Perhitungan Stage Seimbang

8/10/2019 Perhitungan Stage Seimbang

1/48

Universitas Gadjah Mada 1

BAB III. PERHITUNGAN STAGE SEIMBANG

Konsep stage seimbang dapat dipergunakan untuk memperkirakan hasil pemisahan

suatu campuran. Konsep ini menggunakan dasar bahwa arus yang keluar stage dalam

keadaan seimbang atau telah terjadi keseimbangan fase. Ada kemungkinan kedua fase

yang berkontak dipisahkan sebelum keadaan keseimbangan terjadi karena untuk mencapai

keadaan keseimbangan diperlukan waktu yang lama (ingat kecepatan perpindahan berjalan

lambat bila sudah mendekati keadaan keseimbangan). Oleh karena itu diperlukan faktor

efisiensi pemisahan.

Seperti sudah diketahui bersama bahwa pada suatu stageseimbang untuk suhu dan

tekanan tertentu komposisi hasil keseimbangan juga tertentu (ingat kaidah keseimbangan

fase). Oleh karena itu untuk mendapatkan hasil yang memenuhi spesifikasi tertentu

digunakan cara operasi berulang (multiple stage).

A. Seimbang Tunggal

Alat kontak paling sederhana pada stage wise adalah single stage equilibrium.

Misalnya ekstraksi single stage, yaita suatu larutan A C (umpan) ditambah dengan larutan

B murni (atau tidak murni). Pertanyaannya adalah bagaimana komposisi hasil Ekstrak (E)

dan Rafinat ( R).

Persamaan matematis yang dapat disusun untuk konsep ini

(ingat konsep Chemical Engineering Tools)

1. Neraca massa total 2. Neraca massa komponen solute(A) 3. Neraca massa komponen solvent(C) atau (neraca separating agent)

4. Hubungan keseimbangan

Neraca panas tidak ditinjau karena umumnya ekstraksi berlangsung pada suhu tetap atau

panas pelarutan umumnya rendah.


2/48


Perhitungan dapat dilakukan bila tersedia data seimbang untuk sistem (A, B, dan C)

pada suhu dan tekanan operasi.

Lukiskan kurva seimbangnya:

- Segitiga ABC sama sisi

Persamaan-persamaan aljabar yang tersusun dapat diselesaikan dengan bantuan

komputer atau secara grafis. Pada era sekarang ini yang perkembangan komputer sudah

sangat pesat dan didukung kemampuan berhitung secara analitis, numeris, dan kemampuan

penyusunan program komputer yang baik maka persamaan-persamaan di atas dapat

diselesaikan dengan sangat mudah. Pada kuliah ini akan dibahas secara rinci cara

penyelesaian dengan cara grafis karena sampai saat ini masing-masing mahasiswa belum

dimungkinkan membawa komputer ke kelas. Tetapi penanaman konsep-konsep penyusunan

model matematis atau analisis kasus ditekankan sehingga cara penyelesaian persamaan

yang dipilih dapat bebas karena merupakan bagian yang terpisah.

Perhitungan secara grafis

Pada perhitungan secara grafis muncul konsep penjumlahan secara grafis dan

pengurangan secara grafis. Untuk itu muncul kaidah penjumlahan secara grafis dan

pengurangan secara grafis.

Kaidah penjumlahan secara grafis (graphical addition rule) campuran yang terjadidari penjumlahan dua arus yang masuk atau keluar terletak pada garis lurus yang dibentuk

dari kedua komposisi-komposisi tersebut. Sedangkan posisi titik campuran tersebut

ditentukan dengan kaidah lengan tuas terbalik ( inverse lever arm rule). Kaidah ini dijabarkan

berdasarkan neraca massa sebagai berikut:

Berdasarkan persamaan neraca bahan, kita dapat mengadakan analisis secara

grafik.


3/48


Jadi m1 berada pada garis dengan posisi dicari dari:

berlaku untuk komponen A dan C Persamaan ini yang kemudian

dinyatakan sebagai kaidah lengan tuas terbalik, dengan dasar pemikiran yang sama

dapat dinyatakan sebagai panjang garis.

dan seterusnya untuk perbandingan yang lain.

Prinsip pengurangan

Pengurangan dapat juga dilakukan secara grafis, konsep yang digunakan sama

dengan prinsip penjumlahan arus. Prinsip pengurangan dapat digunakan untuk menentukan

jumlah dan komposisi arus diantara dua stageyang berturutan dan dikenal dengan konsep

arus netto. Kaidah lengan tuas terbalik juga berlaku pada pengurangan arus.

Letak titik pada perpanjangan garis yang dihubungkan dari E1dan R0atau dari E2

dan R1 dan seterusnya, dan posisinya dapat ditentukan berdasarkan kaidah lengan tuas

terbalik misalnya:

untuk yang lain analog.


4/48


Penentuan Jumlah dan Komposisi Arus-arus yang Keluar dari Stage Seimbang

Kuantitas (jumlah dan komposisi) ekstrak dan rafinat ditentukan berdasarkan

persamaan-persamaan neraca massa dan keseimbangan yang telah disusun di atas.

Komposisi ekstrak dan rafinat dalam keadaan seimbang maka titik ekstrak dan rafinat

berada pada kurva seimbang dan tie line yang dihubungkan dari komposisi ekstrak dan

rafinat harus melalui titik m1 (seperti gambar di atas). Penentuan garis tersebut dilakukan

dengan coba-coba. Bila garis yang dimaksudkan diperoleh maka komposisi ekstrak dan

rafinat dibaca dan jumlahnya dapat ditentukan berdasarkan persamaan neraca massa total

dan komponen atau dengan kaidah lengan tuas terbalik.

Dan R1dicari dari :

Pada konsep keseimbangan, E R, yang berarti = garis seimbang. Jadi kitaharus mencari garis seimbang yang melalui m.

Cara mencari garis tersebut dengan cara trial and error. Sebagai catatan, lebih

mudah memakai kurva distribusi seimbang.

a. Tarik garis sembarang (tie line) melalui m

b. Cek apakah tie linetersebut merupakan tie lineyang benar.

B. Mult i Stage Cross-Current Extract ion

Untuk masing-masing stagedapat disusun:

Neraca massa total:


5/48


Neraca massa komponen Solut (A)

Neraca massa komponen Solven (C) atau neraca separating agent

dan hubungan keseimbangan

Contoh soal:

Larutan asam asetat (A) dan air (B) sebanyak 100 kg berisi 30% asam diekstraksi tiga

tingkat secara arus silang dengan isopropil eter (C) dengan menggunakan 40 kg solven di

tiap tingkatnya. Hitunglah komposisi dan jumlah tiap-tiap aliran. Hitunglah juga jumlah solven

yang dibutuhkan apabila digunakan 1 tingkat ekstraksi dengan kondisi rafinat yang sama.

Hubungan keseimbnagan diberikan dalam bentuk grafik berikut:

Solven Diluen Solute Solven Diluen Solute

98,1

97,1

95,5

91,7

84,4

71,1

58,9

45,1

37,1

1,2

1,5

1,6

1,9

2,3

3,4

4,4

10,6

16,5

0,69

1,41

2,89

6,42

13,30

25,5

36,7

44,3

46,4

0,5

0,7

0,8

1,0

1,9

3,9

6,9

10,8

15,1

99,3

98,9

97,4

97,1

93,3

84,7

71,5

58,1

48,7

0,18

0,37

0,79

1,93

4,82

11,4

21,6

31,1

36,2

Penyelesaian:

Tingkat I (Stage I):F = 100 kg, xF= 0,3, ys= 0, S1= 40 kg,

Neraca massa total M1= F + S1= 100 +40 = 140 kg

Neraca massa asam asetat

Titik m1 terletak pada garis FS1 dengan komposisi asam asetat pada arus campuran (m)

adalah xm1= 0,214 maka titik m dapat ditentukan.


6/48


Jumlah dan komposisi ekstrak dan rafinat dapat ditentukan dengan bantuan kurva distribusi

dengan cara coba-coba dicari tie line yang melalui m1. Berdasarkan hasil perhitungan

didapatkan xA1= 0,258 dan yA1= 0,117

Tingkat II:

Titik m2terletak pada garis R1S2dengan komposisi asam asetat pada arus campuran (m2)

adalah xm2= 0,1822 dengan bantuan kurva distribusi dapat dicari kesetimbangan melalui m2,

dan didapatkan x2= 0,227 dan y2= 0,095

Tingkat III:

Dengan jalan yang sama didapatkan:

S3= 40; m3= 130,1; xm3= 0,1572; x3= 0,2; y3= 0,078; E3= 45,7; R3 = 84,4

Jumlah asam dalam rafinat:

(0,2) (84,4) = 16,88 kg

Jumlah ekstrak:

E1+ E2+ E3= 43,6 + 43,6 + 45,7 = 135,6kg

Kandungan asam:

E1y

1+ E

2y

2+ E

3y

3= 13,12 kg


7/48


Bila digunakan 1 tingkat dengan kondisi rafinat yang sama x = 0,2, maka garis seimbang

akan menjadi R3E3.

Dari perpotongan dan akan didapatkan xm= 0,12

Larutan yang Tak Tercampu r

Bila solven yang digunakan dan larutan umpan (diluen) tidak saling larut dan tetap

demikian sampai zat yang terlarut terdistribusi sempurna, maka perhitungan dapat

disederhanakan (KESEIMBANGAN EKSTRAKSI TIPE I)

Kurva kesetimbangan untuk tipe ekstraksi ini sebaiknya dituliskan dalam bentuk:

x= massa solute per massa diluen, y = massa solute per massa solven


8/48


OIeh karena larutan solventdan diluent tidak saling tercampur, maka seluruh diluent

akan terdapat di dalam rafinat dan solventada di dalam ekstrak, sehingga neraca massa

untuk sistem ini adalah:

R = massa diluen, E= massa solven

Persamaan di atas adalah persamaan garis operasi untuk stageyang ke n dengan

slope

dengan melalui titik (xn-1,ys) dan (xn,yn)

Contoh soal:

Nikotin dalam air dengan konsentrasi 1% nikotin diekstraksi dengan kerosin pada suhu 20

C. Air dan kerosin tidak saling melarut. Pertanyaannya:

a. Hitunglah persen nikotin yang terekstraksi bila 100 kg umpan diekstraksi dengan 150

kg solven (single stage)

b. Ulangi perhitungan di atas untuk tiga stagescross current dengan menggunakan 50

kg solven pada tiap stagenya.

Data keseimbangan untuk proses di atas adalah:

0 0,001011 0,00246 0,00502 0,0075 0,00998 0,0204

0 0,000807 0,001961 0,00456 0,00686 0,00913 0,01870


9/48


Penyelesaian :

a.

Dari kurva kesetimbangan, dan titik umpan F ditarik garis lurus dengan slope= - 0,66,

dan didapatkan x1 = 0,00425 dan y1 = 0,0038.

Nikotin yang dihilangkan dari air =

99 (0,0101 0,00425) = 0,58 kg

Atau 58% dari umpan.

b. Untuk tiap stage

Mulai dari F dibuat garis operasi dengan slope= - 1,98. Rafinat akhir yang didapatkan

x3 = 0,0034.

Nikotin yang diekstraksi adalah:

99 (0,0101 0,0034) = 0,663 kg, atau 66,3% dari umpan:


10/48


MULTI STAGE ARUS LAWAN ARAH SEDERHANA

COUNTE CURRENT MULTISTAGE OPERATIONS

Di seluruh stageterdapat arus ekstrak dan rafinat yang mengalir dari stageke stage

secara berlawanan arah. Dari stage ke stage akan terjadi perpindahan massa. Arus-arus

yang meninggalkan stagedalam keadaan keseimbangan.

Tinjauan Umum secara Keseluruhan (untuk menentu kan arus terminal)

Neraca massa total di seluruh stage:

Neraca massa komponen A di seluruh stage:

Neraca massa komponen C di seluruh stage:

Dari korelasi di atas dapat ditentukan arus yang sangat berguna untuk menentukan

korelasi arus-arus Terminal I.

Letak titik dapat ditentukan atau jika ditentukan secara grafis adalahsebagai berikut:

Jika koordinat dan jumlah L0, dan VN+1 diketahui, maka dengan korelasi di atas letak

titik dapat ditentukan. Apabila komposisi ekstrak akhir yang diinginkan tertentu (sebagai


11/48


data yang diketahui), maka letak titik rafinat akhir dalam grafik dengan mudah dapat

ditentukan.

Hal-hal lain yang masih perlu dianalisis adalah sebagai berikut:

1. Berapa jumlah kebutuhan stage ideal yang harus digunakan agar komposisi

terminal tersebut dapat dicapai.

2. Bagaimana komposisi arus-arus yang keluar atau masuk pada setiap stage

Dalam kaitannya, terdapat dua konsep pokok yang bisa digunakan disini, yaitu:

a. Arus yang meninggalkan stagedalam keadaan seimbang. Korelasi komposisi

kedua arus yang ke luar stageditunjukkan oleh garis seimbang.

b. Korelasi komposisi arus-arus di antara dua stage yang berurutan dapat

diketahui berdasarkan konsep arus netto. Oleh karena akumulasi massa

dalam setiap stage adalah 0, maka arus netto pada setiap stage besarnya

tetap. Hal ini dapat digunakan pada prinsip pengurangan.


12/48


Arus netto total:

Arus netto komponen A:

Arus netto komponen C (ekstraksi):

Letak titik ( )dapat ditentukan kemudian.

Secara Grafis

Titik terletak pada perpotongan perpanjangan garis yang menghubungkan keempattitik terminal yang ada, yaitu garis dan . Jika titik sudah dapat ditentukan, makakorelasi arus netto di antara dua stage dapat digambarkan. Garis-garis ini selanjutnya

disebut sebagai garis operasi.

Kebutuhan stage dapat ditentukan dengan pertolongan garis operasi dan garis

seimbang secara bergantian dan berurutan. Urutan pengerjaan secara grafis untuk

menentukan jumlah stageadalah sebagai berikut:

1. Menentukan letak titik terlebih dahulu, untuk mencari neraca massa di sekitar

seluruh stageyang selanjtunya dipakai untuk menentukan arus-arus terminal.

2. Menentukan letak titik A pada perpotongan perpanjangan garis dan

3. Perhitungan dari stage ke stage dapat dimulai dari y1 dan xn. jika dari y1 dengan

korelasi garis seimbang dapat ditentukan letak x1, kemudian dari x1 dihubungkan

dengan titik , titik potong antara garis dan kurva seimbang di cabang ekstrakadalah letak titik y2 (korelasi garis operasi), dan seterusnya sampai didapatkan

komposisi yang dikehendaki.


13/48



14/48


Jika jumlah stagediketahui (sudah tertentu), kemurnian hasil yang ditanyakan dapat

dicari dengan cara coba-coba.

1. Tentukan letak titik (= L0+ Vn+1)

2. Coba titik xn, lalu hubungkan dengan titik yang memotong kurva seimbang di y1.

3. Tentukan titik (titik [otong antara dan 4. Hitung jumlah stage, jika jumlah stagehasil hitungan belum sama dengan jumlah

stageyang diketahui, cobalah dengan nilai xnyang lain sampai didapatkan hasil :

Ndiketahui= Nhasil hitungan

Perancangan dan Variabel Operasi

Terdapat 4 ubahan penting yang ada pada operasi arus lawan arah, yaitu :

1. Kemurnian hasil (kadar solute dalam ekstrak yang lebih besar)

2. Persentase recovery yang dapat memungut solute sebanyak mungkin (V1 yA1

yang lebih besar atau LNxANyang makin kecil)

3. Jumlah stage (N), karena jika N bertambah, maka biaya akan mengalami

kenaikan

4. V/L ratio, karena jika V/L rationya besar, maka hasil pada arus V akan encer

sehingga biaya recoverymenjadi tinggi

Apabila 2 ubahan dari keempat ubahan di atas kita tentukan, maka 2 ubahan sisanyaakan tertentu pula. Penentuan ubahan optimum akan mempengaruhi analisa ekonomi.

Memilih dua variable dari keempat variable operasi tidak selalu memberikan hasil

seperti yang dikehendaki, karena ada nilai batas yang ditentukan oleh sifat fisis zat yang

dipisahkan.

Missal pada proses ekstraksi asam asetat air isopropyl eter, pada operasi

pemisahannya diinginkan percent recovery sebesar 60 % dengan menggunakan

tetapi tidak mungkin tercapai karena walaupun jumlah stagenya (N) tak terhingga hanya

didapatkanpercent recoverysebesar 31%. Apabila percent recoverydiinginkan 60%, maka


15/48


Pada Proses Ekstraksi

Jika solven (V) dikurangi untukpercent recoveryyang sudah tertentu, maka jumlah N

akan menjadi Iebih banyak, sehingga untuk pengurangan V yang terus menerus untuk

precent recovery yang sama pada suatu ketika akan diperlukan jumlah N yang tak

terhingga.

Jadi untuk diperlukan jumlah stageyang tak terhingga. Nilai pada

suatu proses pemisahan diperlukan untuk diketahui, karena merupakan nilai batas operasi

yang digunakan, yang dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut:


16/48


dengan:

Faktor = f (Teknis, ekonomis)

Cara Menentuk an NiIai

Kondisi terjadi apabila garis seimbang berimpit dengan garis operasi atau

dapat dikatakan dengan perpanjangan garis seimbang melalui titik .Jika ada beberapa garis seimbang yang melalui titik , maka yang dipilih

adalah yang mempunyai harga V yang paling besar atau yang membentuk paling dekatdengan diagram segitiga. Menurut R.E. Treybal, perpanjangan garis seimbang yang melalui

titik umpan adalah yang menentukan

Cara menentukan letak

- Tentukan letak titik Lo(xo) dan Vn+1(yn+1) yang sudah diketahui.

- Letakkan titik xn, yang sudah ditentukan.

- Dengan coba-coba letakkan titik , kemudian hitung N sampai didapatkanjumlahN tak terhingga, sehingga didapatkan garis seimbang yang berimpit dengan garis

operasi. Jika cara coba-coba untuk nilai Z dilakukan dengan memperkecilnilai Z,

maka nilai Z yang pertama yang memberikan N tidak terhingga adalah

Contoh soal:

Suatu campuran berisi 50% ethyl benzene (A) dan 50% styrene (C) sebanyak 1000 kg/j

dipisahkan menjadi produk yang bersisi 10% dan 90% styrene dengan menggunakan solven

diethylene glycol.

Hitunglah:

a. Jumlah stageminimumb. Minimum extract reflux

c. Jumlah stagebila refluxrationya 1,5 harga minimumnya.


17/48


Hydrocarbon Rich Solution Solvent Rich Solution

x

0

0,0870

0,1883

0,288

0,384

0,458

0,464

0,561

0,573

0,781

1,00

N

0,00675

0,00817

0,00938

0,01010

0,01101

0,01215

0,01215

0,01410

0,01405

0,01833

0,0256

X

0

0,1429

0,273

0,386

0,480

0,557

0,565

0,605

0,674

0,833

1,00

N

8,62

7,71

6,81

6,04

5,44

5,02

4,95

4,46

4,37

3,47

2,69

Data di atas diplot dalam koordinat solvent free.

F = l000kg/j, xF= 0,5

xpE = 0,9; XRNP= 0,1

Titik E1dapat dilihat dari gambar dan NE1= 3,1

Penyelesaian:

a. Jumlah stageminimum dicari dengan menggambar garis keseimbangan dari E1, garis

vertikal dari R1, garis keseimbangan dari E2dan seterusnya sampai mencapai produk

rafinat. Dari gambar didapatkan jumlah stageminimum adalah 9,5.

b. Garis keseimbangan yang bila diteruskan melalui titik F adalah minimum reflux ratio

dari gambar didapatkan NEm= 20,76

External reflux ratio minimum:

c. Untuk = 1,5 (5,70) = 8,55


18/48


19/48



20/48


Countercur rent Mult istage Operat ions p ada Proses Dist i lasi

Pada proses distilasi, uap pembawa panas mengalir secara berlawanan arah

terhadap cairannya. Dari stageke stageantara uap dan cairannya akan terjadi perpindahan

panas dan massa.

Tinjauan Umum

Neraca massa total di seluruh stage:

Neraca massa komponen A di seluruh stage:

Neraca entalpi di seluruh stage:


21/48


Dari persamaaan-persamaan di atas dapat ditentukan komposisi dan jumlah arus

terminal. Dan seterusnya, caranya sama dengan pada ekstraksi, tetapi hanya diagram

entalpi - komposisi.

Aru s Lawan A rah Sederhana Cara Numeris

y = f(x) diketahui

h = f(x) diketahui

N = f(y) diketahui

Jumlah, komposisi dan entalpi umpan diketahui (L0, x0, h0)

Jumlah, komposisi dan entalpi media pemisah diketahui (VN+1, yN+1, HN+1)

Diharapkan hasil xnakan tertentu (dikehendaki)

I. Mencari Komposisi Arus Terminal

Selanjutnya dicari 3 bilangan tertentu dengan 3 persamaan di atas.

II. Mencari komposisi dari masing-masing stage


22/48


Crosscu rrent Mult istage Operat ions


23/48


REFLUKS

Operasi Mult i StageBerlawanan Arah dengan Refluks

Proses pemisahan dengan simple contercurrent flowtidak dapat memberikan hasil yang

sempurna. Hasil yang tertinggi yang dapat dicapai dengan simple countercurrent flowjika

digunakan jumlah stagetidak terhingga (N = tak terhingga).

Kemungkinan lain yang dapat digunakan untuk menaikkan kemurnian hasil atas (E1)

adalah dengan cara menaikkan kemurnian (kandungan solut) dalam umpan yang masuk

puncak kolom (R0), oleh karena itu muncul fenomena Reflux.

Reflux adalah sebagaian dari hasil atas yang mempunyai kemurnian tinggi dikembalikan

ke cascade atau menara sebagai umpan pada bagian puncak menara.

Tetapi biasanya kemurnian umpan alat pemisah merupakan hasil dari alat sebelumnya.

Pertanyaan yang muncul umpan ini dimasukkan ke menara pada bagian mana?.

Umpan sebenarnya dimasukkan ke menara melalui bagian plate yang

mempunyai komposisi dan sifat-sifat yang mirip dengan komposisi dan sifat umpan.

Plate dimana umpan dimasukkan disebut dengan feed plate.

SISTEM REFLUX UNTUK EKSTRAKSI

Stage1 sampai F-1 disebut dengan dengan sesi enriching.

StageF sampai N disebut dengan sesi stripping.

Nomor stagedi mulai dari bagian puncak menara

Bila dilihat perbagian (enriching dan stripping) dapat digunakan cara perhitungan arus

lawan arah sederhana (simple countercurrent flow) konsep arus sigma (berdasarkan

neraca massa pada seluruh kolom), arus netto (berdasarkan neraca massa tiap stage

yang kemudian disebut sebagai garis operasi), dan keseimbangan (garis seimbang).


24/48


Data yang diketahui komposisi dan jumlah arus umpan dan separating agent (arus

solvent).

Data yang dikehendaki kemurnian hasil

Data yang diambil atau diketahui perbandingan reflux ratio (R0/PE)

Konsep arus netto pada seksi enr ich ing(seksi ekstrak)

Neraca massa total pada sesi enriching

Neraca massa komponen A atau komponen C pada sesi enriching

Konsep arus netto pada seksi stripping (seksi rafinat)

Neraca massa total pada sesi enriching:

Neraca massa komponen A atau komponen C pada sesi enriching:

Neraca massa total pada sekitar kondenser:

Neraca massa komponen A atau komponen C pada sekitar kondensor:

Konsep arus netto pada seksi stripping (seksi rafinat)

Neraca massa total pada sesi stripping:

Neraca massa komponen A atau komponen C pada seksi enriching analog

Neraca massa total pada seluruh stage

Jika komposisi F, , dan telah diketahui atau telah terhitung maka letak titik-titiktersebut dalam satu garis lurus.


25/48


BAGAIMANA CARA MENENTUKAN LETAK TITIK DAN ?1. Gambarkan letak titik-titik arus terminal yang sudah diketahui komposisinya yaitu:

2. Cari komposisi arus E1 yaitu y1 berdasarkan neraca massa sekitar separation solvent

(solvent recovery) yaitu: E1= BE + ESSjadi letak y1, yBE, dan xSS dalam satu garis lurus,

selain itu arus y1 merupakan arus yang keluar dari stage seimbang sehingga titik y1

terletak pada kurva seimbang.

3. Letak titik dapat dievaluasi dari arus netto pada bagian enriching.

Neraca massa komponen A atau komponen C pada sesi enriching

jika yang terambil dari solvent recovery(BE) adalah solven murni maka

YBBA= 0, maka

dan dengan persamaan ini letak xdapat ditentukan atau

letak titik dapat ditentukan.

Letak titik dapat ditentukan berdasarkan persamaan arus netto pada sesi stripping,yaitu dengan:

Dan persamaan neraca massa total pada seluruh kolom:

Dengan menggunakan dua persamaan ini letak titik dapat ditentukan. Untukselanjutnya perhitungan jumlah stageyang diperlukan untuk derajad pemisahan tertentu

dapat dilakukan.


26/48


Untuk kasus ekstraksi dengan data korelasi keseimbangan yang memberikan kurva pada

fase ekstrak sempit perhitungan berdasarkan fraksi massa total seperti contoh di atas

tidak menguntungkan. Karena dengan dasar perhitungan fraksi massa total ini akan

memberikan kesalahan hitung yang relatif tinggi. Oleh karena itu sebaiknya digunakan

perhitungan atas dasar SOLVENT FREE. Keuntungan berhitung atas dasar solvent free

adalah bentuk persamaan yang tersusun dan grafik yang diperoleh mempunyai bentukyang sama dengan DISTILASI.

Solvent Free

Dasar-dasar perhitungan yang dipakai sama dengan cara sebelumnya. Dasar solvent

free ini dapat dipilih terutama bila kita menggunakan teori kesamaan atau analogi antara

proses distilasi dan ekstraksi, karena keduanya mempunyai bentuk kurva yang mirip.

Notasi-notasi yang digunakan adalah sebagai berikut:

Nilai Vdan nilai Lditujukan untuk arus bebas solven


27/48


Contoh 6.1 (Foust)

Diketahui:

A. = styrene

B. = ethyl-benzene

C. = diethylene glycol

Pertanyaan:

a. Hitunglah N

b. Jika F = 1000 kg, hitunglah VN+1

Penyelesaian:


28/48


Karena , maka tempat kdudukan adalah garis yang tegak lurus pada karena = = .

Jadi titik merupakan titik potong antara garis yang tegak lurus dengan dengan kurva seimbang, karena merupakan arus yang keluar dari stage. Bila titiktertentu, maka dapat ditentukan.

Menentukan letak titik :

dengan , , dan pada satu garis lurus.Arus netto:

Dengan letak titik pada garis lurus yang tegak lurus dengan xN, sehingga

dapat

ditentukan. Selanjutnya karena dan sudah dapat ditentukan, maka jumlah stagedapatditentukan pula, yaitu N 23.

= 1000 kg


29/48


dengan: VN+1 = 0

Komponen C:

C dalam rafinat:


30/48



31/48


Dist i lasi Ref lux

Perhitungan Distilasi Diperlukan Data Diagram Entalpi Komposisi

Cara penyelesaiannya sama dengan ekstraksi yang sudah dibicarakan sebelumnya,

tetapi neraca separating agentnya berupa panas.

Sesi enriching:

Sesi stripping:

Neraca massa di sekitar kondenser:

Neraca massa di sekitar reboiler:

Arus netto entalpi untuk sesi atas (Enriching):

Nilai , dapat ditentukan (dievaluasi) berdasarkan neraca entalpi di sekitarkondenser. Informasi yang diketahui untuk menentukan nilai adalah:

a) beban kondensor atau b) nilai ref lux.

a. Jika diketahui beban kondensor:


32/48


Dengan: - = entalpi yang diambil oleh pendingin= entalpi pendingin ke luar entalpi pendingin masuk

Maka:

dengan: qC= D QCD

Jika diketahui

XD= komponen distilat, hD= entalpi distilat, dan

QCD= qC/D = beban kondenserMaka titik ()dapat ditentukan.

b. Jika diketahui nilai ref lux:

Jika diketahui = Reflux, maka penentuan h dapat dilakukan dengan persamaan

berikut (analog dengan cara ekstraksi):

Dengan :


33/48


Pada Sesi stripping, analisisnya analog dengan meninjau neraca panas sekitar reboiler,

yaitu:

Selanjutnya nilai dapat ditentukan jika yang diketahui nilai reflux . Umumnya nilai

dievaluasi berdasarkan informasi nilai dengan menggunakan korelasi + F = (neraca

massa seluruh kolom).

Ada dua tipe kondensor yaitu:

1. Kondensor total (distilat dalam bentuk cair) pembahasan seperti yang sudah

dipelajari

2. Kondensor parsial (distilat dalam bentuk uap)


34/48


Kondensor Total

Nilai y1 = XD= X0= X, sehingga jika XDsudah diketahui maka titik (XD, hD) dapat

ditentukan dan titik (y1, H1) juga dapat ditentukan.

Menentukan titik h:

Atau dengan cara :

Kondensor Partial

Tidak seluruh uap yang masuk kondensor diembunkan, hasil atas dapat dalam

bentuk uap, dan refluxberbentuk cair.

Terdapat dua keadaan yang mungkin terjadi dalam kondisi parsial yaitu:

Uap dan cairan dalam keadaan keseimbangan

Uap dan cairan tidak dalam keadaan keseimbangan

Jika uap dan cairan dalam keadaan seimbang, maka akan ekuivalen dengan stage.

Kondensor 1 stageseimbang.


35/48


Persamaan-persamaan yang dapat disusun dalam kondisi parsial, adalah:

Atau jika diketahui , maka :

4.yD= K x0(korelasi seimbang)

Reboiler (Sti l l)

Pada operasi distilasi, panas (qs) ditambahkan pada still (S) untuk menguapkan

sebagian dari cairan pada bagian bawah kolom. Uap yang terbentuk pada stillkemudian di

reflux (Vs) sebagai uap pembawa panas. Oleh karena itu, reboiler ekuivalen dengan satu

stageseimbang. Cara perhitungan analog dengan kondensor parsial.


36/48


Secara skematis kondensor dan rebolier dapat digambarkan sebagai berikut:

Perhitungan distilasi dengan menggunakan diagram entalpi-komposisi disebut

Metode PONCHON-SAVARIT. Jumlah cairan yang direfluxdapat bervariasi yaitu dari suatu

jumlah minimal (REFLUX MINIMAL) sampai semua cairan dikembalikan (REFLUXTOTAL).

Penentuan Reflux Maksimal dan Minimal

Bila nilai perbandingan reflux tertentu,maka jumlah stage (N) yang dibutuhkanuntuk derajat pemisahan yang tertentu mempunyai jumlah yang tertentu pula.

Bila nilai diubah, maka N juga berubah menjadi minimum atau maksimum.


37/48


Reflux Minimum

Bila berkurang untuk (X0, XD, Y1) yang tetap, maka letak X akan semakin

mendekati Y1, dan hal ini akan menyebabkan jumlah N naik. Batas nilai yang paling

kecil adalah minimum. Bila garis operasi berimpit dengan garis seimbang, maka jumlahstage(N) maksimum adalah tak terhingga.

RefluxMaksimum

Bila nilai bertambah besar, sampai pada suatu nilai dimana semua hasil atasdimasukkan ke dalam kolom kembali sehingga nilai D = 0 maka keadaan ini disebut sebagai

REFLUXTOTAL (R Total) D = 0

F = 0

B = 0

Jadi :

= , maka letak titik dan pada tak terhingga berupa garis tegak lurus sehingga YN+1 = XN

=

Pada keadaan ini jika refluxsemakin besar maka N semakin kecil

Reflux (R) yang semakin besar akan memerlukan jumlah stage (N) yang semakin

kecil (harga murah), tetapi beban kondensor dan reboilerakan semakin besar (biaya mahal),

sehingga perlu dipilih R tertentu agar total biaya yang diperlukan menjadi sekecilmungkin.


38/48


Ringkasan Metode PONCHON-SAVARIT

Gambarkan letak arus-arus terminal yang diketahui: D (XD, hD), F(XF, hF), dan B (XB, hB).

Tentukan letak titik (x, h) atau . Tergantung data yang diketahui di kondensoratau di reboiler.

Bila (x, h) atau sudah dapat ditentukan, selanjutnya tentukan letak:o , bila diketahui data di reboilero (x, h), bila diketahui data di kondensor

dengan menggunakan korelasi:

( dalam satu garis lurus) (tempat kedudukan adalah garis tegak lurus pada xB)x= xD (tempat kedudukan xadalah garis tegak lurus pada xD)

o bila diketahui data di reboilero , bila diketahui data di kondensordengan menggunakan korelasi

(tempat kedudukan adalah garis tegak lurus pada (tempat kedudukan adalah garis tegak lurus pada

Gambarkan garis operasi dan garis seimbang secara bergantian pada masing masing

sesi

Hitung N pada sesi enrichingdan sesi strippingserta letak feed plate.

Reflux minimum (N = tak terhingga): garis operasi berimpit dengan garis seimbang.

Pilihlah yang member Rminyang paling maksimum (biasanya yang melewati feed)

Refluxmaksimum (N = minimum): D = = , letak titik di tak terhingga

B = = , letak titik di tak terhingga


39/48


Atau garis operasi berupa garis tegak lurus pada masing masing komposisi. (Lihat

gambar 6.11 dan 6.14, Foust).


40/48


Open Steam

Uap pembawa panas dari reboilerdiganti dengan steam dari sumber lain, sehingga

biasanya bebas dari komponen yang dipisahkan.


41/48


Untuk sesi atas (Enriching), sama dengan proses distilasi yang sudah dibahas.

Jika kondensor total : y1 = X0= XD

letak tegak lurus pada Letak titik ditentukan dengan neraca entalpi

Sekitar kondensor:

Bila QCDyang diketahui


42/48


dengan:

Bila

yang diketahui, maka:

Sesi stripping:

dengan:

, Lmdan Vm+1 pada satu garis lurus pada garis seimbang.Neraca massa di sekitar kolom:

dengan:

Contoh soal (Brown, 1950)

Tentukan jumlah stage seimbang yang diperlukan untuk memisahkan campuran

etanol-air dengan konsentrasi etanol 42,2% menjadi distilat dengan konsentrasi etanol 90%dan hasil bawah dengan konsentrasi etanol 10%. Dsitilasi mi menggunakan open steam

yang mempunyai entalpi 1.200 BTU/lb, lalu dimasukkan langsung dari bagian bawah kolom

dengan kecepatan 0,416 lb steam per lb umpan. Umpan masuk dengan entalpi 200 BTU/lb

dan hasil atas (distilat) mempunyai entalpi 50 BTU/Ib diperoleh dengan menggunakan

kondensor total.


43/48


INTERMEDIATE STREAM

Dalam operasi perpindahan massa (operasi pemisahan) ada kemungkinan lebih dari

satu umpan yang dimasukkan atau lebih dari dua hasil yang diambil, arus-arus ini disebut

sebagai arus intermediate:


44/48


Persamaan yang dapat disusun pada keadaan ini adalah:

dengan :

Data-data yang diketahui adalah komposisi dan jumlah arus-arus terminal. Data lain

yang merupakan parameter perancangan yang diambil atau ditentukan adalah

atau N.

Jika diketahui, maka akan didapatkan:

Untuk menentukan titik :Persamaan (1) , terletak pada garis atau sehingga , , dan

sudah dapat ditentukan.

Persamaan (8) dengan yang diketahui dapat ditentukan.


45/48


Menentukan titik :Persamaan (2) terletak pada garis

Persamaan (5a) titik dapat ditentukan

Persamaan (5b) terletak pada garis

Menentukan titik :Persamaan (6) terletak pada garis

Persamaan (7) terletak pada garis


46/48


Bagaimanajika arus I bukan merupakan umpan tetapi merupakan hasil?

Cara pengerjaannya sama seperti di atas, yang berbeda hanya pada persamaan (5)

(5) FI + = (5a) F + I = (prinsip pengurangan)

Dalam garis digambarkan sebagai berikut:

Untuk yang lain sama dengan gambar terdahulu.

Penyulingan dengan Umpan Ganda

Cara yang dilakukan sama dengan seperti proses ekstraksi, hanya dalam hal ini

menggunakan diagram entalpi-komposisi.


47/48


Persamaan-persamaan yang dapat disusun:

Atau


48/48

Documents

Perhitungan Stage Seimbang