BAB IPENDAHULUAN

1.1 Tujuan

1. Menentukan jumlah gas CO2 terabsorbsi, baik pada masing-masing packing maupun secara keseluruhan, pada berbagai komposisi gas CO2 dalam udara dan laju alir absorben (air).2. Membandingkan hasil analisis gas 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.1.2 Dasar Teori1.2.1 Absorbsi 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. Absorbsi dapat terjadi melalui dua mekanisme, yaitu absorbsi fisik dan absorbsi kimia (Yulianto, 2000).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), teori penetrasi, dan teori permukaan terbaharui (Yulianto, 2000).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 ammonia (Yulianto, 2000).Gas CO2 dan H2S merupakan campuran gas yang bersifat asam. Campuran asam tersebut dihasilkan dari proses dalam industri seperti industri petrokimia, industri gas alam. Pada industri gas alam (LNG), gas CO2 dan H2S yang merupakan komponen dari gas alam dapat menimbulkan persoalan dalam proses pencairan gas. Gas CO2 dapat membeku pada suhu rendah sehingga dapat menimbulkan penyumbatan pada sistem perpipaan, sedangkan gas H2S bersifat korosif yang dapat mengganggu pada peralatan-peralatan proses. Oleh karena itu gas CO2dan H2S perlu dipisahkan sebelum dilakukan proses-proses lebih lanjut (ITS, 2010).Berbagai teknologi proses penghilangan gas CO2 dan H2S dari campuran gas telah dikembangkan. Salah satu metode penghilangan gas CO2 dan H2S yang banyak diaplikasikan dalam industri adalah metode pemisahan absorpsi reaktif (absorpsi gas dengan reaksi kimia). 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 (ITS, 2010). Faktor-faktor yang mempengaruhi proses absorber yaitu: 1. Perbedaan konsentrasi

2. Luas permukaan absorber

3. Suhu

4. Tekanan

5. Viskositas

Untuk memperluas permukaan kontak digunakan kolom berisi packing (packed coloum) dengan kriteria pemilihan packing sebagai berikut : (Satir, 2013)a. Memiliki luas permukaan terbasahi tiap unit volume yang besarb. Memiliki ruang kosong yang cukup besar sehingga kehilangan tekanan kecilc. Karakteristik pembasahan baikd. Densitas kecil agar berat kolom keseluruhan kecile. Tahan korosi dan ekonomis

Beberapa jenis packing yang sering digunakan antara lain raching ring, intolox sadle, poll ring. Di dalam merancang suatu menara absorbsi, harga koefisien perpindahan massa merupakan besaran yang sangat penting. Penurunan korelasi harga kGa didasarkan pada absorbsi fisik (Satir, 2013). Dengan tersedianya harga kGa dapat ditentukan besaran-besaran lain, seperti : 1) Kecepatan perpindahan massaKecepatan perpindahan massa dapat dihitung setelah konsentrasi gas yang telah mencapai kesetimbangan dengan fase cairnya yang telah diketahui. Dalam hal ini gas harus mendifusi ke aliran cairan tiap satuan waktu.

2) Waktu operasiJika harga kGa diketahui maka kecepatan perpindahan massanya juga dapat diketahui sehingga waktu operasi absorbsi dapat diketahui juga.

Absorpsi gas dalam packed column sangat efisien dibandingkan dengan alternatif lain bahkan memiliki efisiensi yang tinggi. Jika diaplikasikan pada industri, absorpsi gas alam merupakan absorpsi multikomponen. Penelitian mengenai absorpsi multikomponen sudah dilakukan pada beberapa literature (ITS, 2010). Peneliti-peneliti terdahulu mengembangkan pendekatan rate based dengan beberapa model perpindahan masssa (model film, model penetrasi, model Danckwertz) untuk absorpsi reaktif di dalam packed column dengan menggunakan konsep enhancement factor. Konsep enhancement factor berlaku dengan baik hanya untuk beberapa jenis reaksi sederhana (dilakukan penyederhanaan) yang terjadi dalam fasa liquid dan menggunakan teori difusi Fick yang tidak memperhitungkan interaksi antar komponen-komponen yang berdifusi. (ITS, 2010).1.2.2 Jenis jenis Menara Absorbsi

Secara umum menara absorbsi diklasifikasikan atas empat macam, antara lain:

Menara plate Kolom isian (Packed column) Menara semprot (Spray tower)

Menara gelembung1. Menara plateCross-flow plate merupakan tipe plate yang biasa digunakan pada kolom absorbsi. Pada Cross-flow plate aliran cairan akan melewati plate sedangkan aliran uap akan mengalir keatas, seperti pada gambar 1.1. Aliran cairan akan mengalir dari plate yang satu ke plate yang lainnya membentuk kanal vertikal yang dinamakan downcomer. Kontak antara gas dengan cairan terjadi pada active area (Rahayu, 2009). Gambar 1.1 Tipe cross-flow plate (Rahayu, 2009)Tipe cross-flow plate dapat diklasifikasikan menjadi 3 jenis yang sering digunakan, antara lain:

a. Sieve plate

Sieve plate merupakan tipe cross-flow plate yang sederhana. Gas akan mengalir keatas melewati lubang lubang yang ada pada plate dan menahan laju cairan pada plate. Biasanya lubang-lubang ini berukuran kecil, tapi dalam penggunaanya lubang yang luas sering digunakan. Skema Sieve plate terlihat seperti gambar 1.2 (Rahayu, 2009). Gambar 1.2 Sieve Plate (Rahayu, 2009)b. Bubble-cup platesPada bubble-cup plate gas akan mengalir keatas melewati pipa pendek yang dinamakan risers, yang tertutup oleh sebuah cap. Gas akan mengalir pada risers bagian tengah yang ada dibawah cap, mengalir kebawah pipa annulus antara risers dan cap, seperti pada gambar 1.3 (Rahayu, 2009).

Gambar 1.3 Skema bubble plate (Rahayu, 2009)c. Valve Plate

Bentuk valve plate hampir sama dengan sieve plate, valve plate digunakan untuk mengatasi kekeringan atau weeping. Seperti yang terlihat pada gambar 1.4 (Rahayu, 2009). Gambar 1.4 Skema untuk valve plate (Rahayu, 2009)2. Kolom isian (Packing column)Tipe kolom isian merupakan tipe yang banyak digunakan dalam proses gas absorbsi. Biasanya kolom diisi dengan material isian secara acak, tetapi jika ingin mendapatkan efesiensi kolom yang cukup tinggi maka isian diatur secara teratur dan spesifik. Kolom isian dioperasikan dengan aliran yang berlawanan arah antar kedua fasa. Kolom isian merupakan alat yang lebih sederhana dibandingkan dengan menara plate. Skema untuk kolom isian padat dilihat seperti gambar 1.5. Hal yang terpenting dalam mendesain kolom isian adalah material isian itu sendiri. Hal yang harus diperhatikan dalam memilih material isian antara lain: (Rahayu, 2009) Memiliki luas permukaan yang besar, yang memungkinkan kontak antara gas dan cairan lebih besar

Distribusi cairan pada permukaan isian harus seragam

Laju gas yang melewati isian juga harus seragam

Harga yang terjangkau

Tahan terhadap korosi, tidak korosif

Tidak bereaksi dengan fluida proses

Memiliki struktur yang kuat, mudah dihandle dan diinstilasi

Memiliki ruang kosong/space yang luas

Gambar 1.5 Skema untuk kolom isian (Rahayu, 2009)

Gambar 1.6 Beberapa jenis isian kolom (Rahayu, 2009)3. Menara semprot (spray tower)

Pada menara semprot cairan akan dilewatkan pada kolom dengan cara menyemburkan cairan tersebut dengan sebuah nozzle, sedangkan gas dilewatkan dari bawah kolom. Menara ini sering digunakan untuk gas yang mudah larut atau kelarutannya pada pelarut sangat tinggi. Skema untuk berbagai menara semprot dapat dilihat pada gambar 1.7 dan gambar 1.8 (Rahayu, 2009).

Gambar 1.7 Menara semprot dengan poppet nozzle (Rahayu, 2009) (a) (b)

Gambar 1.8 Menara semprot dengan vaned rotating nozzle (a) dan oval oriface fan nozzle (b) (Rahayu, 2009)4. Menara gelembung (bubble tower)

Pada menara gelembung, gas akan dibuat menjadi gelembung-gelembung kecil yang akan melewati lapisan cairan dari atas menara. Ketika gelembung-gelembung gas melewati lapisan cairan, maka pada saat itu terjadi absorbsi gas oleh cairan. Peralatan ini biasanya dipakai untuk gas yang sukar larut, serta memiliki pressure drop yang tinggi. Skema untuk menara gelembung seperti pada gambar 1.9 (Rahayu, 2009). Gambar 1.9 Skema untuk menara gelembung (Rahayu, 2009)1.2.3 Analisis perpindahan massa dan reaksi dalam proses absorpsi gas oleh cairan.Operasi transfer massa umumnya dilakukan dengan menggunakan menara yang dirancang sedemikian sehingga diperoleh kontak yang baik antara kedua fase. Alat transfer massa yang berupa menara secara umum dapat dibagi ke dalam 4 golongan, yaitu: menara sembur, menara gelembung, menara pelat dan menara paking (Satir, 2013). Persyaratan pokok yang diperlukan menara isian: (Satir, 2013)1. Harus bereaksi tidak dengan fluida dalam menara

2. Tidak terlalau berat

3. Hanya banyak mengandung cukup banyak larutan untuk arus banyak zat cair yang terperangkap atau meyebabkan penurunan tekanan.

4. Harus memungkinkan terjadinya kontak yang memuaskan antara zat cair dan gas.

5. Tidak terlalu mahal.

Secara umum, proses absorbsi gas CO2 kedalam 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 kebadan utama larutan NaOH dan reaksi antara CO2 terlarut dengan gugus hidroksil (OH-) (Yulianto, 2000). Skema proses tersebut dapat dilihat pada gambar 1.10.

Gambar 1.10 Mekanisme absorpsi gas CO2 dalam larutan NaOH (Yulianto,2000).Laju perpindahan massa CO2 dari lapisan gas ke dalam larutan NaOH dinyatakan sebagai berikut: (Yulianto,2000)

(1.1)Dimana A* merupakan kesetimbangan antara CO2 dalam fase gas dan dalam fase larutan: (Yulianto,2000)A* = H.pai(1.2)Dengan H pada suhu 30oC = 2,88 x 10-5 g mol/cm3.atm.

Keadaan batas:

(1.3)

(1.4)

dengan z adalah koefisien reaksi kimia antara CO2 dan [OH-], yaitu = 2Jika keadaan batas (b) tidak terpenuhi, berarti terjadi pelucutan [OH-] dalam larutan. Hal ini berakibat:

(1.5)Dengan demikian maka laju absorpsi gas CO2 kedalam larutan NaOH akan mengikuti persamaan:

(1.6)

Dengan adalah enhancement factor yang merupakan rasio antara koefisien transfer massa CO2 pada fase cair jika absorpsi disertai reaksi kimia dan tidak disertai reaksi kimia. Nilai diffusivitas efektif (DA) CO2 dalam larutan NaOH pada suhu 30oC adalah 2,1 x 10-5 cm2/det (Yulianto,2000).

Nilai kGa dapat dihitung berdasarkan pada absorbsi fisik dengan meninjau perpindahan massa total CO2 kedalam larutan NaOH yang terjadi pada selang waktu tertentu didalam alat absorpsi. Dalam bentuk bilangan tak berdimensi, kGa dapat dihitung menurut persamaan (1.7) : (Yulianto,2000)

(1.7)

Dengan dan Secara teoritik, nilai kGa harus memenuhi persamaan (1.8) : (Yulianto,2000)

(1.8)Jika tekanan operasi cukup rendah, maka p1m dapat didekati dengan . Sedangkan nilai kla dapat dihitung secara empiric dengan persamaan (1.9) : (Yulianto,2000)

(1.9)Jika laju reaksi pembentukan Na2CO3 jauh lebih besar dibandingkan dengan laju difusi CO2 kedalam 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 dengan persamaan: (Yulianto,2000)

(1.10)Difase cair, reaksi antara CO2 dengan larutan NaOH terjadi melalui beberapa tahapan proses: (Yulianto,2000)

Langkah d dan e biasanya berlangsung dengan sangat cepat, sehingga proses absorpsi biasanya dikendalikan oleh peristiwa pelarutan CO2 kedalam larutan NaOH terutama jika CO2 diumpankan dalam bentuk campuran dengan gas lain atau dikendalikan bersama-sama dengan reaksi kimia pada langkah c (Yulianto,2000).