Contoh Perhitungan Desain Plate

Kolom Distilasi

Suatu proses distilasi kontinyu dilakukan untuk merecovery aseton dari aliran limbah cair (air). Umpan mengandung aseton sebanyak 10% berat. Produk aseton yang diinginkan memiliki kemurnian minimal 98% berat dan air yang dibuang mengandung aseton tidak lebih dari 50 ppm. Umpan berada pada temperatur 20oC. Laju alir maksimum umpan 10.000 kg/h dan laju minimumnya sebesar 70% dari laju maksimum.

Rasio refluks (R) diketahui sebesar 1,35 atau 3 kali R minimum. Dengan menggunakan metode McCabe-Thiele, diperoleh jumlah tahap teoritik sebanyak 14 tahap dengan slope garis operasi bottom= 3,9 dan slope garis operasi top = 0,75.

Tentukan desain plate untuk kolom distilasi ini.

DESAIN

1. Menentukan laju alir vapour dan liquid

Top

Top product, D = = 1020 kg/h

Neraca massa :

V = L + D

V/D = L/D + 1

V = (R+1) D = (1,35+1) 1020 = 2397 kg/h vapour rate

1

Bottom

Bottom product, B = 10.000 - 1020 = 8980 kg/h

Neraca massa : V’ + B = L’

V’ + 8980 = L’

Diketahui slope garis operasi bottom, L’/V’ = 3,9

Maka: vapour rate, V’ = 3097 kg/h

Liquid rate, L’ = 12.078 kg/h

2. Menentukan sifat fisik

Perkirakan base pressure dengan asumsi efisiensi kolom 60% dan reboiler ekivalen dengan 1 tahap.

Maka jumlah tahap nyata (aktual) = = 22

Asumsikan pressure drop per plate sebesar 100 mm air, maka :

Pressure drop kolom = 100x10-3 x 1000 x 9,81 x 22 = 21.580 Pa.

Top pressure, 1 atm (14,7 lb/in2) = 101,4 x 103 Pa

Base pressure (estimasi) = 101,4 x 103 + 21.580 = 122.980 Pa

= 1,23 bar

Dari steam tabel, diketahui base temperatur = 106oC

Maka : v = 0,77 kg/m3

L = 950 kg/m3

Surface tension 57 x 10-3 N/m

Top temperature (aseton, MW=58) = 57oC

Maka : v = kg/m3

L = 780 kg/m3

Surface tension 19 x 10-3 N/m

2

3. Menentukan tray spacing

Asumsi tray spacing sebesar 0,5 m

4. Menghitung Diameter Kolom

Persamaan (10) :

FLV base =

FLV top =

Dari gambar 11.27 diperoleh :

Base : K1 = 7 x 10-2

Top : K1 = 8 x 10-2

Koreksi untuk surface tension :

3

Base K1 =

Top K1 =

Maka kecepatan flooding, Persamaan (9) :

Base : m/s

Top : m/s

Desain untuk 85% flooding pada kecepatan maksimum:

Base : = 3,03 x 0,85 = 2,58 m/s

Top : = 1,51 x 0,85 = 1,28 m/s

Laju alir volumetrik maksimum :

Base = = 1,12 m3/s

Top = = 0,31 m3/s

Net area yang diperlukan, An :

Base = m2

Top = m2

4

Sebagai tebakan awal, tentukan downcomer area sebesar 12% dari total.Luas penampang kolom, Ac :

Base = m2

Top = m2

Diameter Kolom :

Base = m

Top = m

Gunakan diameter yang sama untuk bagian diatas dan di bawah umpan, kurangi perforated area pada plate di atas umpan.

Pipa standar yang paling mendekati adalah : diameter luar 812,8 mm (32 in); standard wall thickness 9,52 mm; inside diameter 794 mm.

5. Menentukan pola aliran liquid

Laju liquid volumetrik maksimum

m3/s

Dari gambar 11.28, pola aliran liquid yang digunakan adalah single pass plate.

5

6. Membuat plate design

Diameter kolom Dc = 0,79 m

Column Area Ac = 0,50 m2

Downcomer Area Ad = 0,12 x 0,50 = 0,06 m2, diambil 12%

Net Area An = Ac - Ad = 0,50 – 0,06 = 0,44 m2

Active area Aa =Ac – 2Ad = 0,50 – 0,12 = 0,38 m2

Hole Area Ah = 0,10 x 0,38 = 0,038 m2,

Estimasi awal = 10% dari active area

6

Weir Length (gambar 11.31) = 0,76 x 0,79 = 0,60 m.

Asumsi : Weir height = 50 mm

Hole diameter = 5 mm

Plate thickness = 5 mm

7. Check Weeping

Laju liquid maksimum = 12078/3600 = 3,36 kg/s

Laju liquid minimum, 70% dari max = 0,7 x 3,36 = 2,35 kg/s

Persamaan (12) :

Maksimum how = mm liquid

Minimum how = mm liquid

Pada laju minimum, hw + how = 50 + 19 = 69 mm

Dari gambar 11.30 : K2 = 30,5

Pada weep point : m/s

7

actual minimum vapour velocity

= minimum vapour rate/Ah = (0,7 x 1,12)/0,038 = 20,6 m/s

Laju vapour minimum dalam operasi berada di atas weep point

8. Plate pressure drop

Dry plate drop, hd

Kecepatan vapour maksimum melewati hole

m/s

Dari gambar 11.34 :

untuk tebal plate/diameter hole = 1, dan = 0,1 diperoleh C0 = 0,84.

8

Persamaan (15) :

mm liquid

Residual head, hr

Persamaan (16) :

hr = 12,5 x 103/L = 12,5 x 103/950 = 13,2 mm liquid

Total plate pressure drop, ht

ht = 51 + (50 + 25) + 13 = 139 mm liquid

Catatan :

Dalam perhitungan ini digunakan asumsi awal plate pressure drop sebesar 100 mm untuk menentukan base pressure. Perhitungan dapat diulangi dengan nilai yang baru, tetapi perubahan yang kecil pada sifat fisik hanya

9

akan sedikit mempengaruhi desain plate. Maka nilai 139 mm perplate dapat diterima.

9. Downcomer liquid back-up

Downcomer pressure loss :

Persamaan (20) : ambil hap = hw-10 = 50-10 = 40 mm

Area under apron, Persamaan (19) :

Aap = 0,60 x 40 x 10-3 = 0,024 m2

Oleh karena Aap (0,024) < Ad (0,06), maka gunakan Aap

pada persamaan (18) :

mm 4 mm

Backup in downcomer, hb

Persamaan (17) :

hb = (50+25) + 139 + 4 = 218 mm = 0,22 m

0,22< ½ (plate spacing + weir height = 0,5+0,05=0,55)

0,22<0,275 satisfactory

10

Check residence time, tr

Persamaan (21) :

s

> 3 s satisfactory

10. Menghitung persen flooding

Kecepatan vapour berdasarkan diameter aktual :

uv = 1,12/0,44 = 2,55 m/s

Persamaan (22) :

Persen flooding = (2,55/3,02) x 100% = 84%,

11. Cek Entrainment

Persen flooding = 84% dan FLV = 0,11

Dari gambar 11.29, = 0,02 < 0,1 satisfactory

12. Perforated Area (Trial Layout)

11

Gunakan konstruksi cartridge-type. Berikan jarak 50 mm untuk strip pada tepi sepanjang lingkaran plate dan 50 mm untuk calming zones.

Dari Gambar 11.32 :

Pada lw/Dc=0,76 c=99o.

Angle subtended at plate edge by unperforated strip = 180 – 99 = 81o.

Mean length, unperforated edge strips= (0,79 – 50x10-3) x (81/180) = 1,05

m

Area of unperforated edge strips = 50x10-3 x 1,05 = 0,053 m2

Area of calming zones = 2(5x10-3)x(0,6 - 2x50x10-3) = 0,05 m2

Total area available for perforations, Ap = 0,38 - (0,053+0,05)

12

= 0,277 m2

Ah/Ap = 0,038/0,277 = 0,137

Dari Gambar 11.33, lp/dh = 2,6 satisfactory (antara 2,5–4,0)

Jumlah Hole :

Luas satu hole = 1,964x10-5 m2 (diameter hole = 5 mm)

Jumlah Hole = 0,038/(1,964x10-5) = 1935

Spesifikasi Plate :

13

14