1 Kajian Hidrodinamika Proses Absorbsi pada Valve Tray dengan Meninjau Viskositas Cairan Evi Fitriyah Khanifah, Ayu Savitri Wulansari, Ali Altway dan Siti Nurkhamidah, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jalan Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: alimohad@chem-eng.its.ac.id Abstrak Pada penelitian ini dilakukan suatu eksperimen untuk mempelajari hidrodinamika dan transfer massa yang terjadi pada valve tray. Bahan yang digunakan adalah air, dan udara. Sedangkan untuk mengubah viskositas cairan, maka ditambahkan Carboxy Methyl Cellulose (CMC) ke dalam air. Hidrodinamika valve tray yang dipelajari adalah pola alir dan pressure drop. Pada prinsipnya, untuk mengetahui pola alir dari valve tray dilakukan proses pengontakan antara larutan CMC dan udara lalu diinjeksikan larutan NaCl 25% sebanyak 10 ml pada suatu kolom absorpsi jenis valve tray. Selanjutnya konsentrasi NaCl didalam aliran yang keluar dari kolom bagian bawah diukur setiap waktu dengan menggunakan konduktometer. Selain itu diukur beda tekanan antara udara masuk dan keluar valve tray untuk menentukan pressure drop yang terjadi. Dari penelitian diperoleh hubungan empiris sebagai berikut P =6505,389µ 0,155 Q L 0,233 Q V -0,093. Karakteristik pola aliran cairan pada kolom valve tray cenderung mengarah pada plug flow dan lebih dipengaruhi oleh laju alir air. Dimana jumlah tangki seri ekivalen N series terbanyak pada larutan CMC dengan konsentrasi 0,2% dengan laju alir larutan CMC 0,00019 m 3 /s dan udara 0,00071 m 3 /s yaitu sebanyak 9 tangki.sedangkan jumlah tangki seri ekivalen N series paling sedikit diperoleh pada laju alir air 0,00014 m 3 /s dan udara 0,00076 m 3 /s yaitu sebanyak 1 tangki pada konsentrasi larutan CMC 0,2%. Sedangkan korelasi empiris untuk bilangan dispersi adalah sebagai berikut D/uL= 0,006 µ 0,006 Q L -1,248 Q V 1,019 I. PENDAHULUAN Absorpsi adalah suatu proses pemisahan komponen gas dari campurannya dengan menggunakan pelarut liquid. Absorpsi dapat dilakukan pada fluida yang relatif berkonsentrasi rendah maupun yang bersifat konsentrat. Prinsip operasi ini adalah memanfaatkan besarnya difusivitas molekul-molekul gas pada larutan tertentu. Peristiwa absorpsi adalah salah satu peristiwa perpindahan massa yang besar peranannya dalam proses industri. Valve tray adalah salah satu alat yang efektif dan memegang peranan penting dalam dunia industri karena memiliki kemampuan yang fleksibel dalam menangani gas yang masuk dengan rentang yang sangat luas. Valve tray adalah salah satu alat transfer massa dan panas yang penting dan secara luas digunakan sebagai alat pengontak fasa (phasecontacting) antara fasa gas dan fasa cair. Gas dialirkan melalui valve dan memiliki waktu tinggal tertentu, sehingga valve memiliki entrainment yang rendah dan rata-rata efisiensi operasi lebih tinggi dibanding sieve tray.[1] Gambaran mengenai karakteristik valve tray seperti pressure drop, pola alir, dan transfer massa memiliki peranan sangat penting dalam bidang industri. Berdasarkan hal tersebut, efisiensi proses dan performance tray secara keseluruhan dapat diprediksi untuk suatu kondisi operasi, geometri, dan properti sistem tertentu. Karakteristik hidrodinamika dan mass transfer dari valve tray untuk proses absorpsi perlu diketahui untuk merancang peralatan ini dengan akurat. Beberapa penelitian terdahulu telah mempelajari karakteristik hidrodinamika valve tray dengan menggunakan CFD (Computational Fluid Dynamics. Van Baten dan Khrisna [2] mempelajari mengenai pengaruh geometri sieve tray terhadap medan kecepatan gas dan liquid pada tray[2]. Khrisna dkk [3] menggunakan model Eulerian untuk mempelajari dispersi gas dalam fasa cair pada sieve tray. Sedangkan Li Xin Gang [4] mempelajari hidrolika valve tray sistim tiga dimensi yaitu dua fase gas dan liquid dengan model Eulerian. Selain hidrolika juga mempelajari mengenai transfer momentum interface yang mencerminkan hidrodinamika tray. Chen dkk [5] mempelajari hidrolika (yang dinyatakan dengan pressure drop) dan karakteristik transfer massa sieve tray untuk operasi destilasi campuran asam asetat-air. Pada penelitian Hayati dan Leli [6] mempelajari mengenai hidrodinamka dan transfer massa pada valve tray dengan menggunakan air-udara. Dari penelitian-penelitian sebelumnya terlihat bahwa masih sangat sedikit yang mempelajari mengenai hidrodinamika dan transfer massa pada valve tray, maka kami melakukan penelitian lebih lanjut mengenai valve tray yang sebelumnya telah dilakukan oleh Leli hayati mengenai valve tray. Tetapi di sini kami menggunakan bahan Carboxy Methyl Cellulose dan udara. Dimana CMC ini bertujuan untuk menaikkan viskositas dalam suatu larutan. Selain itu juga dalam study hidrodinamika ini yang diperhatikan adalah pressure drop dan RTD nya yang dinyatakan dalam bilangan dispersi dengan menginjeksikan Larutan NaCl atau disebut dengan Stimulus respon. II. METODOLOGI PENELITIAN Secara garis besar penelitian ini terdiri dari 2 bagian yaitu penelitian karakteristik pola alir dan penelitian transfer massa yang terjadi pada valve tray. Bahan yang digunakan adalah air dan udara yang dikontakkan secara kontinyu dan counter current..
2 A. Bahan yang digunakan : 1. Larutan Carboxy Methyl Cellulose (CMC) Carboxymethylcellulose (CMC) adalah salah satu bahan tambahan makanan berupa bahan penstabil yang berfungsi sebagai pengikat air. Menurut Spreer (1998), penggunaan bahan penstabil berguna untuk meningkatkan tingkat viskositas. Akan tetapi menurut Tamime and Robinson (1989), penggunaan bahan penstabil yang berlebihan dapat menyebabkan larutan mengumpal. Menurut Belitz and Grosh (1999), CMC berperan sebagai bahan pengikat air. Carboxymethylcellulose (CMC) dalam daftar makanan dapat ditulis sebagai cellulose gum, CMC, sodium carboxymethylcellulose (Na-CMC). 2. Udara Digunakan untuk mengontakan dengan air. 3. Larutan NaCl 25% Digunakan sebagai larutan tracer. B. Deskripsi Peralatan Rangkaian alat Valve Tray. Keterangan : 1. Bak penampung umpan (Lar CMC) 2. Pompa 3. Flow meter air 4. Suntikan larutan NaCl 5. Downcomer 6. Valve tray 7. Weir 8. Pipa air keluar downcomer 9. Pipa air weeping 10. Bak penampung air keluar 11. Kompresor 12. Flow meter udara 13. Distributor udara 14. Pipa udara keluar 15. Konduktometer/DO meter 16. Komputer 17. Manometer U 18. Valve Gambar 1. Skema Peralatan Valve Tray. Dimensi Tray dalam Valve Tray. Pitch=49,19 mm Pitch=49,19 mm D= 38,1 mm D= 38,1 mm 180 mm 180 mm Tabel 1. Dimensi tray dalam Valve Tray No. Spesifikasi Dimensi Satuan 1 Diameter Kolom 240 Mm 2 Tebal Plate 5 Mm 3 Pitch 49,19 Mm 4 Diameter Valve 38,1 Mm 5 Active Area 35091,4 mm 2 6 Lifting 5 Mm 7 Panjang Weir 180 Mm 8 Tinggi Weir 50 Mm 9 Tinggi Downcomer 100 Mm 10 Downcomer Clearence 38,1 Mm 11 Jumlah Valve 9 Buah C. Prosedur Penelitian Tahap Persiapan Penelitian Kalibrasi Laju Alir Udara : Kalibrasi laju alir udara dilakukan dengan menggunakan flow meter udara dan manometer U. Udara dari kompresor dialirkan melewati flow meter udara hingga manometer menunjukan h tertentu, kemudian flow meter udara akan menunjukan laju alir tertentu pula. Hal ini dilakukan beberapa kali dengan variasi laju alir udara yang berbedabeda dan selanjutnya dibuat kurva kalibrasi antara h manometer terhadap laju alir udara. Pembuatan Kurva Larutan NaCl Standar : 1. Membuat larutan NaCl dengan konsentrasi 0, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, dan 1000 ppm. 2. Mengukur konduktivitas masing-masing larutan NaCl. 3. Membuat kurva hubungan konduktivitas dengan konsentrasi. Pembuatan Larutan Tracer : 1. Menimbang NaCl sebanyak 125 gram. 2. Melarutkan NaCl diatas ke dalam air hingga beratnya 500 gram. 3. Mengaduk larutan NaCl hingga homogen. Tahap Penelitian Pressure drop dan Pola Alir : 1. Mengalirkan udara dari bagian bawah kolom dengan laju alir tertentu. 2. Mengalirkan air umpan dari bagian atas kolom dengan laju alir tertentu 3. Mengukur pressure drop kolom 4. Menginjeksikan larutan NaCl 25% sebanyak 10 ml pada pipa aliran masuk air umpan. 5. Mengukur konduktivitas pada air keluar kolom setiap saat secara kontinyu dengan menggunakan konduktometer tipe Jenway 4510. 6. Mengulang prosedur diatas untuk setiap variabel laju alir air dan udara. Analisa Data Analisa terhadap data yang diperoleh adalah sebagai berikut : Diameter =240 mm Diameter =240 mm
3 1. Analisa pressure drop Menganalisa pengaruh variasi laju alir air dan udara terhadap pressure drop kolom dengan pengukuran yang ditunjukan oleh gambar 3.2. 2. Analisa pola alir a. Data konduktivitas yang diperoleh diubah ke dalam konsentrasi dengan menggunakan kurva larutan NaCl standar (lihat Appendix A.2). b. Data konsentrasi terhadap waktu disajikan dalam bentuk kurva C pulse vs t (lihat pada Bab IV Hasil dan Pembahasan). c. Kurva konsentrasi terhadap waktu diubah menjadi kurva RTD terhadap waktu (lihat gambar 2.4) dengan menggunakan persamaan (2-30) dan (2-31). d. Menghitung jumlah N tangki dengan merujuk pada persamaan (2-36), (2-37) dan (2-49). e. Menganalisa bentuk pola alir dari kurva RTD dan jumlah tangki yang diperoleh. f. Menghitung korelasi empiris bilangan dispersi dengan menggunakan perhitungan regresi annova D. Variabel Penelitian Kondisi yang dipertahankan 1. Penelitian dilakukan pada temperatur kamar. 2. Larutan NaCl yang diinjeksi sebanyak 10 ml dan konsentrasi 25%. Variabel Input Pola alir pada valve tray : 1. Laju alir air : 0,00011, 0,00014, 0,00017, dan 0,00019 m 3 /s. 2. Laju alir udara : 0,00063, 0,00071, 0,00076, 0,00080, dan 0,00084 m 3 /s. Larutan Carboxy Methyl Cellulose (CMC) Konsentrasi : 0,1%, 0,2%, 0,3% Variabel Respon Pola alir pada valve tray : 1. Pressure drop kolom ( P). 2. Residence time distribution (RTD) dan jumlah tangki secara seri. Transfer Massa : Koefisien transfer massa sisi liquid (k L a ). E. Analisa Data Pola Alir pada Valve Tray 1. Pressure Drop 2. Korelasi empiris bilangan dispersi Regresi Annova Secara empiris hubungan antara - P terhadap viskositas, laju alir air dan gas dapat dinyatakan dengan persamaan P =a µ b Q L c Q V d - D/uL terhadap viskositas, laju alir air dan gas dapat dinyatakan dengan persamaan P =a µ b Q L c Q V d Koefisien koefisien a,b,c, dan d pada persamaan empiris di atas dapat diperoleh dengan menggunakan analisis Regresi Annova. III. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN A. Pressure Drop Gambar 2. Hubungan laju alir Air terhadap pressure drop kolom dengan berbagai konsentrasi B. Pola Alir pada Valve Tray dan Korelasi Empiris Bilangan Dispersi. Pada penelitian ini, karakteristik pola alir yang diamati adalah residence time distribution (RTD) dalam kolom dan jumlah tangki secara seri (N). Dengan menginjeksikan larutan NaCl 25% sebanyak 10 ml sebagai tracer pada aliran air masuk, maka karakteristik perilaku cairan dalam kolom dapat diketahui. Hal ini dapat diketahui dengan mengukur konsentrasi larutan CMC yang keluar kolom setiap saat dan selanjutnya diolah dengan menggunakan metode pulse eksperimen sehingga diperoleh kurva RTD. Dari kurva RTD ini maka dapat diketahui karakteristik perilaku cairan dalam kolom. RTD ini merupakan salah satu cara untuk mengetahui pola aliran non-ideal sehingga dapat diketahui apakah pola alir yang terjadi dalam kolom mengikuti pola aliran plug flow atau mixed flow. Dari beberapa variabel penelitian, berikut disajikan kurva RTD terhadap waktu dengan konsentrasi CMC 0,1%.. Gambar 3. Kurva RTD pada laju alir udara 0,00063 m 3 /s
4 udara tidak terlalu berpengaruh Semakin besar viskositas maka semakin besar pula jumlah tangki seri ekivalennya, dan bilangan dispersinya semakin kecil. Di mana untuk semua variabel diperoleh N>1 sehingga karakteristik pola alir dalam kolom lebih cenderung mendekati plug flow. Dari jumlah tangki seri ekivalen ini didapat pula persamaan korelasi empiris bilangan dispersi yaitu D/uL= 0,006 µ 0,006 - Q L 1,248 Q 1,019 V. Persamaan ini didapat dari perhitungan regresi annova. Gambar 4. Kurva RTD pada laju alir udara 0,00071 m 3 /s Gambar 8. Hubungan jumlah tank-in-series (N) terhadap laju alir air pada larutan CMC 0,2% Gambar 5. Kurva RTD pada laju alir udara 0,00076 m 3 /s C. Perbandingan hasil eksperiment dan analitis Gambar 6. Kurva RTD pada laju alir udara 0,00080 m 3 /s Gambar 9. Grafik Hubungan antara eksperiment dan korelasi Pressure drop Gambar 7. Kurva RTD pada laju alir udara 0,00084 m 3 /s Dari gambar 3 hingga gambar 5 dapat dilihat bahwa semakin besar konsentrasi RTD cenderung semakin kecil dan kurvanya semakin lancip. Dari kurva-kurva RTD ini dapat ditentukan jumlah tangki seri ekivalen dan bilangan dispersi. Pada penelitian ini, jumlah tangki seri ekivalen lebih dipengaruhi oleh laju alir larutan CMC, sedangkan laju air Gambar 10. Grafik Hubungan D/uL eksperiment dan korelasi Dari gambar 9 dan 10 grafik antara Laju alir dengan pressure drop dan Koefiseien perpindahan massa sisi liquid antara eksperiment dan analitis perbedaannya tidak begitu jauh dan cenderung mendekati satu titik garis yang sama.dengan % rata rata kesalahan pada grafik hubungan Laju alir dengan pressure drop adalah 11,54 %.
5 Sedangkan untuk grafik bilangan dispersi eksperiment dan korelasi rata rata kesalahnnya dalah 59,09 %. IV. KESIMPULAN Pressure drop kolom lebih cenderung dipengaruhi oleh laju alir air dibandingkan laju alir udara. Adapun hubungan empiris pressure drop dengan laju alir air (Q L ) dan laju alir udara (Qv) sebagai berikut : P =6505,389µ 0,155 Q L 0,233 Q V -0,093, dimana P dinyatakan dalam satuan pascal, sedangkan Q L dan Qv dinyatakan dalam satuan m 3 /s. Karakteristik pola alir cairan pada kolom valve tray cenderung mengarah pada plug flow dan lebih dipengaruhi oleh laju alir air. Jumlah N terbesar diperoleh pada Q L = 0,00019 m 3 /s dan Qv = 0,00071 m 3 /s sebanyak 9 sedangkan jumlah N terkecil diperoleh pada Q L = 0,00014 m 3 /s dan Qv = 0,00076 m 3 /s pada konsentrasi larutan CMC 0,2% sebanyak 1. Korelasi empiris untuk bilangan dispersi adalah D/uL= 0,006 µ 0,006 Q L -1,248 Q V 1,019 DAFTAR PUSTAKA [1]Li Gang Xin,Liu Xin De,Xu Min Shi,Li Hong, 2008, CFD simulation of Hydrodynamics of Valve Tray,XG Li et al/chemical Engineering and Processing 48 (2009) 145-151 [2]Van Baten, J. M., dan R. Krishna., 2003, Modelling Sieve Tray Hydraulics Using Computational Fluid Dynamics, Chem. Eng. Res. Des., Vol. 81, Issue 1, hal. 27-38. [3]Krishna,R.,VanBatten.J.M,Ellenberger.J,Higler.A.P,Taylor. R,1999, CFD Simulations of Sieve Tray Hydrodynamics, Trans Ichem Vol77 Part A October 1999,Page 639-645 [4]Li, X. G., Liu, D. X., Xu, Sh. M., dan Li, H., 2009, CFD Simulation of Hydrodynamics of Valve Tray, Chem. Eng. Proc., Vol. 48, Issue 1, hal. 145 151. [5]Chen, G. X, Chuang K.T.,Chien.C,Yen.Y, 1992, Mass Transfer and Hydraulics of Packed Sieve Tray,Gas Separation and Purification 1992 Vol6 No 4, Page 207-213 [6]Hayati,Pratiwi,2013, Kajian Pola Alir Dan Transfer Massa Proses Absorpsi Pada Valve Tray, Skripsi ITS Surabaya