurangan masing-masing jenis packing: Tabel 1.2 Perbandingan kelebihan dan kekurangan masing-masing jenis packing (Samsudin, 2013) Rasching Ring Lessing Ring

-

Pall Ring Berl Saddle

-

Kelebihan Harga lebih murah Tidak terlalu berat Sensitivitas lebih rendah terhadap kualitas distribusi cair dan uap Dapat digunakan untuk bahan yang tahan suhu tinggi Harganya murah Tidak terlalu berat Dapat digunakan untuk bahan yang tidak tahan suhu tinggi Sensitivitas lebih rendah terhadap kualitas distribusi cair dan uap. Kapasitas lebih tinggi dan pressure drop rendah Distribusi cairan baik dan kapasitas besar Distribusi uap-cair didistribusikan secara merata Stabilitas kimia tinggi dan daya tahan panas yang sangat baik Sensitivitas lebih rendah terhadap kualitas distribusi cair dan uap Luas permukaannya besar

Kekurangan - Efisiensi lebih rendah - kontaknya berlangsung secara cepat

- Efisiensi lebih rendah - Kontaknya berlangsung secara cepat.

- Pembersihan sulit dilakukan - Harga lebih mahal dibandingkan rasching ring, lessing ring, dan berl saddle - Kontaknya berlangsung secara cepat - Harganya mahal

5

Kelebihan packed tower: -

Untuk liquid yang bersifat korosif, penanganan lebih murah

-

Pressure drop per tahap kesetimbangan lebih rendah

-

Sesuai untuk menangani foaming system

-

Biaya lebih murah daripada jenis tray

Kekurangan packed tower: -

Laju alir liquid dan gas lebih rendah

-

Efisiensi lebih rendah

-

Lebih sulit membuat sistem pendingin

-

Jika liquid menyebabkan fouling atau mengandung padatan, lebih sulit dibersihkan Menara distilasi yang dipilih pada pabrik ini adalah jenis tray tower

dengan tray tipe sieve tray. Menara distilasi jenis sieve tray dipilih karena selain memberikan efisiensi yang tinggi, biaya konstruksi dan biaya perawatannya juga lebih murah. Selain itu, menara distilasi jenis sieve tray juga mampu menangani laju alir yang tinggi. 1.2

Flash Drum Flash drum adalah suatu alat pemisah yang memisahkan suatu komponen

dengan perbedaan tekanan yang secara tiba-tiba dengan tekanan operasi lebih rendah dari tekanan umpan. Liquid pada umpan ketika masuk ke dalam separator dan mengalami penurunan tekanan akan menguap sejumlah tertentu (flash), sesuai kesetimbangan uap-cairnya. Liquid ini lalu terbawa aliran uap. Gas yang terlarut pada umpan liquid (terhitung sebagai laju massa fraksi liquid pada umpan) akan terlepas pada saat umpan mengalami penurunan tekanan di dalam flash drum. Flash drum pada dasarnya adalah distilasi satu tahap yang bekerja berdasarkan prinsip kesetimbangan uap-cair. Yang terjadi adalah penurunan tekanan dari aliran masuk ke flash ke dalam flash drum itu sendiri. Proses ekspansi juga terjadi disitu. Dimana pada tekanan yang lebih rendah ada beberapa komponen yang lebih volatil terhadap komponen lainnya. Komponen ini akan berubah fasa menjadi gas, sedangkan lainnya tetap berupa fasa cair.

6

Flash drum berdasarkan jenis dan bentuknya dapat dibagi menjadi 2 jenis, yaitu: 1. Flash drum vertikal Biasanya digunakan untuk memisahkan fluida produksi yang mempunyai GLR (gas-liquid ratio) rendah, flash drum ini mudah dibersihkan serta mempunyai kapasitas cairan dan gas yang besar. Kelebihan flash drum vertikal: - Pengontrolan level cairan lebih mudah - Memerlukan tempat yang kecil - Lebih mudah di bersihkan Kekurangan flash drum vertikal: - karena bentuknya yang tinggi, maka peralatan-peralatan keselamatan yang terletak di atas sulit untuk dicapai dan dirawat - outlet gas yang berada di atas membuat pemasangan lebih sulit - Parameter yang berada di atas vertical separator sulit untuk dimonitor secara actual, sehingga menyusahkan operator dalam pengoprasian. - Resiko jatuh dari atas vertical separator lebih tinggi. 2. Flash drum horizontal Sangat baik untuk memisahkan fluida produksi yang mempunyai GLR tinggi, namun karena bentuknya yang panjang, flash drum ini banyak memakan tempat dan sulit dibersihkan. Keuntungan flash drum horizontal: -

Lebih murah dari pada separator vertical

-

Mudah di angkut

-

Lebih ekonomis dan efisien untuk memproses gas dalam jumlah besar

Kerugian flash drum horizontal: -

Kurang menguntungkan jika fluida mengandung padatan

-

Sukar di bersihkan

-

Dalam pemasangan di perlukan tempat yang lebih luas kecuali kalau di susun

7

Flash drum yang dipilih pada pabrik ini adalah tipe vertikal. Selain karena beberapa kelebihan yang dimiliki, campuran yang akan dipisahkan menggunakan flash drum memiliki GLR (gas-liquid ratio) yang rendah, sehingga pemisahan akan lebih efektif menggunakan flash drum tipe vertikal. 1.3

Kolom Stripper / Stripper Column Absorbsi adalah proses perpindahan massa dari campuran gas yang diserap

(diabsorbsi) oleh suatu cairan berdasarkan kelarutan. Campuran gas biasanya terdiri dari gas inert dan larutan. Cairan pada umumnya immicible dalam fasa gas; sehingga vaporasi menjadi fase gas yang relatif rendah. Dalam proses kebalikannya yaitu desorpsi atau stripping mempunyai persamaan prinsip dengan absorsi. Stripping adalah operasi pemisahan solute dari fase cair ke fase gas, yaitu dengan mengontakkan cairan yang berisi solute dengan pelarut gas (stripping agent) yang tidak larut ke dalam cairan.. Stripping dilakukan dalam kolom stripper. Padas kolom stripper biasanya dilengkapi dengan suatu compressor atau pompa vakum yang berfungsi untuk mengalirkan gas atau udara sehingga aliran gas tersebut menyerap gas yang terdapat pada liquid yang akan dipisahkan. Outlet dari stripper ini merupakan suatu liquid yang sudah mengandung sedikit atau bisa dikatakan bebas dari gas yang keberadaanya tidak diinginkan. Untuk memaksimalkan kontak antara gas dan cairan maka jenis kolom stripper telah dikembangkan. Berdasarkan tipe internalnya, stripper memiliki jenis yang sama dengan menara distilasi, yaitu jenis tray dan packing. Menurut Huang (2006), kolom stripper jenis packing dapat memberikan luas permukaan yang lebih besar, sehingga dapat memaksimalkan kontak antara gas dan liquid. Selain itu, kolom stripper jenis packing dapat menangani umpan yang bersifat korosif dah biaya konstruksi serta perawatannya juga murah. Padas pabrik ini, stripper digunakan untuk memisahkan gas H2S yang bersifat korosif. Dengan mempertimbangkan kelebihan serta kebutuhan, maka jenis stripper yang dipilih pada pabrik ini adalah jenis packed tower dengan packing tipe rasching ring yang harganya

murah.

8

BAB II DASAR PERANCANGAN

2.1

Perancangan Menara Distilasi

2.1.1

Persamaan Neraca Massa untuk Distilasi Perhitungan neraca massa berfungsi untuk mengetahui fraksi mol

komponen di umpan, distilat, dan bottom. Selanjutnya hasil perhitungan tersebut dapat digunakan untuk menentukan jumlah stage teoritis menggunakan kurva McCabeThiele untuk distilasi dua komponen. Asumsi yang digunakan pada metode McCabe-Thiele adalah terjadinya kesetimbangan pada menara distilasi antara umpan masuk dengan top traynya dan antara umpan masuk dengan bottom traynya. Dapat dilihat pada Gambar 2.1, fasa cair dan uap memasuki tray, kemudian terjadi kesetimbangan, dan selanjutnya meninggalkan tray.

Gambar 2.1 Laju fasa uap dan cair memasuki dan meninggalkan tray Neraca massa totalnya adalah sebagai berikut : Vn+1 + Ln-1 = Vn + Ln

(1)

Neraca massa komponennya adalah sebagai berikut : Vn+1 yn+1 + Ln-1 xn-1 = Vnyn + Lnxn Keterangan : Vn+1 = laju alir uap dari tray n+1 Ln-1 = laju alir cairan dari tray n-1

(2)

9

Vn = laju alir uap dari tray ke-n Ln = laju alir cairan dari tray ke-n yn+1 = fraksi mol uap suatu komponen di Vn+1 xn-1 = fraksi mol cair suatu komponen di Ln-1 yn = fraksi mol uap dari tray ke-n xn = fraksi mol cair dari tray ke-n Neraca massa overall di keseluruhan bagian kolom distilasi dihitung dengan menggunakan persamaan (3) : F=D+W

(3)

Sedangkan, persamaan neraca massa komponennya dapat dilihat pada persamaan (4) : xF . F = xD . D + xW . W

(4)

Keterangan : xF = fraksi mol umpan (mol) xD = fraksi mol distilat (mol) xW = fraksi mol bottom (mol) F = laju alir mol umpan (kmol/jam) D = laju alir mol distilat (kmol/jam) W = laju alir mol bottom (kmol/jam) 2.1.2

Data Kesetimbangan Pada Distilasi Multikomponen Pada distilasi multikomponen, hukum Raoult dapat digunakan untuk

menentukan komposisi fasa uap dalam keadaan setimbang dengan fasa liquidnya. Misalkan, untuk komponen A, B, C, dan D rumus untuk mencari komposisi fasa uapnya adalah sebagai berikut (Geankoplis, 2003) :

10

Untuk senyawa hidrokarbon, data kesetimbangannya dirumuskan sebagai berikut:

KA merupakan konstanta kesetimbangan fasa uap-cair atau koefisien distribusi untuk komponen A. Nilai K untuk senyawa hidrokarbon ringan (metana sampai dekana) sudah ditentukan secara semi-empiris dan masing-masing nilai K merupakan fungsi dari suhu dan tekanan. Pada penentuan nilai relative volatility (αi) untuk masing-masing komponen pada campuran multikomponen digunakan cara yang sama seperti pada distilasi dua komponen, maka :

Relative volatility (αi) ini adalah ukuran kemudahan terpisahkan lewat eksploitasi perbedaan volatillitas. Relative volatility ditulis sebagai perbandingan nilai K dari komponen lebih mudah menguap (MVC = more-volatile component) terhadap nilai K komponen yang lebih sulit menguap. Oleh karena itu, jika harga mendekati satu atau bahkan satu, maka kedua komponen sangat sulit bahkan tidak mungkin dipisahkan melalui operasi distilasi. 2.1.3

Key Components Pada Distilasi Multikomponen Proses pemisahan dari campuran multikomponen pada menara distilasi

hanya akan terjadi pada dua komponen saja. Misalnya, untuk campuran A, B, C, D, dan seterusnya, proses pemisahan dalam satu menara distilasi hanya dapat terjadi antara komponen A dan B, atau B dan C, dan seterusnya. Misalnya, pada distilasi multikomponen ini terjadi pemisahan antara komponen A dan B. Komponen A merupakan light key component dan komponen B merupakan heavy key component. Light key component merupakan komponen yang lebih mudah menguap (LK) yang akan dihasilkan pada distilat. Heavy key component

11

merupakan komponen yang lebih sulit untuk menguap (HK) dan akan dihasilkan pada bottom. Komponen-komponen yang lebih mudah menguap dari light key component disebut dengan light components yang akan terdapat dalam jumlah yang sedikit pada bottom. Untuk komponen-komponen yang lebih sulit menguap daripada heavy key components akan terdapat pada distilat dalam jumlah yang sedikit. (Geankoplis, 2003). 2.1.4

Bubble Point dan Dew Point Pada suatu tekanan tertentu, nilai bubble point dari campuran senyawa

multikomponen harus memenuhi persamaan Σyi=1.0. Untuk campuran A, B, C, dan D dengan C sebagai light key component, maka :

Perhitungan dilakukan dengan cara trial and error. Pertama, dilakukan pengasumsian suhu sehingga diperoleh nilai Ki . Selanjutnya, dapat dihitung nilai Σyixi, jika nilainya lebih atau kurang dari 1.0 maka dilakukan asumsi suhu yang berbeda. Nilai suhu yang dapat memenuhi persamaan Σyixi=1.0 merupakan bubble point. Untuk perhitungan nilai dew point juga digunakan cara trial and error suhu hingga memenuhi persamaan sebagai berikut :

2.1.5

Reflux Ratio Minimum (Rm) Pada distilasi multikomponen, terdapat dua pinch points, yaitu satu berada

di atas tray umpan dan satu lagi berada di bawahnya. Penentuan nilai Rm dengan menggunakan metode plate-by-plate dengan cara trial and error membutuhkan waktu yang cukup lama jika dihitung manual. Pada metode shortcut digunakan persamaan Underwood untuk menghitung Rm menggunakan nilai rata-rata α dan mengasumsikan laju alir konstan di kedua bagian menara distilasi. Untuk menentukan nilai reflux ratio minimum digunakan dua persamaan berikut :

12

Keterangan : αi = relative volatility untuk komponen i pada umpan xiF = fraksi komponen i pada umpan q = perbandingan antara panas untuk menguapkan 1 mol umpan dengan kalor laten umpan, keadaan q : kondisi/wujud-wujud umpan pada proses distilasi dapat dilihat pada gambar 2.2 berikut ini:

Gambar 2.2 q-line berdasarkan nilai q pada kurva kesetimbangan q = 0, umpan pada kondisi titik embun, saturated vapor q = 1, umpan pada kondisi titik gelembung, saturated liquid 0 < q < 1, umpan pada kondisi campuran uap dan cair q > 1, umpan pada kondisi dingin q < 0, umpan pada kondisi uap panas lanjut, superheated vapor

13

Keterangan : αi = relative volatility untuk komponen i pada distilat xiD = fraksi komponen i pada distilat Rm = reflux ratio minimum Untuk menentukan nilai Rm, dilakukan trial and error untuk mencari nilai θ. Nilai θ berada di antara α dari light key component dan α dari heavy key komponent. Jika nilai θ sudah ditemukan maka nilai Rm bisa langsung dapat diketahui. 2.1.6

Jumlah Stage Minimum (Nm) Jumlah stage minimum (Nm) untuk distilasi multikomponen dapat

ditentukan dengan menggunakan persamaan Fenske. Akan tetapi, hanya dua komponen saja yang digunakan, yaitu heavy key (HK) dan light key (LK). Rumus perhitungannya adalah sebagai berikut :

Keterangan : xLD = fraksi mol light key di distilat xLw = fraksi mol heavy key di bottom αL,av= relative volatility rata-rata dari light key αLD = relative volatitity light key pada suhu top (dew point) αLW = relative volatitity light key pada suhu bottom (bubble point)

14

2.1.6` Jumlah Stage Teoritis (N) Menggunakan Kurva McCabeThiele Salah satu metode yang sering digunakan dalam menghitung jumlah stage ideal untuk distilasi dua komponen (binary distillation) adalah dengan menggunakan metode McCabe-Thiele, disamping itu terdapat metode lain, yaitu metode Ponchon Savarit. Bila dibandingkan dengan metode Ponchon Savarit, maka metode McCabe-Thiele lebih mudah digunakan karena dengan metode McCabe-Thiele tidak memerlukan perhitungan Heat Balance (necara panas) untuk menentukan jumlah stage yang dibutuhkan. Metode McCabe-Thiele ini mengasumsikan bahwa laju alir molar baik liquid maupun vapor atau L/V konstan, atau dikenal juga dengan istilah Constant Molar Overflow (CMO), namun pada keadaan sebenarnya keadaan CMO tidaklah konstan. Dalam perhitungan theoritical stage ada beberapa tahap yang harus dilakukan, yaitu: 1. Pembuatan kurva kesetimbangan uap-cair (biasanya untuk senyawa atau komponen yang lebih ringan) 2. Membuat garis operasi baik seksi rectifying (enriching) maupun stripping 3. Membuat garis umpan/feed (q-line), q-line ini akan menunjukkan kualitas dari umpan itu sendiri, berada dalam keadaan uap jenuh, liquid jenuh, dan lain-lain 4. Membuat atau menarik garis stage yang memotong kurva kesetimbangan yang memotong kurva kesetimbangan xy, garis operasi rectifying dan

stripping

yang

diawali dari XD dan berakhir pada XB.

Gambar 2.3 Grafik McCabeThiele untuk menentukan jumlah stage teoritis

15

Pada Gambar 2.3 merupakan contoh penentuan jumlah stage teoritis pada distilasi

dua

komponen

(benzen-toluen)

dengan

menggunakan

grafik

McCabeThiele. 2.1.7

Jumlah Stage pada Reflux Ratio Operasi (Rop) Tahapan penting pada metode shortcut untuk menentukan jumlah stage

teoritis yang digunakan pada reflux ratio operasi adalah dengan menggunakan grafik dari Gilliand seperti pada gambar 2.4.

Gambar 2.4 Grafik Gilliand antara reflux ratio dan jumlah stage Reflux ratio operasi berhubungan dengan nilai Rm yang diperoleh menggunakan metode Underwood. Jumlah stage minimum (Nm) diperoleh dengan menggunakan metode Fenske. Dari grafik di atas dapat diketahui jumlah stage teoritis (N). 2.2

Perancangan Flash Drum Flash drum ini berfungsi untuk memisahkan suatu campuran menjadi fasa

uap dan fasa cair dalam keadaan kesetimbangan uap cair dengan syarat P dew < P < Pbuble. dengan : F = jumlah mol umpan V = jumlah mol uap L = jumlah mol cairan

16

Zi = fraksi mol komponen di umpan (F) Yi = fraksi mol uap komponen di fasa uap (V) Xi = fraksi mol cairan di fasa cair (L) 2.2.1 Langkah – langkah Perancangan Data yang dibutuhkan untuk perancangan flashdrum, yaitu:  Sifat fluida yang digunakan beserta wujudnya  Kondisi operasi  Jenis bejana yang digunakan  Jenis Head yang digunakan yaitu torispherical, elliptical, dan hemispherical. Pemilihan berdasarkan tekanan operasi.

Gambar 2.5 Jenis-Jenis Head (Brownel and Young, 1959) 

Bahan konstruksi dipilih berdasarkan suhu operasi dan sifat fluida



Menentukan diameter bejana



Neraca massa total F = L+V dari neraca massa komponen diperoleh :

17

Trial nilai V

dengan : Ki = Pi/P = yi/xi 

Cairan yang keluar sebagai produk berada pada kondisi bubble point ∑yi = 1 maka, Pbubble = ∑xiPi



Kondisi dew point untuk uap ∑xi = 1



Diamter drum Laju alir gas atau uap



Diameter silinder



Tinggi drum Ldrum = Lsilinder + 2 OA = Lcairan + Lgas +OA

18

2.3

Perancangan Kolom Stripper

2.3.1

Cara Mendapatkan Operating - Line (Garis Operasi) Pada kasus difusi Zat A terlarut menjadi gas stagnant dan kemudian

menjadi fuida stagnant, maka neraca massa total komponen A untuk Packed Tower absorpsi seperti terlihat pada gambar 10.6-6 adalah:

dimana: L’ = kg mol liquid inert / s atau kg mol liquid inert / sm2 V’ = kg mol gas inert / s atau kg mol gas inert / s m2 Y1 = fraksi mol A dalam gas X1 = fraksi mol A dalam liquid

Gambar 2.6 Jumlah tray teoritis untuk absorpsi SO2 Aliran L’ dan V’ konstan keseluruh tower, tapi aliran total L dan V tidak konstan. Kesetimbangan sekeliling “Dashed-line box” pada gambar 2.6 memberikan persamaan operating – line seperti berikut,

19

Gambar 2.7 Neraca massa untuk menara absorpsi jenis packed

Persamaan ini bila diplotkan pada koordinat XY, akan memberikan kurva garis seperti gambar 2.8a. Persamaan biasa ditulis dalam fungsi (batasan) tekanan parsial (p1) dari A, dimana, y1 / (1 – y1) = p1 / (P – p1) dan seterusnya. Jika x dan y sangat kecil (dilute), (1 - x) dan (1 - y) biasa dianggap 1,0 dan persamaan menjadi, L’x + V’y1  L’x1 + V’y sehingga didapat slope dan operating- line yang lurus. Saat larutan berpindah dari L ke aliran V, proses ini disebut stripping, pada saat operating-line terletak dibawah equilibrium-line, yang ditunjukkan pada gambar 2.8.

Gambar 2.8 Lokasi operating-line: a) untuk absorpsi zat A dari aliran V ke L, b) untuk stripping zat A dari aliran L ke V

20

2.3.2

Memperkecil dan rasio yang optimum untuk L’/ V’ Dalam proses absorpsi, aliran gas inlet (masuk V1) dan komposisi y1 pada

umumnya ditentukan. Konsentrasi keluar y2 biasanya juga ditentukan oleh si perancang. Sedangkan konsentrasi x2 yang dimasuki oleh liquid sering disesuaikan dengan keperluan dari proses. Oleh karena itu, jumlah aliran liquid masuk L2 / L’ boleh untuk memilih.

Gambar 2.9 Rasio minimum liquid/gas untuk absorpsi Pada gambar 2.9 aliran V1 dan konsentrasi y2, x2 dan y1 ditentukan. saat operating-line mempunyai slope minimum dan mengenai garis equilibrium pada titik P1, maka aliran liquid L’ akan minimum saat L’min. Nilai x1 maksimum pada x1max saat L’minimum. Pada titik P driving force (y – y*; y – yi; x* - x; x1 – x) semuanya nol. Untuk menyelesaikan L’min, maka nilai y1 dan x1max disubtitusi kedalam persamaan operating-line. Dalam beberapa kasus lain, jika equilibrium line kurvanya “concavely downward” nilai L minimum dapat dicapai dengan tangensial dari operational-line yang memotong ke equilibrium-line. Pemilihan rasio L’/V’ yang optimum ini digunakan untuk merancang packed tower karena menimbang dari Economic Balance. Didalam absorpsi, diperlukan diameter tower yang besar untuk sebuah aliran liquid yang besar sehingga sangat tinggi nilai atau value yang diperlukan. Biaya recovering larutan dari liquid melalui proses destilasi juga menjadi tinggi. Aliran kecil liquid hasil dari dalam tower yang tinggi akan memakan biaya yang mahal. Sesuai pendekatan

21

dari aliran liquid optimum pilihan nilai yang dipakai sekitar 1,5 pada rasio dari rata – rata slope operating-line ke arah equilibrium-line proses absorpsi tersebut. Nilai faktor ini dapat berubah, tergantung pada nilai zat terlarut dan tipe towernya. 2.3.3

Film dan Koefisien Perpindahan Massa Total dalam Packed Tower Sebenarnya sangat sulit menghitung secara eksperimen area interfacial

atau luas antar permukaan (A) m2 antara fasa L dan V, begitu juga dalam hal menghitung koefisien film (kx, ky) dan koefisien total (kx’, ky’). Biasanya perhitungan atau pengukuran secara eksperiment dalam packed tower diambil dari yield koefisien perpindahan massa volumetrik digabung dengan area interfacial dan koefisien perpindahan massa. Untuk mendapatkan luas antar permukaan (m2) dalam volume pack (m3), yaitu volume packing dalam tinggi dz (m) adalah S dz.

dimana, S adalah m2 dikali section luas tower. Sehingga film volumetrik dan koefisien perpindahan massa kemudian didapatkan sebagai berikut

2.3.4

Metode untuk merancang packed tower Pada proses absorpsi A dari B stagnant, dengan persamaan operating line.

Untuk diferensial dari tinggi tower “dz” yang terlihat pada gambar 10.6-6, yaitu mol A meninggalkan equal V dan memasuki mol L.

22

dimana: V = kg mol total gas / s L = kg mol total liquid / s D(Vy) = d (Lx) = kg mol A yang berpindah / s dalam tinggi dz Tiap A kg mol ditransfer/s harus equal dengan perpindahan A kgmol/s dari persamaan perpindahan massa dari NA.

dimana, NA dA = kgmol A yang berpindah / s dalam tinggi dz m (lb mol/h)

subtitusi V ke V’/(1- yAG)

sehingga L =L’/(1 - xAL)

23

Huruf dibawah seperti A, sG, L dan integral didroping, jadi persamaan akhirnya digunakan koefisien film.

Dengan cara yang sama, persamaan akhir ini bisa menggunakan semua koefisien.

Pada kasus umum, untuk equilibrium dan operating-line biasanya kurva, kxa, k’ya, K’xa, K’ya dengan berbagai variasi dengan total aliran dari fluida dan gas. 2.3.5

Menyederhanakan Metode Design untuk Absorbsi dari Campuran Gas Cair dalam Packed tower Keadaan yang sangat menguntungkan dari proses absorbsi ialah absorbsi

pada gas A cair, kasus ini yang akan menjadi pertimbangan pada prosedur penyederhanaan design. Kosentrasi bisa dianggap cair dengan tujuan teknik design ketika fraksi mol y dan x dalam gas dan cair kurang dari 0,10 atau 10%. Aliran akan bervariasi dari yang kurang dari 10% dan koefisien transfer massa yang kurang dari 10% ini

24

juga. Sebagai hasilnya, harga rata-rata dari aliran V dan L dan koefisien transfer massa pada bagian atas dan bawah tower diambil sebagai batas integral. Demikian juga, bentuk (1 – 1)iM/(1 – y), (1 – y).M/(1 – y), (1 – x)iM/(1 – x), dan (1 – x).M/(1 – x) dapat diambil sebelah luar dan harga rata-rata dari harga pada batas atas dan bawah untuk tower yang digunakan. ( sering bentuk ini dibatasi pada 1 dan dapat keluar bersamaan). Persamaan didapat: