Perbedaan simulasi rate-based dengan equilibrium pada kolom distilasi

Bbrp waktu lalu, saya sempat pusing2 mengenai simulasi kolom distilasi dgn metode rate-based dan equilibrium mode. Sepemahaman saya yg pendek ini, simulasi dgn rate-based yg didasarkan pada heat and mass transfer rate calculation, kita tidak perlu memasukkan jumlah stage utk simulasinya. Ternyata, Aspen msh memerlukan jumlah stage utk dimasukkan sblm memulai perhitungannya. Buat apa kah jumlah stage dlm simulasi rate-based ini? Dlm pikiran saya, jumlah stage dlm rate-based digunakan sbg langkah2 perhitungan. Semakin besar jumlah stage yg kita masukkan, yg berarti semakin kecil langkah2 perhitungan kita, berarti hasilnya akan semakin akurat. Benarkah demikian?

Di bawah ini adalah perbandingan antara hasil simulasi rate-based dgn equilibrium utk sistem NH3 – H2O. Sistem ini disimulasikan utk mencapai 99.6 wt% NH3 vapor di distilat dan 1.5 wt% NH3 liquid di bottom.

Dpt kita lihat bahwa hasilnya sama secara praktik antara rate-based dan equilibrium utk semua jumlah stage yg saya masukkan. Semua duty ujung2nya bernilai sama.

Di mode equilibrium, duties akan menjadi rendah utk jumlah stage yg lbh besar. Dan spt yg kita kira bahwa tidak ada beda antara tipe packing yg digunakan, jika kita mensimulasikan dgn mode equilibrium.

Di mode rate-based, duties jg mjd lbh rendah utk jumlah stage yg lbh banyak atau utk langkah2 perhitungan yg lbh kecil.

Tipe2 packing yg berbeda2 ternyata jg tidak memberikan hasil yg berbeda di simulasi rate-based ini. Dan ini terlihat di semua “jumlah stage” yg saya masukkan. Kenapa hal yg bertentangan dgn pikiran saya ini bisa terjadi?

Alasannya terletak dr perbedaan relative volatility antara NH3 dgn H2O yg cukup besar spt yg kita lihat di gbr berikut. Dengan kurva x-y di bawah, terlihat bahwa jumlah stage yg diperlukan sbnrnya cukup sedikit (2 atau 3  stage sudah cukup). Sehingga perhitungan dgn jumlah stage yg besar tidak akan memberikan hasil yg berbeda.

Image

Jadi, utk sistem NH3-H2O, selama kita punya jumlah stage yg cukup atau tinggi packing yg cukup, tipe packing yg berbeda tidak menjadi masalah. NH3 bisa dipisahkan dgn baik dr H2O.

Pendekatan HETP bisa dilihat dr simulasi dgn rate-based, dan kita bisa menggunakannya utk menghitung kembali (krn kita tau tinggi kolom) berapa jumlah stage equilibriumnya. Kemudian, kita simulasikan secara equilibrium. Hasilnya spt  di bawah.

Image

Terlihat bahwa kolom distilasi yg ada sudah cukup tinggi, sehingga duty yg diperlukan tidak ada bedanya antara jumlah stage 33, 28, dan 40. Meskipun demikian kita bisa melihat bahwa structured packing lbh efisien dlm sistem ini. Terlihat dr jumlah equilibrium stagenya yg  lbh besar drpd kedua tipe random packing lainnya.

Krn penasaran, saya jg melakukan trial utk sistem Benzene – Toluene. Dasar perhitungannya spt berikut: 10000 kg/hr feed, 50wt% benzene, 2.5m packings above and 2.5 m below feed, 2 bara condenser. The goal is to draw 4500 kg/hr of liquid benzene with 99.5mol% purity.

Benzene – Toluene memiliki kurva binary spt di bawah. Sedikit lbh susah utk dipisahkan drpd sistem NH3-H2O.

Image

Di bawah ini adalah hasil simulasinya.

Di mode rate-based, ada perbedaan antara tipe packing utk semua langkah2 perhitungan (jumlah stage). Ini sesuai dgn perkiraan.

Sesuai dgn perkiraan jg klo di equilibrium mode, gak ada perbedaan antara tipe packing utk semua jumlah stage.

Dan ada perbedaan antara perhitungan rate-based dgn equilibrium. Ternyata, mellapak bukan packing yg baik utk sistem ini.

Klo kita ambil HETP yg dihitung lwt rate-based dan mensimulasikannya dgn equilibrium, kita akan dapat hasil spt di bawah. Perhatikan bahwa nilai duty nya sgt dekat dgn hasil perhitungan rate-based dgn langkah2 perhitungan yg cukup kecil (jumlah stage yg besar).

Image

Jelaslah bahwa melakukan simulasi equilibrium mesti mempertimbangkan jumlah stage yg bisa diperkirakaan lwt rate-based.

Kemudian saya naikkan tinggi packingnya dan lakukan simulasi rate-based utk Pall Rings. Hasilnya spt di bawah.

Image

Spt yg kita perkirakann bahwa packing yg lbh tinggi akan menghasilkan proses pemisahan yg lbh baik atau duty yg lbh rendah. Dan ini hanya bisa terlihat jika dilakukan dgn rate-based, tanpa kita mesti pusing2 memikirkan berapa banyak jumlah equilibrium stage yg dimiliki.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: