CHAPTER 11 DISTILLATION SEQUENCING Pada kasus ini, fluida campuran homogen multi komponen yang di pisahkan menjadi sejumlah produk, bukan dua produk. 11.1
Disti Distill llati ation on Seque Sequenc ncing ing Using Using Si! Si!le le Col Colu uns ns
Pertama, desain sistem distilasi terdiri dari kolom sederhana. Kolom sederhana tersebut menggunakan :
Satu umpan dibagi menjadi dua produk Komponen inti yang berdekatan dengan volatilitas atau komponen apapun yang ada
dalam jumlah kecil di antara komponen inti akan menjadi impurities dalam impurities dalam produk Sebuah reboiler dan kondensor
Jika ada campuran tiga komponen yang akan di pisahkan menjadi tiga produk yang relative murni dan kolom sederhana yang digunakan seperti ilustrasi gambar 11.1. Pada gambar 11.1 a di kenal dengan sequence dengan sequence langsung dimana komponen ringan keluar di bagian atas kolom. Sedangkan pada gambar 11.1 b, komponen berat keluar di bagian baah kolom sebagai produk dasar. Pada setiap distilasi di lengkapi dengan reboiler dan kondensor. !ntuk gambar 11.1 a membutuhkan energy yang lebih sedikit daripada gambar 11.1 b " sequnence sequnence tidak langsung#. !ntuk campuran tiga komponen dapat di bagi menjadi tiga produk yang relative murni, hanya ada dua urutan alternative. Kompleksitas meningkat secara signifikan sebagai jumlah produk meningkat. Pada gambar 11.$ menunjukkan sequence menunjukkan sequence alternative alternative untuk campuran empat produk. %abel 11.1 menunjukkan hubungan antara jumlah produk dan jumlah sequence jumlah sequence yang mungki mungkin n untuk untuk kolom kolom sederh sederhana ana.. &engan &engan demiki demikian, an, banyak banyak cara cara di mana mana pemisa pemisahan han bisa bisa dilakukan untuk menghasilkan produk yang sama. %etapi masalah nya asalah perbedaan yang signifikan dengan biaya operasi antara distilasi sequence distilasi sequence untuk untuk menghasilkan produk yang sama. Selain itu, integrasi panas juga memiliki pengaruh yang signifikan terhadap biaya operasional. 'ntegrasi panas akan di bahas pada bab $1.
11."
P#ac P#actic tical al Const Const#ai #aints nts Rest#ic Rest#icti ting ng O! O!tio tion n $%eu $%eutu tus&a s&an n !ili' !ili'an an &onst# &onst#u& u&si si (ang (ang !#a&tis)
1
Kendala proses seringkali mengurangi jumlah pilihan itu dapat dipertimbangkan. (ontoh kendala jenis ini adalah : a. Pertim Pertimbang bangan an kesela keselamat matan an secara secara khusus khusus kompon komponen en berbaha berbahaya ya dikelu dikeluark arkan an dari dari urutan urutan sedini mungkin untuk meminimalkan persediaan materi itu. b. Komponen reaktif dan sensitif panas harus dihapus lebih aal untuk menghindari masalah degradasi produk. c. )asa )asala lah h koro korosi si yang yang teru teruta tama ma komp kompon onen en koro korosi siff dihi dihila lang ngka kan n lebi lebih h aal aal untu untuk k meminimalkan penggunaan bahan konstruksi yang mahal. d. Jika Jika deko dekomp mpos osis isii term termal al pada pada prod produk uk rebo reboil iler er terk terkon onta tami mina nasi si,, maka maka prod produk uk jadi jadi tidak bisa diambil dari dasar kolom. e. *eberapa senyaa cenderung
berpolimerisasi
saat
menyaring
"distilled #
kecuali bahan kimia yang ditambahkan untuk menghambat polimerisasi. Penghambat polimerisasi ini cenderung bersifat nonvolatile, berakhir di dasar kolom. f. )ung )ungki kin n ada ada komp kompon onen en dala dalam m umpa umpan n ke dist distil ilas asii yang yang sulit ulit diko dikond nden ensa sassi. %otal kondensasi komponen ini mungkin memerlukan pengkondisian suhu rendah dengan menggunakan pendinginan dan + atau tekanan operasi yang tinggi. Kondensasi dengan menggunakan refrigerasi dan operasi pada tekanan tinggi meningkatkan biaya operasi secara signifikan. &alam situasi seperti ini, biasanya dikeluarkan dari bagian atas kolom pertama untuk meminimalkan penggunaan refrigerasi dan tinggi tekanan dalam urutan secara keseluruhan.
$
sederhana untuk memisahkan tiga produk Ga*a# 11.1 Direct and Indirect Indirect sederhana
Ga*a# 11." !rutan alternatif untuk memisahkan empat produk campuran
11.+
C'oice o, Sequence ,o# Si!le Noninteg#ate- Distillation Coluns
-euristik telah diusulkan pada seleksi urutan sederhana dalam non integrasi kolom. Pada tabel 11.1 ada beberapa jumlah kemungkinan urutan distilasi menggunakan kolom sederhana. Ta*el 11.1 Number of Possible distllaton sequences using simple columns Nu*e# o, P#o-ucts
Nu*e# o, Possi*le sequences
$
1
$
/
/
1
0
$
1$
2
$3
Jumlah kemungkinan heuristik yang ada pada tabel 11.1 di dasarkan pada observasi dalam jumlah kasus yang dihadapi dan cara penyelesaian umum yang telah di selesaikan. 4alaupun banyak heuristik yang telah di usulkan, heuristik ini dapat di simpulkan dalam aturan : Heu#isti& 1. Pemisahan yang dimana pada komponen campuran inti mendekati relatif
volatilitas atau dilakukan proses a5eotropik. &engan kata lain pemisahan berada di bagian proses akhir. Heu#isti& ". !rutan untuk memisahkan komponen yang paling ringan satu persatu dalam
distilasi bagian atas sangat dianjurkan. Heu#isti& +. Komponen yang memiliki fraksi yang lebih besar pada umpan harus di
singkirkan terlebih dahulu. Heu#isti& . Pada pemisahan yang dimana pada aliran molar diantara bagian atas dan
baah produk di setiap kolum dapat dianggap sama.
%ambahan dikhususkan pada kolom sederhana, observasi didasarkan pada no heat integration "i.e semua reboiler, condenser dapat digunakan sebagai utilitas#. Kesulitas yang dihadapi dapat diangkat ketika salah satu heuristik terlibat satu sama lain. Seperti salah satu contoh dibaah ini :
E/a!le 11.1 setiap komponen yang telah tercampur dengan alkana yang terlihat pada tabel
11.$ ingin dipisahkan menjadi produk murni. Pada tabel 11.$ diketahui titik didih normal dan relatif volatilitas untuk mengindikasi penyelesaian volatilitas dan pemisahan dalam distilasi kolom. 6elatif volatilitas telah diketahui pada basis umpan disetiap urutannya, di asumsikan baha tekanan 0 psig menggunakan persamaan peng7robinson dengan interaksi parameter di set menjadi 8. 9unakan heuristik untuk mengindentifikasi urutan yang mana lebih bagus untuk penyelasaian evaluasi.
Solution 0 Heu#isti& 1. 'nput &+ split sebagai akhiran karena proses pemisahan ini memiliki relatif
volatilitas yang kecil. Ta*el 11." &ata for a mi;ture of alkanes to be separated by distillation
/
Heu#istic ".
* ( & Heu#istic +. 6emove the most plentiful component first > * ( & Heu#istic . * 82. kmol.h71 ( & 32.3 kmol.h71 ete#angan 0 Lang&a' 'eu#isti& -ala !en(elesaian !eisa'an
Keempat heuristik terlibat disini, maka digunakan &+ split last, yang dimana heuristik dapat diselesaikan terlebih dahulu. Kemudian dilakukan >+* split first pada heuristik $ dan heuristik (+& split first. Kemudian ambil salah satu kandidat yang dianggap memungkinkan, contohnya diambil >+* split first. Heu#istic 1. &o &+ split last Heu#istic ". * ( & Heu#istic +. * ( & Heu#istic . * 0$.3 kmol.h71
( & 32.3 kmol.h71 Kemudian dilakukan langkah dengan metode sebelumnya. -euristik 1 dilakukan dengan &+ split last, yang dimana disarankan pada heuristik harus di selesaikan pertama kali. -euristik $ disarankan menggunakan *+( split last dan heuristik (+& split first. 0
Proses ini dapat dilanjutkan dan kemungkinan urutan dapat di identifikasi lebih lanjut. *eberapa kemungkinan urutan diatas dapat di eliminasi dan di cocokkan jumlahnya pada tabel 11.1. >da penyelesaian yang dapat di gunakan tanpa bantuan heuristik yaitu dengan mengukur kuantitatif dalam perbedaan urutan. Pengukuran secara fisik dapat langsung di hitung dalam aliran vapor pada kolom. 'ni dapat membuktikan baha hubungan antara heat duty dibutuhkan untuk reboiler dan kondenser untuk menjalan distilasi dan laju vapor yang dikarenakan panas laten vapori5ation berhubungan langsung dengan jumlah utilitas pendingin pada distilasi. 4alau bagaimana pun, ada beberapa hubungan diantara laju vapor dan capital cost , yang dimana tinggi laju uap membutuhkan diameter kolom yang besar. %inggi laju uap juga membutuhkan reboiler dan kondenser yang besar. Sehingga, laju vapor menentukan kedua harga capital dan operasi pada kolom. Karena itu, urutan yang memiliki total laju vapor yang rendah lebih di utamakan ketimbang total laju vapor yang tinggi. %etapi bagaiman cara menghitung laju vapor? &alam chapter 3, dikatakan baha persamaan underood dapat digunakan sebagai perhitungan momentum reflu;. @eraca massa sederhana pada bagian atas kolom untuk constant molar iverflow yang terlihat pada figure 11. pada minimum refluks :
"11.1# &imana : Amin B minimum vapor load "kmol.s71# 6 min B minimum reflu; ratio "7# &
B distillate florate "kmol.s71#
Pada persamaan 11.1 dapat dituliskan pada batas refluks, pada figure 11. yang dimana 6 < didefinisikan sebagai ratio 6+6 min "khusunya 6+6 min B 1.1# : "11.$#
Ga*a# 11.+ )ass balance around top of a distillation column
Jika umpan sebagiannya mengalami tervaporisasi, aliran vapor dibagian baah umpan akan turun kebaah daripada ke bagian atas kolom. Pada bagian atas terjadi pemisahan komponen berdasarkan suhu. Jika laju alir molar diasumsikan, maka laju vapor di bagian baah kolom AC berhubungan dengan laju vapor dibagian atas dengan persamaan : "11.# &imana AC B vapor flo belo the feed "kmol.s71# A B vapor flo above the feed "kmol.s71# <
B laju umpan "kmol.s71#
D B kondisi termal umpan
B 8 for saturated vapor feed, or 1 for saturated li=uid E/a!le 11." menggunakan persamaan underood, tentukan urutan distilasi yang terbaik, yang
di ketahui dengan total vapor load, dan pemisahan campuran melalui tabel 11.$ dan dijadikan produk murni. &an recoveries diasumsikan yaitu 188E. &i asumsikan ratio reflu; ratio minimum yaitu 1:1 dan semua kolom di umpankan dengan saturated li=uid. &engan mengabaikan pressure drop di setiap kolom. &an relatif volatilitas dapat di hitung melalui persamaan peng7robinson dengan interaction parameters dan di asumsikan 8. %entukan rank order pada urutan distilasi di basis total vapor load. 2
a. %ekanan pada semua kolom ditetapkan yaitu 0 barg dengan relatif volatilitas di hitung melalui umpan di se=uence b. %ekanan pada semua kolom di tetapkan 0 barg dengan relatif volatilitas di hitung ulang melalui komposisi umpan setiap kolom. c. %ekanan diperbolehkan melalu urutan dengan relatif volatilitas yang di hitung ulang yang dasarnya ada pada komposisi umpan setiap kolom. %ekanan setiap kolom kemudian di kurangi seperti bubble point yaitu sekitar 18o( diatas cooling ater yaitu pada suhu /o( atau tekanan atmosfer minimum. Solution hasil di ketiga kasus terlihat pada tabel 11., 11., 11./
Ta*el 11.+ Se=uences for the separation of the mi;ture of alkanes, ith pressure fi;ed at 0 barg
and relative volatilities fi;ed by feed to se=uence
3
&alam kasus ini, relatif volatilitas di asumsikan konstan, berdasarkan pada umpan. %etapi relatif volatilitas akan berubah seiring dengan urutan akan berubah juga melalui : 1. *erubahnya konsentrasi selama pemisahan berlangsung $. Perubahan tekanan pada kolom &apat dilihat baha pada tabel 11. ke 11./ di setiap kasus memiliki sedikit perbedaan diantara beberapa urutan di setiap jumlah total vapor load. Pada masalah ini, tidak ada perbedaan yang cukup besar diantara mana yang baik dan buruk. Juga, ketika hasil pada kasus a, b dan c di bandingkan, seharusnya dapat diketahui baha rank order berubah seiring dengan perhitungan pada relatif volatilitas. &an tiga urutan terbaik di ketiga kasus di ilustrasikan melalui figure 11.. dan seistifitas pada rank order berubah dalam asumsi tidak terlalu mengejutkan dengan adanya perbedaan yang sangat kecil pada macam7macam urutan yang di ketahui. Semua kolom dalam ururtan berada di atas tekana atmosfer. Faitu sekita 8.71. barg.
Ta*el 11. Se=uences for the separation of the mi;ture of alkanes, ith pressure fi;ed at 0 barg
and relative volatility recalculated
18
Ta*el 11.2 Se=uences for the separation of the mi;ture of alkanes, ith pressure fi;ed for
cooling ater in condensers
11
Ga*a# 11. %he best se=uences in terms of vapor load for the separation of the mi;ture of alkanes from e;ample 11.$ E/a!le 11.+ campuran aromatik terlihat pada tabel 11.0 yang akan di pisahkan menjadi /
produk. Gylenes akan dicampurkan dengan campuran produk. (3 yang ada pada tabel 11.0 akan di karakterisasi sebagai (3-1$ "17methylethylben5ene#. &an recoveries di asumsikan 188E. 6elatif volatilitas di hitung melalui persamaan peng7robinson, di asumsikan interaksi parameter adalah 8. %ekanan setiap kolom di kurangi sehingga buuble point pada produk bagian atas diatas 18o( pada cooling ater dan suhu kembali pada /o( atau tekanan atmosfer di kurangi. &iasumsikan rasio sebenarnya pada minimum refluks adalah 1.1 dan semua kolom di umpankan dengan saturated li=uid. Pressure drop di abaikan setiap kolom. %entukan rank order pada urutan distilasi pada basis total vapor load dan hitung menggunakan persamaan underood.
Ta*el 11.3 &ata for five7product mi;ture of aromatics to be separated b y distillation
1$
Solution 0 Ta*el 11.4 6elative volatilities of the feed to the se=uence at 1 atm
4alaupun relatif volatilitas telah di hitung ulang pada setiap kolom, pada tabel 11. terlihat baha relatif volatilitas pada campuran umpan di urutan distilasi dengan tekanan 1 atm. 'ni menandakan baha jelas ethyl ben5ene+;ylene mendekati dengan penyatuan"unity#. Aolatilitas setiap komponen yang telah di pisahkan di alirkan dengan tekanan atmosfer di aktu yang sama sehingga cooling ater di perbolehkan dalam kondenser. )aka, tekanan kolom dapat di tetapkan menggunakan tekanan atmosfer dengan relatif volatilitas di hitung kembali pada komposisi umpan dan tekanan sebagaimana dengan konsentrasi diubah seiring dengan urutan distilasi. 1
Ta*el 11.5 Se=uences for the separation of the mi;ture of aromatics in e;ample 11.
Pada tabel 11.2 di tandai baha toal vapor load untuk perbedaan urutan dalam rank order. &an lagi dapat di tuliskan baha dari tabel 11.2 ada sedikit perbedaan diantara urutan terbaik di dalam catatan overall vapor load. &an ketiga ururtan dengan overall vapor load terendah. &apat di tunjukkan dalam figure 11./. pada saat kasus pertama struktur pada urutan terbaik sangat mengejutkan. &alam setiap kasus, pemisaha yang tersulit ada pada "(+&# di komponen lain. -euristik, penulis menyarankan baha pemisahan yang sulit di pisahkan seharusnya di isolasi dari komponen lain.
1
Ga*a# 11.2 %he best se=uences in terms of vapor load for the separation of the mi;ture of
aromatics from e;ample 11.
Penggunaan pada total laju alir vapor, tanpa menggunakan perhitungan error, masih menjadi arahan dan kemungkinan tidak dapat memberikan nilai rank order sebenarnya. Perhitungan mungkin mengambil langkah lebih lanjut untuk menghitung konsumsi energi atau energi cost. >da beberapa metode perhitungan yang bisa menghitung lebih cepat seperti dapun kemungkinan yang diantaranya memiliki urutan terbaik, yang dimana sebagian angka kemungkinan untuk urutan lebih besar. Pertimbangan yang harus dilakukan yaitu integrasi, operability, safety dan lainnya, alaupun ada beberapa yang penting juga pada kasus final.
11. Distillation Sequencing Using Coluns 6it' %o#e T'an T7o P#o-ucts $U#utan -istilasi engguna&an &olo -engan le*i' -a#i -ia !#o-u&)
Saat memisahkan campuran tiga produk dengan menggunakan kolom sederhana, hanya ada dua urutan yang mungkin, gambar 11.1. Pertimbangkan karakteristik pertama kolom yang sederhana.
1/
Ga*a# 11.3 Kolom distilasi dengan tiga produk
!mpan tunggal dibagi menjadi dua produk. Sebagai yang pertama >lternatif dua kolom sederhana, dapat dilihat pada 9ambar 11.0. &i sini ada tiga produk diambil dari satu kolom. &esainnya bisa dilakukan dan hemat biaya bila dibandingkan dengan pengaturan sederhana secara stand-alone basis "yaitu reboilers dan condenser beroperasi pada utilitas# dalam rentang kondisi tertentu. Jika feed didominasi oleh produk tengah "biasanya lebih dari /8E dari feed # dan produk terberat ada di jumlah kecil "biasanya kurang dari /E#, maka pengaturan yang ditunjukkan pada 9ambar 11.0a bisa menjadi pilihan yang terbaik. Produk berat harus meleati kolom sidestream. Kecuali produk berat memiliki aliran kecil dan produk tengahnya aliran yang tinggi, kemurnian produk tengah tidak bisa diraih. &alam keadaan seperti ini, sidestream biasanya diambil sebagai produk uap "vapor) untuk mendapatkan sebuah sidestream yang cukup murni. Aolatilitas relatif besar antara produk sidestream * dan bagian baah produk ( juga diperlukan untuk mendapatkan sidestream dengan kemurnian tinggi. Jika feed didominasi oleh produk tengah "biasanya lebih dari /8E# dan produk paling ringan hadir dalam jumlah ukuran yang kecil "biasanya kurang dari /E#, maka pengaturannya 10
ditunjukkan pada 9ambar 11.0b dapat menjadi pilihan yang menarik . Kali ini produk light harus sampai
ke
atas
kolom
meleati
sidestream.
Kecuali
produk
light
dengan
aliran kecil dan produk tengah dengan aliran tinggi. Produk tengah yang cukup murni tidak bisa diraih.
4aktu
sidestream
diambil
sebagai
produk
cair
untuk
mendapatkan
sebuah sidestream yang cukup murni. Sebuah volatilitas relatif besar antara produk sidestream * dan produk overhead juga diperlukan untuk mendapatkan sidestream kemurnian tinggi. Singkatnya, pengaturan sidestream satu kolom dapat dilakukan menjadi menarik bila produk tengahnya berlebih dan salah satu komponen lainnya hadir hanya dalam jumlah kecil . &engan demikian, kolom sidestream hanya berlaku untuk keadaan khusus dengan komposisi feed . Pertimbangkan pemisahan tiga produk seperti pada 9ambar 11.a di komponen teringan dan terberat yang dipilih pemisahan kunci di kolom pertama. &ua kolom lebih lanjut diminta menghasilkan produk murni, 9ambar 11.a. pengaturan ini dikenal dengan distributed distillation
or
sloppy
distillation.
!rutan
distilasi
memberikan
aliran
paralel
untuk pemisahan produk. Pengaturan pada 9ambar 11.a terlihat tidak efisien dalam penggunaan peralatan yang membutuhkan tiga kolom sebagai gantinya menjadi dua, dengan bagian baah dan overhead yang kedua dan kolom ketiga keduanya berproduksi murni *. @amun, bisa pengaturan dapat digunakan dalam beberapa keadaan.
Ga*a# 11.4 )emilih nonadjacent keys untuk prefactionator arrangement
1
&alam design baru dapat tiga kolom, pada prinsipnya, semuanya dioperasikan pada tekanan yang berbeda. Juga, distribusi tengah produk * antara kolom kedua dan ketiga adalah tingkat kebebasan tambahan dalam disain. %ambahan kebebasan untuk memvariasikan tekanan dan distribusi dari produk tengah memberikan kebebasan ekstra yang signifikan untuk memvariasikan beban dan tingkat di mana panas ditambahkan atau ditolak dari distilasi. 'ni mungkin berarti baha reboiler dan kondensor dapat disesuaikan dengan biaya utilitas yang lebih efektif, atau panas yang terintegrasi secara lebih efektif. Jika kolom kedua dan ketiga pada 9ambar 11.a dioperasikan pada tekanan yang sama, maka kolom kedua dan ketiga bisa saja dihubungkan dan produk tengahnya diambil sebuah sidestream seperti yang ditunjukkan pada 9ambar 11.b. Pengaturan di gambar 11.b dikenal sebagai prefactionator arrangement. Perhatikan baha kolom pertama pada gambar 11.b prefraksiator, memiliki kondensor parsial untuk mengurangi keseluruhan energi konsumsi. Perhatikan urutan kolom sederhana yang ditunjukkan pada 9ambar 11.2. &alam urutan langsung ditunjukkan pada 9ambar 11.2, komposisi komponen * di kolom pertama meningkat di baah umpan karena Komponen > yang lebih mudah menguap menurun. @amun, bergerak lebih jauh ke baah kolom, Komposisi Komponen * menurun seiring dengan komposisi komponen yang kurang mudah menguap ( meningkat.
Ga*a# 11.5 Profil komposisi untuk produk tengah dalam kolom direct menunjukkan efek
remixing
12
&emikian pula dengan kolom pertama dalam indirect sequence, komposisi Komponen * pertama meningkat di atas umpan sebagai Komponen ( less-volatile. 'ni mencapai maksimum hanya untuk menurunkan karena komponen > yang lebih mudah menguap meningkat. Komposisi komponen * mencapai puncak hanya untuk remixed . emixing ini adalah
sumber
terjadi
in7efisiensi
pada dalam
kedua
urutan
pemisahan.
kolom
Sebaliknya,
distilasi
yang
pertimbangkan
sederhana pengaturan
prefractionator ditunjukkan pada 9ambar 11.3. &alam prefractionator, pemisahan crude dilakukan agar komponen * didistribusikan antara atas dan baah kolom. *agian atas pra7 fraksionator memisahkan >* dari (, sedangkan bagian baahnya memisahkan *( dari >. Jadi, kedua bagian hanya menghapus satu komponen dari produk dari bagian kolom itu dan ini juga berlaku untuk keempat bagian kolom utama. 11.2
Distillation Sequencing Using T'e#al Cou!ling
Kolom sederhana harus memiliki reboiler dan kondensor. -al ini mungkin digunakan untuk aliran material untuk menyediakan beberapa perpindahan panas yang di perlukan dengan kontak langsung. Perpindahan panas melalui kontak langsung di sebut sebagai coupling thermal . 9ambar 11.1 menunjukkan coupling thermal dari
sequence sederhana. 9ambar 11.18b
menunjukkan sambungan termal sequence langsung. 6eboiler pada kolom pertama di ganti dengan thermal coupling . (airan dari bagian baah kolom pertama di transfer ke kolom kedua. %etapi uap yang di butuhkan kolom pertama di berikan oleh kolom kedua. 9ambar 11.18c empat kolom pada gambar 11.18b disusun ulang untuk membentuk side-rectifier . Sedangkan gambar 11.18d menunjukkan baha pertisi dinding harus di isolasi untuk menghindari perpindahan panas yang melintasi dinding karena pemisahan yang berbeda. &imana setiap sisi dinding dan suhu pada masing7masing sisi akan berbeda. Perpindahan panas melintasi dinding akan memiliki efek keseluruhan yang merugikan pada kinerja distilasi. !he side-rectifier and side-striper memiliki derajat kebebasan yang penting untuk optimasi. !ntuk side-rectifier , tingkat kebebasan yang harus di optimalkan adalah :
Jumlah tahapan di masing7masing empat bagian kolom 6asio refluks Kondisi umpan
13
Ga*a# 11.18 !hermal "oupling of the Direct #equence
Ga*a# 11.11 !hermal "oupling of the Indirect #equence
!ntuk side-stripper , tingkat kebebasan yang di optimalkan adalah :
Jumlah tahapan masing7masing kolom 6asio reboiler Pemisahan cairan antara kolom utama dan side stream kolom Kondisi umpan
Ga*a# 11.1" > side7rectifier can be modeled as a se=uence of to simple columns in the direct
se=uence $8
Ga*a# 11.1+ > side7stripper can be modeled as a se=uence of to simple columns in the
indirect se=uence
&alam kedua kasus dari side-rectifer dan side-stripper , kolom pertama dalam model dua kolom dapat dimodelkan dengan menggunakan persamaan
di baah tahap umpan juga dapat diperkirakan dengan menggunakan Persamaan
!nderood namun kali ini dengan menggabungkan produk sidestream and bottoms sebagai produk dasar bersih. Hptimalisasi dapat dilakukan dengan menggunakan teknik optimasi nonlinier seperti SDP "lihat *ab #. Pengoptimalan non linier memiliki masalah optima lokal jika teknik seperti SDP digunakan untuk optimasi. "onstraints perlu ditambahkan ke optimalisasi di agar keseimbangan massa dapat dipertahankan dan spesifikasi produk tercapai. Hptimalisasi side-rectifer dan side stripper dalam pertukaran energi7modal menentukan distribusi pelat, rasio refluks di kolom utama dan sidestream dan kondisi umpan. Jika $rectifer "gambar 11.18d# maupun side-stripper "gambar 11.11d# digunakan, kemudian rasio dari lanju alir vapor disetiap sisi partisi dapat digunakan untuk memperbaiki lokasi partisi pada kolom. Partisi terletak sedemikian rupa $1
sehingga rasio area pada masing7masing sisi partisi sama dengan rasio dioptimasi laju alir vapor pada setiap sisi partisi. @amun, Perpecahan vapor untuk side-rectifer hanya akan mengikuti rasio ini jika tekanan drop pada masing7masing sisi partisi adalah sama. &ari pada mencari partisi dengan cara ini, beberapa kemerosotan dalam kinerja desain bisa diterima dengan menempatkan partisi di atas diameter kolom "yaitu area yang sama di setiap sisi partisi# untuk mekanik kesederhanaan. Sensitivitas kinerja desain terhadap lokasi partisi harus dieksplorasi sebelum lokasi selesai. Sekarang
pertimbangkan
kopling
termal
dari
pengaturan
prefractionator
dari 9ambar 11.b. 9ambar 11.1a menunjukkan sebuah pengaturan prefractionator dengan kondensor parsial dan reboiler pada prefractionator. 9ambar 11.1b menunjukkan pengaturan prefractionator gabungan termal ditambah, terkadang dikenal sebagai kolom Petlyuk. !ntuk membuat dua pengaturan pada 9ambar 11.1a dan 1b ekuivalen Prefractionator yang digabungkan
secara
termal
membutuhkan
pelat
ekstra
untuk
mengganti
kondensor
prefractionator dan reboiler. Pengaturan prefractionator pada 9ambar 11.1a dan prefractionator termal "Petlyuk Kolom# digambar 11.1b hampir sama dengan terms of total-heating dan cooling duties. >da perbedaan antara uap dan cairan mengalir di bagian atas dan baah kolom utama dari desain pada 9ambar 11.1a dan 11.1b, akibat adanya reboiler parsial dan kondensor pada 9ambar 11.1a. @amun, meski of total-heating dan cooling duties hampir sama, ada perbedaan yang lebih besar pada suhu di mana panas disuplai dan ditolak. &alam kasus prefractionator pada 9ambar 11.1a, beban panas disuplai pada dua titik dan dua suhu yang berbeda dan ditolak dari dua titik dan pada dua suhu yang berbeda. 9ambar 11.1c menunjukkan konfigurasi alternatif untuk termal digabungkan prefractionator yang menggunakan satu shell dengan partisi vertikal membagi bagian tengah shell menjadi dua bagian, dikenal sebagai dividing-wall-column atau kolom partisi. Pengaturan pada 9ambar 11.1b dan 11.1c setara jika tidak ada perpindahan panas melintasi partisi. Seperti side-rectifer dan side-stripper , dinding partisi harus diisolasi untuk menghindari perpindahan panas ke dinding pemisahan yang berbeda dilakukan pada setiap sisi dinding dan suhu di masing7masing sisi akan berbeda. Perpindahan panas di dinding akan memiliki efek yang merugikan secara keseluruhan pada kinerja kolom.
$$
Ga*a# 11.1 !hermal "oupling dari pengaturan prepaksionator
Kolom partisi menaarkan sejumlah kelebihan pengaturan konvensional: a. *erbagai penelitian telah membandingkan secara pengaturan termal pada 9ambar 11.1b dan 11.1c, dengan pengaturan konvensional menggunakan kolom sederhana dasar yang berdiri sendiri. Studi ini menunjukkan baha pengaturan prefraksionator pada 9ambar 11.1 membutuhkan biasanya $8 sampai 8E lebih sedikit energi daripada yang terbaik konvensional pengaturan menggunakan kolom sederhana "9ambar 11.1#. Kolom prefractionator juga membutuhkan energi lebih sedikit dari pada pengaturan side-rectifer dan side-stripper , untuk pemisahan yang sama. -emat energi untuk pengaturan termal sama dengan prefraksionator, dengan kerugian pencampuran yang dikurangi seperti yang diilustrasikan pada gambar 11.2 dan 11.3. b. Selain itu, kolom partisi pada 9ambar 11.1c biasanya membutuhkan $8 sampai 8E biaya modal. c. Kolom partisi memiliki satu keuntungan lebih pengaturan konvensional pada 9ambar 11.1. &i kolom yang dipartisi, bahannya hanya reboiled sekali dan aktu tinggal di 5ona suhu tinggi diminimalkan. -al ini dapat menjadi penting jika penyulingan panas7 bahan sensitive.
$
Peralatan distilasi standar dapat digunakan untuk fabrikasi. %acking atau plate dapat digunakan. %acking lebih umum digunakan dan kontrol kolom partisi sangat mudah. Kolom partisi memiliki sejumlah kerugian yang relatif terhadap pengaturan kolom sederhana: a. )eski pengaturannya mungkin membutuhkan lebih sedikit energi dari pada pengaturan konvensional, semua panasnya harus dipasok pada suhu tertinggi dan semua panasnya ditolak pada suhu terendah pemisahan. 'ni bisa sangat penting jika distilasi rendah suhu menggunakan pendinginan untuk kondensasi. Sedemikian keadaan, meminimalkan jumlah kondensasi pada suhu terendah bisa sangat penting. Jika perbedaan suhu dimana panas dipasok atau ditolak sangat penting, kemudian didistribusikan distilasi atau prefractionator mungkin pilihan yang lebih baik. 'ni menaarkan keuntungan karena bisa memasok dan menolak panas pada suhu yang berbeda. )asalah ini akan dibahas saat berhadapan dengan integrasi panas distilasi. b. Jika sesuai untuk kedua kolom secara sederhana pengaturan kolom untuk beroperasi pada tekanan yang berbeda, maka ini bisa menimbulkan masalah bagi kolom partisi, sebagai kolom partisi harus melakukan seluruh pemisahan pada tekanan yang sama secara efektif "biasanya tekanan tertinggi#. Secara umum, kolom partisi tidak cocok untuk mengganti dua kolom sederhana yang beroperasi pada tekanan yang berbeda. c. Kerugian lain dari kolom yang dipartisi mungkin muncul dari bahan konstruksi. Jika dua kolom pengaturan konvensional membutuhkan dua bahan berbeda dari konstruksi, satu menjadi jauh lebih mahal daripada lain, maka setiap penghematan biaya modal yang timbul dari penggunaan kolom yang dipartisi akan berkurang. 'ni karena seluruh kolom yang dipartisi harus dibuat dari bahan yang lebih mahal. d. &esain hidrolik dari kolom yang dipartisi dimana tekanan harus diimbangi di kedua sisi partisi. -al ini biasanya dicapai dengan merancang sejumlah tahapan yang sama di setiap sisi partisi. &engan pengendalian desainnya. >tau, perbedaan number of stage dapat digunakan pada setiap sisi partisi, dan perbedaan kolom internal dengan perbedaan pressure drop perstage digunakan untuk menyeimbangkan pressure drop. Jika foaming lebih mungkin terjadi pada satu sisi partisi daripada hal lainnya, ini bisa menyebabkan ketidakseimbangan hidrolik dan uap perpecahan berubah dari kondisi desain. Prefractionator yang digabungkan secara termal pada gambar 11.1c dapat disimulasikan dengan menggunakan pengaturan di gambar 11.1b sebagai dasar simulasi. @amun, seperti $
side-stripper dan side-rectifier , sepenuhnya digabungkan secara termal kolom memiliki beberapa tingkat kebebasan optimasi. &i kolom yang digabungkan sepenuhnya, di sana adalah enam bagian kolom "di atas dan di baah partisi, diatas dan dibaah feed di prefractionator dan diatasnya dan di baah sidestream dari sisi kolom utama partisi#. &erajat kebebasan untuk dioptimalkan dalam kolom yang dipartisi adalah: a. b. c. d. e.
&umber of stage dalam enam bagian kolom, 6asio reflux' Pemisahan cairan di setiap sisi partisi yang mengalir turun ke kolom, Pemisahan vapor pada setiap sisi partisi yang mengalir keatas kolom, dan Kondisi feed
Ga*a# 11.12 )odel tiga kolom dari prefractionator termal digabungkan dipartisi
Prefractionator dimodelkan sebagai Kolom 1 pada 9ambar 11.1/, yang memiliki kondensor parsial dan reboiler parsial aalnya. Kolom $ pada 9ambar 11.1/ adalah bagian atas kolom utama dan dimodelkan sebagai kolom sidestream cair dengan sidestream cair satu tahap di atas umpan uap. Perhitungan keseimbangan uap I cair sekitar kondensor parsial pada kolom 1 memungkinkan vapor memasuki kondensor dan cairan meninggalkan kondensor yang akan ditentukan. 'ni kemudian bisa dihubungkan ke sidestream dan feed untuk kolom $. Kolom di 9ambar 11.1/ adalah bagian baah kolom utama dan dapat dimodelkan sebagai kolom sidestream vapor dengan sidestream satu tahap di baah feed liquid . Perhitungan kesetimbangan $/
uap 7 cair di sekitar reboiler parsial di dalam prefractionator memungkinkan uap meninggalkan reboiler dan cairan yang masuk ke reboiler harus ditentukan dan bisa kemudian terhubung dengan sidestream dan feed ke kolom . Ketiga kolom tersebut kemudian bisa diakili oleh shortcut perhitungan yang dijelaskan di atas untuk side-rectifier dan side-stripper berdasarkan basis
Ret#o,it o, Distillation Sequences
Pada kasus ini, ada yang perlu dimodifikasi, bukan mendesain ulang. Sebagai contoh, sebuah studi retrofit mungkin memerlukan kapasitas unit untuk ditingkatkan. Saat perombakan seperti itu dilakukan, sangat penting untuk mencoba dan memanfaatkan sebaik mungkin peralatan yang ada. Sebagai contoh, pertimbangkan dua kolom sederhana sequence seperti yang diilustrasikan pada 9ambar 11.1. Jika kapasitasnya perlu ditingkatkan, maka diganti dengan dua kolom yang ada dengan kolom baru, kolom baru ditambahkan dan dikonfigurasi ulang ke pengaturan distilasi terdistribusi pada 9ambar 11.a. Jika shell yang ada berbeda secara signifikan dari apa diperlukan dalam urutan yang dipasang, kemudian sebagai tambahan untuk menyusun ulang urutan distilasi, yang ada. #hell juga bisa dimodifikasi. Sebagai contoh, jumlah tahap teoritis dapat ditingkatkan dalam kolom dengan mengubah desain kolom internal. %api, umumnya, semakin sedikit jumlah modifikasi semakin baik. !ntuk retrofit dua kolom urutan ke &istilasi pengaturan distilasi pada 9ambar 11.a, itu dapat dipasang ke pengaturan prefractionator di 9ambar 11.b. Kali ini, daripada memiliki dua kolom shell , seperti yang ditunjukkan pada 9ambar 11.b, tiga kolom digunakan dengan yang kedua dan ketiga terhubung langsung dengan uap dan aliran cairan
$0
11.4
Distilasi Crude Oil
)inyak mentah adalah campuran hidrokarbon yang sangat kompleks yang mengandung sejumlah kecil belerang, oksigen, nitrogen dan logam. )inyak mentah khas mengandung jutaan senyaa, yang sebagian besar tidak dapat diidentifikasi. -anya Senyaa paling ringan misalnya metana, etana, propana, ben5ena, dan sebagainya, biasanya dapat diidentifikasi. Pada tahap pertama pengolahan minyak mentah, distilasi dalam kondisi di atas tekanan atmosfir "biasanya 1 barg dimana umpan masuk kedalam kolom#. 6ange dari produk diambil dari distilasi minyak mentah, berbasis pada suhu mendidih. &esain biasanya digabungkan. Kebanyakan konfigurasi mengikuti termal ditambah urutan indirect seperti yang ditunjukkan pada 9ambar 11.10a. konfigurasi 9ambar 11.10b adalah yang biasanya dibangun. Kedua pengaturan itu setara dan bagian kolom yang sesuai ditunjukkan pada 9ambar 11.10. Sayangnya, penyulingan minyak mentah praktis tidak bisa dioperasikan dengan cara yang ditunjukkan pada 9ambar 11.10b. )asalah pertama adalah jika reboiling suhu tinggi digunakan, seperti yang dibutuhkan untuk produk mendidih yang lebih tinggi dibagian baah kolom pada 9ambar 11.10b, extremely high-temperature akan dibutuhkan. !ap biasanya tidak terdistribusi untuk pemanasan proses dengan temperature yang tinggi. Suhu tinggi di dalam reboilers akan menghasilkan pengotoran yang signifikan dari reboilers dari penguraian hidrokarbon menjadi bentuk coke. %emperatur maksimum yang digunakan untuk reboiling dalam penyulingan minyak bumi adalah 88(. Karena itu, dalam prakteknya, beberapa atau semua reboiling diganti dengan injeksi langsung uap ke dalam distilasi uap yang memiliki dua fungsi : a. )enyediakan beberapa panas yang dibutuhkan untuk distilasi, dan b. )enurunkan tekanan parsial komponen mendidih,membuat menjadi lebih volatile.
$
Ga*a# 11.13 !he thermally coupled indirect sequence untuk distilasi crude oil
Ga*a# 11.14 Substitusi beberapa "atau semua# dari reboiling dengan direct steam injection dan
pengenalan kondensasi intermedit
$2
Karena uap diinjeksi ke dalam operasi di berbagai tempat pada gambar 11.1, uap dikondensasi doverhead dan dipisahkan dalam dekanter dari kondensasi hidrokarbon dan hidrokarbon yang tidak mengembun. )asalah lain dengan pengaturan pada gambar 11.10b adalah saat vapor naik di kolom utama, laju alir meningkat secara signifikan. Pada 9ambar 11.1, panas dihilangkan dari kolom utama pada titik tengah "point intermedit#. -al ini sesuai dengan memperkenalkan beberapa kondensasi dari vapor di bagian atas kolom tengah dalam pengaturan ditunjukkan pada 9ambar 11.10a. Perlu dicatat baha pengenalan beberapa kondensasi antara kolom tidak harus menghilangkan semua coupling termal antara kolom pada 9ambar 11.10a, namun dapat meninggalkan sebagian thermal coupling , bukan coupling termal penuh. *erapa banyak kondensasi dan
berapa banyak coupling thermal yang digunakan pada setiap titik
adalah tingkat kebebasan yang penting untuk dioptimalkan. !ntuk menghilangkan panas dari kolom pada point intermediate seperti pada 9ambar 11.1, akan lebih baik untuk menyingkat bagian dari uap yang mengalir di atas kolom dan mengembalikan condensed liquid ke kolom pada kondisi jenuh. Sayangnya, seperti yang telah dicatat untuk sidestream vapor dan design side-rectifier , sulit untuk mengambil uap sidestream dari sebuah kolom. &alam distilasi crude oil , panas dihapus dari kolom dengan mengambil sidestream cair, subcooling cairan dan mengembalikannya ke kolom. )emberikan kondensasi dengan kontak langsung, namun inefisiensi ke dalam desain. )engembalikan cairan subcooled kekolom tidak efisien dalam distilasi, subcooled liquid bagian distilasi tidak bisa ambil sampai kembali kondisi jenuh.
Ga*a# 11.15 Kondensasi parsial dapat tercapai dengan subcooling liquid untuk kolom
$3
Panas dikeluarkan dari kolom utama di salah satu dari dua arah. 'ni ditunjukkan pada 9ambar 11.12. Fang pertama, di gambar 11.12a adalah pumparound. (airan diambil dari kolom, subcooled dan kembali ke titik kolom yang lebih tinggi. Pengaturan lain yang ditunjukkan pada 9ambar 11.12b adalah pumpback . (airan diambil dari kolom, subcools itu, tapi kali ini mengembalikannya ke titik yang lebih rendah di kolom. )asalah dengan pumpback adalah flowrate bisa withdrawn harus kurang dari cairan yang mengalir turun kolom. Hleh karena itu dibatasi dalam kapasitasnya untuk menghapus panas. %umparound di sisi lain, tidak dibatasi dengan aliran cairan ke baah kolom dan bisa disirkulasikan sebanyak cairan yang dibutuhkan di sekitar bagian kolom. &engan memilih flowrate dan suhu yang paling tepat untuk pumparound , beban panas yang bisa dilepas bisa jadi disesuaikan dengan apapun yang diinginkan. !rays di antara cairan draw dan kembali di pumparound memiliki lebih banyak hubungannya dengan perpindahan panas daripada perpindahan massa. Selain mengembalikan subcooled liquid ke kolom, pencampuran terjadi sebagai bahan diperkenalkan ke titik yang lebih tinggi di kolom. Satu hal terakhir perlu dibuat tentang pengaturannya ditunjukkan pada 9ambar 11.1. (rude oil masuk kolom utama dan perlu dipanaskan. Pemanasan panas ke suhu di kisaran 38 sampai 1/8(, dan crude oil diekstraksi dengan air untuk menghilangkan garam.
Proses
desalting bercampur dengan air dan kemudian dipisahkan menjadi dua lapisan, garam larut dalam air. "rude oil kemudian dipanaskan lebih lanjut dengan recovery heat ke sekitar suhu $28( dan kemudian dengan furnace " fired heater # sampai sekitar 88( sebelum masuk kolom. Perhatikan baha suhu ini lebih tinggi dari sebelumnya yang bisa dipasok dalam reboiler. @amun, dekomposisi tergantung pada kedua suhu dan aktu tinggal, dan suhu tinggi bisa ditolerir di furnace jika hanya untuk aktu tinggal singka. Semua bahan yang perlu ditinggalkan seperti produk diatas titik umpan harus menguap saat memasuki kolom. Selain itu, beberapa extra vapor over dan di atas flowrate ini harus dibuat dan akan dikondensasi dan mengalir kembali ke baah melalui kolom sebagai refluks. (xtra vaporiation untuk menciptakan refluks dikenal sebagai overflash. @amun,
ada
banyak
kemungkinan
lain
untuk
pengaturan
kolom
berbeda
yang berpotensi mengurangi konsumsi energi. *eberapa di antaranya diilustrasikan di gambar 11.13, tapi ada banyak kemungkinan lainnya.
8
Ga*a# 11.19 *eberapa pengaturan yang mungin untuk distilasi crude oil
&istilasi crude oil dalam kondisi sedikit tekanan di atas atmosfer adalah batas maksimum temperature yang bisa ditoleransi dengan bahan yang distilled , jika tidak akan ada dekomposisi. ebih lanjut pemisahan dasar kolom "atmospheric residu# akan membutuhkan suhu yang lebih tinggi, dan karenanya menyebabkan dekomposisi material. @amun, ini meninggalkan sejumlah besar bahan berharga yang masih bisa direcovery dari residu atmosfer. Karena itu, residu dari distilasi atmosfer crude oil biasanya dipanaskan sampai suhu sekitar 88( atau sedikit lebih tinggi dan diumpankan ke kolom kedua, kolom vakum, yang beroperasi di baah vakum tinggi "tekanan sangat rendah# untuk memungkinkan recovery bahan lebih lanjut dari residu atmosfer, seperti yang ditunjukkan pada 9ambar 11.$8. %ekanan dari kolom vakum biasanya 8,880 bar di bagian atas kolom tempat vakum dibuat. &esain dari kolom vakum lebih sederhana dari pada kolom atmosfir dengan biasanya dua produk sidestream yang diambil, pergi berat residu vakum di bagian baah kolom
1
Ga*a# 11."8 !ypical complete distilasi crude oil 11.5
Distilation Sequncing Using O!tii:ation o, a Su!e#st#uctu#e
&ipertimbangkan baha untuk pemilihan arahan dalam distilasi se=uence dapat di tentukan lebih sistematika. &engan memberikan kemungkinan untuk terjadinya perubahan pada se=uence pada kolom sederhana atau pengenalan prefrectionator, side7strippers side rectifiers dan pengaturan fully thermal coupled, masalah yang kompleks dapat digunakan dengan optimasi struktur. Seperti yang dibahas pada chapter 1, baha pendekatan ini dimulai dengan LgransM flosheet dengan semua struktur dengan solusi optimal yang telah ada. Pembentukan superstruktur pada distilasi se=uence dan optimasinya, dalam prinsip, straight forard, alau bagaimanapun, untuk penyelesaian persamaan dalam kasus sangat sulit bila di gabungkan dengan kasus campuran inter nonlinear programming ")'@P#, untuk kasus ini harus di hindari, jika ada ada kemungkinan untuk menghindari kasus seperti ini dalam kasus distilasi se=uence dengan mengikuti filosofi pada superstruktur dari distillation tasks. Pada figure 11.$1a terlihat baha perbedaan se=uences untuk pemisahan pada lima produk. mpat kolom sederhana di butuhkan untuk memisahkan produk ini dan ada 1 kemungkinan se=uence, dan seperti terlihat pada figure 11.$1a. jika ada pendekatan yang diikuti dengan memperbolehkan screening dan optimasi jaringan, maka 1 kemungkinan jaringan di setiap kolom akan di pertimbangkan, melibati /0 columns si5ing dan perhitungan biaya. &an $
jalan alternatif untuk sistem analisa untuk bekerja, seperti di ilustrasikan dalam figure 11.$1b. yang dimana tugas dapat memisahkan komponen dari *(&, atau memisahkan > dari *( dan selanjutnya. )aka ada $8 basis yang melibatkan sistem lima produk. >da 1 se=uences yang bisa di produksi dengan menggabungkan tugas ini dalam arah yang berbeda, seperti yang di ilustrasikan dalam figure 11.$1. maka dengan mengkuti jumlah /0 ukuran kolom dan costing calculation, hanya di butuhkan $8 untuk dibaa dan di gabungkan dengan berbagai cara untuk evaluasi semua kemungkinan se=uence pada kolom sederhana. &alam figure 11.$$, direct dan indirect se=unce terlihat bisa di tambahkan dengan berbagai kombinasi.
Ga*a# 11."1 > limited number of tasks are re=uired to perform a given separation
Ga*a# 11."" Superstructure for distillation se=uence for a four7product mi;ture based on task
representation
Ga*a# 11."+ %asks can be combined and interpreted as comple; columns
Pada kolom kompleks, task dapat di kombinasikan bersamaan untuk memproduksi hybrid tasks. Seperti terlihat pada figure 11.$. sebuah hybrid task dapat di kembangkan menjadi kompleks yang berbeda pada kolom distilasi, bergantung pada yang dimnan hybrid task terlibat dala direct atau indirect penggabungan se=unce. Sebelum task atau hybrid task bisa di model, neraca massa dan tekanan operasi harus di ketahui terlebih dahulu. !ntuk mengetahui neraca massa ini, sebuah matriks pada product bisa diketahui dengan recovery yang terlihata pada figure 11.$. contoh ini melibatkan enam komponen dan produk. Komponen yang diarahkan untuk mengetahui order dari volutilitas. &iikuti dengan komponen dari produk yang berdekatan. Juga, komponen yang ringan dari produk "iN1# harus lebih berat dariapada kompenen dari produk ' dan harus menjadi komponen terberat dari produk "iN1#. &alam cara ini, neraca massa pada setiap task dan hybrid task bisa diketahui.
Ga*a# 11." > typical product recovery matri;
