8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
1/48
Universitas Gadjah Mada 1
BAB III. PERHITUNGAN STAGE SEIMBANG
Konsep stage seimbang dapat dipergunakan untuk memperkirakan hasil pemisahan
suatu campuran. Konsep ini menggunakan dasar bahwa arus yang keluar stage dalam
keadaan seimbang atau telah terjadi keseimbangan fase. Ada kemungkinan kedua fase
yang berkontak dipisahkan sebelum keadaan keseimbangan terjadi karena untuk mencapai
keadaan keseimbangan diperlukan waktu yang lama (ingat kecepatan perpindahan berjalan
lambat bila sudah mendekati keadaan keseimbangan). Oleh karena itu diperlukan faktor
efisiensi pemisahan.
Seperti sudah diketahui bersama bahwa pada suatu stageseimbang untuk suhu dan
tekanan tertentu komposisi hasil keseimbangan juga tertentu (ingat kaidah keseimbangan
fase). Oleh karena itu untuk mendapatkan hasil yang memenuhi spesifikasi tertentu
digunakan cara operasi berulang (multiple stage).
A. Seimbang Tunggal
Alat kontak paling sederhana pada stage wise adalah single stage equilibrium.
Misalnya ekstraksi single stage, yaita suatu larutan A C (umpan) ditambah dengan larutan
B murni (atau tidak murni). Pertanyaannya adalah bagaimana komposisi hasil Ekstrak (E)
dan Rafinat ( R).
Persamaan matematis yang dapat disusun untuk konsep ini
(ingat konsep Chemical Engineering Tools)
1. Neraca massa total 2. Neraca massa komponen solute(A) 3. Neraca massa komponen solvent(C) atau (neraca separating agent)
4. Hubungan keseimbangan
Neraca panas tidak ditinjau karena umumnya ekstraksi berlangsung pada suhu tetap atau
panas pelarutan umumnya rendah.
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
2/48
Universitas Gadjah Mada 2
Perhitungan dapat dilakukan bila tersedia data seimbang untuk sistem (A, B, dan C)
pada suhu dan tekanan operasi.
Lukiskan kurva seimbangnya:
- Segitiga ABC sama sisi
Persamaan-persamaan aljabar yang tersusun dapat diselesaikan dengan bantuan
komputer atau secara grafis. Pada era sekarang ini yang perkembangan komputer sudah
sangat pesat dan didukung kemampuan berhitung secara analitis, numeris, dan kemampuan
penyusunan program komputer yang baik maka persamaan-persamaan di atas dapat
diselesaikan dengan sangat mudah. Pada kuliah ini akan dibahas secara rinci cara
penyelesaian dengan cara grafis karena sampai saat ini masing-masing mahasiswa belum
dimungkinkan membawa komputer ke kelas. Tetapi penanaman konsep-konsep penyusunan
model matematis atau analisis kasus ditekankan sehingga cara penyelesaian persamaan
yang dipilih dapat bebas karena merupakan bagian yang terpisah.
Perhitungan secara grafis
Pada perhitungan secara grafis muncul konsep penjumlahan secara grafis dan
pengurangan secara grafis. Untuk itu muncul kaidah penjumlahan secara grafis dan
pengurangan secara grafis.
Kaidah penjumlahan secara grafis (graphical addition rule) campuran yang terjadidari penjumlahan dua arus yang masuk atau keluar terletak pada garis lurus yang dibentuk
dari kedua komposisi-komposisi tersebut. Sedangkan posisi titik campuran tersebut
ditentukan dengan kaidah lengan tuas terbalik ( inverse lever arm rule). Kaidah ini dijabarkan
berdasarkan neraca massa sebagai berikut:
Berdasarkan persamaan neraca bahan, kita dapat mengadakan analisis secara
grafik.
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
3/48
Universitas Gadjah Mada 3
Jadi m1 berada pada garis dengan posisi dicari dari:
berlaku untuk komponen A dan C Persamaan ini yang kemudian
dinyatakan sebagai kaidah lengan tuas terbalik, dengan dasar pemikiran yang sama
dapat dinyatakan sebagai panjang garis.
dan seterusnya untuk perbandingan yang lain.
Prinsip pengurangan
Pengurangan dapat juga dilakukan secara grafis, konsep yang digunakan sama
dengan prinsip penjumlahan arus. Prinsip pengurangan dapat digunakan untuk menentukan
jumlah dan komposisi arus diantara dua stageyang berturutan dan dikenal dengan konsep
arus netto. Kaidah lengan tuas terbalik juga berlaku pada pengurangan arus.
Letak titik pada perpanjangan garis yang dihubungkan dari E1dan R0atau dari E2
dan R1 dan seterusnya, dan posisinya dapat ditentukan berdasarkan kaidah lengan tuas
terbalik misalnya:
untuk yang lain analog.
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
4/48
Universitas Gadjah Mada 4
Penentuan Jumlah dan Komposisi Arus-arus yang Keluar dari Stage Seimbang
Kuantitas (jumlah dan komposisi) ekstrak dan rafinat ditentukan berdasarkan
persamaan-persamaan neraca massa dan keseimbangan yang telah disusun di atas.
Komposisi ekstrak dan rafinat dalam keadaan seimbang maka titik ekstrak dan rafinat
berada pada kurva seimbang dan tie line yang dihubungkan dari komposisi ekstrak dan
rafinat harus melalui titik m1 (seperti gambar di atas). Penentuan garis tersebut dilakukan
dengan coba-coba. Bila garis yang dimaksudkan diperoleh maka komposisi ekstrak dan
rafinat dibaca dan jumlahnya dapat ditentukan berdasarkan persamaan neraca massa total
dan komponen atau dengan kaidah lengan tuas terbalik.
Dan R1dicari dari :
Pada konsep keseimbangan, E R, yang berarti = garis seimbang. Jadi kitaharus mencari garis seimbang yang melalui m.
Cara mencari garis tersebut dengan cara trial and error. Sebagai catatan, lebih
mudah memakai kurva distribusi seimbang.
a. Tarik garis sembarang (tie line) melalui m
b. Cek apakah tie linetersebut merupakan tie lineyang benar.
B. Mult i Stage Cross-Current Extract ion
Untuk masing-masing stagedapat disusun:
Neraca massa total:
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
5/48
Universitas Gadjah Mada 5
Neraca massa komponen Solut (A)
Neraca massa komponen Solven (C) atau neraca separating agent
dan hubungan keseimbangan
Contoh soal:
Larutan asam asetat (A) dan air (B) sebanyak 100 kg berisi 30% asam diekstraksi tiga
tingkat secara arus silang dengan isopropil eter (C) dengan menggunakan 40 kg solven di
tiap tingkatnya. Hitunglah komposisi dan jumlah tiap-tiap aliran. Hitunglah juga jumlah solven
yang dibutuhkan apabila digunakan 1 tingkat ekstraksi dengan kondisi rafinat yang sama.
Hubungan keseimbnagan diberikan dalam bentuk grafik berikut:
Solven Diluen Solute Solven Diluen Solute
98,1
97,1
95,5
91,7
84,4
71,1
58,9
45,1
37,1
1,2
1,5
1,6
1,9
2,3
3,4
4,4
10,6
16,5
0,69
1,41
2,89
6,42
13,30
25,5
36,7
44,3
46,4
0,5
0,7
0,8
1,0
1,9
3,9
6,9
10,8
15,1
99,3
98,9
97,4
97,1
93,3
84,7
71,5
58,1
48,7
0,18
0,37
0,79
1,93
4,82
11,4
21,6
31,1
36,2
Penyelesaian:
Tingkat I (Stage I):F = 100 kg, xF= 0,3, ys= 0, S1= 40 kg,
Neraca massa total M1= F + S1= 100 +40 = 140 kg
Neraca massa asam asetat
Titik m1 terletak pada garis FS1 dengan komposisi asam asetat pada arus campuran (m)
adalah xm1= 0,214 maka titik m dapat ditentukan.
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
6/48
Universitas Gadjah Mada 6
Jumlah dan komposisi ekstrak dan rafinat dapat ditentukan dengan bantuan kurva distribusi
dengan cara coba-coba dicari tie line yang melalui m1. Berdasarkan hasil perhitungan
didapatkan xA1= 0,258 dan yA1= 0,117
Tingkat II:
Titik m2terletak pada garis R1S2dengan komposisi asam asetat pada arus campuran (m2)
adalah xm2= 0,1822 dengan bantuan kurva distribusi dapat dicari kesetimbangan melalui m2,
dan didapatkan x2= 0,227 dan y2= 0,095
Tingkat III:
Dengan jalan yang sama didapatkan:
S3= 40; m3= 130,1; xm3= 0,1572; x3= 0,2; y3= 0,078; E3= 45,7; R3 = 84,4
Jumlah asam dalam rafinat:
(0,2) (84,4) = 16,88 kg
Jumlah ekstrak:
E1+ E2+ E3= 43,6 + 43,6 + 45,7 = 135,6kg
Kandungan asam:
E1y
1+ E
2y
2+ E
3y
3= 13,12 kg
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
7/48
Universitas Gadjah Mada 7
Bila digunakan 1 tingkat dengan kondisi rafinat yang sama x = 0,2, maka garis seimbang
akan menjadi R3E3.
Dari perpotongan dan akan didapatkan xm= 0,12
Larutan yang Tak Tercampu r
Bila solven yang digunakan dan larutan umpan (diluen) tidak saling larut dan tetap
demikian sampai zat yang terlarut terdistribusi sempurna, maka perhitungan dapat
disederhanakan (KESEIMBANGAN EKSTRAKSI TIPE I)
Kurva kesetimbangan untuk tipe ekstraksi ini sebaiknya dituliskan dalam bentuk:
x= massa solute per massa diluen, y = massa solute per massa solven
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
8/48
Universitas Gadjah Mada 8
OIeh karena larutan solventdan diluent tidak saling tercampur, maka seluruh diluent
akan terdapat di dalam rafinat dan solventada di dalam ekstrak, sehingga neraca massa
untuk sistem ini adalah:
R = massa diluen, E= massa solven
Persamaan di atas adalah persamaan garis operasi untuk stageyang ke n dengan
slope
dengan melalui titik (xn-1,ys) dan (xn,yn)
Contoh soal:
Nikotin dalam air dengan konsentrasi 1% nikotin diekstraksi dengan kerosin pada suhu 20
C. Air dan kerosin tidak saling melarut. Pertanyaannya:
a. Hitunglah persen nikotin yang terekstraksi bila 100 kg umpan diekstraksi dengan 150
kg solven (single stage)
b. Ulangi perhitungan di atas untuk tiga stagescross current dengan menggunakan 50
kg solven pada tiap stagenya.
Data keseimbangan untuk proses di atas adalah:
0 0,001011 0,00246 0,00502 0,0075 0,00998 0,0204
0 0,000807 0,001961 0,00456 0,00686 0,00913 0,01870
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
9/48
Universitas Gadjah Mada 9
Penyelesaian :
a.
Dari kurva kesetimbangan, dan titik umpan F ditarik garis lurus dengan slope= - 0,66,
dan didapatkan x1 = 0,00425 dan y1 = 0,0038.
Nikotin yang dihilangkan dari air =
99 (0,0101 0,00425) = 0,58 kg
Atau 58% dari umpan.
b. Untuk tiap stage
Mulai dari F dibuat garis operasi dengan slope= - 1,98. Rafinat akhir yang didapatkan
x3 = 0,0034.
Nikotin yang diekstraksi adalah:
99 (0,0101 0,0034) = 0,663 kg, atau 66,3% dari umpan:
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
10/48
Universitas Gadjah Mada 10
MULTI STAGE ARUS LAWAN ARAH SEDERHANA
COUNTE CURRENT MULTISTAGE OPERATIONS
Di seluruh stageterdapat arus ekstrak dan rafinat yang mengalir dari stageke stage
secara berlawanan arah. Dari stage ke stage akan terjadi perpindahan massa. Arus-arus
yang meninggalkan stagedalam keadaan keseimbangan.
Tinjauan Umum secara Keseluruhan (untuk menentu kan arus terminal)
Neraca massa total di seluruh stage:
Neraca massa komponen A di seluruh stage:
Neraca massa komponen C di seluruh stage:
Dari korelasi di atas dapat ditentukan arus yang sangat berguna untuk menentukan
korelasi arus-arus Terminal I.
Letak titik dapat ditentukan atau jika ditentukan secara grafis adalahsebagai berikut:
Jika koordinat dan jumlah L0, dan VN+1 diketahui, maka dengan korelasi di atas letak
titik dapat ditentukan. Apabila komposisi ekstrak akhir yang diinginkan tertentu (sebagai
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
11/48
Universitas Gadjah Mada 11
data yang diketahui), maka letak titik rafinat akhir dalam grafik dengan mudah dapat
ditentukan.
Hal-hal lain yang masih perlu dianalisis adalah sebagai berikut:
1. Berapa jumlah kebutuhan stage ideal yang harus digunakan agar komposisi
terminal tersebut dapat dicapai.
2. Bagaimana komposisi arus-arus yang keluar atau masuk pada setiap stage
Dalam kaitannya, terdapat dua konsep pokok yang bisa digunakan disini, yaitu:
a. Arus yang meninggalkan stagedalam keadaan seimbang. Korelasi komposisi
kedua arus yang ke luar stageditunjukkan oleh garis seimbang.
b. Korelasi komposisi arus-arus di antara dua stage yang berurutan dapat
diketahui berdasarkan konsep arus netto. Oleh karena akumulasi massa
dalam setiap stage adalah 0, maka arus netto pada setiap stage besarnya
tetap. Hal ini dapat digunakan pada prinsip pengurangan.
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
12/48
Universitas Gadjah Mada 12
Arus netto total:
Arus netto komponen A:
Arus netto komponen C (ekstraksi):
Letak titik ( )dapat ditentukan kemudian.
Secara Grafis
Titik terletak pada perpotongan perpanjangan garis yang menghubungkan keempattitik terminal yang ada, yaitu garis dan . Jika titik sudah dapat ditentukan, makakorelasi arus netto di antara dua stage dapat digambarkan. Garis-garis ini selanjutnya
disebut sebagai garis operasi.
Kebutuhan stage dapat ditentukan dengan pertolongan garis operasi dan garis
seimbang secara bergantian dan berurutan. Urutan pengerjaan secara grafis untuk
menentukan jumlah stageadalah sebagai berikut:
1. Menentukan letak titik terlebih dahulu, untuk mencari neraca massa di sekitar
seluruh stageyang selanjtunya dipakai untuk menentukan arus-arus terminal.
2. Menentukan letak titik A pada perpotongan perpanjangan garis dan
3. Perhitungan dari stage ke stage dapat dimulai dari y1 dan xn. jika dari y1 dengan
korelasi garis seimbang dapat ditentukan letak x1, kemudian dari x1 dihubungkan
dengan titik , titik potong antara garis dan kurva seimbang di cabang ekstrakadalah letak titik y2 (korelasi garis operasi), dan seterusnya sampai didapatkan
komposisi yang dikehendaki.
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
13/48
Universitas Gadjah Mada 13
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
14/48
Universitas Gadjah Mada 14
Jika jumlah stagediketahui (sudah tertentu), kemurnian hasil yang ditanyakan dapat
dicari dengan cara coba-coba.
1. Tentukan letak titik (= L0+ Vn+1)
2. Coba titik xn, lalu hubungkan dengan titik yang memotong kurva seimbang di y1.
3. Tentukan titik (titik [otong antara dan 4. Hitung jumlah stage, jika jumlah stagehasil hitungan belum sama dengan jumlah
stageyang diketahui, cobalah dengan nilai xnyang lain sampai didapatkan hasil :
Ndiketahui= Nhasil hitungan
Perancangan dan Variabel Operasi
Terdapat 4 ubahan penting yang ada pada operasi arus lawan arah, yaitu :
1. Kemurnian hasil (kadar solute dalam ekstrak yang lebih besar)
2. Persentase recovery yang dapat memungut solute sebanyak mungkin (V1 yA1
yang lebih besar atau LNxANyang makin kecil)
3. Jumlah stage (N), karena jika N bertambah, maka biaya akan mengalami
kenaikan
4. V/L ratio, karena jika V/L rationya besar, maka hasil pada arus V akan encer
sehingga biaya recoverymenjadi tinggi
Apabila 2 ubahan dari keempat ubahan di atas kita tentukan, maka 2 ubahan sisanyaakan tertentu pula. Penentuan ubahan optimum akan mempengaruhi analisa ekonomi.
Memilih dua variable dari keempat variable operasi tidak selalu memberikan hasil
seperti yang dikehendaki, karena ada nilai batas yang ditentukan oleh sifat fisis zat yang
dipisahkan.
Missal pada proses ekstraksi asam asetat air isopropyl eter, pada operasi
pemisahannya diinginkan percent recovery sebesar 60 % dengan menggunakan
tetapi tidak mungkin tercapai karena walaupun jumlah stagenya (N) tak terhingga hanya
didapatkanpercent recoverysebesar 31%. Apabila percent recoverydiinginkan 60%, maka
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
15/48
Universitas Gadjah Mada 15
Pada Proses Ekstraksi
Jika solven (V) dikurangi untukpercent recoveryyang sudah tertentu, maka jumlah N
akan menjadi Iebih banyak, sehingga untuk pengurangan V yang terus menerus untuk
precent recovery yang sama pada suatu ketika akan diperlukan jumlah N yang tak
terhingga.
Jadi untuk diperlukan jumlah stageyang tak terhingga. Nilai pada
suatu proses pemisahan diperlukan untuk diketahui, karena merupakan nilai batas operasi
yang digunakan, yang dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut:
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
16/48
Universitas Gadjah Mada 16
dengan:
Faktor = f (Teknis, ekonomis)
Cara Menentuk an NiIai
Kondisi terjadi apabila garis seimbang berimpit dengan garis operasi atau
dapat dikatakan dengan perpanjangan garis seimbang melalui titik .Jika ada beberapa garis seimbang yang melalui titik , maka yang dipilih
adalah yang mempunyai harga V yang paling besar atau yang membentuk paling dekatdengan diagram segitiga. Menurut R.E. Treybal, perpanjangan garis seimbang yang melalui
titik umpan adalah yang menentukan
Cara menentukan letak
- Tentukan letak titik Lo(xo) dan Vn+1(yn+1) yang sudah diketahui.
- Letakkan titik xn, yang sudah ditentukan.
- Dengan coba-coba letakkan titik , kemudian hitung N sampai didapatkanjumlahN tak terhingga, sehingga didapatkan garis seimbang yang berimpit dengan garis
operasi. Jika cara coba-coba untuk nilai Z dilakukan dengan memperkecilnilai Z,
maka nilai Z yang pertama yang memberikan N tidak terhingga adalah
Contoh soal:
Suatu campuran berisi 50% ethyl benzene (A) dan 50% styrene (C) sebanyak 1000 kg/j
dipisahkan menjadi produk yang bersisi 10% dan 90% styrene dengan menggunakan solven
diethylene glycol.
Hitunglah:
a. Jumlah stageminimumb. Minimum extract reflux
c. Jumlah stagebila refluxrationya 1,5 harga minimumnya.
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
17/48
Universitas Gadjah Mada 17
Hydrocarbon Rich Solution Solvent Rich Solution
x
0
0,0870
0,1883
0,288
0,384
0,458
0,464
0,561
0,573
0,781
1,00
N
0,00675
0,00817
0,00938
0,01010
0,01101
0,01215
0,01215
0,01410
0,01405
0,01833
0,0256
X
0
0,1429
0,273
0,386
0,480
0,557
0,565
0,605
0,674
0,833
1,00
N
8,62
7,71
6,81
6,04
5,44
5,02
4,95
4,46
4,37
3,47
2,69
Data di atas diplot dalam koordinat solvent free.
F = l000kg/j, xF= 0,5
xpE = 0,9; XRNP= 0,1
Titik E1dapat dilihat dari gambar dan NE1= 3,1
Penyelesaian:
a. Jumlah stageminimum dicari dengan menggambar garis keseimbangan dari E1, garis
vertikal dari R1, garis keseimbangan dari E2dan seterusnya sampai mencapai produk
rafinat. Dari gambar didapatkan jumlah stageminimum adalah 9,5.
b. Garis keseimbangan yang bila diteruskan melalui titik F adalah minimum reflux ratio
dari gambar didapatkan NEm= 20,76
External reflux ratio minimum:
c. Untuk = 1,5 (5,70) = 8,55
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
18/48
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
19/48
Universitas Gadjah Mada 19
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
20/48
Universitas Gadjah Mada 20
Countercur rent Mult istage Operat ions p ada Proses Dist i lasi
Pada proses distilasi, uap pembawa panas mengalir secara berlawanan arah
terhadap cairannya. Dari stageke stageantara uap dan cairannya akan terjadi perpindahan
panas dan massa.
Tinjauan Umum
Neraca massa total di seluruh stage:
Neraca massa komponen A di seluruh stage:
Neraca entalpi di seluruh stage:
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
21/48
Universitas Gadjah Mada 21
Dari persamaaan-persamaan di atas dapat ditentukan komposisi dan jumlah arus
terminal. Dan seterusnya, caranya sama dengan pada ekstraksi, tetapi hanya diagram
entalpi - komposisi.
Aru s Lawan A rah Sederhana Cara Numeris
y = f(x) diketahui
h = f(x) diketahui
N = f(y) diketahui
Jumlah, komposisi dan entalpi umpan diketahui (L0, x0, h0)
Jumlah, komposisi dan entalpi media pemisah diketahui (VN+1, yN+1, HN+1)
Diharapkan hasil xnakan tertentu (dikehendaki)
I. Mencari Komposisi Arus Terminal
Selanjutnya dicari 3 bilangan tertentu dengan 3 persamaan di atas.
II. Mencari komposisi dari masing-masing stage
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
22/48
Universitas Gadjah Mada 22
Crosscu rrent Mult istage Operat ions
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
23/48
Universitas Gadjah Mada 23
REFLUKS
Operasi Mult i StageBerlawanan Arah dengan Refluks
Proses pemisahan dengan simple contercurrent flowtidak dapat memberikan hasil yang
sempurna. Hasil yang tertinggi yang dapat dicapai dengan simple countercurrent flowjika
digunakan jumlah stagetidak terhingga (N = tak terhingga).
Kemungkinan lain yang dapat digunakan untuk menaikkan kemurnian hasil atas (E1)
adalah dengan cara menaikkan kemurnian (kandungan solut) dalam umpan yang masuk
puncak kolom (R0), oleh karena itu muncul fenomena Reflux.
Reflux adalah sebagaian dari hasil atas yang mempunyai kemurnian tinggi dikembalikan
ke cascade atau menara sebagai umpan pada bagian puncak menara.
Tetapi biasanya kemurnian umpan alat pemisah merupakan hasil dari alat sebelumnya.
Pertanyaan yang muncul umpan ini dimasukkan ke menara pada bagian mana?.
Umpan sebenarnya dimasukkan ke menara melalui bagian plate yang
mempunyai komposisi dan sifat-sifat yang mirip dengan komposisi dan sifat umpan.
Plate dimana umpan dimasukkan disebut dengan feed plate.
SISTEM REFLUX UNTUK EKSTRAKSI
Stage1 sampai F-1 disebut dengan dengan sesi enriching.
StageF sampai N disebut dengan sesi stripping.
Nomor stagedi mulai dari bagian puncak menara
Bila dilihat perbagian (enriching dan stripping) dapat digunakan cara perhitungan arus
lawan arah sederhana (simple countercurrent flow) konsep arus sigma (berdasarkan
neraca massa pada seluruh kolom), arus netto (berdasarkan neraca massa tiap stage
yang kemudian disebut sebagai garis operasi), dan keseimbangan (garis seimbang).
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
24/48
Universitas Gadjah Mada 24
Data yang diketahui komposisi dan jumlah arus umpan dan separating agent (arus
solvent).
Data yang dikehendaki kemurnian hasil
Data yang diambil atau diketahui perbandingan reflux ratio (R0/PE)
Konsep arus netto pada seksi enr ich ing(seksi ekstrak)
Neraca massa total pada sesi enriching
Neraca massa komponen A atau komponen C pada sesi enriching
Konsep arus netto pada seksi stripping (seksi rafinat)
Neraca massa total pada sesi enriching:
Neraca massa komponen A atau komponen C pada sesi enriching:
Neraca massa total pada sekitar kondenser:
Neraca massa komponen A atau komponen C pada sekitar kondensor:
Konsep arus netto pada seksi stripping (seksi rafinat)
Neraca massa total pada sesi stripping:
Neraca massa komponen A atau komponen C pada seksi enriching analog
Neraca massa total pada seluruh stage
Jika komposisi F, , dan telah diketahui atau telah terhitung maka letak titik-titiktersebut dalam satu garis lurus.
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
25/48
Universitas Gadjah Mada 25
BAGAIMANA CARA MENENTUKAN LETAK TITIK DAN ?1. Gambarkan letak titik-titik arus terminal yang sudah diketahui komposisinya yaitu:
2. Cari komposisi arus E1 yaitu y1 berdasarkan neraca massa sekitar separation solvent
(solvent recovery) yaitu: E1= BE + ESSjadi letak y1, yBE, dan xSS dalam satu garis lurus,
selain itu arus y1 merupakan arus yang keluar dari stage seimbang sehingga titik y1
terletak pada kurva seimbang.
3. Letak titik dapat dievaluasi dari arus netto pada bagian enriching.
Neraca massa komponen A atau komponen C pada sesi enriching
jika yang terambil dari solvent recovery(BE) adalah solven murni maka
YBBA= 0, maka
dan dengan persamaan ini letak xdapat ditentukan atau
letak titik dapat ditentukan.
Letak titik dapat ditentukan berdasarkan persamaan arus netto pada sesi stripping,yaitu dengan:
Dan persamaan neraca massa total pada seluruh kolom:
Dengan menggunakan dua persamaan ini letak titik dapat ditentukan. Untukselanjutnya perhitungan jumlah stageyang diperlukan untuk derajad pemisahan tertentu
dapat dilakukan.
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
26/48
Universitas Gadjah Mada 26
Untuk kasus ekstraksi dengan data korelasi keseimbangan yang memberikan kurva pada
fase ekstrak sempit perhitungan berdasarkan fraksi massa total seperti contoh di atas
tidak menguntungkan. Karena dengan dasar perhitungan fraksi massa total ini akan
memberikan kesalahan hitung yang relatif tinggi. Oleh karena itu sebaiknya digunakan
perhitungan atas dasar SOLVENT FREE. Keuntungan berhitung atas dasar solvent free
adalah bentuk persamaan yang tersusun dan grafik yang diperoleh mempunyai bentukyang sama dengan DISTILASI.
Solvent Free
Dasar-dasar perhitungan yang dipakai sama dengan cara sebelumnya. Dasar solvent
free ini dapat dipilih terutama bila kita menggunakan teori kesamaan atau analogi antara
proses distilasi dan ekstraksi, karena keduanya mempunyai bentuk kurva yang mirip.
Notasi-notasi yang digunakan adalah sebagai berikut:
Nilai Vdan nilai Lditujukan untuk arus bebas solven
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
27/48
Universitas Gadjah Mada 27
Contoh 6.1 (Foust)
Diketahui:
A. = styrene
B. = ethyl-benzene
C. = diethylene glycol
Pertanyaan:
a. Hitunglah N
b. Jika F = 1000 kg, hitunglah VN+1
Penyelesaian:
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
28/48
Universitas Gadjah Mada 28
Karena , maka tempat kdudukan adalah garis yang tegak lurus pada karena = = .
Jadi titik merupakan titik potong antara garis yang tegak lurus dengan dengan kurva seimbang, karena merupakan arus yang keluar dari stage. Bila titiktertentu, maka dapat ditentukan.
Menentukan letak titik :
dengan , , dan pada satu garis lurus.Arus netto:
Dengan letak titik pada garis lurus yang tegak lurus dengan xN, sehingga
dapat
ditentukan. Selanjutnya karena dan sudah dapat ditentukan, maka jumlah stagedapatditentukan pula, yaitu N 23.
= 1000 kg
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
29/48
Universitas Gadjah Mada 29
dengan: VN+1 = 0
Komponen C:
C dalam rafinat:
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
30/48
Universitas Gadjah Mada 30
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
31/48
Universitas Gadjah Mada 31
Dist i lasi Ref lux
Perhitungan Distilasi Diperlukan Data Diagram Entalpi Komposisi
Cara penyelesaiannya sama dengan ekstraksi yang sudah dibicarakan sebelumnya,
tetapi neraca separating agentnya berupa panas.
Sesi enriching:
Sesi stripping:
Neraca massa di sekitar kondenser:
Neraca massa di sekitar reboiler:
Arus netto entalpi untuk sesi atas (Enriching):
Nilai , dapat ditentukan (dievaluasi) berdasarkan neraca entalpi di sekitarkondenser. Informasi yang diketahui untuk menentukan nilai adalah:
a) beban kondensor atau b) nilai ref lux.
a. Jika diketahui beban kondensor:
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
32/48
Universitas Gadjah Mada 32
Dengan: - = entalpi yang diambil oleh pendingin= entalpi pendingin ke luar entalpi pendingin masuk
Maka:
dengan: qC= D QCD
Jika diketahui
XD= komponen distilat, hD= entalpi distilat, dan
QCD= qC/D = beban kondenserMaka titik ()dapat ditentukan.
b. Jika diketahui nilai ref lux:
Jika diketahui = Reflux, maka penentuan h dapat dilakukan dengan persamaan
berikut (analog dengan cara ekstraksi):
Dengan :
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
33/48
Universitas Gadjah Mada 33
Pada Sesi stripping, analisisnya analog dengan meninjau neraca panas sekitar reboiler,
yaitu:
Selanjutnya nilai dapat ditentukan jika yang diketahui nilai reflux . Umumnya nilai
dievaluasi berdasarkan informasi nilai dengan menggunakan korelasi + F = (neraca
massa seluruh kolom).
Ada dua tipe kondensor yaitu:
1. Kondensor total (distilat dalam bentuk cair) pembahasan seperti yang sudah
dipelajari
2. Kondensor parsial (distilat dalam bentuk uap)
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
34/48
Universitas Gadjah Mada 34
Kondensor Total
Nilai y1 = XD= X0= X, sehingga jika XDsudah diketahui maka titik (XD, hD) dapat
ditentukan dan titik (y1, H1) juga dapat ditentukan.
Menentukan titik h:
Atau dengan cara :
Kondensor Partial
Tidak seluruh uap yang masuk kondensor diembunkan, hasil atas dapat dalam
bentuk uap, dan refluxberbentuk cair.
Terdapat dua keadaan yang mungkin terjadi dalam kondisi parsial yaitu:
Uap dan cairan dalam keadaan keseimbangan
Uap dan cairan tidak dalam keadaan keseimbangan
Jika uap dan cairan dalam keadaan seimbang, maka akan ekuivalen dengan stage.
Kondensor 1 stageseimbang.
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
35/48
Universitas Gadjah Mada 35
Persamaan-persamaan yang dapat disusun dalam kondisi parsial, adalah:
Atau jika diketahui , maka :
4.yD= K x0(korelasi seimbang)
Reboiler (Sti l l)
Pada operasi distilasi, panas (qs) ditambahkan pada still (S) untuk menguapkan
sebagian dari cairan pada bagian bawah kolom. Uap yang terbentuk pada stillkemudian di
reflux (Vs) sebagai uap pembawa panas. Oleh karena itu, reboiler ekuivalen dengan satu
stageseimbang. Cara perhitungan analog dengan kondensor parsial.
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
36/48
Universitas Gadjah Mada 36
Secara skematis kondensor dan rebolier dapat digambarkan sebagai berikut:
Perhitungan distilasi dengan menggunakan diagram entalpi-komposisi disebut
Metode PONCHON-SAVARIT. Jumlah cairan yang direfluxdapat bervariasi yaitu dari suatu
jumlah minimal (REFLUX MINIMAL) sampai semua cairan dikembalikan (REFLUXTOTAL).
Penentuan Reflux Maksimal dan Minimal
Bila nilai perbandingan reflux tertentu,maka jumlah stage (N) yang dibutuhkanuntuk derajat pemisahan yang tertentu mempunyai jumlah yang tertentu pula.
Bila nilai diubah, maka N juga berubah menjadi minimum atau maksimum.
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
37/48
Universitas Gadjah Mada 37
Reflux Minimum
Bila berkurang untuk (X0, XD, Y1) yang tetap, maka letak X akan semakin
mendekati Y1, dan hal ini akan menyebabkan jumlah N naik. Batas nilai yang paling
kecil adalah minimum. Bila garis operasi berimpit dengan garis seimbang, maka jumlahstage(N) maksimum adalah tak terhingga.
RefluxMaksimum
Bila nilai bertambah besar, sampai pada suatu nilai dimana semua hasil atasdimasukkan ke dalam kolom kembali sehingga nilai D = 0 maka keadaan ini disebut sebagai
REFLUXTOTAL (R Total) D = 0
F = 0
B = 0
Jadi :
= , maka letak titik dan pada tak terhingga berupa garis tegak lurus sehingga YN+1 = XN
=
Pada keadaan ini jika refluxsemakin besar maka N semakin kecil
Reflux (R) yang semakin besar akan memerlukan jumlah stage (N) yang semakin
kecil (harga murah), tetapi beban kondensor dan reboilerakan semakin besar (biaya mahal),
sehingga perlu dipilih R tertentu agar total biaya yang diperlukan menjadi sekecilmungkin.
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
38/48
Universitas Gadjah Mada 38
Ringkasan Metode PONCHON-SAVARIT
Gambarkan letak arus-arus terminal yang diketahui: D (XD, hD), F(XF, hF), dan B (XB, hB).
Tentukan letak titik (x, h) atau . Tergantung data yang diketahui di kondensoratau di reboiler.
Bila (x, h) atau sudah dapat ditentukan, selanjutnya tentukan letak:o , bila diketahui data di reboilero (x, h), bila diketahui data di kondensor
dengan menggunakan korelasi:
( dalam satu garis lurus) (tempat kedudukan adalah garis tegak lurus pada xB)x= xD (tempat kedudukan xadalah garis tegak lurus pada xD)
o bila diketahui data di reboilero , bila diketahui data di kondensordengan menggunakan korelasi
(tempat kedudukan adalah garis tegak lurus pada (tempat kedudukan adalah garis tegak lurus pada
Gambarkan garis operasi dan garis seimbang secara bergantian pada masing masing
sesi
Hitung N pada sesi enrichingdan sesi strippingserta letak feed plate.
Reflux minimum (N = tak terhingga): garis operasi berimpit dengan garis seimbang.
Pilihlah yang member Rminyang paling maksimum (biasanya yang melewati feed)
Refluxmaksimum (N = minimum): D = = , letak titik di tak terhingga
B = = , letak titik di tak terhingga
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
39/48
Universitas Gadjah Mada 39
Atau garis operasi berupa garis tegak lurus pada masing masing komposisi. (Lihat
gambar 6.11 dan 6.14, Foust).
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
40/48
Universitas Gadjah Mada 40
Open Steam
Uap pembawa panas dari reboilerdiganti dengan steam dari sumber lain, sehingga
biasanya bebas dari komponen yang dipisahkan.
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
41/48
Universitas Gadjah Mada 41
Untuk sesi atas (Enriching), sama dengan proses distilasi yang sudah dibahas.
Jika kondensor total : y1 = X0= XD
letak tegak lurus pada Letak titik ditentukan dengan neraca entalpi
Sekitar kondensor:
Bila QCDyang diketahui
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
42/48
Universitas Gadjah Mada 42
dengan:
Bila
yang diketahui, maka:
Sesi stripping:
dengan:
, Lmdan Vm+1 pada satu garis lurus pada garis seimbang.Neraca massa di sekitar kolom:
dengan:
Contoh soal (Brown, 1950)
Tentukan jumlah stage seimbang yang diperlukan untuk memisahkan campuran
etanol-air dengan konsentrasi etanol 42,2% menjadi distilat dengan konsentrasi etanol 90%dan hasil bawah dengan konsentrasi etanol 10%. Dsitilasi mi menggunakan open steam
yang mempunyai entalpi 1.200 BTU/lb, lalu dimasukkan langsung dari bagian bawah kolom
dengan kecepatan 0,416 lb steam per lb umpan. Umpan masuk dengan entalpi 200 BTU/lb
dan hasil atas (distilat) mempunyai entalpi 50 BTU/Ib diperoleh dengan menggunakan
kondensor total.
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
43/48
Universitas Gadjah Mada 43
INTERMEDIATE STREAM
Dalam operasi perpindahan massa (operasi pemisahan) ada kemungkinan lebih dari
satu umpan yang dimasukkan atau lebih dari dua hasil yang diambil, arus-arus ini disebut
sebagai arus intermediate:
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
44/48
Universitas Gadjah Mada 44
Persamaan yang dapat disusun pada keadaan ini adalah:
dengan :
Data-data yang diketahui adalah komposisi dan jumlah arus-arus terminal. Data lain
yang merupakan parameter perancangan yang diambil atau ditentukan adalah
atau N.
Jika diketahui, maka akan didapatkan:
Untuk menentukan titik :Persamaan (1) , terletak pada garis atau sehingga , , dan
sudah dapat ditentukan.
Persamaan (8) dengan yang diketahui dapat ditentukan.
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
45/48
Universitas Gadjah Mada 45
Menentukan titik :Persamaan (2) terletak pada garis
Persamaan (5a) titik dapat ditentukan
Persamaan (5b) terletak pada garis
Menentukan titik :Persamaan (6) terletak pada garis
Persamaan (7) terletak pada garis
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
46/48
Universitas Gadjah Mada 46
Bagaimanajika arus I bukan merupakan umpan tetapi merupakan hasil?
Cara pengerjaannya sama seperti di atas, yang berbeda hanya pada persamaan (5)
(5) FI + = (5a) F + I = (prinsip pengurangan)
Dalam garis digambarkan sebagai berikut:
Untuk yang lain sama dengan gambar terdahulu.
Penyulingan dengan Umpan Ganda
Cara yang dilakukan sama dengan seperti proses ekstraksi, hanya dalam hal ini
menggunakan diagram entalpi-komposisi.
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
47/48
Universitas Gadjah Mada 47
Persamaan-persamaan yang dapat disusun:
Atau
8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang
48/48