Hampir semua proses kimia memerlukan pemisahan zat kimia (komponen), untuk : Memurnikan umpan
Urutan Pemisahan
dan Urutan Pemisahan Distilasi Biasa
Heri Rustamaji
Referensi: Seider, W.D., Seider, J.D. and Lewin, D.R., 2003, Product &
Process Design Principles - Synthesis, Analysis & Evaluation, 2nd Ed.
Pendahuluan
•
Hampir semua proses kimia memerlukan pemisahan zat
kimia (komponen), untuk :
Memurnikan umpan
Me-recovery komponen yang tidak bereaksi untuk di-recycle ke
reaktor
Memisahkan dan memurnikan produk dari reaktor
•
•
•
Seringkali, biaya investasi utama dan biaya operasi proses
akan berkaitan dengan peralatan pemisahan
Untuk campuran biner, dimungkinkan untuk memilih
metode pemisahan yang dapat memenuhi tugas pemisahan
dalam satu alat.
Lebih umum, campuran umpan melibatkan sistem pemisahan
yang lebih kompleks.
TUJUAN
Mengenal metode pemisahan yang digunakan di
industri secara lebih luas dan dasar-dasarnya untuk
pemisahan.
Mampu menjelaskan konsep faktor pemisahan dan
mampu memilih metode pemisahan yang sesuai untuk
campuran zat cair.
Mampu membuat urutan susunan kolom distilasi dan
mampu menerapkan hirarki untuk mempersempit
pencarian urutan yang mendekati optimal
Mampu menerapkan metode sistematis untuk
menentukan urutan optimal jenis pemisahan distilasi
Contoh: Recovery Butene
Species
b.pt.(C)
Tc (C)
Pc, (MPa)
Propane
A
-42.1
97.7
4.17
1-Butene
B
-6.3
146.4
3.94
n-Butane
C
-0.5
152.0
3.73
trans-2-Butene
D
0.9
155.4
4.12
cis-2-Butene
E
3.7
161.4
4.02
n-Pentane
F
36.1
196.3
3.31
Contoh: Recovery Butene
Kolom 100 tray
C3 & 1-Butene
pada distillate
Pengambilan
Pentane sebagai
produk bawah
(bottoms)
Pengambilan 2-C4=s
sebagai distillate.
Furfural direcovery
sebagai bottoms dan
direcycle ke C-4
Recovery Propane
dan 1-Butene
n C4
and 2-C4=s tidak
dapat dipisahkan
dengan distilasi biasa
(=1.03), sehingga
96% furfural
ditambahkan
sebagai extractive
agent ( 1.17).
Pengambilan nC4
sebagai distillate.
Pemisahan adalah Intensive Energi
• Tidak seperti pencampuran spontan zat kimia, pemisahan
campuran bahan kimia memerlukan beberapa bentuk energi
• Pemisahan suatu campuran umpan ke dalam aliran yang
komposisi kimianya berbeda dicapai dengan mendorong zat yang
berbeda kedalam lokasi spasial yg berbeda, dengan satu atau
kombinasi empat teknik yang umum di industri :
Pembuatan transfer panas, kerja poros (shaft work), atau penurunan
tekanan fasa kedua yang tidak bercampur dengan fasa umpan (ESA –
energy separating agent)
Pengenalan kedalam sistem fasa fluida kedua (MSA – mass separating
agent). Ini kemudian harus dibuang/dipisahkan.
Penambahan fasa padatan yang menyebabkan adsorpsi dapat terjadi
Penempatan penahan membran
Metode Pemisahan Umum
Separation
Method
Phase of
the feed
Separation
agent
Developed or
added phase
Separation
principle
Equilibrium
flash
L and/or V
Pressure
reduction or
heat transfer
V or L
difference
in volatility
Distillation
L and/or V
Heat transfer
or shaft work
V or L
difference
in volatility
Gas
Absorption
V
Liquid
absorbent
L
difference
in volatility
Stripping
L
Vapor stripping
agent
V
difference
in volatility
Extractive
Distillation
L and/or V
Liquid solvent
and heat
transfer
V and L
difference
in volatility
Azeotropic
Distillation
L and/or V
Liquid
entrainer and
heat transfer
V and L
difference
in volatility
Metode Pemisahan Umum
Separation
Method
Phase of
the feed
Separation
agent
Developed
or added
phase
Separation
principle
Liquid-liquid
Extraction
L
Liquid
solvent
Second
liquid
Difference in
solubility
Crystallization
L
Heat
transfer
Solid
Difference in
solubility or
m.p.
Gas
adsorption
V
Solid
adsorbent
Solid
difference in
adsorbabililty
Liquid
adsorption
L
Solid
adsorbent
Solid
difference in
adsorbabililty
Membranes
L or V
Membrane
Membrane
difference in
permeability
and/or
solubility
Metode Pemisahan Umum
Separation
Method
Phase of
the feed
Separation
agent
Developed
or added
phase
Separation
principle
Supercritical
extraction
L or V
Supercritical
solvent
Supercritical
fluid
Difference
in solubility
Leaching
S
Liquid
solvent
L
Difference
in solubility
Drying
S and L
Heat
transfer
V
Difference
in volatility
Seleksi Metode Pemisahan
• Pengembangan proses pemisahan membutuhkan pemilihan :
Metode pemisahan (separation methods)
Agen pemisahan (ESAs and/or MSAs)
Alat pemisahan (Separation equipment)
Susunan yang optimal atau urutan alat
Suhu dan tekanan operasi yang optimal untuk alat
• Pemilihan metode pemisahan tergantung pada kondisi umpan:
•
Vapor
•
Liquid
•
Solid
Partial condensation, distillation, absorption,
adsorption, gas permeation (membranes)
Distillation, stripping, LL extraction, supercritical
extraction, crystallization, adsorption, and dialysis
or reverse osmosis (membranes)
If wet drying, if dry leaching
Seleksi Metode Pemisahan
•
Faktor pemisahan, SF, mendefinisikan derajat pemisahan yg dapat dicapai
antara dua komponen kunci dari umpan. Faktor ini, untuk pemisahan
komponen 1 dari komponen 2 antara fase I & II, untuk kontak tahap
tunggal yaitu:
SF
•
C 1I / C 2I
C 1II
/ C 2II
C =variable composition,
I, II = phases rich in components 1
and 2.
(8.1)
SF umumnya dibatasi oleh kesetimbangan termodinamika. Sebagai contoh,
dalam kasus distilasi, penggunaan fraksi mol sebagai variabel komposisi dan
misalkan fasa I adalah uap dan fasa II adalah cairan, batasan nilai dari SF
diberikan dalam bentuk rasio kesetimbangan uap-cair (nilai-K) sebagai:
y1 / x1 K1
P1 s
SF
1 , 2 s
y2 / x2 K2
P2
for ideal L and V
(8.2), (8.3)
Seleksi Metode Pemisahan
•
Untuk operasi pemisahan uap-cair yang menggunakan MSA
yang menyebabkan pembentukan larutan cairan non-ideal
(misalnya distilasi ekstraktif):
SF 1,2
•
2LP2s
(8.5)
Jika MSA digunakan untuk membuat dua fase cair, seperti
dalam ekstraksi cair-cair, SF disebut sebagai selektivitas relatif,
β, dimana:
II / II
SF 1,2
•
1LP1 s
1
2
1I / 2I
(8.6)
Secara umum, MSA untuk distilasi ekstraktif dan ekstraksi caircair dipilih berdasarkan kemudahan pemulihan untuk daur
ulang dan untuk mencapai nilai yang relatif besar dari SF.
Equal Cost Separators
Liquid-Liquid Extraction
should NOT be used
when α for ordinary
distillation is greater
than 3.2
Extractive distillation
should NOT be used
when α for ordinary
distillation is
greater than 2
Urutan Kolom Distilasi Biasa
• Gunakan urutan kolom distilasi biasa untuk memisahkan
campuran multikomponen jika tersedia:
pada setiap kolom > 1.05.
Beban reboiler tidak berlebih.
Tekanan kolom tidak menyebabkan campuran mendekati titik kritis TC
campuran.
Pressure drop kolom dapat ditoleransi, terutama jika kondisi operasi
vakum.
Uap produk atas minimal dapat terkondensai secara parsial pada
tekanan kolom untuk menyediakan refluks tanpa kebutuhan refrigerasi
yang berlebih
Suhu bagian bawah pada tekanan kolom tidak terlalu tinggi yang dapat
terjadi dekomposisi kimia.
Azeotropes jangan menghalangi pemisahan yag diinginkan.
Algoritma Menentukan Tekanan/Kondensor
Jumlah Urutan Kolom Distilasi Biasa (DB)
• Jumlah urutan yang berbeda dari P –1 kolom distilasi biasa NS ,
untuk menghasilkan P produk:
Ns
[2(P 1)]!
P ! (P 1)!
(8.9)
P
# of Separators
Ns
2
1
1
3
2
2
4
3
5
5
4
14
6
5
42
7
6
132
8
7
429
Contoh: 4 komponen
Contoh: 4 komponen
Urutan terbaik menggunakan hirarkis
• Berikut petunjuk yang serig digunakan untuk mereduksi jumlah
urutan DB yang perlu dipelajari dengan detil:
Pisahkan komponen yang tdk stabil secara termal, korosiv, atau reaktif secara
kimia pada urutan awal.
Pisahkan produk akhir satu demi satu sebagai distilat (the direct sequence).
Sequence separation points to remove, early in the sequence, those
components of greatest molar percentage in the feed.
Sequence separation points in the order of decreasing relative volatility so that
the most difficult splits are made in the absence of other components.
Sequence separation points to leave last those separations that give the highest
purity products.
Sequence separation points that favor near equimolar amounts of distillate
and bottoms in each column. The reboiler duty should not be excessive.
Latihan
Rancang suatu
urutan kolom
distilasi biasa
untuk
memenuhi
spesifikasi yang
diinginkan.
Latihan - kemungkinan solusi
Guided by Heuristic 4, the first column
in position to separate the key
components with the greatest SF.
Sequence separation points in the
order of decreasing relative
volatility so that the most difficult
splits are made in the absence of
other components.
Latihan - kemungkinan solusi
a = 1.5
a = 3.6
a = 2.8
a = 1.35
Complex Columns
•
Dalam beberapa kasus, kolom kompleks harus dipertimbangkan daripada
kolom sederhana ketika membuat urutan pemisahan
Ref: Tedder and Rudd (1978)
Region Optimality
•
Seperti ditunjukkan di bawah, optimal regions untuk berbagai konfogurasi
tergantung pada komposisi umpan dan the ease-of-separation index (ESI) :
ESI = AB/ BC
ESI 1.6
ESI 1.6
Sequencing V-L Separation
• Ketika distilasi sederhana tidak praktis untuk semua separator
dalam sistem pemisahan campuran multikomponen, separator
tipe lain harus digunakan dan tingkat volatilitas atau indeks
pemisahan mungkin berbeda untuk setiap jenis separator.
• Jika semua bahan kimia adalah produk separator (P) dan jika
T sama dg jumlah tipe separator yg berbeda, maka jumlah
kemungkinan urutan diberikan dg persamaan:
NsT T
P 1
Ns
(A)
• Contoh, jika P = 3, dan distilasi biasa, distilasi ekstraktiv dengan
solven I atau solven II, dan ekstraksi cair-cair dengan solven III
dipertimbangkan, T=4, dimasukkan ke pers (8.9) dan (A)
memberikan 32 kemungkinan urutan (untuk distilasi biasa
sendiri, NS = 2).
C0ntoh: Recovery Butene
Species
•
•
•
•
b.pt.(C)
Tc (C)
Pc, (MPa)
Propane
A
-42.1
97.7
4.17
1-Butene
B
-6.3
146.4
3.94
n-Butane
C
-0.5
3.73
trans-2-Butene
D
0.9
cis-2-Butene
E
3.7
n-Pentane
F
36.1
152.0
Propane
Butane
155.4
Butene
161.4
Pentane
196.3
4.12
4.02
3.31
Untuk T = 2 (OD dan ED), and P = 4, NS = 40.
Namun demikian, karena 1-Butene juga harus dipisahkan (why?), P = 5,
dan NS = 224.
Jelas, akan sangat membantu mereduksi jumlah urutan yang perlu
dianalisis. 1-Butene dan 2-Butene secara struktural
sangat berbeda sedangkan isomer optik jauh
Perlu megelimiasi pemisahan yang tidak feasible (layak), dan mendorong
lebih dekat terkait dan sulit dipisahkan
DB untuk pemisahan dengan colatilitas yang sapat diterima.
dengan distilasi
C0ntoh: Recovery Butene
Pasangan Biner Berdekatan
ij at 65.5 oC
Propane/1-Butene (A/B)
2.45
1-Butene/n-Butane (B/C)
1.18
n-Butane/trans-2-Butene (C/D)
1.03
cis-2-Butene/n-Pentane (E/F)
2.50
• Pisahkan A/B dan E/F harus hanya dengan Distilasi Biasa (OD) ( 2.5)
• Pisahkan C/D tidak feasible dengan OD ( = 1.03). Split B/C feasible, tapi
alternaive lain mungkin lebih menarik.
• Gunakan 96% furfural sebagai solvent untuk distilasi ekstraktiv (ED)
meningkatkan volatilitas paraffin terhadap olefins, menyebabkan
pembalikan volatilitas antara 1-Butene dan n-Butane, mengubah
tingkat/urutan pemisahan terhadap ACBDEF, dan memberikan C/B = 1.17.
juga, pisahkan (C/D)II dengan = 1.7, harus digunakan untuk mengganti OD.
• So, pemisahan yg hrs dipertimbangkan dg semua batasan adalah : (A/B…)I,
(…E/F)I, (…B/C…)I, (A/C…)I , (…C/B…)II, and (…C/D…)II
Estimasi Biaya Tahunan
•
Untukk masing2 pemisahan, CA diestimasi dengn asumsi 99 mol %
recovery komponen ringan di distillate dan 99 mol % recovery komponen
berat di bottoms. Tahapan berikut diikuti :
Set tekanan distillate dan bottoms column menggunakan
Estimasi jumlah tahap dan rasio refluks dengan WUG method (ex.
menggunakan Aspen Plus “DSTWU Column”)
Pilih tray spacing (typically 2 ft.) dan hitung tingggi kolom, H
Hitung diameter kolom, D (gunakan Fair correlation for flooding velocity,
or Aspen Plus Tray Sizing Utility)
Estimasi installed cost dari tower (ex. Peters & Timmerhaus)
Hitung ukuran da biaya peralatan tambahan (condenser, reboiler, reflux
drum). Jumlah total capital investment, CTCI
Hitung annual cost dari heating and cooling utilities (COS)
Hitung CA assumsikan ROI (typically r = 0.2). CA = COS + r *CTCI
Recovery Butene – 1st Branch
(A/B…)I, (…E/F)I, (…B/C…)I,
(A/C…)I , (…C/B…)II, and (…C/D…)II
Sequence
Cost, $/yr
1-5-16-28
900,200
1-5-17-29
872,400
1-6-18
1,127,400
1-7-19-30
878,000
1-7-20
Species
Propane
1-Butene
n-Butane
trans-2-Butene
cis-2-Butene
n-Pentane
1,095,600
A
B
C
D
E
F
Recovery Butene – 2nd Branch
(A/B…)I, (…E/F)I, (…B/C…)I,
(A/C…)I , (…C/B…)II, and (…C/D…)II
Sequence
Cost, $/yr
2-(8,9-21)
888,200
2-(8,10-22)
860,400
Species
Propane
1-Butene
n-Butane
trans-2-Butene
cis-2-Butene
n-Pentane
A
B
C
D
E
F
Recovery Butene – 3rd Branch
(A/B…)I, (…E/F)I, (…B/C…)I,
(A/C…)I , (…C/B…)II, and (…C/D…)II
Sequence
3-11-23-31
3-11-24
3-12-(25,26)
3-13-27
Species
Propane
1-Butene
n-Butane
trans-2-Butene
cis-2-Butene
n-Pentane
Cost, $/yr
878,200
1,095,700
867,400
1,080,100
A
B
C
D
E
F
Recovery Butene – 4th Branch
(A/B…)I, (…E/F)I, (…B/C…)I, (A/C…)I , (…C/B…)II, and (…C/D…)II
Sequence
4-14-15
Species
Propane
1-Butene
n-Butane
trans-2-Butene
cis-2-Butene
n-Pentane
Cost, $/yr
1,115,200
A
B
C
D
E
F
Contoh : Recovery Butene
•
Urutan Biaya Termurah
Sequence
2-(8,10-22)
Cost, $/yr
860,400
Contoh : Recovery Butene
Terima kasih
dan Urutan Pemisahan Distilasi Biasa
Heri Rustamaji
Referensi: Seider, W.D., Seider, J.D. and Lewin, D.R., 2003, Product &
Process Design Principles - Synthesis, Analysis & Evaluation, 2nd Ed.
Pendahuluan
•
Hampir semua proses kimia memerlukan pemisahan zat
kimia (komponen), untuk :
Memurnikan umpan
Me-recovery komponen yang tidak bereaksi untuk di-recycle ke
reaktor
Memisahkan dan memurnikan produk dari reaktor
•
•
•
Seringkali, biaya investasi utama dan biaya operasi proses
akan berkaitan dengan peralatan pemisahan
Untuk campuran biner, dimungkinkan untuk memilih
metode pemisahan yang dapat memenuhi tugas pemisahan
dalam satu alat.
Lebih umum, campuran umpan melibatkan sistem pemisahan
yang lebih kompleks.
TUJUAN
Mengenal metode pemisahan yang digunakan di
industri secara lebih luas dan dasar-dasarnya untuk
pemisahan.
Mampu menjelaskan konsep faktor pemisahan dan
mampu memilih metode pemisahan yang sesuai untuk
campuran zat cair.
Mampu membuat urutan susunan kolom distilasi dan
mampu menerapkan hirarki untuk mempersempit
pencarian urutan yang mendekati optimal
Mampu menerapkan metode sistematis untuk
menentukan urutan optimal jenis pemisahan distilasi
Contoh: Recovery Butene
Species
b.pt.(C)
Tc (C)
Pc, (MPa)
Propane
A
-42.1
97.7
4.17
1-Butene
B
-6.3
146.4
3.94
n-Butane
C
-0.5
152.0
3.73
trans-2-Butene
D
0.9
155.4
4.12
cis-2-Butene
E
3.7
161.4
4.02
n-Pentane
F
36.1
196.3
3.31
Contoh: Recovery Butene
Kolom 100 tray
C3 & 1-Butene
pada distillate
Pengambilan
Pentane sebagai
produk bawah
(bottoms)
Pengambilan 2-C4=s
sebagai distillate.
Furfural direcovery
sebagai bottoms dan
direcycle ke C-4
Recovery Propane
dan 1-Butene
n C4
and 2-C4=s tidak
dapat dipisahkan
dengan distilasi biasa
(=1.03), sehingga
96% furfural
ditambahkan
sebagai extractive
agent ( 1.17).
Pengambilan nC4
sebagai distillate.
Pemisahan adalah Intensive Energi
• Tidak seperti pencampuran spontan zat kimia, pemisahan
campuran bahan kimia memerlukan beberapa bentuk energi
• Pemisahan suatu campuran umpan ke dalam aliran yang
komposisi kimianya berbeda dicapai dengan mendorong zat yang
berbeda kedalam lokasi spasial yg berbeda, dengan satu atau
kombinasi empat teknik yang umum di industri :
Pembuatan transfer panas, kerja poros (shaft work), atau penurunan
tekanan fasa kedua yang tidak bercampur dengan fasa umpan (ESA –
energy separating agent)
Pengenalan kedalam sistem fasa fluida kedua (MSA – mass separating
agent). Ini kemudian harus dibuang/dipisahkan.
Penambahan fasa padatan yang menyebabkan adsorpsi dapat terjadi
Penempatan penahan membran
Metode Pemisahan Umum
Separation
Method
Phase of
the feed
Separation
agent
Developed or
added phase
Separation
principle
Equilibrium
flash
L and/or V
Pressure
reduction or
heat transfer
V or L
difference
in volatility
Distillation
L and/or V
Heat transfer
or shaft work
V or L
difference
in volatility
Gas
Absorption
V
Liquid
absorbent
L
difference
in volatility
Stripping
L
Vapor stripping
agent
V
difference
in volatility
Extractive
Distillation
L and/or V
Liquid solvent
and heat
transfer
V and L
difference
in volatility
Azeotropic
Distillation
L and/or V
Liquid
entrainer and
heat transfer
V and L
difference
in volatility
Metode Pemisahan Umum
Separation
Method
Phase of
the feed
Separation
agent
Developed
or added
phase
Separation
principle
Liquid-liquid
Extraction
L
Liquid
solvent
Second
liquid
Difference in
solubility
Crystallization
L
Heat
transfer
Solid
Difference in
solubility or
m.p.
Gas
adsorption
V
Solid
adsorbent
Solid
difference in
adsorbabililty
Liquid
adsorption
L
Solid
adsorbent
Solid
difference in
adsorbabililty
Membranes
L or V
Membrane
Membrane
difference in
permeability
and/or
solubility
Metode Pemisahan Umum
Separation
Method
Phase of
the feed
Separation
agent
Developed
or added
phase
Separation
principle
Supercritical
extraction
L or V
Supercritical
solvent
Supercritical
fluid
Difference
in solubility
Leaching
S
Liquid
solvent
L
Difference
in solubility
Drying
S and L
Heat
transfer
V
Difference
in volatility
Seleksi Metode Pemisahan
• Pengembangan proses pemisahan membutuhkan pemilihan :
Metode pemisahan (separation methods)
Agen pemisahan (ESAs and/or MSAs)
Alat pemisahan (Separation equipment)
Susunan yang optimal atau urutan alat
Suhu dan tekanan operasi yang optimal untuk alat
• Pemilihan metode pemisahan tergantung pada kondisi umpan:
•
Vapor
•
Liquid
•
Solid
Partial condensation, distillation, absorption,
adsorption, gas permeation (membranes)
Distillation, stripping, LL extraction, supercritical
extraction, crystallization, adsorption, and dialysis
or reverse osmosis (membranes)
If wet drying, if dry leaching
Seleksi Metode Pemisahan
•
Faktor pemisahan, SF, mendefinisikan derajat pemisahan yg dapat dicapai
antara dua komponen kunci dari umpan. Faktor ini, untuk pemisahan
komponen 1 dari komponen 2 antara fase I & II, untuk kontak tahap
tunggal yaitu:
SF
•
C 1I / C 2I
C 1II
/ C 2II
C =variable composition,
I, II = phases rich in components 1
and 2.
(8.1)
SF umumnya dibatasi oleh kesetimbangan termodinamika. Sebagai contoh,
dalam kasus distilasi, penggunaan fraksi mol sebagai variabel komposisi dan
misalkan fasa I adalah uap dan fasa II adalah cairan, batasan nilai dari SF
diberikan dalam bentuk rasio kesetimbangan uap-cair (nilai-K) sebagai:
y1 / x1 K1
P1 s
SF
1 , 2 s
y2 / x2 K2
P2
for ideal L and V
(8.2), (8.3)
Seleksi Metode Pemisahan
•
Untuk operasi pemisahan uap-cair yang menggunakan MSA
yang menyebabkan pembentukan larutan cairan non-ideal
(misalnya distilasi ekstraktif):
SF 1,2
•
2LP2s
(8.5)
Jika MSA digunakan untuk membuat dua fase cair, seperti
dalam ekstraksi cair-cair, SF disebut sebagai selektivitas relatif,
β, dimana:
II / II
SF 1,2
•
1LP1 s
1
2
1I / 2I
(8.6)
Secara umum, MSA untuk distilasi ekstraktif dan ekstraksi caircair dipilih berdasarkan kemudahan pemulihan untuk daur
ulang dan untuk mencapai nilai yang relatif besar dari SF.
Equal Cost Separators
Liquid-Liquid Extraction
should NOT be used
when α for ordinary
distillation is greater
than 3.2
Extractive distillation
should NOT be used
when α for ordinary
distillation is
greater than 2
Urutan Kolom Distilasi Biasa
• Gunakan urutan kolom distilasi biasa untuk memisahkan
campuran multikomponen jika tersedia:
pada setiap kolom > 1.05.
Beban reboiler tidak berlebih.
Tekanan kolom tidak menyebabkan campuran mendekati titik kritis TC
campuran.
Pressure drop kolom dapat ditoleransi, terutama jika kondisi operasi
vakum.
Uap produk atas minimal dapat terkondensai secara parsial pada
tekanan kolom untuk menyediakan refluks tanpa kebutuhan refrigerasi
yang berlebih
Suhu bagian bawah pada tekanan kolom tidak terlalu tinggi yang dapat
terjadi dekomposisi kimia.
Azeotropes jangan menghalangi pemisahan yag diinginkan.
Algoritma Menentukan Tekanan/Kondensor
Jumlah Urutan Kolom Distilasi Biasa (DB)
• Jumlah urutan yang berbeda dari P –1 kolom distilasi biasa NS ,
untuk menghasilkan P produk:
Ns
[2(P 1)]!
P ! (P 1)!
(8.9)
P
# of Separators
Ns
2
1
1
3
2
2
4
3
5
5
4
14
6
5
42
7
6
132
8
7
429
Contoh: 4 komponen
Contoh: 4 komponen
Urutan terbaik menggunakan hirarkis
• Berikut petunjuk yang serig digunakan untuk mereduksi jumlah
urutan DB yang perlu dipelajari dengan detil:
Pisahkan komponen yang tdk stabil secara termal, korosiv, atau reaktif secara
kimia pada urutan awal.
Pisahkan produk akhir satu demi satu sebagai distilat (the direct sequence).
Sequence separation points to remove, early in the sequence, those
components of greatest molar percentage in the feed.
Sequence separation points in the order of decreasing relative volatility so that
the most difficult splits are made in the absence of other components.
Sequence separation points to leave last those separations that give the highest
purity products.
Sequence separation points that favor near equimolar amounts of distillate
and bottoms in each column. The reboiler duty should not be excessive.
Latihan
Rancang suatu
urutan kolom
distilasi biasa
untuk
memenuhi
spesifikasi yang
diinginkan.
Latihan - kemungkinan solusi
Guided by Heuristic 4, the first column
in position to separate the key
components with the greatest SF.
Sequence separation points in the
order of decreasing relative
volatility so that the most difficult
splits are made in the absence of
other components.
Latihan - kemungkinan solusi
a = 1.5
a = 3.6
a = 2.8
a = 1.35
Complex Columns
•
Dalam beberapa kasus, kolom kompleks harus dipertimbangkan daripada
kolom sederhana ketika membuat urutan pemisahan
Ref: Tedder and Rudd (1978)
Region Optimality
•
Seperti ditunjukkan di bawah, optimal regions untuk berbagai konfogurasi
tergantung pada komposisi umpan dan the ease-of-separation index (ESI) :
ESI = AB/ BC
ESI 1.6
ESI 1.6
Sequencing V-L Separation
• Ketika distilasi sederhana tidak praktis untuk semua separator
dalam sistem pemisahan campuran multikomponen, separator
tipe lain harus digunakan dan tingkat volatilitas atau indeks
pemisahan mungkin berbeda untuk setiap jenis separator.
• Jika semua bahan kimia adalah produk separator (P) dan jika
T sama dg jumlah tipe separator yg berbeda, maka jumlah
kemungkinan urutan diberikan dg persamaan:
NsT T
P 1
Ns
(A)
• Contoh, jika P = 3, dan distilasi biasa, distilasi ekstraktiv dengan
solven I atau solven II, dan ekstraksi cair-cair dengan solven III
dipertimbangkan, T=4, dimasukkan ke pers (8.9) dan (A)
memberikan 32 kemungkinan urutan (untuk distilasi biasa
sendiri, NS = 2).
C0ntoh: Recovery Butene
Species
•
•
•
•
b.pt.(C)
Tc (C)
Pc, (MPa)
Propane
A
-42.1
97.7
4.17
1-Butene
B
-6.3
146.4
3.94
n-Butane
C
-0.5
3.73
trans-2-Butene
D
0.9
cis-2-Butene
E
3.7
n-Pentane
F
36.1
152.0
Propane
Butane
155.4
Butene
161.4
Pentane
196.3
4.12
4.02
3.31
Untuk T = 2 (OD dan ED), and P = 4, NS = 40.
Namun demikian, karena 1-Butene juga harus dipisahkan (why?), P = 5,
dan NS = 224.
Jelas, akan sangat membantu mereduksi jumlah urutan yang perlu
dianalisis. 1-Butene dan 2-Butene secara struktural
sangat berbeda sedangkan isomer optik jauh
Perlu megelimiasi pemisahan yang tidak feasible (layak), dan mendorong
lebih dekat terkait dan sulit dipisahkan
DB untuk pemisahan dengan colatilitas yang sapat diterima.
dengan distilasi
C0ntoh: Recovery Butene
Pasangan Biner Berdekatan
ij at 65.5 oC
Propane/1-Butene (A/B)
2.45
1-Butene/n-Butane (B/C)
1.18
n-Butane/trans-2-Butene (C/D)
1.03
cis-2-Butene/n-Pentane (E/F)
2.50
• Pisahkan A/B dan E/F harus hanya dengan Distilasi Biasa (OD) ( 2.5)
• Pisahkan C/D tidak feasible dengan OD ( = 1.03). Split B/C feasible, tapi
alternaive lain mungkin lebih menarik.
• Gunakan 96% furfural sebagai solvent untuk distilasi ekstraktiv (ED)
meningkatkan volatilitas paraffin terhadap olefins, menyebabkan
pembalikan volatilitas antara 1-Butene dan n-Butane, mengubah
tingkat/urutan pemisahan terhadap ACBDEF, dan memberikan C/B = 1.17.
juga, pisahkan (C/D)II dengan = 1.7, harus digunakan untuk mengganti OD.
• So, pemisahan yg hrs dipertimbangkan dg semua batasan adalah : (A/B…)I,
(…E/F)I, (…B/C…)I, (A/C…)I , (…C/B…)II, and (…C/D…)II
Estimasi Biaya Tahunan
•
Untukk masing2 pemisahan, CA diestimasi dengn asumsi 99 mol %
recovery komponen ringan di distillate dan 99 mol % recovery komponen
berat di bottoms. Tahapan berikut diikuti :
Set tekanan distillate dan bottoms column menggunakan
Estimasi jumlah tahap dan rasio refluks dengan WUG method (ex.
menggunakan Aspen Plus “DSTWU Column”)
Pilih tray spacing (typically 2 ft.) dan hitung tingggi kolom, H
Hitung diameter kolom, D (gunakan Fair correlation for flooding velocity,
or Aspen Plus Tray Sizing Utility)
Estimasi installed cost dari tower (ex. Peters & Timmerhaus)
Hitung ukuran da biaya peralatan tambahan (condenser, reboiler, reflux
drum). Jumlah total capital investment, CTCI
Hitung annual cost dari heating and cooling utilities (COS)
Hitung CA assumsikan ROI (typically r = 0.2). CA = COS + r *CTCI
Recovery Butene – 1st Branch
(A/B…)I, (…E/F)I, (…B/C…)I,
(A/C…)I , (…C/B…)II, and (…C/D…)II
Sequence
Cost, $/yr
1-5-16-28
900,200
1-5-17-29
872,400
1-6-18
1,127,400
1-7-19-30
878,000
1-7-20
Species
Propane
1-Butene
n-Butane
trans-2-Butene
cis-2-Butene
n-Pentane
1,095,600
A
B
C
D
E
F
Recovery Butene – 2nd Branch
(A/B…)I, (…E/F)I, (…B/C…)I,
(A/C…)I , (…C/B…)II, and (…C/D…)II
Sequence
Cost, $/yr
2-(8,9-21)
888,200
2-(8,10-22)
860,400
Species
Propane
1-Butene
n-Butane
trans-2-Butene
cis-2-Butene
n-Pentane
A
B
C
D
E
F
Recovery Butene – 3rd Branch
(A/B…)I, (…E/F)I, (…B/C…)I,
(A/C…)I , (…C/B…)II, and (…C/D…)II
Sequence
3-11-23-31
3-11-24
3-12-(25,26)
3-13-27
Species
Propane
1-Butene
n-Butane
trans-2-Butene
cis-2-Butene
n-Pentane
Cost, $/yr
878,200
1,095,700
867,400
1,080,100
A
B
C
D
E
F
Recovery Butene – 4th Branch
(A/B…)I, (…E/F)I, (…B/C…)I, (A/C…)I , (…C/B…)II, and (…C/D…)II
Sequence
4-14-15
Species
Propane
1-Butene
n-Butane
trans-2-Butene
cis-2-Butene
n-Pentane
Cost, $/yr
1,115,200
A
B
C
D
E
F
Contoh : Recovery Butene
•
Urutan Biaya Termurah
Sequence
2-(8,10-22)
Cost, $/yr
860,400
Contoh : Recovery Butene
Terima kasih