Seminar Skripsi
LABORATORIUM THERMODINAMIKA JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER 2011
Latar Belakang
CO2
mengurangi nilai kalor menimbulkan pembekuan pada proses Liquifaction gas alam. gas yang bersifat asam (acid gas) sehingga korosif meracuni katalis pada pabrik sintesa ammonia, metanol dll
Industri petrochemical, LNG, Amonia, dll
Laboratorium Thermodinamika
Latar Belakang Absorpsi Kimia Pelarut Amine
Kalium Karbonat
Senyawa amine yang sering digunakan: MEA, DEA, TEA, DIPA, MDEA, DGA dll Keunggulan: laju absorpsi tinggi (tergantung kekuatan amine) Kelemahan: panas regenerasi tinggi dan menimbulkan foaming
• Keunggulan: panas absorpsi rendah dan heat regenerasi rendah • Kelemahan: laju reaksi lambat (laju absorpsi rendah)
Untuk meningkatkan performance K2CO3 ditambahkan promotor (Cullinane & Rochelle, 2004) Proses Benfield
Laboratorium Thermodinamika
Penelitian Terdahulu Dang dan Rochelle (2001) • Kelarutan dan laju absorpsi CO2 dalam MEA/ PZ/ air dalam wetted wall column. • PZ dapat mengurangi tekanan kesetimbangan CO2 dan meningkatkan laju absorpsi CO2.Enhancement factor CO2 berkurang ketika loading meningkat
Cullinane dan Rochelle (2004) • Thermodinamik dan data kinetik untuk larutan K2CO3 dengan promotor PZ. • Penambahan PZ 0,6 m dalam 1,8-3,6m K2CO3 pada suhu 40-80oC dapat meningkatkan laju absorpsi sebesar 0,4-0,8 dan menaikkan panas absorpsi sebesar 3,7-10 kkal/mol.
Kuswandi et al. (2008) • Data kesetimbangan CO2 dalam larutan K2CO3. Perhitungan estimasi dengan metode ENRTL. • jumlah mol CO2 yang terlarut menurun dengan naiknya suhu dan konsentrasi K2CO3. Laboratorium Thermodinamika
Penelitian Terdahulu Winarno et al. (2008) • Proses absorpsi disertai reaksi kimia gas CO2 memakai larutan K2CO3 dan aktivator DEA dengan ENRTL • Kenaikan konsentrasi CO2 dalam gas umpan pada temperatur konstan akan menyebabkan kenaikan CO2 loading,kadar KHCO3, kelarutan CO2 , tekanan parsial kesetimbangan CO2 , dan penurunan kadar K2CO3
Ghosh et al. (2009) • Proses absorpsi CO2 dengan menggunakan larutan potassium carbonate (K2CO3) dengan penambahan zat aditif asam borat (H3BO3) dengan menggunakan WWC. • jumlah mol CO2 yang diserap meningkat dengan meningkatkan kadar asam borat dan kenaikan suhu. Laboratorium Thermodinamika
Perumusan Masalah K2CO3 + MDEA Benfield K2CO3 + Amine
Murah, daya absorpsi rendah dan Panas absorpsi lebih rendah Dibanding Amine dan PZ
K2CO3
Piperazine (PZ)
Amine
Murah, daya absorpsi lebih tinggi, panas absorpsi lebih Rendah dibanding PZ
Mahal, daya absorpsi tinggi Dan panas absorpsi lebih tinggi Dibanding amine dan K2CO3
Mahal, daya absorbsi dan panas absorpsi lebih tinggi di banding K2CO3
Laboratorium Thermodinamika
Tujuan Penelitian • Mengetahui pengaruh penambahan zat aditif metildietianolamina (MDEA) terhadap solubilitas CO2 dalam larutan K2CO3 pada tekanan atmosferik dan range suhu 30-50oC berdasarkan tekanan parsial dan CO2 loading.
– Mengkorelasikan data yang didapatkan dari experimen dengan model E-NRTL. Mendapatkan data solubilitas CO2 di dalam larutan K2CO3 dengan penambahan zat aditif MDEA yang dapat dijadikan sebagai acuan pada perancangan kolom absorpsi untuk proses mereduksi gas CO2 pada dunia industri.
Laboratorium Thermodinamika
Metode Penelitian
Variabel Experimen
Komposisi gas CO2-N2 - 10% - 15% - 20% Suhu operasi - 30oC - 40oC - 50oC
Dilakukan Pada:
Tekanan Atmosferik Larutan K2CO3 30% MDEA 2%
Laboratorium Thermodinamika
Metode Penelitian Air keluar
Gas keluar
OD 10.16 cm,kaca
Wetted Wall Column (WWC)
OD 2,54 cm
kaca
OD 1,26 cm,SS
9.1 cm
Larutan keluar
Gas masuk
Air masuk
Larutan masuk
Laboratorium Thermodinamika
Metode Penelitian Skema Rangkaian Peralatan V1 PI TI V3 R1 V4
Tangki larutan K2CO3-MDEA Pipa U Indikator Suhu Tangki Air Rotameter larutan Tangki Overflow/feeding K2CO3-MDEA R2 : Rotameter gas E1 : Kolom absorbsi WWC PG : Pressure Gauge P1 : Pompa sirkulasi larutan K2CO3-MDEA P2 : Pompa sirkulasi air panas
TI CO2 , N2 keluar V4 PI E1
R1 R2 Sampel liquid
: : : : : :
V1
P1
V3
P2
CO2 – N2
Laboratorium Thermodinamika
Metode Penelitian Metode Analisa Analisa Larutan
Analisa gas Outlet
Titrasi
• • •
mol HCO3mol CO32mol K+
Gas Analyzer ECOM
Text
Laboratorium Thermodinamika
Hasil dan Pembahasan Pengaruh Suhu terhadap CO2 bereaksi dan terlarut 0.0002 10% kadar CO2.txt 15% kadar CO2.txt 20% kadar CO2.txt
0.00018
CO2 terlarut (mol)
CO2 bereaksi (mol)
3
2.5
2
1.5
10% kadar CO2.txt 15% kadar CO2.txt 20% kadar CO2.txt
0.00016 0.00014 0.00012 0.0001 8e-05 6e-05 4e-05
1
2e-05
30
40 suhu ( C)
50
30
40
50
suhu (C)
Kenaikan suhu akan menurunkan jumlah CO2 yang bereaksi dan terlarut dalam larutan Benfield. Laboratorium Thermodinamika
Hasil dan Pembahasan Pengaruh Suhu terhadap CO2 Loading
CO2 Loading (mol CO2/{mol K+ + mol MDEA})
0.08 10% kadar CO2.txt 15% kadar CO2.txt 20% kadar CO2.txt
0.07
Kenaikan suhu akan menurunkan harga CO2 loading.
0.06
%Penurunan CO2 loading
0.05 0.04 0.03
Suhu Operasi (oC)
CO2 loading
% penurunan CO2 loading
30
0,0553
-
40
0,0333
39,88
50
0,0221
60,04
0.02 30
40 suhu (C)
50
Laboratorium Thermodinamika
Hasil dan Pembahasan Laju absorpsi CO2 pada larutan yang berbeda Larutan
CO2 loading (Mol CO2/[mol K+ + mol x ])
P CO2 (Pa)
30% wt K2CO3 suhu 30oC
0,027
14.399
0,036
15.412
0,85
18.267
0,80
23.462
0,062
20.282
0,038
20.283
30% K2CO3 + 2% H3BO3 suhu 30oC 3,6m K2CO3 + 0,6m PZ suhu 40oC 3,6m K2CO3 + 0,6m PZ suhu 60oC 30% K2CO3 + 2% MDEA suhu 30oC 30% K2CO3 + 2% MDEA suhu 40oC
Laboratorium Thermodinamika
Hasil dan Pembahasan Model
E-NRTL (Electrolyte Non Random Two Liquid) telah diaplikasikan secara luas untuk menunjukkan sifat-sifat thermodinamika dari berbagai macam sistem elektrolit Persamaan berikut adalah dasar model ENRTL untuk energi gibbs ekses sistem elektrolit.
ex m
G
ex ,lc m
G
ex , PDH m
G
Fitting pada tiap variasi suhu Fitting dilakukan pada tiap set data kenaikan suhu operasi
Fitting satu parameter Fitting dilakukan untuk semua data overall
Parameter-parameter dalam proses fitting Parameter interaksi biner , A dan B :
1. Parameter Interaksi Biner antar molekul 2. Parameter Interaksi Biner antar molekul- pasangan ion lain Laboratorium Thermodinamika
Hasil dan Pembahasan Parameter nonrandomnes factor Interaksi Molekul-molekul H2O-pasangan ion Pasangan ion-H2O MDEA-pasangan ion Gas- pasangan ion
Parameter-parameter hasil fitting variasi suhu: • Parameter-parameter interaksi untuk suhu 30oC
α α m,m' α H2O,ca α ca,H2O α MDEA,ca α CO2,ca
Harga α 0,2 0,2 0,2 0,1 0,1
Parameter interaksi biner antar molekul Interaksi CO2-H2O H2O-CO2 H2O-MDEA MDEA-H2O MDEA-CO2 CO2-MDEA
A 13,390 12,013 9,345 -1,762 0,054 0,103
B -3268,124 -3268,129 -1902,400 -147,399 0,000 0,000
Parameter interaksi biner antar molekul-pasangan ion interaksi
A
B
H2O-K+,CO32-
9,139949
1581,999844
K+,CO32--H2O
-4,895366
-377,000180
,HCO3 K+,HCO3--H2O K+,CO32--CO2 K+,HCO3--CO2
8,007835
2863,000067
-3,529214
-601,000041
-4,872134
-0,000647
-4,974340 0,067023 0,022512 14,680536
-0,000047 0,000018 0,000008 -0,000158
H2
O-K+
-
MDEA-pasangan ion lain pasangan ion lain-MDEA CO2-pasangan ion lain
Laboratorium Thermodinamika
Hasil dan Pembahasan Tekanan Kesetimbangan CO2 Secara Eksperimen dan Secara Korelasi Dengan Metode Fitting pada tiap Variasi Suhu Operasi
Suhu Operasi (oC)
30
40
50
Kadar CO2 di Gas Umpan (% mol)
Koefisien Aktivitas Eksperimen (γ ) CO2
Koefisien Aktivitas korelasi (γ ) CO2
(Pa) Eksperimen
(Pa) Korelasi
10
15,35
16,02
10140,42
11049,49
15
16,67
16,08
15211,28
14152,15
20
16,09
16,18
20282,87
20523,48
10
22,29
23,20
10140,76
10983,05
15
23,69
22,87
15211,72
14176,30
20
22,09
22,23
20283,84
20547,74
10
31,76
33,37
10141,05
11190,56
15
32,54
31,12
15212,16
13915,76
20
28,21
28,42
20284,43
20589,98
Laboratorium Thermodinamika
Hasil dan Pembahasan experimen korelasi
21000
pada tiap variasi suhu operasi
Tekanan Parsial CO2 (Pa)
Metode Fitting
RMSD 0,97% RMSD 0,77%
18000
RMSD 0,81% 15000
12000
9000
suhu 50C
suhu 40C
suhu 30C
0.018 0.027 0.036 0.045 0.054 0.063 CO2 Loading (mol CO2/[mol K + mol MDEA])
Laboratorium Thermodinamika
Hasil dan Pembahasan Parameter nonrandomnes factor Interaksi Molekul-molekul H2O-pasangan ion Pasangan ion-H2O MDEA-pasangan ion Gas- pasangan ion
α α m,m' α H2O,ca α ca,H2O α MDEA,ca α CO2,ca
Harga α 0,2 0,2 0,2 0,1 0,1
Parameter interaksi biner antar molekul Parameter-parameter hasil fitting satu parameter
Interaksi CO2-H2O H2O-CO2 H2O-MDEA MDEA-H2O MDEA-CO2 CO2-MDEA
A 20,3250 12,4074 11,4827 3,4032 -2,2700 -1,9556
B -3268,1196 -3267,9475 -1902,3987 -147,3832 -0,0049 -0,0013
Parameter interaksi biner antar molekul-pasangan ion interaksi
A
B
H2O-K+,CO32-
9,71685
1581,99505
K+,CO32--H2O
-5,52942
-376,98704
,HCO3 K+,HCO3--H2O K+,CO32--CO2 K+,HCO3--CO2
8,78386
2863,00275
-0,97120
-601,00047
0,19579
-0,00713
-3,74695 0,17725 -0,00610 13,27625
0,00108 0,00001 0,00017 -0,00132
H2
O-K+
-
MDEA-pasangan ion lain pasangan ion lain-MDEA CO2-pasangan ion lain
Laboratorium Thermodinamika
Hasil dan Pembahasan 24000
RMSD 1,38%
Metode Fitting satu parameter
Tekanan parsial CO2 (Pa)
22000
experimen korelasi
20000 18000 16000 14000 12000
suhu 50C
suhu 40C
suhu 30C
10000 8000 0.01
0.02
0.03 0.04 0.05 0.06 CO2 Loading (mol CO2/[molK + mol MDEA])
0.07
Laboratorium Thermodinamika
Kesimpulan •
•
• •
Pengaruh kenaikan suhu operasi pada range suhu 30 - 50oC dapat menurunkan besarnya CO2 loading rata-rata sebesar 39,88% (untuk suhu 40oC) dan 60,04% (untuk suhu 50oC). Meningkatnya persentase CO2 dalam gas umpan dengan komposisi 10-20% dapat meningkatkan besarnya CO2 loading rat-rata sebesar 12,74% (untuk 15% CO2) dan 36,33% (untuk 20% CO2). Pengaruh kenaikan suhu operasi pada dalam larutan kalium K2CO3 dapat menaikkan tekanan parsial gas CO2. Secara keseluruhan model E-NRTL memberikan hasil yang baik pada sistem K2CO3 – MDEA dengan Root Mean Squared Deviation (RMSD) 0,77-0,97% (untuk fitting pada tiap variasi suhu operasi) dan 1,38% (untuk fitting satu parameter)
Laboratorium Thermodinamika
