(Ahmadi, 2008) Pada larutan K2CO 3 ditambahkan promotor asam borat, mekanisme yang terjadi sebagai berikut:

Transkripsi

1 MODEL ABSORPSI MULTIKOMPONEN DALAM LARUTAN K 2 CO 3 DENGAN PROMOTOR ASAM BORAT PADA PACKED COLUMN Fanny Anastasia ( ) Eka Yeni Rahayu ( ) Pembimbing : 1. Prof. Dr. Ir. Ali Altway, MS 2. Dr. Ir. Susianto, DEA PENDAHULUAN Gas Karbondioksida (CO 2 ) dalam industri kimia dapat menimbulkan dampak negatif karena gas CO 2 termasuk kategori gas yang bersifat asam (acid gas). Saat ini yang paling banyak digunakan untuk mereduksi gas CO 2 adalah proses absorpsi secara proses kimia ini tampaknya menjadi yang efektif dan praktis dibandingkan proses lainnya. Selain itu, absorpsi yang disertai dengan reaksi kimia ini merupakan salah satu proses pemisahan yang sering diaplikasikan dalam industri. Pada peneliti terdahulu hanya dilakukan difusi absorpsi monokomponen dengan enhancement factor dan kebanyakan menggunakan senyawa amine sebagai promotor. Oleh karena itu, dalam penelitian ini dilakukan simulasi dengan menggunakan software Matlab untuk mengetahui fluks absorpsi CO 2 menggunakan pelarut K 2 CO 3 dengan promotor asam borat pada packed column serta difusi absorpsi yang digunakan difusi multikomponen. Dengan menggunakan persamaan Kenig (2001), distribusi konsentrasi tiap komponen dalam film liquida dapat diperoleh. Setelah perhitungan distribusi konsentrasi didapat, dilanjutkan dengan perhitungan fluks absorpsi CO 2 dimana fluks yang terjadi 1 arah yaitu dari gas ke liquida. Fluks absorpsi adalah laju penyerapan gas yang terserap oleh liquida. Penelitian ini bertujuan untuk mengestimasikan distribusi konsentrasi tiap komponen (, dan ) dan memprediksi secara teoritis fluks absorpsi CO 2 pada film liquida dengan menggunakan model film dan teori Maxwell-Stefan Diffusion untuk absorpsi CO 2 ke dalam larutan K 2 CO 3 berpromotor asam borat pada packed column serta membandingkan hasil prediksi teoritis ini dengan hasil prediksi teoritis menggunakan teori Fick Diffusion. Dari hasil Penelitian dapat disimpulkan bahwa penambahan konsentrasi promotor asam borat hanya berpengaruh terhadap distribusi konsentrasi dan hasil prediksi fluks absorpsi CO 2 menggunakan teori Maxwell- Stefan Diffusion jauh lebih besar (55x) dibandingkan dengan menggunakan pendekatan Fick Diffusion. METODOLOGI Penelitian ini akan dilakukan secara teoritis dengan membuat simulasi pengembangan model matematis mekanisme perpindahan massa absorpsi gas CO 2 ke dalam liquida. Model perpindahan massa yang digunakan adalah model film dengan menggunakan teori Maxwell- Stefan Diffusion untuk sistem multikomponen. Model transfer massa antar fasa yang digunakan untuk menentukan fluks absorpsi adalah model film untuk diffusi multikomponen menggunakan teori Maxwell-Stefan Diffusion. Pada larutan K2CO 3 ditambahkan promotor asam borat, mekanisme yang terjadi sebagai berikut: (R1) (Ahmadi, 2008)

2 Reaksi yang terjadi di film liquida adalah reaksi reversible seperti di bawah ini: (R4) (Cents, 2005) Data kesetimbangan reaksi yang terjadi pada proses absorpsi CO 2 adalah sebagai berikut: (3) (Cents, 2005) Untuk menghitung kelarutan, menggunakan data konstanta Henry untuk sistem gas air ( sebagai fungsi temperature yang didapat dari Perry 7 th edition. (4) Pada pengembangan model matematis absorpsi CO 2 ke dalam larutan K 2 CO 3 dalam packed column dibutuhkan kinetika komponen reaksi. Untuk menentukan kinetika komponen reaksi menggunakan persamaan (Kenig, 2000). (R2) (R3) (1) (2) (5) Koefisien difusi diperoleh dengan Metode Maxwell-stefan, dengan persamaan (6) Profil konsentrasi komponen dalam fasa liquid, didapat dengan teori film steady state yang dinyatakan dengan persamaan (Kenig, 2001) : (7) dengan (8) Matrik koefisien difusi diperoleh dari Pers. (6) dan komponen diperoleh dari Pers. (5), selanjutnya untuk mendapatkan fluks absorpsi CO 2 (n) Pers. (10) diturunkan terhadap x. dimana, Hasil penurunan Pers. (10) ditunjukkan sebagai berikut, HASIL DAN PEMBAHASAN (9) (10) (11)

3 Berdasarkan aplikasi teori absorpsi CO 2 dengan menggunakan larutan K 2 CO 3 berpromotor asam borat 3% untuk kondisi operasi dengan V G = m 3 /jam, V L =1900 m 3 /jam, P=28 atm, T G =125 C, dan T L =90 C diperoleh hasil distribusi konsentrasi komponenkomponen di dalam film liquida yang ditunjukkan dalam Gambar 1 Gambar 1 Distribusi konsentrasi komponenkomponen Gambar 2 Distribusi konsentrasi komponenkomponen T G =125 C, dan asam borat 3% dengan variasi temperatur liquida. Gambar 1 dan Gambar 2 dapat diperjelas dengan Gambar 3 dan Gambar 4 sebagai berikut Gambar 3 Distribusi konsentrasi komponenkomponen Gambar 4 Distribusi konsentrasi komponenkomponen T G =125 C, T L =50 C, dan asam borat 3%. Pada kondisi yang sama dengan variasi temperature liquida 50 C dan 90 C, Gambar 3 dan 4 menunjukkan distribusi konsentrasi dan didalam film liquida menurun dari bulk liquida ke interface sebaliknya konsentrasi komponen meningkat dari bulk liquida ke interface. Profil konsentrasi dan mengalami perubahan konsentrasi yang berkebalikan karena dipengaruhi oleh reaksi sebagai berikut

4 Meningkatnya konsentrasi dikarenakan konsentrasi ini sebagai produk, sebaliknya menurunnya konsentrasi disebabkan karena yang berasal dari ionisasi larutan K 2 CO 3 bereaksi dengan H 2 O membentuk ion Begitu juga dengan menurunnya konsentrasi dikarenakan bereaksi dengan membentuk Gambar 5 Distribusi konsentrasi komponenkomponen = m 3 /jam, V L =1900 m 3 /jam, P=24 atm, Gambar 6 Distribusi konsentrasi komponenkomponen = m 3 /jam, V L =1900 m 3 /jam, P=32 atm, Gambar 5 dan 6 pada tekanan gas 24 atm dan 32 atm memiliki kecenderungan yang sama seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3 dan 4 dengan temperatur larutan yang berbeda. Berdasarkan perbedaan tekanan gas antara 24 atm dan 32 atm, konsentrasi ion, dan tidak mengalami perubahan signifikan. Pengaruh penambahan promotor asam borat ke dalam larutan K 2 CO 3 untuk profil konsentrasi komponen-komponen di dalam film liquida dengan kondisi operasi V G = m 3 /jam, V L =1900 m 3 /jam, P=28 atm, T G =125 C dan T L =90 C dapat dilihat pada Gambar 7 untuk promotor asam borat 1% dan Gambar 4.8 untuk promotor asam borat 3%. Gambar 7 Distribusi konsentrasi komponenkomponen T G =125 C, T L =90 C, dan asam borat 1%. Gambar 8 Distribusi konsentrasi komponenkomponen

5 Dari Gambar 7 dan 8 terlihat bahwa penambahan konsentrasi promotor berpengaruh terhadap konsentrasi ion dan. Semakin banyak promotor yang ditambahkan maka kinetika kecepatan reaksi semakin besar sehingga konsentrasi ion dan cepat berkurang. Profil distribusi konsentrasi dari kedua ion ini menurun didalam film liquida dari bulk liquida ke interface. Sedangkan untuk konsentrasi ion meningkat dari bulk liquida ke interface. Fluks absorpsi CO 2 diprediksi dari gradien distribusi konsentrasi CO 2 di dalam film liquida. Hubungan antara perubahan fluks absorpsi CO 2 terhadap temperatu larutan pada tekanan 24 atm dan 32 atm dapat dilihat pada Gambar 9. Gambar 9 Hubungan antara fluks absorpsi terhadap temperature larutan pada tekanan 24 atm dan 32 atm Gambar 10 Hubungan antara fluks absorpsi CO2 terhadap temperature larutan pada temperatur larutan 50 C dan 90 C. Gambar 9 menunujukkan bahwa temperatur memberikan pengaruh terhadap fluks absorpsi CO 2. Kenaikan temperatur meyebabkan penurunan kelarutan gas yang tentunya juga akan mengakibatkan pada penurunan laju absorpsi. Kenaikan temperatur sebenarnya juga akan menaikan kecepatan reaksi yang selanjutnya dapat memperbesar laju absorpsi. Namun nampaknya pengaruh penurunan kelarutan lebih dominan dibandingkan pengaruh kenaikan kecepatan reaksi. Profil fluks absorpsi CO2dengan variasi temperatur pada tekanan 32 atm lebih besar dibandingkan dengan tekanan 24 atm. Hal ini juga diakibatkan oleh naiknya kelarutan CO 2 dengan kenaikan tekanan. Pengaruh tekanan terhadap fluks absorpsi CO2 dari hasil simulasi ditunjukkan pada Gambar 10. Gambar 10 menunjukkan bahwa semakin tinggi tekanan operasi kolom absorpsi maka fluks absorpsi CO 2 juga semakin tinggi. Hal ini disebabkan karena dengan semakin tingginya tekanan, maka kelarutan CO 2 dalam larutan K 2 CO 3 juga akan semakin besar. Kelarutan ini ditentukan dengan menggunakan Hukum Henry. Dari Gambar 10 dapat diketahui juga bahwa temperatur larutan 50 C mempunyai fluks absorpsi CO 2 lebih besar dibandingkan temperatur larutan 90 C.

6 Gambar 11 Hubungan antara fluks absorpsi CO 2 terhadap laju alir liquida pada temperatur larutan 50 C dan 90 C. Gambar 12 Hubungan fluks absorpsi CO 2 promotor asam borat 1% dan promotor asam borat 3% pada tekanan 28 atm Gambar 11 menunujukkan bahwa meningkatnya laju alir liquida tidak memberikan pengaruh terhadap fluks absorpsi CO 2 secara signifikan baik pada temperature larutan 50 C maupun temperatur larutan 90 C. Nampaknya laju alir gas lebih dominan untuk mengendalikan laju absorpsi CO 2 dibandingkan laju alir liquida. Pada simulasi absorpsi CO2 ini, dipelajari pengaruh penambahan konsentrasi promotor asam borat 1% dan 3% terhadap fluks absorpsi CO 2. Berdasarkan Gambar 12 di atas, dapat diketahui bahwa konsentrasi promotor asam borat 3% mempunyai fluks absorpsi CO 2 lebih besar dari konsentrasi promotor asam borat 1%. Hal ini dikarenakan semakin banyak konsentrasi promotor yang ditambahkan maka larutan yang masuk dalam packed column akan lebih reaktif. Sedangkan dengan adanya kenaikan temperatur larutan menyebabkan fluks absorpsi CO 2 menurun baik pada konsentrasi promotor asam borat 3% maupun konsentrasi promotor asam borat 1%. Gambar 13 menunjukkan bahwa konsentrasi promotor asam borat 1% mempunyai fluks absorpsi CO2 lebih besar dari konsentrasi promotor asam borat 3%. Dari gambar di atas terlihat juga bahwa semakin tinggi tekanan operasi packed columni maka fluks absorpsi CO 2 juga semakin tinggi. Gambar 14 menunjukkan bahwa perhitungan dengan menggunakan teori Maxwell- Stefan mempunyai fluks absorpsi CO2 lebih besar daripada perhitungan dengan menggunakan teori Fick. Akan tetapi dengan adanya kenaikan temperatur larutan menyebabkan fluks absorpsi CO 2 dengan menggunakan teori Maxwell-Stefan memiliki profil menurun dari interface ke bulk liquid. Sedangkan fluks absorpsi CO 2 dengan menggunakan teori Fick memiliki profil menurun dari interface ke bulk liquid.

7 Gambar 13 Hubungan fluks absorpsi CO 2 promotor asam borat 1% dan promotor asam borat 3% pada temperature larutan 90 C Gambar 14 Hubungan fluks absorpsi CO 2 teori Maxwell-Stefan dan Fick pada tekanan 28 atm Gambar 15 Perbandingan fluks absorpsi CO 2 teori Maxwell-Stefan dan Fick pada temperatur larutan 90 C Gambar 15 menunjukkan profil yang sama seperti Gambar 14 yaitu perhitungan dengan menggunakan teori Maxwell-Stefan mempunyai fluks absorpsi CO 2 lebih besar daripada perhitungan dengan menggunakan teori Fick. Dari Gambar 15 dapat dilihat juga bahwa dengan adanya kenaikan tekanan menyebabkan fluks absorpsi CO 2 meningkat dari interface ke bulk liquid baik dengan menggunakan teori Maxwell-Stefan dan teori Fick.

8 KESIMPULAN Dari penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan beberapa hal berikut: 1. Penambahan konsentrasi promotor asam borat hanya berpengaruh terhadap distribusi konsentrasi. 2. Hasil prediksi dari penelitian ini, fluks absorpsi CO 2 yang menggunakan teori Maxwell- Stefan Diffusion telah dibandingkan dengan menggunakan teori Fick Diffusion, dengan persamaan: Teori Maxwell-Stefan Diffusion : Teori Fick Diffusion: 3. Hasil prediksi fluks absorpsi CO 2 menggunakan teori Maxwell-Stefan Diffusion jauh lebih besar (55x) dibandingkan dengan menggunakan pendekatan Fick Diffusion. DAFTAR PUSTAKA Ahad Ghaemi, Shahrokh Shahhosseini, Mohammad Ghanadi Maragheh, Nonequilibrium dynamic modeling of carbon dioxide absorption by partially carbonated ammonia solutions. Iran : Elsevier Publishing Company. Ahmadi, M., Gomes, V. G., Ngian, K, Advanced Modelling in Performance Optimization for Reactive Separation in Industrial CO 2 Removal. Altway, Ali Perpindahan Massa disertai Reaksi Kimia. Jakarta: Beemarketer Institute. Anwar, khoirul, Angga, Hendrik, Altway, Ali, Susianto, Absorpsi CO 2 dari Gas Sintesa pada Packed Column dengan Larutan Benfield Disertai dengan Reaksi Kimia. Cent A.H.G, Brilman D.W.F, dan Versteeg G.F CO2 Absorption in carbonate/bicarbonate solutions:the Danckwerts-criterion revisited. Nrtherland : Elsevier Publishing Company. Astarita, Geovanni Mass Transfer with Chemical Reaction. Amsterdam: Elsevier Publishing Company. Erwan A.S, Kinetika Reaksi Absorbsi CO 2 dengan Menggunakan Kalium Karbonat (K 2 CO 3 ) Berpromotor. Kenig E.Y., R. Schneider, A. Gorak, Multicomponent unsteady-state film model : a general analytical solution to the linearized diffusion-reaction problem. Germany : Elsevier Publishing Company. Danckwerts, F. R. S., P.V., Gas-Liquid Reactions. New York: McGraw Hill Book Company. Kucka, Lars, Muller, Ivo, Kenig, Eugeny, Y., Gorak, Andrzej On The Modelling and Simulation of Sour Gas Asorption by Aqueous Amine Solutions. Mackowiak, Jan F., Gorak, Andrzej, Kenig, Eugeny, Y Modeling of Combined Direct- Contact Condensation and Reactive Absorption in Packed Columns. Tylor R., Model for multicomponent mass transfer. Postdam : Computer & Chemical Engineering. Sanitasari, Lela, Altway Ali, Susianto Recovery CO 2 pada gas sintesa dengan absorben K 2 CO 3 dan katalis DEA dalam Packed column. Przepiorsk J., S. Yoshida, A. Oya Structure of K2CO 3 loaded activated carbon fiber and its deodorization ability against H 2 S gas.