Reaktor Ideal Aliran Kontinyu

Abstrak Dalam industri, gas-gas pencemar seperti karbonmonoksida ataupun H2S harus diserap agar tidak teremisi ke udara luar. Gas karbondioksida meskipun kurang begitu berbahaya dapat menyebabkan efek rumah kaca yang dapat menyebabkan pemanasan global. Dalam pabrik amoniak, gas karbondioksida dapat meracuni katalis besi pada reaktor amoniak.Absorbsi merupakan salah satu proses separasi dalam industri kimia dimana suatu campuran gas dikontakkan dengan suatu cairan penyerap tertentu sehingga satu atau lebih komponen gas tersebut larut dalam cairannya. Dalam percobaan ini digunakan larutan NaOH sebagai cairan penyerap untuk mengabsorbsi gas CO2 dan packing tower.Pada percobaan ini digunakan variabel laju alir air yaitu 4 L/menit; 5 L/menit;6 L/menit dan variabel laju alir CO2 yaitu 3 L/menit; 4 L/menit; 6 L/menit. Larutan NaOH dipompa dan diumpankan pada bagian atas menara pada konsentrasi yang telah ditetapkan dan laju alir air bervariasi. Sementara itu gas CO2 dialirkan pada bagian bawah kolom. Gas dan cairan akan saling kontak, dan terjadi reaksi.Dari hasil percobaan diperoleh, semakin besar konsentrasi NaOH maka semakin besar laju reaksi NaOH dengan CO2 membentuk produk yang berarti akan semakin banyak perpindahan massa CO2 ke larutan NaOH. Banyaknya CO2 yang terserap dalam larutan NaOH 0,2 N dari 0,08 mol/L menurun hingga 0,05 mol/L; NaOH 0,15 N dari 0,05 mol/L menurun hingga 0,042 mol/L kemudian meningkat lagi mencapai 0,05 mol/L; NaOH 0,1 N dari 0,035 mol/L menurun hingga 0,021 mol/L; NaOH 0,05 N dari 0,034 mol/L menurun hingga 0,022 mol/L. Semakin besar konsentrasi NaOH maka semakin besar koefisien perpindahan massa CO2 ke NaOH. Pada percobaan kami pada variable konsentrasi NaOH 0,05 N memiliki koefisien perpindahan massa yang tak jauh berbeda dari variable NaOH 0,1 N. Pada variable NaOH 0,05 N, Kga = sedangkan pada variable NaOH 0,1 N, Kga = , hal ini disebabkan karena semakin rendah konsentrasi NaOH maka semakin rendah konsentrasi CO2 yang akan terserap sehingga perbedaan jumlah CO2 yang terserap antara larutan NaOH 0,1 N dengan 0,05 N tidak terlalu jauh. Semakin besar konsentrasi NaOH maka semakin besar konstanta kecepatan reaksi antara NaOH dengan CO2. Besarnya konstanta kecepatan reaksi pada larutan NaOH 0,2 N adalah 0,0023L/(mol.menit); larutan 0,15 N adalah 0,00205L/(mol.menit); larutan 0,1 N adalah 0,0009 L/(mol.menit); larutan 0,05 N adalah 0,0006L/(mol.menit). Hal ini disebabkan karena semakin besar konsentrasi larutan NaOH maka semakin dekat jarak antar molekul NaOH yang terdapat dalam larutan sehingga mempercepat terjadinya tumbukan antara NaOH dengan CO2.Kesimpulan dari percobaan kami yaitu semakin besar konsentrasi NaOH maka semakin besar jumlah CO2 yang terserap. Semakin besar konsentrasi NaOH semakin besar koefisien perpindahan massa. Semakin besar konsentrasi NaOH semakin besar konstanta kecepatan reaksi antara NaOH dengan CO2. Saran untuk percobaan ini adalah pembuatan larutan NaOH lebih baik dilakukan dari konsentrasi paling tinggi, setelah sisa baru diencerkan untuk variable konsentrasi selanjutnya agar tidak boros reagen. Laju alir CO2 sebaiknya dijaga agar tidak terlalu besar sehingga pengeluaran CO2 dapat diminimalisir.

BAB IPENDAHULUAN

1.1Tujuan Percobaan1. Menentukan jumlah gas CO2 terabsorbsi, baik pada masing-masing packing maupun secara keseluruhan, pada berbagai komposisi gas CO2 daam udara dan laju alir absorban (air).2. Membandingkan hasil analisa ga CO2 dalam udara yang diukur berdasarkan Hempl Analysis dengan yang berdasarkan pengukuran laju alir3. Membandingkan jumlah CO2 terabsorbsi hasil percobaan dengan yang diperoleh dari neraca massa.

1.2Landasan Teori1.2.1AbsorbsiAbsorbsi merupakan salah satu proses separasi dalam industri kimia dimana suatu campuran gas dikontakkan dengan suatu cairan penyerap tertentu sehingga satu atau lebih komponen gas tersebut larut dalam cairannya. Absorbsi dapat terjadi melalui dua mekanisme, yaitu absorbsi fisik dan absorbsi kimia.Absorbsi fisik merupakan suatu proses yang melibatkan peristiwa pelarutan gas dalam larutan penyerap, namun tidak disertai dengan reaksi kimia. Contoh proses ini adalah absorbsi gas H2S dengan air, methanol, propilen karbonase. Penyerapan terjadi karena adanya interaksi fisik. Mekanisme proses absorbsi fisik dapat dijelaskan dengan beberapa model, yaitu: teori dua lapisan (two films theory) oleh Whiteman (1923), teori penetrasi oleh Dankcwerts dan teori permukaan terbaharui.Absorbsi kimia merupakan suatu proses yang melibatkan peristiwa pelarutan gas dalam larutan penyerap yang disertai dengan reaksi kimia. Contoh peristiwa ini adalah absorbsi gas CO2 dengan larutan MEA, NaOH, K2CO3 dan sebagainya. Aplikasi dari absorbsi kimia dapat dijumpai pada proses penyerapan gas CO2 pada pabrik Amonia seperti yang terlihat pada gambar 1.1

absorberstripper

Gambar 1.1. Proses absorpsi dan desorpsi CO2 dengan pelarut MEA di pabrik Amonia

Proses absorpsi dapat dilakukan dalam tangki berpengaduk yang dilengkapi dengan sparger, kolom gelembung (bubble column), atau dengan kolom yang berisi packing yang inert (packed column) atau piringan (tray column). Pemilihan peralatan proses absorpsi biasanya didasarkan pada reaktifitas reaktan (gas dan cairan), suhu, tekanan, kapasitas, dan ekonomi.Absorpsi gas atau penyerapan gas merupakan proses perpindahan massa. Pada absorpsi gas, uap yang diserap dan campurannya dengan gas tidak aktif atau lembab (inert gas) dengan bantuan zat cair dimana gas yang larut atau terlarut (solute gas) dapat larut banyak atau sedikit.Alat yang digunakan dalam absoprsi gas beberapa menara isian. Piranti ini terdiri dari sebuah kolom berbentuk silinder atau menara yang dilengkapi dengan pemasukan gas dan ruang distribusi pada bagian bawah. Pemasukan zat cair dan distribusinya di atas, sedangkan pengeluaran gas dan zat cair masing-masing di atas dan dibawah, serta suatu proses massa bentuknya zat padat (tak aktif/innert) diatas penyannganya. Bentuk ini disebut isisan menara atau packing tower. Jenis-jenis menara isian adalah : Rashing Ring Lessing Ring Intalox Saddle Ben SaddlePersyaratan pokok yang diperlukan menara isisan : Harus bereaksi tidak dengan fluida dalam menara Tidak terlalau berat Hanya banyak mengandung cukup banyak larutan untuk arus banyak zat cair yang terperangkap atau meyebabkan penurunan tekanan. Harus memungkinkan terjadinya kontak yang memuaskan antara zat cair dan gas. Tidak terlalu mahal.Faktor-faktor yang mempengaruhi proses absorber yaitu: Perbedaan konsentrasi Luas permukaan absorber Suhu Tekanan Viskositas

Absorbsi merupakan salah satu proses separasi dalam industri kimia dimana suatu campuran gas dikontakkan dengan suatu cairan penyerap tertentu sehingga satu atau lebih komponen gas tersebut larut dalam cairannya. Pada awal absorbsi sendiri ada 2 proses, yaitu :1.Absorbsi fisikAbsorbsi fisik merupakan absorbsi dimana gas terlarut dalam larutan penyerap tidak disertai dengan reaksi kimia. Contoh reaksi ini adalah absorbsi gas H2S dengan air, methanol, propilen karbonase. Penyerapan terjadi karena adanya interaksi fisik. Dari absorbsi fisik ini ada beberapa teori untuk menyatakan model mekanismenya yaitu :a. Teori moel filmb. Teori penetrasic. Teori permukaan yang diperbaharui

2.Absorbsi KimiaAbsorbsi kimia merupakan absorbsi dimana gas terlarut dalam larutan penyerap disertai dengan adanya reaksi kimia. Contoh absorbsi ini adalah absorbsi gas CO2dengan larutan MEA, NaOH, K2CO3dan sebagainya.Aplikasi dari absorbsi kimia dapat dijumpai pada proses penyerapan gas CO2pada pabrik Amonia.

1.2.2AbsorbenAbsorben adalah cairan yang dapat melarutkan bahan yang akan diabsorpsi padapermukaannya, baik secara fisik maupun secara reaksi kimia. Absorben sering juga disebut sebagai cairan pencuci.Persyaratan absorben :1. Memiliki daya melarutkan bahan yang akan diabsorpsi yang sebesar mungkin (kebutuhan akan cairan lebih sedikit, volume alat lebih kecil).2. Selektif3. Memiliki tekanan uap yang rendah4. Tidak korosif5. Mempunyai viskositas yang rendah6. Stabil secara termis7. Murah

Jenis-jenis bahan yang dapat digunakan sebagai absorben adalah air (untuk gas-gas yang dapat larut, atau untuk pemisahan partikel debu dan tetesan cairan),natriumhidroksida (untuk gas-gas yang dapat bereaksi seperti asam) dan asam sulfat (untuk gas-gas yang dapat bereaksi seperti basa).

1.2.3Kolom AbsorpsiAdalah suatu kolom atau tabung tempat terjadinya proses pengabsorbsipenyerapan/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.Diantara jenis-jenis absorben ini antara lain, arang aktif, bentonit, dan zeolit.1. Arang aktifArang merupakan suatu padatan berpori yang mengandung 85-95% karbon,dihasilkan dari bahan-bahan yang mengandung karbon dengan pemanasan padasuhu tinggi. Ketika pemanasan berlangsung, diusahakan agar tidak terjadikebocoran udara didalam ruangan pemanasan sehingga bahan yang mengandungkarbon tersebut hanya terkarbonisasi dan tidak teroksidasi.Arang selain digunakan sebagai bahan bakar, juga dapat digunakan sebagaiadsorben (penyerap). Daya serap ditentukan oleh luas permukaan partikel dankemampuan ini dapat menjadi lebih tinggi jika terhadap arang tersebut dilakukanaktifasi dengan aktif faktor bahan-bahan kimia ataupun dengan pemanasan padatemperatur tinggi. Dengan demikian, arang akan mengalami perubahan sifat-sifatfisika dan kimia. Arang yang demikian disebut sebagai arang aktif.Arang aktif dapat mengadsorpsi gas dan senyawa-senyawakimia tertentu atau sifat adsorpsinya selektif, tergantung pada besar atau volumepori-pori dan luas permukaan. Daya serap arang aktif sangat besar, yaitu 25-1000% terhadap berat arang aktif.Arang aktif dibagi atas 2 tipe, yaitu arang aktif sebagai pemucat dan sebagaipenyerap uap. Arang aktif sebgai pemucat, biasanya berbentuk powder yangsangat halus, diameter pori mencapai 1000 A0, digunakan dalam fase cair,berfungsi untuk memindahkan zat-zat penganggu yang menyebabkan warna danbau yang tidak diharapkan, membebaskan pelarut dari zat-zat penganggu dankegunaan lain yaitu pada industri kimia dan industri baru. Diperoleh dari serbukserbukgergaji, ampas pembuatan kertas atau dari bahan baku yang mempunyaidensitas kecil dan mempunyai struktur yang lemah.Arang aktif sebagai penyerap uap, biasanya berbentuk granular atau pellet yangsangat keras diameter pori berkisar antara 10-200 A0, tipe pori lebih halus,digunakan dalamrase gas, berfungsi untuk memperoleh kembali pelarut, katalis,pemisahan dan pemurnian gas. Diperoleh dari tempurung kelapa, tulang, batubata atau bahan baku yang mempunyaibahan baku yang mempunyai strukturkeras.2. ZeolitMineral zeolit bukan merupakan mineral tunggal, melainkan sekelompok mineral yang terdiri dari beberapa jenis unsur. Secara umum mineral zeolit adalah senyawa alumino silikat hidrat dengan logam alkali tanah.serta mempunyai rumus kimia sebagai berikut :M2x/nSi1-xAlxO2.yH2O

Dengan M = e.g Na, K, Li, Ag, NH, H, Ca, Ba

Ikatan ion Al-Si-O adalah pembentuk struktur kristal, sedangkan logam alkali adalah kation yang mudah tertukar. Jumlah molekul air menunjukkan jumlah pori-pori atau volume ruang hampa yang akan terbentukbila unit sel kristal zeolit tersebut dipanaskan.Penggunaan zeolit cukup banyak, misalnya untuk industri kertas, karet, plastik, agregat ringan, semen puzolan, pupuk, pencegah polusi, pembuatan gas asam, tapal gigi, mineral penunjuk eksplorasi, pembuatan batubara, pemurnian gas alam, industri oksigen, industri petrokimia.Dalam keadaan normal maka ruang hampa dalam kristal zeolit terisi oleh molekul air bebas yang membentuk bulatan di sekitas kation. Bila kristal tersebut dipanaskan selama beberapa jam, biasanya pada temperatur 250-900oC, maka kristal zeolit yang bersnagkutan berfungsi menyerap gas atau cairan. Daya serap (absorbansi) zeolit tergantung dari jumlah ruang hampa dan luas permukaan. Biasanya mineral zeolit mempunyai luas permukaan beberapa ratus meter persegi untuk setiap gram berat. Beberapa jenis mineral zeolit mampu menyerap gas sebanyak 30% dari beratnya dalam keadaan kering. Pengeringan zeolit biasanya dilakukan dalam ruang hampa dengan menggunakan gas atau udara kering nitrogen atau methana dengan maksud mengurangi tekanan uap ari terhadap zeolit itu sendiri.3. BentonitBentonit adalah istilah pada lempung yang mengandung monmorillonit dalam dunia perdagangan dan termasuk kelompok dioktohedral. Penamaan jenis lempung tergantung dari penemu atau peneliti, misal ahli geologi, mineralogi, mineral industri dan lain-lain.Bentonit dapat dibagi menjadi 2 golongan berdasarkan kandungan alu-munium silikat hydrous, yaitu activated clay dan fuller's Earth. Activated clay adalah lempung yang kurang memiliki daya pemucat, tetapi daya pemucatnya dapat ditingkatkan melalui pengolahan tertentu. Sementara itu, fuller's earth digunakan di dalam fulling atau pembersih bahan wool dari lemak.Sifat bentonit sebagai adsorben adalah : mempunyai surface area yang besar (fisika) bersifat asam yang padat (kimia) bersifat penukar-ion (kimia) bersifat katalis (kimia)

1.2.4Analisis Perpindahan Massa dan Reaksi dalam Proses Absorpsi Gas oleh Cairan.Secara umum, proses absorpsi gas CO2 ke dalam larutan NaOH yang disertai reaksi kimia berlangsung melalui empat tahap, yaitu perpindahan massa CO2 melalui lapisan gas menuju lapisan antar fase gas-cairan, kesetimbangan antara CO2 dalam fase gas dan dalam fase larutan, perpindahan massa CO2 dari lapisan gas ke badan utama larutan NaOH dan reaksi antara CO2 terlarut dengan gugus hidroksil (OH-). Skema proses tersebut dapat dilihat pada Gambar 1.2.

Gas bulk flowpgpaiA*Liq. bulk flowGas filmLiq. film

Gambar 1.2. Mekanisme absorpsi gas CO2 dalam larutan NaOH

Laju perpindahan massa CO2 melalui lapisan gas:

(1)

Kesetimbangan antara CO2 dalam fase gas dan dalam fase larutan :

(2)dengan H pada suhu 30oC = 2,88 10-5 g mole/cm3. atm. Laju perpindahan massa CO2 dari lapisan gas ke badan utama larutan NaOH dan reaksi antara CO2 terlarut dengan gugus hidroksil:

(3)Keadaan batas:

(a)

(b) dengan z adalah koefisien reaksi kimia antara CO2 dan [OH-}, yaitu = 2.

Di fase cair, reaksi antara CO2 dengan larutan NaOH terjadi melalui beberapa tahapan proses:NaOH (s) Na+ (l) + OH- (l) (a)CO2 (g) CO2 (l) (b)CO2 (l) + OH- (l) HCO3- (l) (c) HCO3- (l) + OH- (l) H2O (l) + CO32- (l) (d) CO32- (l) + Na+ (l) Na2CO3(l) (e)

Langkah d dan e biasanya berlangsung dengan sangat cepat, sehingga proses absorpsi biasanya dikendalikan oleh peristiwa pelarutan CO2 ke dalam larutan NaOH terutama jika CO2 diumpankan dalam bentuk campuran dengan gas lain atau dikendalikan bersama-sama dengan reaksi kimia pada langkah c (Juvekar dan Sharma, 1973).

Eliminasi A* dari persamaan 1, 2 dan 3 menghasilkan :

(4)

Jika nilai kL sangat besar, maka: , sehingga persamaan di atas menjadi: (5)Jika keadaan batas (b) tidak dipenuhi, berarti terjadi pelucutan [OH-] dalam larutan. Hal ini berakibat:

(6)

Dengan demikian, maka laju absorpsi gas CO2 ke dalam larutan NaOH akan mengikuti persamaan:

(7)Dengan adalah enhancement factor yang merupakan rasio antara koefisien transfer massa CO2 pada fase cari jika absorpsi disertai reaksi kimia dan tidak disertai reaksi kimia seperti dirumuskan oleh Juvekar dan Sharma (1973):

(8)Nilai diffusivitas efektif (DA) CO2 dalam larutan NaOH pada suhu 30oC adalah 2,1 10-5 cm2/det (Juvekar dan Sharma, 1973).Nilai kGa dapat dihitung berdasarkan pada absorbsi fisik dengan meninjau perpindahan massa total CO2 ke dalam larutan NaOH yang terjadi pada selang waktu tertentu di dalam alat absorpsi. Dalam bentuk bilangan tak berdimensi, kGa dapat dihitung menurut persamaan (Kumoro dan Hadiyanto, 2000):

(9)

Dengan dan Secara teoritik, nilai kGa harus memenuhi persamaan:

(10)Jika tekanan operasi cukup rendah, maka plm dapat didekati dengan p = pin-pout.Sedangkan nilai kla dapat dihitung secara empirik dengan persamaan (Zheng dan and Xu, 1992):

(11)Jika laju reaksi pembentukan Na2CO3 jauh lebih besar dibandingkan dengan laju difusi CO2 ke dalam larutan NaOH, maka konsentrasi CO2 pada batas film cairan dengan badan cairan adalah nol. Hal ini disebabkan oleh konsumsi CO2 yang sangat cepat selama reaksi sepanjang film.Dengan demikian, tebal film (x) dapat ditentukan persamaan:

(12)

DAFTAR PUSTAKACoulson, J.M. dan Richardson, J.F., 1996, Chemical Engineering: Volume 1: Fluid flow, heat transfer and mass transfer, 5th ed. Butterworth Heinemann, London, UK.Danckwerts, P.V. dan Kennedy, B.E., 1954, Kinetics of liquid-film process in gas absorption. Part I: Models of the absorption process, Transaction of the Institution of Chemical Engineers, 32:S49-S52. Danckwerts, P.V., 1970, Gas Liquid Reactions, McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, pp. 42-44, Franks, R.G.E., 1967, Mathematical modeling in chemical engineering. John Wiley and Sons, Inc., New York, NY, USA, pp. 4-6.Higbie, R., 1935, The rate of absorption of a pure gas into a still liquid during short period of exposure, Transaction of the Institution of Chemical Engineers, 31,365-388. Juvekar, V. A. dan Sharma, M.M., 1972, Absorption of CO, in a suspension of lime, Chemical Engineering Science, 28, 825-837.Kumoro dan Hadiyanto, 2000, Absorpsi Gas Karbondioksid dengan Larutan Soda Api dalam Unggun Tetap, Forum Teknik, 24 (2), 186-195.Levenspiel, O., 1972, Chemical reaction engineering, 2nd ed. John Wiley and Sons, Inc., New York, NY, USA, pp. 210-213, 320-326.Olutoye, M. A. dan Mohammed, A., 2006, Modelling of a Gas-Absorption Packed Column for Carbon Dioxide-Sodium Hydroxide System, African Union Journal of Technology, 10(2),132-140Rehm, T. R., Moll, A. J. and Babb, A. L., 1963, Unsteady State Absorption of Carbon Dioxide by Dilute Sodium Hydroxide Solutions, American Institute of Chemical Engineers Journal, 9(5), 760-765.Zheng, Y. and Xu, X. (1992), Study on catalytic distillation processes. Part I. Mass transfer characteristics in catalyst bed within the column, Transaction of the Institution of Chemical Engineers, (Part A) 70, 459464.