74-1- lampiran c perhitungan efisiensi tray proses 1

Lampiran C. Perhitungan Jumlah Tray Teoretik


C.1. Konfigurasi Proses 1.Perhitungan jumlah tray teoretik dilakukan pada kolom pelucutan asetaldehid dan kolom pemekatan. Jumlah tray aktual untuk kolom pelucutan asetaldehid 30 buah dan kolom pemekatan 54 buah. Langkah pertama yaitu menghitung efisiensi tray, selanjutnya menghitung jumlah tray teoretik dengan mencoba-coba laju alir refluks sehingga diperoleh jumlah tray teoretik yang diinginkan.

C.1.1. Kolom Pemisahan AsetaldehidBasis perhitungan menggunakan laju umpan ke kolom pelucutan asetaldehid sebanyak 100 kmol dengan komposisi umpan yang diperoleh dari perhitungan sebelumnya (kolom pelucutan). Komposisi umpan yang masuk ke kolom pelucutan asetaldehid seperti tersaji di dalam Tabel C.1.. Hasil samping yang terdiri dari asetaldehid dan minyak fusel diharapkan terpisahkan di kolom pelucutan asetaldehid. Hasil dari kolom bagian tengah mengandung minyak fusel ditentukan sekitar 10% dari total umpan. Hasil atas pada kolom pelucutan asetaldehid diharapkan mempunyai konsentrasi etanol sekitar 95% (berat). Dari hasil perhitungan diperoleh hasil atas 40,512 kmol dan hasil bawah 49,489 kmol.

C-1


C.1.1.1. Perhitungan Efisiensi Tray TotalEfisiensi tray berjumlah tiga buah, yang menghubungkan antara kinerja tray teoretik dan tray aktual; yaitu efisiensi kolom keseluruhan atau efisiensi tray total, efisiensi tray Murphree dan efisiensi lokal. Efisiensi tray keseluruhan diterapkan untuk jumlah tray total dan didefinisikan sebagai jumlah tray teoretik yang dibutuhkan untuk pemisahan dibagi dengan jumlah tray aktual untuk memisahkan produk yang sama. Hubungan ini seperti tersaji di dalam persamaan C.1.. Efisiensi Murphree digunakan untuk tiap tray dan efisiensi lokal sama dengan efisiensi Murphree.E o = No N act

.

(C.1.)

Efisiensi tray total dihitung menggunakan grafik Drickamer & Bradford dan OConnell (Gambar C.1.). Data yang diperlukan untuk menghitung efisiensi tray adalah viskositas umpan (cP) dalam fraksi mol dan derajat penguapan relatif rata-rata hasil atas dan bawah. Derajat penguapan relatif merupakan perbandingan konstanta kesetimbangan komponen kunci ringan dengan kunci berat (persamaan C.2.). Grafik Drickamer & Bradford merupakan grafik hubungan antara viskositas rata-rata dalam mol dengan efisiensi tray dan grafik OConnell merupakan grafik hubungan antara viskositas rata-rata dalam mol kali derajat penguapan relatif rata-rata hasil atas dan bawah dengan efisiensi tray.Kl = T Kh

(C.2.)

C-2


Gambar C.1.

Grafik untuk menghitung efisiensi tray total untuk kolom absorber dan fraksinasi, korelasi OConnell dan korelasi Drickramer &Bradforrd (Ludwig, 1979)

Umpan masuk ke kolom pelucutan asetaldehid mempunyai temperatur 79,38o

C, dengan bantuan perangkat lunak Physpros

diperoleh harga viskositas seperti disajikan di Tabel 1. Harga efisiensi tray dihitung/dibaca di grafik Drickamer & Bradford dan diperoleh harga efisiensi tray (Eo) = 41 % atau 0,41. Harga derajat penguapan relatif rata-rata antara hasil atas dan bawah adalah 2,7074 dan harga perkalian dengan viskositas umpan 1,056, dari grafik Oconnell diperoleh efisiensi tray 0,475, sehingga efisiensi tray rata-rata adalah 0,4425. Jumlah tray teoretik dihitung dengan persamaan C.1. dan diperoleh jumlah tray teoretik adalah 0,4425 x 30 = 13,275 14

C-3


Tabel C.1. Viskositas komponen dan umpan ke kolom pelucutan asetaldehid pada temperatur 79,38 oC untuk konfigurasi proses 1

Komponen Air Etanol Asetaldehid 1-Propanol 1-Butanol Iso Butil Alkohol 2-Metil-1-Butanol 3-Metil-1-Butanol JumlahTabel

Komposisi fase cair (x) 0,50390 0,49309 0,00080 0,00040 0,00001 0,00040 0,00060 0,00080 1,00000

Viskositas komponen, cP 0,3475 0,4319 0,1190 0,6304 0,7699 0,8086 0,9221 0,9367

Viskositas campuran, cP 0,1751 0,2130 0,0001 0,0003 0,0000 0,0003 0,0006 0,0007 0,3901

C.2. Konstanta kesetimbangan dan derajat penguapan relatif umpan

Komponen Air Etanol Asetaldehid 1-Propanol 1-Butanol Iso Butil Alkohol 2-Metil-1-Butanol 3-Metil-1-Butanol Jumlah

Derajat pengKomposisi Konstanta kesetimuapan relatif , fase cair (x) bangan (cair jenuh) 0,5039 0,6719 1,0000 0,4931 1,3297 1,9790 0,0008 6,6904 9,9574 0,0004 0,4885 0,7270 0,0000 0,2063 0,3070 0,0004 0,4293 0,6389 0,0006 0,1254 0,1866 0,0008 0,1254 0,1866 1,0000

Tabel C.3. Konstanta kesetimbangan, derajat penguapan relatif hasil atas kolom pelucutan asetaldehid dan derajat penguapan relatif rata-rata hasil atas dengan umpan untuk konfigurasi proses 1

Komponen

Komposisi fase cair (x)

Konstanta kesetimba ngan (cair

rata-rata

C-4


jenuh) Air Etanol Asetaldehid 1-Propanol 1-Butanol Iso Butil Alkohol 2-Metil-1-Butanol 3-Metil-1-Butanol Jumlah 0,10411 0,89350 0,00197 0,00033 0,00001 0,00005 0,00001 0,00001 1,00000 1,03370 0,98450 6,39150 0,45310 0,18990 0,39690 0,11500 0,11500 1,000 0,952 6,183 0,438 0,184 0,384 0,111 0,111 1,000 1,466 8,070 0,583 0,245 0,511 0,149 0,149

Tabel C.4. Konstanta kesetimbangan, derajat penguapan relatif hasil bawah kolom pelucutan asetaldehid dan derajat penguapan relatif rata-rata hasil bawah dengan umpan pada konfigurasi proses 1

Konstanta Komposisi kesetimKomponen fase cair (x) bangan (cair jenuh) Air 0,79172 0,58130 Etanol 0,20810 2,59400 1-Propanol 0,00003 0,56470 1-Butanol 0,00001 0,24200 Iso Butil Alkohol 0,00010 0,49920 2-Metil-1-Butanol 0,00003 0,14790 3-Metil-1-Butanol 0,00001 0,14790 Jumlah 1,00000

1,00000 4,46241 0,97144 0,41631 0,85876 0,25443 0,25443

ratarata 1,00000 3,22071 0,84924 0,36167 0,74885 0,22053 0,22053

C.1.1.2. Perhitungan Jumlah Tray Teoritik C.1.1.2. 1. Perhitungan Tray Teoritik Bagian AtasKomponen kunci ditetapkan sebagai berikut;

C-5


Komponen kunci ringan Komponen kunci berat

: etanol : air

Jumlah tray di dalam alat pemisahan dihitung dengan metode Ackers and Wade. Harga L/Dmin tergantung dengan kondisi umpan. Pada kasus ini umpan berbentuk uap jenuh, sehingga persamaan yang digunakan seperti tersaji dibawah ini

L ( D )m in =

1 x iD -1 xiF

(

- (1- xiD ) - 1 iF

(1- x )

)

..(C.3)

Harga derajat penguapan relatif rata-rata hasil atas dan hasil bawah ( ) adalah 2,7074 sehingga diperoleh harga L/Dmin = 1,5331. Harga perbandingan laju alir refluk dan distilat dicoba-coba nilainya sehingga diperoleh jumlah tray teoretik total 14. Persamaan yang digunakan untuk menghitung jumlah tray bagian atas adalah persamaan C.4.. Hasil perhitungan disajikan di Tabel C.5..

()

xl xh 1

( L D ) ( x i ) n+ 1 + xD i = ( L D) ( x h ) n+ 1 + xD h 1 i

..

(C.4.)

C-6


Tabel C.5. Hasil perhitungan jumlah tray teoretik bagian atas pada kolom pelucutan asetaldehid untuk konfigurasi proses 1 Komponen Air Etanol Asetaldehid 1-Propanol 1-Butanol Iso Butil Alkohol 2-Metil-1-Butanol 3-Metil-1-Butanol Jumlah Cek perbandingan komponen ringan : berat fase cair Hasil atas 0,1041 0,8935 0,0020 0,0003 0,0000 0,0001 0,0000 0,0000 1,0000 8,582

( )

xl xh 1

x1 0,14565 0,85282 0,00034 0,00080 0,00004 0,00014 0,00014 0,00007 1,00000 5,855

( )

xl xh 2

x2 0,1854 0,8109 0,0001 0,0016 0,0002 0,0003 0,0010 0,0005 1,0000 4,374

( )xl xh

3

x3 0,2208 0,7649 0,0001 0,0029 0,0008 0,0007 0,0066 0,0033 1,0000 3,465

( )

xl xh 4

x4 0,2402 0,6890 0,0001 0,0049 0,0029 0,0012 0,0411 0,0206 1,0000 2,868

( )

xl xh 5

x5 0,1978 0,4906 0,0001 0,0061 0,0084 0,0017 0,1969 0,0984 1,0000 2,481

( )

xl xh 6

X6 0,0834 0,1962 0,0000 0,0038 0,0122 0,0012 0,4688 0,2344 1,0000 2,353

( )

xl xh 7

X7 0,023 0,067 0,000 0,001 0,009 0,001 0,599 0,299 1,000 2,918

1,00000 5,85540 0,00235 0,00549 0,00029 0,00097 0,00096 0,00048 6,86593

1,0000 4,3741 0,0007 0,0086 0,0010 0,0017 0,0053 0,0027 5,3941

1,0000 3,4650 0,0005 0,0132 0,0034 0,0030 0,0298 0,0149 4,5298

1,0000 2,8685 0,0004 0,0202 0,0120 0,0051 0,1712 0,0856 4,1631

1,0000 2,4808 0,0004 0,0308 0,0425 0,0087 0,9954 0,4977 5,0563

1,0000 2,3528 0,0004 0,0454 0,1458 0,0145 5,6230 2,8115 11,9934

1,0000 2,9185 0,0008 0,0555 0,4107 0,0199 26,0882 13,0441 43,5376

C-7


Perhitungan dihentikan setelah harga perbandingan komposisi (mol) fase cair antara komponen kunci ringan dengan berat pada umpan terletak pada harga perbandingan komposisi (mol) komponen ringan dengan komponen berat pada tray hasil perhitungan. Harga perbandingan fraksi mol komponen ringan dengan komponen berat

( )

xl untuk umpan 0,9785. Harga ini terletak antara tray 6-7, xh u

kecenderungan harga perbandingan mengalami penurunan selanjutnya bertambah besar. Jadi jumlah tray teoretik bagian atas adalah 6 buah dengan umpan terletak antara tray 6-7.

C.1.1.2.2. Perhitungan Jumlah Tray Teoretik Bagian BawahPerhitungan harga perbandingan Vs/B:

( L V ) r = 1 +1(L D) DL V

D

L

= 1+

11 2,7925

= 0,7363

Vr =

= 153,642 kmol

Lr = (L/D) D = 2,7925 x 40,5121 = 113,129 kmol Ls = Lr + Fq; q =0 Ls = 113,129 kmol Vs = Vr F (1-q) = 153,642 100 = 53,642 kmol Vs/B = 1,084

C-8


Persamaan untuk menghitung jumlah tray teoretik bagian bawah adalah persamaan C.5..

()

( Vs B ) ( y i ) n 1 + y B i yl = 1i V yh i s ( B ) ( y h ) n 1 + y B h

(C.5.)

dengan bantuan perangkat lunak Excell diperoleh hasil perhitungan yang disajikan di Tabel C.6.. Perhitungan dihentikan setelah harga perbandingan fraksi mol komposisi cair antara komponen kunci ringan dan berat umpan terletak diantara harga perbandingan fraksi mol komposisi cair antara komponen kunci ringan dan berat tray yang dihitung. Perhitungan harga perbandingan fraksi mol antara komponen kunci ringan dan berat menggunakan persamaan C.6..xl x h i = yl y h i

..

(C.6.)

Perbandingan komponen kunci ringan dengan komponen kunci berat pada umpan terletak pada tray ke 78, sehingga jumlah tray total adalah 7+8-1 = 14 buah. Hasil tengah/samping diambil antara tray 1-2. Setelah mencoba-coba harga R, diperoleh R = 1,8215 x (L/D) min = 2,7925.

C-9


Tabel C.6. Hasil perhitungan jumlah tray teoretik bagian bawah pada kolom pelucutan asetaldehid untuk konfigurasi proses 1

Komponen Air Etanol 1-Propanol 1-Butanol Iso Butil Alkohol 2-Metil-1-Butanol 3-Metil-1-Butanol Jumlah Cek perbandingan komponen ringan : berat fase cair

Y0 0,79172 0,20810 0,00003 0,00001 0,00010 0,00003 0,00001 1,00000 0,2628

( )

yl yh 1

y1 0,335617 0,664339 0,000011 0,000001 0,000030 0,000002 0,000001 1,000000 0,6146

( )

yl yh 2

y2 0,278763 0,721202 0,000009 0,000001 0,000024 0,000002 0,000001 1,000000 0,8033

( )

yl yh 3

y3 0,255460 0,744507 0,000008 0,000001 0,000022 0,000002 0,000001 1,000000 0,9049

( )

yl yh 4

y4 0,246334 0,753634 0,000008 0,000001 0,000021 0,000002 0,000001 1,000000 0,9499

( )

yl yh 5

1,000000 1,979456 0,000032 0,000003 0,000089 0,000006 0,000003 2,979589

1,000000 2,587151 0,000031 0,000003 0,000085 0,000006 0,000003 3,587279

1,000000 2,914378 0,000031 0,000003 0,000085 0,000006 0,000003 3,914507

1,000000 3,059401 0,000031 0,000003 0,000086 0,000007 0,000003 4,059530

1,000000 3,118081 0,000031 0,000003 0,000086 0,000007 0,000003 4,118211

C - 10


Komponen Air Etanol Asetaldehid 1-Propanol 1-Butanol Iso Butil Alkohol 2-Metil-1-Butanol 3-Metil-1-Butanol Jumlah Cek perbandingan komponen ringan : berat fase cair

y5 0,242824 0,757145 0,000008 0,000001 0,000021 0,000002 0,000001 1,000000 0,9681

( )

yl yh 6

y6 0,241483 0,758485 0,000007 0,000001 0,000021 0,000002 0,000001 1,000000 0,9752

( )

yl yh 7

y7 0,240973 0,758996 0,000000 0,000007 0,000001 0,000021 0,000002 0,000001 1,000000 0,9780

( )

yl yh 8

y8 0,240778 0,759190 0,000000 0,000007 0,000001 0,000021 0,000002 0,000001 1,000000 0,9790

Umpan 0,5039 0,4931 0,0008 0,0004 0,0000 0,0004 0,0006 0,0008 1,0000 0,9785

1,000000 3,140944 0,000031 0,000003 0,000086 0,000007 0,000003 4,141074

1,000000 3,149720 0,000000 0,000031 0,000003 0,000086 0,000007 0,000003 4,149850

1,000000 3,153069 0,000000 0,000031 0,000003 0,000086 0,000007 0,000003 4,153199

C - 11


C.1.2. Kolom PemekatanHasil bawah dari kolom pelucutan asetaldehid selanjutnya dipisahkan lagi, sehingga diperoleh etanol 95%. Metode perhitungan jumlah tray pada kolom pemekatan sama dengan perhitungan pada kolom pelucutan asetaldehid.

C.1.2.1. Perhitungan Efisiensi Tray TotalViskositas umpan dihitung pada temperatur 82,80oC, dan hasilnya disajikan di Tabel C.7. Harga efisiensi tray total dihitung menggunakan grafik Drickamer & Bradford diperoleh harga efisiensi tray (Eo) = 15 % atau 0,15. Harga derajat penguapan relatif rata-rata antara hasil atas dan bawah (lihat Tabel C.8. dan C.9.) adalah 7,1643; dan harga perkalian dengan viskositas umpan 8,77 sehingga diperoleh efisiensi tray 0,30 (grafik OConnell). Efisiensi tray rata-rata adalah 0,225. Jumlah tray teoretik adalah 0,225 x 54 = 12,15 13.Tabel C.7. Viskositas komponen dan umpan ke kolom pemekatan pada temperatur 82,80 oC

Komponen Air Etanol 1-Propanol 1-Butanol Iso Butil Alkohol 2-Metil-1-Butanol 3-Metil-1-Butanol Jumlah

Komposisi fase cair (x) 0,79172 0,20810 0,00003 0,00001 0,00010 0,00003 0,00001 1,00000

Viskositas komponen, cP 0,3333 0,4105 0,5928 0,7222 0,7531 0,8573 0,8741

Viskositas campuran, cP 0,2639 0,0854 0,0000 0,0001 0,0000 0,0000 0,8741 1,2235

C - 12


Tabel C.8. Konstanta kesetimbangan, derajat penguapan relatif hasil atas kolom pemekatan dan derajat penguapan relatif rata-rata hasil atas dengan umpan untuk konfigurasi proses 1

Konstanta Komponen Komposisi fase cair (x) 0,1064 0,8935 0,0001 1,0000 kesetimbangan (cair jenuh) 0,4681 1,0633 0,4926 ratarata 1,0000 2,2503 1,0674

Air Etanol 1-Propanol Jumlah

1,0000 2,2715 1,0523

Tabel C.9. Konstanta kesetimbangan, derajat penguapan relatif hasil bawah kolom pemekatan dan derajat penguapan relatif rata-rata hasil bawah dengan umpan untuk konfigurasi proses 1

Komponen Air Etanol 1-Propanol 1-Butanol Iso Butil Alkohol 2-Metil-1-Butanol 3-Metil-1-Butanol Jumlah

Komposisi fase cair (x) 0,99934 0,00045 0,00001 0,00001 0,00013 0,00004 0,00002 1,00000

Konstanta kesetimbangan 0,9996 2,2094 1,0934 0,5072 0,7515 0,2450 0,2450 1,0000 2,2103 1,0938 0,5074 0,7518 0,2451 0,2451 rata-rata 1,00000 2,21967 1,08811 0,50022 0,74442 0,23990 0,23990

C.1.2.2. Perhitungan Jumlah Tray TeoritikMetode perhitungan jumlah tray adalah sama seperti pada kolom pelucutan asetaldehid.. Pada kasus ini umpan masuk ke kolom pemekatan mempunyai fase cair jenuh. Untuk menghitung perbandingan

C - 13


laju alir distilat dan refluks minimum menggunakan persamaan C.7.. Pada kondisi cair jenuh, harga q = 1.

L ( D ) m in =

1 -1

(

xiD xiF

- (1-- xiD)) (1 xiF

)

.. (C.7.)

Harga derajat penguapan relatif rata-rata antara hasil atas dan hasil bawah ( ) =7,1643 sehingga diperoleh harga L/Dmin = 0,5402 Untuk menghitung jumlah tray teoretik total, nilai perbandingan laju alir distilat dan refluks dicoba-coba besarnya, sehingga diperoleh jumlah tray teoretik total 13. Perhitungan jumlah tray teoretik bagian atas menggnakan persamaan C.4., dan bagian bawah menggunakan persamaan C.5.. Hasil perhitungan disajikan di Tabel C10. dan Tabel C.11.. Harga R yang diperoleh adalah 2,1393 dan harga Vs/B = 0,9511

( L V ) r = 1 +1(L D) DL V

D

L

= 1+

11 2,1393

= 0,6815

Vr =

= 36,1229 kmol

Jumlah tray teoetik total adalah = 8+6-1 = 13, dengan umpan terletak antara tray 7-8. Perhitungan neraca massa dan panas di konfigurasi proses 1 menggunakan harga R1 dan R2 yang diperoleh.

C - 14


Komponen Air Etanol 1-Propanol Jumlah Cek Perbandingan

Hasil atas 0,1064 0,8935 0,0001 1,0000 8,398

( )

Tabel C.10. Hasil perhitungan jumlah tray teoretik bagian atas pada kolom pemekatan untuk konfigurasi proses 1

xl xh 1

X1 0,2438 0,7558 0,0003 1,0000 3,100

( )

xl xh 2

X2 0,4037 0,5956 0,0008 1,0000 1,475

( )

xl xh 3

X3 0,5472 0,4514 0,0014 1,0000 0,825

( )

xl xh 4

X4 0,6490 0,3488 0,0022 1,0000 0,537

( )

xl xh 5

X5 0,709 0,287 0,003 1,000 0,405

( )

xl xh 6

X6 0,7414 0,2541 0,0045 1,0000 0,343

( )

xl xh 7

X7 0,7567 0,2371 0,0062 1,0000 0,313

( )

xl xh 8

X8 0,1467 0,0384 0,8148 1,0000 0,262

1,0000 3,0997 0,0014 4,1011

1,0000 1,4754 0,0019 2,4773

1,000 0,825 0,003 1,827

1,0000 0,5374 0,0034 1,5407

1,000 0,405 0,005 1,409

1,0000 0,3427 0,0061 1,3488

1,0000 0,3134 0,0081 1,3215

4,1011 1,0743 22,776 27,952 0,263

Tabel C.11. Hasil perhitungan jumlah tray teoretik bagian bawah pada kolom pemekatan untuk konfigurasi proses 1 Komponen Air Etanol 1-Propanol 1-Butanol Iso Butil Alkohol 2-Metil-1-Butanol 3-Metil-1-Butanol Jumlah Cek perbandingan komponen ringan : berat fase cair Hasil bawah (x0) 0,972454 0,027403 0,000008 0,000005 0,000118 0,000007 0,000003 1,000000 0,00045

( )

yl yh 1

y1 0,972454 0,027403 0,000008 0,000005 0,000118 0,000007 0,000003 1,000000 0,0032

( )

yl yh 2

y2 0,890463 0,109411 0,000008 0,000004 0,000104 0,000006 0,000003 1,000000 0,0138

( )

yl yh 3

y3 0,664484 0,335424 0,000006 0,000003 0,000077 0,000005 0,000002 1,000000 0,0566

( )

yl yh 4

y4 0,364103 0,635846 0,000003 0,000002 0,000042 0,000003 0,000001 1,000000 0,1958

( )

yl yh 5

y5 0,199571 0,800400 0,000002 0,000001 0,000023 0,000002 0,000001 1,000000 0,4497

Umpan 0,79172 0,20810 0,00003 0,00001 0,00010 0,00003 0,00001 1,00000 0,2628

1,000000 0,028180 0,000009 0,000006 0,000121 0,000008 0,000004 1,028326

1,000000 0,122870 0,000009 0,000005 0,000117 0,000007 0,000003 1,123011

1,000000 0,504788 0,000009 0,000005 0,000115 0,000007 0,000003 1,504928

1,000000 1,746336 0,000009 0,000005 0,000116 0,000008 0,000004 2,746477

1,000000 4,010596 0,000008 0,000006 0,000117 0,000009 0,000004 5,010741

C - 15


C - 16

74-1- lampiran c perhitungan efisiensi tray proses 1

Documents