Kuliah #3:
Lebih Jauh tentang Absorpsi Gas dan Pembahasan CONTOH: Soal #2 ¨¨,¨¨ /120 §§+§§ Prof. Dr. Ir. Setijo Bismo, DEA. DTK-FTUI, 27 Oktober 2015
Beberapa Model Kolom Absorpsi A. Kolom Talam (Tray-type Plate Columns) – Pengontakan Gas (Absorbat) dan Cairan (Absorben) secara COUNTERCURRENT – Pengontakan terjadi dalam cairan (absorben) di atas talam • Cairan mengalir “sejajar” atau PARALEL dengan talam • Gas mengalir tegak-lurus terhadap talam
Konfigurasi Kolom Talam: LIQUID FLOW
PERFORATED TRAY OVERFLOW WEIR
Rancangan Talam (Tray) A. Talam Berlubang (Sieve Tray, Perforated Tray)
Perancangan Talam B. Talam Katup (Valve Tray)
Perancangan Talam C. Talam “Bubble Cap” (Bubble Cap Tray)
B. Kolom Isian (Packed Columns) • Aliran COUNTERCURRENT antara GAS dan CAIRAN (Absorben) • Pengontakan pada “antarmuka” (interface) CAIRAN/GAS pada PACKING • CAIRAN mengalir pada permukaan PACKING dengan pola umum menuruni kolom • GAS mengalir mengalir di “celah-celah” (ruang kosong) dalam UNGGUN ISIAN (packing) dengan pola aliran menaiki kolom • Jenis PACKING: – Acak (random) – Terstruktur (structured)
UNGGUN Packing • Dipasang dalam formasi “penampang unggun” • Zona (Pelat) Distribusi berada di antara 2 penampang unggun • Aliran “relatif” menentukan HIDRODINAMIKA Kolom • Kasus Pembatas: – Genangan (FLOODING) – Desisan (WEEPING)
LIQUID IN
DISTRIBUTION PLATE
GAS OUT PACKED SECTION
Beberapa Rancangan RANDOM PACKING
• BENTUK: – RINGS – SADDLES – Lainnya
• MATERIAL: – LOGAM – KERAMIK – PLASTIK
SPESIFIKASI UNGGUN Random PACKING
• DIAMETER NOMINAL • FRAKSI KOSONG (void fraction) • BERAT RUAH (bulk weight )
Raschig Ring
Tabel Karakteristik Random PACKING (#1)
Tabel Karakteristik Random PACKING (#2)
PACKING TERSTRUKTUR • PACKING dalam “Blok UNGGUN” dan mengisi “penuh” diameter kolom
PERANCANGAN KOLOM TALAM • Penggunaan Diagram McCABE – THIELE: GARIS OPERASI (Operating Line ) dan GARIS KESETIMBANGAN (Equilibrium Line)
Garis Operasi dan Kesetimbangan untuk Operasi Absorpsi dan Desorpsi
Sistem Absorpsi Larutan Encer • Bila Garis Operasi dan Garis Kesetimbangan memiliki “kelandaian TETAP”, berlaku Persamaan KREMSER: ⎡⎛ y1 − mx2 ⎞ ⎤ ln ⎢⎜ ⎟ (1 − 1 A) + 1 A⎥ ⎝ y2 − mx2 ⎠ ⎣ ⎦ N= ln A ⎡⎛ x2 − y1 m ⎞ ⎤ ln ⎢⎜ ⎟ (1 − A) + A⎥ ⎝ x1 − y1 m ⎠ ⎣ ⎦ N= ln(1 A)
Sistem Non-Linier • Bila membentuk “garis tak lurus”, maka Garis Operasi didasarkan pada Persamaan Aliran INERT: ⎛ x2 ⎞ ⎛ y1 ⎞ ⎛ x1 ⎞ ⎛ y2 ⎞ L' ⎜ ⎟ + V '⎜ ⎟ = L' ⎜ ⎟ + V '⎜ ⎟ ⎝ 1 − x2 ⎠ ⎝ 1 − y1 ⎠ ⎝ 1 − x1 ⎠ ⎝ 1 − y2 ⎠
• Secara normal, berdekatan dengan Kondisi pada EKSTREMITAS (Terminal Conditions) • Bentuk Solusi GRAFIS (McCABE-THIELE DIAGRAM) menggunakan Kedua Persamaan Garis
Jumlah Tahap Kesetimbangan (Number of Equilibrium Stages )
• DIDASARKAN pada TAHAP “integer” antara Garis Operasi dan Garis Kesetimbangan: – ABSORPSI, Garis Operasi terletak di ATAS Garis Kesetimbangan – STRIPPING, Garis Operasi terletak di BAWAH Garis Kesetimbangan
Garis Operasi untuk Laju-alir Cairan Minimum dan Aktual
KASUS PEMBATAS 5 ( L V )min Ö Garis Operasi dengan “Terminasi Tahapan” pada Garis Kesetimbangan Ö Merupakan Jumlah Tahap “Tak Berhingga” Ö ( L V ) dapat terjadi pada perpotongan pertama garis lurus dari titik akhir min
terhadap Garis Kesetimbangan
5 ( L V )desain = ( L V )min × faktor Ö Perancangan “Titik Terminal” didasarkan pada NERACA MASSA Ö Merupakan Jumlah Tahap “Berhingga” Ö Jika “Lebih Kecil dari TAHAP KESETIMBANGAN”, dapat menggunakan EFISIENSI MURPHREE
ηM
y n − y n +1 = y *n − y n +1
Jatuh Tekanan pada PACKING • EFISIENSI PENGONTAKAN dalam ABSORBER: – Luas PERMUKAAN/Satuan VOLUME – HIDRODINAMIKA Kolom
• Luas PERMUKAAN: – TABEL/Referensi tentang “RANGE OF PACKING” – TABEL 14.7b dalam PERRY’S
• Kondisi-kondisi BATAS/Limit: – FLUKS rendah → CHANNELING OR WEEPING – FLUKS tinggi
→ FLOODING
Korelasi Jatuh Tekanan • DATA Empiris: – PERRY’S FIG. 14-48 THRU 14-59 – FIG. 10-6-5 &10.6-6
• BASIS: aliran kering • Limit FLOODING – FP TABLE ??
⎛ in.w.c. ⎞ 0.7 ΔPflood ⎜ = 0.115 F (10.6 − 1) ⎟ P ⎝ ft Packing ⎠
PERANCANGAN FLUKS • DIAMETER KOLOM didasarkan pada PERHITUNGAN FLUKS: – Secara normal, ditentukan oleh Laju Alir Gas/Uap (VAPOR FLUX)
• Rentang Nilai Perancangan yang direkomendasikan: 65% sampai dengan 80% dari batas “FLOODING” • Data EKSPERIMENTAL: – METODA TERBAIK – Ada “EDGE EFFECTS” untuk Uji Kolom Kecil
• Anti KABUT (MIST ELIMINATOR): – Termasuk dalam PERANCANGAN – Memperhitungkan “Tetesan Terikutkan” (ENTRAINED DROPLETS) yang terbentuk (masih ada) di atas PACKING
Skematisasi Operasi Absorpsi
V, y1 L, x0
V, y N +1
L, x N
CONTOH: Soal #2
Dari data yang telah dihitung dan ditabelkan pada contoh soal #1 di atas, hitunglah laju cairan minimum ( Lmin ) berupa air murni yang diperlukan untuk mengabsorpsi 90 %-v gas SO2 dalam aliran gas utama yang memiliki laju alir ( QG ,i ) sebesar 84,9 m3 per menit (3.000 acfm) yang mengandung 3 %-v SO2 ! Gambarkan pula kurva garis operasi aktualnya ! Suhu operasi yang digunakan adalah 293,15 K dan tekanannya 101,3 kPa (1 atm).
CONTOH: Soal #2 Jawaban: Seperti jawaban sebelumnya, sistematika jawaban soal #2 ini juga diberikan dalam beberapa tahap untuk dapat mempermudah para mahasiswa dalam mempelajari serta memahaminya. Tahap X: menentukan fraksi-fraksi molar dari polutan dalam fasa gas, yaitu: Y1 dan Y2 . Sketsa ilustrasi proses dan pelabelan proses absorpsi yang dimaksud, dapat dibuat sebagai berikut:
CONTOH: Soal #2
Y1 = 3 % − v gas SO2 = 0, 03 fraksi-molar dalam aliran gas umpan (kotor)
Y2 = pengurangan kadar SO 2 sebesar 90 % − v pada aliran gas umpan = (10 %) ⋅ (Y1 ) = (0,1) ⋅ (0, 03) = 0, 003 fraksi-molar dalam aliran gas keluar (bersih)
CONTOH: Soal #2 Tahap Y: menentukan fraksi molar gas SO2 dalam cairan (pelarut air) yang keluar meninggalkan absorber untuk memenuhi efisiensi absorpsi yang diinginkan. Pada laju cairan absorben yang minimum, fraksi-molar gas polutan yang memasuki absorber ( = Y1 ) berada dalam kesetimbangan dengan fraksi-molar cairan yang meninggalkan absorber ( = X1 ). Dalam hal ini, cairan absorben akan menjadi terjenuhkan oleh adanya SO2 yang terlarut. Dalam kondisi kesetimbangan tersebut, berlaku:
Y1 = H ′ ⋅ X1 Dan, konstanta HENRY ( = H ′ ) yang didapat dari soal sebelumnya adalah:
H ′ = 42, 7
fraksi-molar SO2 di udara (fasa gas) fraksi-molar SO2 di dalam air
sehingga
Y1 H′ 0, 03 = 42, 7
X1 =
= 0, 000703
CONTOH: Soal #2 Lm Tahap Z: menghitung rasio massa (molar) cairan-terhadap-gas ( = ) Gm menggunakan persamaan: Y1 − Y2 =
sehingga
Lm ⋅ ( X1 − X 2 ) Gm
Y1 − Y2 ) ⎛ Lm ⎞ ( = ⎜ ⎟ ( X1 − X 2 ) ⎝ Gm ⎠min
( 0, 03 −
0, 003) = ( 0, 000703 − 0, 0 ) g-mol air = 38, 4 g-mol udara
CONTOH: Soal #2 Tahap [: konversikan terlebih dahulu, laju alir volum gas (bersih) yang keluar dari absorber menjadi laju alir molar ( = Gm,o ), yaitu dari satuan ⎡⎣ m3 menit ⎤⎦ menjadi [ mol menit ] . Diketahui dari Hukum Avogadro untuk gas ideal: pada 0 °C dan tekanan 101,3 kPa (= 1 atm), terdapat 0,0224 m3 g-mol gas. Terlebih dahulu, konversikan volume-molar gas dari 0°C ke keadaan 20°C (dari 273,15 ke 293,15 K), menggunakan persamaan gas ideal:
P1 ⋅ V1 P2 ⋅ V2 = T1 T2
CONTOH: Soal #2 dalam hal ini, untuk tekanan sistem yang sama (pada 1 atm), diperoleh: P1 ⋅ V1 P2 ⋅ V2 = T1 T2
⎛ P1 ⋅V1 ⎞ ⎛ T2 ⎞ ⇒ V2 = ⎜ ⎟⋅⎜ ⎟ ⎝ T1 ⎠ ⎝ P2 ⎠
yang berarti
(V )20 °C
⎛ 11 ⋅ 0, 0224 ⎞ ⎛ 293,15 ⎞ 3 = ⎜ ⋅⎜ ⎟ m g-mol gas ⎟ ⎝ 273,15 ⎠ ⎝ 1 ⎠ = 0, 0240 m3 g-mol gas
sehingga
( Gm )20 °C
⎛ 1 g-mol gas ⎞ = QG ,i ⋅ ⎜ 3 ⎟ ⎝ 0, 0240 m ⎠ ⎛ 1 g-mol gas ⎞ = 84,9 m menit ⋅ ⎜ 3 ⎟ ⎝ 0, 0240 m ⎠ 3
= 3538 g-mol gas (udara) menit = 3,538 kg-mol gas (udara) menit
CONTOH: Soal #2 Tahap \: menghitung laju alir minimum cairan ( = Lm,min ). Dalam hal ini, rasio minimum cairan-terhadap-gas (udara) telah dihitung pada Tahap-Z, yang harganya: ⎛ Lm ⎞ g-mol air = 38, 4 ⎜ ⎟ g-mol udara ⎝ Gm ⎠min
yang berarti:
( Lm )min
= 38, 4 ⋅ ( Gm )20 °C
sedangkan, dari langkah atau Tahap-[ diperoleh
( Gm )20 °C
= 3,538 kg-mol gas (udara) menit
sehingga didapat:
( Lm )min
kg-mol air menit kg-mol air = 135,86 menit = 38, 4 ⋅ ( 3,538 )
untuk satuan massa air, didapatkan:
( Lm )min
= 2445,5
kg air menit
CONTOH: Soal #2 Tahap ]: sketsa kurva garis operasi dan juga garis kesetimbangannya adalah sbb: Kelandaian (slope) garis operasi minimum adalah = 38,4; dengan koordinat [0; 0,003] di puncak menara dan [0,00073;0,03] di dasar. Garis operasi aktual dibuat dengan asumsi: kelandaiannya lebih besar 1,3 x kelandaian garis operasi minimum, yaitu 1,3 x 38,4 ≈ 50; dengan koordinat [0; 0,003] di puncak menara dan [0,00054;0,03] di dasar Æ diperoleh jumlah tahap 6.
CONTOH: Soal #2
Sampai Hari RABU
