Kuliah #3: Lebih Jauh tentang Absorpsi Gas dan Pembahasan CONTOH: Soal #2 Prof. Dr. Ir. Setijo Bismo, DEA. DTK-FTUI, 27 Oktober 2015
Beberapa Model Kolom Absorpsi A. Kolom Talam (Tray-type Plate Columns) Pengontakan Gas (Absorbat) dan Cairan (Absorben) secara COUNTERCURRENT Pengontakan terjadi dalam cairan (absorben) di atas talam Konfigurasi Kolom Talam: LIQUID FLOW PERFORATED TRAY OVERFLOW WEIR Cairan mengalir sejajar atau PARALEL dengan talam Gas mengalir tegak-lurus terhadap talam
Rancangan Talam (Tray) A. Talam Berlubang (Sieve Tray, Perforated Tray)
B. Talam Katup (Valve Tray) Perancangan Talam
C. Talam Bubble Cap (Bubble Cap Tray) Perancangan Talam
B. Kolom Isian (Packed Columns) Aliran COUNTERCURRENT antara GAS dan CAIRAN (Absorben) Pengontakan pada antarmuka (interface) CAIRAN/GAS pada PACKING CAIRAN mengalir pada permukaan PACKING dengan pola umum menuruni kolom GAS mengalir mengalir di celah-celah (ruang kosong) dalam UNGGUN ISIAN (packing) dengan pola aliran menaiki kolom Jenis PACKING: Acak (random) Terstruktur (structured)
UNGGUN Packing Dipasang dalam formasi penampang unggun Zona (Pelat) Distribusi berada di antara 2 penampang unggun Aliran relatif menentukan HIDRODINAMIKA Kolom Kasus Pembatas: Genangan (FLOODING) Desisan (WEEPING) LIQUID IN DISTRIBUTION PLATE GAS OUT PACKED SECTION
Beberapa Rancangan RANDOM PACKING BENTUK: RINGS SADDLES Lainnya MATERIAL: LOGAM KERAMIK PLASTIK
SPESIFIKASI UNGGUN Random PACKING DIAMETER NOMINAL FRAKSI KOSONG (void fraction) Raschig Ring BERAT RUAH (bulk weight )
Tabel Karakteristik Random PACKING (#1)
Tabel Karakteristik Random PACKING (#2)
PACKING TERSTRUKTUR PACKING dalam Blok UNGGUN dan mengisi penuh diameter kolom
PERANCANGAN KOLOM TALAM Penggunaan Diagram McCABE THIELE: GARIS OPERASI (Operating Line ) dan GARIS KESETIMBANGAN (Equilibrium Line) Garis Operasi dan Kesetimbangan untuk Operasi Absorpsi dan Desorpsi
Sistem Absorpsi Larutan Encer Bila Garis Operasi dan Garis Kesetimbangan memiliki kelandaian TETAP, berlaku Persamaan KREMSER: N N = = y mx + A y2 mx2 ln A 1 2 ln (1 1 A) 1 x y m + A x1 y1 m ln(1 A) 2 1 ln (1 A)
Sistem Non-Linier Bila membentuk garis tak lurus, maka Garis Operasi didasarkan pada Persamaan Aliran INERT: x2 y1 x1 y2 L' + V' = L' + V' 1 x 1 y 1 x 1 y 2 1 1 2 Secara normal, berdekatan dengan Kondisi pada EKSTREMITAS (Terminal Conditions) Bentuk Solusi GRAFIS (McCABE-THIELE DIAGRAM) menggunakan Kedua Persamaan Garis
Jumlah Tahap Kesetimbangan (Number of Equilibrium Stages ) DIDASARKAN pada TAHAP integer antara Garis Operasi dan Garis Kesetimbangan: ABSORPSI, Garis Operasi terletak di ATAS Garis Kesetimbangan STRIPPING, Garis Operasi terletak di BAWAH Garis Kesetimbangan Garis Operasi untuk Laju-alir Cairan Minimum dan Aktual
( LV ) min KASUS PEMBATAS Garis Operasi dengan Terminasi Tahapan pada Garis Kesetimbangan Merupakan Jumlah Tahap Tak Berhingga ( LV ) min dapat terjadi pada perpotongan pertama garis lurus dari titik akhir terhadap Garis Kesetimbangan ( ) ( ) LV = LV faktor desain min Perancangan Titik Terminal didasarkan pada NERACA MASSA Merupakan Jumlah Tahap Berhingga Jika Lebih Kecil dari TAHAP KESETIMBANGAN, dapat menggunakan EFISIENSI MURPHREE η M = y y y n n+ 1 * n yn+ 1
Jatuh Tekanan pada PACKING EFISIENSI PENGONTAKAN dalam ABSORBER: Luas PERMUKAAN/Satuan VOLUME HIDRODINAMIKA Kolom Luas PERMUKAAN: TABEL/Referensi tentang RANGE OF PACKING TABEL 14.7b dalam PERRY S Kondisi-kondisi BATAS/Limit: FLUKS rendah CHANNELING OR WEEPING FLUKS tinggi FLOODING
Korelasi Jatuh Tekanan DATA Empiris: PERRY S FIG. 14-48 THRU 14-59 FIG. 10-6-5 &10.6-6 BASIS: aliran kering Limit FLOODING F P TABLE?? in. w. c. Δ Pflood = ft Packing 0.7 0.115 FP (10.6 1)
PERANCANGAN FLUKS DIAMETER KOLOM didasarkan pada PERHITUNGAN FLUKS: Secara normal, ditentukan oleh Laju Alir Gas/Uap (VAPOR FLUX) Rentang Nilai Perancangan yang direkomendasikan: 65% sampai dengan 80% dari batas FLOODING Data EKSPERIMENTAL: METODA TERBAIK Ada EDGE EFFECTS untuk Uji Kolom Kecil Anti KABUT (MIST ELIMINATOR): Termasuk dalam PERANCANGAN Memperhitungkan Tetesan Terikutkan (ENTRAINED DROPLETS) yang terbentuk (masih ada) di atas PACKING
Skematisasi Operasi Absorpsi V, y 1 L, x 0 V, y N +1 L, x N
CONTOH: Soal #2 Dari data yang telah dihitung dan ditabelkan pada contoh soal #1 di atas, hitunglah laju cairan minimum ( L min ) berupa air murni yang diperlukan untuk mengabsorpsi 90 %-v gas SO2 dalam aliran gas utama yang memiliki laju alir ( Q Gi, ) sebesar 84,9 m 3 per menit (3.000 acfm) yang mengandung 3 %-v SO 2! Gambarkan pula kurva garis operasi aktualnya! Suhu operasi yang digunakan adalah 293,15 K dan tekanannya 101,3 kpa (1 atm).
CONTOH: Soal #2 Jawaban: Seperti jawaban sebelumnya, sistematika jawaban soal #2 ini juga diberikan dalam beberapa tahap untuk dapat mempermudah para mahasiswa dalam mempelajari serta memahaminya. Tahap : menentukan fraksi-fraksi molar dari polutan dalam fasa gas, yaitu: Y 1 dan Y 2. Sketsa ilustrasi proses dan pelabelan proses absorpsi yang dimaksud, dapat dibuat sebagai berikut:
CONTOH: Soal #2 Y1 = 3 % vgas SO2 = 0,03 fraksi-molar dalam aliran gas umpan (kotor) Y = pengurangan kadar SO sebesar 90 % v pada aliran gas umpan 2 2 = (10 %) (Y ) 1 = (0,1) (0,03) = 0,003 fraksi-molar dalam aliran gas keluar (bersih)
CONTOH: Soal #2 Tahap : menentukan fraksi molar gas SO 2 dalam cairan (pelarut air) yang keluar meninggalkan absorber untuk memenuhi efisiensi absorpsi yang diinginkan. Pada laju cairan absorben yang minimum, fraksi-molar gas polutan yang memasuki absorber ( = Y1 ) berada dalam kesetimbangan dengan fraksi-molar cairan yang meninggalkan absorber ( = X1). Dalam hal ini, cairan absorben akan menjadi terjenuhkan oleh adanya SO 2 yang terlarut. Dalam kondisi kesetimbangan tersebut, berlaku: Y = H X 1 1 Dan, konstanta HENRY ( H = ) yang didapat dari soal sebelumnya adalah: sehingga H = 42,7 X fraksi-molar SO2 di udara (fasa gas) fraksi-molar SO di dalam air 1 = = = Y1 H 0,03 42,7 0,000703 2
CONTOH: Soal #2 Lm Tahap : menghitung rasio massa (molar) cairan-terhadap-gas ( = ) Gm menggunakan persamaan: sehingga Y Y = L X X L G ( ) m 1 2 1 2 Gm m = ( Y1 Y2) ( X X ) ( 0,03 0,003) ( 0, 000703 0, 0) m min 1 2 = = g-mol air 38, 4 g-mol udara
CONTOH: Soal #2 Tahap : konversikan terlebih dahulu, laju alir volum gas (bersih) yang keluar dari absorber menjadi laju alir molar ( = G mo, ), yaitu dari satuan 3 m menit menjadi [ ] mol menit. Diketahui dari Hukum Avogadro untuk gas ideal: pada 0 C 3 dan tekanan 101,3 kpa (= 1 atm), terdapat 0,0224 m g-mol gas. Terlebih dahulu, konversikan volume-molar gas dari 0 C ke keadaan 20 C (dari 273,15 ke 293,15 K), menggunakan persamaan gas ideal: P V T = P V T 1 1 2 2 1 2
CONTOH: Soal #2 dalam hal ini, untuk tekanan sistem yang sama (pada 1 atm), diperoleh: P1 V1 P2 V2 P1 V1 T2 = V2 = T1 T2 T1 P2 yang berarti 1 0,0224 293,15 3 ( V ) = 20 C m g-mol gas 273,15 1 = sehingga 3 0,0240 m g-mol gas ( Gm) QG, i 3 20 C 1g-molgas = 0,0240 m 3 1 g-mol gas = 84,9 m menit 3 0,0240 m = 3538 g-mol gas (udara) menit = 3,538 kg-mol gas (udara) menit
CONTOH: Soal #2 Tahap : menghitung laju alir minimum cairan ( = Lm,min ). Dalam hal ini, rasio minimum cairan-terhadap-gas (udara) telah dihitung pada Tahap-, yang harganya: L G m m min = g-mol air 38,4 g-mol udara yang berarti: ( L ) = 38, 4 ( G ) m min m 20 C sedangkan, dari langkah atau Tahap- diperoleh sehingga didapat: ( ) 20 C = 3,538 kg-mol gas (udara) menit G m ( L ) = 38, 4 ( 3,538) m min kg-mol air = 135,86 menit kg-mol air menit untuk satuan massa air, didapatkan: ( ) L = m min kg air 2445,5 menit
CONTOH: Soal #2 Tahap : sketsa kurva garis operasi dan juga garis kesetimbangannya adalah sbb: Kelandaian (slope) garis operasi minimum adalah = 38,4; dengan koordinat [0; 0,003] di puncak menara dan [0,00073;0,03] di dasar. Garis operasi aktual dibuat dengan asumsi: kelandaiannya lebih besar 1,3 x kelandaian garis operasi minimum, yaitu 1,3 x 38,4 50; dengan koordinat [0; 0,003] di puncak menara dan [0,00054;0,03] di dasar diperoleh jumlah tahap 6.
CONTOH: Soal #2
Sampai Hari RABU