MODEL ABSORPSI MULTIKOMPONEN GAS ASAM DALAM LARUTAN K2CO3 DENGAN PROMOTOR MDEA PADA PACKED COLUMN NURUL ANGGRAHENY D NRP 2308100505, DESSY WULANSARI NRP 2308100541, Dosen Pembimbing : Prof.Dr.Ir.Ali Altway, MS, Prof. Dr. Ir. Kusno Budhikarjono, MT
Latar Belakang Gas CO2 dan H2S sering dinamakan sebagai gas asam (acid gas), karena sifatnya yang asam, dengan derajat keasaman lebih tinggi H2S. Karena sifat asamnya ini, CO2 dan H2S tergolong gas impurities yang sangat merugikan. Gasgas tersebut bersifat korosif dan dapat merusak bagian dalam utilitas pabrik dan sistem perpipaannya, terutama sekali H2S, dengan komposisi yang sangat sedikit pun (dalam ppm), daya korosifnya sudah sangat tinggi. Melihat besarnya kerugian yang dapat ditimbulkan oleh CO2 dan H2S, maka penting sekali dilakukan proses penghilangan CO2 dan H2S dari gas alam. Penghilangan CO2 dari gas alam dan industri gas lainnya menggunakan larutan alkanolamine merupakan proses industri sangat penting. Penambahan amine primer dan sekunder sebagai larutan banyak ditemukan dalam absorpsi untuk menghilangkan CO2 dari gas alam yang akan dijadikan bahan baku dari suatu industri kimia. Dengan adanya amine primer dan sekunder menyebabkan laju absorpsi tinggi dan panas reaksinya rendah. Pada proses absorpsi penambahan sedikit amine primer dan amine sekunder mengakibatkan laju absorpsi tinggi dan energi untuk meregenerasi pada stripper rendah. Berdasarkan penelitian – penelitian tersebut maka perlu dilakukan pengkajian mengenai pemodelan dan peningkatan laju proses absorpsi gas asam yang merupakan absorpsi multikomponen reaktif menggunakan pelarut kalium karbonat (K2CO3) dengan promotor MDEA pada packed column. Tujuan Penelitian Berdasarkan rumusan masalah yang disampaikan diatas, maka tujuan penelitian adalah :
1. Memprediksi secara teoritis menggunakan model film dan teori MaxwelStefan Diffusion, yang disajikan dengan bentuk distribusi konsentrasi HCO3-, CO3=, dan MDEA dalam film liquida. 2. Memperhitungkan fluks absorpsi CO2 dari gas asam kedalam larutan K2CO3 berpromotor MDEA pada Packed Column dengan memperhitungkan kelarutan HCO3-, CO3=, dan MDEA dan membandingkan hasil prediksi teoritis ini dengan hasil prediksi teoritis menggunakan teori Fick Diffusion. Absorpsi Di dalam Packed Column Di dalam suatu packed column, liquida terdistribusi secara merata pada packing bagian atas, dan mengalir ke bawah sebagai lapisan–lapisan tipis, akhirnya keluar dari bawah. Dianggap bahwa harga kL koefisien perpindahan massa pada film liquida, a luas antar - fasa efektif per satuan volume packing dan, l liquida hold-up (atau volume liquida per satuan volume packing) sama di seluruh bagian kolom. Gambar skematis packed column ditunjukkan pada Gambar 2.3. Gas keluar
z
Liquid Masuk
yi,j x i,j-1
Packing
dz
yi,j+1 xi,j
Gas masuk
Liquid keluar
Gambar 2.2 Skematik Packed Column sebagai absorber Gas mengalir masuk kolom dari bawah dan keluar dari atas. Pada umumnya gas ini terdiri dari campuran gas yang larut dan yang tidak dapat larut (inert). Misal jumlah mol gas inert yang mengalir per satuan waktu per satuan luas penampang
kolom adalah G, laju alir volumetrik liquida per satuan luas penampang kolom adalah L. Di pandang elemen packing setebal dh dan dianggap sebagai stirred – tank absorber. Volume liquida dai dalam elemen ini adalah l dh dan waktu tinggal liquida di dalam elemen ini adalah dt
l
dh L
(2.12)
Konsentrasi A pada badan liquida di atas dan di bawah elemen ini berturut-turut adalah C A o dan C Ao
dC Ao . Demikian bila konsentrasi B pada badan liquida di
bagian atas dan bawah elemen adalah C B o dan C B o
dC B o . Maka bila dibuat
neraca massa pada elemen kolom ini untuk komponen A dan B, akan diperoleh :
R C Ai , C Ao , C Bo a dh L dCBo
L dC Ao
lr C Ao , C Bo dh
(2.13)
z l r C Ao , C Bo dh
(Danckwerts, 1970)
Perlu dipertanyakan apakah tebal film diffusi jauh lebih kecil dari pada tebal lapisan liquida yang mengalir pada packing (yaitu, apakah DA/kL << l / a) . Kinetika Absorpsi CO2 ke dalam larutan K2CO3 Ketika karbon dioksida terabsorp oleh potasium karbonat, maka akan terjadi reaksi stokhiometri sebagai berikut : CO2 + H2O + K2CO3 2KHCO3
(2.14)
Di dalam larutan terjadi reaksi-reaksi berkesetimbangan berikut :
CO2 HCO3
H 2O K2
K1
HCO3
H
CO3
H
(2.15)
Reaksi yang menentukan laju (rate determination step) untuk reaksi diatas adalah: CO2 + OH- HCO3-
(2.16)
CO2 + H2O HCO3- + H+
(2.17)
Reaksi pertama cepat, sedangkan reaksi kedua lambat. Tetapi dengan adanya katalis akan dapat mempercepat laju reaksi kedua.
Bila reaksi kekanan dari reaksi-reaksi tersebut diatas dianggap berorde satu semu dan reaksi ke kiri mempunyai kecepatan konstan maka persamaan laju reaksinya dapat dinyatakan sebagai berikut : r1 = k1 [OH-] [CA – CAe]
(2.18)
r2 = k2 [Cat] [CA – CAe]
(2.19)
Ketika karbon dioksida bereaksi dengan MDEA, maka akan terjadi reaksi stochiometri sebagai berikut : CO2 + MDEA + H2O
MDEA + HCO3-
(2.20)
Di dalam larutan terjadi reaksi – reaksi berkesetimbangan berikut : k-1 CO2 + MDEA + H2O MDEAH+ + HCO3k-2 MDEAH+ + OH-
(2.21)
MDEA + H2O
(2.22)
Maka laju reaksi antara MDEA dan CO2 sebagai berikut : R(22) = -k22
CMDEA + (Jamal Aqil, 2006)
Sistem Reaksi Kimia Reaksi yang terjadi di badan liquid adalah reaksi reversibel seperti dibawah ini : CO2
+
OH-
MDEA + H2O + CO2
k-11
k-21 k-22
HCO3-
HCO3- +
(2.23)
MDEAH+
(2.24)
Langkah – langkah Penelitian Langkah penelitian dilaksanakan sesuai tahapan-tahapan berikut ini: Studi literatur Pengembangan model matematis Pembuatan program dengan software Matlab versi 6.1 Perbandingan model Analisa model matematis Intrepetasi hasil Pembuatan kesimpulan Gambar 3.1 Diagram Alir Langkah-langkah Penelitian Model Matematis Proses Absorpsi dalam Packed Column Pengembangan model matematis dilakukan dengan membuat neraca massa pada packed column dengan menggunakan model film untuk difusi multikomponen dengan persamaan Maxwell-Stefan.
Gambar 3.1 Mekanisme Absorpsi Reaktif Multikomponen Dua Film pada Packed Column Dimana profil konsentrasi komponen dalam fase liquid, didapat dengan teori film steady state yang dinyatakan dengan Persamaan (Kenig, 2001) : C ( )
2 n
1 [Qn ] 1 [ K ] x{cos( n)C n 1
C I } sin( n )
F ( )
Dengan : Komponen
(3.9) (3.10)
diperoleh dari pers. (3.25) dan komponen
diperoleh
dari pers. (3.11), selanjutnya persamaan (3.32) diturunkan terhadap x sehingga mendapatkan fluks (N). (3.11)
3.7 Variabel Penelitian 3.6.1 Sistem yang dipelajari : Tinggi packing = 30 m Diameter kolom = 3 m Diameter packing = 7 cm 3.6.2 Variabel input : Suhu liquida masuk (absorber) = 50 – 90 oC Tekanan absorber
= 24 – 32 atm
Laju alir liquida
= 1900 – 5900 m3/jam
Laju alir gas
= 304000 – 312000 m3/jam
Konsentrasi K2CO3
= 30%
Konsentrasi MDEA
= 1 – 3%
3.6.4 Variabel output : Distribusi konsentrasi komponen dalam fasa liquida pada film. Fluks absorpsi CO2 dalam fasa liquida pada film. Hasil dan Pembahasan Pengaruh Suhu
Gambar 4.1 Distribusi konsentrasi komponen liquida terhadap kordinat film ( ξ ), 3
o
o
G = 308.000 mol/ jam, L = 1900 mol/ m , dan P = 24 atm pada T = 50 C dan 90 C
Pengaruh Tekanan Gas
Gambar 4.3 Distribusi konsentrasi komponen liquida terhadap kordinat film ( ξ ), G =
308.000 mol/ jam, L = 1900 mol/ m3, dan T = 90 oC pada P = 24 atm dan 32 atm Pengaruh Konsentrasi MDEA
Gambar 4.5 Distribusi konsentrasi komponen liquida terhadap kordinat film ( ξ ), G = 308.000 mol/ jam, L = 1900 mol/ m3, T = 90 oC, dan P = 28 atm pada MDEA 1 % dan 3 %.
Fluks Absorpsi CO2 dalam film
Gambar 4.7 Fluks Absorpsi CO2 terhadap berbagai suhu dan tekanan, dengan G = 308.000 mol/ jam, L = 1900 mol/ m3, dan P = 28 atm
Perbandingan fluks absorpsi CO2 Maxwell-Stefan dengan Fick Diffusion
Gambar 4.10 Perbandingan fluks absorpsi CO2 Maxwell-Stefan Diffusion dengan Fick Diffusion terhadap berbagai temperatur, pada P = 28 atm, L = 1900 m3/jam, G = 308000 m3/jam dan MDEA 3
Kesimpulan & Saran Dari penelitian yang telah dilakukan, dapat disimpulkan beberapa hal berikut: 1. Dengan adanya kenaikan suhu : -
Profil konsentrasi CO2 pada film liquida cenderung menurun.
-
Profil konsentrasi HCO3- naik dari arah bulk liquida ke interface.
-
Profil konsentrasi CO3= mengalami penurunan dari arah bulk liquida ke interface.
-
Profil konsentrasi MDEA naik pada suhu 50 oC, sedangkan pada suhu 90 oC cenderung menurun.
2. Dengan adanya kenaikan tekanan : -
Profil konsentrasi CO2 pada film liquida cenderung menurun.
-
Profil konsentrasi komponen HCO3-, CO3=, dan MDEA mengalami kenaikan dari arah bulk liquida ke interface.
3. Dengan adanya penambahan promotor MDEA : -
Profil konsentrasi CO2 pada film liquida cenderung menurun.
-
Profil konsentrasi komponen HCO3-, CO3=, dan MDEA mengalami kenaikan dari arah bulk liquida ke interface.
4. Hasil prediksi dari penelitian ini yang menggunakan teori Maxwell-Stefan Diffusion telah dibandingkan dengan prediksi menggunakan teori Fick Diffusion dan reaksi sistem biner, ternyata hasil prediksi menggunakan teori Maxwell-Stefan Diffusion jauh lebih besar (10x) dibandingkan dengan menggunakan pendekatan difusi biner.
Saran Perlu dilakukan simulasi model absorpsi CO2 ke dalam larutan K2CO3 dengan promotor MDEA pada packed column untuk memprediksi kinerja absorpsi CO2 di column dan di analisa pengaruh variabel operasi pada tekanan rendah (≤ 5 atm).
