-
a. b. c. -
-
-
-
-
-
-
-
PERANCANGAN ALAT PROSES Peranan sarjana teknik kimia di industry pada bidang: Research and development Design Manufacturing Sales Sarjana teknik kimia (engineering) diharapkan dapat Harus tetap dapat bekerja dengan data yang kurang Dengan bantuan pengalaman yang dimiliki Kebutuhan yang rasional ---------------------------------------------------------------------Chemical engineering engineering design terdiri dari : Process design Equipment design Building design Design : prearranged plan didasarkan pada : Ruangan yang diperlukan Pemilihan dan spesifikasi proses equipment Lay out of prosess equipment sesuai dengan processing flows Plant location Plant site selection Future expantion ------------------------------------------------------------------------Designer harus mengenal baik tentang : Unit operation Unit processes sebagai dasar untuk perancangan / design dan pemilihannya/ selection -----------------------------------------------------------------------Kondisi operasi yaitu : Suhu Tekanan Korosi Over pressure/ vakum ----------------------------------------------------Perancangan alat proses harus mengingat : Dimana posisi perancangan alat proses / process equipment pada perancangan pabrik kimia Sebelum melihat posisi tersebut baiknya terlebih dahulu dibicarakan tugas yang dapat dilakukan oleh chemical engineer 1. Design 2. Construction 3. Operation ------------------------------------------------------------------------CHEMICAL PLANT Merupakan suatu sistem utuh yang dapat menghasilkan produk yang diinginkan dari bahan dasar tertentu Tersusun atas sub sistem – sub sistem yang berinteraksi satu dengan lainnya sedemikian rupa sehingga merupakan satu kesatuan yang utuh Sub sistem – sub sistem ini merupakan individual equipment (misal HE, distilasi column, vessel. Crystallizer, separator, reactor, mixer, filter, pump, dll) ------------------------------------------------------------------------Chemical engineering plant design Disebut juga plant design Plant design : menyangkut semua aspek rekayasa (engineering aspect) yang berkaitan dengan pengembangan apakah pabrik baru / modifikasi atau expansi pabrik yang telah ada Pada pengembangan ini chemical engineer mempunyai tugas melakukan :
Economic evaluation process baru Designing individual pieces of equipment untuk proyek o yang diusulkan Developing plant lay out untuk koordinasi overall o operation -----------------------------------------------------------------------Optimum design Pada setiap kasus yang dijumpai oleh seorang sarjana teknik kimia. Ada beberapa alternative methods (metode alternatif) yang dapat dipakai untuk suatu proses terpilih atau operasi untuk dapat dipakai menghasilkan produk yang sama Oleh karena itu maka merupakan tugas chemical engineer untuk memilih proses terbaik dan mengkombinasikan ke dalam design (perancangannya) equipment dan metode penggabungannya untuk menghasilkan hasil terbaik Sangat mudah menyatakan bahwa “saya ingin the best process” atau “saya ingin the best result” tetapi perlu untuk menganalisa pernyataan tersebut apa yang dimaksud Seorang engineer menggantikan kata the best menjadi optimum Optimum economic design o Optimum opration design o Perancangan alat – alat process mempunyai beberapa tingkatan perancangan sesuai dengan perancangan pabrik kimia Tingkatan perancangan dibedakan sebagai berikut 1. Perancangan alat proses sekedar untuk memperkirakan harga alat. Hanya diperlukan dalam preliminary design saja. Biasanya dijalankan dengan cara tepat dengan menggunakan perkiraan – perkiraan yang kasar terhadap data teknik yang diperlukan dan juga dengan pertolongan rumus – rumus empiris, table – table, monogram, grafik dll untuk mendapatkan besaran yang menentukan suatu harga. Misal dalam perancangan tower, untuk dapat menentukan harga tower cukup dengan mengetahui diameter, jumlah plate dan bahan konstruksi saja. o
-
-
-
-
-
-
2.
Perancangan alat proses yang dapat memenuhi tugas tertentu Dapat dilakukan dengan cara menggunakan rumus – rumus dan pengetahuan – pengetahuan teknik kimia, tetapi dapat juga menggunakan bantuan pertolongan hasil pengalaman orang lain atau pabrik pembuat alat yang dirancang, yang biasanya juga berbentuk informasi langsung rumus empiris, tabel – tabel, grafik dan lain – lain, hal ini dapat untuk memperpendek waktu perancangan. 3.
Perancangan alat proses yang dapat memenuhi tugas tertentu tetapi dipilih yang terbaik (optimum) dengan cara optimasi Dijalankan dengan optimasi alat – alat yang dapat dihasilkan dengan cara ke 2. Biasanya dilakukan dengan bantuan komputer. 4. Perancangan alat proses secara mendetail Dibuat setelah konsultasi dengan pabrik pembuat alat proses kemudian baru dibuat “detail design” lengkap yang telah siap untuk dibuat di dalam pabrik alat – alat proses. Dalam perancangan alat proses, perancang harus berusaha memilih alat proses dengan ukuran standar karena alat standar memiliki harga yang lebih rendah, ada “ready
-
-
-
-
-
a.
stock”, dijamin dapat bekerja lebih baik dan pemeliharaannya lebih mudah. Kalau tidak terpaksa sekali perancangan alat jangan sampai memutuskan untuk memesan alat khusus “(special equipment)” . Seorang perancang alat proses harus tahu bagaimana cara – cara membuat alat proses sehingga dapat memudahkan perhubungan/komunikasi dengan pembuat alat proses, misal pada waktu memesan atau mencari informasi tentang alat proses. ------------------------------------------------------------------------Tugas Perancang alat proses Membuat spesifikasi alat, mula – mula berbentuk “preliminary specification, kemudian disempurnakan menjadi final specification atau dikirim ke tempat pemesanan alat memnberikan saran – saran, baru dibuat final specification’. ------------------------------------------------------------------------“preliminary specification sheet : Identification Function Operation Basic design data Dimana basic design data harus memuat antara lain : Size o Operating o Number and location of openings o Type of flanges and heads o Code o Variation allowances o Keterangan – keterangan lain yang dipandang perlu o Materials handled Utilitas Control Insulation Tolerances Comments and drawing ------------------------------------------------------------------------Variabel perancangan Dalam perancangan selalu menghadapi pemilihan variable yang tepat untuk mendapatkan hasil perancangan lat proses yang optimum
Misal, merancang tangki cairan Variable operasinya : 1. Suhu/ tekanan 2. jenis cairan yang disimpan 3. panas yang harus di ambil ditambahkan Variabel alatnya : 1. bentuk/jenis tangki : tergantung tekanan operasi 2. Perbandingan D/H atau L/D. tergantung tekanan operasi 3. Tebal isolasi: tergantung panas yang harus diambil / ditambahkan 4. Bahan isolasi: macam cairan yang disimpan ------------------------------------------------------------------------Dalam memperlajari variable – variable perancangan, perlu ditinjau beberapa hal seperti : Tipe – tipe variable Variable – variable untuk unit pemisahan sebagai berikut :
-
-
Konsentrasi merupakan variable intensif yang dapat berdiri dari jumlah bahan yang ada Suhu merupakan variable intensif yang dapat berdiri dari jumlah bahan yang ada Tekanan merupakan variable intensif yang dapat berdiri dari jumlah bahan yang ada Kecepatan, merupakan variable extensip dan tergantung pada bahan yang ada. Batas kecepatan digunakan untuk kepentingan aliran bahan maupun aliran panas. Variable ulangan Nr (‘repetition variables’). Variable ini merupakan derajat kebebasan tunggal yang digunakan perancang ketika memerinci elemen – elemen istimewa dalam satu unit terjadinya pengulangan – pengulangan contoh distilasi yang tersusun atas catu “stage” kesetimbangan, untuk memerinci jumlah stage dipakai derajat kebebesan tunggal.
b.
Hubungan batasan (‘restricting relationship)” Variable Nc untuk suatu sistem tidak mudah untuk dihitung. Dalam menghitung Nc akan lebih mudah jika mengetahui seluruh batasan – batasan yang mungkin, yaitu dibagi dalam tipe – tipe sebagai berikut :
1.
Batasan yang tidak dapat dipisahkan “interent restriction” Batasan ini diambil untuk bentuk persamaan dari 2 atau lebih variable misal konsep kesetimbangan “stage” sebagai “inherent restriction” adalah suhu d an tekanan aliran setimbang yang meninggalkan “stage” harus identik dengan suhu dan tekanan aliran sisa yang lain.
2.
Batasan neraca massa (“material balance restriction”) Suatu neraca massa keseluruhan dapat ditulis untuk masing – masinng komponen yang ada. Batasan neraca massa yang digunakan berdiri sendiri dari “inherent restriction” di atas
3.
Batasan neraca panas (“heat balance restriction”) Dimasukkan dalam batasan neraca tenaga. Batasan neraca tenaga ini mencakup baik aliran bahan maupun aliran panas.
4.
Batasan distribusi fase (phase distribution restriction) Masing – masing komponen dalam sistem lebih dari 1 fase menyebarkan dirinya diantara bermacam – macam fase secara khusus. Jika seluruh komponen ada dalam seluruh fase, maka jumlah hubungan batasan yang harus diberikan untuk distribusi = c (Np – 1) c= jumlah komponen, Np = jumlah fase yang ada
5.
Batasan kesetimbangan kimia (“chemical equilibrium restriction”) Macam – macam konstituen kimia pada sistem – sistem dengan reaksi kimia, akan ada hubungannya dengan batasan kesetimbangan kimia ini hanya sebagai pelengkap saja karena tidak akan merupakan suatu factor untuk sistem yang dianalisa
c.
Analisa elemen khusus/ istimewa Aturan analisa untuk unit harus dikembangkan berdasar pertimbangan – pertimbangan banyaknya elemen serta merupakan suatu cara tetap yang dipakai menghitung variable – variable dan batasan – batasan.
Dalam mempelajari hubungan variable – variable dari batasan – batasan dapat ditinjau beberapa hal sebagai berikut : a. Aliran tunggal (“single stream”) b. Pembagi aliran (“stream devider”) c. Pencampur (“mixer”) d. Pompa, pemanas, pendingin e. Kondenser total, atau reboiler total f. Kondenser parsiil atau reboiler parsiil g. “Simple equilibrium stage” h. “Feed stage” i. “Side stream stage” d.
e.
1.
Gabungan elemen – elemen untuk membentuk unit – unit Gabungan elemen – elemen untuk membentuk unit – unit dalam analisa suatu unit tidak perlu menghitung tiap – tiap variable dan tiap – tiap batasan yang ada, melainkan dapat disederhanakan dengan analisa elemen secara terpisah selanjutnya hasil analisa elemen – elemen ini digabung serta didapatkan analisa suatu unit Analisa tipe – tipe unit ------------------------------------------------------------------------Macam unit antara lain Unit absorpsi sederhana atau unit ekstraksi Unit ini memuat gabungan N “simple equilibrium stage” dan jika masing – masing memperlihatkan 4 aliran bahan maka “stage” ke tak dibatasi oleh suatu “feed stage” maupun “side stream stage”
-
-
Fungsi dan lokasi bejana Cairan yang disimpan Operasi : temperature, tekanan Tempat penyimpanan/ kapasitas proses untuk kebutuhan volume ------------------------------------------------------------------------Bejana diklasifikasikan ,menurut : Fungsi perawatan Temperature Tekanan Bentuk bahan/ geometri dari bejana ------------------------------------------------------------------------Jenis – jenis bejana yang umum diklasifikasikan menurut geometrinya : Tangki terbuka Tengki yang dasarnya rata Bejana silinder vertical dan horizontal dengan bentuk akhir Bejana berbentuk bola / modifikasi bola ------------------------------------------------------------------------Bejana terbuka Digunakan tergantung Operasi Cairan yang ditangani Biaya lebih murah dari pada bejana tertutup Biasanya dibuat dari karbon, beton, juga dari kayu Masalah : korosi dan kontaminasi
-
Bejana tertutup Cairan yang mudah terbakar Cairan yang menghasilkan asap Cairan yang mudah busuk Gas
-
-
o o
-
-
1. 2. 3. 4. 5.
-----------------------------------------------------------------------BAB III Perancangan Bejana Dalam perancangan bejana yang penting yang perlu diperhatikan pemilihan jenis yang terbaik untuk perawatan Faktor utama dalam pemilihan bejana :
1. a. -
b.
Bejana silinder Bagian bawah rata, atas kerucut Yang ekonomis untuk operasi bejana tertutup pada tekanan atmosfer (tangki silinder vertical) Bejana berbentuk bola Volume besar Tekanan rendah ------------------------------------------------------------------------Faktor – faktor yang berpengaruh dalam perancangan bejana : Pemilihan jenis bejana: terbuka, tertutup Metode pembuatan : peleburan pengelasan, pengelasan standar, jenis sambungan Jenis – jenis ukuran : didasarkan pada fungsi peralatan yang dibutuhkan dari bejana Pertimbangan ekonomi Perkiraan besarnya biaya ------------------------------------------------------------------------Standar dalam perancangan bejana Standar perancangan merupakan salah satu pertimbangan terhadap berbagai macam kegagalan. Kegagalan dapat disebabkan : Kelebihan deformasi elastic Tegangan Dapat terjadi karena banyaknya beban tersebut dipindahkan. Contoh pegas baja dalam jam Pengkondisian peralatan : tegangan, seperti regangan, tekanan, belokan , dan pilitan Modulus elastisitas
c. 2. a. b. 3. a. b. 4. a. b. c. 5. 6. a.
b.
c. -
d. e. f. -
Kekerasan diperhatikan pada bagian perancangan untuk membatasi jumlah nilai deformasi yang diijinkan Modulus elastisitas : perbandingan konstan antara tegangan dan regangan Belokan elastis Gaya yang dihasilkan sangat komplek Perhitungan rumit Ketidakstabilan elastis Berhubungan dengan struktur dan dipengaruhi oleh tekanan, pembekokan, pemulasan Adalah suatu kondisi dimana bentuk struktur diubah sebagai akibat dari kekerasan yang kurang Contoh : pembengkokan bejana silinder dibawah tekanan luar sebagai akibat keadaan vakum Kestabilan kolom Selubung bejana dibawah beban sekitar poros Ketidakstabilan plastis Hubungan tegangan regangan Tegangan – tegangan dibatasi sampai harga yang diijinkan sampai aman digunakan Diambil sebagai dasar untuk menetapkan tegangan kerja yang diijinkan aman : hasil uji tarik sampel standar Tegangan yang diijinkan Misal baja ringan gulung batas tegangan yang diijinkan 20.000 psi Dll Putus rapuh Membentuk kerapuhan Dampak menguji -> fungsi suhu Ketegangan energi Siklus muat Karena pengulangan tekanan tinggi Faktor lain yang mendukung pecahan rapuh Baja dikontakkan ke hydrogen padat dan tekanan tinggi -> rapuh/retak Timbul perlahan – lahan Tergantung dari sifat (asal) material, tekanan, suhu Korosi Korosi seragam Kecepatannya tergantung : media korosi, kecepatan aliran fluida, suhu Korosi geseran (impingment attack) Dibawah kondisi operasi normal pada beberapa bagian terlihat kekuatan yang merusak dari daerah sirkulasi yang mempunyai kecepatan relative besar Korosi sel berkonsentrasi Disebabkan aliran udara yang silih berganti Retakan – retakan, celah – celah, lapisan – lapisan yang menyerap dalam patahan – patahan dalam lapisan pelindung merupakan sumber korosi Korosi tumpukan Kerak Korosi sel galvani Logam yang tidak sama mengalami kontak satu sama lain Korosi tekan Reaksi serempak dari tekanan – tekanan dan kondisi korosit tertentu
PERANCANGAN MENARA
Contoh : menara distilasi, absorbs dll
-
1. 2. 1. 2. 3. 4. 5. 6.
1.
2. 3.
a.
b.
Menara distilasi Merupakan salah satu cara pemisahan yang paling banyak digunakan karena operasi dan alatnya yang murah dan mudah terutama pemakaian tenaganya tergolong paling rendah Perancangan menara distilasi meliputi Perancangan menara distilasinya sendiri Perancangan urut – urutan pemisahan masing – masing komponen Perancangan seluruh menara meliputi Tekanan dan suhu operasi Jumlah “trays” Diameter menara Tray spacing Umpan dan letak Bahan konstruksi ------------------------------------------------------------------------Suhu dan tekanan operasi Suhu serta tekanan operasi pada menara makin keatas makin rendah, karena jika sama tidak terjadi aliran, guna memudahkan penentuan suhu operasi serta kondisi lain tekanan seluruh menara dapat dianggap sama. Dalam menentukan tekanan dan suhu operasi perlu memperhatikan hal – hal sbb: Sifat zat – zat masing – masing dengan campurannya. Misal : zat tidak mudah terpolarisasi atau tidak, suhu, tekanan, dan konstanta kesetimbangan k. terutama pada bagian puncak menara harus keadaaan kritisnya (Tc dan Pc). Jika operasinya dekat atau melebihi keadaan kritis tersebut maka tidak bias diembunkan. Jadi kondisi puncak harus jauh dibawah titik kritisnya. Campuran zat – zat yang akan didistilasi. Contoh campuran azetrop atau bukan Utilitas yang ada atau yang harus diadakan meliputi pendingin kondensor dan pemanas reboiler serta perbedaan suhu yang diijinkan antara zat tersebut dengan utilitasnya. ------------------------------------------------------------------------Pendingin kondensor Tugas: mengembunkan uap puncak menara Macam – macam pendingin : Air pendingin Paling banyak dipakai Mempunyai suhu kira – kira sama dengan suhu sekeliling Pemilihan suhu perancangan harus diambil suhu O sekeliling yang paling tinggi biasanya 30 – 36 C O ∆T yang diijinkan : 6 – 20 C Refrigeration Digunakan sebagai pendingin kondenser untuk mencegah penggunaan tekanan operasi yang terlalu besar atau pada kasus lain supaya suhu dan tekanan operasi rendah atau agar fluida yang dipisahkan tidak rusak karena terjadi polimerisasi dll Pemakaian refrigeran disesuaikan dengan suhu yang diinginkan misal : untuk mencapai suhu yang rendah cukup dengan NH3, Freon, propan. Untuk mencapai suhu yang lebih rendah lagi menggunakan propilin, etilen Untuk suhu yang rendah sekali : propilin etilen dan metan. Refrigeration Suhu
O
Freon, NH3 C3H8 C3H6 C3H4 CH4 c.
d.
e.
a. -
b.
c. -
d.
-20 C O -30 C O -35 C O -100 C O -150 C O
∆T yang diperbolehkan : 3 – 10 C
Udara pendingin Digunakan untuk daerah – daerah yang kekurangan air misal cilacap. Coolernya dipakai jenis : “fin – fan cooler”. Suhu udara pendingin = suhu sekeliling. O ∆T yang diperbolehkan : 20 – 50 C “process fluid” Digunakan fluida yang lebih dingin dari menara yang lain misal pendingin menara yang satu merupakan hasil yang keluar dari dasar menara yang lain, sehingga alatnya dapat mempunyai fungsi ganda dimana sebagai kondenser menara yang satu tetapi juga sebagai reboiler menara yang lain. O ∆T yang diijinkan : 10 – 20 C “steam boiler” Pendingin yang dipakai air karena tekanannya dibuat rendah sehingga dihasilkan uap dengan tekanan rendah. O ∆T yang diijinkan : 20 – 40 C ------------------------------------------------------------------------------Pemanas Reboiler Fungsi : menguapkan hasil yang keluar dari dasar menara Pemanas yang banyak dipakai : uap air, “process fluid”, api langsung dan “hot oil” Uap air Sebagai pemanas yang banyak digunakan Suhu tergantung pada tekanan Umumnya dipakai uap air jenuh yang akan keluar sebagai embunan O ∆T yang diijinkan : 10 – 60 C
Process fluid Dipakai hasil puncak menara yang lain atau fluida yang lain, yang suhunya lebih tinggi dari reboiler O ∆T yang diijinkan : 10 – 20 C Api langsung Pemanas merupakan api yang langsung dari pembakaran bahan bakar sehingga suhunya semakin tinggi Pemanas dengan suhu terlalu tinggi tidak disukai karena dapat merusak hasil dasarnya sehingga penggunaan api langsung dapat dipakai kalau dipandang cukup aman Hot oil Pemanas ini dipakai untuk suhu reboiler yang cukup tinggi O ∆T yang diijinkan : 20 – 60 C
Contoh Soal
Suatu menara distilasi yang berisi 50%, 30 %, dan 20 % mol pentane, hexane, dan heptana. Diharapkan hasil bawah hanya 1 % mol pentane, R=4, tekanan 1 atm. Umpan dipanaskan sampai titik didih dimasukkan pada plate yang suhunya sama. Hasil atas 0.5 % hexane dan pentane diabaikan. Ditanyakan: a. Jumlah plate teoritis b. Letak feed plate P = 1 atm = 14,7 psia R=4 Tabel Neraca Massa Komponen Pentana Hexana Heptana Feed 50 30 20 Destilat VD LD
99.5
Bottom VB LB
1
C5
0.5
0
C6
C7
Missal F = 100 mol, maka D = 100-B Untuk Pentana: 0.5 F = 0.995 D + 0.01 B Untuk Hexana: 0.3 F = 0.005 D + (X6) B Untuk Heptana: 0.2 F = 0 D + (X7) B 0.5(100) = 0.995 (100-B) + 0.01 B 50 = 99.5 – 0.995 B + 0.01 B 0.985 B = 49.5 B = 50.25 D
= 100 – B = 100 – 50.25 = 49.74
0.3(100) = 0.005 (49.75) + (X6) (50.25) 30 = 0.249 + 50.25 (x6) X6 = (30 – 0.249)/50.25 = 0.592 0.2(100) = X7 (50.25) X7 = 20/50.25 = 0.398
