Dasar Teori Fungsi Absorbsi dalam industri adalah

Transkripsi

1 Dasar Teori Absorbsi adalah proses pemisahan bahan dari suatu campuran gas dengan cara pengikatan bahan tersebut pada permukaan absorben cair yang diikuti dengan pelarutan. Kelarutan gas yang akan diserap dapat disebabkan hanya oleh gaya-gaya fisik (pada absorpsi fisik) atau selain gaya tersebut juga oleh ikatan kimia (pada absorpsi kimia). Komponen gas yang dapat mengadakan ikatan kimia akan dilarutkan lebih dahulu dan juga dengan kecepatan yang lebih tinggi. Karena itu absorpsi kimia mengungguli absorpsi fisik. Absorbsi gas atau penyerapan gas merupakan proses perpindahan massa. Pada absorbsi gas, uap yang diserap dari campurannya dengan gas tidak aktif atau lembab (inert gas) dengan bantuan zat cair dimana gas terlarut (solute gas) dapat larut banyak atau sedikit. Fungsi Absorbsi dalam industri adalah meningkatkan nilai guna dari suatu zat dengan cara merubah fasenya. Alat yang banyak digunakan dalam absorbsi gas dan beberapa operasi lain adalah menara isian. Piranti ini terdiri dari sebuah kolom berbentuk silinder atau menara yang dilengkapi dengan pemasukan gas dan ruang distribusi pada bagian bawah. Pemasukan zat cair dan distribusinya pada bagian atas. Sedangkan pengeluaran gas dan zat cair masingmasing diatas dan dibawah. Serta suatu massa bentukan zat padat (tidak aktif/inert) diatas penyangganya. Bentukan ini disebut isian menara atau tower packing. Jenis-jenis isian menara yang diciptakan orang banyak sekali macamnya tetapi ada beberapa jenis yang lazim dipakai. Isian menara terbagi menjadi dua macam, yaitu yang di isikan dengan mencurahkan secara acak kedalam menara dan disusun kedalam menara dengan tangan. Persyaratan pokok yang diperlukan untuk isian menara, yaitu: Harus tidak bereaksi (kimia) dengan fluida didalam menara Tidak terlau berat Harus mengandung cukup banyak laluan untuk arus tanpa banyak zat cair yang terperangkap atau menyebabkan penurunan tekanan terlalu tinggi Harus memungkinkan terjadinya kontak yang memuaskan antara zat cair dan gas Tidak terlalu mahal Absorben adalah cairan yang dapat melarutkan bahan yang akan diabsorpsi pada permukaannya, baik secara fisik maupun secara reaksi kimia. Absorben sering juga disebut sebagai cairan pencuci. Persyaratan absorben : Memiliki daya melarutkan bahan yang akan diabsorpsi yang sebesar mungkin (kebutuhan akan cairan lebih sedikit, volume alat lebih kecil). Selektif Memiliki tekanan uap yang rendah Tidak korosif. Mempunyai viskositas yang rendah Stabil secara termis. Murah Jenis-jenis bahan yang dapat digunakan sebagai absorben adalah air (untuk gas-gas yang dapat larut, atau untuk pemisahan partikel debu dan tetesan cairan), natrium hidroksida (untuk gas-gas yang dapat bereaksi seperti asam) dan asam sulfat (untuk gas-gas yang dapat bereaksi seperti basa). Kolom Absorbsi

2 Adalah suatu kolom atau tabung tempat terjadinya proses pengabsorbsi (penyerapan/penggumpalan) dari zat yang dilewatkan di kolom/tabung tersebut. Proses ini dilakukan dengan melewatkan zat yang terkontaminasi oleh komponen lain dan zat tersebut dilewatkan ke kolom ini dimana terdapat fase cair dari komponen tersebut. Struktur dalam absorber 1. Bagian atas: Spray untuk megubah gas input menjadi fase cair. 2. Bagian tengah: Packed tower untuk memperluas permukaan sentuh sehingga mudah untuk diabsorbsi 3. Bagian bawah: Input gas sebagai tempat masuknya gas ke dalam reaktor. Prinsip Kerja Kolom Absorbsi 1. Kolom absorbsi adalah sebuah kolom, dimana ada zat yang berbeda fase mengalir berlawanan arah yang dapat menyebabkan komponen kimia ditransfer dari satu fase cairan ke fase lainnya, terjadi hampir pada setiap reaktor kimia. Proses ini dapat berupa absorpsi gas, destilasi,pelarutan yang terjadi pada semua reaksi kimia. 2. Campuran gas yang merupakan keluaran dari reaktor diumpankan kebawah menara absorber. Didalam absorber terjadi kontak antar dua fasa yaitu fasa gas dan fasa cair mengakibatkan perpindahan massa difusional dalam umpan gas dari bawah menara ke dalam pelarut air sprayer yang diumpankan dari bagian atas menara. Peristiwa absorbsi ini terjadi pada sebuah kolom yang berisi packing dengan dua tingkat. Keluaran dari absorber pada tingkat I mengandung larutan dari gas yang dimasukkan tadi. Proses Pengolahan Kembali Pelarut Dalam Proses Kolom Absorber 1. Konfigurasi reaktor akan berbeda dan disesuaikan dengan sifat alami dari pelarut yang digunakan 2. Aspek Thermodynamic (suhu dekomposisi dari pelarut),volalitas pelarut,dan aspek kimia/fisika seperti korosivitas, viskositas,toxisitas, juga termasuk biaya, semuanya akan diperhitungkan ketika memilih pelarut untuk spesifik sesuai dengan proses yang akan dilakukan. 3. Ketika volalitas pelarut sangat rendah, contohnya pelarut tidak muncul pada aliran gas, proses untuk meregenerasinya cukup sederhana yakni dengan memanaskannya Aplikasi kolom absorbsi: Teknologi Refrigerasi Teknologi proses pembuatan formalin Proses pembuatan asam nitrat

3 Absorbsi merupakan salah satu proses separasi dalam industri kimia dimana suatu campuran gas dikontakkan dengan suatu cairan penyerap tertentu sehingga satu atau lebih komponen gas tersebut larut dalam cairannya. Pada awal absorbsi sendiri ada 2 proses, yaitu : 1. Absorbsi fisik Absorbsi fisik merupakan absorbsi dimana gas terlarut dalam larutan penyerap tidak disertai dengan reaksi kimia. Contoh reaksi ini adalah absorbsi gas H 2 S dengan air, methanol, propilen karbonase. Penyerapan terjadi karena adanya interaksi fisik. Dari absorbsi fisik ini ada beberapa teori untuk menyatakan model mekanismenya yaitu : a. Teori model film b. Teori penetrasi c. Teori permukaan yang diperbaharui 2. Absorbsi Kimia Absorbsi kimia merupakan absorbsi dimana gas terlarut dalam larutan penyerap disertai dengan adanya reaksi kimia. Contoh absorbsi ini adalah absorbsi gas CO 2 dengan larutan MEA, NaOH, K 2 CO 3 dan sebagainya.aplikasi dari absorbsi kimia dapat dijumpai pada proses penyerapan gas CO 2 pada pabrik Amonia. Absorber stipper feed gas stripping gas (Gambar 2.2 konfigurasi absorber-stipper) Penggunaan absorbsi kimia dalam fase cair sering digunakan untuk mengeluarkan zat pelarut secara lebih sempurna dalam campuran gasnya. Suatu keuntungan dalam absorbsi kimia adalah meningkatkan harga koefisien perpindahan massa(kga). Sebagian dari perubahan ini disebabkan makin besarnya luas efektif antar muka karena absorbsi kimia dapat juga berlangsung di daerah hamper stagnan di samping perangkapan dinamik. Untuk memperluas permukaan kontak digunakan kolom berisi packing (packed coloum) dengan criteria pemilihan packing sebagai berikut : Memiliki luas permukaan terbasahi tiap unit volume yang besar

4 Memiliki ruang kosong yang cukup besar sehingga kehilangan tekanan kecil Karakteristik pembasahan baik Densitas kecil agar berat kolom keseluruhan kecil Tahan korosi dan ekonomis Beberapa jenis packing yang sering digunakan antara lain raching ring, intolox sadle, poll ring. Di dalam merancang suatu menara absorbsi harga koefisien perpindahan massa merupakan besaran yang sangat penting. Penurunan korelasi harga Kga didasarkan pada absorbsi fisik. Dengan tersedianya harga Kga dapat ditentukan besaran-besaran lain, seperti : a. Kecepatan perpindahan massa Kecepatan perpindahan massa dapat dihitung setelah konsentrasi gas yang berkeseimbangan dengan fase cairnya diketahui. Dalam hal ini gas harus mendifusi ke aliran cairan tiap satuan waktu. b. Waktu operasi Jika harga Kga diketahui maka kecepatan perpindahan massanya juga dapat diketahui sehingga waktu operasi absorbsi dapat diketahui juga. c. Ukuran alat dan biaya Untuk mengetahui dimensi alat dan besarnya biayapembuatan alat tersebut dapat diturunkan dari persamaan berikut : (1) Rumus untuk menghitung Kga dapat didasarkan pada absorbsi fisik dengan menganggap bahwa kurva kesetimbangan larutan pada selang waktu tertentu dimana perpindahan massa berlangsung. A (Gambar 2.3 elemen belakang kontak) Dari skema tersebut dapat didapatkan persamaan : dg y =Kga. P (y-y )dz (2) Kecepatan perpindahan massa dapat ditentukan persamaan yang diturunkan oleh Max Well dan Stefan. (3)

5 Persamaan tersebut merupakan persamaan untuk difusi gas dalam keadaan tetap dari komponen A melalui B yang tidak bergerak dan gas berdifusi dari tubuh gas ke permukaan batas gas cair. Dari persamaan tersebut dapat digunakan untuk mencari korelasi Kga yaitu : (4) Apabila volume cair diabaikan, maka : Neraca massa A pada fase cair di sepanjang elemen volume kolom AG Z, menghasikan persamaan: (5) Neraca massa A pada fase gas pada elemen volume yang sama menghasilkan persamaan : (6) Pada absorbsi CO 2 dengan larutan NaOH terjadi reaksi : Alat-alat absorbsi Packing Tower Salah satu contoh packing tower adalah Packed Bed Absorber.Packed Bed Absorber berupa tube atau pipa yang diisi dengan beberapa packing. Cairan masuk dari bagian atas, sedangkan gas masuk dari bagian bawah. (Gambar 2.4 Packed Bed Absorber) Di dalam packed bed absorber terdapat Packing yang memberikan kontak yang bagus antar kedua fasa sehingga luas permukaan menjadi maksimum. Ada 3 jenis packing : 1. Raschig ring: potongan pipa L D 0,5-1 in 2. Berl saddle 3. Pall ring Macam-macam packing Kolom Absorpsi Adalah suatu kolom atau tabung tempat terjadinya prosespengabsorbsi penyerapan/penggumpalan) dari zat yang dilewatkan di kolom/tabung tersebut.proses ini dilakukan dengan melewatkan zat yang terkontaminasi oleh komponen lain dan zattersebut

6 dilewatkan ke kolom ini dimana terdapat fase cair dari komponen tersebut. Diantara jenisjenis absorben ini antara lain, arang aktif, bentonit, dan zeolit. 1. Arang aktif Arang merupakan suatu padatan berpori yang mengandung 85-95%karbon, dihasilkan dari bahan-bahan yang mengandung karbon dengan pemanasanpada suhu tinggi. Ketika pemanasan berlangsung, diusahakan agar tidak terjadikebocoranudara didalam ruangan pemanasan sehingga bahan yang mengandung karbon tersebuthanya terkarbonisasi dan tidak teroksidasi. Arang selain digunakan sebagai bahan bakar, juga dapat digunakan sebagai adsorben (penyerap). Daya serap ditentukan oleh luaspermukaan partikel dan kemampuan ini dapat menjadi lebih tinggi jika terhadap arangtersebut dilakukan aktifasi dengan aktif faktor bahan-bahan kimia ataupun denganpemanasan pada temperatur tinggi. Dengan demikian, arang akan mengalami perubahansifat-sifat fisika dan kimia. Arang yang demikian disebut sebagai arang aktif. Arang aktif dapat mengadsorpsi gas dan senyawa-senyawa. Kimia tertentu atau sifat adsorpsinya selektif, tergantung pada besar atauvolume pori-pori dan luas permukaan. Daya serap arang aktif sangat besar, yaitu % terhadap berat arang aktif. Arang aktif dibagi atas 2 tipe, yaitu arang aktif sebagai pemucat dan sebagai penyerap uap. Arang aktif sebgai pemucat, biasanya berbentuk powder yang sangat halus, diameter pori mencapai 1000 A 0, digunakan dalam fasecair,berfungsi untuk memindahkan zat-zat penganggu yang menyebabkan warna dan bauyang tidak diharapkan, membebaskan pelarut dari zat-zat penganggu dan kegunaan lainyaitu pada industri kimia dan industri baru. Diperoleh dari serbukserbuk gergaji, ampaspembuatan kertas atau dari bahan baku yang mempunyai densitas kecil dan mempunyaistruktur yang lemah. Arang aktif sebagai penyerap uap, biasanya berbentuk granular atau pelletyang sangat keras diameter pori berkisar antara A 0, tipe pori lebihhalus, digunakan dalam rase gas, berfungsi untuk memperoleh kembali pelarut,katalis,pemisahan dan pemurnian gas. Diperoleh dari tempurung kelapa, tulang, batu bataatau bahan baku yang mempunyaibahan baku yang mempunyai struktur keras. 2. Zeolit Mineral zeolit bukan merupakan mineral tunggal, melainkan sekelompok mineralyang terdiri dari beberapa jenis unsur. Secara umum mineral zeolit adalah senyawa alumino silikat hidrat dengan logam alkali tanah. serta mempunyai rumus kimia sebagai berikut : M 2 x/nsi 1-x Al x O 2.yH 2 O Dengan M = e.g Na, K, Li, Ag, NH, H, Ca, Ba Ikatan ion Al-Si-O adalah pembentuk struktur kristal, sedangkan logam alkaliadalah kation yang mudah tertukar. Jumlah molekul air menunjukkan jumlah pori-poriatau volume ruang hampa yang akan terbentuk bila unit sel kristal zeolit tersebutdipanaskan. Penggunaan zeolit cukup banyak, misalnya untuk industri kertas, karet,plastik, agregat ringan, semen puzolan, pupuk, pencegah polusi, pembuatan gas asam,tapal gigi, mineral penunjuk eksplorasi, pembuatan batubara, pemurnian gas alam,industri oksigen, industri petrokimia. Dalam keadaan normal maka ruang hampa dalam kristal zeolit terisi oleh molekulair bebas yang membentuk bulatan di sekitas kation. Bila kristal tersebut dipanaskanselama beberapa jam, biasanya pada temperatur o C, maka kristal zeolit yangbersnagkutan berfungsi menyerap gas atau cairan. Daya serap (absorbansi) zeolittergantung dari jumlah ruang hampa dan luas permukaan. Biasanya mineral

7 zeolitmempunyai luas permukaan beberapa ratus meter persegi untuk setiap gram berat.beberapa jenis mineral zeolit mampu menyerap gas sebanyak 30% dari beratnya dalam keadaan kering. Pengeringan zeolit biasanya dilakukan dalam ruang hampa denganmenggunakan gas atau udara kering nitrogen atau methana dengan maksud mengurangitekanan uap ari terhadap zeolit itu sendiri. 3. Bentonit Bentonit adalah istilah pada lempung yang mengandung monmorillonit dalamdunia perdagangan dan termasuk kelompok dioktohedral. Penamaan jenis lempungtergantung dari penemu atau peneliti, misal ahli geologi, mineralogi, mineral industri danlain-lain. Bentonit dapat dibagi menjadi 2 golongan berdasarkan kandungan alumuniumsilikat hydrous, yaitu activated clay dan fuller's Earth. Activated clay adalah lempungyang kurang memiliki daya pemucat, tetapi daya pemucatnya dapat ditingkatkan melaluipengolahan tertentu. Sementara itu, fuller's earth digunakan di dalam fulling ataupembersih bahan wool dari lemak. Sifat bentonit sebagai adsorben adalah : mempunyai surface area yang besar (fisika) bersifat asam yang padat (kimia) bersifat penukar-ion (kimia) bersifat katalis (kimia) Aplikasi Absorbsi Absorbsi dalam dunia industri digunakan untuk meningkatkan nilai guna dari suatuzat dengan cara merubah fasenya. 1. Proses Pembuatan Formalin Formalin yang berfase cair berasal dari formaldehid yang berfase gas dapat dihasilkanmelalui proses absorbsi.teknologi proses pembuatan formalin Formaldehid sebagai gasinput dimasukkan ke dalam reaktor. Output dari reaktor yang berupa gas yang mempunyaisuhu 1820C didinginkan pada kondensor hingga suhu 55 0 C,dimasukkan ke dalamabsorber.keluaran dari absorber pada tingkat I mengandung larutan formalin dengan kadarformaldehid sekitar 37 40%. Bagian terbesar dari metanol, air,dan formaldehiddikondensasi di bawah air pendingin bagian dari menara, dan hampir semua removal darisisa metanol dan formaldehid dari gas terjadi dibagian atas absorber dengan countercurrent contact dengan air proses 2. Proses Pembuatan Asam Nitrat Pembuatan asam nitrat (absorpsi NO dan NO 2 ). Proses pembuatan asam nitrat Tahap akhirdari proses pembuatan asam nitrat berlangsung dalam kolom absorpsi. Pada setiap tingkatkolom terjadi reaksi oksidasi NO menjadi NO 2 dan reaksi absorpsi NO 2 oleh air menjadiasam nitrat. Kolom absorpsi mempunyai empat fluks masuk dan dua fluks keluar. Empat fluks masuk yaitu air umpan absorber, udara pemutih, gas proses, dan asam lemah. Duafluks keluar yaitu asam nitrat produk dan gas buang. Kolom absorpsi dirancang untuk menghasilkan asam nitrat dengan konsentrasi 60 % berat dan kandungan NOx gas buangtidak lebih dari 200 ppm.

8 Aplikasi absorbsi lainnya seperti proses pembuatan urea,produksi ethanol, minumanberkarbonasi, fire extinguisher,dry ice,supercritical carbon dioxide dan masih banyak lagi aplikasi absorbsi dalam industri. Selain itu absorbsi ini juga digunakan untuk memurnikan gas yang dihasilkan dari fermentasi kotoran sapi. Gas CO 2 langsung bereaksi dengan larutan NaOH sedangkan CH 4 tidak. Dengan berkurangmya konsentrasi CO 2 sebagai akibat reaksi dengan NaOH, makaperbandingan konsentrasi CH 4 dengan CO 2 menjadi lebih besar untuk konsentrasi CH 4. Absorbsi CO 2 dari campuran biogas ke dalam larutan NaOH dapat dilukiskan sebagaiberikut: CO 2(g) + NaOH (aq) NaHCO 3(aq) NaOH (aq) + NaHCO 3 Na 2 CO 3(s) + HO (l) + CO 2(g) + 2NaOH (aq) Na 2 CO 3(s) + H 2 O (l) Dalam kondisi alkali atau basa, pembentukan bikarbonat dapat diabaikan karena bikarbonat bereaksi dengan OH - membentuk CO 3 2-

9