MODUL 5

MULTISTAGE TOWERS - Mc.CABE & TIELE ~ Kurang teliti dibanding dengan metode Ponchon & Savarit ~ Lebih sederhana karena tanpa entalpi data ~ Bila QL dan DHS kecil, metode ini cukup ideal ~ Garis operasi enriching dan stripping, merupakan garis lurus ~ Garis operasi hanya dihubungkan dengan laju masa

Material Balance untuk bagian enriching ~ Total kondensor ~ Refluk pada bubble point Total : G = L + D = D(R+1) untuk komponen A : G yn+1 = L xn + D xD Sehingga persamaan garis operasi bagian enriching menjadi : yn+1 = (L/G) xn + (D/G) xD = (R(/R+1)) xn + xD /(R+1) Merupakan garis dengan slope L/G = R/(R+1) dan intercept xD/(R+1) Bila xn = xD maka yn+1 = xD……garis operasi memotong diagonal diagram x-y di xD garis operasi bagian enriching

Gambar 17 Segmen enriching dan penggambaran garis operasi serta garis kesetimbangan

Bagian Stripping ~ terjadi kesetimbangan uap-cair di reboiler Material balance total : L’ = G’ + W Untuk komponen A : L’xm = G’ym+1 + WxW Maka garis operasi bagian stripping didapat : ym+1 = (L’/G’) xm - (W/G’) xW = (L’/(L’-W)) xm - (W/(L’-W)) xW yang merupakan garis lurus dengan slope L’/G’ = L’/(L’-W) dan intercept W/(L’-W). Bila xm = xW, ym+1 juga = xW……maka garis operasi enriching akan melewati titik x = y = xW

Gambar 18. Bagian stripping, garis operasi dan garis kesetimbangan

Feed dimasukkan pada stage yang memisahkan bagian enriching dan Introduction of Feed Feed dimasukkan pada stage yang memisahkan bagian enriching dan stripping Pemasukan feed merubah laju alir cair maupun uap pada stage tersebut sedangkan feed dapat berupa cair, gas maupun campuran. Bila feed berupa cairan maka material balance tray feed menjadi : F + L + G’ = G + L’ Entalpi balance : FHF + LHL + G’HG = GHG + LHL (dengan mengabaikan perubahan kuantitas laju alir antar tray) Dari kedua persamaan didapat : L’ - L/F = (HG - HF)/(HG - HL) = q q berarti kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 mol feed dari kondisinya menjadi saturated vapor per satuan molal HG-HL. L HL,f-1 G HGf HLf HG,f+1 f feed

Dari : F + L + G’ = G + L’ dan L’ - L/F = (HG - HF)/(HG - HL) = q (**) didapat : G’- G = F (q-1) (*) yang dapat dipakai untuk menetukan laju uap di bagian stripping Sedangkan dari : yn+1 = (L/G) xn + (D/G) xD dan ym+1 = (L/G) xm - (W/G) xW didapat : yG = Lx + DxD dan yG’ = L’x - WxW sehingga : (G’- G) y = (L’- L) x - (WxW + DxD) (***) Substitusi FzF = DxD + WxW dan (*) juga (**) pada (***) didapat : y = (q/(q-1)) x - zF/(q-1) Merupakan garis operasi feed (garis q) dengan slope q/(q-1) Karena y = zF ketika x = zF, garis ini melewati titik y = x = zF Garis q ini dipakai untuk menentukan perpotongan garis operasi enriching dan stripping.

Tabel 2.Harga q dan q/(q-1) untuk berbagai kondisi feed

Lokasi garis q dan lokasi feed Kondisi feed menentukan slope garis operasi feed (garis q) Garis q tidak selalu dipakai sebagai pemisah bagian enriching dan stripping tetapi hanya untuk menentukan perpotongannya. Ada 3 kemungkinan lokasi feed. Jumlah tray minimum bila feed tray berada di perpotongan garis oprasi enriching dan stripping

Gambar 19 Loaksi Feedtray dan penentuan garis operasi feed

TOTAL REFLUK Apabila R atau L/D dinaikkan, maka rasio L/G juga menjadi besar sampai L/D = ~ dan L/G = 1 yang menyebabkan garis operasi berimpit dengan diagonal  JUMLAH STAGE MINIMUM MINIMUM REFLUK Minimum refluk menyebabkan beban kondensor dan reboiler menjadi minimum dan jumlah stage menjadi ~ Penurunan harga refluk menyebabkan slope garis operasi enriching menjadi kecil sehingga menaikkan jumlah stage. Jumlah stage ~ bila salah satu dari garis operasi memotong garis kesetimbangan. Dari besarnya intercept xD/(Rm+1) didapat refluk minimum (Rm) OPTIMUM REFLUK Optimum refluk besarnya antara 1,2 ~ 1,5 Rm.

Gambar 20 Penentuan refluk minimum

Penggunaan Parsial Condenser Karena terjadinya kesetimbangan uap-cair pada parsial kondensor parsial kondensor merupakan 1 stage (stage paling atas / nomor 1) Cold Reflux Jika uap dibagian atas kolom didinginkan dibawah titik didihnya maka refluk merupakan cairan dingin. Ini menyebabkan uap yang mengalir dari tray paling atas (G1) menjadi berkurang. Besarnya refluk R harus dikoreksi menjadi R’ = L/(G-L) = R([1 + CLMav(tbpR - tR)/(lM)av]) R’ ini kemudian dipakai untuk menentukan slope maupun intercept untuk garis operasi bagian enriching.

Tahapan menentukan N metode Mc.Cabe-Tiele 1. Menentukan F, D, W, xF, xD, xW 2. Menentukan q dan slope garis feed 3. Menentukan intercept garis operasi enriching (dapat ditentukan dengan mencari Rm dan intercept pada kondisi Rm terlebih dahulu) 4. Menentukan titik M (perpotongan enriching dan garis feed) 5. Menggambarkan garis operasi stripping 6. Menentukan jumlah tahap kesetimbangan

5000 lb/jam larutan methanol-air yang mengandung 50% berat Contoh soal 5000 lb/jam larutan methanol-air yang mengandung 50% berat methanol pada suhu 80oF hendak difraksionasi kontinyu pada 1 atm. Produk atas dan bawah masing2 mengandung 95% berat dan 1% berat methanol. Sebelum masuk kolom, feed dipanaskan pada HE dengan memakai produk bawah sebagai sumber kalor sehingga produk bawah keluar HE bersuhu 100oF. Total kondensor dipakai pada sistem ini sedangkan besarnya refluk = 1,5x refluk minimum. Hitung : Jumlah stage ideal Dari material balance dan heat balance didapat : F = 132,4 lbmol/jam D = 84,4 lbmol/jam xF = 0,36 fraksi mol methanol xD = 0,915 mol fraksi methanol tF = 136oF W = 132,4 lbmol/jam tbpF = 169oF, tdpF = 193oF xW = 0,00565 mol fraksi methanol lA = 450BTU/lb; lB = 982 BTU/lb CLA = 0,65; CLB = 1; CLF = 0,92 MavF = 23,1

Menghitung q dan slope garis feed HL (dengan tF sebagai tref) = 0,92(23,1)(169-136) = 702 BTU/lbmol HG (dengan tF sebagai tref) = 0,36[0,65(32,04)(193-136) + 450(32,04) + 928(18,02)] = 17110 BTU/lbmol q = (17110 - 0) / (17110 - 702) = 1,04 slope garis feed = 1,04/(1,04 - 1) =26 Menghitung Rm Dengan memotongkan garis operasi enriching-garis feed dan garis kesetimbangan didapat intersep garis operasi untuk kondisi Rm : xD/(Rm + 1) = 0,57  Rm = 0,605 Menghitung Nm Dengan menggunakan garis operasi = garis diagonal didapat Nm = 5 termasuk reboiler.

Intersep garis operasi enriching = xD/(Rm+1) = 0,915/(0,908+1) = 0,48 Menghitung N ideal R = 1,5 x Rm = 1,5 x 0,605 = 0,908 Intersep garis operasi enriching = xD/(Rm+1) = 0,915/(0,908+1) = 0,48 Dengan menarik garis operasi enriching dari xD dan intersep 0,48 dipotongkan dengan garis feed didapat garis operasi enriching. Dengan menarik garis dari perpotongan enriching feed ke xW didapat garis operasi stripping Gambarkan tahap kesetimbangan, didapat N+1 = 9 (ideal stage termasuk reboiler), Ideal stage (N) = 8 TUGAS 7 Kerjakan kembali TUGAS 4 dengan metode Mc.Cabe-Tiele

TUGAS 5 Kerjakan Soal 9.15 secara manual dan menggunakan software