A mixture of feed containing 45% mole Benzene (A), 30% mole Toluene(B) and 25% mole M-xylene (C) is to be fractionated so that the distillate contains only 5% mole of Toluene, and the bottom product contains only 3% mole of Benzene. The column will operate at 1 atm with 30 percent vaporized feed. (a) Calculate the minimum number of tray needed(b) Estimate the number of ideal plates required if the reflux ratio is 1.5RDm.(c) Compare your result with Hysys program. (Boiling Point of Benzene at 1 atm = 353,3 K. Toluene = 383.8K. M-xylene = 412,3 K)Answera) Minimum number of trayLangkah 1: Menentukan basis dari Feed Basis = 100 mol/h FeedLangkah 2: Menentukan komponen light key dan heavy key. Komponen light key adalah komponen ringan (lebih volatil) yang masih mempunyai komposisi yang tidak terlalu kecil di bottom product. Komponen heavy key adalah komponen berat (kurang volatil) yang masih mempunyai komposisi yang tidak terlalu kecil di distilat.pemilihan komponen light key dan heavy key dapat dibuktikan menggunakan persamaan Shiras.komponen light key = Benzenekomponen heavy key = TolueneLangkah 3: Menentukan flow rate Distillate dan Bottom ProductPerhitungan dilakan menggunakan persamaan neraca mol total dan neraca mol komponen dari salah satu komponen. Oleh karena heavy key pada soal ini adalah Toluene, maka fraksi m-xylene di dalam distilat (D) dianggap bernilai nol. Seluruh m-xylene dianggap berada pada bottom product (W). Dengan begitu. fraksi Benzene di distilat dapat dicari dengan

xD=1– fraksi toluene=1– 0,05

xD=0,95

priska jesika 1

aSSIGNMENT 5

Neraca mol komponen Benzene (A)F=D+W

F xF=D xD+Wxw

100×0,45=0,95 (100−W )+0,03W

45=95−0,95W+0,03W

W=54.34mol /h

D=45.66mol /hLangkah 4: Menentukan komposisi Distilat (D)D=45.66mol /hKomponen Fraksi mol Komposisi (mol)Benzene 0,95 43.38Toluene 0,05 2.28m-xylene 0 0

Langkah 5: Menentukan komposisi Bottom Product (W)W=54.34mol /h

Sebelumnya, perlu dicari dahulu fraksi mol komponen (B) dan (C) di bottom product dengan menggunkan neraca mol komponen total dari masing-masing zat.Neraca mol komponen Toluene (B)F xF . B=D xD. B+WxW .B

100×0,3=(45.66 x 0,05)+(54.34 x xW .B )xW .B=0 ,51

Neraca mol komponen m-xylene(C)F xF .C=DxD.C+BxW .C

100×0,25=(45.66 x0)+(54.34 x xW .C )xW .C=0 ,46

priska jesika 2

aSSIGNMENT 5

Komposisi masing-masing komponen di bottom product ialahKomponen Fraksi mol Komposisi (mol)Benzene 0,03 1.63Toluene 0,51 27.71m-xylene 0,46 25Sehingga jika data diatas dirangkum kedalam bentuk tabel. maka akan didapatkan tabel sebagai berikut. Tabel 1. Komposisi Komponen di Feed. Distillate. dan Bottom Productkomponen zF mol xD mol xw molBenzene 0.45 45 0.95 0 0.03 1.63Toluene 0.3 30 0.05 2.283 0.51 27.72m-xylene 0.25 25 0.00 0 0.46 25

Langkah 6: Menentukan Temperatur OperasiTemperatur Operasi ditentukan dengan menggunakan persamaan dibawah ini (Mc.Cabe 4th Ed. eq. 19.12).

dengan f = fraksi uap dalam feed = 0,3.Persamaan diatas menggunakan xb yang merupakan fraksi bottom product yang digunakan hanya untuk menghitung Temperatur Operasi. Nilai K atau M adalah perbandingan Psat dengan Poperasi. Suhu operasi dapat dihitung dengan bantuan goal seek oleh microsoft excel.Tabel 2. Temperatur OperasiSuhu Operasi (T)goalseek = 374 Kkomponen A B C Psat (atm) K Xf XbiBenzene (LK) 15.9008 2788.51 -52.36 1.818149064 1.818149 0.45 0.361317Toluene (HK) 16.0137 3096.52 -53.67 0.751055564 0.751056 0.3 0.324213m-xylene 16.139 3366.99 -58.04 0.316415186 0.316415 0.25 0.3144951.000025priska jesika 3

aSSIGNMENT 5

Setelah di Goal Seek xBi sama dengan 1, Temperatur operasinya adalah sebesar 3740K.Langkah 7: Menentukan Temperatur Distillate dan Bottom ProductMenentukan temperatur distilat berguna dalam menghitung nilai alpha rata-rata yang akan dipergunakan dalam perhitungan jumlah tray. Dalam mencari temperatur distilat, digunakan goal seek, sehingga didapatkan nilai sebagai berikut.

Tabel 3. Temperatur DistilatSuhu Distilat (TD)goalseek = 354,2851Kkomponen A B C Psat (atm) K XD ybenzene 15.9008 2788.51 -52.36 1.032221156 1.032221 0.95 0.98061toluene 16.0137 3096.52 -53.67 0.398426025 0.398426 0.05 0.019921

m-xylene 16.139 3366.99 -58.04 0.155692086 0.155692 0 01.000531Sehingga suhu distilat adalah sebesar 354 oK.Untuk mencari temperatur bottom product, dapat dilihat kondisi dan komposisi yang ada di bottom product. Tabel 4. Temperatur Bottom ProductSuhu Bottom (TB)goalseek = 392,5303 Kkomponen A B C Psat (atm) K Xw ybenzene 15.9008 2788.51 -52.36 2.915638088 2.915638 0.03 0.087469toluene 16.0137 3096.52 -53.67 1.274227209 1.274227 0.51 0.649856m-xylene 16.139 3366.99 -58.04 0.57100989 0.57101 0.46 0.2626650.9999

priska jesika 4

aSSIGNMENT 5

9Dengan menggunakan fasilitas goal seek, temperatur bubble point campuran dengan komposisi tersebut adalah 392,5 0K.

Langkah 8: Menentukan jumlah tray minimum menggunakan Fenske eq. yaitu :Nm+1=

ln [(x i , Dxi , W

)/(xJ , DxJ ,W

)]

ln αi , JDimana,α lk , hk=

K lk

K hk

¿ 1,820,75

=2.426

sehingga:Nm+1=

ln [(x i , Dxi , W

)/(xJ , DxJ ,W

)]

ln αi , J

Nm+1=ln [( 0.95

0,03)/ ( 0,050 ,51

)]

ln 2.426

Nm=6.52−1=5.52≈6Jadi Tray minimum yang dibutuhkan untuk melakukan distilasi pada infinite reflux adalah 6 tray. Untuk menghitung Tray minimum juga dapat menggunakan alpha rata-rata dengan menggunakan hubungan antara α LK/HK dengan temperatur feed, distilate, dan bottom product dengan persamaan:Nm+1=

ln [(x i , Dxi , W

)/(xJ , DxJ ,W

)]

ln αi , JDimana,αFij=

KLK

K Hk

=1,820,75

=¿2,426priska jesika 5

aSSIGNMENT 5

αDij=K LK

K Hk

=1 ,03220 ,398

=2,593

αBij=KLK

K Hk

=2,91561.2742

=2,288

α ij=3√αDij αFijαBij=2.432sehingga:Nm+1=

ln [(x i , Dxi , W

)/(xJ , DxJ ,W

)]

ln αi , J

Nm+1=ln [(0,95 /0,03)/ (0,05/0,51)]

ln 2,432

Nm=6,5−1=5.5

Nm≈6

Jadi Tray minimum yang dibutuhkan untuk melakukan distilasi pada infinite reflux adalah 6 tray.

b) AnswerLangkah 1: Menggunakan Underwood Equation

1−q=∑ α i xFiα i−∅

Melakukan trial nilai dari ∅ , nilai q=0.7 karena tervaporasi 30%Nilai α adalah K/Kref. K referensi adalah K dari HK

Tabel 5. Nilai alfakomponen A B C Psat (atm) K Xf alfa 1-qBenzene 15.9008 2788.51 -52.36 1.818150605 1.818151 0.45 2.420791 1.100506Toluene 16.0137 3096.52 -53.67 0.751056277 0.751056 0.3 1 -0.6961

priska jesika 6

aSSIGNMENT 5

8m-xylene 16.139 3366.99 -58.04 0.316415521 0.316416 0.25 0.421294 -0.104320.300007∑αi xFiαi−ɸ

=1 –q

∑αi xFiαi−ɸ

=1 –0.7

∑αi xFiαi−ɸ

=0.3

Setelah di trial menggunakan Ms. Excel didapatkan beberapa nilai ∅ . Untuk memilih nilai yang akan digunakan, kita mempunyai persyaratan bahwaɸ nilai harus berada antara nilai α komponen ɸ light key dan nilai α komponen heavy key, sehingga didapatkan nlai ∅=1.431.Langkah 2: Mencari Nilai RDmPersamaan Underwood untuk di distilat :

RDm + 1 = ∑ αi xDiαi−ɸ

RDm + 1 = 2.420791 x0.952.420791−1.431 + 1 x0.05

1−1.431

RDm + 1 = 2,21RDm = 1,21

Langkah 3: Menghitung RD yang nilainya 1.5 RDmRD=1.5×1,21=1,815

RD−RDm

RD+1=1,815−1,21

1,815+1=0.215

priska jesika 7

aSSIGNMENT 5

Langkah 4: Mencari hubungan R dengan N dengan Gilliland Correlation

Gambar 1. Gilliland CorrelationDari grafik diatas, untuk nilai RD−RDm

RD+1 = 0.215, kita memperoleh nilai

N−Nmin

N+1 = 0.48

Langkah 5: Menghitung nilai N N−Nmin

N+1=0.48

N−5,5N+1

=0.48

N=11.5 ≈ 12 stagesLangkah 5: Membandingkan dengan HYSYS

priska jesika 8

aSSIGNMENT 5

Masukan data zat yang digunakan (Benzene, Toluene, M-xylene) dan persamaan yang dipakai (persamaan Antoine). Kemudian input nilai fraksi uap dalam feed (0.3), tekanan feed (1 atm), laju alir mol feed (100 mol/h), dan komposisi feed. Setelah itu, input zat yang menjadi komponen light key yaitu Benzene dengan komposisinya di residu sebesar 0.03 dan komponen heavy key yaitu Toluene dengan komposisinya di distilat sebesar 0.05.

Gambar 2. Kolom Distilasi

priska jesika 9

aSSIGNMENT 5

Gambar 3. Parameter Sistem

Gambar 4. Kondisi Sistem

priska jesika 10

aSSIGNMENT 5

Gambar 5. Komposisi SistemAkhirnya, diperoleh nilai reflux minimum, jumlah tray minimum, dan jumlah tray ideal seperti pada gambar dibawah ini.

Gambar 6. Jumlah tray

priska jesika 11

aSSIGNMENT 5