modul 10 batch distillation - ub

MODUL 10

CC-BATCH(Introduction to BATCH DISTILLATION and case study)

oleh :

A.D.A. Feryanto([email protected])

ChemCAD TrainingJurusan Teknik Kimia Universitas Surabaya (UBAYA)Surabaya, 13 18 Februari 2006

PT. Ingenious ( a subsidiary of Ingenious Inc. Houston, USA)Authorized ChemCAD distributor in South East Asia Limus Pratama Regency B7/20 Cileungsi Bogor 16820 Telp/Fax : 021-82498901

Training ChemCAD TK-UBAYA, Surabaya (13-18 Februari 2006)

Batch Distillation: Parameter kolomNumber of stages: Yaitu jumlah tahap, termasuk tahap kondensor dan tahap reboiler. Jumlah tahap maximum adalah 100 untuk metode inside-out dan metode koreksi-simultan. Number of operations steps: Masukan jumlah step operasi. Untuk setiap step operasi, dapat di-set dua variabel. Untuk mengubah operasi kolom, step operasi yang baru harus didefinisikan. Tidak ada batasan jumlah step operasi. Condenser type: Masukan tipe kondensor dengan pilihan sebagai berikut: 0 Total condenser 1 Partial condenser 2 Total condenser with decant 3 Partial condenser with decant Pada pilihan 0, kondensor total dua-fasa, distilat berupa cairan. Pada pilihan 1, kondensor dua fasa, distilat hanya berupa uap yang berasal dari kondensor. Jika digunakan kondensor parsial, dan diinginkan sebagian dari carian yang berasal dari kondensor dilepaskan sebagai produk atas, maka aliran samping yang keluar dari tahap 1 (tahap kondensor) harus di-spesifikasikan. Pada pilihan 2, yaitu kondensor total tiga-fasa dengan dekanter, dimana pada kondensor ini terbentuk dua fasa cair. Anda dapat menentukan fasa yang direfluks, dan fasa yang dilepaskan sebagai produk. Fasa distilat selalu berupa fasa cair ringan. Normalnya, sudah tentu, satu fasa didekantasi total, tetapi pendekantasian ini tidak diperlukan. Dua fasa cair dihitung dengan teknik komputasi tiga-fasa rigorous. Porsi cairan dari tiap fasa yang menuju dekanter dispesifikasikan sebagai upper layer/lapisan atas (alpha) dan lower layer /lapisan bawah (beta). Pada pilihan 3, kondensor tiga fasa dengan dekanter, satu uap dan dua fasa cair. Distilatnya berupa uap. Dua fasa cair tersebut didekantasi atau direfluks. Anda dapat menspesifikasikan berapa banyak dari tiap-tiap fasa cair yang didekantasi dan berapa banyak yang direfluks, dengan mengisikan pada field upper layer (alpha) dan lower layer (beta). Condenser pressure: Masukan tekanan kondensor. Jika tidak ada kondensornya, field ini menyatakan tekanan atas kolom. Satuannya ditunjukan pada layar. Cond. P drop: Masukan pressure drop sepanjang kolom dengan satuan yang sesuai. Angka ini akan ditambahkan ke angka tekanan tray teratas untuk menentukan tekanan bawah kolom. Pada kondisi default, tekanan tray yang berada ditengah-tengahnya akan ditentukan dengan interpolasi antara tekanan atas dan tekanan bawah kolom. P profile: Jika anda tidak menginginkan tekanan tray intermediet ditentukan dengan interpolasi linier antara tekanan atas dan tekanan bawah kolom, profil tekanan dapat dimasukan. Jika hal ini diinginkan, letakan check-mark. Setelah menu ini, menu pressure profile akan muncul. Lengkapi sesuai dengan jumlah tahap yang diinginkan. BATC akan menginterpolasi untuk menentukan tekanan pada tahap-tahap yang tersisa. Holdup units: Pilih satuan holdup. 0 Volume 1 Mole 2 Mass

A.D.A. Feryanto ([email protected])

2


Condenser holdup: Masukan angka holdup kondensor dalam field ini. Jika tidak dimasukan maka program menganggap holdup bernilai nol. Stage holdup: Banyaknya cairan yang terdapat pada tiap tahap akan berdampak pada neraca massa dan neraca energi kolom batch. Maka dari itu, penting untuk memasukan angka holdupnya disini. Holdup dapat bersatuan mol, volume, atau satuan massa. Jika dikosongkan, maka diasumsikan bernilai nol. Holdup profile: Jika dinyatakan lain, holdup untuk tiap-tiap tahap adalah sama. Jika diinginkan, user dapat mendefinisikan holdup yang berbeda-beda dengan mengisikan check mark. Setelah menu ini, menu holdup profile akan muncul. Lengkapi sesuai dengan jumlah tahap yang diinginkan. BATC akan menginterpolasi untuk menentukan holdup pada tahap-tahap tersisa. (Convergence) method: Metode untuk mengkonvergensikan itersai pada kolom batch yaitu: Inside-out: Metode default karena lebih stabil. Simultaneous correction: Metodenya lambat, tapi lebih stabil. Lebih disukai untuk campuran non-ideal dan pemisahan azeotrop. Dapat digunakan untuk menspesifikasikan efisiensi tray. Damping factor: Faktor ini digunakan untuk menambah kestabilan dengan meredam (damping) ukuran tebakan, sehingga osilasi dapat dicegah. Nilai 0.25 hingga 0.50 dapat dimasukan disini jika ditemui masalah konvergensi. Tolerance: Faktor penskalaan untuk toleransi default. Jika toleransi diperkecil, masukan 0.1 atau 0.001. Angka toleransi hanya berpengaruh bila digunakan metode inside-out. Disable Run Time Plot: Selama eksekusi distilasi batch, program akan menampilkan plot yang menyajikan variabel yang dipilih. Checkmark pada pilihan ini, akan menon-aktifkan fungsi plot. Stage efficiency, top stage: Masukan efisiensi Murphree tray. Default-nya 1.0. Angka ini hanya digunakan oleh metode Koreksi Simultan.Efisiensi tray intermediet ditentukan dengan cara interpolasi antara tahap teratas dan terbawah. Stage efficiency, last stage: Masukan efisiensi Murphree tray. Default-nya 1.0. Angka ini hanya digunakan oleh metode Koreksi Simultan.Efisiensi tray intermediet ditentukan dengan cara interpolasi antara tahap teratas dan terbawah. Operation step number: Masukan nomor step jika hanya satu step saja yang ingin dieksekusi. Parameter Operasi Distilasi Batch: Umum Start-up option: Sejumlah tahapan operasi dapat dimulai dengan salah satu dari cara berikut: 0 start-up from current contents: Pilihan ini terkait dengan seluruh step, kecuali step 1. Merupakan default. Dengan menggunakan pilihan ini, program akan memilih data kolom dari step operasi sebelumnya dan berlanjut dari keadaan tersebut. 1 Start-up from total reflux:


3


Pada pilihan ini, program menghitung komposisi keadaan stedi tiap tray pada keadaan refluks total. Profil T, P, X dan Y ini digunakan sebagai titik awal simulasi. Beban cairan tray disamakan dengan holdup tray. Distillate tank assignment: Masukan nomor ID TANK pada flowsheet untuk memisahkan distilat dari tiap step operasi. Keluaran dari TANK akan merupakan jumlah dari aliran distilat tiap step (isi dari akumulator). Jika digunakan tangki yang sama untuk banyak step operasi/lebih dari satu step operasi, isi tank merupakan jumlah aliran distilat untuk semua step operasi. Jika ID yang dispesifikasikan bukan TANK, maka spesifikasi disini akan diabaikan. Specifications: Untuk tiap step operasi, user harus membuat dua spesifikasi untuk membatasi model dengan benar. Masukan jenis spesifikasi yang akan dibuat. Opsi yang tersedia: First spec. 0 Reflux ratio 1 Condenser duty 2 Distillate temperature 3 Distillate component mole fraction 4 Distillate component weight fraction 5 Reflux Mole Rate Second Spec. 0 Distillate mole rate 1 Distillate mass rate 2 Distillate volume rate 3 Reboiler duty 4 Boil-up mole rate 5 Boil-up mass rate

Untuk distilasi batch sederhana, dimana digunakan sebuah pot distilasi tanpa refluks, set jumlah tahap sama dengan dua dan rasio refluks bernilai 0.0. Untuk model distilasi dengan dua fasa cair dan dekantasi, disarankan untuk menspesifikasikan spesifikasi relatif terhadap kondensor dan sari spesifikasi relatif terhadap reboiler. Condenser sub-cooled: Jika digunakan kondensor sub-cooled, satu tambahan spesifikasi harus ditambahkan, , dapat berupa temperatur sub-cooled atau derajat sub-cooled. Integration time step: Time step (hour): Default-nya step integrasi adalah tiga menit (0.05 jam). Frekuensi integrasi ini dapat diatur-atur. Semakin besar frekuensinya, semakin besar akurasi hasil yang didapatkan, akan tetapi memperlambat perhitungan. Recording time step: Default-nya hasil dicatatkan setiap tiga time step. Frekuensi pencatatan ini juga dapat diatur. Stopping the operation step: Modul BATC memerlukan spesifikasi kapan untuk memberhentikan perhitungan. Kriteria pemberhentian bisa berupa spesifikasi waktu, atau spesifikasi keadaan (event) yang dicapai. Jika krteria pemberhentian adalah waktu, maka diperlukan spesifikasi waktu. Jika kriteria pemberhentian berupa keadaan, program harus diberitahukan mengenai: 1. Dimana keadaan akan terjadi 2. Jenis keadaan 3. Nilai numerik dari keadaan. Stop option:


4


Dimana keadaan akan terjadi disebut dengan stop option. Pilihan yang terdapat: Time The accumulator The Distillate The bottoms or pot User harus memilih salah satu dan memasukan nilainya. Stop mode: Mode stop menspesifikasikan keadaan yang akan memberhentikan perhitunga. Pilihan yang tersedia: Total moles Total mass Total volume Mole fraction of a component or group of components Weight fraction of a component or group of components Volume fraction of a component or group of components Maximum purity of a component or group of components Minimum purity of a component or group of components Temperature Mode stop diperlukan jika opsi stop terjadi pada akumulator, distilat atau bottom. Stop value: Field ini berisi nilai numerik dari spesifikasi yang dipilih. Component position: Jika mode stop menunjukan kemurnian, maka user harus mengidentifikasikan komponen-komponen yang terlibat. Jika hanya satu komponen, pilih komponen tersebut melalui daftar yang tersedia. Jika sekelompok komponen diikutkan dalam spesiikasi kemurnian yang diinginkan, user harus memilih komponen pertama dan terakhir dalam kelompok. Stop tolerance: Angka ini menentukan seberapa dekat syarat konvergensi ditemui sebelum perhitungan program dihentikan. Toleransi pemberhentian adalah kesalahan relatif. Nilai yang didapatkan dikurangi dengan nilai yang diinginkan, kemudian dibagi dengan nilai yang diinginkan. Hasilnya harus lebih kecil dari toleransi. Defaultnya 0.001. Minimum run time: User dapat menspesifikasikan waktu run minimum. Program akan terus melanjutkan step operasi yang sedang berjalan jika stop event terjadi sebelum waktu run minimum.


5


Studi Kasus 1 : Batch DistillationDESKRIPSI PERMASALAHAN4 komponen akan dipisahkan menggunakan cara distilasi batch seperti tampak pada gambar di bawah ini.Kolom 8 tahap dilengkap kondenser dan reboiler 5 tahap operasional Pindahkan akumulator sat mulai tahap 3 dan 4

Kondisi umpan mula-mula Temperatur : bubble point Tekanan : 16,7 psia Jumlah umpan : 100 lbmol Propana Butana Pentana Heksana : 0,1 (frak mol) : 0,3 : 0,1 : 0,5

Bahan yang ditambahkan pada tahap operasional 3 Temperatur : bubble point Tekanan : 16,7 psia Butana Heksana Jumlah total : 40%-mol : 60%-mol : 20 lbmol

Metode termodinamika (K-value) : Peng-Robinson (entaphi) : Peng-Robinson Kondisi umpan mula-mula Temperatur : akan dihitung Tekanan : 16,7 psia Fraksi uap : 0 (pada titik gelembungnya / bubble point) Jumlah umpan : 100 lbmol Fraksi mol masing-masing komponen dalam umpan Propana : 0,1 Butana : 0,3 Pentana : 0,1 Heksana : 0,5 Spesifikasi kolom Jumlah tahap internal Jumlah operasi Hold up tahap internal Hold up kondenser Tekanan kondenser Pressure drop kolom

:8 :5 : 0,01 ft3 : 0,1 ft3 : 14,7 psia : 2 psia


6


Spesifikasi tahapan operasionalNomor operasi Tujuan Reflux ratio Laju alir mol distilat Stop option location Stop mod Stop value Component Bahan yang ditambahkan 1 Pemisahan propana 5 2 distilat fraksi mol 0.2 butana tidak 2 Pemisahan propana 20 2 distilat fraksi mol 0.985 butana tidak 3 Produksi butana 25 2 akumulator fraksi mol 0.99 butana ya 4 Pemisahan pentana 15 2 distilat fraksi mol 0.2 heksana tidak 5 Pemisahan pentana 25 2 bottom fraksi mol 0.9998 heksana tidak

Kondisi bahan yang ditambahkan pada operasi 3 Temperatur : akan dihitung Tekanan : 16,7 psia Fraksi uap : 0,001 Butana : 40%-mol Heksana : 60%-mol Jumlah total : 20 lbmol

LANGKAH-LANGKAH MELAKUKAN SIMULASI DENGAN MODUL CCBATCH1. GettingstartedwithChemCAD2.

Memulaipekerjaanbaru(nama file = bacth distillation 1)

3. Menentukansatuan(untuk tutorial ini, gunakan Satuan British)

4. Membuat/mengambardiagramalirMeletakkan simbol-simbol unit operasi yang digunakan Menyambungkannya dengan aliran-aliran


7


5. Memilihkomponenkomponenyangterlibat(propana, n-butana, i-pentana, n-heksana)

6. Memilihsistemtermodinamika(Peng-Robinson)

7. Memasukkan spesifikasi dan parameter pada unit operasi yang digunakan.Setelah klik 2 kali simbol Batch Distillation (ID 1) maka akan muncul menu sebagai berikut :

POT CHARGE Data ini menerangkan kondisi termodinamik, jumlah, dan komposisi umpan. Karena berlangsung secara batch, maka bukan data laju alir (rate) yang ditampilkan. BATCH COLUMN Data ini menggambarkan karakteristik kolom, seperti jumlah tahap, hold up, tekanan, tahap umpan sebagai penampung, lokasi keluar produk samping, lokasi pemanas/pendingin, luas perpindahan panas, koefisien perpindahan panas keseluruhan, temperatur ambien. OPERATION PARAMETERS Data ini menerangkan keadaan kolom selama tahapan-tahapan operasi berlangsung, seperti perbandingan refluks, laju distilat, SET SCREEN INFORMATION Data ini menerangkan Memasukkan komposisi dan kondisi umpan mula-mula. Dengan memilih menu Pot Charge hingga muncul kotak dialog berikut ini

Lalu diisikan sesuai dengan komposisi dan kondisi awal umpan yang telah didefinisikan di atas.


8


Memasukkan konfigurasi dan karakteristik kolom Dengan memilih menu Batch Column hingga muncul kotak dialog sebagai berikut :

Mendefinisikan tahapan-tahapan operasional Dengan memilih menu Operation Parameters hingga muncul kotak dialog sebagai berikut : Tahap operasional 1

Tahap operasional 2


9


Tahap operasional 3


10


Tahap operasional 4

Tahap operasional 5

Memasukkan informasi/parameter selama proses simulasi berlangsung Dengan memilih menu Set Screen Informations, hingga muncul kotak dialog sebagai berikut :


11


Dengan menu ini, kita dimungkinkan untuk memilih variable mana yang akan muncul dalam grafik selama proses simulasi berlangsung. Opsi yang beragam dapat ditampilkan dalam grafik selama simulasi. Untuk contoh ini, kita akan manampilkan fraksi mol distilat seluruh komponen dalam grafik selama simulasi berlangsung.

Seluruh informasi yang diperlukan sudah terisikan ke dalam sistem, sehingga kita siap untuk melakukan simulasi. Klik [Exit].

8. Menjalankansimulasi

Pada akhir simulasi, kita akan mendapatkan grafik-grafik sebagai berikut :


12


9. Menampilkanhasilsimulasidalamgrafik


13



14


10. Menampilkanhasilsimulasidalambentuktabulasi

11. MembuatlaporanlengkapUntuk membuat laporan yang lengkap tentang hasil simulasi distilasi batch secara tabulasi dapat dilakukan dengan cara : - Klik Ouput pada menu bar. - Klik Report, hingga muncul Report Menu - Klik Batch/Dynamic Results pada Report Menu, hingga muncul kotak dialog sebagai berikut :


15


Isikan sesuai dengan keperluan yang akan dilaporkan, lalu klik [OK]. Kita akan kembali ke Report Menu dan klik Calculate and Give Results untuk memunculkan hasil.


16


Studi kasus 2 : CONTOH LAIN APLIKASI DISTILASI BATCH Deskripsi permasalahanSebuah kolom yang ekivalen dengan 36 tahap (termasuk reboiler dan kondenser) dirancang untuk memisahkan minyak akar wangi (citronella oil) menjadi komponen-komponennya, yaitu (1) citronellal dan (2) campuran citronellol dan geraniol. Proses harus berlangsung pada tekanan sangat rendah, yaitu 1 mmHg untuk menghindari kerusakan komponen karena panas. CC-BATCH dapat digunakan untuk memperkirakan kondisi dan karakterisasi pemisahan melalui distilasi batch ini.

Spesifikasi tahap operasionalNomor operasi Tujuan Reflux ratio Laju alir mol distilat Stop option location Stop mod Stop value 1 Produksi citronellal 3 0.12 kmol/jam distilat waktu 6.6 2 Produksi citronellol + geraniol 3 0.12 kmol/jam distilat waktu 1

Catatan : Komponen-komponen citronellal, citronellol, dan geraniol tidak terdapat dalam bank data ChemCAD. Oleh sebab itu harus ditambahkan dengan mengisikan beberapa data minimum yang diperlukan agar ChemCAD dapat memprediksi propertis seluruh komponen tersebut.citronellal Komponen Berat molekul (kg/kmol) 154,25 Temperatur kritik (oC) 404,77 Tekanan kritik (mmHg) 20915,2 Volume kritik (m3/kmol) 0,5285 Acentric factor 0,4694 Specific gravity , 60 F 0,858703 Titik didih normal (oC) 205,5 Polynomial Ideal Gas Heat Capacity (cal/mol K) Koef. A -5,5497 Koef. B 0,21113 citronellol 156,27 403,04 19484,9 0,5625 0,72389 0,855567 226 -0,2328 0,23003 geraniol 154,25 390,06 14958,3 0,605 0,77107 0,875811 229 1,4942 0,21508


17


-1,396 . 10 Koef. C -8,5636 . 10-5 3,488 . 10-8 Koef. D 4,8924 . 10-8 3 Data densitas fasa cair (kmol/m ) persamaan 105 47,219 Koef. A 45,808 2,7167 Koef. B 2,6501 676,19 Koef. C 677,92 -0,26169 Koef. D -0,27299 Panas penguapan (J/kmol) persamaan 100 1,8522 . 108 Koef. A 1,5461 . 108 2,4749 Koef. B 2,7285 -2,122 Koef. C -2,5164

-4

1,3313 . 10-4 3,4311 . 10-8 45,308 2,617 663,21 -0,25957 2,5133 . 108 3,0466 -2,5472 203270 431,84 -0,094031 1,9517 . 10-4

Kapasitas panas fasa cair (J/kmol K) persamaan 100 206710 Koef. A 137100 360,47 Koef. B 351,21 0,28872 Koef. C 0,61347 -2,0183 . 10-4 Koef. D 3,8356 . 10-4

Beberapa tampilan hasil (grafik dan tabulasi) simulasi CC-Batch untuk contoh di atas.


18



19

modul 10 batch distillation - ub

Documents