PREDIKSI SOLUBILITAS GAS CO 2 DI DALAM LARUTAN POTASIUM KARBONAT (K 2 CO 3 ) DAN AMINE (DEA, MEA) MENGGUNAKAN MODEL ELEKTROLIT UNIQUAC

(1)

PREDIKSI SOLUBILITAS GAS CO

₂

DI DALAM LARUTAN POTASIUM KARBONAT (K

₂

CO

₃

) DAN AMINE (DEA, MEA) MENGGUNAKAN

MODEL ELEKTROLIT UNIQUAC

(2)

Industri Petrokimia, Gas Alam, Amonia, dll

CO₂ _

Gas yang bersifat asam (acid gas) sehingga korosif



Mengurangi nilai kalor



Menimbulkan pembekuan pada liquefaction gas alam



Meracuni katalis pada pabrik

sintesa amonia, dll

(3)

Membrane Cryogenic

Adsorpsi

Absorpsi

(4)

Yang sering digunakan yaitu :

• Monoethanolamine(MEA)

• Diethanolamine(DEA)

• Triethanolamine(TEA)

• Diisopropanolamine(DIPA)

• Monodiethanolamine(MDEA)

• Diglycolamine(DGA) Keunggulan :

Laju Absorpsi tinggi, tergantung kekuatan amine

Kelemahan :

• Panas regenerasinya tinggi

• korosif dan menimbulkan foaming

Keunggulan :

• Panas Absorpsi rendah

• Panas regenerasi rendah Kelemahan :

• Laju Absorpsi rendah

Untuk meningkatkan

performance, pelarut K₂CO₃ ditambahkan promotor  Proses Benfield

(5)

Keuntungan :

• Penggunaan aktivator amine dapat meningkatkan laju absorpsi

• Kemungkinan korosi dan foaming yang terjadi kecil Kekurangan :

• Penggunaan aktivator dan aditif menambah biaya

(6)

• Data thermodinamik dan kinetik untuk larutan K₂CO₃ dengan

promotor PZ

• Penambahan PZ mengurangi tekanan parsial Kesetimbangan CO₂, meningkatkan Laju absorpsi CO₂, dan menaikkan panas

absorpsi

• Proses absorpsi disertai reaksi kimia gas CO₂ memakai larutan K₂CO₃ dan promotor DEA dengan korelasi ENRTL

• Kenaikan konsentrasi CO₂ dalam gas umpan pada temperatur

konstan akan menyebabkan kenaikan CO₂ loading, kadar KHCO₃, kadar CO₂ dalam larutan, tekanan parsial kesetimbangan CO₂ , dan penurunan kadar K₂CO₃

(7)

• VLE CO₂pada larutan aqueous MEA untuk 15, 30, 45, dan 60% massa MEA pada suhu 40-120⁰C, dan memodelkannya menggunakan extended UNIQUAC framework

• Model memberikan representasi yang bagus dari data VLE percobaan untuk tekanan parsial CO₂dan tekanan total untuk semua konsentrasi MEA dengan average absolute relative deviation (AARD) masing-masing 24,3% dan 11,7%. Sedangkan data solubilitas fisik direpresentasikan dengan AARD 2,7%

• Evaluasi reaksi kinetik absorpsi CO₂kedalam larutan K₂CO₃ dengan promotor MEA pada

kondisi seperti yang terjadi pada industri CO₂

capture plant

• pada 63⁰C, penambahan MEA pada jumlah kecil 1,1 M (5%

berat) dan 2,2 M (10% berat) mempercepat laju overall

absorpsi CO₂pada 30% berat pelarut K₂CO₃dengan faktor masing-masing 16 dan 45

(8)

K

₂

CO

₃

Panas regenerasi rendah, tetapi laju

reaksi lambat

Blending Amine mempercepat laju

absorpsi

Digunakan DEA dan MEA sebagai

promotor pada larutan K₂CO₃

Perlu diprediksi kelarutan CO

₂

dalam larutan K

₂

CO

₃

dengan promotor DEA, MEA

(9)

Memprediksi data solubilitas gas CO

₂

di dalam larutan potasium karbonat (K

₂

CO

₃

) dengan promotor Amine (DEA,MEA) pada variasi suhu dengan tekanan 1 atm dan

30 atm menggunakan model elektrolit-UNIQUAC

(10)

Data solubilitas yang diperoleh dapat digunakan sebagai acuan untuk merancang atau melakukan rekayasa

engineering kolom absorpsi/stripping CO

₂

(11)

Untuk sistem CO₂-K₂CO₃-DEA-H₂O

 Kadar K₂CO₃ : 30 %

 Kadar DEA : 2%

 Suhu = 30, 50, 70 ^oC

 Tekanan = 1 atm dan 30 atm

Untuk sistem CO₂-K₂CO₃-MEA-H₂O

 Kadar K₂CO₃ : 22%

 Kadar MEA : 13,7%

 Suhu = 40, 60 ^oC

 Tekanan = 1 atm dan 30 atm

(12)

Studi

literatur, mencari data, serta persamaan yang digunakan dalam

perhitungan

Membuat program perhitungan dan validasi program

Fitting parameter UNIQUAC

Estimasi y CO₂ & CO₂ loading

perhitungan, disesuaika n dengan eksperimen hingga error minimum Melakukan simulasi

dengan menggunakan parameter yang telah

didapat

(13)

Tekanan Rendah

Tekanan Parsial CO₂

Konstanta Henry CO₂

Tekanan Parsial H₂O

Dimana

Tekanan Tinggi

Tekanan Parsial CO₂

Tekanan Parsial H₂O

2

* 2 2

2 CO CO CO

CO

x H

p  

0 2

* 2

2 CO CO

CO

H

H  

o O H O H O H O

H

x p

p

₂



₂



₂ ₂

RT

ws P w P

vm ws

P w Hm

m xm

mP ym

) , (

) exp (

* ,  

 



RT ws P l P

vw ws

s P O w H O xH OP

H O

yH ( )

exp 2

2 2

2

   



T T

T

H

_CO^w

170 , 7126 8477 , 711 / 21 , 95743 ln 0 , 005781

ln

2

   

(14)

• 2H₂O H₃O⁺ + OH ^– K1

• CO₂ + 2H₂O HCO₃^- + H₃O⁺ K2

• HCO₃^- + H₂O H₃O⁺ + CO₃^2- K3

• H₂O + DEAH⁺ H₃O⁺ + DEA K4

• DEACOO^- + H₂O DEA + HCO₃ K5

• H₂O + MEAH⁺ H₃O⁺ + MEA K6

• MEACOO^- + H₂O MEA + HCO₃ K7 Konstanta Kesetimbangan Reaksi

Potensial Kimia Standar



 



T C T

C T

C C

K

₁ ₂

/

₃

ln

₄

ln    

o i N

i

ij

K

xj

RT   







1

ln

j =1,2,...,R

(15)

Neraca Elemen H

Neraca Elemen C

Neraca Elemen O



0 2

2  3  

tot H O HCO

H n

x n

x ^{to t}

0

3

2



32





 

tot Ctot CO HCO

CO

n

x n x

x

Neraca Elemen K

Neraca Elemen DEA

Neraca Elemen MEA 0

3 3

2

3 2

2 3

2       

tot Otot HCO

CO CO O

H n

x n x

x x

 0



tot DEA

DEA

n

x n

^{to t}



0



tot MEA

MEA n

x n ^{to t}

 0





tot Ktot

K

n

x n

(16)

Neraca Komponen H₂O Neraca Komponen CO₂ Neraca Komponen HCO₃^- Neraca Komponen K

Neraca Komponen CO₃^2-



Neraca Komponen DEA

Neraca Komponen MEA

0

2_O

 2

_H



_O



H

 



0

2



_C

 2

_O



CO

 



0 3

3





 H C O

HCO

  



 0



 K

K





0

2

3





C O

CO

 



 0



_DEA

DEA





 0



_MEA

MEA





(17)

Dimana :

0 1

3 2

2 3

2O



CO



CO 



HCO 



K



DEA

 

H

x x x x x

x

0 1

3 2

2 3

2O



CO



CO 



HCO 



K



MEA

 

H

x x x x x

x

i i

o i

i x

RT

 



  ln  ln

RT

k k

  

x_i = n_i/(n _tot)

Untuk sistem CO₂-K₂CO₃-DEA- H₂O:

i = H₂O, CO₂, DEA, CO₃^2-, HCO₃^-, K⁺ Untuk sistem CO₂-K₂CO₃-MEA- H₂O:

i = H₂O, CO₂, DEA, CO₃^2-, HCO₃^-, K⁺

(18)

Komponen n pelarut Gamma Debye-Huckel

Gamma Residual

Gamma Combinatorial



  

 



 2ln(1 )

1 1 1

ln 2 ₃ b I

I I b

d b b

d AM

n s dh n

n



_n _n



n R

n

 q 1  ln S  A ln 



 



  

 



 

 ln 1

1 2 ln

ln

n n n

n n

n n n

C n

n z q

x

x  



Dimana :

dimana l = n,m,i

(19)

Komponen solute m Gamma Debye-Huckel

Gamma Residual

Gamma Combinatorial

Komponen ionik I

Gamma Debye-Huckel



 



  

 







) 1

ln(

2 1

1 1

ln 2 ₃^, b I

I b I

b b d v

A _m _w _s

dh

m



_l _l _wl _wl



l R

l  q ln S  A  ln    ln ^*,



 



   

 





 



l w

w l l

w w l l

l l

w l w

l l

l C

l r q

q r q

r q q r

z r

r r

r x

x ln ln

ln 2 ln

ln ^*,



 

I b

I Az_i

dh

i  

ln 1

2

*,

Di mana : l = m,i

(20)

Ionic strength dalam mol fraksi

Ionic strength komponen molekular k

Densitas Campuran Pelarut

Dengan :

(21)

Molar Volume (Soave Redlich Kwong Equation of state) :

Koefisien Fugasitas murni :

Koefisien fugasitas dalam campuran :











 



 



 

 























 







camp m j

ij j

m m

i m

m camp

m m

i

i V

a b a y

b b RT b

a V

Z b b Z

b ( ) ln 1

) (

2 )

1 ( ln

) 1 (

ln 



 

(22)

Dimana :

α_i (T_ri,ω_i) = [ 1 + (0.480 + 1.574 ω_i – 0.176 ω_i²) (1-T_ri^1/2)]²

(23)

ARD Tek Parsial CO₂ = 3,6%

Hubungan antara Tekanan Parsial CO₂ terhadap CO₂ Loading pada 362,1 K dan 50% Berat DEA

0 20 40 60 80 100 120

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Tek. Parsial CO2(kPa)

CO₂Loading Perhitungan (Penelitian ini)

eksperimen Osman et al (2012)

(24)

ARD Altway et al = 5,9%

ARD penelitian ini = 4,6%

Hubungan antara Tekanan Parsial CO₂ terhadap CO₂ Loading pada 303,15 K dengan 30% Berat K₂CO₃

dan 2% Berat MDEA

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025

CO₂loading Eksperimen Finalis et al (2010) Perhitungan Altway et al (2010) Perhitungan (Penelitian ini)

(25)

Hubungan antara Tekanan Parsial CO₂ terhadap CO₂ Loading pada 303,15 K dengan 30% Berat K₂CO₃

dan 5% Berat MDEA

ARD Altway et al = 14,2%

ARD penelitian ini = 11,1%

0 2 4 6 8 10 12 14

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03

CO₂loading Eksperimen Finalis et al (2010) Perhitungan Altway et al (2010) Perhitungan (Penelitian ini)

(26)

Hubungan antara Tekanan Parsial CO₂ terhadap CO₂ Loading pada 298,15 K dengan 5,235% Berat DEA, 30 atm

ARD = 32,7%

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 0,5 1 1,5 2

Tek. Parsial CO2 (kPa)

CO2 Loading Eksperimen Lee et al (1972) Hasil perhitungan (penelitian ini)

(27)

Parameter Interaksi 30°C 50°C 70°C

1022 5920 5400

4500 4140 4040

776 0,0001 0,1001

843 280 230

-500 100 200

-300 -100 -160

-100 -1087 -1180

-900 -1770 -1740

-359,1 10 440

-768 200 200

-128 83,7 93,7

-1217,18 0,7218 0,7218

Sistem CO

₂

-K

₂

CO

₃

-DEA-H

₂

O

(28)

Parameter Interaksi 40°C 60°C

122 122

200 200

-776 -776

-843 -843

-500 -500

-300 -300

-100 -100

-900 -900

-1125,4 -1090

-768 -768

-1769 -1710

1217,18 1217,18

Sistem CO

₂

-K

₂

CO

₃

-MEA-H

₂

O

(29)

Hubungan antara Tekanan Parsial CO₂ terhadap CO₂ Loading 30% K₂CO₃ – 2% DEA pada Temperatur 30ºC, 50ºC, dan 70ºC Tekanan 1 atm

ARD 30⁰C = 1,4%

ARD 50⁰C = 17,9%

ARD 70⁰C = 29,1%

0 5 10 15 20 25 30 35

0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85

Tek. parsial CO2(kpa)

CO₂Loading Perhitungan suhu 30 °C

Perhitungan suhu 50 °C Perhitungan suhu 70 °C

Eksperimen Winarno suhu 30 °C (2008) Eksperimen Winarno suhu 50 °C (2008)

(30)

Hubungan antara Tekanan Parsial CO₂terhadap CO₂Loading 22%

K₂CO₃– 13,7% MEA pada Temperatur 40ºC dan 60ºC Tekanan 1 atm

ARD Hilliard 40 ⁰C = 39,5%

ARD Hilliard 60⁰C = 35%

ARD Perhitungan 40⁰C = 33,1%

ARD Perhitungan 60⁰C = 42,1%

0 1 2 3 4 5 6

0,4 0,45 0,5 0,55

Tek. ParsialCO2(kPa)

CO₂Loading Eksperimen Hilliard suhu 40C (2005) Eksperimen Hilliard suhu 60C (2005) Perhitungan Hilliard suhu 40C (2005) Perhitungan Hilliard suhu 60C (2005) Hasil Perhitungan suhu 40C (penelitian ini) Hasil perhitungan suhu 60C (penelitian ini)

(31)

0 4 8 12 16 20

0,675 0,7 0,725 0,75 0,775 0,8

Tek. parsial CO2(kPa)

CO₂loading

Hubungan antara Tekanan Parsial CO₂terhadap CO₂Loading pada Temperatur 30ºC, 50ºC dan 70ºC Tekanan 1 atm, dan 30%

K₂CO₃– 2% DEA

30 °C 50 °C 70°C

(32)

Hubungan antara Tekanan Parsial CO₂terhadap CO₂Loading pada Temperatur 40ºC dan 60ºC Tekanan 1 atm, dan 22% K₂CO₃–

13,7% MEA

0 1 2 3 4

0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6

Tek. ParsialCO2(kPa)

CO₂Loading

40 °C 60 °C

(33)

Hubungan antara Tekanan Parsial CO₂terhadap CO₂ Loading pada Temperatur 30ºC, 50ºC dan 70ºC Tekanan 30 atm, dan 30% K₂CO₃–

2% DEA

30 °C 50 °C 70°C

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0,68 0,70 0,72 0,74 0,76 0,78 0,80

Tek. parsial CO 2(kPa)

CO₂Loading

(34)

Hubungan antara Tekanan Parsial CO₂terhadap CO₂ Loading pada Temperatur 40ºC dan 60ºC Tekanan 30 atm, dan 22% K₂CO₃–

13,7% MEA

0 5 10 15 20 25 30 35

0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6

CO₂Loading

40 °C 60 °C

(35)

• Telah dikembangkan program untuk memprediksi kelarutan CO₂ dalam larutan K₂CO₃ dengan promotor amine (DEA, MEA) menggunakan model elektrolit-UNIQUAC.

• Pada penelitian ini telah diperoleh nilai energy interaction parameters UNIQUAC untuk sistem CO₂-K₂CO₃-DEA-H₂O pada 30ôC, 50ôC, dan 70ôC.

Serta sistem CO₂-K₂CO₃-MEA-H₂O pada 40^oC dan 60^oC

• Hasil prediksi kelarutan CO₂ dalam larutan K₂CO₃ dengan promotor DEA dibandingkan dengan data eksperimen Winarno (2008) dengan ARD untuk tekanan parsial CO₂ sebesar 1,4% pada suhu 30⁰C, 19,89% pada suhu 50⁰C, dan 29,09% pada suhu 70⁰C.

(36)

• Hasil prediksi kelarutan CO₂ dalam larutan K₂CO₃ dengan promotor MEA dibandingkan dengan data eksperimen Hilliard (2005) dengan ARD untuk tekanan parsial CO₂ sebesar 33,1% pada suhu 40⁰C dan 42,1% pada suhu 60⁰C.

• Telah diperoleh data-data kesetimbangan atau solubilitas CO₂ dalam larutan potassium karbonat pada berbagai suhu berupa CO₂loading (mol CO₂ yang terabsorb per mol solven) dengan range 0,6862-0,7876 untuk suhu 30⁰C, 0,6351-0,7925 untuk suhu 50⁰C, dan 0,6054-0,8159 untuk suhu 70⁰C.

(37)