TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan...

21
TINGGI PACKED COLUMN TINGGI PACKED COLUMN

Transcript of TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan...

Page 1: TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massa untuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajian ...

TINGGI PACKED COLUMNTINGGI PACKED COLUMN

Page 2: TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massa untuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajian ...

EFISIENSI PACKINGEFISIENSI PACKINGKonsep HETP Konsep HETP (Height Equivaent of a

Theoritical Plate) diperkenalkan untukmemungkinkan perbandingan efisiensi antarakolom packing dan kolom plate. HETPdidefinisikan sebagai:didefinisikan sebagai:

HETP = H/n n= jumlah plate ideal Nilai HETP yang sama dapat diperoleh untuk

kolom plate jika spasi tray/plat diketahui:HETP (tray kolom) = 100S/ES = spasi plate, E = efisiensi plate

Page 3: TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massa untuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajian ...

FaktorFaktor yangyang MempengarMempengaruhiuhi HETP (1)HETP (1)1. Tipe dan ukuran Packing. Secara umum efisiensi packing

meningkat (HETP RENDAH) ketika:Luas packing per satuan volume meningkat. Efisiensi meningkat jikaukuran packing menurun (random packing) atau ukuran saluranrendah/dangkal (structured) packing

Permukaan packing terdistribusi lebih baik

2. Beban uap dan cair. Untuk operasi L/V konstan dalam wilayahpreloading, umumnya:

Beban cairan dan uap memiliki efek kecil terhadap HETP randomBeban cairan dan uap memiliki efek kecil terhadap HETP randompacking

HETP meningkat dengan beban (loading) dalam structured packing

3. Distribusi. Distribusi yang tidak merata (maldistribution) cairandan uap memiliki efek penting pada efisiensi packing

4. Rasio L/V. Sebagian besar pengujian efisiensi kolom packingpada refluk total. Beberapa pengujian menyarankan bahwaefisiensi untuk refluk minimum dan refluks total sama. Hal ini

berlaku jika range lamda (λ = mG’/L’) antara 0,5 dan 2,0. Rangeini untuk sebagian besar sistem distilasi . Diluar ini HETP meningkat.

Page 4: TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massa untuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajian ...

FaktorFaktor yangyang MempengaruhiMempengaruhi HETP (2)HETP (2)5. Tekanan. Secara umum tekanan memiliki efek yg kecil pada

HETP (structured dan random) pd tekanan 1-2 psia.Pada distilasi vacuum(<1-2 psia) terdapat data ygmenyatakan bahwa efisiensi menurun jika tekanan diturunkanpada random packing.Untuk distilasi tekanan tinggi (>200-300 psia) efisiensistructured packing meningkat jika tekanan dinaikkan.

6. Sifat Fisik. Secara umum HETP random packing relative sensitiveterhadap sifat sistem. Sistem yang kaya air, HETP structuredpacking cenderung lebih tinggi daripada untuk sistempacking cenderung lebih tinggi daripada untuk sistemnonaqueous.

7. Underwetting. Dengan sistem organik encer, HETP cenderungmenigkat pada bagian akhir kolom untuk structured dan randompacking.

8. Error dlam VLE. Ini mempngaruhi HETP dengan beberapa carayang berpengaruh juga terhadap efisiensi tray.

9. Fasa dua cairan immiscible. Horison (1990) mengemukakan 2studi kasus:

Penambahan air ke dalam dua zat organik yang tdk larut dalmair tdk memiliki efek thd HETP,komponen kunci adalah larut dalam kedua cairan, dan HETPsekitar 50% lebih tinggi dari normal.

Page 5: TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massa untuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajian ...

Memprediksi HETPMemprediksi HETP

HETP dapat diprediksi dengan 3 cara:

• Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massauntuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajianpemahaman yg komplek aliran dua fasa yang handaldalam packing dg memperpendek data efisiensi skalakomersil packing yg lebih baru, dan kesulitan dalamperhitungan permukaan packing generasi baru.perhitungan permukaan packing generasi baru.

• Rule of Thumbs. Karena hanya sedikit variabel yg sangatsignifikan mempengaruhi HETP random packing, dan umenangani unrealibilitas model transfer massa yg terbaik,rule of thumb HETP secara sukses bersaing dengan modeltransfer massa.

• Interpolasi data. Interpolasi data eskperimen HETPmerupakan cara yang paling reliable u memperoleh nilaidesain HETP.

Page 6: TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massa untuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajian ...

Langkah:

1. Menentukan efektif area

2. Menghitung koefisien perpindahanmassa

a. Model Transfer Massaa. Model Transfer Massa

massa

3. Menghitung ketinggian satuan lapisantransfer

4. Menghitung hetp

5. Menghitung tinggi packing

Page 7: TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massa untuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajian ...

a

L

g

aL

a

L

a

a

LL

w

L

w

L

w

L

cw

2*05,0

2

2*1,0*75,0

45,1exp1

1. Menentukan effective area

aw = effective interfacial area packing persatuan volume, m2/m3a = actual area of packing persatuan volume, m2/m (hal 491)σ = critical surface tension for particular packing material, mN/mσc = critical surface tension for particular packing material, mN/mσL = tegangan permukaan cairan, mN/mL*w = laju alir massa liquid persatuan luas penampang lintang, kg/m2.sμL = viscositas cairan

)/(10 12

4

cmdynexM

P vLch

Pch : konstanta parakorρV, ρL : densitas uap dan gasM : berat molekul

Page 8: TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massa untuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajian ...

T = temperatur absolut, K

MA, MB = berat molekul A dan B. kg/kgmol

Pt = tekanan, N/m2

εAB = energi tarik menarik molekul =

AB

2

ABt

0,5

BA

3/2

0,5

BA

4

εkTfrp

M

1

M

1T

M

1

M

10,2491,08410

DV =

k = konstanta Boltzman

rAB = pemisahan molekular saat tumbukan,nm =

f(kT/εAB) = fungsi tumbukan, Fig 2.5 Treybal, 1980.

r = 1,18v1/3

ε/k = 1,21Tb

Page 9: TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massa untuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajian ...

4,0

2/13/2*

3/1

μ

μ0051,0

μp

LL

L

Lw

w

L

LL da

Da

L

gk

0,6

0,5

B18

Avμ

TM10117,3x

LD

2. Menghitung koefisien perpindahan masa

Untuk cairan:

Untuk gas:

2

p

3/1

v

7,0*w

5G da

Da

VK

D

RT

a

k

μ

μ

0,5

BA

3/2

0,5

BA

4

M

1

M

1T

M

1

M

10,2491,08410

D =vvvv DaDa

μ

AB

2

ABt εkTfrp

DV =

μv, μL = viskositas uap dan cairan , N.s/m2

kL = koefisien transfer massa lapisan cair, m/s

kG = koefisien transfer massa lapisan uap, kmol/m.s2.bar

DL, Dv = diffusivitas cairan dan uap, m2/s

ρv = densitas uap, kg/m3

dp = ukuran packing, m

R = konstanta gas universal, 0,0314 bar m3/kmol K

Page 10: TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massa untuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajian ...

0,6

0,5

B18

Avμ

TM10117,3x

LD

MB = berat molekul solven B,

T = temperatur absolut ,

μB = viskositas cairan solven

vA = volum molal solut

φ = faktor asosiasi solven

DL = 4,43E-09

Page 11: TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massa untuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajian ...

twL

mL

Cak

LH

Pak

GH

wG

mG

Keseluruhan :

HOG = HG + λ HL

Untuk gas: Untuk cairan :

4. Menghitung tinggi lapisan transfer

HOG = HG + λ HL

HL, HG = satuan lapisan transfer cair dan uap, m

Lm, Gm = laju alir molar cairan dan uap, kmol/m2.s

P = tekanan, atm atau bar

Ct = konsentrasi cairan =

λ =m/(Lm/Gm) = slop garis

kesetimbangan/slop garis operasi

m =yo/x = yi/xi = K (Perry's Handbook, 7td.

ed. pp.14-9)

= 3,985089

λ = 6,191314

Page 12: TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massa untuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajian ...

1.

/.ln

1

m

m

mmOGOG

L

Gm

LGmHHHETP

4. Menghitung HETP

Tinggi packing :

Zp = HETP x NZp = HETP x Nt

Page 13: TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massa untuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajian ...

B. Rule of ThumbsB. Rule of Thumbs

Sumber: H. Z .Kister, “Distillation Design, 1992. Mc Graw Hill. Page 532

Page 14: TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massa untuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajian ...

C. Interpolasi dataC. Interpolasi data

Menurut Philip Schweitzer (1997) interpolasidata merupakan cara yang terbaik untukmenurunkan HETP dari data eksperimen danmengeceknya terhadap rule of thumbs.

Cara interpolasi dan hasil interpolasi berbagaiCara interpolasi dan hasil interpolasi berbagaijenis random packing disajikan di buku Kister,H.Z.,“Distillation Design, Mc Graw Hill, NewYork, 1992. page 653

Page 15: TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massa untuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajian ...

Konsep Transfer Unit (HTU/NTU)Konsep Transfer Unit (HTU/NTU)

Konsep transfer unit dibangun dg menganalisis transfermassa yang melewati bagian perbedaan ketinggiandalam kolom packing dan mengintegrasikan hasilekspresi ketinggian packing, dengan persamaan:

Z = HTU x NTU

Number of Transfer Unit (NTU) adalah ukuran tingkatNumber of Transfer Unit (NTU) adalah ukuran tingkatkesulitan pemisahan. Ini berhubungan dg perubahankomposisi fase terhadap gaya dorong (driving force)transfer massa rata-rata.

Height of Transfer Unit (HTU) adalah ketinggian packingyang memberikan perubahan komposisi yang samadengan satu satuan transfer (one transfer unit). Inimerupakan ukuran langsung efisiensi kolom.

Page 16: TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massa untuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajian ...

HTU VS HETPHTU VS HETP

Perhitungan ketinggian pcaking bisa dilakukan dgpendekatan HTU dan HETP. Kedua pendekatan tersebutpada dasarnya memberikan hasil yg sama. HTU secarafundametal merupakan konsep yg benar, karenamendeskripsikan menara isian sebagai kontaktorkontinyu, sementara HETP mendeskripsikan kontaktorkontinyu, sementara HETP mendeskripsikan kontaktorbertingkat. Kebenaran yang mendasar tersebut membuatHTU lebih mudah u mendeskripsikan dalam istilahkoefisien transfer massa. Alasan ini yg membuat HTUsebagai metode yang lebih dipilih diterapkan di banyakstudi akademik. Di sisi lain, pendekatan HETP lebihdipilih digunakan u desain industri dan operasi karenamemiliki 5 manfaat praktis sebagai berikut:

Page 17: TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massa untuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajian ...

1. Pendekatan HETP cocok u sistemmultikomponen, sementara pendekatan HTUsulit diterapkan u sistem ini

2. Pendekatan HETP dapat menggunakanprogram komputer tahap demi tahap yangdigunakan u perhitungan multi tahap

3. Pendekatan HTU lebih kompleks dan lebih sulitPendekatan HTU lebih kompleks dan lebih sulitu digunakan, tapi tidak menampakkanperkembangan

4. Pendekatan HETP memungkinkanperbandingan lebih mudah dg kolom plat

5. HETP relativ tidak sensitiv terhadap bebansistem dan properti fisika. Philip Schweitzer(1997)

Page 18: TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massa untuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajian ...

PersamaanPersamaan HTUHTU dandan NTUNTU

2

1

*

y

y L

Gyy

dyNTU

2x

dxNTU

1

*

x G

Lxx

dxNTU

xy,

** , GL xy konsentrasi fase gas dan cair padakesetimbangan

konsentrasi fase gas dan cair

Page 19: TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massa untuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajian ...

•G adalah aju alir molal gas, lbmol/(hr)(ft2),• P tekanan total dan• kGa memiliki satuan lbmol/(hr)(ft3)(sat.tekanan)

aPkGHTU GG /)(

LLL aLkHTU )(

• L adalah aju alir molal gas, lbmol/(hr)(ft2),• kLa memiliki satuan lbmol/(hr)(ft3)(sat. konsentrasi)• ρL ,densitas cairan

Page 20: TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massa untuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajian ...

HTU tunggal dikombinasikan dalam bentuk keseluruhan menjadi:

Posisi slop m’ dan m” pada kurva kesetimbangan

LGOG HLVmHTUHTU )/'()()(

GLOL HVmLHTUHTU )"/()()(

Page 21: TTIINNGGGGII PPAACCKKEEDD … dapat diprediksi dengan 3 cara: • Model transfer massa. Penyusunan model tranfer massa untuk memprediksi HETP packing telah dibatasi oleh kajian ...

1/

)/ln(

LmV

LmVHTUHETP

• m adalah slop kurva kesetimbangan,• Pada distilasi garis kesetimbangan dan operasi divergen

di bawah titik umpan dan konvergen di atasnya. Sebagaidi bawah titik umpan dan konvergen di atasnya. Sebagaiakibatnya nilai mV/L rata-rata mendekati satu untukdistilasi, sehinggga HETP dan HTU pada intinya menjadisama .

• Biasanya tidak sama jika untuk proses absorpsi danstripping.