PACKED BED ABSORBER

Dr.-Ing. Suherman, ST, MTTeknik Kimia Universitas Diponegoro

Edisi : Juni 2009

1

Packed Bed AbsorberPacked Bed Absorber

1 P d h l1. Pendahuluan– Bagian packed bed absorber– Problem Umum

2. Menghitung Tinggi2. Menghitung Tinggi – Penurunan Persamaan Desain

Definisi N dan H– Definisi NOG dan HOG

3. Menghitung Diameter– Pressure Drop di Packed Bed– Korelasi Umum

2

1 PENDAHULUAN1. PENDAHULUAN

3

Packed Bed AbsorberPacked Bed Absorber

P k d t b t b• Packed tower: berupa tube atau pipa yang diisi dengan beberapa packingbeberapa packing.

• Cairan masuk dari bagian atas, sedangkan gas masuk darisedangkan gas masuk dari bagian bawah.

• Hitung:• Hitung:– Laju alir air

Diamater tower– Diamater tower– Tinggi packing

4

PackingPackingAda 3 jenisAda 3 jenis1. Raschig ring: potongan

pipaL ≈ D ≈ 0,5-1 inL D 0,5 1 in

2. Berl saddle3. Pall ring

Packing memberikan kontak yg bagus antar kedua fasa

Sehingga luas permukaan menjadi maksimum

5

DistributorDistributor

T j hi d i t j di h li• Tujuan: menghindari terjadinya channeling

• Redistributor ditempatkan setiap 10-15 ft

6

Problem UmumProblem UmumAi dAir dengan 0,02% acetonePacked bed tower berisikan 1 in raschig ring.

Laju alir umpan 1,1 kali nilai minimum.

80°F

Tekanan parsial acetone di larutan:

( )2AAA0AA x195,1lnanadimxPp −=γγ=

1 atmatm33,0P0

A = , tekanan uap acetone pada 80°F

Diambil 95% 500 SCM

udara mengandung

Hitung:1. Laju alir air2. Diamater tower

acetone14% mool acetone3. Tinggi packing

7

Overview JawabanOverview Jawaban

1. Pemilihan laju alir larutan : L = 1,1 -1,5 kali Lmin

2. Diameter tower: berdasarkan pada basis pressure drop.

packingftOHin5,025,0

Zp 2

T

−=∆

3. Ketinggian tower ditentukan oleh laju transfer massa.

NHZKonsep transfer unitOGOGT NxHZ =

HETPxNZT =

Konsep transfer unit

Konsep HETP

8

(A) Laju alir minimum 1(A) Laju alir minimum -1

2SCFM = standard cubic feet per minuteGas ideal: PV = nRT

( )( ) lbmol

ft359gmolliter4,22

atm1K273R

PRT

nV 3

====

3

minlbmol39,1

lbmolft359minft500V 3

3

==

1

VL

Berapa laju alir minimum cairan yang dibutuhkan?Untuk menghitungnya perlu memplot garis operasi dan kurva kesetimbangan

9

(A) Laju alir minimum 2(A) Laju alir minimum -2Kurva Kesetimbangan

0 1

0.12

0.14

0.16

0.18

( )2AAA0AA x195,1lnanadimxPp −=γγ=

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

y

x aktA pA y = pA/P

atm33,0P0A = , tekanan uap acetone pada 80°F

00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12

x

p y p0 7.0287 0.0000 0.0000

0.01 6.7612 0.0223 0.02230.02 6.5064 0.0429 0.04290.03 6.2636 0.0620 0.06200 04 6 0322 0 0796 0 07960.04 6.0322 0.0796 0.07960.05 5.8117 0.0959 0.09590.06 5.6014 0.1109 0.11090.07 5.4008 0.1248 0.12480.08 5.2095 0.1375 0.13750.09 5.0269 0.1493 0.14930.1 4.8525 0.1601 0.1601

10

(A) Laju alir minimum 3(A) Laju alir minimum -3Garis Operasi

2YXVLY +=

x1xX−

=y1

yY−

= 0.12

0.14

0.16

0.18

V x1 y1

x2 = 0.0002 X2 = 0.0002y1 = 0.14 Y1 = 0.1628 0.04

0.06

0.08

0.10

Y

Y2 = 0.05 Y1 = 0.008140.00

0.02

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

XKurva kesetimbangan (EC) berada di bawah garis operasi (OL) Selanjutnya minimum

00814016280YYL 21 −−⎞⎜⎛

garis operasi (OL). Selanjutnya, minimum slope tercapai ketika OL menyinggung EC. Akhirnya, X2 bisa dibaca pada OL.

91.10002.0081.000814.01628.0

XXYY

VL

21

21

min

=−

=−

=⎠⎞

⎜⎝⎛ 0081.0X91.1Y +=

L = 1 91 V = 1 91 x 1 39 lbmol/min = 2 66 lbmol/min

11

Lmin = 1.91 V = 1.91 x 1.39 lbmol/min = 2.66 lbmol/minAtau 2.66 lbmol/min x 18 lb/lbmol x 8.33 lb/gal = 5.75 gal/min

(B) N 1(B) NOG -1d Ai∫ −

= 2

1

y

y *OG yydyN Air

x2 = 0.0002y2 = 0.00807

(95% terambil dari cairan)Dalam soal ini misalkan x = 0 07

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛− 2121

1y

1yV

1x

1xL 80°F

Dalam soal ini misalkan x1 = 0.07Maka L dihitung

(1)⎠

⎜⎝ −−⎠

⎜⎝ −− 2121 y1y1x1x1 1 atm

Maka akan didapat L/V = 2.06

(1)

x1 = 0.07Aceton di udara

y1 = 0.14

( )[ ]xx195.1exp33.0*y 2−= (2)

V = 1.39 lbmol/min

12

(B) N 2(B) NOG -2/(1 ) * 1/( *) I t i 0 1y x/(1-x) x y* 1/(y-y*) Integrasi

0.00807 0.0002 0.0002 0.0005 131.467 2.08850.022 0.0072 0.0071 0.0161 168.393 2.61330.036 0.0144 0.0142 0.0311 204.932 3.01530.05 0.0218 0.0213 0.0456 225.819 2.8986

0 063 0 0289 0 0281 0 0585 220 119 2 6900

0.10

0.15

Y

y*

y

0.063 0.0289 0.0281 0.0585 220.119 2.69000.076 0.0362 0.0349 0.0708 193.725 2.29490.089 0.0437 0.0418 0.0827 159.343 1.86110.102 0.0514 0.0489 0.0941 126.987 1.47870.115 0.0593 0.0560 0.1051 100.508 1.17370.128 0.0675 0.0632 0.1155 80.063 0.8741 0 00

0.05

Y

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )1221

0110x

xxx

2xfxfxx

2xfxfdxxf2

0

−+

+−+

=∫

0.128 0.0675 0.0632 0.1155 80.063 0.87410.14 0.0753 0.0700 0.1248 65.615 20.988

0.000.00 0.02 0.04 0.06 0.08

X

250

150

200

y-y*

)

∫ −= 2

1

y

y *OG yydyN = 21.0

0

50

1001/(y

13

0.00 0.05 0.10 0.15

y

(C) H 1(C) HOG -1GSV

aKG

aKSVH

ggOG ==

BilaBila Kga = 0.04 lbmol/s m3

DT = 1 m

Maka S = π r2 = 0.7854 m2

G = V/S = 1.39 lbmol/min/60/0.7854G = 0.0295 lbmol/s m2

HOG = 0.7374 m

ZT = HOG x NOG = 0.7374 x 21 = 15.5 m

14

22Menghitung Tinggig g gg

15

Ketentuan PenurunanKetentuan PenurunanL2x2

V2y2

Ketentuan:1. Transfer mass dari fase L ke V diberi tanda positif2 Integrasi persamaan dihitung dari bagian bawah

L+dL

V+d

V

2. Integrasi persamaan dihitung dari bagian bawah (posisi 1) ke atas (posisi 2)

3. Aliran ke atas adalah fase V sedang ke bawah adalah fase L

dz

ada a ase

Notasi:V, L = laju alir molar (lbmol/hr) (atau mol/s)

LV

j ( ) ( )y, x = fraksi mol fase V, LZ = tingi tower, ft (atau m)

L1x1

V1y1

Catatan:Komposisi bisa berupa: - Tekanan parsial untuk gas

16- Konsentrasi mol/volume- Rasio mol

Penurunan Persamaan DesainPenurunan Persamaan DesainNeraca total

dLdV =Laju perubahan kompenen di fasa ( ) ( ) ( )dAyyKdAyykVyd *

yiy −=−=

Neraca komponen

( ) ( )LxdVyd =dzSadA =

a: luasan interface per unit volume packingS l li k

1111 xLLxyVVy −=−

1111 yVLxxLVy +=+

S: luasan penampang melintang tower kosong

Karena a sering tidak diketahui, maka dik lk k t t k it k1111 yVLxxLVy ++ dikenalkan konstanta komposit kya

( ) ( ) ( )SdzyyaKSdzyyakVyd *yiy −=−=

( ) ( )( )( )

( )( )∫∫∫ −

=−

= 2

1

2

1

y

y *y

y

yiy

z

0 yyaSKVyd

yyaSkVyddz

17

Penurunan Persamaan DesainPenurunan Persamaan DesainAsumsi V, L konstan : tidak valid

( ) dydyy ⎞⎜⎛

( )y1V'V −=

( )( ) ( )y1

dyVy1

dy'Vy1

yd'VVyd 2 −=

−=⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=

( )dy *

( ) ( ) dzSyyaKy1

dyV *y −=

−

dV( )( )∫∫ −−

= 2

1

y

y *y

z

0 yyy1dy

SaKVdz

∫∫ = 2y

OGOG

z

0dNHdz

18

∫∫1y OGOG0

Penurunan Persamaan DesainPenurunan Persamaan DesainUntuk memudahkan intergrasi maka diharapkan nilai H konstanUntuk memudahkan intergrasi, maka diharapkan nilai HOG konstanDari penurunan Chapter 13 Buku Foust: dasar mekanisme perpindahan massa

( ) tankonsy1aK lmy =−( )y lmy

( )( )

( )( )∫∫−

= 2

1

y

y *lmz

0 yyy1dyy1

y1SaKVdz ( ) ( )( )∫∫ −−−1y

lmy0 yyy1y1SaK

( )( )∫∫

−= 2y lmz dyy1Vdz

∫2y

( ) ( )( )∫∫ −−−=

1y *lmy

0 yyy1y1SaKdz

( )∫= 2

1

y

y OGOG dNHz( ) ( ) ( )

( )( )*

*

lm y1ln

y1y1y1−−−−

=−

19( )*y1

ln−

Definisi H & NDefinisi HOG & NOG

NTUNTU - Ukuran tingkat kesulitan proses separasi- Semakin tinggi tingkat kemurnian produk yang diinginkan, semakin besar

NTU ang diperl kanNTU yang diperlukan

HTU Uk f k ifi i d i ki k i ki i- Ukuran efektifitas separasi dari packing tertentu untuk spesies kimia yang diproses

- Semakin tinggi laju perpindahan massa dan luas permukaan perpindahan, k HTU k ki k ilmaka HTU akan semakin kecil

20

Z = H x NZT = HOG x NOG

N b f t f it H i ht f t f it D i i F

( )( )( )∫

−2y lm dyy1NG

Number of transfer unit Height of transfer unit Driving Force

HGV yyi −( )( )∫ −−1y

i yyy1NG

( ) d1

HG ( )lmy y1Sak −

V

yyi

NOG( )

( )( )∫ −−−2

1

y

y *lm

yyy1dyy1 HOG ( )lmy y1SaK

V− yy*−

NL( )

( )( )∫ −−−2

1

x

xi

lm

xxx1dxx1 HL ( )lmx x1Sak

V− ixx−

NOL

( )( )

( )( )( )∫

−2x

x *lm

xxx1dxx1

HOL

( )

( )x1SaKV

*xx−21

( )( )∫ −−1x xxx1 ( )lmx x1SaK −

Cara menghitung NCara menghitung NOG

( ) ( ) ( )( )

*

l 1y1y1y1 −−−

=−

1. Secara grafis

y versus

1. Secara grafis

y versus ( ) ( )( )*

lm

y1y1ln

y1

−−

y e sus

2. Metoda Wiegand

y e sus

2. Metoda WiegandgBahwa nilai (1-y)lm sama dengan nilai rata-rata aritmatik dari (1-y) dan (1-y*)

( )( )( )∫ −−

+−

= 2

1

y

y2

*OG y1y1ln

21

yydyN Biasanya, suku terakhir bisa diabaikan

gBahwa nilai (1-y)lm sama dengan nilai rata-rata aritmatik dari (1-y) dan (1-y*)

( ) ( )∫ −−1y1y12yy

3. Metoda Log-Mean Driving ForceJika larutannya encer, dimana mol fraksi hampir sama dengan rasio mol,Jika larutannya encer, dimana mol fraksi hampir sama dengan rasio mol, dan garis operasi dan kurva keseimbangan adalah lurus

( )*12

OGyyN −

= ( ) ( ) ( )( )*

1*

12*

2l

* yyyyyy −−−=−

22

( )lmyy − ( ) ( )( )1

*1

2*

2lm

yyyyln

yy

−−

Hubungan H H H HHubungan HOG,HG,HOL,HL

LGOG HL

mVHH +=

LGOG HL

mVHH +=

Lihat di Geankoplis (under construction)

23

33Menghitung Diameterg g

24

Pressure Drop di Packed BedPressure Drop di Packed Bed

• Aliran di packed bed absorber: lawan arah• Cairan jatuh ke bawah karena gravitasi

G li k t d dikit d

igaspacking

• Gas mengalir ke atas dengan sedikit pressure drop• Laju alir massa (lb/hr m2)

cairangaspacking

SVM

G yy =

25

Hubungan G G dan ∆pHubungan Gx, Gy dan ∆p

26

Terjadinya fenomena FloodingTerjadinya fenomena Flooding

Aliran gas ke atas gas yang memiliki gaya dorong terhadap cairan akan memperlambat laju alir cairan.

Semakin besar laju alir gas semakin besar gaya dorong.

Ketika gaya dorong mendekati gravitasi maka cairan akan mengalir27

Ketika gaya dorong mendekati gravitasi, maka cairan akan mengalir lebih lambat, dan cairan mulai terakumulasi di tower

Terjadinya fenomena FloodingTerjadinya fenomena FloodingLiquid holdup: fraksi intersticialLiquid holdup: fraksi intersticial volume yang terisi cairan

Intersticial volume: ruang kosongIntersticial volume: ruang kosong antara packing

Loading: kenaikan holdup cairanLoading: kenaikan holdup cairan karena naiknya laju alir gas

Flooding: aliran ke bawah cairan gberhenti karena tingginya aliran ke atas gas

Fl di ∆ /L 2 3 i H O/ft kiFlooding : ∆pf/L ≈ 2 – 3 in H2O/ft packingLoading : ∆pf/L ≈ 0.5 in H2O/ft packingNormal : ∆pf/L ≈ 0.25 – 0.5 in H2O/ft packing

28

Pengaruh ukuran packingPengaruh ukuran packing

Semakin besar ukuran packing semakin toleranpacking, semakin toleran terhadap laju alir gas yang lebih tinggi.

29

Korelasi umum ∆pKorelasi umum ∆p• Untuk berbagai jenis packing• Setiap packing memiliki nilai

Fp = faktor packingp p g

Gx, Gy : lb/ft2-sµx : cPρx, ρy : lb/ft3gc : 32.2 lbf-ft/lb-s2

30

Faktor Packing

31

Menghitung Diameter TowerMenghitung Diameter TowerDik h i L V• Diketahui L, V

• Hitung DT sehingga ∆p/ZT ≈ 0.25-0.5 in H2O/ft packing• ∆p/ZT = f(G G )∆p/ZT = f(Gy,Gx)

DVM

SVM

G 2T

yyy π

==VL

VMLM

VMS

LM

GG x

y

xx ===

4DS Tπ VVM

SG yyy

1. Hitung absis (L/V)1. Hitung absis (L/V)2. Plot ke dalam kurva, dan tentukan ∆p yang diinginkan3. Baca ordinat4. Hitung Gyg y5. Hitung DT

y2T VM

SD==

π

32yG4