KOLOM DISTILASI

Bubble cap

03 Kolom Distilasi

03 01 Pendahuluan

03 02 Distilasi Multikomponen

03 03 Kolom Tipe Tray

03 03 01 Sieve Tray/Plate

03 03 02 Bubble Cap03 04 Kolom Isian

Setelah data beban kolom distilasi diketahui, maka tahapan selanjutnya adalah mendesain tray kolom distilasi yang ada di dalam kolom tersebut. Ada 2 macam tipe tray, yaitu sieve plate dan bubble cap.

03 02 02 Bubble cap

Remember these• Tray spacing

• Downcomer

• Baffle

• Clearance

• Weir

• Liquid hold up

• Gas hold up

• Weeping

• Entrainment

• Flooding

Tray tipe bubble cap adalah tray yang berupa plateatau tray yang dipasangi cap.

Pada tray terjadi proses kontak antara liquid yang bergerak secara horisontal dengan gas yang bergerak vertikal melalui lubang pada cap yang disebut slot.

Sama seperti desain kolom tipe sieve tray, maka desain tray tipe bubble cap setelah beban kolom distilasi diketahui adalah mendisain diameter kolom, ukuran dan fisik cap dan jarak antar dua tray di dalam kolom tersebut.

Hasil desain selanjutnya dievaluasi dengan tray dinamic.

Tray tipe bubble cap sama dengan tipe sieve tray, yaitu sebagian terpotong dan diberi baffle yang dipasang di sebelah kiri plate dan di sebelah kanan pada tray berikutnya sehingga membentuk suatu ruang yang dinamakan downcomer.

Pada desain bubble cap terlebih dahulu didesain diameter, tray spacing, dan tipe aliran dimana hasil desain tersebut akan dievaluasi apakah sudah memadai apabila kolom distilasi tersebut dioperasikan.

Sama seperti sieve tray, tray terbagi menjadi beberapa daerah atau luasan sebagai berikut

a) Downcomer, daerah dengan luasan tertentu di kiri atau kanan tray, untuk menahan liquid dari tray sebelumnya dan meneruskan liquid masuk tray berikutnya

b) Active area, yaitu daerah dengan luasan tertentu di bagian tray tempat terjadi kontak liquid yang bergerak horisontal dan uap yang masuk melalui lubang dan bergerak vertikal

c) Calming zone, yaitu daerah dengan luasan tertentu di bagian kiri dan kanan tray yang berfungsi sebagai penenang gerakan liquid yang masuk ke dalam tray agar kontak dengan uap dapat berjalan baik dan sempurna

d) End wastage, bagian tray yang merupakan daerah dengan luasan tertentu yang tidak dapat difungsikan lagi sebagai tempat kontak antara liquid dan uap sebagai akibat dari adanya support tray

Bagian – bagian Cap

1. Skirt (hsk) yaitu tinggi penyangga di bawah cap

2. Shroud ring

3. Slot

4. Static seal

Bentuk slot dan spesifikasinya

Desain Dimensi Kolom

Meliputi :

1. Memperkirakan diameter kolom

2. Tray spacing

3. Lay-out dan jumlah cap

4. Pengecekan tray dinamic

1. Memperkirakan diameter kolom

Dari beban kolom distilasi yang telah dihitung sebelumnya, yaitu beban uap (Vm) dan beban liquid (L) dapat diperkirakan diameter kolom.

Luas active area (Aa) sebesar 60 – 70 % dari luas tray (At)

1.a. Menghitung luas slot (As)

Untuk memperkirakan luas slot terlebih dahulu dipilih ukuran bubble cap dengan data fisik untuk mendapatkan tinggi slot (Hs) Luas slot dipengaruhi bentuk slot yang mempunyai koefisien slot (Cs)

1.b. Memperkirakan luas active area (Aa)

Besar active area tergantung ukuran cap dan luas slot dan jarak antara dua cap (

1.c. Menghitung luas tray

Luas active area diperkirakan sebesar 60 –70 % dari luas tray, sehingga Aa = (0,6 –0,7) At, dengan luas tray dapat dihitung dengan persamaan berikut :

1.d. Pengecekan hasil taksiran diameter kolom

Pengecekan terhadap hasil perkiraan diameter meliputi dua tahap : didasarkan pada ukuran cap dan didasarkan pada luasan

Tahap ke 1

Pengecekan diameter tray (dt) sebagai hasil perhitungan didasarkan pada diameter cap.

Jika terjadi perbedaan hasil desain antara penetapan diameter cap dengan diameter kolom, baik yang ditetapkan oleh Ludwig maupun Van Winkle, maka diameter kolom (dt) didesain kembali dengan mengubah harga cap spacing (

Tahap 2

Pengecekan harga diameter tray dari hasil perhitungan, berdasarkan pada luasan, terlebih dahulu ditetapkan macam aliran pada tray menggunakan gambar atau tabel seperti bab sebelumnya.

Sedangkan untuk menetapkan luas setiap bagian daerah dalam tray seperti pada tabel 3.1 (bab sebelumnya).

Alokasi luas untuk active area = .... % At

Diameter kolom menjadi

Jika harga dt dari hasil perhitungan tahap 1 dan tahap 2 tidak ada perbedaan nyata, maka desain dimensi kolom yang lainnya dapat diteruskan.

2. Memperkirakan Tray Spacing

Seperti halnya dengan tray spacing pada kolom tipe sieve tray, tray spacing pada kolom tipe bubble cap, yaitu tray spacing besarnya 12 – 48 in dapat diperkirakan dengan tabel

3. Lay out Tray

Ada dua bagian untuk melihat Lay Out Tray salah satu bagian tray dalam suatu kolom distilasi, yaitu bagian vertikal dan bagian horizontal.

Bagian vertikal meliputi : tinggi cap, tinggi weir dan lain-lainnya, sedangkan bagian horizontal meliputi : down flow, inlet flow, bagian cap dan lain-lainnya.

3. a. Bagian vertikal

Weir merupakan penghalang atau baffle yang dipasang pada bagian down comer, yang tingginya merupakan jumlah tinggi cap dan tinggi static seal, lay out selengkapnya menunjukkan bagian inlet dan outlet pada suatu tray

3.b. Bagian horizontal3.b.1. Pembagian berdasarkan daerah

Pembagian daerah horizontal pada tray adalah daerah untuk inlet (downcomer), distribusi liquid penenang (calming zone), daerah untuk bubble cap, daerah outlet (downflow), dan daerah tidak bisa digunakan (end wastage).

3.b.2. Pembagian berdasarkan jumlah baris dan jumlah cap

• Panjang untuk baris cap

Panjang untuk baris cap seperti pada gambar dan didasarkan pada lebar bagian cap adalah :

Diameter tray – 2xlebar downcomer –2xlebar calming zone – 2x ½ diameter cap

Lebar downcomer mengikuti harga L/dt seperti pada gambar, sedangkan lebar calming zone biasanya sebesar 3 in

• Jarak antara 2 baris (raw)

Jarak antara dua baris sangat ditentukan oleh susunan cap dan jarak dua cap. Ada dua macam susunan cap, yaitu susunan segitiga dan susunan segiempat

• Susunan segitiga

Susunan lubang berbentuk segitiga, mempunyai sudut 60o (segitiga sama sisi). Panjang setiap sisi adalah jarak antara dua pusat segitiga atau Pt. Jarak antara dua baris untuk susunan segitiga adalah

Pt sin (60o )

• Segi empat

Susunan lubang berbentuk segiempat, mempunyai panjang setiap sisi adalah jarak antara dua pusat segiempat atau sama dengan Pt.

Jarak antara dua baris untuk susunan segiempat adalah Pt

Jumlah cap

Dengan diketauinya jumlah baris yang dapat dipasang cap, maka jumlah cap dapat diperkirakan dengan memperhatikan bentuk susunan cap dimana jarak dua pusat cap sepanjang Pt. Perkirakan jumlah cap setiap baris tersebut menggunakan kertas milimeter dengan memperhatikan daerah end wastage.

Dalam gambar terlihat bahwa jumlah cap pada setiap baris cap tidak sama jumlahnya, karena ada suatu baris yang terpotong oleh daerah end wastage. Jumlah cap pada tray merupakan penjumlahan dari cap yang ada pada seluruh baris yang bisa dipasangi cap.

Sebagai contoh, dalam satu tray ada 4 baris cap yang bisa dipasangi cap, maka total jumlah cap adalah jumlah cap dari 4 baris cap tersebut dengan perincian sebagai berikut :

Baris ke 1 : 3 cap

Baris ke 2 : 5 cap

Baris ke 3 : 5 cap

Baris ke 4 : 3 cap

Total = 16 cap

4. Pengecekan hasil dimensi tray tipe bubble cap

Tray dynamic

a) Mean slot opening

b) Tinggi liquid di atas weir

c) Pressure drop

d) Liquid gradient

e) Perbandingan distribusi uap

f) Slot submergence dynamic rata-rata

g) Pressure drop tray

h) Tinggi liquid di dalam downcomer

i) Residence time dalam downflow

j) Liquid throw over weir

k) Entrainment

l) Flooding

Suatu campuran fluida yang terdiri dari 30% uap dan 70% liquid, dan mengandung 40% CS2 dan 60% CCl4 . Sg pada suhu 76,7 oC masing-masing komponen adalah CS2 = 1,263; CCl4 = 1,595; dan H2O = 0,972. Pada perhitungan beban kolom distilasi seperti pada tabel. Desain dimensi kolom tipe tray bubble cap!

33388,85 lb/jam

4.a. Mean Slot Opening

Untuk menghitung mean slot opening terlebih dahulu perlu dihitung uap maksimum yang dapat melalui slot, dengan persamaan berikut, dengan harga koefisien slot (Cs) untuk berbagai slot dapat dicari pada tabel 4.2. (slide sebelumnya)

Dengan didapatkan % slot opening, maka tinggi slot opening = % slot opening x tinggi slot

4.b. Tinggi liquid di atas weir

Tinggi liquid di atas weir (how)

Fw dari gambar

how dapat juga langsung dari grafik

4.c. Pressure drop pada uap (hpc)

Harga Kc dari grafik

Sebelumnya dicari harga perbandingan luas anulus (Aa) terhadap luas riser (Ar) yang mempunyai harga 1,1 – 1,4

4.d. Liquid Gradient

Banyaknya baris cap sangat mempengaruhi besarnya liquid gradient dimana setiap baris akan mempunyai panjang weir.

Liquid gradient dapat dinyatakan sebagai

Jumlah baris cap pada outlet raw dibuat sebanyak separuh dari jumlah cap (dalam bilangan bulat), sedangkan pada inlet raw sisa dari jumlah baris cap yang ada

Tahapan mencari liquid gradient :

1. Mencari liquid gradient setiap baris

2. Mencari jumlah row

3. Mencari harga

1. Mencari liquid gradient setiap baris

Yang dihitung Diasumsi dulu, nanti dicek

Hitung dulu Q/Iw dan Cd

Tentukan Cd dari grafik

Dengan diketahui harga Q/lw dan Uv, dengan menggunakan grafik di atas akan didapatkan Cd, sehingga r’ dapat dicari di atas dengan mengasumsikan terlebih dahulu harga hl.

2. Mencari jumlah row

3. Mencari harga

• Pengecekan asumsi hl

Jika hl sama atau mendekati maka asumsi sesuai, jika tidak ulangi asumsi hl

Dengan cara yang sama untuk baris inlet diambil sebanyak 3 baris dan panjang lw masing-masing baris cap, sehingga didapatkan asumsi hl hampir sama dengan hl hasil perhitungan

4.e. Perbandingan distribusi uap

Cap dalam suatu tray akan terendam pada ketinggian yang paling besar sampai ketinggian yang paling kecil.

Perbedaan antara tinggi rata-rata terendam di bawah permukaan (hds) yang terbesar dengan yang terkecil sama dengan ( ), sedangkan perbandingan antara ( ) dengan pressure drop (hc) dinamakan perbandingan distribusi uap (Rv)

Untuk mendapatkan harga perbandingan distribusi uap (Rv) terlebih dahulu dibuat tabel ketinggian liquid pada bagian terluar sampai bagian dalam.

Perbandingan distribusi uap (Rv) dianggap memenuhi apabila harga Rv = / hc < 0.5

4.f. Slot submergence dynamic rata-rata

Slot cap pada bagian terluar (outlet) mempunyai rata-rata ketinggian terendam, demikian juga slot cap pada baris dalam (inlet) mempunyai harga rata-rata. Dari harga rata-rata tersebut slot submergence dynamic rata-rata dapat dihitung dari persamaan berikut:

4.g. Pressure drop tray ( )

Pressure drop pada tray adalah selisih ketinggian liquid bening (hb) dengan ketinggian liquid di atas tray (hl) dan liquid head (hd) atau penjumlahan pressure drop uap (hc) dengan rata-rata ketinggian terendam dari slot (hds)

4.h. Tinggi liquid di dalam downcomer

Tinggi liquid bening di dalam downcomer hb adalah penjumlahan tinggi liquid di atas tray ht, pressure drop tray dan kehilangan liquid head hd

4.i. Residence time dalam down flow

Residence time dalam downflow adalah waktu tinggal rata-rata liquid di dalam down flow. Volume down flow yang terisi liquid merupakan hasil kali luas downflow (Adc) dan tinggi liquid bening (hb)

Sehingga residence time dalam downflow merupakan hasil bagi volume liquida di dalam flow dibagi dengan laju alir liquida

Residence time > 5 dtk

4.k. Liquid throw over weir

Liquid throw over weir atau luapan di atas weir, adalah hasil bagi antara jarak lemparan liquid di atas weir dengan lebar down comer yang dapat dihitung menggunakan persamaan

Sedangkan jarak lemparan liquid (tw) merupakan hasil kali akar tinggi liquid di atas weir (how) dan tinggi hf

hf merupakan selisih jarak antara 2 tray (T) ditambah tinggi weir (hw) dikurangi tinggi liquid bening di dalam downflow (hb)

4.l. Flooding

Flooding adalah menggenangnya liquid secara berlebihan sebagai akibat dari tekanan gas yang tidak mencukupi sehingga dapat mengganggu kemurnian distilat yang dihasilkan sehingga untuk mencegah hal tersebut perlu dijaga agar beban uap minimal (Vm) sebenarnya lebih besar dari beban uap minimal flooding (Vm flooding)

Untuk mengevaluasi hasil desain, apakah terjadi flooding terlebih dahuu harga beban uap minimal dihitung dimana besarnya tergantung dari jenis fluidanya

Fluida tidak berbusa, Vm = 85% kecepatan flooding

Fluida berbusa, Vm = 50 - 60% kecepatan flooding

Laju alir liquid (L), laju alir gas (V), ρv dan ρL

Dengan diketahui tray spacing, maka

Uvn dapat dihitung

Untuk mengetahui harga Uv atau kecepatan flooding yang sebenarnya, perlu diperhatikan jarak antara 2 cap ( ) dan harga As/Aa akan mempengaruhi angka perkaliannya

Untuk mengetahui terjadi flooding atau tidak, harga Vm = V/At dibandingkan dengan harga Vm yang besarnya sebagai perkalian faktor jenis fluida (berbusa atau tidak) dengan Uvm (kecepatan flooding)

4.m. Entrainment

Entrainment adalah terikutnya liquid ke atas bersama gas yang dapat mengganggu kemurnian destilah yang dihasilkan, sehingga untuk mencegah hal tersebut perlu dijaga agar fractional entrainment (Ψ) harus kurang dari 0,1

Harga fractional entrainment ( ) dapat diketahui dengan grafik