MENARA DISTILASI

Tugas : Memisahkan campuran C2H3COOC4H9 dan C4H9OH dari bahan lain yang keluar dari

dekanter dan diambil C2H3COOC4H9 sebagai produk bawah dengan kemurnian 99,5%

Tipe Alat : Sieve Tray Distillation Tower

Komponen MASUK MENARA DISTILASI KELUAR MENARA DISTILASI

Distilat Bottom

Kg/jam Kgmol/

jam

X Kg/jam Kgmol/

jam

X Kg/jam Kgmol/

jam

X

H2O 23,1753 1,2875 0,008

8

23,1753 1,2875 0,03

C4H9OH 3380,8464 45,6871 0,314

0

3307,541

5

44,6965 0,96 73,3048 0,9906 0,0

1

C2H3COOC4H9 12612,411

9

98,5345 0,677

2

59,4541 0,4645 0,01 12552,957

8

98,0700 0,9

9

Total 16016,433

6

145,5091 1,000

0

3390,171

0

46,4485 1,000

0

12626,262

7

99,0606 1,0

0

Menentukan kondisi operasi di Menara Distilasi

Persamaan Antoine :

Log10 P = A + B/T + C log10 T + DT + ET2

K = P°/P

x = y/K

Konstanta persamaan Antoine

Komponen A B C D EH2O 29,8605 -3,1522E+03 -7,3037E+00 2,4247E-09 1,8090E-06

C4H9OH 109,2803 -6,3060E+03 -3,6947E+01 1,4462E-02 -3,9480E-13C2H3COOC4H9 2,7565 -2,7679E+03 4,7435E+00 -1,7391E-02 9,9204E-06

1. Kondisi Operasi Atas

Kondisi operasi atas menara terjadi pada keadaan Dew Point digunakan kondensor total

sehingga xD = yi. Pada keadaan Dew Point (titik Embun) maka Σxi = Σyi / Ki = 1,00.

Dicoba P operasi, sehingga Σx = 1

P = 1 atm

Trial T = 381,40°K = 108,40 °C

Komponen Fraksi mol (y) P° (atm) K = P°/P X=y/K α = klk/khk

H2O 0,03 1,33 1,33 0,0208 2,8248

C4H9OH 0,96 1,00 1,00 0,9578 2,1312

C2H3COOC4H9 0,01 0,47 0,47 0,0212 1

0,9999

Diperoleh kondisi operasi :

Suhu atas menara = 381,40°K = 108,40 °C

Tekanan atas menara = 1 atm

2. Kondisi Operasi Bawah

Kondisi operasi bawah menara terjadi pada keadaan bubble point (titik didih). Pada

keadaan bubble point (titik didih) maka ΣYi = Σ ki . Xi = 1,00

Asumsi P bottom = 1,15 atm

Trial T = 409,95°K = 136,95 °C

Komponen Fraksi mol (x) P° (atm) K=P°/P Y=k.x α = klk/khk

C4H9OH 0,01 2,5586 2,2249 0,0222 2,2536

C2H3COOC4H9 0,99 1,1354 0,9873 0,9774 1

0,9996

Diperoleh kondisi operasi :

Suhu bawah menara = 409,95°K = 136,95 °C

Tekanan bawah menara = 1,15 atm

3. Kondisi operasi Umpan

P = 1,1 atm

Trial T = 394,45°K = 121,45 °C

Komponen Fraksi Mol (x) P° (atm) K=P°/P Y= K.x α = klk/khk

H2O 0,0088 2,0391 2,0391 0,0180 2,8387

C4H9OH 0,3140 1,5773 1,5773 0,4952 2,1958

C2H3COOC4H9 0,6772 0,7183 0,7183 0,4864 1

1,0000 0,9997

Kondisi operasi Umpan :

Suhu Umpan menara = 394,45°K = 121,45 °C

Tekanan Umpan menara = 1,1 atm

Menentukan jumlah plate

α top = klkkhk

=1,000,47

=2,1312

α bottom= klkkhk

=2,22490,9873

=2,2536

α rata−rata=(α Top×αBottom )0,5=2,1915

( xlkxhk )

F

=( 0,31400,6772 )=0,4637

Dari grafik hubungan ( xlkxhk )

F Vs α rata-rata diperoleh θ = 1,40

Rmin+1=∑ αi . xDi

αi−θ

¿ 2,8248×0,032,8248−1,4

2,1312×0,962,1312−1,4

1×0,011−1,4

=2,8091

Rmin = 2,823-1 = 1,8347

Syarat untuk air pendingin, R/Rmin = 1,2 – 1,5

N/Nmin = 1,8 – 2,0

Diambil R/Rmin = 1,2

R = 1,2 x 1,8347

= 2,2016

R−RminR+1

=2,2016−1,83472,2016+1

=0,1146

Dari kurva Gilliland diperoleh N−Nmin

N+1=0,5

Nmin=

lo g[( xlkxhk )

D( xhkxlk )

B]

logα lk−hk

¿

log [( 0,960,01 )( 0,99

0,01 )]log2,1915

= 11,6770N−Nmin

N+1=0,5

N−11,6770N+1

=0,5

N-11,6770 = 0,5 N + 0,5

N = 24,3540

N/Nmin = 1,8 – 2,0

24,354011,6770

=2,0856(masuk range )

Karena menggunakan kondensor total dan reboiler partial, maka :

Jumlah plate teoritis (Nt) = N+1

= 24,3540+1 = 25,3540 = 25 plate

Menentukan Plate actual dan letak umpan

N = Jumlah plate teoritis pada seksi rectifiying

M = Jumlah plate teoritis pada seksi stripping

(N+1 )(M+1 )

=

log [( xlkxhk )D( xhkxlk )

F]

log [( xlkxhk )F( xhkxlk )

D]

¿

log [( 0,960,01 )( 0,6772

0,3140 )]log [( 0,3140

0,6772 )( 0,990,01 )]

= 1,3943

(N+1 )(M+1 )

=1,3943

(N+1) = 1,3943 (M+1)

N+1 = 1,3943 M + 1,3943

N+1 = 1,3943 (25,3540 – N) + 1,3943

N = 14,9293

M = 10,4247

Perhitungan efisiensi plate

Dari fig 14 Kern didapat harga µ masing-masing komponen pada T = 121,45 ºC

µ H2O = 0,2281 cP

µ C4H9OH = 0,3922 cP

µ C2H3COOC4H9 = 0,2523 cP

µ ave = Σ (Xi. µ1)umpan

= (0,2281 x 0,0088) + (0,3922 x 0,3140) + (0,2523 x 0,6772) = 0,2960 cP

(α ave) (µ ave) = (0,2960 x 2,1968 x 10-3) = 6 x 10-4

Dari fig 6-25 Treybal ed-3, p:199 didapat Efisiensi plate (E0) = 85%, maka diperoleh

plate actual:

Seksi Rectifiying = 14,9293/0,85 = 17,5639 dibulatkan jadi 18

Seksi Stripping = 10,4247/0,85 = 12,2643 dibulatkan jadi 12

Menentukan Diameter Atas Menara

Dipakai kondensor total, maka semua gas yang menuju puncak akan diembunkan

seluruhnya. Embunan sebagian direfluk dan sebagian dipungut sebagai hasil atas.

Kondisi Operasi : P = 1 atm

T = 381,40 ºK = 108,40 ºC

Komponen BM (kg/kgmol) Ρ (kg/m3)

H2O

C4H9OH

C2H3COOC4H9

18

74

128

932,5544

722,3636

797,9979

Neraca Massa

VD = LD + D

R=LD

D

Dimana : VD : massa uap yang keluar dari puncak menara distilasi

LD : massa cairan yang di refluk kembali ke menara distilasi

D : massa cairan hasil atas menara distilasi

LD = R x D

= 2,2016 kmol/jam x 46,4485 kmol/jam = 102,2614 kmol/jam

VD = LD + D

= 102,2614 kmol/jam + 46,4485 kmol/jam = 148,7099 kmol/jam

BMave= (0,03 x 18) + (0,96 x 74) + (0,01 x 128) = 72,9877 Kg/kmol

ρcampuran=ρLD = (0,03 x932,5544) + (0,96x722,3636) + (0,01 x 797,9979)

= 728,9463 Kg/m3

ρVD=BMcampuranxPt

0,08206 xT

= 1atm×72,9877

KgKmol

0,08206 x381,40 K

= 2,3321 Kg/m3

Kecepatan volumetrik uap

QV=V D

ρV

¿148,77099

Kmoljam

x 72,9877 Kg /Kmol

2,3321Kg /m3

= 4654,2533 m3 / jam = 1,2928 m3 / dtk

Liquid Vapour factor

Faktor aliran cairan-uap = FLV

F lv=LD

V D [ ρ vD

ρlD ]0,5

¿102,2614 Kmol / jam148,7099 Kmol / jam [ 2,3321Kg /m3

728,9463 Kg /m3 ]0,5

= 0,0389

Dari fig 11-27 Coulson and Richardson untuk tray spacing 0,6 m diperoleh Kv = 0,062

Maximum superfacial velocity terjadi pada keadaan floading, maka :

Umax=Kv [ ρLD−ρ vD

ρ vD ]0,5

¿0,062[ 728,9463Kg

m3 −2,3321Kg

m3

2,3321Kgm3 ]

0,5

=1,0944m

detik

Untuk kecepatan operasi berkisar antara 70 % - 75 % dari kecepatan uap maksimum.

Supaya tidak terjadi floading maka :

diambil Superfacial velocity (U) = 70% x Umax

U = 0,7661 m/detik

Luas Area

Net area (An )=QvU

¿ 1,2928m3/dtk0,7661m /dtk

=1,6876m2

Luas downcomer = 20% luas total

Total area ( At )= An1−Ad

¿ 1,6876m2

1−0,2

= 2,1095 m2

Luas total = ¼ π D2

D=( 4 xLuasTotalπ )

12

¿( 4×2,1095π )

12

= 1,6393 m

Menentukan Diameter Bawah Menara

Dipakai reboiler parsial, maka semua cairan yang berasal dasar menara sebagian

diuapkan dan dikembalikan ke menara sedangkan cairannya diambil sebagai hasil bawah.

Kondisi Operasi : P = 1,15 atm

T = 409,95ºK = 136,95 ºC

Komponen BM (kg/kgmol) ρ (kg/m3)

C4H9OH

C2H3COOC4H9

74

128

693,8946

764,9599

Dengan Pers. 8.25, Mc. Cabe,

VD = VB + (1 – q) F

Umpan masuk menara dalam keadaan cair jenuh, dimana q = 1, maka :

VD = VB + (1 – 1) F →VB = VD = 148,7099 Kmol/jam

Neraca Massa

LB = VB + B

Dimana : VB : massa uap yang kembali ke menara distilasi

LB : massa cairan yang keluar dari dasar menara distilasi

B : massa cairan hasil bawah menara distilasi

LB = VB + B = 148,7099 Kmol/jam + 99,0606 Kmol/jam

= 247,7705 Kmol/jam

BMave= (0,01 x 74) + (0,99 x 128)

= 127,4600 Kg/Kmol

ρ campuran = ρLD = (0,01 x 693,8946) + (0,99 x 764,9599)

= 764,2493 Kg/m3

ρVB=BM campuran x Pt

0,08206 xT

= 4,3572 Kg/m3

Kecepatan volumetrik uap=QVB=V B

ρVB

¿148,7099

kmolj

x127,4600kg

kmol

4,3572kg

m3

= 4350,1387 m3/jam = 1,2084 m3/detik

Liquid Vapour factor

F lv=LB

V B [ ρvB

ρlB ]0,5

¿247,7705

kmolj

148,7099kmol

j[ 4,3572

kg

m3

764,2493kgm3 ]

0,5

=0,1258

Dari fig 11-27 Coulson and Richardson untuk tray spacing 0,35 m diperoleh Kv = 0,065

Maximum superfacial velocity terjadi pada keadaan floading, maka :

Umax=Kv [ ρLD−ρ vD

ρ vD ]0,5

¿0,065 [ 764,2493Kg

m3 −4,3572Kg

m3

4,3572Kgm3 ]

0,5

=0,8584m

detik

Untuk kecepatan operasi berkisar antara 70 % - 75 % dari kecepatan uap maksimum.

Supaya tidak terjadi floading maka :

diambil Superfacial velocity (U) = 70% x Umax

U = 0,7 x 0,8584 = 0,6009 m/detik

Luas Area

Net area (An )=QvU

¿ 1,2084m3/dtk0,6009m /dtk

=2,0110m2

Luas downcomer = 20% luas total

Total area ( At )= An1−Ad

¿ 2,0010m2

1−0,2

= 2,5138 m2

Luas total = ¼ π D2

D=( 4 xLuasTotalπ )

12

¿( 4×2,5138π )

12

= 1,7895 m

Diameter atas menara = 1,6393 m

Diameter bawah menara = 1,7895 m

Jadi diambil diameter menara = 1,7895 m = 70,4524 in

Menentukan Tinggi Menara

Untuk menentukan tinggi menara distilasi digunakan rumus sbb. :

H = (Nact – 1) ts + tinggi ruang kosong

Dimana : H = tinggi menara, m

Nact = jumlah plate actual = 30 plate

S = tray spacing = 0,6 m = 1,9685 ft

H1 = Tinggi antar plate

Tinggi Ruang kosong bagian atas = 1 m

Tinggi Ruang kosong bagian bawah = 2 m

Tinggi Penyangga = 1,5 m

Maka,

H1 = (Nact – 1) ts

H1 = (30 – 1) x 0,6

= 17,4 m

H = H1 + (tinggi ruang kosong atas + bawah)

= 20,4 m

Tinggi menara distilasi = 20,4 m

Menentukan Tebal Dinding Menara

Bahan konstruksi yang digunakan adalah carbon steel SA-333 Grade C, maka tegangan

maximal yang diijinkan (fall) = 11700 psia (Brownell and Young, hal 335)

Efisiensi sambungan yang dipakai adalah jenis double welded butt joint, E = 80%

(Brownell and young, tabel 13.2, hal 254).

Faktor korosi (C) = 0,125 in

Faktor keamanan = 20%

Tekanan perancangan = tekanan operasi x 1,20

= 1,2 atm x 1,2 x 14,7 psia/atm = 21,168 psia

Menurut Brownel and Young hal 254 untuk menentukan tebal dinding digunakan

persamaan berikut :

t s=p× D

2× ( f ×e )−(0,6× p)+c

¿21,168 psia×70,4524∈ ¿2× (11700 psia×0,85 )−(0,6×21,168 psia)

+0,125∈¿¿

= 0,2048 in

Sehingga berdasarkan tabel 5.8 hal 93 Brownel and Young digunakan tebal dinding

standar ¼ in = 0,25 in.

Menentukan Tebal Head

Bahan konstruksi yang digunakan adalah carbon steel SA-333 Grade C, maka tegangan

maximal yang diijinkan (fall) = 11700 psia (Brownell and Young, hal 335).

Efisiensi sambungan yang dipakai adalah jenis double welded butt joint, E = 80%

(Brownell and Young, tabel 13.2, hal 254)

Faktor korosi (C) = 0,125 in

Faktor keamanan = 20%

Tekanan perancangan = tekanan operasi x 1,20

= 1,2 atm x 1,2 x 14,7 psia/atm = 21,168 psia

Menurut Brownel and Young hal 256 untuk menentukan tebal dinding digunakan

persamaan berikut :

t h=p×d

2 f ×e−0,2× p+c

¿21,168 psia×70,4524∈ ¿(2.11700 psi×0,85 )−(0,2×21,168 psia)

+0,125∈¿0,2047∈¿¿

Sehingga berdasarkan table 5-8 hal 93 Brownel and Young digunakan tebal head standar

¼ in = 0,25 in.

Menentukan Tinggi Head

IDs = 70,4524in

¿70,4524∈¿2=35,2261∈¿¿

OD = Ids + 2th

= 70,4524in + (2 x 0,2043) = 70,8617 in

Dari table 5-7 Brownel and Young untuk OD standart = 72 in dan tebal ¼ in diperoleh

data sebagai berikut :

r = 72 in

icr = 4,375 in

AB = a – icr

= 35,2261 – 4,375 = 30,8511 in

BC = r – icr

= 72 – 4,375 = 67,625 in

b = r – (BC2 – AB2)1/2

= 72 – (67,6252 – 30,85112)1/2

= 11,8224 in

Dari tabel 5-6 Brownel and Young untuk tebal head ¼ in diperoleh sf = 2,5 in

Tinggi Head = b + th + sf

= 11,8224 + 0,25 + 2,5

= 14,5724 in

= 0,3671 m

PERANCANGAN SIEVE TRAY

Data-data yang diketahui :

Diameter kolom (Dc) = 1,7895 m = 70,4523 in

Luas penampang kolom (Ac) = 2,5138 m2

Luas downcomer (Ad) = (10% x Ac) = 0,1 x 2,5138 m2 = 0,2514 m2

Luas Net Area (An) = 2,2624 m2

Luas active area (Aa) = (Ac – 2Ad) = 2,5138 m2 – (2 x 0,2514 m2) = 2,0110m2

Luas hole area (Ah) = (10% x Aa) = 0,1 x 2,0110 m2 = 0,2011 m2

Panjang weir (Lw) diperoleh dari fig 11-31 hal 464 Coulson and Richardson :

Lw/Dc = 0,73

Lw = 0,73 x Dc = 0,73 x 1,7895 m = 1,3 m

Diambil : Tinggi weir = 40 mm

Diameter lubang = 5 mm

Tebal plate = 5 mm

Check weeping

Maximum liquid rate (Lwb max) = 247,7705 Kmol/jam = 8,7725 kg/detik

Minimum Liquid rate pada 80% turn down = 0,8 x 8,7725 Kg/detik

= 7,0180 Kg/detik

Maximum How

H owmax=750 [ LwmaxρL . Lw ]

23 (Coulson and Richardson hal 513)

¿750[ 8,77251,3x 764,2493 ]

23=31,9362mm

Minimum How

H ow=750 [ LwminρL . Lw ]

23

¿750[ 7,01801,3×764,2493 ]

23=27,5218mm

Dari fig 11.30 Coulson and Richardson hal 512 diperoleh K2 = 30,5

Maka dari persamaan 11.84 Coulson and Richarson hal 513

Uh=[K2−0,9× ( 25,4−dh ) ]

( ρg )0,5

Uh=[30,5−0,9× (25,4−5 ) ]

( 4,3572 )0,5=5,8159

mdetik

Minimum vapor rate = 0,8 x Qv

= 0,8 x 1,1968 m3/s = 0,9667 m3/s

Actualminimum vapor velocity=minvapor rateAh

¿ 0,95740,1992

=4,8070m

detik

Maka Actual minimum vapor velocity > uh

Maximum vapor velocity (uh max)

¿ QvAh

¿ 1,20840,2011

=6,009m /detik

Dry pressure drop (hd)

AhAn

×100= 0,20112,2624

×100=9

Tebal plateDiameter Lubang

=5mm5mm

=1

Dari fig 11-34 Coulson and Richardson hal 517 diperoleh Orifice Coeficient

(Co) = 0,84

hd=51(UhCo )

2 ρV

ρL

Persamaan 11.88 p.518 Coulson and Richardson

¿51( 5,81590,84 )

2 4,3572764,2493

=13,9384 mm

Residual Head (hr)

hr=12,5×10ρL

3

Persamaan 11.89 Coulson and Richardson

¿ 12,5×103

764,2493=16,3559mm

Total Plate Drop (ht)

ht = hd + (hw + how) + hr Pers 11.90 Coulson and Richardson

= 13,9384 + 67,5218 + 16,3559 = 97,8162 mm

Plate Pressure Drop

ΔP = 0,00981 ht x ρL Persamaan 11.87 Coulson and Richardson

= 0,00981 x 97,8162 x 764,2493

¿733,3557 Pa×1atm

1,013×105 pa

= 0,0072 atm

Menentukan Jumlah Lubang

Luas satu lubang = π /4.dh2

= π /4.(0,0050)2

= 2x10-5 m2

Luas area lubang = 0,2011 m2

N hole= 0,20110,00002

=10247,289 lubang

Menghitung Ukuran Pipa

1. Pipa pemasukan umpan Menara Distilasi

Kecepatanumpan (G )=16016,4336 Kgjam

×1 lb

0,4536 Kg

= 35309,5979 lb/jam

Densitas umpan = 96,1695 lb/ft3

Di=2,2( G1000 )

0,45

ρL−0,32=2,2( 35309,5979

1000 )0,45

96,1695−0,32=2,5375 ft=30,4497∈¿0,7734m

Dipakai pipa ukuran 30 in

2. Pipa pengeluaran uap puncak Menara Distilasi

Kecepatanumpan (G )=10853,9994 Kgjam

×1lb

0,4536 Kg

= 23928,5700 lb/jam

Densitas umpan = 37,3524 lb/ft3

Di=2,2( G1000 )

0,45

ρL−0,32=2,2( 23928,5700

1000 )0,45

37,3524−0,32=2,8827 ft=34,5919∈¿0,8786m

Dipakai pipa ukuran 34 in

3. Pipa pengeluaran cairan dasar Menara Distilasi

Kecepatancairan L=31580,8321Kgjam

×1lb

0,4536 Kg

= 69622,6458 lb/jam

Densitas umpan = 47,7097 lb/ft3

Di=2,2( G1000 )

0,45

ρL−0,32=2,2( 69622,6458

1000 )0,45

47,7097−0,32=4,3103 ft=51,7234∈¿1,3138m

Dipakai pipa ukuran 52 in

KESIMPULAN

A. Kondisi Operasi :

1. Kondisi Operasi Puncak Menara :

Suhu = 381,40 ºK = 108,40 ºC

Tekanan = 1 atm

2. Kondisi Operasi Dasar Menara :

Suhu = 409,95 ºK = 136,95 ºC

Tekanan = 1,15 atm

3. Kondisi Operasi Umpan Menara :

Suhu = 394,45 ºK = 121,45 ºC

Tekanan = 1,1 atm

B. Jumlah Plate :

1. Jumlah Plate Seksi Rectifiying = 18 plate

2. Jumlah Plate Seksi Stripping = 12 plate

C. Dimensi Menara Distilasi :

1. Tinggi Menara = 20,4 m

2. Diameter Menara = 1,7895 m

D. Tebal menara

1. Tebal Shell = 0,25 m

2. Tebal head = 0,25 m

E. Perancangan Plate

1. Panjang Weir = 1,3 m

2. Tinggi Weir = 0,04 m

3. Diameter lubang = 0,005 m

4. Jumlah lubang = 10247,289 lubang

5. Tebal plate = 0,005 m

F. Ukuran pipa :

1. Pipa Pemasukan Umpan = 0,762 m

2. Pipa Pengeluaran Uap Puncak MD = 0,8636 m

3. Pipa Pengeluaran Cairan Dasar MD = 1,32 m