Absorption of CO2 With NaOH UGM

5/10/2018 Absorption of CO2 With NaOH UGM

1/5

1 8 71 8 6 0 FO oU M T E KN I K J I L l D 2 4 , N O . 2, J U L l 2 00 0_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ F O_ _ R _ U _ M _ T _ E _ K N_ I _ K _ J _ I _ L I _ D _2 _ 4 _ , N2 _ , _ J U _ L ~ I ~ 2 ~. p

ABSORPSI GAS KARBONDIOKSID DENGAN LARUTANSODA API DALAM KOLOM UNGGUN TETAP

Andri Cahyo Kumoro dan Had iyanto *

ABSTRACTAbsorption is one of mass transfer processes to separate a specific gas

from its mixture using suitable absorbent. Absorption of CO2 from itsmixture is usually done using Na OR, MEA or K2C03 so lut ion. In thisresearch, a gas mixture contains CO2 was contacted with NaOH solution asabsorbent in a fixed bed column. This research also studied the effect ofNaOH solution flow rates at the range of 0.026 to 0.042 Us to theabsorption rates . On the other hand, operating pressure, gas flow rates,type and packing size, and CO2 initial concentration were maintained atconstant value.

Physico - chemical analysis was developed as a mathematics model todetermine combined gas-l iqu id mass transfer coef fic ient at gas side (Kga)and reaction rate constant. All coefficients were determinedfor absorptioncolumn design data which are accurate and suitable to be applied inindustry.

Experimental research result shows that determined gas-liquid masstransfer coefficient (Kga) of CO2 - NaOH absorption system were affectedby liquid flow rates. The higher value of Na OH solution flow rates gavehigher value ofKga. The Kga was in the range of I.1775.]()-J to 3.4748.]()-J(J/second) at liquid flow rate 0.026 - 0.042 Us .. The calculated reactionrate constant was at constant value 1.002 x 104 .Iml.anol.second). Thevolumetric gas-liquid mass transfer coef fic ients at gas side found from theexperiments can be written in term of Sherwood and Reynolds number asfollows: Sh = 4.0777 R/4oo3 S, 1/3 , with average relative error of 1.5391%. The equation is valid for Reynolds number at the range of 13.2347 to21.3789.Key words : Absorption.Ksa, reaction rate constant

PENDAHULUANAbsorpsi merupakan sa lah sa tu operasi pemisahan dalam indust ri k imia di mana

sua tu campuran gas dikontakkan dengan suatu ca iran penyerap yang sesuai , sehinggasatu a tau lebih komponen dalam campuran gas la rut dalam ca iran penyerap. Absorpsi

at berlangsung dalam dua macam proses, yaitu abso rpsi fisik atau absorpsi kimiadap(lreybaIl,1981). . .Abso rpsi fisik merupakan absorpsi di mana gas terl arut dalam ca iran penyerappadisertai dengan reaks i kimia. Absorps i gas H2S dengan air , metanol, atau propilen

:bonat merupakan contoh yang baik untuk pe~isti.wa ini yang seri~g diju~pai .di. d ustri kimia. Penyerapan gas oleh pelarut terjadi karena adanya interaksi fisik.~bsorpsikimia merupakan absorpsi di mana gas terlarut dalam larutan penyerap disertaid ngan reaksi kimia. Peristiwa absorpsi ini dapat dipelajari pada absorpsi gas CO2d:nganlarutan MEA, NaOH, K2C03 dan sebagain~a. Aplikas i absorps~ k.im. ia dapatdijumpaipada proses penyerapan gas CO2 pada pabrik Amonia . Abso~sl kimia da la~r a s e cairser ing digunakan untuk mengeluarkan zat ter larut dengan lebih sempuma d a r icaJnpurangasnya. Suatu keuntungan dalam absorpsi kimia adalah dengan a~anya. reaksikimia,maka nilai koefisien perpindahan massa (Kga) menjadi lebih besar dibandingkanabsorpsianpa reaksi kimia (Meldon, 1999). Peristiwa absorpsi biasanya diikuti denganper is tiwas tr ippi~g untuk m~le~askan ke~~ali gas yang terserap: Ko~~guras i antaraperistiwaabsorpsi dengan stnppmg dapat dilihat pada gambar 1 berikut rm :

Gas terstripas Sisa

Absorber Stripper

Gas PenstripUmpan gas

Gambar I.Konfigurasi absorber-stripper pada pabrik AmoniaDalam rangka memperluas permukaan kontak antar fase gas-cair, digunakan

k o l o m beris i packing (packed coloumn). Pemilihan packing dilakukan denganmempertimbangkanhal-hal sebagai berikut (Perry and Green, 1984):I. Memiliki luas permukaan terbasahi t iap unit volum yang besar . .2 . Memiliki ruang kosong yang cukup besar sehingga kehilangan tekanan kecil .3. Karaktersitik pembasahan baik.4. Densitas kecil agar berat kolom keseluruhan kecil.5. Tahan korosi dan ekonomis.

8eberapaenis packing yang ser ing digunakan antara lain rasching ring, intalox sadie,d a n pal l ring


2/5

_ 1 _ ~ . F _ O _ R _ U _ M _ T _ E _ K N_ I _ K _ J _ I_ L _ I D _ 2_ 4 ~ , _ N _O _ . 2 ~ ,_ J U ~ L ~ 12 ~O ~ R ~ V : M ~ T ~ E ~ K N ~ I ~ K ~ J ~ I L = I = D ~ 2 ~ 4 ~ , N ~ O ~ . ~ 2 ~ , ~ J U ~ L ~ I _ 2 ~ 0 ~ 0 0 ~ 1 8 _

dengankeadaan batas :ANDA SAN TEORIReaksi antara gas CO2 dengan laru tan NaOH mengikuti persamaan (Meldo~1999):

CO2+2 NaOHReaksi dianggap merupakan reaksi satu arah dan berorde 2 (Danckwerts, 1970). P a c t aabsorpsi gas oleh cairan yang dilakukan dalam kolom yang berisi unggun tetap d a nberlangsung iso te rmal, maka e lemen volum kolom yang ditinjau sebesar (1tD2~) 14dapat disaj ikan dalam bentuk gambar 2 berikut ini :

Z + 11ZI1 ZZ~

L GGambar 2. Elemen volum bidang kon tak antar fase gas-cair

Apabila peristiwa absorpsi gas karbondioksid dalam larutan soda api dianggapberlangsung di fase cair, maka dapat disusun model matematis untuk mewakiliper ist iwa tersebut . Model matematik disusun dengan anggapan sebagai berikut :

1. Aliran gas dan cairan mengikuti pola ali ran sumbat.2. Sifa t fisis gas dan ca iran te tap.3. Gas mengikuti hukum gas ideal.4. Reaksi berlangsung di fase cair.5. Proses ber langsung pada keadaan tunak.

Neraca massa gas karbondioksid (A) di fase gas :

Neraca massa A pada fase ca ir di sepanjang elemen volum kolom A ~z, menghasilkaopersamaan :

Neraca massa soda api (B) pada fase cair pada elemen volum yang sarna, menghasi lkaopersamaan:

1.1'" I'"

(2)

(3)

IA)

Kesetimbangan fase gas dengan cairanadalah :CAg*=H. CAL (5)

Persamaan (2) hingga (4) yang berupa persamaandiferensial ordiner dan persaman(5 ) diselesaikan secara serentak dengan metode Runge Kutta. Sedangkan nilai Kga dan kdicar idengan metode Hooke-Jeeves untuk memperoleh nilai Kga dan k yang optimum.optimasi dilakukan dengan meminimasi jumlah selisih kuadrat antara ~i~ai CAg,CAL,danCBLyang diperoleh dari percobaan dengan CAg,CAL,dan CBLyang dihitung dengansimulasi(Sediawan dan Prasetya, 1997).CARA PENELITIANBahan

Bahan yang digunakan adalah larutan NaOH 0,1 N, dan campuran antara gas CO2dengankonsentrasi awal CO2 56,8 % dengan laju alir 0,526 Lldetik dan udara denganlajualir 0,4 Lldetik.Alat

Rangkaian alat percobaan absorpsi gas CO2 dengan larutan Na OH dapat dilihatpadagambar 3.

12 Keterangan gambar :I. Kompresor2. Tabung CO23. Kolom unggiili4. Tabung pencarnpur

CO2,5. Manometer U'6. Pompa

7. Tangki NaOH8. C02 keluar9. Termometer1 0 . PemanasII. Larutan sisa .j. CO2terserap12.Flow meter

8

3

\ i12 1

2125 .1


3/5

_ 1 _ 9 o F _ _ R _ V _ M _ T _ E _ K N _ _ I _ K _ J _ I _ L _ I D _ 2 _ 4 _ , _ N _ O _ . 2 _ , _ J U _ L ~ I 2 ~ ~ R ~ U - M - T - E - K N - - I - K - J - I L - I - D - 2 - 4 , - N - O - . - 2 - , J - V - L - I - 2 - O O - O ~ 1 9 ~ 1Packing yang digunakan dalam penelitian ini berbentuk sil inder dari kaea dengan

panjang I em, diameter luar 0,5 em dan diameter dalam 0,45 em. Paeking disusun didalam kolom setinggi30 em hingga terbentuk unggun tetap dengan porositas 0 , 4 .Kolom absorbsi berupa pipa kaea yang mempunyai diameter 4 em dan panjangnya 4 5em.Pada penelitian ini variabel yang dipelajari adalah sebagai berikut :

Laju alir NaOH (l iter/detik) = 0,026; 0,031; 0,036; 0,039; 0,042Suhu pereobaan

PELAKSANAAN PENELlTlANSebelum pereobaan utama dilakukan, semua alat ukur aliran dikal ibrasi untuk

mengetahui keseksamaannya. Hal yang sarna juga dilakukan pada alat pengukur suhupada tangki penampung larutan NaOH yang dipasang pemanas.

Mula-mula larutan NaOH 0, I dialirkan dari tangki penampung NaOH menujukolom absorpsi melalui puneak kolorn sesuai dengan laju alir yang di inginkan hinggaalirannya mantap. Kemudian, eampuran gas yang terdiri dari gas CO2 dan udaradialirkan dari bawah kolom. Campuran gas diperoleh dengan rnencampur kedua gasdengan laju ali r gas CO2 0,526 Udetik dan udara dengan laju alir 0,4 Udetik. Absorpsidibiarkan terus berlangsung sarnpai dicapai keadaan tunak. Keadaan tunak dikatakantelah tereapai jika jumlah CO2 yang terserap larutan NaOH telah meneapai ni lai yangkonstan. Keadaan tersebut ditandai dengan konsentrasi larutan NaOH sisa yang keluardari kolom absorbsi sudah konstan. Konsentrasi NaOH bebas dalam eairan yang keluarkolom absorbsi ditentukan seeara volumetri menggunakan larutan asam khlorid standar.Selama titrasi akan terjadi reaksi-reaksi berikut (Griffin, 1955) :

NaOH+ HCI -------to- NaCI + H20 (6)(7)(8)aHC03 + HCI

Titik ekivalen untuk reaksi (6) dan (7) ditentukan dengan bantuan indikator fenolftalin ,sedangkan reaksi (8) ditentukan titik ekivalennya dengan bantuan indikator metil jingga.Jika junlah HCI yang dibutuhkan pada reaksi (6) dan (7) sebanyak x mol dan Hel yangdibutuhkan untuk reaksi (8) adalah y mol, maka jurnlah NaOH bebas adalah (2x - y)mol.

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASANBerdasarkan data-data pereobaan yang diperoleh dan dilakukan perhi tungan

simulasi dengan bantuan komputer, maka hasil penel itian ini dapat disajikan sebagaiberikut:1. Hubungan an tara laju alir larutan penyerap dengan konsentrasi NaOH bebas pada

1rp~r1~!:ln hInqir

Daftar I. Konsentrasi NaOH bebas dalam larutan keluar kolom absorbsi padakeadaan tunak

Laju alir Larutan CNaOH percobaan (N) CNaOH simulasi (N)penyerap (L/detik)0,026 0,0920 0,08930,031 0,0860 0,08500,036 0,0800 0,08210,039 0,0750 0,07460,042 0,0710 0,0708

Selanjutnya, hasil pereobaan dan hasil perhitungan dengan simulasi jugaditampilkan dalam gambar 4 berikut :

G amb ar 4 . Konsent rasi NaOH bebas dalam larutan ke luar absorber pada berbagai laju ali rlarutan penyerap.Berdasarkan daftar I dan gambar 4, dapat diketahui bahwa nilai konsentrasi NaOHbebasdal~m larutan keluar absorber hasil simulasi sangat dekat dengan nilai~onsentrasl NaOH bebas dalam larutan keluar absorber yang diperoleh daripercob~a.n.H.al . ini menu.njukkan bahwa model matematik yang diusulkan dapatn e w a k i l i penst iwa reaksi gas karbondioksid dengan larutan NaOH dalam kolombahansian dengan baik.

Hubunganantara koefisien perpindahan massa gas-cair dengan laju alir penyerapHasiIperhitungan koefisien perpindahan massa antar fase gas-cair yang diperolehIIiIdaenelitian ini tertera pada daftar 2.


4/5

192 FORUM TEKNIK JILID 24, NO.2, JULi2 ~ f O R U M TEKNIK JILID 24, NO.2, JULI 2000 193':--Daftar 2. Hubungan koefisien perpindahan massa gas-cair dengan laju ali r penyet~ 4 Hubungan antara koefisien perpindahan massa gas-cair (Kga) dengan laju alir larutanpad a suhu 40C . penyerap dalam bentuk bilangan tak berdimensi.

Karakteristik aliran cairan di dalam unggun berbeda dengan karakteristik aliranmelalui partikel tunggal, maka bilangan Reynolds yang dipakai dalam aliran melaluiunggun juga berbeda dengan bilangan Reynolds untuk aliran melalui partikeltunggal. Di dalam unggun, partikel-partikel bahan isian saling berhimpitan danmembentuk rongga. Akibatnya, luas permukaan efektif masing-masing partikelmengalami perubahan. Oleh karena itu, Mackowiak (1991) menyarankan pemakaianjuas permukaan spesifik partikel dalam kolom bahan isian untuk menyatakanbilangan Reynolds. Dengan demikian, bilangan Reynolds dinyatakan dengan Re =(p.LlIla). Jika dilakukan analisis dimensi untuk menyatakan hubungan antaraPada daftar 2 dapat dilihat bahwa pada suhu tetap, kenaikan laju alir larut31 koefisien perpindahan massa gas-cair (Kga) dengan laju alir larutan penyerap secara

penyerap (NaOH) dapat meningkatkan koefisien perpindahan massa antar fase gal empir is, maka diperoleh persamaan Sh =4,0777 Rel.4OO3 Sc 1/3. Hasil perhitungancair (Kga). Hal ini dapat terjadi, karena dengan sernakin tinggi laju ali r cairan, mal:! Kgahasi l simulas i dan Kga hasil hitungan dengan persamaan empiris tertera padakontak fase antara gas dengan cairan semakin baik. Dengan dem ikian, maka jumla daftar4 .gas yang dapat berpindah dari fase gas menuju fase cair juga semakin besar. mkeadaan keseimbangan telah tercapai, maka perpindahan massa gas menuju cair~ Daftar 4. Hubungan antara koefisien perpindahan massa gas-cair (Kga) dengan lajuakan berhenti. Kemampuan gas untuk berpindah dari fase gas menuju cairan dibatas alir larutan penyerap dalam bentuk bilangan tak berdimensi.oleh daya larut maksimum gas tersebut dalam cairan yang berkontak dengannyaNamun, nilai koefisien perpindahan massa gas-cair juga dipengaruhi oleh rea~kimia yang terjadi. Semakin cepat reaksi kimia terjadi, maka jumlah gas yanidit ransfer dari gas ke cairan harus juga semakin besar.

Laju alir '


5/5

_ 1 _ 9 4 F _ _ R _ U - . M _ T _ E _ K N_ _ I _ K _ J _ I _ L _ I D _ 2 _ 4 _ , _ N _ O _ . 2 _ , _ J U _ L ~ I ~ 2 ~ F O ~ R ~ U - M - T - E - K N - - I - K - J - I L - I - D - 2 - 4 , - N - O - . - 2 - , J - U - L - I - 2 - r n m - - 1 9 _ 5larutan NaOH pada suhu 40C dalam reaktor tangki berpengaduk yang dilengkap'dengan penggelembung gas adalah 104 (mLimol.detik). Sedangkan pada penelitian in:diperoleh tetapan laju reaksi 1,0002 x 104 (mLimol.detik) , dan menunjukkan bahwanilai tetapan laju reaksi t idak dipengaruhi oleh jenis reaktor yang dipakai. Hal in i berartibahwa penelit ian ini memberikan nilai tambah bagi perancangan absorber untuk meng.hilangkan gas karbondioksid dengan diperolehnya tetapan laju reaksi, order reaksi, dankoefisien perpindahan massa volumetris antar fase gas-cair dalam kolom bahan isian.KESIMPULAN

Berdasarkan hasil penelitian yang diperoleh, dapat disimpulkan bahwa :I. Nilai koefisien perpindahan massa antar fase gas-cair (Kga) pada sistem absorpsi

CO2 - larutan NaOH berkisar antara 0,1775 sampai 0,3474 (II detik) pada kisaranbilangan Reynolds 13,2347 sampai 21,3789.

2. Nilai tetapan laju reaksi pada absorpsi CO2 oleh larutan NaOH tidak dipengaruhioleh laju al ir larutan NaOH, nilainya adalah 1,0002. 104 (mLimol. detik) pada s u h u40C.

3. Pendekatan ernpms untuk menyatakan hubungan antara koefisien perpindahanmassa gas-cair dengan kecepatan linier aliran larutan NaOH dapat dituliskan dalambentuk bilangan tak berdimensi sebagai berikut:

Sh = 4,0777 Rel.4003. Sc 1/3

CBLOUI

konsent rasi C02 di badan utama cairan masuk absorber,mollmLkonsentrasi C02 di badan utarna cairan keluar absorber,mollmLkonsentrasi NaOH di badan utarna cairan, mollmLkonsentrasi Na OH di badan utama cairan masuabsorber, mollmLkonsentrasi Na OH di badan utama cairan keluar absorber,mollmLdiameter kolom,cm.Difusivitas komponen A ke B, (cm2/s).diameter partikel, cm.laju alir gas C02, 1Idetiktetapan laju reaksi, (mLimol.detik)koefisen perpindahan massa gas-cair,(l/detik).laju alir larutan NaOH, LldetikBilangan Reynolds, (p.L'u.a).Bilangan Schmidt, (Jl /p DAB).Bilangan Sherwood, (Kga dp2IDAB).tinggi kolom, cm.porositas tumpukan packing.

DDABdpGkKgaLR, ;ScS hZ

DAFTAR PUST AKAdengan ralat relatif rata-rata 1,5391%. Persamaan di atas berlaku untuk bilangan Danckwerts ,P.Y. , 1970, "Gas Liquid Reactions", 151 edition, p.p. 42-44, McGraw-HiliReynold pad a kisaran 13,2347 sampai 21,3789. Book Company Inc., New York.

Griffin,R.C., 1955, "Technical Methods of Analysis", 2nd edition, McGraw-Hili BookCo., New York.CAPAN TERIMA KASIHPenulis mengucapkan terima kasih kepada Program S-1 Ekstensi Teknik Kimia

Fakultas Teknik Universitas Diponegoro dan Pimpinan Laboratorium Teknik KimiaIIJurusan Teknik Kimia, FakuItas Teknik Universitas Diponegoro yang telah membantuterlaksananya penelitian hingga makalah ini diterbitkan.DAFTAR DAN ART) LAMBANG

a luas bidang kontak tiap volum kolom ,(cmI).6(1- &)dp

konsentrasi CO2 di badan utama gas, mol/mL= konsentrasi CO2 di badan utama gas yang setimbang dengankonsentrasi CO2 di fase cair , mol/mL=konsentrasi CO2 di badan utama gas masuk aborber, mol/mLkonsentrasi CO2 di badan utama gas keluar absorber,

mol/mLr

H i l l , C.G., 1977,"An Introduction to Chemical Engineering Kinetics & ReactorDesign", lSIedition, p. 27, John Wiley and Sons, New York.

Leva,M " 1955, "Gas Absorption in Beds of Rings and Saddles", A.I.Ch.EJ., 1,2,224.Mackowiak, 1., 1991, "Pressure Drop in Irrigated Packed Bed Columns", Chem.Eng.Process, 29, 93-105.Meldon, 1., 1999," Simplify Calculations Chemical Reactions" , HydrocarbonProcessing,~, 87- 91Perry,KH. and Green, D.W. ,1984," Chemical Engineering Handbook", 6th edition.p.p,

14-31 - 14.36, Me Graw-Hill Book Co., Singapore.Sediawan,W. B., dan Prasetya, A., 1997, "Pemodelan Matematis dim Penyelesaian

Numeris dalam Teknik Kimia", hal. 62-65, ANDI, Yogyakarta."'.Spector,N.A. and Dodge, B.F., 1946, "Removal of Carbon Dioxide from Atmospheric

air", Trans. Amer. Inst. Chem.Engrs., 42, 827.Treyball,R.E., 1980," Mass Transfer Operation", 3

rdedition, p.275 , Mc Graw - HillRnnlr r~ I +rI ""1m .. V~_I,

Documents

Absorption of CO2 With NaOH UGM