TRANSPORT PROCESSES AND UNIT OPERATION PDF

Preview

Summary

TRANSPORT PROCESSES AND UNIT OPERATION CHRISTIE J. GEANKOPLIS ABSORBSI 10.6 PROSES ABSORBSI PADA PLATE DAN PACKED TOWER 10.6A Peralatan dari Absorbsi dan Destilasi 1. Pengenalan dari absorbsi Absorbsi adalah proses perpindahan massa uap dari larutan A dalam campuran gas yang diserap (diabsorbsi) yan...

Description

TRANSPORT PROCESSES AND UNIT OPERATION CHRISTIE J. GEANKOPLIS

ABSORBSI 10.6 PROSES ABSORBSI PADA PLATE DAN PACKED TOWER 10.6A Peralatan dari Absorbsi dan Destilasi 1. Pengenalan dari absorbsi Absorbsi adalah proses perpindahan massa uap dari larutan A dalam campuran gas yang diserap (diabsorbsi) yang berarti suatu cairan yang mana larutannya mudah atau sulit larut. Campuran gas biasanya terdiri dari gas inert dan larutan. Cairan pada umumnya “ immicible” dalam fasa gas; sehingga vaporasi menjadi fase gas yang relatif rendah. Contoh tipe dari absorbsi yaitu larutan NH3 dari udara bercampur dengan air. Kemudian, larutan diperoleh lagi dengan cara destilasi. Dalam proses kebalikannya yaitu desorpsi atau stripping yang mempunyai persamaan prinsip. Desorpsi adalah pemindahan sebuah komponen didalam cairan yang dikontakkan dalam gas.

2. Tipe-tipe Tray (plate) tower dari absorbsi dan destilasi Untuk memenuhi hubungan efesiensi antara liquid dan gas pada absorbsi dan destilasi yang sering dipakai adalah tray tower pada umumnya dipakai jenis sieve tray. (pada gambar 10.6 a dan bab 11.4a)

Gambar 10.6-1 Bagian Kontak Tray : (a) Detail dari menara sieve – tray, (b) menara dengan bubble – cap tray. TERJEMAHAN ABSORBSI 1 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

TRANSPORT PROCESSES AND UNIT OPERATION CHRISTIE J. GEANKOPLIS

2

A Sieve Tray Pada dasarnya, jenis yang sama dari sieve tray digunakan di dalam penyerapan gas (absorbsi) dan di dalam penyulingan (destilasi). Di dalam sieve tray, uap air meluap melalui lubang sederhana dalam tray dengan cairan yang mengalir. Diameter ukuran lubang berkisar dari 3 sampai 12 mm, dan umumnya berukuran 5 mm. Vapor area dari holes varies antar 5 sampai 15% dari tray area. Cairan dijaga agar tetap pada permukaan tray dan dicegah agar tidak mengalir turun kelubang oleh energi kinetik dari uap air atau gas. Kedalaman cairan pada tray dijaga dengan overflow, saluran bendungan. Overflow cairan mengalir kedalam downspout pada tray berikutnya.

B. Valve Tray Suatu modifikasi dari sieve tray adalah valve tray, yang terdiri dari bukaan pada tray dan suatu lift-valve yang melindungi masing-masing bukaan, penyediaan suatu variabel untuk membuka area yang bervariasi oleh uap air arus kebocoran cairan [yang] yang menghambat sepanjang pembukaan pada uap air tingkat tarip rendah. Karenanya, tray jenis ini

dapat beroperasi pada suatu

cakupan laju alir yang lebih besar dibanding sieve tray, tetapi biayanya 20% lebih tinggi dibanding suatu valve tray. Saat ini valve tray sedang banyak digunakan.

C. Bubble –cup Tray Bubble-cup tray, seperti pada gambar 10.6-1b,telah digunakan untuk lebih 100 tahun, tetapi sejak 1950 mereka telah menggantinya dengan sieve-type atau valve tray karena biayanya yang hamper duakali dari tipe sieve tray. Di dalam babble cup tray, uap air atau gas rises naik sampai ke bukaan di dalam tray ke dalam bubble cups. Kemudian gas mengalir sepanjang slot di dalam batas luar dari tiap cup dan yang naik melalui cairan yang mengalir.

TERJEMAHAN ABSORBSI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

TRANSPORT PROCESSES AND UNIT OPERATION CHRISTIE J. GEANKOPLIS

3

3. Packed Tower untuk Absorbsi dan Destilasi Packed tower yang digunakan untuk countercurrent yang berlanjut dengan kontak cairan dan gas di dalam penyerapan dan juga untuk kontak vaporliquid didalam penyulingan.Menara seperti gambar 10.6-2 terdiri dari suatu kolom silindris yang berisi inlet gas dan ruang distribusi berada di bawah,pintu masuk liquid dan ruang disrtibusi berada di puncak, untuk outlet gas juga berada di puncak, outlet liquid berada di bawah, dan suatu packing atau filling beradapada tower. Gas masuk kedalam ruang distribusi pada bagian bawah packed melalui bukaan atau celah dalam packed dan kontak dengan cairan yang turun mengalir melalui operasi yang sama. Area yang besar dapat mengkontakkan gas dan liquid yang diberikan oleh packing.

Gambar 10.6-2. Aliran dan karakteristik packed tower untuk absorbsi

Banyak jenis packed tower yang berbeda telah dikembangkan. Jenis umum packing yang sering digunakan dapat ditunjuk pada gambar 10.6-3. Seperti packing komersial lainnya packed tower berukuran antara 3 mm sampai 75 mm. Umumnya packed tower terbuat dari material murah dan tanpa daya seperti tanah liat, porselin, grafit, atau plastik. High void ruang antara 60 sampai 90% adalah karakteristik yang baik untuk packing. Packing permit volum cairan yang relatif

TERJEMAHAN ABSORBSI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

TRANSPORT PROCESSES AND UNIT OPERATION CHRISTIE J. GEANKOPLIS

4

besar untuk memberikan countercurrently pada gas yang mengalir sepanjang bukaan relatif rendah, gas terjadi kehilangan tekanan. Jenis yang sama packed ini juga digunakan di dalam separasi vapor-liquid proses destilasi.

Gambar 10.6-3 Jenis isian menara : (a) rashing ring, (b) lessing ring, (c) berl saddle, (d) palt ring

Stacked packing mempunyai ukuran 75 mm dapat juga dibuat lebih besar dari itu. packing adalah stacked yang tegak lurus, dengan salur terbuka yang terus bergerak sampai kealas. adventage dari kehilangan tekanan gas yang lebih rendah adalah offset yang lebih sedikit pada sebagian gas-liquid yang dihubungkan didalam stacked packing. Tipe khusus Stacked packing adalah wood grids, drip-point grids, spiral partition rings, dan lainnya. Pada packed tower pemilihan ukuran dan jenis bahan packed harus ditentukan dan arus cairan harus dibatasi, Gas mengalir pada

batas,yang

dihubungkan dengan flooding velocity. Di atas percepatan gas ini tower tidak bisa operasikan. Pada velocity gas yang rendah aliran liquid akan mengarah kebawah melalui packed yang tidak dipengaruhi oleh arus gas yang naik. Ketika laju alir gas ditingkatkan pada percepatan gas rendah, kehilangan tekanan adalah sebanding dengan laju alir dengan power 1,8. Laju alir gas dapat dihubungkan dengan loading point. Laju alir gas flowdown dan akumulasi lokal atau pools start cairan dapat dilihat dalam packing. Kehilangan tekanan dari gas dimulai menuju TERJEMAHAN ABSORBSI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

5

TRANSPORT PROCESSES AND UNIT OPERATION CHRISTIE J. GEANKOPLIS

pada tingkat yang lebih cepat. Ketika laju alir gas di dalam ditingkatkan, akumulasi atau holdup cairan meningkat. Di flooding point, cairan tidak dapat lagi mengalir turun ke packed dan di blow out dengan gas tersebut. Dalam suatu tower operasi nyata velocity gas berada dibawah flooding. Jumlah yang ekonomis untuk velocity gas maksimum adalah sekitar one holf kirakira sekitar flooding velocity. Hal ini tergantung pada suatu saldo ekonomi antar biaya yang pokok dan biaya beban tetap pada peralatan (S').

10.6.B Rancangan dari plate menara absorpsi. 1. Garis operasi turunan Plate menara absorpsi memiliki beberapa diagram aliran proses seperti proses bertahap countercurrent pada gambar 10.6.2 dan terlihat seperti tray menara vertikal pada gambar 10.6.4. pada kasus cairan A yang terdifusi didalam gas B yang terperangkap,seperti pada absorpsi cairan aseton (A) dari Udara (B) oleh air. Molekul dari udara yang terperangkap dan air inert yang tetap didalam menara keseluruhan,jika laju adalah V’ kg mol udara inert / s dan L’ kg mol pelarut air inert / s, atau dalam kg mol inert /s m2 atau dalam unit british lb mol inert/h ft2, dan persamaan umum pada komponen A pada gambar 10.6.4 adalah :

 x0 L '   1 − x0

 Y   + V '  N +1  1 − Y N +1 

 xN   = L '  1 − xN 

 y1   + V '   1 − y1 

  

(10.6.1)

Persamaan menjadi  x0 L '   1 − x0

 Y   + V '  n +1  1 − Y n +1 

 xn   = L '   1 − xn 

 y1   + V '   1 − y1 

  

(10.6.2)

Dimana x adalah mol fraksi A dalam gas,Ln adalah total mol liquid / s, dan Vn+1 adalah total mol gas / s. Total aliran / s dari cairan dan dari gas yang bergantian pada menara. persamaan(10.6.2) adalah persamaan umum atau garis operasi untuk menara absorpsi,serupa dengan persamaan (10.3.13). Untuk proses

TERJEMAHAN ABSORBSI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

TRANSPORT PROCESSES AND UNIT OPERATION CHRISTIE J. GEANKOPLIS

6

tahap contercurrent,kecuali pada steam inert,L’ dan V’ sebagai gantinya digunakan Laju alir L dan V. Persamaan (10.6.2) berhubungan dengan konsentrasi yn+1 pada steam gas dan xn pada liquid.Term V’,L’ dan y1 adalah tetap dan biasanya tau kapan digunakan.

2. Grafik Hubungan jumlah Tray. Plot persamaan garis operasi (10.6.2) seperti y dan x akan membentuk sebuah garis kurva. Jika x dan y ditentukan bervariasi,penyebut 1 – x dan 1 – x akan ditutup pada 1,0. dan membentuk garis yang agak lurus. Dengan slop L’/V’. Jumlah tray teoritikal dapat ditentukan dengan tahap yang mudah,seperti yang terlihat pada 10.3.3 untuk proses contercurrent.

Contoh : Absorpsi dari SO2 pada menara tray. Menara tray yang di rancang untuk absorbsi SO2 dari udara steam oleh air murni pada 293 0K (68 F). Gas tersebut berisi 20 mol % SO2 dan sisanya 2 mol % pada tekanan total 101,3 kPa. Laju alir udara inert adalah 150 kg udara/h.m2,dan laju alir air masuk adalah 6000 kg air/h.m2 . Asumsi efisiensi keseluruhan tray adalah 25%, berapa banyak tray teoritik dan tray aktual yang dibutuhkan? Asumsi menara bekerja pada 293 K (200). Solusi : Pertama dihitung laju alir molarnya, V’ = 150/29 = 5,18 mol udara inert/h.m2 L’ = 6000/18 = 333 kg air inert/h.m2 Seperti yang terlihat pada gambar 10.6.4,yN+1 = 0,20 dan y1 = 0,20 dan x0 = 0. dimasukkan kepersamaan 10.6.1 dan didapat xN.  x  0,20  333(0) + 5,18  = 333 N  1 − 0, 20  1 − xN x N = 0,00355

  0,02   + 5,18   1 − 0,02  

Subtitusi kodalam persamaan (10.6.1),menggunakan V’ dan L’ dalam kg mol/h.m2 sebagai pengganti kg mol/s.m2

TERJEMAHAN ABSORBSI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

7

TRANSPORT PROCESSES AND UNIT OPERATION CHRISTIE J. GEANKOPLIS

 x  0,20  333(0) + 5,18  = 333 N  1 − 0, 20  1 − xN

  0,02   + 5,18   1 − 0,02  

Untuk memplot garis operasi dengan cara lain,umumnya titik tengah dapat dihitung, dengan yn+1 = 0,13 dan disubtitusi kepersamaan operasi berikut:  x  0,07  0 + 5,18  = 333 n  1 − 0,07  1 − xx

  0,02   + 5,18   1 − 0,02  

Diperoleh xn = 0,000855. Untuk menghitung titik tengah lainnya kita mengatur yn+1 = 0,13 dan diperoleh xn= 0,00201. dua titik akhir dan dua titik tengah pada garis operasi diplot seperti pada gambar 10.6.5, untuk data kesetimbangannya diperoleh dari apendik A3. garis operasi ini dalam bentuk kurva. Jumlah tray teoritikal di tentukan secara bertahap diperoleh 2,4 tray teoritikal. Jumlah trqay aktual adalah 2,4/0,25 = 9,6 tray

10.6.C Merancang Packed Tower Absorpsi 1. Cara mendapatkan operating - line (garis operasi) Pada kasus difusi Zat A terlarut menjadi gas stagnant dan kemudian menjadi fuida stagnant, maka neraca massa total komponen A untuk Packed Tower absorpsi seperti terlihat pada gambar 10.6-6 adalah;

L' (

x2 y x y ) + V ' ( 1 ) = L' ( 1 ) + V ' ( 2 ) 1 − x2 1 − y1 1 − x1 1− y 2

(10.6-3)

Dimana: L’ = kg mol liquid inert / s atau kg mol liquid inert / s m2 V’ = kg mol gas inert / s atau kg mol gas inert / s m2 Y1 = fraksi mol A dalam gas X1 = fraksi mol A dalam liquid

TERJEMAHAN ABSORBSI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

8

TRANSPORT PROCESSES AND UNIT OPERATION CHRISTIE J. GEANKOPLIS

Gambar

10.6-5

Theoretical

number

of trays

for

absorption of SO2

dalam contoh 10.6-1

Aliran L’ dan V’ konstan keseluruh tower, tapi aliran total L dan V tidak konstan.Kesetimbangan sekeliling “Dashed-line box” pada

gambar 10.6-6

memberikan persamaan operating – line seperti berikut,

Gambar 10.6-6 Material Balance for a countercurrent packed absorption tower

L' (

x y y x ) + V ' ( 1 ) = L' ( 1 ) + V ' ( ) 1− x 1 − y1 1 − x1 1− y

(10.6-4)

TERJEMAHAN ABSORBSI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

9

TRANSPORT PROCESSES AND UNIT OPERATION CHRISTIE J. GEANKOPLIS

Persamaan ini bila diplotkan pada koordinat XY, akan memberikan kurva garis seperti gambar 10.6-7a. Persamaan (10.6-4) biasa ditulis dalam fungsi (batasan) tekanan parsial (p1) dari A, dimana, y1 / (1 – y1) = p1 / (P – p1) dan seterusnya. Jika x dan y sangat kecil (dilute), (1 - x) dan (1 - y) biasa dianggap 1,0 dan persamaan (10.6-4) menjadi, L’x + V’y1 ≅ L’x1 + V’y

(10.6-5)

sehingga didapat slope dan operating- line yang lurus. Saat larutan berpindah dari L ke aliran V, proses ini disebut stripping, pada saat operating-line terletak dibawah equilibrium-line, yang ditunjukkan pada gambar 10.6-7b.

Gambar 10.6-7 location of operating –line: a) for absorption of A from V to L stream, b) for striping of A from L to V stream

2. Memperkecil dan rasio yang optimum untuk L’/ V’ Dalam proses absorpsi, aliran gas inlet (masuk V1) dan komposisi y1 pada umumnya ditentukan. Konsentrasi keluar y2 biasanya juga ditentukan oleh si perancang. Sedangkan konsentrasi x2 yang dimasuki oleh liquid sering disesuaikan dengan keperluan dari proses. Oleh karena itu, jumlah aliran liquid masuk L2 / L’ boleh untuk memilih.

TERJEMAHAN ABSORBSI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

TRANSPORT PROCESSES AND UNIT OPERATION CHRISTIE J. GEANKOPLIS

10

Gambar 10.6-8 Minimum liquid / gas ratio for absorption

Pada gambar 10.6-8 aliran V1 dan konsentrasi y2, x2 dan y1 ditentukan. saat operating-line mempunyai slope minimum dan mengenai garis equilibrium pada titik P1, maka aliran liquid L’ akan minimum saat L’min. Nilai x1 maksimum pada x1max saat L’minimum. Pada titik P driving force (y – y*; y – yi; x* - x; x1 – x ) semuanya nol. Untuk menyelesaikan L’min, maka nilai y1 dan x1max disubtitusi kedalam persamaan operating-line. Dalam beberapa kasus lain, jika equilibrium line kurvanya “concavely downward” nilai L minimum dapat dicapai dengan tangensial dari operational-line yang memotong ke equilibrium-line. Pemilihan rasio L’/V’ yang optimum ini digunakan untuk merancang packed tower karena menimbang dari Economic Balance. Didalam absorpsi, diperlukan diameter tower yang besar untuk sebuah aliran liquid yang besar sehingga sangat tinggi nilai atau value yang diperlukan. Biaya recovering larutan dari liquid melalui proses destilasi juga menjadi tinggi. Aliran kecil liquid hasil dari dalam tower yang tinggi akan memakan biaya yang mahal. Sesuai pendekatan dari aliran liquid optimum pilihan nilai yang dipakai sekitar 1,5 pada rasio dari rata – rata slope operating-line ke arah equilibrium-line proses absorpsi tersebut. Nilai faktor ini dapat berubah, tergantung pada nilai zat terlarut dan tipe towernya.

TERJEMAHAN ABSORBSI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

11

TRANSPORT PROCESSES AND UNIT OPERATION CHRISTIE J. GEANKOPLIS

3. Film dan koefisien perpindahan massa total dalam packed tower Sebenarnya sangat sulit menghitung secara eksperimen area interfacial atau luas antar permukaan (A) m2 antara fasa L dan V, begitu juga dalam hal menghitung koefisien film (kx, ky) dan koefisien total (kx’, ky’). Biasanya perhitungan atau pengukuran secara eksperiment dalam packed tower diambil dari yield koefisien perpindahan massa volumetrik digabung dengan area interfacial dan koefisien perpindahan massa. Untuk mendapatkan luas antar permukaan (m2) dalam volume pack (m3), yaitu volume packing dalam tinggi dz (m) adalah S dz.

dA = aS dz

(10.6-6)

dimana, S adalah m2 dikali section luas tower. Sehingga film volumetrik dan koefisien perpindahan massa kemudian didapatkan sebagai berikut

K'y a =

kg mol kg mol K 'x a = 3 s m packing fraksi mol s m packing fraksimol

K'y a =

lb mol lb mol K 'x a = 3 h ft packing fraksi mol h ft packing fraksimol

(SI)

3

3

(English)

4. Metode untuk merancang packed tower Pada proses absorpsi A dari B stagnant, dengan persamaan operating line (10.6-4). Untuk diferensial dari tinggi tower “dz” yang terlihat pada gambar 10.66, yaitu mol A meninggalkan equal V dan memasuki mol L.

d(LVy) = d(Lx)

(10.6-7)

dimana: V = kg mol total gas / s L = kg mol total liquid / s D(Vy) = d (Lx) = kg mol A yang berpindah / s dalam tinggi dz

TERJEMAHAN ABSORBSI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

12

TRANSPORT PROCESSES AND UNIT OPERATION CHRISTIE J. GEANKOPLIS

Tiap A kg mol ditransfer /s dari persamaan (10.6-7) harus equal dengan perpindahan A kgmol /s dari persamaan perpindahan massa dari NA.

NA =

k'y (1 − y A ) iM

( y AG − y A; ) =

k 'x (x Ai − x AL ) (1 − x A ) iM

(10.4-8)

dimana, (1 - y)iM dan (1-xA)iM didapat dari persamaan (10.4-6) dan (10.4-7). Dikalikan dengan sisi kiri dari persamaan (10.4-8 ) dengan dA dan dua sisi rumus aS dz dari persamaan (10.6-6).

N A dA =

k' y a (1 − y A ) iM

( y AG − y Ai ) S dz =

k 'x a (x Ai − x AL )S dz (1 − x A ) iM

(10.6-8)

dimana, NA dA = kgmol A yang berpindah / s dalam tinggi dz m (lb mol/h) d (Vy AG ) =

d (Vx AL ) =

k'y a

(1 − y A )iM

(y

AG −

y Ai )S dz

(10.6-9)

k 'x a (x x )S dz (1 − x A )iM Ai − AL

(10.6-10)

sehingga V’ = V(1 - yAG) atau V = V’/(1 - yAG)  V'   y d (Vy AG ) = d  y AG  = V ' d  AG  (1 − y AG )   1 − y AG

 V ' dy AG  =  (1 − y AG )

(10.6-11)

subtitusi V ke V’/(1- yAG) kedalam persamaan (10.6-11) dan kemudian persamaan (10.6-11 ke (10.6-9) k' y a V dy AG = (y AG − y Ai )S dz 1 − y AG (1 − y A )iM

(10.6-12)

TERJEMAHAN ABSORBSI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

13

TRANSPORT PROCESSES AND UNIT OPERATION CHRISTIE J. GEANKOPLIS

Diulangi lagi ke persamaan (10.6-10) sehingga L =L’/(1 - xAL) k'x a V dx AL (x Ai − x AL )S dz = 1 − x AL (1 − x A )iM

(10.6-13)

Huruf dibawah seperti A, sG, L dan integral didroping, jadi persamaan akhirnya digunakan koefisien film.

z

y1

0

y2

z

x1

0

x2

∫ dz = z = ∫

∫ dz = z = ∫

V dy k ' y aS

(1 − y )iM

(1 − y )( y − yi )

L dx k ' x aS (1 − x )(xi − x ) (1 − x )iM

(10.6-14)

(10.6-15)

Dengan cara yang sama, persamaan akhir ini bisa menggunakan semua koefisien.

y1

z= ∫

y2

x1

z= ∫

x2

V dy K ' y aS

(1 − y )iM

(1 − y )( y − y *) L dx

K ' x aS (1 − x )(x * − x ) (1 − x )iM

(10.6-16)

(10.6-17)

TERJEMAHAN ABSORBSI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

14

TRANSPORT PROCESSES AND UNIT OPERATION CHRISTIE J. GEANKOPLIS

Pada kasus umum, untu...