PEMILIHAN TIPE KOLOM PEMISAH

PERANCANGAN ALAT PROSES

Asep Muhamad Samsudin

Menara➢ Menara adalah alat proses, umumnya berupa bejana (silinder) tegak

yang digunakan pada proses pemisahan secara Distilasi, Absorpsimaupun Desorpsi.

➢ Bagian dalam dari Menara (Kolom), bisa jadi berupa➢ Sejumlah tray yang disusun pada jarak tertentu sepanjang kolom atau

➢ Sejumlah packing dengan ketinggian tertentu baik tersusun secara acakmaupun teratur.

➢ Tray dan Packing adalah suatu alat kontak fase yang dirancangsedemikian dengan harapan distribusi komposisi dalam kedua fasemendekati sempurna.

Tahapan Perancangan Menara1. Memilih tipe kolom : Tray, Plate atau Kombinasi

2. Perhitungan jumlah tray atau tinggi packing

3. Perhitungan diameter kolom

Alat Kontak➢ Distilasi, Absorpsi dan Desorpsi adalah termasuk proses pemisahan

berdasarkan proses difusi.

➢ Kecepatan perpindahan massa tergantung pada luas permukaanbidang batas antara fase uap dan fase cair yang saling mengadakankontak.

➢ Saat merancang alat kontak diusahakan mendapatkan luas bidangkotak yang besar sehingga meningkatkan efisiensi pemisahan.

➢ Secara umum alat kontak bisa diklasifikasikan sebagai tray/plate danpacking.

Klasifikasi Alat KontakType of Device Examples

Crossflow trays Bubble caps, sieve, valve, others

Counterflow trays Rectangular (slotted) openings, roundopenings, others

Random Packings Rings, saddles, others

Regular packings Grids, mesh, others

Special devices Splash decks, sprays, moving internals, others

Sumber : Fair, 1965

Pemilihan Tipe Kolom PemisahSecara umum ada dua tipe kolom pemisah yang dapat dipilih

1. Tray/Plate Tower

2. Packed Tower

Tray Tower / Plate Tower➢ Tray atau Plate Tower adalah kolom pemisah berupa silinder tegak

dimana bagian dalam dari kolom berisi sejumlah tray atau plate yangdisusun pada jarak tertentu (tray/plate spacing) di sepanjang kolom.

➢ Umumnya cairan dimasukan dari puncak kolom dan dalamperjalanannya cairan akan mengalir dari tray yang satu ke tray yanglain yang ada di bawahnya.

➢ Selama proses berlangsung, di setiap tray akan terjadi kontak fasaAntara fasa cairan dengan fasa uap yang dimasukkan dari dasarkolom.

➢ Secara keseluruhan kontak Antara fasa dalam Tray Tower dapatdipandang sebagai aliran lawan arah (countercurrent), meskipun arusyang sebenarnya terjadi arus silang (crossflow).

Tray Tower / Plate Tower➢ Kecepatan aliran uap/gas juga akan berpengaruh terhadap

keberhasilan proses pemisahan.

➢ Jika kecepatan gas terlalu rendah, maka gelembung-gelembung gasakan mengembang sehingga luas permukaan bidang kontak tiapsatuan volume menjadi kecil sehingga menurunkan efisiensipemisahan.

➢ Sebaliknya gas dengan kecepatan tinggi cenderung akan terdispersilebih sempurna sehingga efisiensi pemisahan meningkat.

➢ Namun, aliran gas dengan kecepatan tertentu akan membawapercikan cairan masuk ke dalam tray yang ada di atasnya. Peristiwa inidisebut Liquid Entrainment

➢ Jika entrainment terjadi berlebihan akan mengakibatkan floodingyang menyebabkan efisiensi pemisahan menurun.

Pemilihan Tray Tower➢ Tray Tower umumnya digunkan untuk proses Distilasi, Absorpsi atau

Desorpsi

➢ Sebagai alat pemisah Tray Tower dipilih jika

1. Diameter kolom lebih dari 3 (tiga) feet

2. Campuran yang akan dipisahkan :a. Tidak korosif

b. Tidak mudah membentuk buih

c. Terdapat suspensi padatan

3. Dinginkan hasil samping pada berbagai komposisi

4. Proses pemisahan disertai dengan reaksi kimia

5. Kolom dioperasikan pada tekanan vakum, dengan memasangstiffener disetiap tray.

Tray Tower / Plate Tower

Source: A. Mersmann, M. Kind, J. Stichlmair: Thermal Separation Technology. Berlin, Heidelberg: Springer 2011

Symbols

a downcomer

b tray support

c sieve trays

d man way

e outlet weir

f inlet weir

g side wall ofdowncomer

h liquid seal

Aac active area

Ad downcomer area

Dc column diameter

dcap, v, h bubble cup, valve, hole diameter

H, z tray spacing

hcl height of down-comer clearance

hw weir height

lw weir length

lL length of liquid flow path

relative free area

Characteristic dimensions of industrial tray designs

wG

Komponen Tray TowerDowncomer : lubang tempat masuknya aliran dari atas berupa liquid(plate atas) ke plate bawah (kita memandang plate bawah ini sebagaiacuan)

Downflow : lubang tempat keluaran liquid dari plate atas (kitamemandang sebagai acuan) ke plate di bawahnya

Weir : penghalang yang dipasang di pinggir dari downflow utk membuatagar volume liquid yang tertampung di tray banyak, sehingga efektifterjadinya kontak antara liquid dan gas

Baffle : penghalang yang berada di tengah-tengah tray untuk membuataliran lebih lama berada di tray (penerapan hanya di reverse flow)

Komponen Tray TowerCap : penghalang / pengkontak antara liquid dan uap yang dipasang disetiap tray, bentuk seperti topi yang pinggirnya ada slot untuk mengaturbesar kecilnya gas yang keluar keatas

Slot : tempat bukaan pada cap yang mempunyai macam-macam bentuk(trapesium, persegi, segitiga dll) yang berfungsi mengatur bukaan gasyang keluar ke atas sehingga liquid dan gas berkontak secara normal

Tray / PlateTray atau plate adalah alat kontak antar fasa yang berfungsi sebagai

1. Tempat berlangsungnya proses perpindahan

2. Tempat terbentuknya keseimbangan

3. Alat pemisah dua fasa seimbang

Tipe tray atau plate

1. Bubble Cap Tray

2. Sieve Tray atau Perforated Tray

3. Ballast atau Valve Tray

CONTOH TRAY

Source: GEA Wiegand GmbH, Ettlingen

Sieve Tray

Bubble Cap Tray

Tunnel Cap Tray

| Prof. Dr. M. Reppich | Conceptual Design of Distillation, Absorption and Stripping Systems | 14 |

CONTOH TRAY

Floating valve tray with rectangular-shaped valves(BDH™ valve)

Source: Sulzer Chemtech AG

Detail of Varioflex valve tray

Source: Koch-Glitsch, Inc.

| Prof. Dr. M. Reppich | Conceptual Design of Distillation, Absorption and Stripping Systems | 15 |

Bubble Cap Tray➢ Bubble Cap Tray adalah tray yang menggunakan bubble cap untuk

mencapai tahap keseimbangan.

➢ Bubble Cap berupa mangkok terbalik yang terletak di atas riser, yangmana uap dapat masuk dari bagian bawah tray dan terdispersi padapermukaan bawah cairan melalui celah-celah atau slot.

➢ Bubble cap yang dirancang dengan baik akan memberikan turbulensimassa uap-cairan membentuk froth dengan luas antar muka yangbesar hingga efisiensi tray tinggi.

➢ Keuntungan penggunaan Bubble Cap Tray1. Banyaknya data teknis dan pengalaman tentang Bubble Cap tray

2. Memungkinkan peralatan beroperasi pada kondisi yang beragam denganefisiensi relatif tetap.

Bubble Cap Tray

www.ambanimetal.com

Bubble Cap Tray

Sieve Tray / Perforated Tray➢ Sieve Tray atau Perforated Tray adalah tray yang terbuat dari lapisan logam

datar dengan sejumlah lobang.

➢ Diameter lobang berkisar Antara 1/8 – ½ inchi, tetapi yang sering digunakanadalah 3/16 inchi.

➢ Setiap tray dilengkapi dengan satu atau lebih downcomer untuk membawacairan turun dari tray yang satu ke tray lainnya yang ada di bawahnya.

➢ Pada operasi normal, uap mengalir melalui lobang-lobang sehinggamenyebabkan turbulensi cairan membentuk froth sepanjang tray, hinggaperpindahan massa uap cairan lebih efisien.

➢ Dibandingkan dengan Bubble Cap tray, kelebihan Sieve Tray adalah bahwalobang-lobang yang terdapat dalam tray dapat dipasang cap-cap sepertihalnya pada konstruksi Bubble cap tray.

Sieve Tray / Perforated Tray

Ballast/Valve Tray➢ Ballast/Valve Tray serupa dengan Sieve Tray, hanya di setiap lubang

dipasang cap-cap yang dapat diangkat atau berupa valve yang dapatnaik turun tergantung variasi kecepatan aliran uap.

➢ Gerak vertikal dari cap yang diizinkan antara ¼ - ½ inchi.

➢ Operasi Valve Tray lebih fleksibel dibanding dengan Sieve Tray.

Ballast/Valve Tray

Perbandingan Antar Tray

Pola Aliran CairanReverse Flow : aliran liquid datang dari atas (downcomer) lalumengalir di sepanjang tray dan berbelok ke bagian traysebelahnya karena adanya baffle lalu mengalir ke platebawahnya di downflow. Disebut reverse flow karena letakdowncomer dan downflow di sisi yg sama. Dapat digunakanutk menampung cap lebih banyak, luas downcomer kecil. Kec.Liquid = 0-50 gpm [0-0.003 m3/s]

Cross Flow : aliran liquid datang dari atas (downcomer) lalumengalir di sepanjang tray dan mengalir ke plate bawahnya didownflow. Disebut cross flow karena letak downcomer dandownflow di sisi berseberangan. Jarak yang dilewati liquidpanjang sehingga efisiensi tinggi. Kec. Liquid = 50-500 gpm[0.003-0.03 m3/s]

Double Pass Flow: aliran liquid datang dari atas dari 2 bagiandowncomer (kiri kanan ) lalu mengumpul di tengah-tengahplate dan turun ke bawahnya. Digunakan untuk beban liquidyang besar,. Kec. Liquid = 500 gpm [0.03 m3/s]

Pola Aliran Cairan➢ Susunan aliran cairan di atas permukaan Tray tergantung pada rasio

aliran cairan terhadap aliran gas.

Batasan/Jangkauan Operasi Tray ➢ Untuk rancangan aliran tray yang

diberikan terdapat batasan tertentubagi aliran gas dan cairan dimanaoperasi stabil diperoleh.

➢ Apabila operasi terjadi diluarSatisfactory operation Area akanmengakibatkan Entrainment, Flooding,Weeping dan Coning

➢ Entrainment : peristiwa liquidterangkut ke plate atasnya karenadorongan gas dari bawah yangberlebihan, disebabkan laju alir gasterlalu besar.

Batasan/Jangkauan Operasi Tray ➢ Flooding disebabkan laju alir uap yang

atau laju alir cair terlalu tinggi. Efisiensiplate turun dan pressure dropmeningkat.

➢ Weeping terjadi ketika aliran uap tidakcukup menahan level cairan pada platekarena laju alir uap terlalu kecilsehingga cairan turun melalui poriplate yang berakibat menurunnyaefisiensi

➢ Coning terjadi jika laju alir cairanterlalu rendah sehingga uapmendorong cairan dari tray.

Liquid Entrainment Flooding coning weeping

PACKED TOWER➢ Packed tower adalah kolom pemisah berupa silinder tegak alat yang

didalamnya berisi sejumlah kumpulan packing (isian) yang digunakansebagai alat kontak fase gas-cair atau cair-cair.

➢ Packed tower banyak digunakan sebagai alat pemisah suatucampuran yang mendasarkan pada operasi difusi, yang melibatkankontak antara :

1. Fase gas dengan fase cair (Distilasi, Absorpsi, dan Desorpsi) atau

2. Fasa cair dengan fasa cair (Ekstraksi)

Pemilihan Packed Tower1. Untuk diameter kolom kurang dari 3 (tiga) feet, packed tower lebih

dipilih

2. Kolom yang harus dioperasikan pada tekanan vakum

3. Campuran yang akan dipisahakan

a. Bersifat korosif

b. Cenderung membentuk buih

c. Tidak mengandung suspensi padatan

4. Tidak diinginkan hasil samping

5. Tidak disertai dengan reaksi kimia

Tinjauan Tray & Packed TowerAspek Tray Tower Packed Tower

Alat Kontak Tray / Plate Packing / Bahan Isian

Arah Aliran Kontak Fase Arus silang Arus lawan arah

Terjadinya Perpindahan Setiap Tray sepanjangkolom

Setiap titik di setiappermukaan bidang basahdari packing

Kemungkinan TerwujudnyaKeseimbangan

Di setiap Tray sepanjangkolom

Pada kolom Packing setinggi HETP

Symbols

a liquid distributor

b liquid collector

c structured packing

d support grid

e man way

fgh

liquid re-distributorrestrainerColumn sump

(A) (B)

Sources: A. Mersmann, M. Kind, J. Stichlmair: Thermal Separation Technology. Berlin, Heidelberg: Springer 2011; D.W. Green (ed.): Perry´s Chemical Engineers´ Handbook, New York: McGraw-Hill 2008

Komponen Packed Tower

h

g

Dinding Kolom (Shell)➢ Terbuat dari metal, plastik, kayu, kombinasi atau bahan yang lainnya.

➢ Umumnya penampang bentuk bulat.

Gambar : Shell suatu packed tower tampak atas

Distributor➢ Mempunyai peranan penting jika dikaitkan dengan efisiensi

pemisahan.

➢ Distribusi cairan yang jelek akan menurunkan efektivitas daripermukaan packing yang terbasahkan.

➢ Pemilihan mekanisme distribusi cairan pada permukaan tumpukanpacking, sangat tergantung pada ukuran kolom, tipe packing dan lain-lain.

➢ Umumnya dibutuhkan 5 (lima) titik untuk tiap ft2 penampang kolomdengan diameter lebih besar atau sama dengn 4 ft.

Distributor

Distributor

Distributor testing facilities. (Photo courtesy of KochGlitsch Inc.)

Redistributor➢ Digunakan pada setiap ketinggian 3-10 kali diameter kolom,

tergantung pada jenis packing.

➢ Sebagai anjuran, kira-kira 3 kali diameter kolom atau maksimal 10-15ft untuk tipe Raschig Ring dan 5-10 kali diameter kolom atau 12-20 ftuntuk tipe Berl / Intalox Saddle.

➢ Pada tumpukan packing setinggi 10 ft, maka 20-30 % cairan mengalirke bawah melalui dinding.

Packing Support➢ Dalam kolom, packing ditahan oleh packing support.

➢ Perforated plate, dapat digunakan sebagai penahan packing, tetapitipe bar-grid lebih mudah dan kuat.

Support grids TEB / TSB for Structured Packing

Support grids TE / TS for Structured Packing

Support grids GIS / EMS for Random Packing

Packing Restrainer➢ Dibutuhkan jika laju alir gas tinggi

➢ Digunakan untuk menahan pengangkatan packing ketika adakenaikan laju alir gas yang mendadak.

Retaining grid for Random Packing

Packing Restrainer

Entraintment Eliminator➢ Pada laju alir gas tinggi, dimana Spray liquid distributor digunakan,

maka ketika gas meninggalkan permukaan tumpukan packing, sangatboleh jadi akan membawa tetesan cairan. Peristiwa ini disebutEntrainment.

➢ Dengan menggunakan Entrainment Eliminator, Tetesan cairan akantertangkap pada permukaan alat tersebut dan jatuh meneteskembali.

Packing➢ Packing adalah bahan isian yang digunakan sebagai alat

kontak antar fasa dalam kolom pemisah.

➢ Tujuan utama packing adalah untuk menyediakan luaskontak yang besar antara kedua fase.

➢ Sebagai alat kontak antar fasa, packing memiliki 3 (tiga)fungsi

1. Tempat berlangsungnya proses perpindahan

2. Tempat terbentuknya keseimbangan

3. Alat pemisah dua fasa seimbang

➢ Packing dapat disusun secara acak (Random packing)maupun secara teratur (Regular packing)

Kriteria Pemilihan Packing1. Memberikan luas permukaan bidang kontak yang besar tiap satuan

volume.

2. Tumpukan packing dalam kolom harus memberikan rongga yang cukup.

3. Karakteristik pembasahan packing baik.

4. Tahan terhadap bahan yang bersifat korosif.

5. Bulk density rendah

6. Ringan, kuat dan tidak mudah pecah.

7. Murah dan mudah diperoleh

Pemilihan Ukuran Packing

Column diameter Packing size

< 0,3 m (1 ft) < 25 mm (1 in)

0,3 – 0,9 m (1 to 3 ft) 25 to 38 mm (1 to 1,5 in)

> 0,9 m (3 ft) 50 to 75 mm (2 to 3 in)

Ukuran kecil mahal, pressure drop tinggi, m2/m3

tinggi

Ukuran besar murah, pressure drop rendah, m2/m3 rendah

Menara berukuran besar packing ukuran besar

Menara berukuran kecil packing ukuran kecil

Rekomendasi ukuran random packing:

Cara Penyusunan Packing

• Dijatuhkan acak

• Pressure drop lebih besar

• Luas permukaan besar

• cost kecil

Random Packing

• Disusun secara teratur

• Pressure drop rendah

• Aliran fluida besar

• cost besar

Regular Packing

Random Packing

Historical Development of Characteristic Random Packings

First Generation (Raschig Ring, Berl Saddle)

1895 to the 1950s

simple shapes with closed surfaces, robust and stable design, cost-effective production

Second Generation (Pall Ring, Intalox Saddle)

late 1950s to the early 1970s

surfaces with cutted windows and bent tongues,improved area distribution lowering pressure drop and enhancing capacity

Third Generation (Net/Grid Structures, IMPT Ring)

late 1970s to the 1990s

framework structure, large free cross section, low pressure drop, high efficiency

Fourth Generation (Raschig Super-Ring)

late 1990s until present

lower pressure drop and better mass transfer efficiency

Rachig RingsKelebihan Kelemahan

• Harganya lebih murah• Tidak terlalu berat• Dapat digunakan untuk bahan

yang tidak tahan suhu tinggi

• Efisiensinya lebih rendah• Kontaknya berlangsung secara

cepat

Lessing RingsKelebihan Kelemahan

• Harganya murah• Tidak terlalu berat• Dapat digunakan untuk bahan

yang tidak tahan suhu tinggi

• Efisiensinya lebih rendah• Kontaknya berlangsung secara

cepat

Partition RingsKelebihan Kelemahan

• Penyerapannya baik• Tidak bereaksi dengan zat kimia• Lebih banyak memiliki laluan

sehingga memungkinkan untukkontak dengan baik

• Pembersihannya sulitdilakukan.

• Harganya lebih mahaldibandingkan raschig ring, lessing ring, berl saddle danintalox saddle

Pall RingsKelebihan Kelemahan

• Kapasitas lebih tinggi danPressure drop rendah (di bawahseparuh Raschig Rings)

• Nilai HTU lebih rendah dari BerlSaddle.

• Distribusi cairan baik dankapasitas besar.

• Pembersihannya sulitdilakukan.

• Harganya lebih mahaldibandingkan raschig ring, lessing ring, berl saddle danintalox saddle

Berl SaddleKelebihan Kelemahan

• Distribusi uap-cairdidistribusikan secara meratasama pada kedua sisi.

• Stabilitas kimia tinggi, dan dayatahan panas yang sangat baik,

• Luas permukaannya besar

• Kontaknya berlangsung secaracepat

• Harganya mahal

Intalox SaddleKelebihan Kelemahan

• Pressure Drop rendah denganluas permukaan yang lebihtinggi

• Distribusi uap-cairdidistribusikan secara meratasama pada kedua sisi.

• Stabilitas kimia tinggi, dan dayatahan panas yang sangat baik

• Kontaknya berlangsung secaracepat

• Harganya mahal

TelleretteKelebihan Kelemahan

• Pressure drop dan nilai HTU rendah.

• Batas flooding lebih tinggi daripada Raschig Ring maupun BerlSaddle.

• Dapat dibuat dari plastik• Luar permukaan lebih besar• lebih banyak memiliki laluan

sehingga memungkinkan untukkontak dengan baik.

• Harganya lebih mahaldibandingkan raschig ring, lessing ring, berl saddle danintalox saddle

• Pembersihannya sulit dilakukan

Common Random Packings

Regular Packing

Material Packing

PLASTICS

CERAMIC

CARBON

METALS

• Plastic packings (usually polypropylene) are

inexpensive and have sufficient strength, but

have poor wettability particularly at low liquid

rates.

• Ceramic packings are useful for resisting

corrosion at elevated temperatures, where

plastic may not be suitable. Ceramic packings

also have good wettability, but inferior strength

than metal packings

• Carbon packings packings are useful for

resisting corrosion. but inferior strength than

ceramic and metal packings

• Metal packings are usually preferred because

of their superior strength and good wettability.

Random Packing

Regular Packing

Mellapak 125.XPlastic

MellacarbonCarbon

BX GauzeLogam

Ceramic

Masalah yang Sering Terjadi dalamPacked Column➢ CHANELLING Cairan bukannya seragam mengairi

materi, akan tetapi menemukan satu / lebih jalur sempitdan mengalir sebagian besar melalui itu, sehinggamengurangi efektivitas. Alasan utama untuk kinerja yangburuk dari packed tower besar Terjadi biasanya padaregular packed tower

➢ FLOODING Akumulasi cairan di atas kolom

➢ LOADING Akumulasi cairan di dalam packing

LIQUID

INLET

DISTRIBUTION OF

LIQUID UNDER

IDEAL CONDITIONS

1. PACKED MATERIALS

2. SUPPORTING GRID

3. LIQUID COLLECTOR

4. LIQUID REDISTRIBUTOR

5. LIQUID DISTRIBUTOR

LIQUID

INLET

CHANNELING

PROBLEM IN PACKED

TOWERS

1. PACKED MATERIALS

2. SUPPORTING GRID

3. LIQUID COLLECTOR

4. LIQUID REDISTRIBUTOR

5. LIQUID DISTRIBUTOR