› courses › jtk3171 › ... bab ii abs2 - upnjatim.ac.idkolom absorbsi adalah sebuah kolom,...

Buku Ajar Proses Absorpsi gas – liquid oleh : Sri Redjeki

1

BAB II ABSORPSI DAN STRIPPING

II.1 ABSORPSI dan STRIPPING

Absorpsi adalah proses pemisahan bahan dari suatu

campuran gas dengan cara pengikatan bahan tersebut pada

permukaan absorben cair yang diikuti dengan pelarutan.

Kelarutan gas yang akan diserap dapat disebabkan hanya

oleh gaya-gaya fisik (pada absorpsi fisik) atau selain gaya

tersebut juga oleh ikatan kimia (pada absorpsi kimia).

Komponen gas yang dapat mengadakan ikatan kimia akan

dilarutkan lebih dahulu dan juga dengan kecepatan yang lebih

tinggi. Karena itu absorpsi kimia mengungguli absorpsi fisik.

Stripping adalah proses pemisahan yang cara kerjanya sama

dengan proses absorbsi hanya solute yang akan dipisahkan

berupa fase liquid sedangkan pelarutnya fase gas.

II.2 Fungsi dari Proses Absorpsi dan Stripping dari Dilute

Mixtures

Absorpsi dan stripping merupakan metode umum untuk :

a) Menghilangkan impuritis dari gas (absorpsi) atau

b) Menghilangkan impuritis dari liquid (stripping).

Hal ini dilakukan dengan mengalirkan absorben liquid (pelarut)

secara countercurrent terhadap campuran uap/gas (absorpsi)

atau suatu vapor countercurrent terhadap campuran liquid

(stripping).


2

II.3 Fungsi Absorbsi dalam industri

Tujuan proses Absorpsi dalam dunia Industri adalah :

Meningkatkan nilai guna dari suatu zat dengan cara merubah

fasenya

Contoh : Formalin yang berfase cair berasal dari formaldehid

yang berfase gas (Formalin adalah larutan formaldehida

dalam air, dengan kadar antara 10%-40%) dapat dihasilkan

melalui proses absorbsi. Formaldehid sebagai gas input

dimasukkan ke dalam reaktor, dimana di dalam air formaldehid

akan mengalami proses polimerisasi.. Output dari reaktor yang

berupa gas yang mempunyai suhu 1820C didinginkan pada

kondensor hingga suhu 550C, dimasukkan ke dalam absorber.

Keluaran dari absorber pada tingkat I mengandung larutan

formalin dengan kadar formaldehid sekitar 37 – 40%. Bagian

terbesar laiinnya terdiri dari metanol, air, dan formaldehid

dikondensasi di bawah air pendingin bagian dari menara, dan

hampir semua removal dari sisa metanol dan formaldehid dari

gas terjadi dibagian atas absorber dengan counter current

contact dengan air proses.

Absorpsi dan Stripping 7

Absorber Stripper

Steam

Solven

Solven

Solvendan CO2

N2 dan CO2

CO2N2

HE

Scrubber untuk CO2

GAS

LIQUIDGASGAS

LIQUID

Solvendan CO2

Gambar 1. Contoh Penyerapan CO2


3

II.4 Kolom Absorpsi

Adalah suatu kolom atau tabung tempat terjadinya proses

pengabsorbsi (penyerapan/penggumpalan) dari zat yang

dilewatkan di kolom/tabung tersebut. Proses ini dilakukan

dengan melewatkan zat yang terkontaminasi oleh komponen lain

dan zat tersebut dilewatkan ke kolom ini dimana terdapat fase

cair dari komponen tersebut.

II.4.1 Struktur dalam absorber (Kolom Absorpsi)

Gambar 2, Bagan kolom Absorpsi

Bagian a : Spray untuk megubah gas input menjadi fase cair.

Bagian b : out put gas keluar

Bagian c : in put pelarut masuk

Bagian d : out put pelarut dan gas terserap keluar

Bagian e : tempat pencampuran pelarut dan umpan

Bagian f : Packed tower untuk memperluas permukaan sentuh

sehingga mudah untuk diabsorbsi


4

II. 4.2 Prinsip Kerja Kolom Absorbsi

1. Kolom absorbsi adalah sebuah kolom, dimana ada zat yang

berbeda fase mengalir berlawanan arah yang dapat

menyebabkan komponen kimia ditransfer dari satu fase

cairan ke fase lainnya, terjadi hampir pada setiap reaktor

kimia. Proses ini dapat berupa absorpsi gas,

destilasi,pelarutan yang terjadi pada semua reaksi kimia.

2. Campuran gas yang merupakan keluaran dari reaktor

diumpankan kebawah menara absorber. Didalam absorber

terjadi kontak antar dua fasa yaitu fasa gas dan fasa cair

mengakibatkan perpindahan massa difusional dalam umpan

gas dari bawah menara ke dalam pelarut air sprayer yang

diumpankan dari bagian atas menara. Peristiwa absorbsi ini

terjadi pada sebuah kolom yang berisi packing atau plate

dengan tingkat sesuai kebutuhan.

II.5 Peralatan Absorpsi dan Stripping

Gambar 3. Type-tipe Kolom Absorpsi


5

II.5.1 Tray Tower

Gambar 4. Tray Tower

II.5.2 Packed Tower

Dalam tower (menara) ini berisi packing, liquida didistribusi

diatas packing dan mengalir kebawah membentuk lapisan tipis di

permukaan packing. Gas umunya mengalir keatas berlawanan

arah terhadap jatuhnya liquid. Kedua fasa (liquid & gas) akan

teraduk sempurna.

Tower/kolom berpacking ini digunakan bila perpindahan massa

dikendalikan oleh kedua tahanan baik gas maupun liquid

Gambar 5. Packed Tower


6

Ada beberapa bentuk packing yaitu : a). Rasching Ring, b).Berl

saddle, c).Pull ring, d).Intalox metal, e).Jaeger metal Tri-pack (lihat

Geankoplis).

Berikut adalah bentuk packing yang dibuat dari keramik :

a b c d Gambar 6. a. ceramic support grid, b. ceramic ball, c.ceramic cascade ring, d.ceramic berls-saddles

e f g h

Gambar 7. e.ceramic dome, f.ceramic conjugate ring, g.ceramic saddle, h.ceramic rashing ring

II.5.3 Spray Tower l Liquida masuk dispraykan dan jatuh karena gravitasi, aliran

gas naik berlawanan arah. Nozzle (lubang) spray berfungsi

untuk memperkecil ukuran liquida. Jarak jatuhnya liquid

ditentukan berdasarkan waktu kontak dan pengaruh jumlah

massa yang dipindahkan


7

l Spray Tower digunakan untuk perpindahan massa gas-gas

yang sangat mudah larut dimana tahanan fasa gas yang

menjadi kendali dalam fenomena ini

Gambar 8. Spray Tower

II.5.4 Bubble Tower

Bubble Tower pada prinsipnya merupakan kebalikan dari spray

tower. Dalam tower ini gas terdispersi kedalam fasa liquid

membentuk gelembung kecil. Gelembung yang kecil ini

menjadikan kontak antar fasa yang besar

Perpindahan massa yang terjadi selama gelembung naik melalui

fasa liquid, gerakan gelembung tersebut mengurangi tahanan

fasa liquidnya

Bubble Tower digunakan bila laju perpindahan massa

dikendalikan oleh tahanan fasa gas.


8

Gambar 9. Bubble Tower

II.6 Phase Kontak pada Contacting Tray

Gambar 10. Phase Kontak pada Contacting Tray

Aliran Vapor (warna merah) bubble naik melalui froth. Aliran Liquid

melalui froth dan diatas weir. Kondisi froth bervariasi tergantung

pada regim aliran vapor-liquid melibatkan : spray, froth, emulsion

bubble, dan cellular foam.

II.7 Spesifikasi

1. Laju alir gas dan liquid, komposisi, temperatur dan tekanan

2. Derajad pemisahan yang diharapkan (% recovery)

3. Pemilihan jenis pelarut

4. Tekanan dan temperatur operasi serta pressure drop yang

diijinkan

5. Laju pelarut minimum

6. Jumlah stage ideal


9

7. Efek panas dan kebutuhan pendingin

8. Type alat Absorber / Stripper

9. Tinggi kolom Absorber / Stripper

10. Diameter kolom Absorber / Stripper

II.8 Absorben

Absorben atau pelarut ; adalah cairan yang dapat melarutkan bahan

yang akan diabsorpsi pada permukaannya, baik secara fisik maupun

secara reaksi kimia.Absorben sering juga disebut sebagai cairan

pencuci.

II.9 Syarat2 Absorben/pelarut

1.) Pelarut minimum)

2.) Volatility yang rendah (meningkatkan recovery �eacto dan

menurunkan loses pelarut)

3.) Stabil (mengurangi kebutuhan penggantian pelarut)

4.) Tidak korosif (mengurangi perawatan dan penggunaan alat

anti korosi)

5.) Viscositas rendah (menurunkan pressure drop dan

kebutuhan pompa, menaikkan aliran massa)

6.) Tidak berbusa bila berkontak dengan gas (mengurangi

ukuran alat)

7.) Tidak beracun dan nonflammable (safety)

8.) Kelayakan proses (mengurangi cost, menurunkan kebutuhan

untuk external source)

II.10 Proses Pengolahan Kembali Pelarut Dalam Proses

Kolom Absorber

1. Konfigurasi absorber akan berbeda dan disesuaikan dengan

sifat alami dari pelarut yang digunakan


10

2. Aspek Thermodynamic (suhu dekomposisi dari

pelarut),Volalitas pelarut,dan aspek kimia/fisika seperti

korosivitas, viskositas,toxisitas, juga termasuk biaya,

semuanya akan diperhitungkan ketika memilih pelarut untuk

spesifik sesuai dengan proses yang akan dilakukan.

3. Ketika volalitas pelarut sangat rendah, contohnya pelarut

tidak muncul pada aliran gas, proses untuk meregenerasinya

cukup sederhana yakni dengan memanaskannya.

II.10.1 Contoh pertama

Cairan absorber yang akan didaur ulang masuk kedalam kolom

pengolahan dari bagian atasnya dan akan dicampur /dikontakan

dengan stripping vapor.Gas ini bisa uap atau gas mulia, dengan

kondisi termodinamika yang telah disesuaikan.dengan pelarut

yang terpolusi. Absorber yang bersih lalu digunakan kembali di

absorpsi kolom.

Gambar 11. Contoh pertama

II.10.2 Contoh kedua

Absorber yang akan didaur ulang masuk ke kolom pemanasan

stripping column. Uap pada stripping dibuat dari cairan pelarut


11

itu sendiri.Bagian yang telah didaur ulang lalu digunakan lagi

untuk menjadi absorber.

Gambar 12. Contoh kedua

II.10.3 Contoh ketiga

Sebuah kolom destilasi juga dapat digunakan untuk mendaur ulang.

Absorber yang terpolusi dilewatkan kedalam destilasi kolom.

Dibawahnya, pelarut dikumpulkan dan dikirim kembali ke absorber.

Gambar 13 Contoh ketiga

II.11 Hubungan Kesetimbangan diantara fase

a. Hukum Fase (Tingkatan) dan Kesetimbangan


12

Untuk memprediksi konsentrasi dari sebuah solute dalam setiap

dari dua fase dalam keadaan kesetimbangan, data

kesetimbangan percobaan harus tersedia. Bila dua fase tidak

berada pada kesetimbangan, laju perpindahan massa

proposional terhadap driving force (gaya dorong), adalah bagian

dari kesetimbangan. Dalam hal kesetimbangan, dua fase adalah,

seperti : gas-liquid atau liquid-liquid . Variabel yang

mempengaruhi kesetimbangan dari suatu solute adalah :

temperatut, tekanan dan konsentrasi.

Kesetimbangan diantara dua fase dalam suatu kondisi dibatasi

oleh Hukum Fase :

F = C - P + 2 (1)

Dengan : P = jumlah fase pada kesetimbangan

C = jumlah total komponen dalam dua fase bila tidak

ada reaksi kimia,

F = derajad kebebasan system (jumlah dari variant)

Contoh : untuk sistem gas-liquid, dari C02-udara-air, berarti ada

2 fase dan tiga komponen, dengan persamaan (1) :

F = 3 – 2 +2 = 3

II.12. Kesetimbangan Gas – Liquid

1. Dari data kesetimbangan gas-liquid dapat dilihat pada

Appendix A (Geankoplis), dari A.3-19 s/d A.3-25.

2. Dari data kelarutan

Contoh : Data Kelarutan NH3 terhadap H2O yang diukur pada

temperatur 200C, P = 760 mmHg

lbm NH3 / 100 lbm H2O 7,5 10 15 20 25

Tekanan Parsial NH3, mmHg 50,0 69,6 114 166 227


13

a. Pembuatan Kurva didasarkan mol fraksi

x = 18/5,9217/5,7

0/0/

22

33 =BMHMHBMNHMNH

(2)

y = Pp∗

= 7600,50

(3)

Tabelkan x Vs y, dan buat grafiknya

b. Pembuatan Kurva didasarkan mol Ratio

x = 18/5,9217/5,7

0/0/

22

33 =BMHMHBMNHMNH

(4)

(5)

Tabelkan x Vs y, dan buat grafiknya

3. Pembuatan Kurva berdasarkan hubungan kesetimbangan

,dengan menggunakan Hukum Henry

Hukum Henry

Hubungan kesetimbangan antara pA pada fase gas dan xA

dapat dinyatakan dengan garis lurus persamaan Hukum Henry

pada konsentrasi rendah ;

pA = H xA (6)

Dengan : H = Konstanta Henry = atm/mole fraksi Bila persamaan diatas keduanya dibagi dengan tekanan total

maka menjadi : yA = H’ xA. (7)

H’ = H/P = atm/mole fraksi/atm = 1/mole fraksi

5076050−

=−

=∗

∗

pPpy


14

Contoh soal 1 ;

Konsentrasi oksigen terlarut dalam air;

Berapa konsentrasi oksigen terlarut dalam air pada 2980K bila

larutan berada dalam kesetimbangan dengan air pada tekanan

total 1 atm? Konstanta Henry = 4,38 x 104 atm/mole fraksi.

Penyelesaian : Tekanan Parsiil pA dari Oksigen (A) dalam udara = 0,21 atm

. Dengan menggunakan pers.11 ;

0,21 = HxA = 4,38 x 104 xA

xA = 4,80 x 10-6 mol fraksi

Artinya 4,80 x 10-6 mol O2 terlarut dalam 1,0 mol air + oksigen

atau 0,000853 bagian O2/100 bagian air.

II.13 Kesetimbangan kontak satu 1. Kontak kesetimbangan satu stage

Dalam beberapa operasi kimia dan proses2 industri lainnya,

perpindahan massa dari satu fase ke fase lainnya akan terjadi,

biasanya diikuti dengan pemisahan dari komponen2 suatu

campuran, satu komponen akan di transfer ke suatu tingkatan

yang lebih besar dari component satunya.

V1 V2

L0 L1

Gambar 14. Proses kesetimbangan Satu stage

Kesetimbangan masa total : L0 + V2 = L1 + V1 = M (8)

L = kg(lbm), V = kg dan M = total kg


15

Misal komponent A,B, dan C berada pada aliran dan membuat

kesetimbangan A dan C,

L0 XA0 + V2 YA2 = L1 XA1 + V1 YA1 = M XAM (9)

L0 XC0 + V2 YC2 = L1 XC1 + V1 YC1 = M XCM (10)

Persamaan untuk komponen B tdk diperlukan, karena :

xA+xB+C = 1

2. Kontak kesetimbangan satu stage untuk sistem gas-

liquid

• Pada sistem gas-liquid:

• Gas masuk terdiri : A solute dan B inert

• Liquid masuk terdiri : A solute dan C inert

• Untuk komponent A diperoleh pers sbb:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

− 1

1

1

1

2

2

0

0

1'

1'

1'

1'

A

A

A

A

A

A

A

A

yyV

xxL

yyV

xx

L (11)

• Untuk menyelesaikan persamaan diatas, yA1 dan x A1 berada

pada kesetimbangan, yang diberikan oleh pers.;yA1 = H’xA1.

Contoh Soal 2 :

• Suatu campuran gas pada 1 atm abs mengandung udara

dan CO2 di kontakkan dalam suatu single stage pencampur

secara kontinyu dengan air sebagai solven pada 2930K. Gas

dan liquid keluar berada pada kesetimbangan. Laju alir gas

masuk 100 kg.mol/jam, dengan fraksi mol CO2 ;yA2=0,20.

Liquid masuk 300 kg/jam. Hitung jumlah dan komposisi dari

kedua fase aliran yang keluar. Asumsi air tidak menguap ke

fase gas.


16

Penyelesaian :

Diagram seperti gambar 1. aliran inert air adalah : L’=Lo = 300

kg mol/j. Aliran udara V’ : V’ = V(1 – yA) (12)

Diperoleh : V’ = V2(1 – yA2) = 100(1 – 0,20) = 80 kg mol/j

Substituís ke pers.11, untuk membuat kesetimbangan C02 (A),

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−=⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛−

+⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛− 1

1

1

1

180

1300

20,0120,080

010300

A

A

A

A

yy

xx

(13)

Pada 2930K, konstanta Hukum Henry’s A.3 , H = 0,142 x 104

atm/mol frak. H’ =H/P

H’ = 0,142 x 104 mol frak gas/mol frak liquid. Substitusi ke

pers.7,

yA1 = 0,142 x 104 xA1, substituís ke pers.. 13, diperoleh : xA1 =

1,41 x 10-4 dan yA1 = 0,20.

Untuk kecepatan aliran yang meninggalkan absorber ;

L1 = 11'

AxL−

= jkgmolx

/3001041,11

3004 =− −

V1 = 11'

AyV−

= 20,01

800−

= 100 kg mol/j

Dalam soal diatas bila, larutan liquid terlalu encer, L0 ≈ L1

II.14 Multiple Countercurrent-contact stages

1. Derivasi dari persamaan Umum :

V1 V2 V3 Vn Vn+1 VN VN+1

1 2 n N

L0 L1 L2 Ln-1 Ln LN-1 LN

Gambar 15.. Proses countercurrent stages


17

Kesetimbangan total untuk seluruh stage :

L0 + VN+1 = LN + V1 = M (14)

Dengan : VN+1, LN, = mol/j bahan masuk dan keluar. Untuk

kesetimbangan komponent A,B,C,

L0x0 + VN+1 YN+1 = LNxN + V1Y1 = MxM (15)

x dan y dalam mole fraksi Kesetimbangan Total setelah stage pertama n;

L0 + Vn+1 = Ln + V1 (16)

Untuk suatu kesetimbangan komponent ;

L0X0 + Vn+1 Yn+1 = LnXn + V1Y1 (17)

Penyelesaian untuk Yn+1 dari persamaan diatas:

(18)

Ini merupakan suatu persamaan garis operasi dengan slope =

Ln/Vn+1

2. Kontak countercurrent dengan aliran tidak saling larut

l Solute A berpindah terjadi bila aliran V mengandung

komponent A dan B tanpa C, dan aliran L mengandung A

dan C tanpa B. Kedua aliran L dan V tidak saling larut satu

sama lain hanya komponent A yang berpindah

l Bila L dan V adalah aliran yang encer dengan komponent A,

maka aliran cenderung mengalir konstan dan slope Ln/Vn+1

mendekati konstan, sehingga diperoleh garis operasi

merupakan garis lurus (gambar 16).

1

0011

11

+++

−+=

nn

nnn V

xLyVVxLy


18

3. Skema Kontak countercurrent dengan aliran tidak saling

larut

y1 x0 yN+1 garis operasi stage 1 y2 x1 2 y4 4 y3 x2 Mole Fraksi 3 y3 3 garis

y4 x3 y2 kesetimbangan

yN+1 xN y1 1

Gambar 16. Jumlah stages pada suatu proses kontak

Multipel Stage

Suatu persoalan penting dimana solute A akan terjadi perpindahan

bila aliran V mengandung komponen A dan B tanpa ada C, dan

aliran solven L mengandung A dan C tanpa ada B. Dua aliran L dan

V adalah tidak saling larut , hanya A yang akan berpindah.

Bila pers.18 di plot pada x,y, maka terlihat seperti pada gambar .16.

Pada gambar 16, y1 dan x0 berada pada garis operasi dan y1 dan x1

berada pada garis kesetimbangan. Setiap stage diwakili oleh sebuah

garis pada gambar 16, langkah dilanjutkan ingá titik yN+1, dicapai.

Jika aliran L dan V encer dalam componen A, aliran mendekati

keadaan constan dan slope Ln/Vn+1 mendekati constan.

Contoh Soal 3.

Diinginkan mengabsorb 90% acetone dalam udara yang

mengandung 1% aceton dlm suatu menara countercurrent. Aliran

gas masuk 30 kg.mol/j, dan total air murni masuk sebagai absorbent


19

adalah 90 kg.mol H20 /j. Proses di operasikan pada keadaan

isothermal 3000K dan tekanan total 101,3 kPa. Hubungan

kesetimbangan aceton dalam gas dan liquid : yA = 2,53 xA. Tentukan

jumlah stage yang dibutuhkan secara teori untuk proses operasi ini,

Penyelesaian :

Diagram proses seperti gambar 16. yAN+1 = 0,01, xA0 = 0, VN+1 = 30,0

kg mol/j dan L0= 90,0 kg mol/j. Kesetimbangan material Aceton,

Jumlah aceton masuk = yAN+1 VN+1 = 0,01(30,0)= 0,30 kg mol/j

Udara masuk = (1– yAN+1)VN+1 = (1– 0,01)(30,0) = 29,7 kg mol

udara/j

Aceton sisa di V1 = 0,10(0,30) = 0,030 kg mol/j

Aceton sisa di LN = 0,90(0,30) = 0,27 kg mol/j

V1 = 29,7 + 0,03 = 29,73 kg mol udara + aceton/j

yA1 = 73,29030,0

= 0,00101

LN = 90,0 + 0,27 = 90,27 kg mol air + aceton/j

xAN = 27,9027,0

= 0,00300

Aliran liquid pada aliran masuk L0 = 90,0 pada aliran keluar LN =

90,27 dan V dari 30,0 s/d 29,73, maka slope Ln/Vn+1 pada garis

operasi adalah konstan. Garis operasi bersama dengan garis

kesetimbangan yA = 2,53 xA digambar sperti gambar 17. dimulai

pada titik yA1, xA0, maka diperoleh sekitar 5,2 stage.


20

0,012 YAN+! 0,008 garis operasi 5 Mole fraksi, yA 4 0,004 3 Garis kesetimbangan yA1 2 1 0 0 0,00 1 0,002 0,003 0,004 xA0 xAN Mole fraksi acetone dalam air, xA

Gambar 17. Stage teoritikal untuk proses Absorpsi countercurrent

II.15 Metode Analitik untuk Trayed Towers

Metode grafik untuk menentukan jumlah stage memang lebih mudah

dan umum digunakan, namun kendalanya adalah :

1.) Jumlah stage N menjadi besar

2.) N is specified rather than the desired purity,

3.) Lebih dari satu solut yang diabsorpsi

4.) Kondisi operasi bisa dioptimasi

5.) Untuk konsentrasi yang tinggi atau yang rendah memerlukan

multiple diagrams


21

Persamaan Analitik untuk Countercurrent stage contact

Pers.kesetimbangan komponen;

L0x0 + VN+1yN+1 = LNxN + V1y1 atau, (19)

LNxN - VN+1yN+1 = L0x0 - V1y1 (20)

Pers.kesetimbangan untuk stage n pertama:

L0x0 + Vn+1yn+1 = Lnxn + V1y1 atau, (21)

Lnxn - V1y1 = Lnxn - Vn+1yn+1 (22)

Pers (22) ke pers (24) diperoleh :

Lnxn - Vn+1yn+1 = LNxN - VN+1yN+1 (23)

Selama aliran molar konstan, Ln=LN=konstan=L dan

Vn+1=VN+1=konstan=V, sehingga diperoleh:

L(xn – xN) = V(yn+1 – yN+1) (24)

Selama yn+1 dan xn+1 berada pada kesetimbangan dan dalam bentuk

garis lurus, yn+1 = mxn+1 dan yN+1 = mxN+1. Substitusi mxn+1 untuk yn+1

dan A=L/mV, pers. (24) diatas menjadi ;

NN

nn Axmy

Axx −=− ++

11 (25)

Dengan : A = faktor absorbsi

Dengan menggunakan kalkulus maka pers (25) diperoleh;

Untuk proses Absorbsi ;

Transfer solute A dari fase V ke L :

(26)

(27)

11

1

01

11

−

−=

−

−+

+

+

+N

N

N

N

AAA

mxyyy

AAAmxy

mxy

N

N

log

111log01

01⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ −−−

=

+


22

Bila A =1, (28)

Untuk proses Striping :

(29)

(30)

(31)

A = L/mV Komponen A = L/mV m-value

Air 1,7 0,031

Aseton 1,38 2,0

Oksigen 0,00006 45.000

Nitrogen 0,00003 90.000

Argon 0,00008 35.000

Contoh soal 4. (sama seperti soal.3)

Penyelesaian :

Pada stage 1, V1 = 29,73 kg mol/j, yA1 = 0,00101, l0 = 90,0 dan

xA0 = 0.

Hubungan kesetimbangan yA = 2,53 xA, dimana m = 2,53

01

11

mxyyyN N

−

−= +

)1)/1()/1()/1(

)/( 1

1

10

0

−

−=

−

−+

+

+N

N

N

N

AAA

myxxx

)/1log(

)1()/()/(log

1

10

A

AAmyxmyx

N NN

N⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+−

−−

= +

+

)/(,1

1

0

myxxxNBilaANN

N

+−

−==


23

Kemudian : A2 = mVL

= 1

0

mVL

= 73,2953,2

0,90x

= 1,20

Pada Stage N, VN+1 = 30,0, yAN+1 = 0,01, LN = 90,27 dan xAN =

0,00300

AN = 1+N

N

mVL

= 0,3053,2

27,90x

= 1,19

Rata2 geometrik A = NAA1 = 19,120,1 x = 1,195

Solut Aceton transfer dari V ke L (absorpsi)

Substitusi ke pers. 30, :

)195,1ln(195,11

195,111

)0(53,200101,0)0(53,201,0ln ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−

−

−

=N = 5,04 stage

II.16 Disain dari Menara Absorpsi Plate 1. Operasi –Garis Derivasi

Sebuah Menara Absorpsi Plate mempunyai diagram alir proses

yang sama seperti proses multipel stage countercurrent yaitu

seperti Menara Tray vertikal ((gambar 15) dan seperti gambar 18

dibawah ini.


24

V1,y1 L0, x0 1 1 2 n Vn+1, yn+1 Ln, xn n+1 N-1 N VN+1, yN+1 LN, xN

Gambar 18. Neraca Massa dalam Menara Absorpsi Tray

Dalam persoalan ini, solut A berdiffusi melalui sebuah gas yang

stagnant (B) dan kemudian masuk ke fluida yang stagnant.

Jika V’ = kg mol inert udara/dt dan L’=kg mol inert solvent air/dt

m2.units (lb mol inert/j.ft2), maka Neraca Massa Over all adalah

sbb:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

− +

+

yyV

xx

Lyy

Vxx

LN

N

N

N

1'

1'

1'

1' 1

1

1

0

0 (32)

Sebuah Neraca Massa sekitar kotak yang diberi garis putus-

putus sbb :


25

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

− +

+

yyV

xx

Lyy

Vxx

Ln

n

n

n

1'

1'

1'

1' 1

1

1

0

0 (33)

Dengan : x=fraksi mole A dalam liquid, y=fraksi mole A dalam

gas, L0=total mole liquid/dt dan VN+1 total mole gas/dt.

Persamaan 33, adalah kesetimbangan material atau garis

operasi untuk proses absorpsi dengan menara Plate (Tray).

2. Penentuan secara grafik jumlah plate dari Menara Tray

(Menara Plate)

Pem-plot an persamaan 33 dalam koordinat x,y akan

memberikan suatu garis kurva. Jika x dan sangat encer, 1-y dan

1-x mendekati nilai 1, dan garis operasi mendekati garis lurus,

slopenya adalah : ≡L’/V’. Jumlah plate teoritis sama dengan

gambar 16.

Contoh Soal 5 ;

Sebuah menara Tray akan didisain untuk mengabsorb SO2 dari

aliran udara dengan menggunakan air murni sebagai pelarutnya

pada 2930K (680F). Gas masuk mengandung 20 mol% SO2 dan

keluar Tower 2 mol % pada tekanan total 101,3 kPa. Laju aliran

udara inert adalah 150 kg udara/j.m2 dan aliran air masuk 6000 kg

air/j.m2. Misalkan effisiensi Menara Tray 25%, berapa banyak tray

teoritikal dan dan sesungguhnya dibutuhkan pada proses tersebut

diatas. Asumís bahwa proses berjalan pada 2930K (200C).

Penyelesaian :

Dihitung dahulu aliran dalam molar :

V’ = 29150

= 5,18 kg mol inert udara/j.m2


26

L’ = 1806000

= 333 kg mol inert air/j.m2

Menggunakan gambar .18, yN+1 = 0,20, y1 = 0,02 dan x0 = 0.

yN+1 0,20 0,18 garis operasi 0,16 Mole fraksi, y 0,08 2 0,06 y1 0,02 1 0 0,002 0,004 0,006 0,008 Mole Fraksi, x

Gambar 19. Jumlah Plate teoritis proses absorpsi Contoh soal .

Substitusi ke pers.32, diperoleh :

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−=⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛−

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

− 02,0102,018,5

1333

20,0120,018,5

010300

N

N

xx

xN = 0,00355

Substitusi ke pers. 33,

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

− +

+

02,0102,018,5

1333

118,5

010333

1

1

n

n

n

n

xx

yy

Untuk menggambarkan garis operasi dibutuhkan beberapa titik lagi.


27

Diambil yn+1 = 0,07 dan substitusi ke pers 33, diperoleh xn

=0,000855, yn=1 = 0,13, xn = 0,000201 dst. Data kesetimbangan

dapat diperoleh dari App.A.3 ((Geankopls).

Sehingga diperoleh Plate teoritis = 2,4 dan jumlah tray

sesungguhnya = 2,4/0,25 = 9,6 tray.

II.16 Disain dari Menara Packed untuk proses Absorpsi 1. Derivasi garis operasi :

Untuk solute A berdifusi melalui sebuah gas yang stagnan dan

kemudian menuju ke fluida yang stagnan, sebuah

kesetimbangan material over all komponen A pada gambar 20

untuk sebuah Menara Packing adalah :

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

− 2

2

1

1

1

1

2

2

1'

1'

1'

1'

yyV

xxL

yyV

xxL (34)

Dimana : y1 dan x2 = bahan masuk

L’ = kg mol inert liquid/dt atau kg mol inert liquid/dt.m2

V’ = kg mol inert gas/dt atau kg mol inert gas/dt.m2

y1 dan x1 = molle fraksi A dalam gas dan liquid

Aliran L’ dan V’ constan melalui Menara, tetapi aliran total L dan

V tidak constan.

Kesetimbangan sekitar daerah yang diberi garis titik-titik pada

gambar 20. memberikan garis operasi sbb ;

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

− yyV

xxL

yyV

xxL

1'

1'

1'

1'

1

1

1

1 (35)

Persamaan diatas bila digambarkan akan memberikan garis

lurus seperti pada gambar 20.


28

Gambar 20. Kesetimbangan Material untuk proses Absorpsi pada menara Packing

Bottom menara y1 Top y2

Mole garis kesetimbangan Fraksi,y

Garis operasi Y2 Top bottom y1 0 x2 x1 0 x1 x2 Mole Fraksi, x Mole Fraksi, x (a) (b)

Gambar 21. Garis Operasi untuk (a).proses absorpsi dari A dari aliran V ke L, (b).proses stripping dari A, dari aliran L ke V

Persamaan (35), bila di plot pada koordinat x y, akan memberikan

garis kurva seperti gambar 21.a. Persamaan (35) dapat dituliskan

z

V2, y2 L2, x2

V1, y1 L1, x1

L,x V, y

dz


29

juga dalam bentuk tekanan partial p1 dari A, dimana y1 /(1-y1) = p1 /(P

– p1) dan seterusnya. Jika x dan y sangat encer, (1-x) dan (1-y) = 1,

dan persamaan (35) menjadi :

L’x + V’y1 = L’x1 + V’y (36)

Dan ini mempunyai slope L’/V’ dan garis operasi biasanya garis

lurus.

2. Ratio Limiting dan L’/V/ optimum

Pada proses absorpsi, aliran gas masuk V1 (gambar 21) dan

komposisi y1 biasanya satu kesatuan. Konsentrasi y2 keluar

biasanya yang diatur, dan konsentrasi x2 dari aliran liquid masuk

yang ditetapkan. Oleh karenanya , jumlah aliran liquid masuk L2 atau

L’ terbuka untuk ditentukan.

Pada gambar 22., aliran V1 dan konsentrasi y2, x2, dan y1 adalah

suatu kesatuan. Bila garis operasi mempunyai slope minimum dan

menyinggung garis ekulibrium pada titik P, aliran liquid L’ adalah

minimum pada L’min. Nilai dari x1 maksimum pada x1max bila L’

minimum. Pada titik P driving force y-y*, y-yi, x*-x, dan xi-x semuanya

= 0. Penyelesaian untuk L’min, nilai y1 dan ximax disubstitusi ke

persamaan garis operasi. Pada beberapa persoalan, jira garis

kesetimbangan adalah kurva bersifat cekung menurun kebawah,

nilai minimum dari L diperoleh melalui garis operasi menjadi tangent

ke garis kesetimbangan menjadi memotongnya.

Pemilihan ratio L’/V’ minimum untuk digunakan pada disain

tergantung pada kesetimbangan ekonomi. Pada proses absorpsi,

semakin tinggi nilai semakin besar aliran liquid dan karenanya

diameter menara menjadi besar. Biaya untuk me-recover solute dari

liquid dengan distilasi akan menjadi tinggi. Suatu hasil aliran liquid


30

yang sederhana pada suatu menara yang tinggi, dimana juga sangat

mahal. Suatu pendekatan, untuk proses absorpsi kecepatan aliran

liquid yang optimum dapat diambil biasanya sekitar 1,2-1,5 kali L’min.

Untuk proses Stripping, seperti gambar 22.b, dimana garis operasi

mempunyai slope maksimum dan menyinggung garis operasi pada

titik P, selanjutnya aliran gas pada keadaan minimum V’min. Nilai y2

pada y2mak adalah keadaan maksimum. Sama seperti proses

absorpsi, V= 1,5 x V’min.

Garis operasi untuk aliran Liquid Sesungguhnya P P y1 y1 mak y2 gariskesetimbangan garis operasi untuk y2 aliran liquid minimum y1

0 x2 x1 x1mak x1 x2

(a) (b)

Gambar 22. Garis Operasi untuk kondisi terbatas

(a).absorpsi, (b).Stripping


31

3. Persamaan Analitik untuk menghitung jumlah plate teoritis

dari menara packing.

Persamaan Analitik untuk menghitung jumlah plate teoritis N dalam

suatu proses absorpsi dengan menggunakan menara packing sama

dengan persamaan yang digunakan pada menara plate.

Untuk perpindahan solote dari fase gas V ke fase liquid L (absorpsi),

( )

A

AAmxymxy

Nln

/1/11ln22

21⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−

−

= (37)

Untuk perpindahan solute dari fase liquid L ke fase gas V (stripping) ,

( )

)/1ln(

1//

ln11

12

A

AAmyxmyx

N⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−

−

= (38)

Dimana A = L/mV

Bila garis kesetimbangan dan garis operasi merupakan garis lurus,

m dan A = L/mV akan bermacam macam.

-Untuk proses Absorpsi pada konsentrat bottom di tray terakhir,

slope m1 pada titik x1 yang digunakan.

-Untuk larutan encer pada top tray, m2 pada titik y2 pada garis

keaetimbangan yang digunakan.

Jadi, A1 = L1/m1V1, A2 = L2/m2V2, dan A = 21AA (39)

Juga, untuk larutan encer m2 digunakan dari persamaan

-Untuk proses Stripping , pada bagian atas (top) atau konsentret

stage, slope m2 pada titik y2 pada garis kesetimbangan yang

digunakan.


32

- Pada daerah bottom atau larutan encer, slope m1 pada titik x1 pada

garis kesetimbangan yang digunakan.

Jadi A1 = L1/m1V1, A2 = L2/m2V2, dan A = 21AA .

Contoh Soal 6 ; Laju Alir minimum dan penentuan Jumlah Tray

dengan cara Analitik.

Sebuah Menara Tray mengabsorbsi ethyl alkohol dari aliran gas

inert menggunakan air murni pada 3030 K dan 101,3 kPa.. Laju

aliran gas masuk 100 kg mol/j dan mengandung 2,2 mol %

alkohol. Diinginkan untuk mengambil 90% alkohol. Hubungan garis

kesetimbangan adalah ;y = mx = 0,68x untuk aliran cukup encer.

Menggunakan 1,5 x laju alir minimum, tentukan jumlah Tray yang

dibutuhkan. Gunakan penyelesaian secara grafik dan pers analitik.

Penyelesaian :

Data yang diberikan : y1= 0,022, x2 = 0, V1 = 100 kg mol/j, m =

0,68. V’ = V1(1-y1) =100(1-0,022) = 97,8 kg mol inert/j. Mole

alkohol/j V1 = 100 – 97,8 = 2,20. Menghilangkan 90%, mole/j pada

gas keluar V2 = 0,10(2,20) = 0,220. V2 = V’ + 0,22 = 97,8 + 0,22 =

98,02. y2 = 0,22/98,02 = 0,002244. Garis kesetimbangan di plot

dalam grafik x,y, dengan y2, x2, dan y1. Garis operasi untuk aliran

liquid minimum Lmin adalah di gambar dari y2 ,x2, ke titik P,

menyinggung garis kesetimbangan dimana x1mak = y1/m =

0,022/068 = 0,03235, substituís ke persamaan garis operasi (34)

dan menyelesaikan nilai Lmin.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

− 2

2

1

1

1

1

2

2

1'

1'

1'

1'

yyV

xxL

yyV

xxL


33

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−

+⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−

=⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛−

+⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛− 002244,01

002244,08,9703235,0103235,0'

022,01022,08,97

010' minmin LL

L’min = 59,24 kg mol/j. Gunakan 1,5 x L’min = 1,5(59,24) = 88,86.

Dengan menggunakan pers. 34, untuk L’min=88,68 dan

menyelesaikan konsentrasi keluar, x1 = 0,002180. Garis operasi di

plot sebagai garis lurus yang menyinggung titik y2, x2, dan y1, x1

pada gambar 23. Suatu titik intermedit dihitung dengan mengatur y =

0,012 pada pers. 34 dan diperoleh x = 0,01078. Plot titik ini terlihat

bahwa garis operasi cenderung berbentuk garis lurus. Ini terjadi

karena larutan sangat encer.

Jumlah Tray diperoleh = 4,0. Total laju alir ;V1 = 100, V2 = V’/(1-y2) =

97,8(1-0,0022440 = 98,02, L2 = L’ = 88,68 dan L1 = L;/(1-x1) =

88,68/(1-0,02180) = 90,84.

Untuk menghitung jumlah tray secara Analitik, A1 = L1/mV1 =

90,84/(0,68)(100) = 1,336, A2 = L2/mV2 = 88,68/((0,68)(98,02) = 1,33.

Dengan menggunakan rata2 geometrik, A = 1,335. Dengan

menggunakan pers.38,

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−

−= AA

mxymxy

AN /1/11ln

ln1

22

21

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+−⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛−

−= 335,1/1335,1/1(

000224,00022,0ln

335,1ln1N

N = 4,04, hampir sama dengan yang diperoleh secara grafik


34

y1 0,02 P Garis operasi utk 1,5 L’min y 0,01 garis operasi utk L’min Garis operasi kesetimbangan y2

0 0,01 0,02 0,03 x2 x1 x1maks

Gambar 23. Garis Operasi untuk minimum dan aliran liquid aktual

› courses › jtk3171 › ... bab ii abs2 - upnjatim.ac.idkolom absorbsi adalah sebuah kolom,...

Documents