Seminar Sebumi Kerjasama Universitas Indonesia dan Universiti Kebangsaan Malaysia, Kampus UI Depok, 24-25 Juni 2008
STUDI ABSORPSI CO2 MENGGUNAKAN KOLOM GELEMBUNG BERPANCARAN JET (JET BUBBLE COLUMN) Setiadi, Nita Tania H, Hantizen dan Dijan Supramono
Disampaikan Oleh Setiadi, E-mail :
[email protected] Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik UI
General Background • Issue ttg.Global Warmng perlu solusi Teknologi • Pengembangan Teknologi CCS (Carbon Capture and Storage) : Absorption, CBM (coal Bed Methane), CO2injection, CO2 fixation)
Pendahuluan Fenomena Dasar
Pembentukan awan gelembung (Bubble Cloud) hasil tumbukan pancaran vs permukaan cairan Profil permukaan menyerupai terompet akibat tumbukan pancaran jet Gas/Udara terperangkap kedalam celah lubang sumur terompet entrainment
Akibat turbulensi permukaan dan adanya pusaran eddy (eddy current), lapisan udara terjebak jauh dibawah permukaan terkena tumbukan momentum pusaran arus dan terbelah/terpecah-pecah
→ terbentuk awan gelembung
Sumber: Ito, 2000; Havelka, 2000
Pendahuluan Kriteria Desain peralatan kontak gas-cair (absorpsi) : Harus mampu Menciptakan luas kontak antar fasa setingi-tingginya, agar laju mass transfer terakselerasi jauh lebih tinggi dan menjadi sangat efisien. Tabel 1 Berbagai alat kontak gas – cair secara umum (Lee, Sheng-Yi & Tsui, Y. P., 1998)
Pendahuluan Pressure indicator Cairan Memasuki Nozzle
Nozzle pembentuk pancaran Cairan (Liquid Jet)
Gas Keluar Kolom Tabung Absorpsi
Pipa downcomer untuk penetration depth Gelembung Hasil Pancaran Cairan
Flowmeter untuk Pengukuran gas terentrainment
Pengukur Pressure Drop Kolom Gelembung
Awan gelembung saat operasi kolom absopsi
Foto Peralatan Kolom Absorpsi
Tujuan penelitian Studi Hidrodinamika : Melihat kelayakan operasi hasil desain yakni pengaruh laju alir volumetrik cairan (QL) thd. laju alir volumetrik gas terhisap (QG), holdup fasa gas pada diamaeter nozzle (DN) Kinetika reaksi absorpsi gas CO2 : Penentuan konstanta laju absorpsi menggunakan hasil hidrodinamika posisi downcomer pipe
Hasil Studi Hidrodinamika Gas entrainment adalah jumlah gas yang terbawa/ tersedot oleh pancaran cairan Jet masuk ke dalam kolom.
0.00006 y = 9 E -0 6 x - 3 E -0 6
0.00005
R 2 = 0.973
D n = 12.1 mm
0.00004
L i n e a r (D n = 1 2 . 1 m m)
0.00003 0.00002 0.00001 0 0
1
2
3
4
5
6
7
v (m/ det)
Gambar 1 Hubungan antara laju gas entrainment (QG) terhadap kecepatan pancaran cairan (v) pada ukuran diameter nozzle yang tetap.
Hasil Studi Hidrodinamika Holdup gas adalah fraksi gas yang terbentuk dalam kolom gelembung akibat pancaran cairan (v) pada ukuran diameter nozzle yang berbeda (Dn).
0.45 0.4
ε
0.35 0.3
Dn = 6 mm Dn = 7.2 mm
0.25 0.2
Dn = 9.3 mm
0.15 0.1
Dn = 12.1 mm
0.05 0 0
5
10
15
20
v ( m/ de t )
Gambar 2 Hubungan antara holdup fasa gas () terhadap kecepatan pancaran cairan (v) pada ukuran diameter nozzle yang berbeda (Dn).
0 -0.20.6
0.8
1
Dn=12.1mm; QL=0.1982 L/ det
1.2
Hasil Studi Kinetika
-0.4 -0.6
Dn=12.1mm; QL=0.3526 L/ det
-0.8 y = -0.3451x - 0.8554
-1
R2 = 0.9633
Linear (Dn=12.1 mm; QL=0.1982 L/ det )
-1.2 -1.4 -1.6 -1.8
Linear (Dn=12.1 mm; QL=0.3526 L/ det )
y = -0.6757x - 0.9661 R2 = 0.9731
-2 x
Tabel 1 Hasil Perhitungan Konstanta Kinetika Reaksi
Dn (mm)
QL (L/det)
QG(L/det)
k
12.1
0.1982
0.0801
1.08E-01
0.3526
0.1466
1.40E-01
0.2080
0.0573
1.68E-01
0.3711
0.1732
2.98E-01
2
Gambar 3 Grafik linierisasi dari metode regresi linier berganda pada Dn = 12.1 mm. 0 0.6
0.8
1
1.2
9.3
1.4
-0.2 -0.4
Dn=9.3 mm; QL=0.2080 L/ det
-0.6
Dn=9.3 mm; QL=0.3711 L/ det
-0.8 -1
y = -0.1746x - 0.5263 R2 = 0.9373
-1.2
y = -0.547x - 0.7755
-1.4
R2 = 0.9975
Li near (Dn=9.3 mm; QL=0.2080 L/ det) Li near (Dn=9.3 mm; QL=0.3711 L/ det)
-1.6 x2
Gambar 4 Grafik linierisasi dari metode regresi linier berganda pada Dn = 9.3 mm
Hasil Studi Hidrodinamika Penyebaran Distribusi Gelembung dengan Metode Fotografi 45.0 % ju m la h g e le m b u n g
40.0 35.0 30.0
Dn=12.1 mm; QL=0.1982 L/det Dn=12.1 mm; QL=0.3526 L/det
25.0 20.0 15.0 10.0
Dn=9.3 mm; QL=0.2080 L/det Dn=9.3 mm; QL=0.3711 L/det
5.0 0.0 0.000970.00184
0.002730.00360
0.004490.00536
0.006250.00712
Interval Diameter Gelembung (m)
Gambar 5 Hubungan antara % jumlah gelembung pada tiap interval diameter gelembungnya Dn (mm)
QL (L/det)
QG(L/d et)
k
εG
a (m2/m3)
12.1
0.1982
0.0801
1.08E01
0.246
2944.21
0.3526
0.1466
1.40E01
0.424
4492.30
0.2080
0.0573
1.68E01
0.153
1091.95
2.98E01
0.415
9.3
0.3711
0.1732
Hasil Perhitungan Luas Kontak 1518.27
KESIMPULAN 1. Peralatan kolom gelembung pancaran yang didesain di penelitian ini layak beroperasi dan dapat digunakan untuk absorpsi CO2.
2. Semakin besar laju alir volumetrik cairan dan laju alir volumetrik gas dalam diameter tetap akan menghasilkan konstanta kinetika reaksi dan luas kontak antar fasa gas-cair yang semakin besar. Pada Dn = 12.1 mm yang terbaik adalah pada QL = 0.3526 L/det yaitu k = 1.4x10-1 dan a = 4492.30 m2/m3, sedangkan pada Dn = 9.3 mm yang terbaik adalah pada QL = 0.3711 L/det yaitu k = 2.98x10-1 dan a = 1518.27 m2/m3.
3. Semakin besar luas kontak yang dihasilkan, distribusi gelembung pada kolom absorpsi akan semakin baik, dan kondisi operasi yang terbaik adalah pada Dn = 9.3 mm dengan QL = 0.3711 L/det.
Metode Penelitian Penentuan Holdup gas Gambar 1 Pengambilan titik tekanan statik pada kolom gelembung pancaran Sesuai Gambar dan diturunkan persamaan matematikasebagai berikut :
Gambar (b)
Gambar (a)
P1 ' = P0 + ρ .g .H f ε l
P1 = P0 + ρ .g .h f .ε l
εl = 1− ε g
P2 = P0 + ρ .g .h f .ε l
P1 ' = P0 + ρ .g .H f .(1 − ε g )
P2 ' = P0 + ρ .g.h f
Tidak ada gas hold up
ε l = 1,
(ε ) = 0 g
Sehingga
P1 = P0 + ρ .g .h f P2 = P0 + ρ .g .h f
P2 ' = P1 ' P0 + ρ .g .h f = P0 + ρ .g .H f .(1 − ε g ) h f = H f .(1 − ε g ) Pada Gambar point (b) tekanan statik P1’ sama dengan P2’ maka akan kita peroleh nilai holdup fasa gas sebagai berikut,
ε g = 1−
hf Hf
Metode Penelitian Teknik Penentean Konstanta Laju Reaksi (Kobs)
Untuk menentukan koefisien kinetika reaksi (kobs) absorpsi CO2 dalam larutan absorbent NaOH dapat ditentukan dari persamaan kinetika reaksi. Adapun reaksinya adalah sebagai berikut : 2 NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O m n − rNaOH = k .C NaOH .CCO 2
Dipandang bahwa : •Kadar CO2 di fasa gas dibuat konstan selama pengkontakkan, tidak ada komponen CO2 didalam fasa cair, CO2 habis bereaksi. •Cairan NaOH homogen, karena adanya pengadukan dari sirkulasi pompa dan efek arus pusaran dalam kolom downcomer. limiting reactant •Reaktan NaOH tidak mungkin berdifusi kedalam fasa film gas, karena alat bekerja pada suhu kamar sehingga larutan NaOH tidak mungkin terjadi penguapan langsung.
rNaOH =
dC NaOH dt
kobs = k.C
n CO2
dC NaOH m = −k obs .C NaOH dt
Kondisi batas integrasi : • t = 0 ⇒ C = C0 (tidak ada larutan yang mengabsorpsi) • t = tf ⇒ C = 0 (tercapainya kesetimbangan absorpsi)
(1 − m)lnC0 − ln(1 − m) = ln kobs + lnt f ln C0 =
ln kobs + ln(1 − m) 1 + ln t (1 − m) f (1 − m)
C = C0
dC NaOH = −k obs .dt m C NaOH
∫
C =0
C 01− m = k obs .t f 1− m
ln C 0 =
0 dC NaOH = − k obs ∫ .dt m C NaOH t =t f
⎛ C 1− m ⎞ ln⎜⎜ 0 ⎟⎟ = ln(k obs .t f ⎝1− m ⎠
)
ln{k obs .(1 − m)} 1 ln t + (1 − m ) f (1 − m)
Data Kinetika reaksi hanya perlu mendeteksi waktu yang dibutuhkan untuk absorbent NaOH habis bereaksi atau menentukan saat cairan absorben harus diganti/diregenerasi
