Prinsip Perhitungan Kolom Absorbsi [PDF]

Citation preview

BAB II ABSORPSI DAN STRIPPING II.1 ABSORPSI dan STRIPPING Absorpsi



adalah



proses



pemisahan



bahan



dari



suatu



campuran gas dengan cara pengikatan bahan tersebut pada permukaan absorben cair yang diikuti dengan pelarutan. Kelarutan gas yang akan diserap dapat disebabkan hanya oleh gaya-gaya fisik (pada absorpsi fisik) atau selain gaya tersebut juga oleh ikatan kimia (pada absorpsi kimia). Komponen gas yang dapat mengadakan ikatan kimia akan dilarutkan lebih dahulu dan juga dengan kecepatan yang lebih tinggi. Karena itu absorpsi kimia mengungguli absorpsi fisik. Stripping adalah proses pemisahan yang cara kerjanya sama dengan proses absorbsi hanya solute yang akan dipisahkan berupa fase liquid sedangkan pelarutnya fase gas. II.2



Fungsi dari Proses Absorpsi dan Stripping dari Dilute Mixtures Absorpsi dan stripping merupakan metode umum untuk : a) b)



Menghilangkan



impuritis



Menghilangkan



impuritis



dari



gas



dari



(absorpsi) liquid



atau



(stripping).



Hal ini dilakukan dengan mengalirkan absorben liquid (pelarut) secara countercurrent terhadap campuran uap/gas (absorpsi) atau suatu vapor



countercurrent terhadap campuran liquid



(stripping).



1



II.3 Fungsi Absorbsi dalam industri Tujuan proses Absorpsi dalam dunia Industri adalah : Meningkatkan nilai guna dari suatu zat dengan cara merubah fasenya Contoh : Formalin yang berfase cair berasal dari formaldehid yang berfase gas (Formalin adalah larutan formaldehida dalam air, dengan kadar antara 10%-40%) dapat dihasilkan melalui proses absorbsi. Formaldehid sebagai gas input dimasukkan ke dalam reaktor, dimana di dalam air formaldehid akan mengalami proses polimerisasi.. Output dari reaktor yang berupa gas yang mempunyai suhu 1820C didinginkan pada kondensor hingga suhu 550C, dimasukkan ke dalam absorber. Keluaran dari absorber pada tingkat I mengandung larutan formalin dengan kadar formaldehid sekitar 37 – 40%. Bagian terbesar laiinnya terdiri dari metanol, air, dan formaldehid dikondensasi di bawah air pendingin bagian dari menara, dan hampir semua removal dari sisa metanol dan formaldehid dari gas terjadi dibagian atas absorber dengan counter current contact dengan air proses.



Scrubber untuk CO2 HE



Absorber



GAS



N2



Stripper



GAS



CO2



LIQUID Solven



Solven dan CO2



LIQUID



N2 dan CO2



GAS



Steam Solven dan CO2



Solven



Absorpsi dan Stripping



7



Gambar 1. Contoh Penyerapan CO2



2



II.4 Kolom Absorpsi Adalah suatu kolom atau tabung tempat terjadinya proses pengabsorbsi



(penyerapan/penggumpalan)



dari



zat



yang



dilewatkan di kolom/tabung tersebut. Proses ini dilakukan dengan melewatkan zat yang terkontaminasi oleh komponen lain dan zat tersebut dilewatkan ke kolom ini dimana terdapat fase cair dari komponen tersebut. II.4.1 Struktur dalam absorber (Kolom Absorpsi)



Gambar 2, Bagan kolom Absorpsi



Bagian a : Spray untuk megubah gas input menjadi fase cair. Bagian b : out put gas keluar Bagian c : in put pelarut masuk Bagian d : out put pelarut dan gas terserap keluar Bagian e : tempat pencampuran pelarut dan umpan Bagian f : Packed tower untuk memperluas permukaan sentuh sehingga mudah untuk diabsorbsi



3



II. 4.2 Prinsip Kerja Kolom Absorbsi 1. Kolom absorbsi adalah sebuah kolom, dimana ada zat yang berbeda fase mengalir berlawanan arah yang dapat menyebabkan komponen kimia ditransfer dari satu fase cairan ke fase lainnya, terjadi hampir pada setiap reaktor kimia.



Proses



ini



dapat



berupa



absorpsi



gas,



destilasi,pelarutan yang terjadi pada semua reaksi kimia. 2. Campuran gas yang merupakan keluaran dari reaktor diumpankan kebawah menara absorber. Didalam absorber terjadi kontak antar dua fasa yaitu fasa gas dan fasa cair mengakibatkan perpindahan massa difusional dalam umpan gas dari bawah menara ke dalam pelarut air sprayer yang diumpankan dari bagian atas menara. Peristiwa absorbsi ini terjadi pada sebuah kolom yang berisi packing atau plate dengan tingkat sesuai kebutuhan.



II.5



Peralatan Absorpsi dan Stripping



4



Gambar 3. Type-tipe Kolom Absorpsi II.5.1 Tray Tower



Gambar 4. Tray Tower II.5.2 Packed Tower Dalam tower (menara) ini berisi packing, liquida didistribusi diatas packing dan mengalir kebawah membentuk lapisan tipis di permukaan packing. Gas umunya mengalir keatas berlawanan arah terhadap jatuhnya liquid. Kedua fasa (liquid & gas) akan teraduk sempurna. Tower/kolom berpacking ini digunakan bila perpindahan massa dikendalikan oleh kedua tahanan baik gas maupun liquid



5



Gambar 5. Packed Tower Ada beberapa bentuk packing yaitu : a). Rasching Ring, b).Berl saddle, c).Pull ring, d).Intalox metal, e).Jaeger metal Tri-pack (lihat Geankoplis). Berikut adalah bentuk packing yang dibuat dari keramik :



a



b



c



d



Gambar 6. a. ceramic support grid, b. ceramic ball, c.ceramic cascade ring, d.ceramic berls-saddles



e



f



g



h



Gambar 7. e.ceramic dome, f.ceramic conjugate ring, g.ceramic saddle, h.ceramic rashing ring II.5.3 Spray Tower



6







Liquida masuk dispraykan dan jatuh karena gravitasi, aliran gas naik berlawanan arah. Nozzle (lubang) spray berfungsi untuk memperkecil ukuran liquida. Jarak jatuhnya liquid ditentukan berdasarkan waktu kontak dan pengaruh jumlah massa yang dipindahkan







Spray Tower digunakan untuk perpindahan massa gas-gas yang sangat mudah larut dimana tahanan fasa gas yang menjadi kendali dalam fenomena ini



Gambar 8. Spray Tower II.5.4 Bubble Tower Bubble Tower pada prinsipnya merupakan kebalikan dari spray tower. Dalam tower ini gas terdispersi kedalam fasa liquid membentuk



gelembung



kecil.



Gelembung



yang



kecil



ini



menjadikan kontak antar fasa yang besar Perpindahan massa yang terjadi selama gelembung naik melalui fasa liquid, gerakan gelembung tersebut mengurangi tahanan fasa liquidnya Bubble



Tower



digunakan



bila



laju



perpindahan



massa



dikendalikan oleh tahanan fasa gas.



7



Gambar 9. Bubble Tower II.6 Phase Kontak pada Contacting Tray



Gambar 10. Phase Kontak pada Contacting Tray Aliran Vapor (warna merah) bubble naik melalui froth. Aliran Liquid melalui froth dan diatas weir. Kondisi froth bervariasi tergantung pada regim aliran vapor-liquid melibatkan : spray, froth, emulsion bubble, dan cellular foam. II.7 Spesifikasi 1. Laju alir gas dan liquid, komposisi, temperatur dan tekanan 2. Derajad pemisahan yang diharapkan (% recovery) 3. Pemilihan jenis pelarut 4. Tekanan dan temperatur operasi serta pressure drop yang diijinkan 5. Laju pelarut minimum 6. Jumlah stage ideal



8



7. Efek panas dan kebutuhan pendingin 8. Type alat Absorber / Stripper 9. Tinggi kolom Absorber / Stripper 10. Diameter kolom Absorber / Stripper II.8 Absorben Absorben atau pelarut ; adalah cairan yang dapat melarutkan bahan yang akan diabsorpsi pada permukaannya, baik secara fisik maupun secara reaksi kimia.Absorben sering juga disebut sebagai cairan pencuci. II.9 Syarat2 Absorben/pelarut 1.) Pelarut minimum) 2.) Volatility yang rendah (meningkatkan recovery 9eacto dan menurunkan loses pelarut) 3.) Stabil (mengurangi kebutuhan penggantian pelarut) 4.) Tidak korosif (mengurangi perawatan dan penggunaan alat anti korosi) 5.) Viscositas



rendah (menurunkan



pressure



drop dan



kebutuhan pompa, menaikkan aliran massa) 6.) Tidak berbusa bila berkontak dengan gas (mengurangi ukuran alat) 7.) Tidak beracun dan nonflammable (safety) 8.) Kelayakan proses (mengurangi cost, menurunkan kebutuhan untuk external source) II.10



Proses Pengolahan Kembali Pelarut Dalam Proses



Kolom Absorber 1. Konfigurasi absorber akan berbeda dan disesuaikan dengan sifat alami dari pelarut yang digunakan



9



2. Aspek



Thermodynamic



pelarut),Volalitas korosivitas,



pelarut,dan



(suhu aspek



viskositas,toxisitas,



juga



dekomposisi



dari



kimia/fisika seperti termasuk



biaya,



semuanya akan diperhitungkan ketika memilih pelarut untuk spesifik sesuai dengan proses yang akan dilakukan. 3. Ketika volalitas pelarut sangat rendah, contohnya pelarut tidak muncul pada aliran gas, proses untuk meregenerasinya cukup sederhana yakni dengan memanaskannya. II.10.1 Contoh pertama Cairan absorber yang akan didaur ulang masuk kedalam kolom pengolahan dari bagian atasnya dan akan dicampur /dikontakan dengan stripping vapor.Gas ini bisa uap atau gas mulia, dengan kondisi termodinamika yang telah disesuaikan.dengan pelarut yang terpolusi. Absorber yang bersih lalu digunakan kembali di absorpsi kolom.



Gambar 11. Contoh pertama



II.10.2 Contoh kedua Absorber yang akan didaur ulang masuk ke kolom pemanasan stripping column. Uap pada stripping dibuat dari cairan pelarut



10



itu sendiri.Bagian yang telah didaur ulang lalu digunakan lagi untuk menjadi absorber.



Gambar 12. Contoh kedua



II.10.3 Contoh ketiga Sebuah kolom destilasi juga dapat digunakan untuk mendaur ulang. Absorber yang terpolusi dilewatkan kedalam destilasi kolom. Dibawahnya, pelarut dikumpulkan dan dikirim kembali ke absorber.



Gambar 13 Contoh ketiga II.11 Hubungan Kesetimbangan diantara fase a. Hukum Fase (Tingkatan) dan Kesetimbangan



11



Untuk memprediksi konsentrasi dari sebuah solute dalam setiap dari



dua



fase



dalam



keadaan



kesetimbangan,



data



kesetimbangan percobaan harus tersedia. Bila dua fase tidak berada



pada



kesetimbangan,



laju



perpindahan



massa



proposional terhadap driving force (gaya dorong), adalah bagian dari kesetimbangan. Dalam hal kesetimbangan, dua fase adalah, seperti



:



gas-liquid



atau



liquid-liquid



.



Variabel



yang



mempengaruhi kesetimbangan dari suatu solute adalah : temperatut, tekanan dan konsentrasi. Kesetimbangan diantara dua fase dalam suatu kondisi dibatasi oleh Hukum Fase : F=C-P+2



(1)



Dengan : P = jumlah fase pada kesetimbangan C = jumlah total komponen dalam dua fase bila tidak ada reaksi kimia, F = derajad kebebasan system (jumlah dari variant) Contoh : untuk sistem gas-liquid, dari C02-udara-air, berarti ada 2 fase dan tiga komponen, dengan persamaan (1) : F = 3 – 2 +2 = 3 II.12. Kesetimbangan Gas – Liquid 1.



Dari data kesetimbangan gas-liquid dapat dilihat pada Appendix A (Geankoplis), dari A.3-19 s/d A.3-25.



2.



Dari data kelarutan



Contoh : Data Kelarutan NH3 terhadap H2O yang diukur pada temperatur 200C, P = 760 mmHg lbm NH3 / 100 lbm H2O



7,5



10



15



20



25



Tekanan Parsial NH3, mmHg



50,0



69,6



114



166



227



12



a. Pembuatan Kurva didasarkan mol fraksi x=



y=



MNH 3 / BMNH 3 7,5 / 17  MH 2 0 / BMH 2 0 92,5 / 18 p = P



50,0 760



(2)



(3)



Tabelkan x Vs y, dan buat grafiknya



b. Pembuatan Kurva didasarkan mol Ratio x=



MNH 3 / BMNH 3 7,5 / 17  MH 2 0 / BMH 2 0 92,5 / 18



p 50 y   P p 760  50



(4) (5)



Tabelkan x Vs y, dan buat grafiknya 3. Pembuatan Kurva berdasarkan hubungan kesetimbangan ,dengan menggunakan Hukum Henry Hukum Henry Hubungan kesetimbangan antara pA pada fase gas dan xA dapat dinyatakan dengan garis lurus persamaan Hukum Henry pada konsentrasi rendah ; pA = H xA



(6)



Dengan : H = Konstanta Henry = atm/mole fraksi Bila persamaan diatas keduanya dibagi dengan tekanan total maka menjadi : yA = H’ xA.



(7)



H’ = H/P = atm/mole fraksi/atm = 1/mole fraksi



13



Contoh soal 1 ; Konsentrasi oksigen terlarut dalam air; Berapa konsentrasi oksigen terlarut dalam air pada 298 0K bila larutan berada dalam kesetimbangan dengan air pada tekanan total 1 atm? Konstanta Henry = 4,38 x 104 atm/mole fraksi. Penyelesaian :



Tekanan Parsiil pA dari Oksigen (A) dalam udara = 0,21 atm . Dengan menggunakan pers.6 ; 0,21 = HxA = 4,38 x 104 xA xA = 4,80 x 10-6 mol fraksi Artinya 4,80 x 10-6 mol O2 terlarut dalam 1,0 mol air + oksigen atau 0,000853 bagian O2/100 bagian air.



II.13 Kesetimbangan kontak satu 1. Kontak kesetimbangan satu stage Dalam beberapa operasi kimia dan proses2 industri lainnya, perpindahan massa dari satu fase ke fase lainnya akan terjadi, biasanya diikuti dengan pemisahan dari komponen2 suatu campuran, satu komponen akan di transfer ke suatu tingkatan yang lebih besar dari component satunya. V1



V2



L0



L1 Gambar 14. Proses kesetimbangan Satu stage



Kesetimbangan masa total : L0 + V2 = L1



+



V1 = M



(8)



L = kg(lbm), V = kg dan M = total kg



14



Misal komponent A,B, dan C berada pada aliran dan membuat kesetimbangan A dan C, L0 XA0 + V2 YA2 = L1 XA1 + V1 YA1 = M XAM



(9)



L0 XC0 + V2 YC2 = L1 XC1 + V1 YC1 = M XCM



(10)



Persamaan untuk komponen B tdk diperlukan, karena : xA+xB+C = 1 2.



Kontak kesetimbangan satu stage untuk sistem gas-



liquid •



Pada sistem gas-liquid:



•



Gas masuk terdiri : A solute dan B inert



•



Liquid masuk terdiri : A solute dan C inert



•



Untuk komponent A diperoleh pers sbb:



 x   y   x   y  L'  A0   V '  A2   L'  A1   V '  A1   1  y A2   1  x A1   1  y A1   1  x A0  •



Untuk menyelesaikan persamaan diatas, yA1 dan x



(11) A1



berada



pada kesetimbangan, yang diberikan oleh pers.;yA1 = H’xA1.



Contoh Soal 2 : •



Suatu campuran gas pada 1 atm abs mengandung udara dan CO2 di kontakkan dalam suatu single stage pencampur secara kontinyu dengan air sebagai solven pada 2930K. Gas dan liquid keluar berada pada kesetimbangan. Laju alir gas masuk 100 kg.mol/jam, dengan fraksi mol CO2 ;yA2=0,20. Liquid masuk 300 kg/jam. Hitung jumlah dan komposisi dari kedua fase aliran yang keluar. Asumsi air tidak menguap ke fase gas.



15



Penyelesaian : Diagram seperti gambar 1. aliran inert air adalah : L’=Lo = 300 kg mol/j. Aliran udara V’ : V’ = V(1 – yA) (12) Diperoleh : V’ = V2(1 – yA2) = 100(1 – 0,20) = 80 kg mol/j Substituís ke pers.11, untuk membuat kesetimbangan C02 (A),



 x   y   0,20   0  300   300 A1   80 A1  (13)   80 1 0   1  0,20   1  x A1   1  y A1  Pada 2930K, konstanta Hukum Henry’s A.3 , H = 0,142 x 104 atm/mol frak. H’ =H/P H’ = 0,142 x 104 mol frak gas/mol frak liquid. Substitusi ke pers.7, yA1 = 0,142 x 104 xA1, substituís ke pers.. 13, diperoleh : xA1 = 1,41 x 10-4 dan yA1 = 0,20. Untuk kecepatan aliran yang meninggalkan absorber ; L1 =



L' 300 =  300kgmol / j 1  x A1 1  1,41x10 4



V1 =



V' 80 = = 100 kg mol/j 1  y A1 1  0,20



Dalam soal diatas bila, larutan liquid terlalu encer, L0 ≈ L1 II.14 Multiple Countercurrent-contact stages 1. Derivasi dari persamaan Umum : V1



V2 1



L0



V3



Vn



2 L1



Vn+1



VN



n L2



Ln-1



VN+1 N



Ln



LN-1



LN



Gambar 15.. Proses countercurrent stages



16



Kesetimbangan total untuk seluruh stage : L0 + VN+1 = LN + V1 = M



(14)



Dengan : VN+1, LN, = mol/j bahan masuk dan keluar. Untuk kesetimbangan komponent A,B,C, L0x0 + VN+1 YN+1 = LNxN + V1Y1 = MxM



(15)



x dan y dalam mole fraksi Kesetimbangan Total pada stage ke- n; L0 + Vn+1 = Ln + V1



(16)



Untuk suatu kesetimbangan komponent A ; L0X0 + Vn+1 Yn+1 = LnXn + V1Y1



(17)



Penyelesaian untuk Yn+1 dari persamaan diatas:



yn 1 



Ln xn V1 y1  L0 x0  Vn 1 Vn 1



(18)



Ini merupakan suatu persamaan garis operasi dengan slope = Ln/Vn+1 2. Kontak countercurrent dengan aliran tidak saling larut 



Solute A berpindah terjadi bila aliran V mengandung komponent A dan B tanpa C, dan aliran L mengandung A dan C tanpa B. Kedua aliran L dan V tidak saling larut satu sama lain hanya komponent A yang berpindah







Bila L dan V adalah aliran yang encer dengan komponent A, maka aliran cenderung mengalir konstan dan slope Ln/Vn+1 mendekati konstan, sehingga



diperoleh garis



operasi



merupakan garis lurus (gambar 16).



17



3. Skema Kontak countercurrent dengan aliran tidak saling larut y1



x0



yN+1 garis operasi



stage 1 y2



x1 2



y3



y4 x2



3



4



Mole Fraksi y3



y4



x3



y2



yN+1



xN



y1



3 garis kesetimbangan 1



Gambar 16. Jumlah stages pada suatu proses kontak Multipel Stage (diperoleh dari persamaan 18) Suatu persoalan penting dimana solute A akan terjadi perpindahan bila aliran V mengandung komponen A dan B tanpa ada C, dan aliran solven L mengandung A dan C tanpa ada B. Dua aliran L dan V adalah tidak saling larut , hanya A yang akan berpindah. Bila pers.18 di plot pada x,y, maka terlihat seperti pada gambar .16. Pada gambar 16, y1 dan x0 berada pada garis operasi dan y1 dan x1 berada pada garis kesetimbangan. Setiap stage diwakili oleh sebuah garis pada gambar 16, langkah dilanjutkan ingá titik yN+1, dicapai. Jika aliran L dan V encer dalam componen A, aliran mendekati keadaan constan dan slope Ln/Vn+1 mendekati constan. Contoh Soal 3. Diinginkan



mengabsorb



90%



acetone



dalam



udara



yang



mengandung 1% aceton dlm suatu menara countercurrent. Aliran gas masuk 30 kg.mol/j, dan total air murni masuk sebagai absorbent



18



adalah 90 kg.mol H20 /j. Proses di operasikan pada keadaan isothermal



3000K



dan



tekanan



total



101,3



kPa.



Hubungan



kesetimbangan aceton dalam gas dan liquid : yA = 2,53 xA. Tentukan jumlah stage yang dibutuhkan secara teori untuk proses operasi ini, Penyelesaian : Diagram proses seperti gambar 16. yAN+1 = 0,01, xA0 = 0, VN+1 = 30,0 kg mol/j dan L0= 90,0 kg mol/j. Kesetimbangan material Aceton, Jumlah aceton masuk = yAN+1 VN+1 = 0,01(30,0)= 0,30 kg mol/j Udara masuk



= (1– yAN+1)VN+1 = (1– 0,01)(30,0) = 29,7 kg mol



udara/j Aceton sisa di V1



= 0,10(0,30) = 0,030 kg mol/j



Aceton sisa di LN



= 0,90(0,30) = 0,27 kg mol/j



V1



= 29,7 + 0,03 = 29,73 kg mol udara + aceton/j



yA1



=



LN



= 90,0 + 0,27 = 90,27 kg mol air + aceton/j



xAN



=



0,030 = 0,00101 29,73 0,27 = 0,00300 90,27



Aliran liquid pada aliran masuk L0 = 90,0 pada aliran keluar LN = 90,27 dan V dari 30,0 s/d 29,73, maka slope L n/Vn+1 pada garis operasi adalah konstan (= 3). Garis operasi bersama dengan garis kesetimbangan yA = 2,53 xA digambar sperti gambar 17. dimulai pada titik yA1, xA0, maka diperoleh sekitar 5,2 stage.



19



0,012 YAN+! 0,008



garis operasi



5



Mole fraksi, yA



4



0,004



3 Garis kesetimbangan



yA1



2 1 0 0 xA0



0,00 1



0,002



0,003 0,004 xAN Mole fraksi acetone dalam air, xA



Gambar 17. Stage teoritikal untuk proses Absorpsi countercurrent II.15 Metode Analitik untuk Trayed Towers Metode grafik untuk menentukan jumlah stage memang lebih mudah dan umum digunakan, namun kendalanya adalah : 1.)



Jumlah stage N menjadi besar



2.)



N is specified rather than the desired purity,



3.)



Lebih dari satu solut yang diabsorpsi



4.)



Kondisi operasi bisa dioptimasi



5.)



Untuk konsentrasi yang tinggi atau yang rendah memerlukan multiple diagrams



20



Persamaan Analitik untuk Countercurrent stage contact Pers.kesetimbangan komponen; L0x0 + VN+1yN+1 = LNxN + V1y1 atau,



(19)



LNxN - VN+1yN+1 = L0x0 - V1y1



(20)



Pers.kesetimbangan untuk stage n pertama: L0x0 + Vn+1yn+1 = Lnxn + V1y1 atau,



(21)



Lnxn - V1y1 = Lnxn - Vn+1yn+1



(22)



Pers (22) ke pers (24) diperoleh : Lnxn - Vn+1yn+1 = LNxN - VN+1yN+1



(23)



Selama aliran molar konstan, Ln=LN=konstan=L dan Vn+1=VN+1=konstan=V, sehingga diperoleh: L(xn – xN) = V(yn+1 – yN+1)



(24)



Selama yn+1 dan xn+1 berada pada kesetimbangan dan dalam bentuk garis lurus, yn+1 = mxn+1 dan yN+1 = mxN+1. Substitusi mxn+1 untuk yn+1 dan A=L/mV, pers. (24) diatas menjadi ;



xn1  Axn 



y N 1  Ax N m



(25)



Dengan : A = faktor absorbsi Dengan menggunakan kalkulus maka pers (25) diperoleh; Untuk proses Absorbsi ; Transfer solute A dari fase V ke L :



y N 1  y1 A N 1  A  N 1 y N 1  mx0 A 1  y  mx0  1  1  log  N 1 1     y  mx A A 0   1 N log A



(26)



(27)



21



Bila A =1,



N



(28)



y N 1  y1 y1  mx0



Untuk proses Striping : N 1



x0  xN (1 / A)  (1 / A)  x0  ( y N 1 / m) (1 / A) N 1  1)  x  ( y N 1 / m)  log  0 (1  A)  A  xN  ( y N 1 / m)  N log( 1 / A) x0  x N BilaA  1, N  x N  ( y N 1 / m)



(29)



(30)



(31)



A = L/mV Komponen



A = L/mV



m-value



Air



1,7



0,031



Aseton



1,38



2,0



Oksigen



0,00006



45.000



Nitrogen



0,00003



90.000



Argon



0,00008



35.000



Contoh soal 4. (sama seperti soal.3) Penyelesaian : Pada stage 1, V1 = 29,73 kg mol/j, yA1 = 0,00101, l0 = 90,0 dan xA0 = 0. Hubungan kesetimbangan yA = 2,53 xA, dimana m = 2,53



22



Kemudian : A2 =



L0 L 90,0 = = = 1,20 mV mV1 2,53 x 29,73



Pada Stage N, VN+1 = 30,0, yAN+1 = 0,01, LN = 90,27 dan xAN = 0,00300 AN =



LN 90,27 = = 1,19 mVN 1 2,53 x30,0



Rata2 geometrik A =



A1 AN = 1,20 x1,19 = 1,195



Solut Aceton transfer dari V ke L (absorpsi) Substitusi ke pers. 27, :



 0,01  2,53(0)  1  1  ln  1    0,00101  2,53(0)  1,195  1,195   = 5,04 stage N ln( 1,195) II.16 Disain dari Menara Absorpsi Plate 1. Operasi –Garis Derivasi Sebuah Menara Absorpsi Plate mempunyai diagram alir proses yang sama seperti proses multipel stage countercurrent yaitu seperti Menara Tray vertikal ((gambar 15) dan seperti gambar 18 dibawah ini.



23



V1,y1 1



L0, x0 1 2



n Vn+1, yn+1



Ln, xn



n+1



N-1 N



VN+1, yN+1



L N, x N



Gambar 18. Neraca Massa dalam Menara Absorpsi Tray Dalam persoalan ini, solut A berdiffusi melalui sebuah gas yang stagnant (B) dan kemudian masuk ke fluida yang stagnant. Jika V’ = kg mol inert udara/dt dan L’=kg mol inert solvent air/dt m2.units (lb mol inert/j.ft2), maka Neraca Massa Over all adalah sbb:



 x   y   x L'  0   V '  N 1   L'  N  1  x0   1  y N 1   1  xN



  y    V '  1  1 y  



(32)



Sebuah Neraca Massa sekitar kotak yang diberi garis putusputus sbb :



24



 x   y   x L'  0   V '  n1   L'  n  1  x0   1  y n1   1  xn



  y    V '  1  1 y  



(33)



Dengan : x=fraksi mole A dalam liquid, y=fraksi mole A dalam gas, L0=total mole liquid/dt dan VN+1 total mole gas/dt. Persamaan 33, adalah kesetimbangan material atau garis operasi untuk proses absorpsi dengan menara Plate (Tray). 2. Penentuan secara grafik jumlah plate dari Menara Tray (Menara Plate) Pem-plot



an



persamaan



33



dalam



koordinat



x,y



akan



memberikan suatu garis kurva. Jika x dan sangat encer, 1-y dan 1-x mendekati nilai 1, dan garis operasi mendekati garis lurus, slopenya adalah :



 L’/V’. Jumlah plate teoritis sama dengan



gambar 16.



Contoh Soal 5 ; Sebuah menara Tray akan didisain untuk mengabsorb SO 2 dari aliran udara dengan menggunakan air murni sebagai pelarutnya pada 2930K (680F). Gas masuk mengandung 20 mol% SO 2 dan keluar Tower 2 mol % pada tekanan total 101,3 kPa. Laju aliran udara inert adalah 150 kg udara/j.m 2 dan aliran air masuk 6000 kg air/j.m2. Misalkan effisiensi Menara Tray 25%, berapa banyak tray teoritikal dan dan sesungguhnya dibutuhkan pada proses tersebut diatas. Asumís bahwa proses berjalan pada 293 0K (200C). Penyelesaian : Dihitung dahulu aliran dalam molar : V’ =



150 = 5,18 kg mol inert udara/j.m 2 29



25



L’ =



6000 = 333 kg mol inert air/j.m 2 18



Menggunakan gambar .18, yN+1 = 0,20, y1 = 0,02 dan x0 = 0.



yN+1 0,20 0,18 garis operasi 0,16



Mole fraksi, y



0,08 2 0,06 y1 0,02 0



1 0,002



0,004 0,006 Mole Fraksi, x



0,008



Gambar 19. Jumlah Plate teoritis proses absorpsi Contoh soal . Substitusi ke pers.32, diperoleh :



 0 300 1 0 



    5,18 0,20   333 x N 1 x   1  0,20  N  



  0,02    5,18   1  0,02  



xN = 0,00355 Substitusi ke pers. 33,



 0 333 1 0 



      5,18 y n 1   333 x n 1 y  1 x  n 1  n   



  0,02    5,18   1  0,02  



Untuk menggambarkan garis operasi dibutuhkan beberapa titik lagi.



26



Diambil yn+1 = 0,07 dan substitusi ke pers 33, diperoleh x n =0,000855, yn=1 = 0,13, xn = 0,000201 dst. Data kesetimbangan dapat diperoleh dari App.A.3 ((Geankopls). Sehingga



diperoleh



Plate



teoritis



=



2,4



dan



jumlah



tray



sesungguhnya = 2,4/0,25 = 9,6 tray. II.16 Disain dari Menara Packed untuk proses Absorpsi 1. Derivasi garis operasi : Untuk solute A berdifusi melalui sebuah gas yang stagnan dan kemudian



menuju



ke



fluida



yang



stagnan,



sebuah



kesetimbangan material over all komponen A pada gambar 20 untuk sebuah Menara Packing adalah :



 x   y   x   y  L'  2   V '  1   L'  1   V '  2   1  x2   1  y1   1  x1   1  y2 



(34)



Dimana : y1 dan x2 = bahan masuk L’ = kg mol inert liquid/dt atau kg mol inert liquid/dt.m 2 V’ = kg mol inert gas/dt atau kg mol inert gas/dt.m 2 y1 dan x1 = molle fraksi A dalam gas dan liquid Aliran L’ dan V’ constan melalui Menara, tetapi aliran total L dan V tidak constan. Kesetimbangan sekitar daerah yang diberi garis titik-titik pada gambar 20. memberikan garis operasi sbb ;



 x L'  1 x 



       V '  y1   L'  x1   V '  y  1 y          1  y1   1  x1  



(35)



Persamaan diatas bila digambarkan akan memberikan garis lurus seperti pada gambar 20.



27



V2, y2



L2, x2



dz V, y



z



L,x



V1, y1



L1, x1



Gambar 20. Kesetimbangan Material untuk proses Absorpsi pada menara Packing Bottom menara y1



Top y2



Mole Fraksi,y



Y2



garis kesetimbangan



Garis operasi Top



bottom y1



0 x2 x1 Mole Fraksi, x (a)



0



x1 x2 Mole Fraksi, x (b)



Gambar 21. Garis Operasi untuk (a).proses absorpsi dari A dari aliran V ke L, (b).proses stripping dari A, dari aliran L ke V Persamaan (35), bila di plot pada koordinat x y, akan memberikan garis kurva seperti gambar 21.a. Persamaan (35) dapat dituliskan



28



juga dalam bentuk tekanan partial p1 dari A, dimana y1 /(1-y1) = p1 /(P – p1) dan seterusnya. Jika x dan y sangat encer, (1-x) dan (1-y) = 1, dan persamaan (35) menjadi : L’x + V’y1 = L’x1 + V’y



(36)



Dan ini mempunyai slope L’/V’ dan garis operasi biasanya garis lurus. 2. Ratio Limiting dan L’/V/ optimum Pada proses absorpsi, aliran gas masuk V1 (gambar 21) dan komposisi y1 biasanya satu kesatuan. Konsentrasi y2 keluar biasanya yang diatur, dan konsentrasi x 2 dari aliran liquid masuk yang ditetapkan. Oleh karenanya , jumlah aliran liquid masuk L2 atau L’ terbuka untuk ditentukan. Pada gambar 22., aliran V1 dan konsentrasi y2, x2, dan y1 adalah suatu kesatuan. Bila garis operasi mempunyai slope minimum dan menyinggung garis ekulibrium pada titik P, aliran liquid L’ adalah minimum pada L’min. Nilai dari x1 maksimum pada x1max bila L’ minimum. Pada titik P driving force y-y*, y-yi, x*-x, dan xi-x semuanya = 0. Penyelesaian untuk L’min, nilai y1 dan ximax disubstitusi ke persamaan garis operasi. Pada beberapa persoalan, jira garis kesetimbangan adalah kurva bersifat cekung menurun kebawah, nilai minimum dari L diperoleh melalui garis operasi menjadi tangent ke garis kesetimbangan menjadi memotongnya. Pemilihan ratio L’/V’ minimum untuk digunakan pada disain tergantung pada kesetimbangan ekonomi. Pada proses absorpsi, semakin tinggi nilai semakin besar aliran liquid dan karenanya diameter menara menjadi besar. Biaya untuk me-recover solute dari liquid dengan distilasi akan menjadi tinggi. Suatu hasil aliran liquid



29



yang sederhana pada suatu menara yang tinggi, dimana juga sangat mahal. Suatu pendekatan, untuk proses absorpsi kecepatan aliran liquid yang optimum dapat diambil biasanya sekitar 1,2-1,5 kali L’min. Untuk proses Stripping, seperti gambar 22.b, dimana garis operasi mempunyai slope maksimum dan menyinggung garis operasi pada titik P, selanjutnya aliran gas pada keadaan minimum V’min. Nilai y2 pada y2mak adalah



keadaan maksimum. Sama seperti proses



absorpsi, V= 1,5 x V’min. Garis operasi untuk aliran Liquid Sesungguhnya P y1 mak



y1



P



y2 gariskesetimbangan garis operasi untuk aliran liquid minimum



y2



y1



0



x2



x1 (a)



x1mak



x1



x2 (b)



Gambar 22. Garis Operasi untuk kondisi terbatas (a).absorpsi, (b).Stripping



30



3. Persamaan Analitik untuk menghitung jumlah plate teoritis dari menara packing. Persamaan Analitik untuk menghitung jumlah plate teoritis N dalam suatu proses absorpsi dengan menggunakan menara packing sama dengan persamaan yang digunakan pada menara plate. Untuk perpindahan solote dari fase gas V ke fase liquid L (absorpsi),



 y  mx2 ln  1  y 2  mx2 N 



  1  1 / A  1 / A   ln A



(37)



Untuk perpindahan solute dari fase liquid L ke fase gas V (stripping) ,



 x  y1 / m   1  A  A ln  2  x1  y1 / m   N  ln( 1 / A)



(38)



Dimana A = L/mV Bila garis kesetimbangan dan garis operasi merupakan garis lurus, m dan A = L/mV akan bermacam macam. -Untuk proses Absorpsi pada konsentrat bottom di tray terakhir, slope m1 pada titik x1 yang digunakan. -Untuk larutan encer pada top tray, m 2 pada titik y2 pada garis keaetimbangan yang digunakan. Jadi, A1 = L1/m1V1, A2 = L2/m2V2, dan A =



A1 A2



(39)



Juga, untuk larutan encer m 2 digunakan dari persamaan -Untuk proses Stripping , pada bagian atas (top) atau konsentret stage, slope m 2 pada titik y2 pada garis kesetimbangan yang digunakan.



31



- Pada daerah bottom atau larutan encer, slope m 1 pada titik x1 pada garis kesetimbangan yang digunakan. Jadi A1 = L1/m1V1, A2 = L2/m2V2, dan A =



A1 A2 .



Contoh Soal 6 ; Laju Alir minimum dan penentuan Jumlah Tray dengan cara Analitik. Sebuah Menara Tray mengabsorbsi ethyl alkohol dari aliran gas inert menggunakan air murni pada 3030 K dan 101,3 kPa.. Laju aliran gas masuk 100 kg mol/j dan mengandung 2,2 mol % alkohol. Diinginkan untuk mengambil 90% alkohol. Hubungan garis kesetimbangan adalah ;y = mx = 0,68x untuk aliran cukup encer. Menggunakan 1,5 x laju alir minimum, tentukan jumlah Tray yang dibutuhkan. Gunakan penyelesaian secara grafik dan pers analitik. Penyelesaian : Data yang diberikan : y1= 0,022, x2 = 0, V1 = 100 kg mol/j, m = 0,68. V’ = V1(1-y1) =100(1-0,022) = 97,8 kg mol inert/j. Mole alkohol/j V1 = 100 – 97,8 = 2,20. Menghilangkan 90%, mole/j pada gas keluar V2 = 0,10(2,20) = 0,220. V2 = V’ + 0,22 = 97,8 + 0,22 = 98,02. y2 = 0,22/98,02 = 0,002244. Garis kesetimbangan di plot dalam grafik x,y, dengan y2, x2, dan y1. Garis operasi untuk aliran liquid minimum Lmin adalah di gambar dari y2 ,x2, ke titik P, menyinggung garis kesetimbangan dimana x 1mak = y1/m = 0,022/068 = 0,03235, substituís ke persamaan garis operasi (34) dan menyelesaikan nilai Lmin.



 x   y   x   y  L'  2   V '  1   L'  1   V '  2   1  x2   1  y1   1  x1   1  y2 



32



 0,022   0,03235   0,002244   0  L' min    L' min    97,8    97,8 1 0   1  0,022   1  0,03235   1  0,002244  L’min = 59,24 kg mol/j. Gunakan 1,5 x L’min = 1,5(59,24) = 88,86. Dengan



menggunakan



pers.



34,



untuk



L’min=88,68



dan



menyelesaikan konsentrasi keluar, x1 = 0,002180. Garis operasi di plot sebagai garis lurus yang menyinggung titik y2, x2, dan y1, x1 pada gambar 23. Suatu titik intermedit dihitung dengan mengatur y = 0,012 pada pers. 34 dan diperoleh x = 0,01078. Plot titik ini terlihat bahwa garis operasi cenderung berbentuk garis lurus. Ini terjadi karena larutan sangat encer. Jumlah Tray diperoleh = 4,0. Total laju alir ;V1 = 100, V2 = V’/(1-y2) = 97,8(1-0,0022440 = 98,02, L2 = L’ = 88,68 dan L1 = L;/(1-x1) = 88,68/(1-0,02180) = 90,84. Untuk menghitung jumlah tray secara Analitik, A1 = L1/mV1 = 90,84/(0,68)(100) = 1,336, A2 = L2/mV2 = 88,68/((0,68)(98,02) = 1,33. Dengan menggunakan rata2 geometrik, A = 1,335. Dengan menggunakan pers.38,



N



 y  mx2 1 ln  1 ln A  y 2  mx2



N



 0,022  0   1 ln  ( 1 / 1,335  1 / 1,335 ln 1,335  0,00224  0  



  1  1 / A  1 / A  



N = 4,04, hampir sama dengan yang diperoleh secara grafik



33



y1 0,02



P



Garis operasi utk 1,5 L’min y 0,01 garis operasi utk L’min



Garis operasi kesetimbangan y2 0



0,01



x2



0,02 0,03 x1 x1maks Gambar 23. Garis Operasi untuk minimum dan aliran liquid aktual



34