topik utama - zapthegreat.files.wordpress.com · ketiga senyawa ini membentuk ternary azeotrop di...
TRANSCRIPT
Topik UtamaMemecah Campuran Azeotrop 4
Problem Pemisahan Emulsi Minyak dan Air 10
Pengembangan Proses Penangkapan
Partikulat di Udara 16
Studi KasusDesain Dasar Kolom Distilasi Zeotrop dan
Azeotrop pada Equilibrium Stages (bagian 1) 19
IklanCognoscente 9
Pebecons 31
2
Editor
Zulfan Adi PutraTMC Chemical, Eindhoven
Editor Utama
Asep Bayu Dani NandiyantoUniversitas Pendidikan Indonesia,
Bandung
Editor
Muhammad Roil BiladNanyang Technological University,
Singapura
Editor
Oki MurazaKing Fahd University of Petroleum and
Minerals, Dhahran
Editor
Riezqa AndikaYeungnam University, Gyeongsan
Editor
Teguh KurniawanUniversitas Sultan Ageng Tirtayasa,
Serang
Editor
3
Editorial
Hal yang sering diungkapkan di bidang
teknik kimia adalah proses pemisahan.
Proses pemisahan ini digunakan untuk
mendapatkan produk yang lebih murni
dari suatu campuran senyawa kimia. Proses
pemisahan tidak hanya ditemukan untuk
membuat produk menjadi lebih murni, tapi
juga untuk proses pengolahan limbah di
Industri.
Dalam edisi ini, Majalah Teknik Kimia
Indonesia akan dibahas mengenai
beberapa hal diantaranya pemisahan
zeotrop dan azeotrop, pemisahan minyak-
air, dan penangkapan partikulat di udara.
Edisi ini juga membahas mengenai riset
mengenai proses pemisahan yang
dilakukan di Korea Selatan. Semoga edisi ini
bisa membuka serta menambah wawasan
dan ilmu pengetahuan mengenai proses
pemisahan di Industri. Tentu saja, sangat
baik sekali apabila ilmu tersebut bisa
digunakan untuk kemajuan industri di
dunia pada umumnya, dan Indonesia pada
khususnya.
Selamat membaca!
Asep Bayu Dani Nandiyanto
Editor
4
Topik Utama
Memecah Campuran AzeotropTulisan kali ini hanya berfokus pada
penjabaran proses pemisahan campuran
azeotrop yang biasa terdapat di industri.
Tulisan ini diharapkan dapat memberikan
gambaran mengenai pilihan-pilihan
proses pemisahan yang dapat
dipertimbangkan dalam menangani
campuran azeotrop.
Ada beberapa proses pemisahan yang
akan dibahas di sini. Proses-proses tersebut
adalah penggunaan pressure swingdistillation, penambahan senyawa lain
yang dapat membuat azeotrop baru yang
heterogen, penggunaan membranepervaporation, molecular sieve, atau
gabungan membrane pervaporation dan
molecular sieve.
Zulfan Adi Putra
TMC Chemical
Pendahuluan
Salah satu tantangan dalam proses
pemisahan senyawa-senyawa kimia
adalah pemisahan campuran yang
memiliki relative volatility sangat dekat satu
sama lainnya. Campuran seperti ini yang
biasa kita sebut sebagai campuran
azeotrop. Contoh paling sederhana
adalah campuran etanol dan air dengan
komposisi 95.63 wt% etanol dan 4.37 wt%
air. Titik didih ethanol adalah 78.4°C, air
pada 100°C, sementara campuran
azeotrop tersebut mendidih pada 78.2°C.
Detail mengenai campuran azeotrop
dapat dibaca di buku-buku teks.
Gambar 1. Pressure swing distillation.
5
Dari contoh sederhana ini, kita bisamelihat bahwa jika posisi azeotropberubah dari satu tekanan ke tekananlainnya, kita bisa memisahkan senyawa Adan B dengan dua kolom distilasi dengantekanan yang berbeda tersebut.
Menambahkan senyawa lain yang dapatmenghasilkan campuran cairan dua fase(heterogeneous azeotrope)
Ada kalanya titik azeotrop tidak berubahmeskipun tekanannya telah diubah-ubah.Akan tetapi, ternyata senyawa-senyawayang terlibat dapat membentuk azeotropyang heterogen dengan senyawa lain.Senyawa azeotrop heterogen, secarasederhana, adalah campuran senyawayang dapat menghasilkan dua fasa cairanyang tidak bercampur. Kedua fasa inimembentuk dua lapis cairan yangkemudian dapat dipisahkan karenaperbedaan massa jenisnya. Contoh yangpaling umum adalah proses pemisahanetanol dari air yang melibatkanpenambahan senyawa aromatic sepertibenzene atau toluene. Silahkan dilihatGambar 2 untuk lebih jelasnya.
Di contoh ini kita ingin memisahkansenyawa E dan W dengan konsentrasiumpan di titik F. dapat terlihat bahwasenyawa E dan W memiliki campuranazeotrop di titik 78.2°C. Diagram fasa diGambar 2 merupakan kurva residue(residue curve) dari senyawa E dan W,dan juga senyawa T yang kita tambahkan.Dapat dilihat bahwa senyawa Tmembentuk azeotrop homogen(cairannya tidak terpisah) dengansenyawa E di titik 76.7°C dan azeotropheterogen dengan senyawa W pada 84°C(berada di daerah miscibility gap). Ketigasenyawa ini membentuk ternary azeotropdi titik G yang merupakan campuran yangdapat terpisah (heterogen).
Proses dua distilasi pada dua tekananyang berbeda (pressure swing distillation)
Pressure swing distillation adalah prosesyang melakukan dua distilasi pada duadua tekanan yang berbeda. Proses inimemanfaatkan kenyataan bahwakonsentrasi campuran azeotrop akanberbeda jika beroperasi pada tekananyang berbeda. Untuk lebih jelasnya,silahkan dilihat Gambar 1 untuk kurva x-ydan contoh skema proses pemisahansenyawa A dan B.
Di Gambar 1 terlihat bahwa pada tekananP1 (kurva x-y bagian atas), campuranazeotrop A dan B memiliki titik azeotrop diAz1. Pada tekanan P2 (kurva x-y bagianbawah), titik azeotropnya lebih rendah,yakni pada Az2. Campuran yang ingindipisahkan berada pada konsentrasi F.Kolom distilasi pertama dioperasikan padaP1 dengan produk bawahnya berupasenyawa B murni. Produk atasnya adalahazeotrop Az1 karena kita tidak bisamemisahkan A dan B melewati titikazeotrop tersebut.
Campuran Az1 ini kemudian dipisahkan dikolom kedua yang beroperasi pada P2.Produk bagian bawahnya adalahsenyawa A murni karena, jika dilihat darikurva x-y tersebut, senyawa A lebih sulitmenguap daripada campuran Az1.Produk atasnya adalah campuran Az2.Campuran Az2 ini pun kemudiandikembalikan ke kolom pertama. Posisiumpan Az2 ke dalam kolom distilasisebaiknya berada di atas posisi umpan Fkarena komposisi senyawa A di Az2 lebihbesar daripada di F. Untuk lebih detailnya,proses simulasi, dengan menggunakanmodel termodinamik yang telahdimodifikasi sesuai data eksperimen,sebaiknya dilakukan.
6
Menggunakan membrane pervaporationatau vapor permeation
Jika proses pemisahan yang akandilakukan melibatkan air, maka prosesalternatif seperti membrane pervaporationatau vapor permeation dapat digunakan.Proses ini menggunakan kombinasi kolomdistilasi dengan membran. Padamembrane pervaporation, umpan kemembrane berfasa cair dan produk akanberubah fase menjadi vapor di sisipermeatnya. Pada vapor permeation,umpan ke membran berfase uap. Prosespemisahan melalui membran ini dapatditingkatkan dengan meningkatkanperbedaan chemical potential-nya(konsentrasi), menaikkan temperaturumpan, dan menurunkan tekanan parsialdi sisi permeat.
Jika membran yang digunakan membranhidrofobik, maka senyawa yang hidrofobikakan lebih mudah menembus membrantersebut. Demikian sebaliknya jikamembran terbuat dari material hidrofilik,maka air akan lebih mudah berpindah.
Umpan F dicampur dengan campuran Kuntuk menghasilkan campuran L.Campuran L ini dikirim ke kolom pertamauntuk menghasilkan senyawa W sebagaiproduk bawah dan campuran H diproduk atas. Campuran H ini kemudiandigabung dengan campuran M untukmenghasilkan campuran N. Campuran Nkemudian dipisahkan di kolom keduadengan produk atas merupakan senyawaE murni dan produk bawah merupakanazeotrop G. Azeotrop G kemudiandidiamkan di dalam decanter untukmemisahkan campuran K dan M.Campuran K dan M ini kemudiandikembalikan untuk dicampur dengan Fdan H secara berturut-turut.
Proses ini merupakan proses yang cukupbanyak diaplikasikan di pemisahansenyawa-senyawa alkohol dengan air.Topik lebih detail mengenai residue curve,miscibility gap, dan desain kolom distilasiuntuk ini akan dibahas di artikelberikutnya.
Gambar 2. Proses pemisahan dengan penambahan senyawa lain yang dapat
membentuk campuran azeotrop heterogen.
7
membran. Jika pemisahan dilakukan
semakin dekat ke titik azeotropnya, maka
reboiler akan semakin besar dan
keperluan energinya juga besar. Atau juga
kolomnya bisa bertambah tinggi. Akan
tetapi, unit membran yang diperlukan
akan berukuran kecil, berikut pompa
vakumnya. Demikian juga sebaliknya.
Menggunakan molecular sieve
Salah satu alternatif lain adalah dengan
menggunakan molecular sieve untuk
mengambil air dari campuran azeotrop
tersebut. Campuran umpan biasanya
dipisahkan sedekat mungkin ke titik
azeotrop. Hal ini dibatasi oleh kapasitas
molecular sieve dalam menampung air,
yaitu sekitar 20 - 25 wt% dari massa
molecular sieve tersebut. Skema sederhana
proses ini ditunjukkan di Gambar 4.
Kombinasi membrane pervaporation dan
molecular sieve
Jika campuran tidak dipisahkan sampai
Secara sederhana, di Gambar 3, suatu
campuran A dan B dipisahkan di kolom
distilasi sampai pada, atau mendekati, titik
azeotropnya (Az1). Produk bagian bawah
adalah senyawa yang lebih berat,
katakanlah senyawa B. Produk bagian atas
adalah campuran azeotropnya (atau yang
mendekati azeotrop). Produk bagian atas
ini kemudian dialirkan ke suatu membrane
yang sangat selektif terhadap A pada
kondisi operasi yang telah ditentukan
secara eksperimen. Jadi, permeate
membrane ini adalah produk A murni,
sedangkan retentate-nya adalah
campuran A dan B (dengan B adalah
komponen mayoritas).
Dengan menggunakan metode ini pun
kita bisa memisahkan A dan B. Seberapa
jauh pemisahan di kolom distilasi yang
sebaiknya dilakukan tergantung dari
perhitungan ekonomis antara keperluan
energi di reboiler dan pompa vakum
(untuk membrane pervaporation) dan
keperluan investasi kolom dan luas
Gambar 3. Proses distilasi dan membrane pervaporation.
8
titik H. Campuran ini kemudian dikirim ke
unit membrane pervaporation untuk
menghasilkan senyawa A berkonsentrasi
tinggi. Akan tetapi, untuk memproduksi A
dengan konsentrasi yang lebih tinggi lagi,
molecular sieve perlu digunakan untuk
mengambil sisa-sisa air yang tersisa.
mendekati titik azeotropnya, atau titik
azeotrop tersebut masih memiliki banyak
air, maka kebutuhan akan molecular sieveakan sangat besar. Di kasus ini, kombinasi
membrane pervaporation dan molecularsieve dapat dipertimbangkan. Seperti
terlihat di Gambar 5, campuran umpan
dipisahkan di kolom distilasi sampai pada
Gambar 4. Proses distilasi dengan tambahan kolom molecular sieve.
Gambar 5. Kombinasi membrane pervaporation dan molecular sieve.
9
Penutup
Berbagai pilihan konsep proses untuk memisahkan senyawa azeotrop telah dideskripsikan
di artikel ini. Informasi yang lebih detail dapat ditemukan di buku-buku teks atau artikel-
artikel mendatang di website Teknik Kimia Indonesia
(www.indonesianchemicalengineers.com).
Dengan adanya tulisan review ini, diharapkan pembaca setidaknya mengetahui
beberapa pilihan yang dapat dipertimbangkan. Setiap pilihan memiliki keuntungan dan
kerugian yang unik untuk setiap sistem pemisahan. Tidak akan ada satu solusi yang bisa
menangani semua permasalahan pemisahan. Desain proses pemisahan juga
memerlukan pengetahuan dan data termodinamika yang cukup akurat sehingga kita bisa
memilih proses seperti apa yang sebaiknya kita gunakan.
Zulfan Adi Putra bekerja sebagai konsultan desain proses, engineering dan
teknologi, dan pernah bekerja di beberapa perusahaan kimia seperti
AkzoNobel, SABIC, Momentive (Hexion), DSM, dan SC Johnson. Berbagai
tipe proyek yang pernah ditangani meliputi uji kelayakan, desain proses
konseptual, basic engineering, optimasi pabrik, debottlenecking, dan
process engineering support. Terkait dengan proses pemisahan, penulis
pernah terlibat dalam mendesain, mengevaluasi, dan mengoptimalkan
beberapa kolom distilasi serta mengevaluasi beberapa konsep proses pemisahan untuk
biomass to chemicals. Penulis memegang gelar PDEng dari Technische Universiteit
Eindhoven.
www.cscente.com
10
Topik Utama
Problem Pemisahan Emulsi
Minyak dan Air
lingkungan. Prinsip dari pemisahan dari
air dan minyak ini sendiri cukup sederhana
bagi insinyur proses. Biasanya insinyur
proses berpedoman pada hukum Stoke
yang menjelaskan settling velocity suatu
partikel ataupun API 12J untuk
menentukan waktu endap yang
dibutuhkan air untuk berpisah dengan
minyak berdasarkan specific gravityminyak. Namun prinsip-prinsip
pengendapan gravitasional tersebut tidak
akan berjalan semestinya ketika ditemukan
adanya fenomena emulsi.
Mengenal apa itu emulsi
Istilah emulsi sebenarnya banyak didengar
dan diteliti di berbagai industri baik itu
industri pangan, kosmetik, kertas, farmasi,
dan pertanian. Namun emulsi minyak
yang akan dibahas di artikel ini merupakan
emulsi yang merugikan bila tidak diatasi.
Bila terjadi emulsi air-dalam-minyak,
viskositas pada cairan akan meningkat,
sehingga akan banyak pressure drop yang
tidak diinginkan di sepanjang pipa. Efek
lebih parahnya bukan tidak mungkin
mengakibatkan process trip/upset pada
unit pengolahan minyak mentah.
Emulsi merupakan sistem koloid antara
dua jen i s ca i ran yang t idak b i sa
bercampur. Satu jenis cairan (disebut fase
kontinyu). Bila fase terdispersinya adalah
M. Ers Harry Yunashtanto
BP Indonesia
Peran pemisahan di industri migas
Pemisahan atau separasi merupakan
proses dasar dan fundamental di industri
migas berbagai lini dari hulu sampai hilir,
mulai dari fasilitas penerima (onshorereceiving facilities), fasilitas pengolahan gas
jual (sales gas treatment), kilang
pengolahan minyak mentah (crude oilrefinery), hingga kilang gas alam cair
(LNG). Pemisahan yang hampir pasti
dibutuhkan di berbagai fasilitas tersebut
adalah pemisahan cairan
hidrokarbon/minyak dan air. Hal ini
dikarenakan setiap sumur minyak atau gas
bumi pasti mengeluarkan tiga unsur
utama ketika diproduksikan, yaitu gas
hidrokarbon (disebut associated gas bila
berasal dari sumur dominan minyak),
cairan hidrokarbon/minyak (disebut
condensate bila berasal dari sumur
dominan gas), dan air (biasa disebut juga
produced water).
Pemisahan cairan-cairan antara air dan
minyak sangat penting untuk memenuhi
spesifikasi minyak yang akan dijual ke
pasaran ataupun untuk memenuhi
spesifikasi air sesuai regulasi sebelum
dibuang ke lingkungan. spesifikasi air
sesuai regulasi sebelum dibuang ke
11
tangensial karena adanya perbedaan
(gradient) tegangan permukaan.
Perbedaan ini akan melawan tarikan yang
mengembalikan ke bentuk tegangan
antarpermukaan yang seragam sehingga
permukaan akan bersifat elastis.
Fenomena ini disebut Gibbs-Marangoni.
Maka dari itu, insinyur proses harus
memiliki pemahaman akan komposisi
hidrokarbon dari sumur yang akan
diproduksi, sehingga dapat segera
mempersiapkan rencana untuk
menanggulangi apabila emulsi tidak dapat
dihindari.
Selain faktor komposisi dari sumur, efek
a g i t a s i a t a u p u n s h e a r i n g b i s a
mengakibatkan emulsi. Percaya atau tidak,
ternyata tanpa disadari hasil desain dari
insinyur proses dan insinyur mekanikal
yang sebenarnya “menghasilkan” efek
tersebut. Choke valve dan control valveadalah salah satu penyebab efek shearyang sangat besar karena adanya
perbedaan tekanan di valve tersebut.
Selain itu, bends/elbow pada pipa
ataupun masukan separator dapat
minyak, di dalam medium air, maka emulsi
tersebut adalah emulsi minyak-dalam-air,
begitupun sebaliknya. Terdapat juga jenis
emulsi ganda yang terjadi misalkan ketika
partikel minyak terdispersi di dalam partikel
air, yang kemudian terdispersi di fase
kontinyu minyak sehingga membentuk
emulsi minyak-dalam-air-dalam minyak.
Semakin kecil partikel yang terdispersi,
semakin susah untuk dipisahkan emulsi
tersebut.
Emulsi dapat terbentuk bila terdapat tiga
kondisi utama, yaitu adanya dua cairan
yang tidak dapat bercampur, adanya
surfaktan atau agen pengemulsi, serta
adanya efek agitasi ataupun shearingyang cukup kuat untuk mendispersi suatu
partikel cairan. Sifat surfaktan sebenarnya
banyak ditemukan di komposisi minyak
mentah itu sendiri, di mana sering dikenal
dengan singkatan SARA (Saturated,Aromatic, Resin, Asphaltene). Komponen
SARA ini akan teradsorpsi di permukaan
minyak dan air untuk mengurangi
tegangan antarpermukaan. Hal ini ,
membuat partikel mengalami tegangan
Gambar 1. Contoh emulsi minyak-dalam-air.
12
dan penggumpalan terjadi, di mana
partikel-partikel emulsi bisa teragregat,
sebelum akhirnya partikel menggumpal
untuk membentuk partikel yang lebih
besar. Dengan ukuran partikel yang jauh
lebih besar, pemisahan antar dua cairan
tersebut kemudian dapat terjadi secara
gravitasi seperti separasi pada umumnya.
Untuk dapat memicu flokulasi dan
penggumpalan, terdapat beberapa
alternatif teknologi yang banyak
diterapkan di industri, antara lain dengan
pengendapan; pemanasan; pre-filter dan
coalescer; electrocoalescence; maupun
injeksi kimia. Pemilihan teknologi ini harus
dilihat spesifik tiap kasusnya karena harus
memerhatikan berbagai aspek, seperti
biaya, kriteria performa yang diinginkan,
operabilitas, kompleksitas, ketersediaan
area, dan lain-lain.
Mengakibatkan efek agitasi. Maka dari itu
biasanya insinyur proses memiliki kriteria
tidak boleh ada elbow di sepanjang 5D
sampai 10D di masukan separator agar
tidak terjadi emulsifikasi sehingga
pemisahan di separator dapat berjalan
dengan efektif.
Padatan/pasir (total suspended solid) yang
terbawa oleh air terproduksi dari sumur
juga bisa menstabilkan emulsi karena
adanya padatan pada permukaan
memberikan gaya permukaan tolak yang
besar, seperti ditunjukkan Gambar 2. Gaya
tolak ini dapat menstabilkan emulsi secara
termodinamika.
Strategi memecah emulsi
Secara umum emulsi baru dapat
dihilangkan apabila pertama-tama flokulasi
Gambar 2. Stabilisasi emulsi oleh adanya partikel padatan halus.
Gambar 3. Strategi menghilangkan emulsi.
13
1. Pengendapan
Seperti yang dijelaskan sebelumnya bahwa emulsi tidak bisa dipisahkan dengan mudah
menggunakan hukum Stoke seperti pemisahan cairan-cairan pada umumnya. Untuk
emulsi yang kuat, waktu yang dibutuhkan agar emulsi pecah dan menggumpal
membentuk partikel besar, dibutuhkan waktu lebih dari satu hari untuk sampai benar-
benar terpisah antara fasa minyak dan air. Dalam praktiknya, untuk memenuhi kondisi ini,
dibutuhkan suatu tangki yang besar untuk memberikan waktu tinggal yang lama.
Metode ini tidak praktis untuk fasilitas yang tidak memiliki area yang luas seperti offshore
platform.
2. Pemanasan
Pemanasan dapat mempercepat pemisahan fasa dan memecahkan emulsi dengan cara
menurunkan viskositas sehingga dapat meningkatkan kecepatan penggumpalan dan
pengendapan sesuai persamaan hukum Stoke. Biasanya pemanasan dilakukan pada
rentang 60 - 80°C.
3. Pre-filter dan liquid-liquid coalescer
Metode ini cukup bisa diandalkan untuk menangani emulsi yang disertai dengan adanya
padatan (total suspended solid) yang tinggi. Sistem ini terdiri dari tiga tahapan yaitu pre-
filtrasi, penggumpalan, dan pengendapan. Tahapan pertama, pre-filtrasi, berguna untuk
mengurangi kandungan padatan (TSS) yang ada di campuran. Selain karena padatan
dapat memicu terjadinya emulsi, hilangnya padatan juga dapat memperpanjang umur
pakai dari elemen coalescer yang dipasang setelah tahap pre-filtrasi. Umumnya spesifikasi
prefilter yang dipakai sebesar 2 µm.
Gambar 4. Sistem pre-filter dan liquid-liquid coalescer.
14
Tahap kedua adalah tahap utama, yaitu penggumpalan melalui media elemen coalescer.Tahap ini merupakan tahap pemisahan mekanis berdasarkan kemampuan mediacoalescer untuk menghilangkan gaya tolak pada partikel terdispersi sehingga partikel-partikel tersebut dapat tergumpal membentuk partikel yang lebih besar, sehingganantinya dapat lebih mudah dipisahkan secara gravitasi. Pada skala komersil, elemen inimenggunakan media multi lapisan terdiri dari susunan yang kompleks. Bahannya terbuatdari bahan polymer yang tidak memiliki efek disarming, memiliki efisiensi yang konstansepanjang waktu, serta dapat memisahkan emulsi yang sangat stabil (dengan teganganantarpermukaan serendah-rendahnya hingga sekitar 0.5 dyne/cm). Di tahap selanjutnya,terdapat segmen yang tidak memiliki internal pada bejana, yang berfungsi untukmemisahkan cairan-cairan secara gravitasi. Sistem ini cukup direkomendasikan karenatidak terlalu membutuhkan area yang besar untuk instalasinya serta sederhana karenatidak membutuhkan utilitas tambahan.
4. Electrocoalescence
Teknologi ini dilandaskan dari efek gaya elektrostatis dan efek shearing. Ketika medan listrikditerapkan di emulsi air-dalam-minyak, suatu partikel mengalami berbagai gaya sepertidijelaskan di Gambar 5. Berbagai jenis teknik pengolahan elektrostatis ini tersedia untukindustri, di antaranya medan AC, DC, AC/DC, modulasi, dan pulsed. Pemilihan yang tepatdapat membantu desainer untuk mengoptimalisasi laju pengolahan, temperatur, dosisinjeksi kimia, dan tegangan yang dipasang.
5. Injeksi kimia de-emulsifier
Bahan kimia yang biasanya bisa digunakan adalah koagulan, yang dapat merusak sifatpengemulsi dari suatu campuran. Bahan kimia tersebut bekerja dengan menetralisir faktoryang menstabilkan emulsi, yaitu muatan elektrik yang terakumulasi di partikel teremulsisehingga nantinya dapat mengalami penggumpalan menjadi partikel yang lebih besar.Gambar 6 mengilustrasikan bagaimana muatan listrik yang terakumulasi pada partikelteremulsi dapat dinetralisir dengan menyertakan muatan yang berlawanan melalui de-emulsifier.
Gambar 5. Gaya-gaya yang terjadi pada electrocoalescence.
15
Injeksi juga bisa dilakukan dengan substansi pengatur pH, yang dapat membantu
mengubah sifat basah dari partikulat padatan agar lebih terbasahi. Dengan demikian
partikel minyak tidak akan mengikat dengan padatan lagi, sehingga dapat lebih mudah
dipisahkan dari air. Pengujian di lapangan sebaiknya harus dilakukan terlebih dahulu oleh
production chemist sebelum diterapkan di pabrik secara kontinyu agar insinyur proses
dapat menentukan titik-titik injeksi yang tepat untuk memberikan waktu tinggal yang
optimum untuk bahan kimia yang diinjeksikan, sekaligus memastikan tidak ada bahan
kimia lain di unit proses lainnya di pabrik yang tidak cocok dengan kimia de-emulsifier.
Referensi
1. Abdel-Raouf, M. –E. (2012). Crude Oil Emulsions-Composition Stability and
Characterization. [online] www.intechopen.com Available at:
http://www.intechopen.com/books/crude-oil-emulsions-composition-stability-and-
characterization/factors-affecting-the-stability-of-crude-oil-emulsions [Accessed 6 Feb.
2016].
2. Silset, A. (2008). Thesis: Emulsions (w/o and o/w) of Heavy Crude Oils.
Characterization, Stabilization, Destabilization, and Produced Water Quality.
(Trondheim, NTNU)
M. Ers Harry Yunashtanto mendapatkan gelar sarjananya dari Universitas
Indonesia pada tahun 2011. Saat ini, penulis bekerja sebagai processengineer di BP Indonesia. Disela-sela kesibukannya, penulis aktif
memberikan pelatihan Aspen Hysys di berbagai institusi akademik di
Indonesia. Penulis merupakan scholarship awardee dari LPDP dan akan
melanjutkan studi master di University of Manchester.
Gambar 6. Cara kerja de-emulsifier untuk memecah emulsi.
16
Topik Utama
Pengembangan Proses
Penangkapan Partikulat di Udara
ini. Sebagai bukti, partikel saat ini banyak
ditemukan pada berbagai macam bahan
konsumsi, seperti peralatan, elektronik,
obat-obatan dan kosmetik, makanan,
peralatan pembersih kotoran dan limbah,
bahkan peralatan militer [1]. Oleh karena
itu, diperlukan cara dan teknologi untuk
menangkap partikel yang ada di udara.
Dalam tulisan ini, akan dibahas beberapa
cara untuk menangkap partikel
berdasarkan pengalaman penulis yang
telah lebih dari 10 tahun meneliti tentang
nanopartikel [2].
Ada beberapa cara untuk menangkap
partikel yang terbang di udara,
diantaranya cyclone, filter, filter bag, dan
electric field precipitator. Adapun gambar
ilustrasi dapat dilihat pada Gambar 1 [2,
3].
Asep Bayu Dani Nandiyanto
Universitas Pendidikan Indonesia
Pengetahuan untuk proses penangkapan
partikel di udara menjadi meningkat
dalam beberapa tahun belakangan ini.
Partikel dengan ukuran yang unik dan
bentuk yang bervariasi memiliki korelasi
dengan bagaimana caranya menangkap
partikel. Tulisan ini akan membahas
mengenai cara-cara menangkap partikel
yang memiliki berbeda ukuran.
Proses pengambilan partikel yang ada di
udara, saat ini telah menjadi hal yang
sangat penting dikarenakan jumlah
partikel di udara sangatlah banyak. Hal ini
juga berhubungan dengan penggunaan
partikel yang tidak terbatas jumlahnya saat
Gambar 1. Ilustrasi alat penangkap partikulat (gambar diadopsi dari referensi [2]).
17
Alat lain yang bisa digunakan karena
kemampuannya untuk menangkap
partikel hingga ukuran pada area
nanometer adalah electrostatic-relatedparticle collector. Karena alat ini
menggunakan prinsip gaya elektrostatik,
partikel dengan ukuran beberapa
nanometer dapat ditangkap dengan
efisien. Tentu saja, karena gaya
elektrostatik ini, yield/perolehan yang
didapat bisa mencapai hingga 90% [9].
Selanjutnya, penelitian lebih lanjut
menunjukkan bahwa alat ini bisa ditingkat
efisiensinya, yaitu dengan penambahan
kontak dengan fluida. Modifikasi alat ini
dinamakan wet electrostatic fieldprecipitator [10].
Adapun informasi mengenai beberapa
jenis particle collectors beserta keterangan
tentang ukuran partikel, tipe, dan yield,
dapat dilihat pada Tabel 1. Namun,
informasi lebih jelas daripada jenis partikel
kolektor lain dapat dilihat di referensi lain
seperti Svarovsky [11] and Perry and
Green [12].
Untuk partikel berukuran besar, dimana
ukurannya lebih dari ratusan micrometer,
gravity settling dapat digunakan [4].
Namun, apabila partikel tersebut diprediksi
memiliki ukuran kurang dari puluhan
mikrometer, sistem peralatan gravitysettling tidak dapat digunakan.
Pada umumnya, untuk ukuran kecil, filterbiasanya digunakan. Tergantung ukuran
dari partikel yang akan dipisahkan, filtermemiliki keuntungan karena ukuran dan
tipe pori bisa diatur [5]. Tetapi, filtermemiliki banyak permasalahan,
diantaranya adalah masalah pressuredrop.
Untuk melawan pengaruh pressure drop,
penggunaan alat cyclone sangat
dianjurkan [6]. Sistem kerja alat ini juga
diketahui karena low cost dan sistem
desain yang sederhana [7]. Walaupun
begitu, metode ini memiliki kelemahan,
yaitu hanya bisa menangkap partikel yang
berukuran micrometer [8]. Tentu saja,
apabila partikel berada pada submicronatau lebih lagi dalam area nanometer, alat
ini tidak efisien.
Tabel 1. Beberapa tipe particle collector (table diadopsi dari referensi [2, 10]).
Tipe kolektorUkuran
partikulat (µm)Efisiensi (%)
Biaya
Alat/kapital Operasi
Gravity settling > 100 40 – 50 Rendah Rendah
Filter < 2 90 – 99 Sedang - tinggi Sedang - tinggi
Cyclone > 1 85 – 95 Sedang Sedang
Electrostatic
precipitator (ESP)
< 10 90 – 99 Tinggi Rendah - sedang
Wet electrostatic
precipitator (WESP)
<10 68 – 93 Tinggi Rendah - sedang
18
11. L. Svarovsky, Solid - gas separation, in
Principles of Powder Technology, M.J.
Rhodes, Editor. 1990, John Wiley &
Sons, Ltd: Chichester. p. 171 - 192.
12. R. H. Perry, D. W. Green, and J. O.
Maloney, Perry's chemical engineers'
handbook. 1997: McGraw-Hill New
York.
A s e p B a y u D a n i
N a n d i y a n t o a d a l a h
seorang asisten profesor di
Depar temen K imia di
Universi tas Pendidikan
I n d o n e s i a ( U P I ) .
Ketertarikannya di bidang
riset tentang teknologi partikel dan
nanomaterial telah membawanya
mengunjungi berbagai pusat riset tentang
nanoteknologi di berbagai belahan dunia
dan beberapa penghargaan internasional
seperti SCEJ Award (Society of Chemical
Engineers Japan) for Outstanding Young
Researcher pada tahun 2014 dan juga
George Klinzing Award dari American
Institute of Chemical Engineers (AIChE).
Asep mendapatkan gelar Sarjana Teknik
dari Departemen Teknik Kimia Institut
Teknologi Bandung, dan gelar master dan
doktoral dari Hiroshima University.
Walaupun informasi mengenai
bagaimana cara untuk menangkap
partikel tidak banyak dibahas pada tulisan
ini, penulis berharap bahwa tulisan ini bisa
memotivasi dan memberikan gambaran
singkat mengenai bagaimana caranya
menangkap partikel yang ada di udara.
Referensi
1. T. Ogi, A. B. D. Nandiyanto, and K.
Okuyama, Adv. Powder Technol. 25,
3 (2014).
2. A. B. D. Nandiyanto and K. Okuyama,
Adv. Powder Technol. 22, 1 (2011).
3. R. Patel, M. Patel, and A. Suthar, Indian
J. Sci. Technol. 2, 44 (2009).
4. J. W. Thomas, J. Air Pollut. Assoc. 8,
32 (1958).
5. R. G. Stafford and H. J. Ettinger,
Atmos. Environ. 6, 353 (1972).
6. J. Dirgo and D. Leith, Aerosol Sci.
Technol. 4, 401 (1985).
7. J. Kim and K. Lee, Aerosol Sci. Technol.
12, 1003 (1990).
8. T. Chan and M. Lippmann, Environ.
Sci. Technol. 11, 377 (1977).
9. W. S. Cheow, S. Li, and K. Hadinoto,
Chem. Eng. Res. Des. 88, 673 (2010).
10. T.-M. Chen, C.-J. Tsai, S.-Y. Yan, and S.-
N. Li, Separation and Purification
Technology 136 (2014).
19
Studi Kasus
Desain Dasar Kolom Zeotrop dan
Azeotrop pada Equilibrium Stages (bagian 1)
Pendahuluan
Distilasi adalah proses pemisahan
komponen dari suatu campuran likuid
dengan menggunakan prinsip evaporasi
dan kondensasi. Didalam kehidupan
sehari-hari, prinsip dasar pemisahan ini
bisa dilihat di kegiatan memasak air. Energi
(panas) di berikan untuk memanaskan air
dan sebagian dari air berubah fase
menjadi uap. Selama proses pemisahan,
sebagian energi hilang dikarenakan ikut
menjadi uap yang dibiarkan lepas dan
bercampur dengan lingkungan. Di
kegiatan sehari-hari, panas yang hilang ini
dianggap sebagai sesuatu yang tidak
penting, tetapi, jika dalam skala besar atau
dalam industri, tentunya ceritanya akan
berbeda.
Untuk meminimalkan panas yang hilang
karena lepas nya uap dan untuk membuat
proses pemisahan menjadi lebih efisien,
panas yang di lepas yang terdapat di uap,
di kontak kan kembali dengan likuid dan
ini menjadi dasar disti lasi kontinyu
(continuous distillation). Namun, untuk
merancang dist i las i kontinyu yang
melibatkan sejumlah tray atau staged imana uap dan l i ku id ber temu ,
dibutuhkan analisa secara keseluruhan
dan menimbukan pertanyaan, bagaimana
kita membuat model dari stage atau traytersebut? [3]. Salah satu modeling yang
Yus Donald Chaniago
Process Systems Design and Control Lab.
Yeungnam University
Proses kimia menurut sudut pandang
secara ilmiah adalah suatu metode yang
mengubah satu atau lebih bahan kimia
atau senyawa kimia. Proses kimia dapat
terjadi secara spontan atau disebabkan
pengaruh dari luar dan melibatkan reaksi
kimia. Dari sudut pandang engineering,
proses kimia adalah metode yang
ditujukan untuk membuat atau
menghasilkan suatu produk dalam skala
industri. Di dalam proses kimia dengan
skala industri atau bisa disebut sebagai
plant, terdapat berbagai unit operasi
seperti reaktor, unit pemurnian atau
separasi dan unit utilitas. Distilasi adalah
salah satu unit operasi industri kimia yang
menggunakan energi secara intensif
untuk proses pemurnian dan salah satu
unit operasi yang fundamental. Untuk
pabrik kimia tertentu, distilasi
menggunakan sekitar 40% dari total
konsumsi energi [1]. Hal ini menunjukkan
distilasi adalah proses yang banyak
menggunakan energi. Hal ini memicu
peneliti dan juga profesional untuk
meningkatkan efisiensi distilasi yang
membuat teknologi distilasi menjadi yang
paling berkembang diantara teknologi
pemisahan lainnya [2].
20
Dimana 𝑦𝑖 adalah fraksi mol komponen ipada fase uap, 𝜙𝑉 adalah koefisien
fugacity fase uap dan P adalah tekanan
sistem. Untuk koefisien fugasitas fase likuid
(𝜙𝐿 ) dapat juga di definisikan sebagai
berikut:
𝑓𝑖𝐿 = 𝑥𝑖𝜙𝑖
𝐿𝑃
Koefisien aktivitas untuk fase likuid γ𝑖 dapat
didefinisikan juga sebagai berikut:
𝑓𝑖𝐿 = 𝑥𝑖𝛾𝑖𝑓𝑖
𝑜
Dimana, 𝑥𝑖 adalah fraksi mol komponen ipada fase likuid, dan 𝑓𝑖
𝑜 adalah fugasitas
komponen i pada keadaan standar. Untuk
keadaan tekanan yang sedang, 𝑓𝑖𝑜 dapat
di perkirakan dengan tekanan uap jenuh,
𝑃𝑖𝑆𝐴𝑇 , sehingga fugasitas fase likuid dapat
dinyatakan oleh persamaan berikut:
𝑓𝑖𝐿 = 𝑥𝑖𝛾𝑖𝑃𝑖
𝑆𝐴𝑇
Sehingga, pada kedaan setimbang atau
equilibrium, VLE dapat dinyatakan sebagai
berikut:
𝑦𝑖𝜙𝑖𝑉𝑃 = 𝑥𝑖𝛾𝑖𝑃𝑖
𝑆𝐴𝑇
Atau dapat juga di nyatakan dengan nilai
K :
𝐾𝑖 =𝑦𝑖𝑥𝑖=𝛾𝑖𝑃𝑖𝑆𝐴𝑇
𝜙𝑖𝑉𝑃
dapat digunakan yaitu menggunakankonsep equilibrium stage atauhypothetical zone dimana terjadikesetimbangan di antara dua fase yangterdiri dari fase uap dan likuid dari suatusubstansi. Pesamaan yang menggunakanmodel kesetimbangan, dikenal sebagaiMESH. M berarti material balance, E berartiequilibrium relationships, S berartisummation equation dan H berarti heatatau enthalpy balances.
Kesetimbangan vapor-liquid dantermodinamika distilasi
Untuk menyelesaikan persamaan MESH,dengan tambahan properti kalori,dibutuhkan pengetahuan yang akuratmengenai pola vapor-liquid equilibrium(VLE) [4]. Suatu kondisi di sistem uap likuiddimana suatu likuid dan uap nya (ataufase gas) berada dalam kesetimbangansatu dengan yang lain di sebut VLE. Padakondisi ini, laju penguapan (likuid berubahmenjadi uap) akan sebanding dengan lajukondensasi (perubahan uap menjadilikuid). Konsep berbeda yang melibatkanlaju perpindahan massa di sebut non-equilbrium atau perhitungan denganbasis rate (laju). Untuk VLE, fugasitas suatukomponen pada fase uap (𝑓𝑖
𝑉) sebandingdengan fugasitas suatu komponen padafase likuid (𝑓𝑖
𝐿).
𝑓𝑖𝑉 = 𝑓𝑖
𝐿
Kemudian, kesetimbangan di capai ketikakecendrungan perubahan dari fase uapdan likuid untuk komponen i adalah sama.Koefisien fugasitas fase uap (𝜙𝑉 ) dapatdidefinisikan sebagai:
𝑓𝑖𝑉 = 𝑦𝑖𝜙𝑖
𝑉𝑃
21
menyebabkan campuran menjadi
azeotrop.
𝐾𝑖 =𝑦𝑖𝑥𝑖=𝛾𝑖𝑃𝑖𝑆𝐴𝑇
𝜙𝑖𝑉𝑃
Sehingga, pemilihan termodinamika untuk
suatu fluida sangat penting untuk
mendesain distilasi. Nilai γ dapat di
tentukan oleh metode NRTL atau metode
yang melakukan perhitungan aktivitas
likuid dan nilai 𝜙𝑉 dapat di tentukan oleh
metode equation of state (EOS), sebagai
contoh Peng-Robinson. Pemilihan paket
termodinamika ini harus dilakukan secara
teliti bedasarkan kondisi dan perilaku
campuran fluida. Kesalahan dalam
memilih paket termodinamika ini akan
menyebab kan kesalahan prediksi perilaku
fluida dan lebih lanjut kesalahan dalam
mendesain kolom distilasi [6].
Jika fase gas berperilaku ideal, maka 𝜙𝑖𝑉=1.
Koefisien aktivitas pada fase likuid
menentukan deviasi likuid. Jika γ𝑖=1, maka
likuid berperilaku ideal sehingga
kesetimbangan uap dan likuid sepadan
dengan hukum Raoult.
𝐾𝑖 =𝑦𝑖𝑥𝑖=𝑃𝑖𝑆𝐴𝑇
𝑃
Nilai γ𝑖<1 menyatakan deviasi negatif dari
h u k u m R a o u l t , s e d a n g k a n γ𝑖 > 1
menyatakan deviasi positif dari hukum
Raoult [5]. Sehingga secara umum,
pengaruh deviasi koefisien aktivitas fase
likuid dapat digambarkan pada Gambar 1.
Semakin γ mendekati nilai 1, maka dapat
disebut sebagai zeotrop, sedangkan
semakin jauh deviasi dari nilai ideal dapat
Gambar 1. Perilaku komponen berdasarkan aktivitas likuidnya.
22
pendesainan kolom distilasi secara detail
belakangan ini.
Namun, pada saat ini, dengan
berkembangnya metode perhitungan
secara detail, pengimplementasian
prosedur grafik Mccabe-Thiele tidak
membutuhkan perkiraan CMO dan
diagram dapat dibuat dari suatu
perhitungan detail (rigorous) distilasi [8].
Metode McCabe-Thiele dapat
memprediksi mol fraksi suatu komponen
dengan hasil yang serupa dengan
pehitungan secara rigorous. Sebagai
contoh pemisahan campuran dua
komponen, aseton dan etanol dengan
menggunakan paket termodinamika
NRTL. Hasil prediksi metode McCabe-Thiele
memiliki kesamaan dengan hasil
perhitungan, dapat dilihat pada Gambar
2. Walaupun demikian, metode klasik
McCabe-Thiele hanya valid untuk dua
komponen.
Kondisi zeotrop
1. Metode McCabe-Thiele
Lebih dari 90 tahun yang lalu, McCabe
dan Thiele telah mengembangkan suatu
tekn ik so lus i yang kreat i f dengan
menggunakan grafik berdasarkan asumsi
Lewis constant molar overflow (CMO)
untuk desain distilasi yang rasional [7].
Metode ini hanya benar untuk dua
komponen yang memiliki persamaan dan
mol konstant panas laten penguapan.
Perubahan entalpi sensibel , panas
pencampuran, panas hilang dan juga
penurunan tekanan diabaikan. Dengan
banyaknya asumsi, metode klasik ini
memiliki keterbatasan dalam mendesain
kolom distilasi walaupun untuk dua
komponen. Walaupun begitu, metode ini
tetap dijadikan acuan dalam pembelajaran
untuk mendesain kolom distilasi yang
sangat sederhana. Metode yang di
sederhakan, seperti McCabe-Thiele, sudah
s an g a t j a r a n g d i g u n a k a n d a l am
Gambar 2. Komposisi profil likuid yang didapat menggunakan teknik McCabe-Thiele dan
perhitungan rigorous tampak serupa.
23
N𝑚𝑖𝑛 adalah jumlah minimum pada
theoretical stage, αAB adalah relativevolatility antara A dan B. Untuk sistem
multi komponen, jika satu atau lebih
komponen terdapat di hanya salah satu
produk, maka terjadi pemisahan di titik
pinch di masing-masing bagian strippingdan rectifying. Untuk masalah ini,
Underwood mengembangkan analisa
alternatif untuk menemukan rasio refluxminimum [9]. Persamaan Underwood
mengasumsi relative volatility dan molarflow adalah konstan diantara zona
komposisi konstan. Persamaan
Underwood terdiri dari dua persamaan,
yang pertama untuk menemukan akar
dari persamaan (θ).
𝑖=1
𝑁𝐶𝛼𝑖𝑗𝑥𝑖,𝐹𝛼𝑖𝑗 − 𝜃
= 1 − 𝑞
Nilai 𝛼𝑖𝑗 adalah relative volatility, 𝑥𝑖,𝐹adalah fraksi mol komponen i pada
umpan, θ adalah akar persamaan, qadalah kondisi feed (umpan), jika likuid
jenuh q =1, jika uap jenuh q =0 dan NCadalah jumlah komponen. Setelah akar
persamaan ditemukan, dilanjutkan ke
persamaan selanjutnya untuk
menemukan reflux minimum 𝑅𝑚𝑖𝑛.
𝑅𝑚𝑖𝑛 + 1 =
𝑖=1
𝑁𝐶𝛼𝑖𝑗𝑥𝑖,𝐷𝛼𝑖𝑗 − 𝜃
Persamaan Fenske dan Underwood
mengasumsi relative volatility adalah
konstan. Relative volatility dapat dikalkulasi
d a r i k o m p o s i s i u m p a n , t e t a p i
2. Metode Fenske-Underwood-Gilliland
(multi komponen)
Di Industri, pada umumnya proses distilasi
melibatkan dengan atau lebih dari dua
komponen. Pemisahan multi komponen
tetap menggunakan tipe distilasi yang
sama, reboiler, condenser, heat exchangerdan lainnya. Namun ada beberapa
perbedaan yang fundamental pada sistem
multi komponen, yaitu degree of freedomyang sama tidak dicapai karena adanya
kehadiran komponen lainnya. Komponen-
komponen yang memiki kemurnian
fraksionasi tertentu di distilasi dan produk
berat disebut sebagai komponen kunci
(key components). Komponen yang
memiliki volatility yang tinggi disebut lightkey (LK), sebaliknya, komponen dengan
volatility rendah disebut heavy key (HK).
Beberapa metode short-cut digunakan
untuk pehitungan sistem multi komponen.
Secara umum meliputi estimasi jumlah trayminimum, estimasi laju minimum refluxdan jumlah stage untuk reflux terbatas
untuk fractionator sederhana.
Fenske (1932) adalah yang pertama kali
mendapatkan persamaan untuk
menghitung jumlah tray minimum pada
distilasi multi komponen pada reflux total.
Penuruan persamaan berdasarkan asumsi
bahwa stage adalah equilibrium dan
perbandingan (relative) volatility adalah
konstan. Persamaan Fenske adalah
sebagai berikut:
24
3. Perbandingan desain kolom distilasi
dengan perhitungan manual vs.
simulasi short-cut vs. simulasi rigorous
Walaupun metode perhitungan komputer
secara detail telah tersedia untuk
menyelesaikan masalah pemisahan multi-
komponen, metode approximate (short-cut) tetap di gunakan pada permasalahan
praktis. Software perhitungan komersial
seperti Aspen Hysys, Aspen Plus, PRO/II,
dan lain-lain menawarkan perhitungan
secara short-cut dan rigorous (detail)
dengan akurasi yang tinggi dan waktu
yang singkat, namun perhitungan secara
manual di butuhkan untu proses
pembelajaran.
Sebagai contoh, desain kolom distilasi
untuk pemurnian n-butana dan i-pentana
[5]. Suatu kolom distilasi beroperasi pada
tekanan 14 bar dengan kondisi umpan
likuid jenuh 1000 kmol/hr dengan
komposisi pada table dibawah yang akan
dipisahkan ke produk atas 99% n-butana
produk/umpan dan 95% i-pentana di
produk bawah. Relative volatility juga
terdapat di Tabel 1.
kemungkinan tidak mewakili di
keseluruhan kolom. Jika VLE berperilaku
ideal, maka:
𝛼𝑖𝑗 = 𝑃𝑖𝑆𝐴𝑇
𝑃𝑗𝑆𝐴𝑇
𝑃𝑆𝐴𝑇 , adalah tekanan uap pelarut murni
yang dapat di hitung dari persamaan
Antoine:
ln𝑃𝑆𝐴𝑇 = 𝐴 −𝐵
𝐶 + 𝑇
Metode terakhir untuk metode
approximate atau short-cut adalah korelasi
Gilliland yang dapat memperkirakan
jumlah stage pada kondisi reflux terbatas
dengan perkiraan nilai dari reflux terbatas
itu. Adapun korelasinya adalah:
𝑌 =𝑁 −𝑁𝑚𝑖𝑛𝑁 + 1
, 𝑋 =𝑅 − 𝑅𝑚𝑖𝑛𝑅 + 1
Dimana X, Y adalah parameter korelasi, Nadalah jumlah aktual dari theoreticalstages, 𝑁𝑚𝑖𝑛 adalah jumlah minimum
theoretical stages, R adalah rasio refluxaktual dan 𝑅𝑚𝑖𝑛 adalah rasio refluxminimum. Dengan beberapa percobaan,
korelasi secara aljabarnya adalah:
𝑌= 0,2788 − 1,3154𝑋 + 0,4114𝑋0,2910
+ 0,8268ln𝑋 + 0,9020𝑙𝑛 𝑋 +1
𝑋
Tabel 1. Relative volatility beberapa
komponen.
Komponen 𝑓𝑖 (kmol/h) 𝛼𝑖𝑗
propana 30,30 16,50
i-butana 90,70 10,50
n-butana (LK) 151,20 9,04
i-pentana (HK) 120,90 5,74
n-pentana 211,70 5,10
n-heksana 119,30 2,92
n-heptana 156,30 1,70
n-oktana 119,60 1,00
25
a. Hitung jumlah stage minimum dengan menggunakan persamaan Fenske.
b. Estimasi komposisi produk atas dan bawah dengan menggunakan persamaan Fenske.
c. Kalkulasi rasio reflux minimum menggunakan persamaan Underwood.
Dengan menggunakan data diatas, permasalahan dapat di selesaikan:
a. 𝑟𝐿,𝐷 = 0.,99 , 𝑟𝐻,𝐵 = 0,95 , 𝛼𝐿𝐻= 1,5749
𝑁𝑚𝑖𝑛 =log
0,991 − 0,99
.0,951 − 0,95
log 1.5749
𝑁𝑚𝑖𝑛 = 16.6
b. Dengan menggunakan komponen heavy key sebagai referensi:
𝑑𝐻𝑏𝐻=1 − 𝑟𝐻,𝐵𝑟𝐻,𝐵
=1 − 0,95
0,95= 0,05263
𝑑𝑖 =
𝛼𝑖𝑗𝑁𝑚𝑖𝑛𝑓𝑖
𝑑𝑗𝑏𝑗
1 + 𝛼𝑖𝑗𝑁𝑚𝑖𝑛 𝑑𝑗𝑏𝑗
untuk propana:
𝑑𝑖 =2,87516,6 𝑥 30,3 𝑥 0,05263
1 + 2,87516,6 𝑥 0,05263
𝑑𝑖 = 30,30 𝑘𝑚𝑜𝑙. ℎ𝑟−1
𝑏𝑖 = 𝑓𝑖 − 𝑑𝑖
𝑏𝑖 = 30,30 − 30,30
𝑏𝑖 = 0 𝑘𝑚𝑜𝑙. ℎ−1
26
c. Reflux minimum:
Umpan = likuid jenuh; q =1
𝑖=1
𝑁𝐶𝛼𝑖𝑗𝑥𝑖,𝐹𝛼𝑖𝑗 − 𝜃
= 0
Tabel 2. Distribusi komponen.
Komponen 𝑑𝑖 𝑏𝑖 𝑥𝑖,𝐷 𝑥𝑖,𝐵
propana 30,30 0 0.1089 0
i-butana 90,62 0,08 0,3257 0,0001
n-butana (LK) 149,69 1,51 0,5380 0,0021
i-pentana (HK) 6,05 114,86 0,0217 0,1591
n-pentana 1,55 210,15 0,0056 0,2911
n-heksana 0 119,30 0 0,1653
n-heptana 0 156,30 0 0,2165
n-oktana 0 119,60 0 0,1657
Total 278,21 721,80 0,9999 0,9999
𝑥𝐹,𝑖 𝛼𝑖𝑗 𝛼𝑖𝑗𝑥𝑖,𝐹
𝛼𝑖𝑗𝑥𝑖,𝐹
𝛼𝑖𝑗 − 𝜃
𝜃 =7,0 𝜃 =7,3 𝜃 =7,2 𝜃 =7,2487
0,0303 16,5 0,5000 0,0526 0,0543 0,0538 0,0540
0,0907 10,5 0,9524 0,2721 0,2796 0,2886 0,2929
0,1512 9,04 1,3668 0,6700 0,7855 0,7429 0,7630
0,1209 5,74 0,6940 -0,5508 -0,4449 -0,4753 -0,4600
0,2117 5,10 1,0797 -0,5682 -0,4908 -0,5141 -0,5025
0,1193 2,92 0,3484 -0,0854 -0,0795 -0,0814 -0,0805
0,1563 1,70 0,2657 -0,0501 -0,0474 -0,0483 -0,0479
0,1196 1,00 0,1196 -0,0199 -0,0190 -0,0193 -0,0191
-0,2797 0,0559 -0,0532 0,0000
27
Solusi untuk persamaan kedua Underwood
𝑅𝑚𝑖𝑛 + 1 =
𝑖=1
𝑁𝐶𝛼𝑖𝑗𝑥𝑖,𝐷𝛼𝑖𝑗 − 𝜃
𝑅𝑚𝑖𝑛 + 1 = 3,866
𝑅𝑚𝑖𝑛 = 2,866
Untuk mengetahui jumlah tray pada refluk tertentu. Korelasi Gilliland dapat digunakan.
Dengan menggunakan 𝑅𝑚𝑖𝑛 dari hasil sebelum nya. Misalnya 𝑅 𝑅𝑚𝑖𝑛= 1,1
𝑅 2,866 = 1,1
𝑅 = 3,153
𝑋 =𝑅 − 𝑅𝑚𝑖𝑛𝑅 + 1
𝑋 =3,153 − 2,866
3,153 + 1
𝑋 = 0,0691
𝑥𝐷,𝑖 𝛼𝑖𝑗 𝛼𝑖𝑗 𝑥𝑖,𝐷𝛼𝑖𝑗𝑥𝑖,𝐷𝛼𝑖𝑗 − 𝜃
0,1089 16,5 1,7970 0,1942
0,3257 10,5 3,4202 1,0520
0,5380 9,04 4,8639 2,7153
0,0217 5,74 0,1247 -0,0827
0,0056 5,10 0,0285 -0,0133
0 2,92 0 0
0 1,70 0 0
0 1,00 0 0
3,8655
28
Dengan menggunakan rumus Y sebelum nya, subsitusi nilai X:
𝑌 = 0,2788 − 1,3154𝑋 + 0,4114𝑋0,2910 + 0,8268ln𝑋 + 0,9020𝑙𝑛 𝑋 +1
𝑋
𝑌= 0,2788 − 1,3154 𝑥 0,0691 + 0,4114 𝑥 0,06910,2910 + 0,8268 ln 0,0691
+ 0,9020𝑙𝑛 0,0691 +1
0,0691
𝑌 = 0,5822
Substitusi nilai Y ke persamaan:
𝑌 =𝑁 − 𝑁𝑚𝑖𝑛𝑁 + 1
0,5822 =𝑁 − 16,6
𝑁 + 1
𝑁 = 41,1
Jadi, jumlah tray aktual teoritis adalah 42.
Berikut, perbandingan hasil perhitungan manual dan dengan menggunakan program
simulasi Aspen Hysys (short-cut dan rigorous).
i. Komponen distilat - Fraksi mol
Komponen Perhitungan manual Short-cut Rigorous
propana 0,1089 0,1088 0,1086
i-butana 0,3257 0,3254 0,3250
n-butana 0,5380 0,5375 0,5365
i-pentana 0,0217 0,0217 0,0220
n-pentana 0,0056 0,0065 0,0079
n-heksana 0 0 0
n-heptana 0 0 0
n-oktana 0 0 0
29
ii. Komponen produk bawah - Fraksi mol
iii. Perbandingan perhitungan FUG secara manual dan program simulasi
Metode approximate (FUG) digunakan sebagai desain cepat untuk kolom distilasi
sederhana pada campuran zeotrop. Untuk lebih lanjut, diluar topik tulisan ini, desain
distilasi sekarang ini sudah meliputi distilasi yang lebih maju, seperti proses intensifikasi dari
distilasi dengan menggunakan teknik thermally couple atau dividing wall column (DWC)
yang dapat mengurangi konsumsi energi dan biaya kapital [10]. Metode FUG masih
dapat dijadikan acuan untuk desain awal DWC sebelum dilanjutkan dengan desain
secara rigorous.
(bersambung).
Referensi
1. Humphrey, J.L., Keller, II, G. E., Separation Process Technology, McGraw-Hill, New
York, 1997.
2. Olujic, Z., Jödecke, M., Shilkin, A., Schuch, G., Kaibel, B.,Chem. Eng. Process. 48 (2009)
1089.
3. Taylor, R., Krishna, R., Kooijman, H., Real-World Modelling of Distillation. Reaction and
Separations.
Komponen Perhitungan manual Short-cut Rigorous
propana 0 0 0
i-butana 0,0001 0,0001 0
n-butana 0,0021 0,0021 0,0021
i-pentana 0,1591 0,1592 0,1592
n-pentana 0,2911 0,2909 0,2906
n-heksana 0,1653 0,1653 0,1655
n-heptana 0,2165 0,2166 0,2168
n-oktana 0,1657 0,1658 0,1659
Perhitungan manual Short-cut
Jumlah stage minimum 17 16
Reflux minimum 2.866 2.716
Jumlah stage teoritis 42 40
30
4. Gmehling, J., Kleiber, M., Vapor-Liquid Equilibrium and Physcal Properties for
Distillation, Distillation Fundamentals and Prinsciples.
5. Smith, R., Chemical Process Design and Integration
6. Carlson, E. C., Don’t Gamble with Physical Properties For Simulations.
7. McCabe, W.L., and Thiele, E. W., Graphical Design of Fractionating Column, Ind. Eng.
Chem., 17, pp. 605-611 (1925).
8. Marthias, P.M., Visualizing the McCabe-Thiele Diagram. Reaction and Separations.
9. Wankat, P. C., Equilibrium Staged Separations: Separations for Chemical Engineers,
Elsevier (1988).
10. Chaniago, Y.D., Potensi Kolom Distilasi Berpartisi untuk Penghematan Energi di Proses
Industri Kimia. Energi Nusantara, April 2015, 64-69.
Yus Donald Chaniago adalah kandidat Ph.D bidang Teknik Kimia di
Yeungnam University, Korea Selatan. Saat ini, Yus juga menjabat CTO dari
Cognoscente (www.cscente.com). Yus menerima gelar sarjana dan
magisternya dari Universitas Sriwijaya. Bidang penelitian yang digelutinya
saat ini adalah perancangan desain dan optimasi kolom distilasi
31