JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
1
Model Simulasi Absorpsi Gas CO2 dalam Larutan Methyldiethanolamine (MDEA) berpromotor Piperazine (PZ) dalam Packed Column Gede Sutrisna Adi Wiguna, Nizar Nazaruddin, Susianto, Ali Altway Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111, Indonesia Email:
[email protected] industry amoniak gas CO2 dapat menjadi racun pada katalis pada proses sintesa amoniak, sehingga harus dipisahkan. Berbagai metode absorpsi yang dikembangkan, salah satunya adalah absorpsi dengan reaksi. Absorben yang . biasa digunakan adalah larutan K2CO3 dengan promoter MEA, DEA, dan MDEA. Hendy dkk (2011) melakukan eksperimen untuk membandingkan absorpsi CO2 dengan larutan K2CO3 disertai dan tanpa disertai promoter. Promotor yang digunakan adalah asam borat. Dengan menggunakan wetted wall column mereka mempelajari kinetika reaksi untuk larutan K2CO3 dengan promoter asam borat. Ahmadi dkk, (2008) mengembangkan permodelan untuk absorpsi gas CO2 dalam larutan K2CO3 dengan katalis asam borat. Dalam pemodelan tersebut juga mempertimbangkan kinetika dari reaksi kunci, dan transfer massa. Altway dkk (2008) melakukan penelitian mengenai transfer massa disertai reaksi kimia pada absorpsi reaktif gas CO2 pada packed column. Pada penelitian ini dikaji ulang mengenai enhancemen factor absorpsi reaksi reversible orde 2 pada kondisi non-isothermal pada pemodelan absorpsi gas CO2 dengan larutan K2CO3 pada packed column. Nisa, dkk (2013) melakukan simulasi absorpsi reaktif CO2 dalam skala industry dengan larutan K2CO3 berkatalis. Dalam penelitian ini dikembangkan model matematik unit CO2 removal skala industry dan juga Berdasarkan hasil simulasi peningkatan suhu larutan dilakukan evaluasi kinerja unit CO2 removal yang dapat meningkatkan %removal karena meningkatkan dinyatakan dalam %removal. Model matematik kemudian konstanta laju reaksi. Tekanan kolom dapat meningkatkan divalidasi dengan data lapangan dari pabrik PKT-II. Katalis % removal karena meningkatkan kelarutan gas. yang digunakan adalah ACT-1 dengan 3 Konsentrasi promoter dapat meningkatkan %removal cm /mol.s. = k 2678699274 exp ( −2868.6462 / T ) namun apabila ditingkatkan terus menerus kenaikan Selain menggunakan larutan K2CO3 saat ini larutan amine %removal cendrung berkurang. juga banyak dikembangkan sebagai bahan absorban, baik Kata kunci: Absorpsi, Pack Column, MDEA, Teori Film amine primer, sekunder, dan tersier. Reaksi amine dengan I PENDAHULUAN CO2 cenderung lebih cepat, namun kurang stabil pada Keberadaan gas CO2 dalam industry petrokimia dan temperature tinggi, teruama untuk amine primer dan industry pengolahan gas sangat tidak diharapkan. Karena sekunder. Amine tersier seperti MDEA memiliki kestabilan gas CO2 merupakan gas asam (acid gas) yang bersifat yang lebih baik pada temperature tinggi dibandingkan korosif sehingga dapat merusak system perpipaan. Pada amine lainnya, namun reaksinya cenderung lebih lambat. industry Liquified Natural Gas (LNG), gas CO2 harus Untuk mengatasi masalah ini digunakan promoter untuk dipisahkan karena dapa merusak main heat exchanger. Pada meningkatkan laju reaksi. Salah satu promoter yang Perkembangan ekonimi dunia meningkatkan konsumsi bahan bakar Hal ini tentu meningkatkan tingkat emisi terutama gas CO2. Berdasarkan protocol Kyoto 1997 setiap negara harus melakukan monitoring terhadap tingkat emisi gas pencemar yang dihasilkan. Untuk mengatasi masalah ini berbagai metode absorpsi dikembangkan, baik absorpsi secara fisik maupun kimia. Berbagai bahan absorban seperti larutan K2CO3 dengan berbagai promoter sudah banyak digunakan. Selain itu saat ini mulai dikembangkan pula larutan methyldiethanolamine (MDEA) dengan promoter piperazine (PZ) sebagai latutan absorban. Namun studi mengenai model matematika dari absorpsi gas CO2 dengan menggunakan larutan MDEA belum banyak ditemui. Berdasarkan hal tersebut penelitian ini bertujuan untuk membuat model matematik dari proses absorpsi gas CO2 dalam larutan MDEA berpomotor piperazine dalam packed column. Model matematik yang dihasilkan kemudian divalidasi dengan data lapangan, dan dilihat pengaruh variabel operasi terhadap laju absorpsi gas CO2. Model matematik dikembangkan berdasarkan pada transfer massa pada teori film dengan asumsi reaksi pseudo first order. Penyelesaian numeric dari yang digunakan pada penelitian ini adalah dengan menggunakan metode kolokasi Orthogonal.
c
2
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) digunakan adalah piperazine (PZ). Xu dkk (2003) melakukan penelitian mengenai absorpsi gas CO2 dalam larutan MDEA dengan menambahkan piperazine dan DEA. Dalam penelitian ini Xu dkk mengembangkan model kinetic untuk proses absorpsi CO2 dalam larutan MDEA dengan campuran PZ dan DEA. Wen Xu dkk (1992) mempelajari kinetika dari absorpsi gas CO2 dalam larutan MDEA yang diaktivasi dengan piperazine (PZ) dengan menggunakan disk column. Data kinetika yang dihasilkan sesuai dengan rapid pseudo-first-order reversible reaction antara CO2 dan piperazine dan paralel dengan reaksi antara CO2 dengan MDEA. Penelitian ini bertujuan untuk membuat model matematik proses absorpsi gas CO2 kedalam larutan MDEA berpromotor PZ dalam packed column, melakukan validasi model matematik dengan membandingkan hasil prediksi dengan data lapangan, kemudian mengkaji secara teoritis pengaruh berbagai variabel proses seperti suhu, tekanan, dan konsentrasi promoter terhadap laju absorpsi dan %recovery. II URAIAN PENELITIAN Penelitian ini dilakukan secara teoritis dengan mengambangkan model matematik proses absorpsi kedalam larutan MDEA berpromotor piperazine (PZ) pada packed column skala industry. Sistem yang dipelajari adalah packed column dari Pabrik PKT-II dengan spesifikasi sebabai berikut. Tabel II.1 Spesifikasi Packed Column Tinggi Diameter
Ukuran
Kolom
Kolom
Packing
Atas
15,85 m
1,83 m
0,05 m
Bawah
18,29 m
3,05 m
0,07 m
Temperatur gas masuk : 362 K Laju alir gas masuk : 204020 kg/jam Fraksi mol komponen gas masuk CO2 : 0,1847 N2 : 0,2082 CO : 0,0025 CH4 : 0,0032 H2 : 0,5988 Ar : 0,0025 Fraksi massa komponen liquida masuk Lean Solution K2CO3 : 0,23 KVO3 : 0,0064 KHCO3 : 0,08 V2O5 : 0,0042 Katalis : 0,01 Semilean Solution K2CO3 : 0,16 KHCO3 : 0,14 Katalis : 0,01
KVO3 : 0,0064 V2O5 : 0,0042
Data Kesetimbangan Reaksi Reaski kesetimbangan yang terjadi pada proses absorpsi CO2 sebagai berikut :
→ HCO3− + H + CO2 + H 2 O ←
1
→ H + + CO3− HCO3− ←
2
K1
K2
Dengan harga konstanta pada temperature °C adalah sebagai berikut (Fe Yi, 2009).
−3404.7
log K1=
−294.74 + 3.6439 × 10 T
= exp
K 2
K
2
= exp
+ 14.843 − 0.03279T
T
39.555 − 9.878 × 10 T
4
5
1.8416 × 10
8
4.1579 × 10
−
10
3.5429 × 10
−
−
2
3
T 5.6883 × 10
3
4
T 7
+
1.4645 × 10 −
T
10
1.3615 × 10 +
2
3
T
4
T
T
12
12
4 5
Dimana konsentrasi OH- dan CO2 pada kondisi setimbang adalah.
COH = −
K w CCO 3
−
6
K 2 CHCO 3
−
CCO ,e =
(
)
K 2 CHCO 3 K1
2
−
2
7
CCO 3
−
Data Kinetika Reaksi Berdasarkan data eksperimen yang dilakukan oleh Xu dkk (1992). Reaksi yang terjadi saat absorpsi gas CO2 kedalam larutan MDEA berpromotor piperazine adalah sebagai berikut.
→ HCO3− CO2 + OH − ←
8
→ R3 NH + + HCO3− CO2 + H 2 O + R3 N ←
9
→ PZCOO − + H 3O + CO2 + PZ + H 2 O ←
10
Berdasarkan reaksi diatas maka rate reaksi antara CO2 denngan MDEA adalah sebagai berikut.
(
= r1 kOH OH − r2 =
(k
) (C
MDEAC MDEA
CO2
* − CCO
+ k pC p
2
)
11
) (C
CO2
* − CCO
2
)
12
Dimana CMDEA dan Cp adalah konsentrasi MDEA dan piperazine. Sedangkan kOH-, kMDEA dam kp adalah berturutturut konstanta laju reaksi untuk ion OH-, MDEA dan piperazine. Konstanta-konstanta tersebut diperoleh dari penelitian yang dilakukan Xu, dkk (1992).
−6666 T
= kOH 4.315 × 1013 exp
13
3
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
−3984 T
Untuk konstanta hG yang bergantung pada 3emperature
= 5.86 × 106 exp k MDEA
14
−6424 T
= k p 2.29 × 1011 exp
15
(T), dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
hG = hG ,0 + hT * ( T − 298.15 ) Tabel II.3. Nilai hG dan hT Tiap Komponen
Data Kelarutan Komponen Pada penelitian ini, data kelarutan gas dalam larutan amine (MDEA) diperoleh dari hukum Henry: *
PA =
16 C Dengan memperhatikan tahanan pada sisi liquidadan gas, maka untuk mendapatkan konsentrasi CO2 pada interface bisa digunakan persamaan berikut:
C Ai =
kG y A P + Ek L C
0 A
Ek L + kG He
T
CO
-
-
H2
-21.8
-0.299
N2
-1
-0.605
CH4
2.2
-0.524
Ar
5.7
-0.485 (Weisenberger, 1999)
He h I + h I log = 18 11 2 2 He 0 Dengan menggunakan konstanta Henry untuk air murni (He0) pada temperature T masing-masing gas bisa didapatkan dengan menggunakan persamaan berikut: 0
hT (cm3/mol.K) -0.338
17
Dimana nila He bisa didapatkan melalui persaaan berikut:
He
CO2
hG,0 (cm3/mol) -17.2
Komponen
HeC A
*
He
0 298
21
Data Perpindahan massa Estimasi koefisien difusi didalam campuran gas menggunakan persamaan yang dikambangkan Taylor dan R Krishna (1993) sebagai berikut.
1 1 + 10 T MWCO MWx DG = * 1/ 3 1/ 3 −3
− d ln kH 1 1 * − d (1 / T ) T 298
exp
19
(
2
P VCO + Vx
Tabel II.2 Nilai Konstanta Henry Air Murni pada T=298 K
0.5
175
Tiap Komponen 7.4 × 10 D= L
−8
2
)
T (φ MWL )
22
0.5
Komponen
He 298K (mol/cm3.atm)
−d ln kH/d(1/T) (K)
CO2
3.6.10-5
2200
Koefisien perpindahan massa sisi gas untuk Packed
CO
-7
1300
Column proses absorpsi diperoleh dari korelasi empiris
-7
500
Onda, dkk. (1982) :
o
9.9.10
H2
7.8.10
µ LVA
0.6
23
6.1 x 10
-7
CH4
1.4 x 10
-6
1600
kG =
Ar
1.4 x 10-6
1500
Dengan nilai A=2 jika diameter packing kurang dari 0,012
(Rolf Sander, 1999)
m dan A=5.23 jjika diameter packing lebih dari atau sama
N2
1300
A RT
( Re ) ( Sc ) ( a 0.7
G
1/ 3
G
p
dp )
−2
(a D ) p
G
Sedangkan h1 dan h2 adalah konstanta yang merupakan hasil
dengan 0.012 m.
penjumlahan harga h spesies ion positif dan ion negatif
Bilangan Reynolds fasa gas (ReG) sebagai berikut:
serta spesies gas.
ReG =
h = h+ + h− + hG 20 +
Dimana : h+ (MDEAH )
= 0.041 dm /mol. = 0.021 dm3/mol.
h- (HCO3-)
= 0.021 dm3/mol.
25
Bilangan Schmidt fasa gas (ScG)adalah sebagai berikut:
3
h- (CO32-)
ρ G uG µG a p
24
ScG =
µG ρ G DG
26
4
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
ρ Lu 2
Koefisen perpindahan massa fasa cair diperoleh dari persamaan yang dikembangkan Taylor dan R. Krishna
WeL =
L
34
a pσ
(1993):
k L = 0.0051 ( Re L )
2/ 3
( Sc ) ( a d ) −0.5
L
p
p
0.4
Pengembangan Model Matematik
ρL µ g L
27
Bilangan Schmidt fasa gas (ScL)adalah sebagai berikut:
µL
ScL =
28
ρ L DL
Pengembangan model matematik dilakukan dengan mengembangkan neraca massa diffrensial pada packed column. Neraca Massa Sistem I RaAdz − r{C A , C B }ϕ L dV = 0 0
CO2
RaAdz = r{C A , C B }ϕ L dV 0
Bilangan Reynolds fasa cair berdasarkan spesifik area (Re’L) sebagai berikut:
0
0
35
MDEA L.C B − L (C B + dC B ) − ν B . r{C A , C B }ϕ L dV = 0 0
ρu Re'L = L L µL a '
0
0
0
0
− LdC B − ν B . r{C A , C B }ϕ L dV = 0 0
29
0
0
36
Substitusi persamaan (35) ke (36)
Kecepatan superficial liquida (uL) adalah :
__
− LdC B − vB R aAdz = 0 0
uL =
LKG
30
At ρ L
Untuk menghitung interfacial area (a’) berdasarkan spesifik
1 − exp =
ap
{
0.1
L
0.2
}
31
berdasarkan spesifik area (ap) sebagai berikut:
FrL =
38
= R a Ek L a (C A − C A )
Dengan ReL adalah bilangan Reynolds fasa liquid
Re L =
dz
__
= −vB R aA *
σ c ( Re ) ( Fr ) − 0.05 (We ) −1.45 σ L
dC B
37
__
packing area (ap) adalah sebagai berikut: a'
0
0
39
Substitusi persamaan (39) ke persamaan (38) dan selesaikan dengan metoda kolokasi orthogonal.
v Z NC +1 * 0 C Bj = C Bin − B T ∑ H ij Ei (C A − C A ) H T i =0
40
Untuk komponen lain pada fasa gas
ρ LuL µL a p
32
LdCK0 = RK aAdZ
dCK0
a p u 2L
33
g
dZ
=
41
RK aA L
42
Substitusi persamaan (39) ke persamaan (42) dan selesaikan dengan persamaan kolokasi orthogonal. Nilai E=1 karena tidak terjadi reaksi.
Z NC +1 * 0 C Kj = C Kin − T ∑ H ij (C K − C K ) H T i =0
43
Dimana E adalah Enhancement Factor yang dikembangkan oleh Dankwertz (1970) dengan nilai seperti digambarkan pada persamaan berikut:
= E MH =
1+ MH
Gambar 1 Skema model absorpsi CO2 pada Packed Column
(
DA kOH COH + k c Cc
Sistem II
−
)
44
2
kL, A
45
5
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) Gin [YA − YAout ]=
CO2
L
CBin − CBout vB
46
Gin [YK − YKout ] = L C − C in K
out K
%removal. Hal ini berkorelasi dengan penelitian yang dilakukan oleh Wen Xu dkk (1992) yang menyatakan bahwa konstanta laju reaksi untuk reaksi MDEA adalah fungsi temperature.
47
K
99.5
Persamaan untuk %removal didapatkan seperti pada 99.0
persamaan berikut: Y % removal = 1 − Aout YAin
%Removal
98.5
48
III HASIL DAN PEMBAHASAN
98.0
97.5
PZ1 PZ2 PZ3
Berdasarkan hasil simulasi didapakan pengaruh variabel 97.0
operasi Seperti Temperatur Lean (TL), Temperatur
100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000
Rate Lean (kg/jam)
Semilean (TSL), Laju Lean, Laju Semilean, Tekanan
Gambar 4 Pengaruh laju Lean
kolom, dan konsentrasi katalis terhadap kinerja dari packed column dalam proses absorpsi gas CO2.
99.5
99.4
99.0
99.3
% Removal
99.2 99.1
% Removal
99.0 98.9 98.8
98.5
98.0
98.7
97.5
98.6 98.5
PZ1 PZ3 PZ5
98.4 98.3
PZ1 PZ3 PZ5
97.0 2400000
2450000
2500000
2550000
2600000
2650000
Rate Semilean (kg/jam)
98.2 352
354
356
358
360
362
364
366
368
T Lean (K)
Gambar 2 Pengaruh Temperatur Lean 99.0 98.5
Gambar 5 Pengaruh laju Semilean Berdasarkan gambar 4 dan 5 kita dapat melihat bahwa peningkatan laju lean dan semilean dapat meingkatkan %removal. Dikarenakan peningkatan laju alir dapat mengakibatkan turbulrnsi yang menurunkan tahanan pada sisi liquida.
98.0
%Removal
97.5
99.2
97.0 99.0
96.5
95.5 360
365
370
375
380
% Removal
98.8
PZ1 PZ3 PZ5
96.0
98.6 98.4
385
T Semi Lean (K)
Gamber 3 Pengaruh T Semilean Berdasarkan gambar 2 dan 3 kita dapat melihat bahwa peningkatan temperature lean dan semilean solution dapat meningkatkan %removal gas CO2. Hal ini dikarenakan kenaikan temperature dapat meningkatkan nilai konstanta laju reaksi pada reaksi absorpsi yang dapat meningkatkan
98.2
PZ1 PZ3 PZ5
98.0 28.4
28.6
28.8
29.0
29.2
29.4
29.6
29.8
30.0
30.2
P (atm)
Gambar 6 Pengaruh tekanan kolom Berdasarkan gambar 6 tekanan kolom dapat meningkatkan %removal karena tekanan meningkatkan kelarutan gas.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
menaikan %removal sebesar 0.09%. Pada konsentrasi katalis 1%, setiap kenaikan tekanan 1 atm dapat meningkatkan %removal sebesar 0.233%. Pada konsentrasi katalis 1% setiap kenaikan laju alir lean 1000 kg/jam dapat meningkatkan %removal sebesar 0.003%, Sedangkan setiap kenaikan laju alir semilean 1000 kg/jam dapat manaikan %removal sebesar 0.001%. Nilai yang maksimum yang diacapai pada konsentrasi promoter 10% adalah sebesar 99.63%. Error yang diperoleh untuk %removal sebesar 2.209% UCAPAN TERIMAKASIH
99.8 99.6 99.4 99.2
% Removal
6
99.0 98.8 98.6 98.4 98.2 98.0 0
2
4
6
8
10
Konsentrasi PZ (% massa)
Gambar 7 Pengaruh konsentrasi katalis Konsentrasi katalis dapat meningkatkan %removal, namun bila ditingkatkan terus peningkatan %removal cenderung berkurang. Validasi Model Untuk memvalidasi model matematika yang dikembangkan data hasil simulasi dibandingkan dengan data pabrik PKT-II seperti pada tabel berikut. Tabel III.1 Perbandingan Simulasi dan Data Pabrik Hasil Data Simulasi PT.PKT Variabel Pembanding II 320867 320867 Laju alir lean solution (kg/jam) Laju alir semilean solution 2514122 2514122 (kg/jam) Laju alir gas (kg/jam) 204020 204020 Tekanan (atm) 29,4 29,4 Temperatur lean solution (0C) 48 48 Temperatur semilean solution 90 90 (0C) Temperatur gas (0C) 89 89 Komposisi gas yang keluar (mol fraksi) CO2 0.0061675 0,0010 CO 0.0038982 0,0031 H2 0.7293 0,7340 N2 0.25369 0,2550 CH4 0.0038982 0,0038 Argon 0.0030456 0,0031 % Removal CO2 97.2606 99,4585 IV KESIMPULAN Temperatur lean solution memeberikan %removal terbesar sebesar sebesar 99.3%. Pada konsentrasi katalis 1%, kenaikan temperature lean sebesar 1 °C dapat meningkatkan %removal sebesar 0.05%. Sedangkan kenaikan temperature semilean sebesar 1 °C dapat
Pada kesempatan kali ini atas segala bantuannya dalam pengerjaan skripsi ini, kami mengucapkan terima kasih kepada Kedua orang tua kami dan keluarga yang telah banyak memberikan dukungan moral, spiritual, dan material. Bapak Prof. Dr. Ir. Ali Altway, MS dan Bapak Dr. Ir. Susianto, DEA selaku dosen pembimbing kami. Rekan rekan seperjuangan dari laboratorium Perpindahan Panas dan Massa, laboratorium tetangga, Teknik Kimia FTI-ITS. DAFTAR PUSTAKA [1] Altway, A., Susianto, Kuswandi, Kusnaryo, 2008, “ Kajian Ulang Transfer Massa Disertai Reaksi Kimia Pada Absorbsi Reaktif Gas CO2 Pada Packed Column”, Jurnal Teknik Kimia Indonesia, Vol. 7 (3) 817-827. [2] Ahmadi, M., Gomez, V.G., 2008, “Advance modeling in performance optimization for reactive separation in industrial CO2 removal”. Separation and Purification Technology, Vol. 63 107-115. [3] Dankckwerts, P.V., 1970, “Gas-Liquid Reaction”, Mc Graw-Hill book Company : New York. [4] Ihda, F.N., Hardiyanto, F., Mulya., H.M., Altway, A., Susianto., 2013, “Simulasi Absorbsi Reaktif CO2 Dalam Skala Industri Dengan Pelarut K2CO3 Berkatalis”, Jurnal Teknik Kimia, Vol. 7 2. [5] Ningsih, E., Pudjiastuti, L., Wulandari, D., Anggraheny, N., Altway, A., Kuswandi, Budhikarjo, K., 2012, “Simulasi Absorpsi Multikomponen Gas Dalam Larutan K2CO3 dengan Promotor MDEA dalam Packed Column”, Jurnal Teknik Kimia Indonesia, Vol. 11(1) 17-25. [6] Sander, Rolf. 1999.” Compilation of Henry’s Law Constants for Inorganic and Organic Species of Potential Importance in Environmental Chemistry”. AIChE Journal Vol. 3, 1-107. [7] Taylor, Ross dan R. Krishna. (1993).“Multicomponent Mass Transfer”. John Wiley & Sons, Inc. USA. [8] Weisenberger, S dan A. Schumpe. 1996. ”Estimation of Gas Solubilities in Salt Solutions at Temperatures from 273 K to 363 K”. AIChE Journal Vol. 42 (1), 298–300. [9] Xu, Guo-Wen, Zhang, Cheng-Fang, Qin, Shu-Jun, Wang, Yi-Wei, 1992, “Kinetic Study on Absorbtion of Carbon Dioxisw into Solution of Activated Methyldiethanolamine, Ind. Eng. Chem. Res. 1992, Vol. 31, 921-927.
