menara destilasi

Pengertian Destilasi

Destilasi adalah suatu cara pemisahan larutan dengan menggunakan panas sebagai pemisah atau “separating agent”. Jika larutan yang terdiri dari dua buah komponen yang cukup mudah menguap, misalnya larutan benzena-toluena, larutan n-Heptan dan n-Heksan dan larutan lain yang sejenis didihkan, maka fase uap yang terbentuk akan mengandung komponen yang lebih menguap dalam jumlah yang relatif lebih banyak dibandingkan dengan fase cair.

Jadi ada perbedaan komposisi antara fase cair dan fase uap, dan hal ini merupakan syarat utama supaya pemisahan dengan distilasi dapat dilakukan. Kalau komposisi fase uap sama dengan komposisi fase cair, maka pemisahan dengan jalan distilasi tidak dapat dilakukan.

Proses distilasi dalam kilang minyak bumi merupakan proses pengolahan secara fisika yang primer yang mengawali semua proses-proses yang diperlukan untuk memproduksi BBM dan Non-BBM. Proses distilasi ini dapat menggunakan satu kolom atau lebih menara distilasi, misalnya residu dari menara distilasi dialirkan ke menara distilasi hampa atau ke menara distilasi bertekanan.

Secara fundamental semua proses-proses distilasi dalam kilang minyak bumi adalah sama. Semua proses distilasi memerlukan beberapa peralatan yang penting seperti :
- Kondensor dan Cooler
- Menara Fraksionasi
- Kolom Stripping

Proses pemisahan secara distilasi dengan mudah dapat dilakukan terhadap campuran, dimana antara komponen satu dengan komponen yang lain terdapat dalam campuran :
a. Dalam keadaan standar berupa cairan, saling melarutkan menjadi campuran homogen.
b. Mempunyai sifat penguapan relatif (α) cukup besar.
c. Tidak membentuk cairan azeotrop.

Pada proses pemisahan secara distilasi, fase uap akan segera terbentuk setelah sejumlah cairan dipanaskan. Uap dipertahankan kontak dengan sisa cairannya (dalam waktu relatif cukup) dengan harapan pada suhu dan tekanan tertentu, antara uap dan sisa cairan akan berada dalam keseimbangan, sebelum campuran dipisahkan menjadi distilat dan residu.

Fase uap yang mengandung lebih banyak komponen yang lebih mudah menguap relatif terhadap fase cair, berarti menunjukkan adanya suatu pemisahan. Sehingga kalau uap yang terbentuk selanjutnya diembunkan dan dipanaskan secara berulang-ulang, maka akhirnya akan diperoleh komponen-komponen dalam keadaan yang relatif murni.

Keseimbangan Uap -Cair
Untuk dapat menyelesaikan soal-soal distilasi harus tersedia data-data keseimbangan uap-cair sistim yang dikenakan distilasi. Data keseimbangan uap-cair dapat berupa tabel atau diagram. Tiga macam diagram keseimbangan yang akan dibicarakan, yaitu :

· Diagram Titik didih
Diagram titik didih adalah diagram yang menyatakan hubungn antara temperatur atau titik didih dengan komposisi uap dan cairan yang berkeseimbangan. Di dalam diagram titik didih tersebut terdapat dua buah kurva, yaitu kurva cair jenuh dan uap jenuh. Kedua kurva ini membagi daerah didalam diagram menjadi 3 bagian, yaitu :
1. Daerah satu fase yaitu daerah cairan yang terletak dibawah kurva cair jenuh.
2. Daerah satu fase yaitu daerah yang terletak datas kurva uap jenuh.
3. Daerah dua fase yaitu daerah uap jenuh dan cair jenuh yang terletak di antara kurva cair jenuh dan kurva uap jenuh.

· Diagram Keseimbangan uap-cair
Diagram keseimbangan uap-cair adalah diagram yang menyatakan hubungan keseimbangan antara komposisi uap dengan komposisi cairan. Diagram keseimbangan uap-cair dengan mudah dapat digambar, jika tersedia titik didihnya.

· Diagram Entapi-komposisi
Diagram entalpi-komposisi adalah diagram yang menyatakan hubungan antara entalpi dengan komposisi sesuatu sistim pada tekanan tertentu. Didalam diagram tersebut terdapat dua buah kurva yaitu kurva cair jenuh dan kurva uap jenuh. Setiap titik pada kurva cair jenuh dihubungkan dengan gari hubung “tie line” dengan titik tertentu pada kurva uap jenuh, dimana titik-titik tersebut dalam keadaan keseimbangan. Dengan adanya kedua kurva tersebut, daerah didalam diagram terbagi menjadi 3 daerah, yaitu
1. Daerah cairan yang terletak dibawah kurva cair jenuh.
2. Daerah uap yang terletak diatas kurva uap jenuh.
3. Daerah cair dan uap yang terletak diantara kurva cair jenuh dengan kurva uap jenuh

Dibawah kurva cair jenuh terdapat isoterm-isoterm yang menunjukkan entalpi cairan pada berbagai macam komposisi pada berbagai temperatur.

2.2 Macam-macam Distilasi
Distilasi berdasarkan prosesnya terbagi menjadi dua, yaitu :
1. Distilasi kontinyu
2. Distilasi batch

Berdasarkan basis tekanan operasinya terbagi menajdi tiga, yaitu :
1. Distilasi atmosferis (0,4-5,5 atm mutlak)
2. Distilasi vakum (≤ 300 mmHg pada bagian atas kolom)
3. Distilasi tekanan (≥ 80 psia pada bagian atas kolom)

Berdasarkan komponen penyusunnya :
1. Distilasi sistem biner
2. Distilasi sitem multi komponen

Berdasarkan sistem operasinya terbagi dua, yaitu :
1. Single-stage Distillation
2. Multi stage Distillation

Distilasi Vakum
Distilasi vakum adalah distilasi yang tekanan operasinya 0,4 atm (300 mmHg absolut). Distilasi yang dilakukan dalam tekanan operasi ini biasanya karena beberapa alasan yaitu :
a. Sifat penguapan relatif antar komponen biasanya meningkat seiring dengan menurunnya boiling temperature. Sifat penguapan relatif yang meningkat memudahkan terjadinya proses separasi sehingga jumlah stage teoritis yang dibutuhkan berkurang. Jika jumlah stage teoritis konstan, rasio refluks yang diperlukan untuk proses separasi yang sama dapat dikurangi. Jika kedua variabel di atas konstan maka kemurnian produk yang dihasilkan akan meningkat.
b. Distilasi pada temperatur rendah dilakukan ketika mengolah produk yang sensitif terhadap variabel temperatur. Temperatur bagian bawah yang rendah menghasilkan beberapa reaksi yang tidak diinginkan seperti dekomposisi produk, polimerisasi, dan penghilangan warna.
c. Proses pemisahan dapat dilakukan terhadap komponen dengan tekanan uap yang sangat rendah atau komponen dengan ikatan yang dapat terputus pada titik didihnya.
d. Reboiler dengan temperatur yang rendah yang menggunakan sumber energi dengan harga yang lebih murah seperti steam dengan tekanan rendah atau air panas.

Distilasi Multikomponen
Perhitungan distilasi multikomponen lebih rumit dibandingkan dengan perhitungan distilasi biner karena tidak adapat digunakan secara grafis. Dasar perhitungannya adalah penyelesaian persamaan-persamaan neraca massa, neraca energi dan kesetimbangan secara simultan. Bila distilasi melibatkan C komponen dengan N buah tahap kesetimbangan maka jumlah persamaan yang terlibat dalam perhitungan adalah N × C persamaan neraca massa, N × C relasi kesetimbangan dan N persamaan neraca energi.

Perhitungan distilasi multikomponen dilakukan dengan 2 tahap :
1. Perhitungan awal, dilakukan dengan metode pintas (Shortcut Calculation)
Perhitungan awal digunakan untuk analisis kualitatif dari suatu kolom distilasi atau perhitungan awal rancangan dengan tujuan :
1.* Memperkirakan komposisi produk atas dan bawah
* Tekanan sistem
* Jumlah tahap kesetimbangan
* Lokasi umpan masuk
2. Perhitungan tahap demi tahap dilakukan dengan metode eksak yang merupakan penyelesaian banyak persamaan aljabar :
* Metode sederhana dengan kalkulator
* Metode MESH dengan program komputer

Single-stage Distillation
Single-stage Distillation biasa juga disebut dengan flash vaporization atau equilibrium distillation, dimana campuran cairan diuapkan secara parsial. Pada keadaan setimbang, uap yang dihasilkan bercampur dengan cairan yang tersisa, namun pada akhirnya uap tersebut akan dipisahkan dari kolom seperti juga fase cair yang tersisa. Distilasi jenis ini dapat dilakukan dalam kondisi batch maupun kontinyu.

2.3 Tray Tower
Tray tower merupakan bejana vertikal dimana cairan dan gas dikontakkan melalui plate-plate yang disebut sebagai tray. Fungsi dari penggunaan tray adalah untuk memperbesar kontak antara cairan dan gas sehingga komponen dapat dipisahkan sesuai dengan rapat jenisnya, dalam bentuk gas atau cairan. Jumlah tahapan atau tray dalam suatu kolom tergantung pada tingginya kesulitan pemisahan zat yang akan dilakukan dan juga ditentukan berdasarkan perhitungan neraca massa dan kesetimbangan. Efisiensi tray dan jumlah tray yang sebenarnya ditentukan oleh desain yang digunakan dan kondisi operasi, sedangkan diameter kolom bergantung pada jumlah gas dan cairan yang melewati kolom per unit waktu.

Untuk mendapatkan produk yang baik diperlukan alat kontak antara uap dengan cairan. Beberapa jenis alat kontak antara uap dengan cairan adalah bubble cap tray, grid tray, sieve tray dan valve tray.

Sieve Tray
Sieve tray merupakan jenis tray yang paling sederhana dibandingkan jenis tray yang lain dan lebih murah daripada jenis bubble cap. Pada Sieve tray uap naik ke atas melalui lubang-lubang pada plate dan terdispersi dalam cairan sepanjang plate. Cairan mengalir turun ke plate di bawahnya melalui down comer dan weir.

Meskipun sive tray mempunyai kapasitas yang lebih besar pada kondisi operasi yang sama dibandingkan dengan bubble cap, namun sieve tray mempunyai satu kekurangan yang cukup serius pada kecepatan uap yang relatif lebih rendah dibandingkan pada kondisi operasi normal. Pada sieve tray, aliran uap berfungsi mencegah cairan mengalir bebas ke bawah melalui lubang-lubang, tiap plate di desain mempunyai kecepatan uap minimum yang mencegah terjadinya peristiwa “dumps” atau “shower” yaitu suatu peristiwa dimana cairan mengalir bebas mengalir ke bawah melalui lubang-lubang pada plate.

Kecepatan uap minimum ini yang harus amat sangat diperhatikan dalam mendesain sieve tray dan menjadi kesulitan tersendiri dalam kondisi operasi sesungguhnya.Efisiensi sieve tray sama besarnya dengan bubble cap pada kondisi desain yang sama, namun menurun jika kapasitasnya berkurang di bawah 60% dari desain.

Sectional construction
Seksi plate dipasang pada cincin yang dilas di sekeliling dinding kolom bagian dalam dan pada balok-balok penyangga. Lebar balok penyangga dan cincin sekitar 50 mm, dengan jarak antar satu balok dengan yang lainnya sekitar 0.6 m. Balok penyangga dipasang horizontal sebagai penyangga plate, biasanya di bentuk dari lembaran yang dilipat atau dibentuk. Satu bagian dari plate di desain bisa di pindahkan yang berfungsi sebagai manway. Hal ini bertujuan untuk mengurangi jumlah manway yang dapat mengurangi biaya konstruksi.

Downcomers
Downcomer terdapat pada semua equilibrium-stage trays, bertujuan sebagai media cairan untuk mengalir dari tray atas ke tray di bawahnya. Downcomer di desain untuk menyediakan kapasitas penanganan cairan yang cukup untuk kolom distilasi dan pada waktu yang sama untuk memenuhi luas minimum dari area cross-sectional, sehingga area aktif dari pada tray akan maksimum. Jenis-jenis downcomer dapat dilihat pada gambar di bawah ini.Merupakan jenis yang paling sederhana dan murah dalam konstruksi dan paling memuaskan untuk berbagai macam tujuan. Channel downcomer dibentuk dari plat rata yang kemudian disebut apron yang dipasang dengan posisi ke bawah dari outlet weir. Apron biasanya vertikal, namun bisa juga agak miring untuk meningkatkan area plate untuk perforation.

Flooding
Flooding terjadi jika busa pada plate berakumulasi melebihi penyangga downcomer. Downcomer kemudian mengandung campuran yang mempunyai densitas yang lebih rendah dari cairan murni, kapasitasnya berkurang, level cairan meningkat pada downcomer sampai akhirnya mencapai tray di atasnya dan selanjutnya akan mencapai keadaan dimana cairan memenuhi kolom

Weep Point.
Weep point bisa diartikan sebagai kecepatan minimum uap yang dapat memberikan kestabilan kondisi operasi.

Tray spacing
Tray spacing merupakan jarak antara satu tray dengan tray yang lainnya. Biasanya sekitar 6 inci lebih pendek dari bubble cap tray. Sieve tray beroperasi pada spacing sekitar 9 inci sampai 3 inci. Yang biasa digunakan adalah sekitar 12-16 inci.

Hole Size, arrangement and Spacing
Diameter lubang dan pengaturannya bervariasi tergantung kebutuhan dan keinginan dari yang mendesain. Yang biasa dipakai untuk kegiatan komersil yaitu diameter ¾ dan 1 inci. Diameter lubang direkomendasikan untuk self cleaning yaitu 3/16 inci. Diameter ½ inci bisa digunakan untuk berbagai macam kebutuhan termasuk yang melibatkan fouling dan cairan yang mengandung solid tanpa kehilangan efisiensi. Diameter 1/8 inci sering digunakan untuk kondisi vakum

Pengaturan posisi lubang atau arrangement bisa berupa triangular pitch (segitiga) atau square pitch (segiempat), lebih jelasnya bisa dilihat pada gambar di bawah ini.Jika jarak antar lubang dua kali diameter maka cenderung akan mengalami “unstable operation”. Jarak lubang yang direkomendasikan adalah 2.5 do sampai 5 do, dan yang paling direkomendasikan 3.8 do.

Active Hole Area
Ialah luasan total pada plate termasuk di dalamnya ialah perforated area dan calming zone.

Perforated Area
Perforated area atau hole area ialah area pada plate dimana masih terdapat lubang-lubang tempat kontaknya cairan dan uap.

Calming Zone
Ialah area pada plate yang tidak terdapat lubang-lubang.
Height of Liquid Over Outlet Weir, how
Batas minimum tinggi weir adalah 0.5 inci, dengan 1-3 inci yang paling direkomendasikan. Untuk lebih jelasnya biasa dilihat pada gambar di bawah ini.

Untuk menentukan jumlah tahap yang dibutuhkan pada distilasi multi komponene diperlukan dua kunci, yaitu Light Key Component (LK) dan Heavy Key Component (HK) komponen. Light Key Component adalah komponen fraksi ringan pada produk bawah dalam jumlah kecil tapi tidak dapat diabaikan. Heavy Key Component adalah komponen fraksi berat pada produk atas dalam jumlah kecil yang tidak dapat diabaikan. LK dan HK diperlukan untuk mengetahui distribusi komponen lain. Jumlah tahap yang diperlukan untuk pemisahan juga tergantung pada rasio refluks (perbandingan refluks) yang digunakan.

R=
Dengan menaikkan reflux akan menurunkan jumlah tahap yang dibutuhkan dan menurunkan capital cost tetapi hal ini akan menaikkan kebutuhan steam serta operating cost. Sehingga diperlukan nilai rasio optimum yang memberikan biaya operasi yang rendah. Untuk mendapatkan beberapa sistem nilai rasio optimum antara 1,2 sampai 1,5 kali refluks minimum.

Efisiensi Tray
Efisiensi tray adalah pendekatan fraksional terhadap kondisi kesetimbangan yang dihasilkan oleh tray aktual. Untuk itu dibutuhkan pengukuran terhadap kesetimbangan seluruh uap dan cairan yang berasal dari tray, namun karena kondisi dari beberapa lokasi pada tray berbeda antara tray sartu dengan yang lain, digunakan pendekatan titik efisiensi akibat perpindahan massa tray

Untuk menghitung efisiensi dari pemisahan umpan menjadi produk atas dan produk bawah digunakan tahapan-tahapan sebagai berikut:

1. Menentukan jumlah plate minimum dengan metode Fenske.
2. Menetukan jumlah refluk minimum dengan metode Underwood.
3. Menentukan jumlah plate teoritis.