Distilasi

3. Multistage Counter Current Distillation
Continuous Rectification
Continuous Fractionation
- Menggunakan kolom destilasi yang terdiri atas beberapa stage, pada
setiap stage terjadi kesetimbangan cair-gas.
- Kolom dibagi menjadi 2 yang dipisahkan oleh feed (umpan).
- Bagian atas disebut adsorption, enriching atau rectifying section, di
bagian ini terjadi pencucian gas dengan cairan untuk mengabsorb
komponen yang kurang volatile.
- Bagian bawah disebut stripping atau exhausting section, terjadi
stripping terhadap cairan dengan uap untuk memisahkan komponen
yang lebih volatile.
- Karena tidak ada tambahan umpan selain umpan sentral, maka
diperlukan reboiler dibagian bawah kolom untuk memproduksi uap,
dan kondensor untuk mengembunkan uap diatas kolom.
- Cairan yang dikembangkan ke kolom disebut refluk dan distilat yang
diambil sebagai produk. Produk bawah disebut residu atau bottom.

4. Notasi
Nomer Tray dimulai dari atas
Ln: laju alir cair dari tray n
Gn+1: laju alir gas dari tray n+1
R: besarnya rasio refluk =Lo/D
(external)
Enthalpy balance Total
Bag.I
G1 = D+Lo =D+RD=D(R+1)
untuk komponen A
G1y1 =DzD +LoXo
G1HG1 =Qc+LoHLo +DHD
Sehingga beban kondensor=
Qc= D[(R+1)HG1 –RHL0-HD]
Dan beban reboiler=
QB =DHD +WHW + Qc +QL -FHF
Gambar 8 Segmen pada kolom distilasi

5. Metode PONCHON and SAVARIT
Asumsi : tidak terjadi kehilangan kalor
Lebih teliti, bisa untuk setiap kondisi tetapi memerlukan H-xy dan
xy diagram
Bagian enriching (material dan heat balance bagian III) dengan
total kondensor
Gn+1 = Ln + D; untuk komponen A : Gn+1 yn+1 = Ln xn + DzD (*)
atau Gn+1 yn+1 - Ln xn = DzD = konstan
menunjukkan perbedaan aliran komponen A keatas dan kebawah
Entalpi balance : Gn+1 HG,n+1 = Ln HLn + Qc + DHD
Q’ = (Qc + DHD)/D = Qc/D + HD
Gn+1 HG,n+1 - Ln HLn = DQ’, menunjukkan aliran kalor keatas : konst.
Dari (*) Ln / Gn+1 = internal reflux ratio = (ZD - yn+1)/(ZD - Xn)
= (Q’ - HG,n+1)/(Q’ - HLn)
merupakan garis lurus yang memotong Gn+1, Ln dan DD
dan merupakan slope garis operasi (linier) bagian enriching
DD = (Q’,ZD) (perbedaan aliran heat dan masa top-botom)
Reflux ratio = R = Lo/D = (Q1 - HG1)/(HG1 - HLo = garis DD G1/garis
G1D

6. Bila digunakan Kondensor parsial : terjadi kesetimbangan cair-uap di
kondensor sehingga kondensor dihitung sebagai 1 stage.
D diambil berfasa uap dan reflux (Lo) adalah cairan yang setimbang
dengan D.
Bagian Stripping
Material dan heat balance (Bagian IV)
Lm = Gm+1 + W; untuk komponen A : Lm xm = Gm+1 ym+1 + WxW (*)
Perbedaan laju komponen A dari bawah-keatas
Entalpi balance : Lm HLm + QB = Gm+1 + WHW
Q’’ = kalor yang dibutuhkan reboiler/mol residu = (WHW - QB)/W = HW - QB/W
Dari (*) didapat Lm/Gm+1 = (ym+1 - xW)/(xm - xW) = (HG,m+1 - Q’’)/(HLm - Q’’)
merupakan garis yang melewati Gm+1. Lm, DW
merupakan slope garis operasi (linier) bagian stripping
DW = (Q’’,zW) (perbedaan aliran heat dan masa bottom-up)

7. Gambar 9 HXY diagram untuk sistem aceton-air

8. Gambar 10 Reboiler parsial dan metode penggambaran stage pada diagram HXY

9. Gambar 11 metode penggambaran garis kesetimbangan bagian stripping

10. Kolom fraksionasi secara komplit
Material dan heat balance untuk bagian II
F = D + W, untuk komponen A  FzF = DzD + WxW (*)
Dari QB = DHD + WHW + QC + QL - FHF dan Q’, Q’’
 didapat FHF = DQ’ + WQ’’ (**)
Eliminasi F dari (*, **) : D/W = (ZF - XW)/(ZD - ZF) = (HF - Q’’)/(Q’ -HF)
merupakan garis lurus yang melewati DD, F dan DW
dan F = DD + DW, Titik feed (F) harus selalu pada garis ini.
Garis ini memotong H-xy diagram di T dan S yang memberikan titik
M di xy diagram sebagai titik potong garis operasi enriching dan stripping.
Dengan menarik garis random dari DD memotong HL didapat garis
operasi enriching sedangkan garis DW memotong HG didapat garis
operasi stripping yang berpotongan di M.
Jumlah stage dapat ditentukan dengan membuat garis yang mewakili
satu kesetimbangan cair-uap dengan satu stage.

11. Gambar 12 Jumlah stage gabungan bagian enriching dan stripping

12. Tahap menentukan jumlah stage metode ponchon-savarit
1. Buat diagram H-xy dan xy
2. Tentukan ZF, D dan YD dan W dan XW
3. Tentukan Q’, Q’’, HF, juga QC dan QB
perhatikan besarnya R
4. Tentukan F, DD, dan DW
5. Tentukan M
6. Buat garis operasi di H-xy secara random kira-kira 4 di enriching dan 4
di stripping dan buat garis operasi enriching dan stripping di xy diagram
7. Buat garis kesetimbangan untuk masing-masing stage dengan
memperhatikan jenis kondensor

13. Lokasi Feed
Lokasi feed memisahkan tray/stage bagian enriching dan stripping
terdapat 3 kemungkinan lokasi :
- diperpotongan grs operasi enriching dan grs kesetimbangan
- diperpotongan grs operasi stripping dan grs kesetimbangan
- diperpotongan grs operasi enriching dan stripping
Lokasi ke-3 memberikan jumlah stage yang lebih sedikit……expected
Feed dapat berbentuk 3 macam :
- cair keseluruhan, dimasukkan di tray diatas feed tray
- gas keseluruhan, dimasukkan di tray dibawah feed tray
- campuran gas-cair, dipisahkan lebih dahulu diluar kolom dan
dimasukkan ke kolom sebagai cair dan gas secara
terpisah (biasanya pemisahan ini tidak dilakukan
karena alasan ekonomi)

14. Gambar 13. A. penggambaran stage apabila menggunakan garis operasi enriching sebagai batas perpindahan
B. Apabila menggunakan garis stripping sebagai baris operasi batas perpindahan
C.Apabila menggunakan perputongan garis operasi stripping dan enriching
A
B
C

15. Perubahan Reflux Ratio
Besarnya reflux ratio (R = Lo/D) dapat diubah sedemikian sehingga
didapat :
- Total Reflux, dimana seluruh produk atas dikembalikan ke kolom
- Minimum Reflux, yang mengakibatkan beban condensor dan reboiler
menjadi minimum. Rm ini mengakibatkan jumlah
stage menjadi tak berhingga
Total Reflux
Menaikkan besarnya R berarti menaikkan rasio panjang DD G1/G1 D
Total reflux berarti R = ~ dan DD bertempat di ~ dan garis operasi di
H-xy diagram menjadi vertikal yang menyebabkan Nm
Minimum Reflux
Menurunkan minimum reflux berarti menurunkan letak DD. DD paling
rendah didapat pada saat garis operasi berimpit dengan tie line.
Garis operasi ini menyebabkan jumlah stage (N) menjadi ~.

16. Gambar 14. Jumlah stage untuk refluk maksimum

17. Optimum Reflux
Perubahan R menyebabkan perubahan N, sehingga didapat hubungan
- Nm bila terjadi total reflux
- N~ bila terjadi minimum reflux (Rm)
Untuk mendesain kolom distilasi, R haruslah R optimum. R optimum
ini menyebabkan jumlah stage juga optimum sehingga cost dapat
ditekan seminimal mungkin.
Pada saat Nm, cost untuk konstruksi kolom (fixed cost) minimum tetapi
operating cost menjadi maksimum dan sebaliknya untuk N ~.
R optimum mempunyai harga antara 1,2 Rm ~ 1,5 Rm.
Lihat Gambar 15 yang menjelaskan fenomena perubahan jumlah stage
akibat perubahan refluk.

18. Gambar 15 Jumlah Stage Vs Refluk

19. Contoh Soal :
5000 lb/jam larutan metanol-air yang mengandung 50% berat metanol
dan 50% berat air pada 80oC hendak difraksionasi kontinyu pada 1 atm.
Produk atas diharapkan mengandung 95% berat metanol dan 1% berat
metanol untuk produk bawah. Sebelum masuk kolom, feed dipanaskan
pada HE dengan produk baweah sebagai pemanas sehingga residu keluar
HE bersuhu 100oF. Total kondensor dipakai pada kolom ini dengan
besarnya reflux = 1,5 dari reflux minimum.
Tentukan :
1. Laju alir produk
2. Entalpi feed dan produk
3. Minimum reflux ratio
4. Minimum tray teoritis
5. Beban kondensor dan reboiler
6. Jumlah tray teoritis

20. BM methanol (A) = 32, BM air (B) = 18, basis 1 jam operasi
1. Menghitung ZF, XD dan XW dalam % mol serta D dan W
F = 5000 x 0,5/32 + 5000 x 0,5/18 = 78 + 138,8 = 216,8 mol/jam
ZF = 78/216,8 = 0,36 fraksi mol; BM rata2 Feed = 5000/216,8 =23,1
XD = (95/32)/(95/32 + 5/18) = 2,94/3,217 = 0,915 fraksi mol
BM rata2 Distilat = 100/3,217 =31,1
XW = (1/32)/(1/32 + 99/18) = 0,0312/5,53 = 0,00565 fraksi mol
BM rata2 Residu = 100/5,53 = 18,08
Material balance total : 216,8 = D + W
untuk komponen A : 216,8 x 0,36 = D x 0,915 + W x 0,00565
didapat D = 84,4 mol/jam atau 2620 lb/jam
W = 132,4 mol/jam atau 2380 lb/jam

21. 2. Menghitung entalpi F, D dan W
Menghitung suhu feed masuk kolom (keluar HE)
tb residu = 210oF, CW = 0,998, CD = 0,920 BTU/lboF
Enthalpi balance di HE, 5000(0,92)(tF-80) = 2380(0,998)(210-100)
tF masuk kolom = 136oF
Menghitung HF (DHS = -388 BTU/lbmol, pada tref = 67,5oF)
HF = 0,92(136-67,5)(23,1) = 1070 BTU/lbmol.
Dari H-xy diagram didapat HD = 1565 dan HW = 2580 BTU/lbmol
3. Menghitung Rm
Apabila ditarik tie line yang melewati F didapat titik DDm dan
Q’m = 26900 BTU/lbmol, sedangkan HG1 = 16600 BTU/lbmol
Rm = (26900 - 16600) / (16600 - 1565) = 0,685
4. Menentukan Nm
Dengan meletakkan DD di ~, didapat Nm+1 (termasuk reboiler) = 5
Nm = 5 - 1 = 4

22. 5. Menentukan QC dan QB
R = 1,5 Rm = 1,5 x 0,685 = 1,029
Menentukan titik DD dengan menghitung Q’
1,029 = (Q’-16600)/(16600-1565)
Q’ = 32070 = HD + QC/D = 1565 + QC/84,4
 QC = 2575000 BTU/jam
Dengan pers FHF = DQ’ +WQ’’; 216,8(1070) = 84,4(32070) + 134,4Q’’
Q’’ = -18690 = HW - QB/W = 2580 - QB/132,4
 QB = 2816000 BTU/jam
6. Menentukan jumlah tray teoritis
Dengan DD pada XD = 0,915, Q’ = 32070 dan
DW pada XW = 0,00565, Q’’ = 32070 dapat dibuat garis DD, F, DW
dan garis operasi enriching, stripping shg didapat teoritical tray = 9
termasuk reboiler, atau 8 tray teoritis. Feed tray = tray nomor 5.

23. Gambar 16 Diagram HXY untuk aceton-air dan penentuan jumlah stage

24. TUGAS 4
1. Apa yang dimaksud dengan penggunaan open steam
pengganti reboiler dan bagaimana metode penentuan
tahap kesetimbangannya
2. Bagaimana menentukan tray efisiensi (Murphee eficiency)
3. Apa yang dimaksud dengan Multiple Feed dan Side Stream
serta pengaruhnya terhadap penentuan tahap kesetimbangan
4. Kerjakan Soal No.9.10 metode MT