PERPERANCANCANGANANGAN PLATPLAT · PDF fileMenara Distilasi (MD) bertugas untuk memisahkan metil benzoat yang ... benzoat, metanol dan air. Hasil atas dari MD yang berupa metanol dan

PERANCANGAN PLATPERANCANGAN PLAT

1) Menghitung laju uap dan cairan maksimum danminimum

2) Mengumpulkan dan perkirakan sifat fisis campuran

3) Memilih jarak antar plat

4) Menetukan diamater kolom berdasarkan pertimbanganflooding

TahapanTahapan PerancanganPerancangan PlatPlat

flooding

5) Menetukan susunan aliran cairan

6) Tebak tray lay out: downcomer area, plate area, dll.

7) Check laju weeping

8) Check pressure drop

9) Check downcomer back-up

10) Detail plate lay out

PERANCANGAN PLATEPERANCANGAN PLATE

Menara Distilasi (MD)bertugas untuk memisahkanmetil benzoat yangmerupakan produk utamadari campuran metilbenzoat, metanol dan air.Hasil atas dari MD yangHasil atas dari MD yangberupa metanol dan airpada suhu 66,9°C.Sedangkan hasil bawah MDyang berupa metil benzoat.Desain kolom distilasitersebut denganmenggunakan kontaktorplat

Dari perhitungan awal (Shorcut methode)diperoleh:

Rasio refluk optimum : 0,5795

Jumlah plat total : 14

Jumlah plat rektifikasi : 6

Jumlah plat Strippng : 8Jumlah plat Strippng : 8

Plat umpan terletak : plat 8 dan 9

Efisiensi : 48,9673

Jumlah plat aktual : 25,9493 =26

1. Laju Alir Gas dan Cairan1. Laju Alir Gas dan Cairan

Komponen Umpan(kmol/jam)

Distilat

(kmol/jam)

Bottom

(kmol/jam)

Metanol

Air

Metil benzoat.

416,4453

7,7788

44,2530

412,2408

0,0078

0

4,1645

7,7010

44,2530

Total 468,4771 412,3586 56,1185Total 468,4771 412,3586 56,1185

KomponenUmpan

(kg/jam)Distilat(Kg/jam)

Bottom(kg/jam)

Metanol 13326,249 13192,98636 133,26249

Air 140,01879 1,400187916 138,6186

Metil Benzoat 5398,872 0 5398,872

Total 18865,14 13194,38655 5670,7531

Neraca Massa:

Bagian Atas

BMa = 32,0394

Lo = R x D = 0,5793 x 13194,38655 kg/jam

= 7643,5081 kg/jam = 2,1259 kg/s

V1 = Lo + D = 7643,5081 + 13194,38655

= 20837,895 kg/jam = 5,7957 kg/s

Bagian bawah

BMa = 42,4024

V14 = R x B = 0,5793 x 5670,7531 kg/jam

= 3286,0673 kg/jam = 0,9125 kg/s

L13 = V14 + B = 3286,0673 + 5670,7531

= 8955,8204 kg/jam = 2,4877 kg/s

1. Asam Benzoat• Rumus kimia : C6H5COOH• Berat Molekul : 122,12 kg/kmol• Kenampakan : kristal putih• Titik didih normal : 249,2°C• Titik kritis : 630,3 K = 357,3°C• Rapat massa : 1,266 kg/L• Kelarutan : 0,2% dalam air ; 46% dalam alkohol ; 66% dalam ether• Kadar : 99,99% asam benzoat ; 0,01% toluen

2. Metanol• Rumus kimia : CH3OH• Berat molekul : 32,042 kg/kmol

2. Properti Bahan (1)2. Properti Bahan (1)

• Berat molekul : 32,042 kg/kmol• Kenampakan : cairan tidak berwarna• Titik didih normal : 64,7°C• Titik kritis : 512,6K = 239,6°C• Rapat massa : 0,792 kg/L• Kelarutan : larut dalam air dan ether dalam semua perbandingan• Kadar : 99% metanol ; 1% air

3. Metil Benzoat• Rumus kimia : C6H5COOCH3 :• Berat molekul : 136,14 kg/kmol• Kenampakan : cairan tidak berwarna• Titik didih normal : 198°C• Titik kritis : 692,02 K = 419,02°C• Rapat massa : 1,087 kg/L• Kelarutan : tidak larut dalam air, larut dalam alkohol• Kadar : 95,5% metil benzoat ; 2,1% metanol ; 2,4% air

Menara Bagian Atas

T = 339,98 K

P = 1,1 atm

BMa = 32,039

ρv = 1,2572 kg//m3

ρL = 792,0164 kg/m3

Menara Bagian Bawah

T = 386,44 K

P = 1,2 atm

BMa = 42,4024

ρv = 1,1601 kg//m3

ρL = 934,0270 kg/m3

2. Properti Bahan (2)2. Properti Bahan (2)

Komponen xf μ, cp

Metanol 0,8870 0,3001

Air 0,0188 0,3813

Metil Benzoat 0,0943 0,6872

A. Berdasarkan Kecepatan Flooding

3. Diameter Kolom (1)3. Diameter Kolom (1)

v

vL1f

ρρρ

Ku

Uf = kecepatan flooding uap, m/sK1 = kostanta

Nilai FLV pada grafik floodingdinyatakan dengan persamaan

Gbr 1. Grafik kecepatan flooding, sieve tray

dinyatakan dengan persamaan

Lw : laju alir cairan , kg/sVw : Laju alir uap, kg/s

Grafik berlaku untuk cairan dg teganganPermukaan 0,02 N/m. Untuk TP selainitu nilai K1 harus dikali dg (TP/0,02)0,2

Menara Bagian atas• FLV = (2,1259/5,7957) x (1,2572/ 792,0164)1/2 = 0,0146• Jarak plat dipilih 0,6 m, dari Gmbr. 1

diperoleh K1 =0,1 nilai tegangan permukaan cairan diasumsikasn0,02 N/m

• Uf = 0,1 x ((792,0164- 1,2572)/ 1,2572)1/2 = 2,5080 m/skondisi operasi uv = 0,8 x Uf = 2,006 m/s

• Ac = Vw/(Uf x rhog) = 2,7032 m2• Dc = (4 x Ac/pi)0,5 = 1,855 m

Menara Bagian bawah• FLV = 0,0948 Jarak plat dipilih 0,6 m

diperoleh K1 =0,1• Uf = 0,1 x ((792,0164-1,2572)/ 1,2572)1/2 = 2,8357 m/s• operasi uv = 0,8 x uf = 2,686 m/s• Ac = Gw/Vw = 0,4235 m2• Dc = (4 x Ac/pi)0,5 = 0,7256 m

B. Berdasarkan Kecepatan Uap max

5.0

2 047.027.0171.0

v

vLttv LLU

Kecepatan uap max:

Lt : jarak antar plat, dari grafik

Uv = (-0,171 x 0,62 + 0,27 x 0,6 -0,047) ((792,0164-1,2572)/1,2572)0,5

= 1,3403 m/s

Diameter menara:5.0

4 V

Bagian Atas

5.0

4

vv

wc

U

VD

Dc = ((4 x 5,7957)/(3,14 X 1,2572 x 1,3403))0,5

= 2,0927 m

5.0

2 047.027.0171.0

v

vLttv LLU

Kecepatan uap max:

Lt : jarak antar plat

Uv = -,171 x 0,62 + 0,27 x 0,6 -0,047 (934,0207-1,1601)/1,1601)0,5

= 1,5154 m/s

Diameter menara:

Bagian Bawah

5.0

4

vv

wc

U

VD

Dc = ((4 x 5,7957)/(3,14 X 1,2572 x 1,5154))0,5

= 0,8185

4. Menentukan Jenis Aliran4. Menentukan Jenis Aliran

Bagian Enriching

Q max = Lw/ ρL

= 2,1259/792,0164= 0,0027 m3/s

Bagian StrippingQ max = Lw/ ρL

= 2,877/934,0270= 0,0027 m3/s= 0,0027 m3/s

Berdasarkan Qmax dandiameter kolom jenis alirandipilih dari grafik disamping.

Untuk kolom yang dimaternyalebih kecil dari satu, dapatdigunakan single pass plate

5. Plate Area Lay Out (Single pass)5. Plate Area Lay Out (Single pass)

Ac = total column cross sectional area

Ad = cross sectional area of

dowmncomer

An = net area available for vapor-

liquid disengagement

= Ac-Ad for single pass plate

Aa = active or bubbling area,

= A -2A for single pass plate

Sieve tray

= Ac-2Ad for single pass plate

Ah = hole area, total area of all the

active holes

Ap = perforated area (including blaked

area)

Aap = the clearence area under the

downcomer apron

Ad = 0,12 x Ac

= 0,12 x 2,7032 m2

= 0,3244 m2

An = Ac - Ad = 2,7032-0,3244 m2

Aa = Ac – 2Ad = 2,7032-2 x 0,3244

= 2,0544 m2

Ah = 0,1Aa = 0,1 x 2,0544

= 0,2054 m2

Perhitungan Plate AreaPerhitungan Plate Area

= 0,2054 m2

Ad/Ac = 0,12

(Ad/Ac ) x 100% = 12 %

diperoleh lw/Dc = 0,78

panjang weir:

lw = Dc x 0,78 = 1,55 m, dipilih

•tinggi weir, hw = 50 mm

•diamter hole = 5 mm

•tebal plat = 3 mm

6. Check Weeping6. Check Weeping

Batasan operasi terendah yang terjadi ketika kebocorancairan yang melalui lubang plat berlebih disebut weeppoint. Kecepatan uap pada titik weep adalah nilaiminimum untuk operasi yang stabil. Hole area harusdipilih sedemikian rupa sehingga pada laju operasiterendah kecepatan aliran uap masih baik di atas weeppoint.Persamaan untuk memprediksi keceptan uap pada weepPersamaan untuk memprediksi keceptan uap pada weeppoint :

Uh = kecepatan uap minimum melalui lubang, m/sdh = diameter lubang, mmK2 = konstanta, tergantung pada kedalaman cairan pada plat,

dari gambar 11.30

2/1

2^ )4.25(90.0

v

hh

dKu

Menara Bagian AtasMenara Bagian Atas

Lw max = 2,1259 kg/s

TDR = 80% (TDR = turn down ratio)

Lw min = 1,7007

Ketinggian cairan diatas puncak weir dihitung:3/2

750

wL

wow

l

Lh

how max = 750 (2,1259/(792,0164 x1,55))2/3 = 10,82 mm cairan

h = 750 (1,7007/(792,0164 x1,55))2/3 = 9,32 mm cairanhow min = 750 (1,7007/(792,0164 x1,55))2/3 = 9,32 mm cairan

Pada kecepatan minimum hw + how min = 50 + 9,32 = 67, 4378 mm

Dari gambar 11.30, pada hw + how min = 67,43 mm K2 = 30,5

Uh min = (30,5-0,90(25, 4 -5))/(1,1601)0,5

= 10,8272 m/s

Kecepatan uap aktual:

Vh = laju alir uap minimum/Ah = 0,8 x (0,9250/1,160)/0,2054

= 3,1050 m/s

Vh < Uh, maka weeping tidak terjadi

7. Plate Pressure Drop7. Plate Pressure Drop

Terdapat dua sumber utamapenyebab kehilangantekanan yaitu: aliran uapmelewati lubang (orificeloss) dan static head ofliquid pada plate.Total pressure dropdiperoleh dari jumlahpressure yang dihitung daripressure yang dihitung darifriksi uap yang melewatilubang plate kering (dryplate drop, hd); head clearliquid pada plate (hw + how);dan kehilangan oleh sebabtegangan permukaan ygdisebut kehilanganresidual, hr.Pressure drop total :

ht = hd + (hw + how) + hr

Menara bagian atas

**Dry Pressure dropKecepatan uap melalui holes:Uh max = (5,7957/1,1601)/ 0,2054

= 22,4396 m/s

Ah/Aa = 0,2054/2,0544 = 0,1dari gambar 11,34 untuk platethickness/hole diameter = 0,6dan A /A = 10% didapat coeff.dan Ah/Aa = 10% didapat coeff.orifice = 0,74

L

v

o

hd

C

uh

2

51

hd = 51(22,4396/0,74)2 x (1,2572 /792,10)= 74,44 mm cairan

**Residual Head

L

r

xh

3105.12 = (12,5 x103)/792,1064 = 13,3819 mm cairan

**Total plate pressure drop

ht = hd + (hw +how) + hr

= 74,44 + 67,43 + 13,3819

= 155,2609 mm cairan

** Total plate pressure drop** Total plate pressure drop

ΔP = 9,81 x 10-3 x ht x ρL

= 9,81 x 10-3 x 155, 2609 x 792,1064

= 10,113 mmHg

8. Downcomer Pressure Loss8. Downcomer Pressure Loss

Downcomer area dan plate harusdirancang sedemikian rupa hinggalevel cairan dan froth dalamdowncomer berprilaku dg baikdibawah unjung (puncak) outletweir pada plat atas. Jikaketinggian meningkat sampai diatas outlet weir kolom akanbanjir.banjir.

Baliknya cairan di downcomerdisebabkan pressure drop di atasplate dan adanya tahanan untukmengalir di dawncomer itusendiri.

Clear liquid the dowmncomerback-up dinyatakan:

hb =(hw + how) + ht + hdc

Untuk menghindari flooding nilai hb harus menenuhi:hb > ½(lt + hw)

Tahanan utama cairan untuk mengalir akan disebabkan oleh desakanpada downcomer outlet, dan head loss dalam downcomer dapatdiperkirakan menggunakan persamaan Cicalese (1947):

2

166

mL

wddc

A

Lh

hdc = head loss pada downcomer, mmhdc = head loss pada downcomer, mmLwd = laju alir cairan dalam downcomer, kg/sAm = downcomer area Ad, atau clearence

area under the downcomer, Aap, m2

Clearence area under the downcomer:Aap = hap lwdimna hap adalah ketinggian tepi bawah pinggirdiatas plate, biasanya 5-10 mm di bawahketinggian outlet weir:hap = hw – (5 sampai 10 mm)

Perhitungan

Dipilih:hap = 50 -10 = 40 mm = 0,04Aap = hap x lw

= 0,04 m x 1,55 m= 0,0619 m2

Menara bagian atas:Head loss pd downcomer:h = 166(2,2159/(792,0612x0,0619))2hdc = 166(2,2159/(792,0612x0,0619))2

= 0,3117 mmDowncomer back-up:hb =(hw + how) + ht + hdc

= (50 +10,82) + 155,2609 + 0,3117= 208,2209 mm= 0,18 m

½ (plate space + weir height) = ½ x (0,6 + 0,05) = 0,325 mhb <0,325 jarak plate memenuhi syarat

Menara bagian bawah:Head loss pd downcomer:hdc = 166(2,2159/(934,0270 x 0,0619))2

= 0,2241 mmDowncomer back-up:hb =(hw + how) + ht + hdc

= (50 +10,82) + 155,2609 + 0,2241= 208,1709 mm= 0,18 m

½ (plate space + weir height) = ½ x (0,6 + 0,05) = 0,325hb <0,325 jarak plate memenuhi syarathb <0,325 jarak plate memenuhi syarat

9. Downcomer Residence Time9. Downcomer Residence Time

Residence time yang cukup dalam downcomer harus dipenuhi untuknaiknya melepas dari aliran cairan; untuk mencegah cairanteraerasi yang terbawa di bawah downcomer. Direkomendasikanpaling kecil 3 detik. Persamaan downcomer residence time:

w

Lbdr

L

hAt

t = residence timetr = residence timehbc = clear liquid back-up, m

Bagian Atastr = 0,3244 x 0,18 x 792,0612)/2,1259

= 21,75 sekon > 3 , memnuhiBagian bawah,tr = 0,3244 x 0,18 x 934,0270)/2,1259

= 25,65 sekon > 3 , memnuhi

10. Check Entrainment10. Check Entrainment

Entrainment dapat diestimasi

dari korelasi Fair (1961)

pada gambar 11.29.yang

memberikan fraksional

entrainment (kg/kg gross

liquid flow) sebagai fungsi

faktor cairan-uap, FLV, dengan

pendekatan persentasependekatan persentase

floding sebagai

parameternya. Persentasi

flooding:

fuvelocityflooding

velocityactualuflooding

n

,%

Batasan tertinggi nilaientraintment adalah 0,1. Di bawahnilai ini pengaruh entrainmentterhadap efisiensi kecil.

atasbawah

Bagian atasActual persentasi flooding untuk desain area:Uv = Vw/(ρv x Ac) = 5,7957/(1,2572 x 2,2977)

= 1,7054 m/s% flooding = 1,7054/ 2,5080 = 68%Pada FLV = 0,0146 dan % flood = 68 %, pada gmb 11.29 diperolehΨ = 0,075 < 0,1 OK

Bagian bawahActual persentasi flooding untuk desain area:Actual persentasi flooding untuk desain area:Uv = Vw/(ρv x Ac) = 0,9125 /(1,1601 x 0,4235)

= 1,9284 m/s% flooding = 1,9284/ 2,8357 = 68%Pada FLV = 0,0948 dan % flood = 68 %, pada gmb 11.29 diperolehΨ = 0,025 < 0,1 OK.

Luas Area PerforasiArea perforasi yang tersedia akanturun oleh halangn/gangguan ygdisebabkan oleh perubahan struktur(support ring, dan beam) dan olehpenggunaan calming zone yaitupotongan plat nonperforasi pada sisiinlet dan outlet plat. Lebar masing2zona biasanya dibuat sama; nilai yg

10. Tray Layout10. Tray Layout

zona biasanya dibuat sama; nilai ygdirekomendasikan : u diameter < 1,5m 75 mm; diatas 1,5 100 mm.Lebar support ring u sekat normalnya50-75 mm, support ring harus tidakpanjang sampai downcomer area.Sekat unperforasi platLuas area unperforasi dapat dihitungdari geometri plat. Hubungan antarapanjang garis weir, tinggi garis dansudut diberikan gambar 11.32

Tray Lay Out

Lay out plat digunakan cartridge type construction, denganunperforated strip around plate edge 50 mm, dan lebar calmingzone = 50 mm.

1,5

5m

2,0

92

7m

α

1,5

5m

2,0

92

7m

Perforated Area

Dari gambar 11.32 pada lw/Dc = 1,55/ 2,0927 = 0,78, diperolehθ =102o

α = 180-102= 78o

lh/Dc = 0,115Panjang rata2 unperforated edge strip =(2,0927-0,05) π x 78/180

= 2,7809 mLuas unperforated edge strip, Aup = 0,05 x 2,7809 = 0,0139 m2

Luas calming zone, Acz = 2(0,05)x(1,55-2x0,05)Luas calming zone, Acz = 2(0,05)x(1,55-2x0,05)= 0,0162 m2

Luas total tersedia u perforated, Ap =Aa-(Aup + Acz)= 2,0544 - (0,0139 + 0,0162)= 2,0243 m2

Hole Pitch

Hole pitch (jarak antar posat lubang) lp, harus tidak kurang dari 2 xdiameter lubang, dan range normal 2,5-4,0 kali diameter lubang.Dengan range ini pitch dapat dipilih untuk memberikan jumlah lubangaktiv yg diperlukan untuk luas lubang tertentu. Dari bentuk squaredan equilateral triangular yang digunakan, triangular lebih dipilih.Total area lubang sebagi fraksi area perforasi Ap diberikan persamaanberikut, untuk equilateral triangular (segitiga sama sisi) pitch:

2

9,0

p

h

p

h

l

d

A

A

Persamaan diplot pd gambar 11.33dh = dimeter holelp = hole pitch

Ah/Ap = 0,2054/2,0243= 0,1015

Dari gambar 11.33,lp/dh = 2,85

Hole pitch = (lp/dh) x dh

= 2,85 x 0,005 m= 0,01425 m= 0,01425 m

Luas 1 hole = ¼ x 3,14 x 0,0052

= 1,96 x 10-5

Jumlah hole= Ah/ luas 1 hole= 0,2054/1,96 x 10-5

= 10.643,077 holes

Diameter plat

Diameter lubang

Hole pitch

Jumlah lubang

TDR

material plate

2,0927 m

0,005 m

0,0149 m

10.643

80 %

Stainless steel

Spesifikasi plate

Material downcomer

Tray spacing

Plate thickeness

Panjang weir

Tinggi weir

Plate pressure drop

Stainlees steel

0,6 m

0,003 m

1,55 m

0,05 m

10,113 mmHg

1,5

5m

2,0

279

m