Peralatan Kristalisasi

IDASAR PERANCANGAN

Tujuan

PERHITUNGAN

Eksperimen di laboratorium Optimasiskala komersial

Outline

Data yang diperlukan Chemical engineering tools Contoh perhitungan neraca massa Pengenalan konsep neraca populasi

Data penting

Untuk merancang crystallizer/evaluasi performance crystallizer, diperlukan data berikut:1. Kelarutan pada berbagai suhu (sebaiknya data aktual pada kondisi operasi pabrik).2. Distribusi ukuran produk.

Chemical Engineering Tools

Neraca massa Neraca energi Proses kecepatan Kesetimbangan Ekonomi Humanisme

Neraca Massa (1)

CRYSTALLIZERUmpanF kg/jamFraksi massa XF

SolvenV kg/jamFraksi massa 0

Produk (magma)M kg/jam

Contoh:Kristalisasi garam Na2SO4

FILTER

KristalC kg/jam

Mother liquorL kg/jamFraksi massa X*

Neraca Massa (2) Fraksi massa:

Fraksi massa pada mother liquor (X*):kelarutan (konsentrasi jenuh) pada suhu outlet.

totalmassa

solutmassaX

Neraca Massa (3) Massa garam pada umpan:

Massa garam pada uap solven = 0

Massa garam pada magma:Mm = L X*

totalumpanmassa

umpanpadasolutmassa)totalumpanmassa(FXM FF

Neraca Massa (3) Neraca massa steady state:

(Massa input) = (Massa output)

Neraca massa total:F = L + V + C

Neraca massa garam:F XF = L X* + C

Neraca Massa (4) Persamaan (1) dan (2) bisa digunakan

untuk:1. menghitung beban evaporasi suatu crystallizer untuk menghasilkan kristal dengan jumlah tertentu.2. Menghitung jumlah kristal yang akan diperoleh setelah sejumlah tertentu solven diuapkan.

Problem 1

Umpan crystallizer mengandung 30% garam A dan 70% H2O. Larutan dikristalkan dalam crystallizer dengan evaporasi untuk menguapkan air. Pada suhu outlet crystallizer (120oC), kelarutan jenuh garam adalah 25% berat. Jika ingin dihasilkan 160 kg kristal A per 1000 kg umpan, berapa air yang harus diuapkan?

Problem 1

CRYSTALLIZERUmpanF kg/jamFraksi massa XF

SolvenV kg/jamFraksi massa 0

Produk (magma)M kg/jam

FILTER

KristalC kg/jam

Mother liquorL kg/jamFraksi massa X*

F = 1000 kg/jamXF = 0,3

L = ?X* = 0,25

Ingin dihitung V

C = 160 kg/jam

Problem 1 Neraca massa total:

F = L + V + CL + V = F – C = 1000 – 160 = 840

Neraca massa garam:F XF = L X* + C

L = (F XF – C)/X*L = [(1000)(0,3) – 160]/0,25 = 560

Jumlah air menguap:V = 840 – L = 840 – 560 = 280 kg/jam

Problem 2 Umpan crystallizer mengandung 30%

garam A dan 70% H2O. Larutan dikristalkan dalam crystallizer dengan evaporasi untuk menguapkan air. Pada suhu outlet crystallizer (28 psia, 120oC), kelarutan jenuh garam adalah 25%. Jika kecepatan penguapan air 280 kg/jam, berapa jumlah kristal yang diperoleh untuk setiap 1000 kg umpan?

Problem 2

Coba sendiri!

Problem 3

Dari contoh kasus 1, diperoleh jumlah air yang harus diuapkan. Hasil perhitungan ini dapat digunakan untuk menghitung kebutuhan pemanas. Misalnya digunakan steam jenuh (tekanan 32 psia, suhu 132oC) yang mengembun dengan panas pengembunan sebesar 2170 kJ/kg. Berapa kebutuhan steam?

Problem 3 Panas yang diperlukan untuk evaporasi:

Pada suhu 120oC (28 psia), panas penguapan air = 950 kJ/kg.Jumlah air yang ingin diuapkan =280 kg/jam (lihat Problem 1)Panas yang diperlukan untuk penguapan:Qevaporasi = 280 kg/jam x 950 kJ/kg

= 266.000 kJ/jam

Problem 3

Panas yang tersedia dari steam adalah 2170 kJ/kg steam. Jadi jumlah steam yang diperlukan:Msteam = (266.000 kJ/jam): 2170 kJ/kg steam

= 123 kg/jam

Problem 4

Apa yang terjadi jika jumlah steam yang dialirkan ke evaporator crystallizer drop di bawah Msteam yang terhitung di atas?

Apa pula yang terjadi jika jumlah steam yang dialirkan bertambah?

Konsep neraca populasi

Neraca massa yang diuraikan di atas bisa digunakan untuk menghitung yield (prosen hasil terhadap umpan) dalam suatu proses kristalisasi.

Akan tetapi, konsep neraca massa tersebut belum memberikan gambaran mengenai distribusi ukuran kristal (CSD).

Konsep neraca populasi

Distribusi ukuran kristal dihitung menggunakan konsep neraca populasi.

Tidak menggunakan ‘massa’ tetapi ‘jumlah’ partikel pada kisaran ukuran tertentu.

Neraca populasi

Jumlah partikel denganukuran antaraL sampai L+L

Jumlah partikelyang semula berukuran <L,yang telah tumbuh sehinggasekarang ukurannyaantara L sampai L+L

Jumlah partikelyang semula berukuran antara L sampai L+L,yang telah tumbuh sehinggasekarang ukurannya> L+ L

Jumlah partikelberukuran antara L sampai L+Lterbawa aliran masuk

Jumlah partikelberukuran antara L sampai L+Lterbawa aliran keluar

Representasi jumlah partikel

Jumlah partikel dinyatakan sebagai densitas populasi partikel (n):

dL

dN

V

1

dL

)V/N(dn

Arti fisis densitas populasi

N/V

L

Jumlah partikel per volumvs. diameter partikel(kumulatif)

Slope:

n=d(N/V)/d

L

n

L

n = jumlah partikel per volum,yang ukurannya L

n

L

no

Neraca populasi

Variabel:n = densitas populasi [jumlah partikel/volume/panjang]G = kecepatan pertumbuhan kristal [panjang/waktu]V = volum crystallizer [panjang3]Q = debit input = debit output [panjang3/waktu]

Neraca populasi Jumlah partikel yang tumbuh sehingga ukurannya

sekarang masuk dalam kisaran antara L dan L+L= N1 = n|L.G|L.V

Jumlah partikel yang tumbuh sehingga ukurannya sekarang keluar dari kisaran antara L dan L+L= N2 = n|L+L.G|L+L.V

Jumlah partikel berukuran antara L dan L+L yang dibawa aliran input = N3 ≈ 0

Jumlah partikel berukuran antara L dan L+L yang dibawa aliran output= N4 = n.L.Q

Neraca populasi

Jumlah partikel denganukuran antaraL sampai L+L

N1 N2

N3 N4

Steady state:N1+N3-N2-N4 = 0

Prediksi fraksi massa

Berdasarkan konsep neraca populasi di atas, bisa dijabarkan model matematis untuk fraksi massa partikel yang berukuran antara L1 sampai L2 (asumsi berlaku L Law).

4o

32L

1L

o

2L1L)G(n6

dLL)G

L(expn

X

Model CSD

Variabel proses yang mempengaruhi CSD:G = kecepatan pertumbuhan kristal (dipengaruhi oleh derajat supersaturasi) = waktu tinggal dalam crystallizer

= V/Q(waktu tinggal bisa diatur dengan mengatur debit input/output crystallizer Q)

4o

32L

1L

o

2L1L)G(n6

dLL)G

L(expn

X

Efek kondisi proses pada CSD

4o

32L

1L

o

2L1L)G(n6

dLL)G

L(expn

X

Kondisi proses Efek

Supersaturasi Supersaturasi terlalu tinggi menyebabkan pembentukan inti lebih dominan dan G menjadi rendah. Akibatnya, fraksi massa untuk L kecil lebih banyak.

Waktu tinggal Makin lama waktu tinggal, fraksi massa untuk L besar lebih banyak.

Grafik CSD

TARGET

Supersaturasiterlalu tinggi;Waktu tinggalterlalu singkat

N

L

Supersaturasi rendah;Waktu tinggal terlalulama