Seminar Sebumi Kerjasama Universitas Indonesia dan Universiti Kebangsaan Malaysia, Kampus UI Depok, 24-25 Juni 28 STUDI ABSORPSI CO2 MENGGUNAKAN KOLOM GELEMBUNG BERPANCARAN JET (JET BUBBLE COLUMN) Setiadi, Nita Tania H, Hantizen dan Dijan Supramono Disampaikan Oleh Setiadi, E-mail : setiadi@che.ui.edu 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), CO2- injection, CO2 ixation)
Pendahuluan Fenomena Dasar Pembentukan awan gelembung (Bubble Cloud) hasil tumbukan pancaran vs permukaan cairan Proil 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, 2; Havelka, 2
Pendahuluan Kriteria Desain peralatan kontak gas-cair (absorpsi) : Harus mampu Menciptakan luas kontak antar asa setingi-tingginya, agar laju mass transer terakselerasi jauh lebih tinggi dan menjadi sangat eisien. Tabel 1 Berbagai alat kontak gas cair secara umum (Lee, Sheng-Yi & Tsui, Y. P., 1998)
Nozzle pembentuk pancaran Cairan (Liquid Jet) Pipa downcomer untuk penetration depth Gelembung Hasil Pancaran Cairan Pressure indicator Cairan Memasuki Nozzle Gas Keluar Kolom Tabung Absorpsi Flowmeter untuk Pengukuran gas terentrainment Pendahuluan 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 (Q L ) thd. laju alir volumetrik gas terhisap (Q G ), holdup asa gas pada diamaeter nozzle (D N ) 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..6.5.4.3.2.1 y = 9E -6x - 3E -6 Dn = 12.1 mm R 2 =.973 Linear (Dn = 12.1 mm) 1 2 3 4 5 6 7 v ( m / d e t ) Gambar 1 Hubungan antara laju gas entrainment (Q G ) terhadap kecepatan pancaran cairan (v) pada ukuran diameter nozzle yang tetap.
Hasil Studi Hidrodinamika Holdup gas adalah raksi gas yang terbentuk dalam kolom gelembung akibat pancaran cairan (v) pada ukuran diameter nozzle yang berbeda (Dn). ε.45.4.35.3.25.2.15.1.5 5 1 15 2 v (m/ det) Dn = 6 mm Dn = 7.2 mm Dn = 9.3 mm Dn = 12.1 mm Gambar 2 Hubungan antara holdup asa gas () terhadap kecepatan pancaran cairan (v) pada ukuran diameter nozzle yang berbeda (Dn).
-.2.6.8 1 1.2 -.4 Dn=12.1 mm; QL=.1982 L/ det Hasil Studi Kinetika -.6 -.8-1 -1.2-1.4 y = -.3451x -.8554 R 2 =.9633 Dn=12.1 mm; QL=.3526 L/ det Linear (Dn=12.1 mm; QL=.1982 L/ det ) Tabel 1 Hasil Perhitungan Konstanta Kinetika Reaksi -1.6-1.8-2 y = -.6757x -.9661 R 2 =.9731 Linear (Dn=12.1 mm; QL=.3526 L/ det ) Dn (mm) Q L (L/det) Q G (L/det) k x 2 12.1.1982.81 1.8E-1 Gambar 3 Graik linierisasi dari metode regresi linier berganda pada Dn = 12.1 mm..3526.1466 1.4E-1.6.8 1 1.2 1.4 -.2 9.3.28.573 1.68E-1 -.4 -.6 -.8-1 -1.2-1.4 y = -.1746x -.5263 R 2 =.9373 y = -.547x -.7755 R 2 =.9975 Dn=9.3 mm; QL=.28 L/ det Dn=9.3 mm; QL=.3711 L/ det Linear (Dn=9.3 mm; QL=.28 L/ det) Linear (Dn=9.3 mm; QL=.3711 L/ det).3711.1732 2.98E-1-1.6 x 2 Gambar 4 Graik linierisasi dari metode regresi linier berganda pada Dn = 9.3 mm
Hasil Studi Hidrodinamika Penyebaran Distribusi Gelembung dengan Metode Fotograi % jumlah gelembung 45. 4. 35. 3. 25. 2. 15. 1. 5...97-.184.273-.36.449-.536.625-.712 Interval Diameter Gelembung (m) Dn=12.1 mm; QL=.1982 L/det Dn=12.1 mm; QL=.3526 L/det Dn=9.3 mm; QL=.28 L/det Dn=9.3 mm; QL=.3711 L/det Gambar 5 Hubungan antara % jumlah gelembung pada tiap interval diameter gelembungnya Dn (mm) Q L (L/det) Q G (L/d et) k ε G a (m 2 /m 3 ) 12.1.1982.81 1.8E- 1.246 2944.21.3526.1466 1.4E- 1.424 4492.3 9.3.28.3711.573.1732 1.68E- 1 2.98E- 1.153.415 191.95 1518.27 Hasil Perhitungan Luas Kontak
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 asa gas-cair yang semakin besar. Pada Dn = 12.1 mm yang terbaik adalah pada QL =.3526 L/det yaitu k = 1.4x1-1 dan a = 4492.3 m2/m3, sedangkan pada Dn = 9.3 mm yang terbaik adalah pada QL =.3711 L/det yaitu k = 2.98x1-1 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 =.3711 L/det.
Penentuan Holdup gas Gambar 1 Pengambilan titik tekanan statik pada kolom gelembung pancaran Sesuai Gambar dan diturunkan persamaan matematikasebagai berikut : Metode Penelitian Gambar (a) Gambar (b) P 1 = P + ρ. g. h. ε l P 1' = P + ρ. g. H l P2 = P + Tidak ada gas hold up Sehingga ρ. g.. ε h P = P +. g. 1 ρ P = P +. g. 2 ρ l h h ε l = 1, ( ε g ) = ε P H ( ) ε = 1 1' = P + ρ. g.. 1 ε g l ε g P P ' ' 2 = P1 + ρ. 1 h. g. h = P + ρ. g. H H ( ε ) =. 1 P2' = P + ρ. gh. g ( ε ) Pada Gambar point (b) tekanan statik P 1 sama dengan P 2 maka akan kita peroleh nilai holdup asa gas sebagai berikut, g ε g h = 1 H
Metode Penelitian Teknik Penentean Konstanta Laju Reaksi (K obs ) Untuk menentukan koeisien kinetika reaksi (k obs ) absorpsi CO 2 dalam larutan absorbent dapat ditentukan dari persamaan kinetika reaksi. Adapun reaksinya adalah sebagai berikut : 2 + CO 2 Na 2 CO 3 + H 2 O m n r = k. C. CCO 2 Dipandang bahwa : Kadar CO 2 di asa gas dibuat konstan selama pengkontakkan, tidak ada komponen CO 2 didalam asa cair, CO 2 habis bereaksi. Cairan homogen, karena adanya pengadukan dari sirkulasi pompa dan eek arus pusaran dalam kolom downcomer. limiting reactant Reaktan tidak mungkin berdiusi kedalam asa ilm gas, karena alat bekerja pada suhu kamar sehingga larutan tidak mungkin terjadi penguapan langsung. r = dc dt n kobs= k. C CO 2 dc dt C= C dc m dc = kobs. C = k dt m obs. C = kobs. dt m C C= t= t Kondisi batas integrasi : t = C = C (tidak ada larutan yang mengabsorpsi) t = t C = (tercapainya kesetimbangan absorpsi) C 1 m 1 m = k obs. t 1 m C ln = ln 1 m ( k. t ) obs ( 1 m) lnc ln( 1 m) = lnk obs + lnt ln { k.(1 m) } ln obs C = + (1 m) 1 ln t ( 1 m) lnc lnkobs + ln( 1 m) = + (1 m) 1 lnt ( 1 m) Data Kinetika reaksi hanya perlu mendeteksi waktu yang dibutuhkan untuk absorbent habis bereaksi atau menentukan saat cairan absorben harus diganti/diregenerasi