Sieve-Tray (Perforated-Plate) Tower

Sieve Tray merupakan jenis tray atau perangkat transfer massa yang paling

sederhana, lebih murah dan paling banyak digunakan karena kesederhanaan,

fleksibilitas, kapasitas dan efektifitas biaya daripada dibandingkan jenis tray yang

lain.

Multistage merupakan menara countercurrent yang sangat efektif,

keduanya menggunakan kapasitas liquid-handling dan effisiensi ekstraksi,

terutama untuk sistem yang menggunakan tekanan interfacial rendah tidak

memerlukan pengadukan mekanis untuk mendapatkan dispersi yang baik.

Efektifitas perpindahan massa yang dihasilkan :

1. Pencampuran aksial dari fase kontinyu adalah mengikat bagian antara tray-

tray dan tidak menyebar melalui tower dari stage ke stage

2. fase dispersi yang turun menyatu dan membentuk kembali pada setiap

tray, menghancurkan tendensi untuk membuat gradien konsentrasi dengan

penurunan yang tahan dengan seluruh ketinggian menara.

Prinsip Kerja pada Sieve Tray

Sebuah tower yang memiliki design sederhana seperti yang ditunjukkan

dengan gambar 10.44, dimana dengan susunan biasa dari plates tersebut dan titik

penurunan adalah sama besar dengan hubungan gas-liquid. Gambar tersebut

menunjukkan susunan dari dispersi liquid yang ringan. Liquid yang ringan

melewati perforasi atau lubang-lubang kecil, dan gelembung-gelembung akan

muncul melalui fase continues yang berat dan menyatu pada sebuah layer,

dimana berakumulasi dibawah setiap plate. Aliran liquid yang berat melewati

setiap plate melalui penurunan tekanan dan melalui penurunan titik menuju plate

dibawahnya. Penurunan titik dan membawa liquid yang ringan dari plate menuju

plate, dimana liquid berat mengalir melalui perforasi atau lubang-lubang kecil dan

dispersi menjadi turun. Sebagai alternatif, liquid berat dapat didispersikan dalam

satu bagian dari tower tersebut dan liquid ringan pada bagian lainnya, dimana

principal interface merupakan bagian pusat dari tower yang terletak di kolom

tower paling atas. Tray dengan aliran yang berlawanan dari gambar 10.44 adalah

cocok untuk tower yang ukurannya relative kecil diameternya (sampai sekitar 2

m). Untuk tower ukuran besar, penurunan titik multiple dapat diatur pada interval

yang berlawanan dengan tray.

Figure 10.44 Sieve tray extraction tower, arranged for light liquid dispersed

Sieve-Tray Hydraulics

Kapasitas aliran dari media penyaring bergantung pada karakteristik drop

pembentukan system yaitu kecepatan terminal drop, penahanan fase terdispersi,

dan penurunan tekanannya. Dengan karakteristik ini, kita dapat mengembangkan

rancangan dan dapat memperkirakan kecepatan transfer massanya.

Drop Formation

Liquid yang terdispersi akan mengalir melalui lubang-lubang kecil yang

berdiameter 3 mm sampai 8 mm, dapat diatur dari ukuran 12 sampai 20 mm. Jika

cairan drop dapat membasahi plate, ukuran drop akan menjadi lebih besar

sehingga untuk menghindari kesulitan ini kita dapat menggunakan nozel kecil

yang diarahkan dari permukaan. Akibatnya tetesan yang jatuh dari nozel dapat

merata ( gambar 10.45 ) pada permukaan secara langsung pada pembentukan

drop.

Tidak ada perpindahan massa yang terjadi, dan efek dari pembentukan

dropnya belum terlihat, ketika fase yang terdispersi dari lubang kecil di plate tidak

terdispersi secara baik oleh cairan drop, maka ukuran drop berbanding lurus

dengan kecepatan yang melalui lubang. Pada kecepatan normal, penggumpalan

akan terjadi pada kecepatan dispersi liquid mula-mula dan drop dibentuk melalui

pemisahan gumpalan. Kecepatan melalui lubang ketika penggumpalan dimulai

dapat diperkirakan, kecepatan penggumpalan akan bernilai sekitar 0,1m/s (0,3

ft/s) untuk kecepatan yang berada dibawahnya, ukuran dropnya dapat

diperkirakan dari kedua korelasi (ukuran dan kecepatan). Pada gambar 10.46 pada

kecepatan yang lebih dari 0,1 m/s , ukuran dropnya tidak dapat diseragamkan.

Pada ekstraksi, untuk memaksimalkan permukaan interface dari semua drop ,

penting untuk memastikan kecepatan perpindahan massanya,, dan kecepatan

melewati lubang Vo maks yang dapat diperkirakan dari ,

pers (10.73)

Rasio diameter lubang adalah,

pers (10.74a dan 10.74b )

[ persamaan 10.73 dan 10.74 dapat digunakan pada unit yang lain ]. Diameter

drop memiliki nilai sekitar dp = 2dj . Nilai dari σ yang digunakan berada ditengah

antara campuran kedua solvent, dan nilai kesetimbangan pada sistem ekstraksi ini

dapat diperkirakan. Persamaan (10.73) dan (10.74) dapat digunakan pada desain

media penyaring, tapi jika dalam perhitungannya nilai dari kecepatan kurang dari

0,1 m/s, maka Vo harus diatur pada nilai terendah dari 0,1 menjadi 0,15 m/s dan

diameter dropnya harus diperkirakan berdasarkan gambar 10.46.

figure 10.45 punch perforations for dispersed phase

Gambar 10.46 diameter drop untuk dispersi pada liquid yang tidak saling melarut yang mengalir melalui nozzle dan lubang.

Drop Terminal Velocity

Perhitungan untuk nilai V1 didasarkan pada kecepatan terminal dari liquid

yang jatuh di media liquid. Kecepatan jatuh bebas bergantung dengan densitasnya

masing-masing terhadap gravitasi. Hal ini disebabkan karena gerak dan sirkulasi

internal dengan tetesan, kecepatan permukaannya tidak nol untuk solid. Dengan

menaikkan diameternya, terjadi perubahan ukuran drop, dimana bentuk tetesan

tidak lebih bulat ( meskipun ini tidak digambarkan dengan dp sebagai diameter

bulatan pada volume yang sama ) dan jatuhnya berubah. Kecepatan terminal dari

perubahan ukuran adalah maksimal dan untuk ukuran yang lebih besar kecepatan

jatuhnya lebih lambat dengan meningkatnya diameter. Analisa dimensinya

ditunjukkan dengan Re = f (Cd,We) dimana Re adalah Reynold Number tetesan

pada kecepatan terminal. We adalah tetesan pada Weber number, dan CD

merupakan suatu koefisien drag. Untuk liquid murni ( tidak ada permukaan aktif,

tidak ada transfer massa ) dan fase viskositas selanjutnya kurang dari 0,005 kg/ms

( 5 cP ). Korelasi Hu-Kintner ( gambar 10.47 ) menunjukkan hubungan

fungsional. Nilai U dapat diperoleh dari:

persamaan (10.75)

Dan kecepatan perpindahan maksimal terjadi pada ordinat di gambar 10.47 yang

hasilnya mendekati 70 atau jika

persamaan (10.76)

Untuk kecepatan fase kontinu yang lebih besar, tapi tidak melebihi 0,030 kg/ms

(30cP) ordinat dalam gambar 10.47 harus sesuai dengan (µw/µc)0,14

dimana µw

adalah viskositas air.

Downspots

Isi pada tower akan meluap jika jumlah tetesan fasa terdispersi berlebihan

melalui downspouts (atau upspouts) dalam fasa kontinyu. Kecepatan fluida dalam

downspouts Vd harus kurang dari semua kecepatan terminal yang terkecil.

Kurva pada Gambar 10.47 tidak boleh diekstrapolasikan ke nilai lebih rendah.

Untuk nilai ordinat di bawah 1.0, Persamaan Klee dan Treybal memberikan hasil

yang lebih tepat untuk µc < 0,002 kg/ms (2cP) :

Re = 22,2 CD-5,18 We-0,169 (10.77a)

Dapat diubah menjadi :

Vt =

berlaku untuk setiap konsisten selama nilai dp lebih kecil dari dp trans, misalnya

tetesan lebih kecil dari 0,6-0,8 mm dan downspout cross section Ad ditentukan.

Downspouts dipasang flush dengan tray, agar tidak ada yang mengalir keluar dari

menara gas-cair yang digunakan.

Coalesced Liquid on The Trays

Kedalaman h pada liquid yang terdispersi berakumulasi di setiap tray

ditentukan oleh penurunan tekanan yang diperlukan untuk liquid yang berlawanan

arah.

Dimana hC dan hD adalah kumpulan dari masing-masing cairan. Kumpulan

tersebut didispersikan dari hD cair yang diperlukan untuk aliran yang melalui

lubang pada tray hD yang diperlukan untuk mengatasi tegangan permukaan hD.

Nilai ho dapat dihitung dari persamaan dengan koefisien 0,67

ho, penting ketika fasa terdispersi mengalir lambat, dapat dihitung dari

Dimana dps adalah diameter drop yang dihasilkan pada kecepatan perforasi Vo =

0,03 m / s (0,1 ft / s) dengan kecepatan perforasi dimana penggumpalan pada dispersi

liquid dari perforasi cair, ho dapat dihilangkan

Hal utama yang diperlukan untuk aliran dari fasa kontinyu hc termasuk

kehilangan yang disebabkan

1. Gesekan pada downspout tersebut, biasanya dapat diabaikan,

2. Kontraksi dan ekspansi saat memasuki dan meninggalkan downspout itu,

setara dengan kecepatan awal 0,5 dan 1,0, masing-masing,

3. Dua perubahan yang tiba-tiba dalam arah di setiap ekivalen hingga

kecepatan awal 1,47. Oleh karena itu Nilai hc secara substansial sama

dengan kecepatan awal 4,5, atau

perhitungan h harus kecil, sekitar 50 mm atau kurang, akan berbahaya jika tidak

semua lubang kecil akan beroperasi pada tray yang diinstal pada level yang tepat.

Pada keadaan tersebut, sebaiknya untuk meningkatkan nilai hc adalah dengan

menempatkan pembatasan di bawah downspout (atau bagian atas upspouts), efek

yang dapat dihitung sebagai aliran yang mengalir melalui lubang.

Dispersed-Phase Holdup

Ruang antara tray dan coalesced-layer pada tray berikutnya telah terisi

dengan dispersi dari liquid yang terdispersi dalam cairan terus menerus. Pada

kecepatan aliran ini yang menyebabkannya meluap, telah ditetapkan [4,80] bahwa

rasio kecepatan Vs menuju kecepatan terminal Vt dari sebuah partikel tunggal (φD

= 0) merupakan fungsi yang unik dari φD holdup fasa terdispersi-untuk semua

sistem perpindahan partikel fluida bergerak secara vertikal, termasuk gas-padat,

cair-padat, dan cair-cair. kecepatan yang masuk adalah kecepatan relatif bersih

antara dua fase, dan mengalir secara countercurrent

Hubungan dari Zenz [84] (Gambar 10.48), berasal dari sistem fluida-padat,

menyediakan fungsi (Vs / Vt, φD), dengan Vt untuk padatan diberikan oleh kurva

untuk φD = 0. Untuk sieve-tray ekstraktor, VD menjadi Vn, dan ketika fase kontinyus

mengalir secara horizontal, VC dianggap sebagai nol, sehingga

Ilustrasi 10.18 menjelaskan, penggunaan hubungan tersebut. Daerah khusus

antara permukaan sesuai dengan yang telah diberikan holdup oleh Persamaan. (6.9).

Sieve-Trays Mass Tranfer

Perpindahan massa terdiri dari tiga pemisahan :

1. Pembentukan drop dan penguraian

2. Kenaikan drop (atau penurunan),

3. Peleburan drop pada lapisan liquid yang dilebur pada tray.

Mass Transfer During Drop Formation

Ditinjau dari banyak studi, banyak fenomena yang terjadi. Terdapat

beberapa fenomena yang mempengaruhi seperti; rata – rata formasi penurunan,

meskipun penurunan telah dibentuk pada nozzle atau lubang pori-pori pada plate

atau pada ujung jet, masuk dan keluar turbulen interfacial atau surfaktan.

Walaupun cukup rumit untuk menjelaskan beberapa data, banyak yang berbeda

dari data yang sekarang. Koefisien perpindahan massa KLDf dapat didefinisikan

menjadi

Nf = KLDf(cD – c*D) (10.85)

Dimana Nf adalah flux, waktu rata-rata dari pembentukan formasi drop Өf,

dan berdasarkan dari area Af. Jika kita asumsikan beberapa mekanisme dari

perpindahan massa untuk liquid pada bagian lain dari interface, seperti pembaruan

permukaan, teori penetrasi, peregangan permukaan, jadi kLCf = kLDf (Dc/DD)0,5,

dapat ditentukan :

(10.86)

Secara teori dari perpindahan massa, selama pembentukan drop biasanya menjadi

kLDf = const

(10.87)

dengan nilai constant sekitar 0,857-3,43 tapi kebanyakan pada 1,3 – 1,8 kecuali

ada permukaan turbulen atau surfaktan.

Mass Transfer During Drop Rise (or Fall)

Sifat dari penurunan berbeda dari drop tunggal. Untuk drops yang kecil ( dp <

dp,trans ) dapat dihitung :

Koefisien fase terdispersi KLDr telah diberikan oleh persamaan ( 10.66 ) dan table

10.1. Untuk drop yang besar ( dp > dp,trans ) dimana bisa naik ataupun turun, teori

surface-stretch dapat dituliskan :

dimana

dan

δ adalah faktor karakteristik amplitudo tanpa dimensi pada kisaran sistem dan

dapat diambil sekitar 0,2 dari data yang lebih spesifik. Sebagai pembentukan drop.

Mekanisme yang sama diasumsikan untuk menjalankan fase pada kedua bagian

permukaan, sehingga dapat ditunjukkan dengan persamaan ( 10.86) dengan

menggunakan KLDr.

Mass Transfer During Drop Coalescence

Pengukuran eksperimental tentang kualitas ini sangat sulit, dan hasilnya

sulit untuk dilihat. Data hanya untuk beberapa system yang berkorelasi empiris.

Koefisien transfer massa memiliki urutan besaran yang kurang dari pembentukan

drop, dan area yang berada dibawahnya sulit untuk disimpulkan. Jadi hasilnya,

bahwa KDc = 0,1 KDf berdasarkan area drop Ap.

Stage efficiency

Berdasarkan Fig.10.49a, yang menunjukkan bagian skematik melalui

bagian dari sebuah sieve-tray tower. Kurva kesetimbangan dan operasi yang

mewakili keseluruhan ekstraktor ditunjukkan ada Fig.10.49b. Kurva DBE

digambarkan diantara kurva ekuilibrium dan operasi, sepanjang jarak fraksional

seperti BC/AC yang sama dengan efisiensi Murphree dispersed-phase stage EMD.

Langkah pada diagram lalu mewakili jumlah stage sebenarnya, untuk gas

absorption (Fig.8.16) dan distillation (Fig 9.48)

(10.92)

b tidak berdimensi dan Eq. (10.91) ditulis dengan dp pada meter. Untuk dp pada

feet, koefisiennya 0.805

Velocity yang relatif rendah berlaku pada ekstraktor likuid berarti bahwa

fase kontinu dapat diasumsikan bercampur seluruhnya oleh gerakan dari tetesan

fase disperse dan di semua permukaan konsentrasi solute adalah cCn. Total laju

ekstraksi yang terjadi pada stage n adalah :

(10.93)

Persamaan (10.92) dan (10.93) menghasilkan

(10.94)

Ap adalah permukaan dari tetesan No yang berasal dari o

(10.95)

Area interfacial dari hold-up fase disperse di dalam region drop-rise

(10.96)

Tenaga penggerak yang utama untuk region drop-rise sangat berdasarkan

rerata logaritma, namun untuk kebutuhan sekarang rerata aritmatik dianggap

mencukupi :

(10.97)

Dan seperti yang diindikasikan sebelumnya , KLDc ditetapkan sebagai

0.1KLDf. Substitusi nilai ini dan persamaan (10.95) sampai (10.97) ke dalam

persamaan (10.94) dan perhatikan bahwa qD / An = Vn , Vo = 4qD / No , dan

menghasilkan :

(10.98)

Skelland mempunyai prosedur keluaran yang mirip dan lebih panjang lebar,

tapi persamaan (10.98) diyakini lebih dari cukup untuk sudut pandang yang

melibatkan banyak ketidakpastian. Pada beberapa haruslah dimengerti cara kita

memperkirakan secara baik EMD melalui perkiraan. Efisiensi stage biasanya akan

jauh lebih sedikit dari yang didapat untuk kontak gas-likuid, owing terhadap

kecepatan fase yang lebih rendah yang didapat dari perbedaan densitas yang lebih

kecil dan kecepatan yang lebih tinggi

Kesimpulan

1. Sieve Tray merupakan jenis tray atau perangkat transfer massa yang paling

sederhana, lebih murah dan paling banyak digunakan karena kesederhanaan,

fleksibilitas, kapasitas dan efektifitas biaya daripada dibandingkan jenis tray

yang lain.

2. Sieve tray dapat digunakan untuk arah aliran countercurrent.

3. Perpindahan massa terdiri dari tiga pemisahan :

a. Pembentukan drop dan penguraian

b. Kenaikan drop (atau penurunan),

c. Peleburan drop pada lapisan liquid yang dilebur pada tray.

4. Keunggulan sieve tray :

a. Sieve tray memiliki harga yang sangat murah dibandingkan dengan tipe

tray yang lain.

b. Tipe ini juga sangat baik digunakan untuk pemisahan pada tekanan tinggi

dengan biaya operasi yang murah.

c. Selain itu, maintenance costnya juga murah