MODEL ABSORPSI MULTIKOMPONEN GAS ASAM DALAM LARUTAN K 2 CO 3 DENGAN PROMOTOR MDEA PADA PACKED COLUMN NURUL ANGGRAHENY D NRP 2308100505, DESSY WULANSARI NRP 2308100541, Dosen Pembimbing : Prof.Dr.Ir.Ali Altway, MS, Prof. Dr. Ir. Kusno Budhikarjono, MT Latar Belakang Gas CO 2 dan H 2 S sering dinamakan sebagai gas asam (acid gas), karena sifatnya yang asam, dengan derajat keasaman lebih tinggi H 2 S. Karena sifat asamnya ini, CO 2 dan H 2 S tergolong gas impurities yang sangat merugikan. Gasgas tersebut bersifat korosif dan dapat merusak bagian dalam utilitas pabrik dan sistem perpipaannya, terutama sekali H 2 S, dengan komposisi yang sangat sedikit pun (dalam ppm), daya korosifnya sudah sangat tinggi. Melihat besarnya kerugian yang dapat ditimbulkan oleh CO 2 dan H 2 S, maka penting sekali dilakukan proses penghilangan CO 2 dan H 2 S dari gas alam. Penghilangan CO 2 dari gas alam dan industri gas lainnya menggunakan larutan alkanolamine merupakan proses industri sangat penting. Penambahan amine primer dan sekunder sebagai larutan banyak ditemukan dalam absorpsi untuk menghilangkan CO 2 dari gas alam yang akan dijadikan bahan baku dari suatu industri kimia. Dengan adanya amine primer dan sekunder menyebabkan laju absorpsi tinggi dan panas reaksinya rendah. Pada proses absorpsi penambahan sedikit amine primer dan amine sekunder mengakibatkan laju absorpsi tinggi dan energi untuk meregenerasi pada stripper rendah. Berdasarkan penelitian penelitian tersebut maka perlu dilakukan pengkajian mengenai pemodelan dan peningkatan laju proses absorpsi gas asam yang merupakan absorpsi multikomponen reaktif menggunakan pelarut kalium karbonat (K 2 CO 3 ) dengan promotor MDEA pada packed column. Tujuan Penelitian Berdasarkan rumusan masalah yang disampaikan diatas, maka tujuan penelitian adalah :
1. Memprediksi secara teoritis menggunakan model film dan teori Maxwel- Stefan Diffusion, yang disajikan dengan bentuk distribusi konsentrasi HCO - 3, CO = 3, dan MDEA dalam film liquida. 2. Memperhitungkan fluks absorpsi CO 2 dari gas asam kedalam larutan K 2 CO 3 berpromotor MDEA pada Packed Column dengan memperhitungkan kelarutan HCO - 3, CO = 3, dan MDEA dan membandingkan hasil prediksi teoritis ini dengan hasil prediksi teoritis menggunakan teori Fick Diffusion. Absorpsi Di dalam Packed Column Di dalam suatu packed column, liquida terdistribusi secara merata pada packing bagian atas, dan mengalir ke bawah sebagai lapisan lapisan tipis, akhirnya keluar dari bawah. Dianggap bahwa harga k L koefisien perpindahan massa pada film liquida, a luas antar - fasa efektif per satuan volume packing dan, l liquida hold-up (atau volume liquida per satuan volume packing) sama di seluruh bagian kolom. Gambar skematis packed column ditunjukkan pada Gambar 2.3. Gas keluar Liquid Masuk z y i,j x i,j-1 Packing dz y i,j+1 x i,j Gas masuk Liquid keluar Gambar 2.2 Skematik Packed Column sebagai absorber Gas mengalir masuk kolom dari bawah dan keluar dari atas. Pada umumnya gas ini terdiri dari campuran gas yang larut dan yang tidak dapat larut (inert). Misal jumlah mol gas inert yang mengalir per satuan waktu per satuan luas penampang
kolom adalah G, laju alir volumetrik liquida per satuan luas penampang kolom adalah L. Di pandang elemen packing setebal dh dan dianggap sebagai stirred tank absorber. Volume liquida dai dalam elemen ini adalah l dh dan waktu tinggal liquida di dalam elemen ini adalah dh dt l (2.12) L Konsentrasi A pada badan liquida di atas dan di bawah elemen ini berturut-turut adalah C dan C o. Demikian bila konsentrasi B pada badan liquida di o o A A dc A bagian atas dan bawah elemen adalah C dan C o. Maka bila dibuat o o B B dc B neraca massa pada elemen kolom ini untuk komponen A dan B, akan diperoleh : R C Ai L dc, C Bo Ao, C Bo a dh z l r C Ao, C L dc Bo dh Ao lr C Ao, C Bo dh (2.13) (Danckwerts, 1970) Perlu dipertanyakan apakah tebal film diffusi jauh lebih kecil dari pada tebal lapisan liquida yang mengalir pada packing (yaitu, apakah D A /k L << l / a). Kinetika Absorpsi CO 2 ke dalam larutan K 2 CO 3 Ketika karbon dioksida terabsorp oleh potasium karbonat, maka akan terjadi reaksi stokhiometri sebagai berikut : CO 2 + H 2 O + K 2 CO 3 2KHCO 3 (2.14) Di dalam larutan terjadi reaksi-reaksi berkesetimbangan berikut : CO 2 HCO 3 H 2 O K 2 K 1 H HCO CO 3 3 H (2.15) Reaksi yang menentukan laju (rate determination step) untuk reaksi diatas adalah: CO 2 + OH - - HCO 3 (2.16) CO 2 + H 2 O HCO - 3 + H + (2.17) Reaksi pertama cepat, sedangkan reaksi kedua lambat. Tetapi dengan adanya katalis akan dapat mempercepat laju reaksi kedua.
Bila reaksi kekanan dari reaksi-reaksi tersebut diatas dianggap berorde satu semu dan reaksi ke kiri mempunyai kecepatan konstan maka persamaan laju reaksinya dapat dinyatakan sebagai berikut : r 1 = k 1 [OH - ] [C A C Ae ] (2.18) r 2 = k 2 [Cat] [C A C Ae ] (2.19) Ketika karbon dioksida bereaksi dengan MDEA, maka akan terjadi reaksi stochiometri sebagai berikut : CO 2 + MDEA + H 2 O - MDEA + HCO 3 (2.20) Di dalam larutan terjadi reaksi reaksi berkesetimbangan berikut : CO 2 + MDEA + H 2 O k- 1 k- 2 MDEAH + - + HCO 3 (2.21) MDEAH + + OH - MDEA + H 2 O (2.22) Maka laju reaksi antara MDEA dan CO 2 sebagai berikut : R (22) = -k 22 C MDEA + (Jamal Aqil, 2006) Sistem Reaksi Kimia Reaksi yang terjadi di badan liquid adalah reaksi reversibel seperti dibawah ini : k- 11 CO 2 + OH - HCO 3 - (2.23) k- 21 MDEA + H 2 O + CO 2 HCO 3 - k- 22 + MDEAH + (2.24)
Langkah langkah Penelitian Langkah penelitian dilaksanakan sesuai tahapan-tahapan berikut ini: Studi literatur Pengembangan model matematis Pembuatan program dengan software Matlab versi 6.1 Perbandingan model Analisa model matematis Intrepetasi hasil Pembuatan kesimpulan Gambar 3.1 Diagram Alir Langkah-langkah Penelitian Model Matematis Proses Absorpsi dalam Packed Column Pengembangan model matematis dilakukan dengan membuat neraca massa pada packed column dengan menggunakan model film untuk difusi multikomponen dengan persamaan Maxwell-Stefan.
Gambar 3.1 Mekanisme Absorpsi Reaktif Multikomponen Dua Film pada Packed Column Dimana profil konsentrasi komponen dalam fase liquid, didapat dengan teori film steady state yang dinyatakan dengan Persamaan (Kenig, 2001) : 2 1 1 C ( ) [ Qn ] [ K] x{cos( n) C CI }sin( n ) F ( ) (3.9) n 1 n Dengan : (3.10) Komponen diperoleh dari pers. (3.25) dan komponen diperoleh dari pers. (3.11), selanjutnya persamaan (3.32) diturunkan terhadap x sehingga mendapatkan fluks (N). (3.11)
3.7 Variabel Penelitian 3.6.1 Sistem yang dipelajari : Tinggi packing = 30 m Diameter kolom = 3 m Diameter packing = 7 cm 3.6.2 Variabel input : Suhu liquida masuk (absorber) = 50 90 o C Tekanan absorber = 24 32 atm Laju alir liquida = 1900 5900 m 3 /jam Laju alir gas = 304000 312000 m 3 /jam Konsentrasi K 2 CO 3 = 30% Konsentrasi MDEA = 1 3% 3.6.4 Variabel output : Distribusi konsentrasi komponen dalam fasa liquida pada film. Fluks absorpsi CO 2 dalam fasa liquida pada film. Hasil dan Pembahasan Pengaruh Suhu Gambar 4.1 Distribusi konsentrasi komponen liquida terhadap kordinat film ( ξ ), G = 308.000 mol/ jam, L = 1900 mol/ m 3, dan P = 24 atm pada T = 50 o C dan 90 o C
Pengaruh Tekanan Gas Gambar 4.3 Distribusi konsentrasi komponen liquida terhadap kordinat film ( ξ ), G = 308.000 mol/ jam, L = 1900 mol/ m 3, dan T = 90 o C pada P = 24 atm dan 32 atm Pengaruh Konsentrasi MDEA Gambar 4.5 Distribusi konsentrasi komponen liquida terhadap kordinat film ( ξ ), G = 308.000 mol/ jam, L = 1900 mol/ m 3, T = 90 o C, dan P = 28 atm pada MDEA 1 % dan 3 %.
Fluks Absorpsi CO 2 dalam film Gambar 4.7 Fluks Absorpsi CO 2 terhadap berbagai suhu dan tekanan, dengan G = 308.000 mol/ jam, L = 1900 mol/ m 3, dan P = 28 atm Perbandingan fluks absorpsi CO 2 Maxwell-Stefan dengan Fick Diffusion Gambar 4.10 Perbandingan fluks absorpsi CO 2 Maxwell-Stefan Diffusion dengan Fick Diffusion terhadap berbagai temperatur, pada P = 28 atm, L = 1900 m 3 /jam, G = 308000 m 3 /jam dan MDEA 3
Kesimpulan & Saran Dari penelitian yang telah dilakukan, dapat disimpulkan beberapa hal berikut: 1. Dengan adanya kenaikan suhu : - Profil konsentrasi CO 2 pada film liquida cenderung menurun. - Profil konsentrasi HCO3 - naik dari arah bulk liquida ke interface. - Profil konsentrasi CO = 3 mengalami penurunan dari arah bulk liquida ke interface. - Profil konsentrasi MDEA naik pada suhu 50 o C, sedangkan pada suhu 90 o C cenderung menurun. 2. Dengan adanya kenaikan tekanan : - Profil konsentrasi CO 2 pada film liquida cenderung menurun. - Profil konsentrasi komponen HCO - 3, CO = 3, dan MDEA mengalami kenaikan dari arah bulk liquida ke interface. 3. Dengan adanya penambahan promotor MDEA : - Profil konsentrasi CO 2 pada film liquida cenderung menurun. - Profil konsentrasi komponen HCO - 3, CO = 3, dan MDEA mengalami kenaikan dari arah bulk liquida ke interface. 4. Hasil prediksi dari penelitian ini yang menggunakan teori Maxwell-Stefan Diffusion telah dibandingkan dengan prediksi menggunakan teori Fick Diffusion dan reaksi sistem biner, ternyata hasil prediksi menggunakan teori Maxwell-Stefan Diffusion jauh lebih besar (10x) dibandingkan dengan menggunakan pendekatan difusi biner. Saran Perlu dilakukan simulasi model absorpsi CO 2 ke dalam larutan K 2 CO 3 dengan promotor MDEA pada packed column untuk memprediksi kinerja absorpsi CO 2 di column dan di analisa pengaruh variabel operasi pada tekanan rendah ( 5 atm).