Dasar Teori
Absorbsi 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. Absorbsi gas atau penyerapan gas merupakan proses perpindahan massa.
Pada absorbsi gas, uap yang diserap dari campurannya dengan gas tidak aktif atau lembab (inert gas) dengan bantuan zat cair dimana gas terlarut (solute gas) dapat larut banyak atau sedikit. Fungsi Absorbsi dalam industri adalah meningkatkan nilai guna dari suatu zat dengan cara merubah fasenya.
Alat yang banyak digunakan dalam absorbsi gas dan beberapa operasi lain adalah 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 pada bagian atas. Sedangkan pengeluaran gas dan zat cair masing-masing diatas dan dibawah. Serta suatu massa bentukan zat padat (tidak aktif/inert) diatas penyangganya. Bentukan ini disebut isian menara atau tower packing.
Jenis-jenis isian menara yang diciptakan orang banyak sekali macamnya tetapi ada beberapa jenis yang lazim dipakai. Isian menara terbagi menjadi dua macam, yaitu yang di isikan dengan mencurahkan secara acak kedalam menara dan disusun kedalam menara dengan tangan.
Persyaratan pokok yang diperlukan untuk isian menara, yaitu:
Harus tidak bereaksi (kimia) dengan fluida didalam menara
Tidak terlau berat
Harus mengandung cukup banyak laluan untuk arus tanpa banyak zat cair yang
terperangkap atau menyebabkan penurunan tekanan terlalu tinggi
Harus memungkinkan terjadinya kontak yang memuaskan antara zat cair dan gas
Tidak terlalu mahal
Absorben 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.
Persyaratan absorben :
Memiliki daya melarutkan bahan yang akan diabsorpsi yang sebesar mungkin (kebutuhan
akan cairan lebih sedikit, volume alat lebih kecil).
Selektif
Memiliki tekanan uap yang rendah
Tidak korosif.
Mempunyai viskositas yang rendah
Stabil secara termis.
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), natrium hidroksida (untuk gas-gas yang dapat bereaksi seperti asam) dan asam sulfat (untuk gas-gas yang dapat bereaksi seperti basa).
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.
Struktur dalam absorber
1. Bagian atas: Spray untuk megubah gas input menjadi fase cair.
2. Bagian tengah: Packed tower untuk memperluas permukaan sentuh sehingga mudah untuk
diabsorbsi
3. Bagian bawah: Input gas sebagai tempat masuknya gas ke dalam reaktor. 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 dengan dua tingkat.
Keluaran dari absorber pada tingkat I mengandung larutan dari gas yang dimasukkan tadi. Proses Pengolahan Kembali Pelarut Dalam Proses Kolom Absorber
1. Konfigurasi reaktor akan berbeda dan disesuaikan dengan sifat alami dari pelarut yang
digunakan
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 Aplikasi kolom absorbsi:
• Teknologi Refrigerasi
• Teknologi proses pembuatan formalin • Proses pembuatan asam nitrat
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 fisik
Absorbsi 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 model film
b. Teori penetrasi
c. Teori permukaan yang diperbaharui
2. Absorbsi Kimia
Absorbsi kimia merupakan absorbsi dimana gas terlarut dalam larutan penyerap disertai
dengan adanya reaksi kimia. Contoh absorbsi 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.
Absorber stipper
feed gas stripping gas
(Gambar 2.2 konfigurasi absorber-stipper)
Penggunaan absorbsi kimia dalam fase cair sering digunakan untuk mengeluarkan zat pelarut secara lebih sempurna dalam campuran gasnya.
Suatu keuntungan dalam absorbsi kimia adalah meningkatkan harga koefisien perpindahan massa(kga). Sebagian dari perubahan ini disebabkan makin besarnya luas efektif antar muka karena absorbsi kimia dapat juga berlangsung di daerah hamper stagnan di samping perangkapan dinamik. Untuk memperluas permukaan kontak digunakan kolom berisi packing (packed coloum) dengan criteria pemilihan packing sebagai berikut :
Memiliki ruang kosong yang cukup besar sehingga kehilangan tekanan kecil Karakteristik pembasahan baik
Densitas kecil agar berat kolom keseluruhan kecil 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. Dengan tersedianya harga Kga dapat ditentukan besaran-besaran lain, seperti :
a. Kecepatan perpindahan massa
Kecepatan perpindahan massa dapat dihitung setelah konsentrasi gas yang berkeseimbangan dengan fase cairnya diketahui. Dalam hal ini gas harus mendifusi ke aliran cairan tiap satuan waktu.
b. Waktu operasi
Jika harga Kga diketahui maka kecepatan perpindahan massanya juga dapat diketahui sehingga waktu operasi absorbsi dapat diketahui juga.
c. Ukuran alat dan biaya
Untuk mengetahui dimensi alat dan besarnya biayapembuatan alat tersebut dapat diturunkan dari persamaan berikut :
…(1)
Rumus untuk menghitung Kga dapat didasarkan pada absorbsi fisik dengan menganggap bahwa kurva kesetimbangan larutan pada selang waktu tertentu dimana perpindahan massa berlangsung.
A
(Gambar 2.3 elemen belakang kontak) Dari skema tersebut dapat didapatkan persamaan :
dGy=Kga . P (y-y’)dz …(2)
Kecepatan perpindahan massa dapat ditentukan persamaan yang diturunkan oleh Max Well dan Stefan.
Persamaan tersebut merupakan persamaan untuk difusi gas dalam keadaan tetap dari komponen A melalui B yang tidak bergerak dan gas berdifusi dari tubuh gas ke permukaan batas gas cair. Dari persamaan tersebut dapat digunakan untuk mencari korelasi Kga yaitu :
…(4) Apabila volume cair diabaikan, maka :
Neraca massa A pada fase cair di sepanjang elemen volume kolom AGZ, menghasikan
persamaan:
…(5)
Neraca massa A pada fase gas pada elemen volume yang sama menghasilkan persamaan :
…(6)
Pada absorbsi CO2 dengan larutan NaOH terjadi reaksi :
Alat-alat absorbsi Packing Tower
Salah satu contoh packing tower adalah Packed Bed Absorber.Packed Bed Absorber berupa tube atau pipa yang diisi dengan beberapa packing. Cairan masuk dari bagian atas, sedangkan gas masuk dari bagian bawah.
(Gambar 2.4 Packed Bed Absorber)
Di dalam packed bed absorber terdapat Packing yang memberikan kontak yang bagus antar kedua fasa sehingga luas permukaan menjadi maksimum.
Ada 3 jenis packing :
1. Raschig ring: potongan pipa
L D 0,5-1 in
2. Berl saddle 3. Pall ring
Macam-macam packing
Kolom Absorpsi
Adalah suatu kolom atau tabung tempat terjadinya prosespengabsorbsi penyerapan/penggumpalan) dari zat yang dilewatkan di kolom/tabung tersebut.Proses ini dilakukan dengan melewatkan zat yang terkontaminasi oleh komponen lain dan zattersebut
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 aktif
Arang merupakan suatu padatan berpori yang mengandung 85-95%karbon, dihasilkan dari bahan-bahan yang mengandung karbon dengan pemanasanpada suhu tinggi. Ketika pemanasan berlangsung, diusahakan agar tidak terjadikebocoranudara didalam ruangan pemanasan sehingga bahan yang mengandung karbon tersebuthanya terkarbonisasi dan tidak teroksidasi. Arang selain digunakan sebagai bahan bakar, juga dapat digunakan sebagai adsorben (penyerap). Daya serap ditentukan oleh luaspermukaan partikel dan kemampuan ini dapat menjadi lebih tinggi jika terhadap arangtersebut dilakukan aktifasi dengan aktif faktor bahan-bahan kimia ataupun denganpemanasan pada temperatur tinggi. Dengan demikian, arang akan mengalami perubahansifat-sifat fisika dan kimia. Arang yang demikian disebut sebagai arang aktif. Arang aktif dapat mengadsorpsi gas dan senyawa-senyawa.
Kimia tertentu atau sifat adsorpsinya selektif, tergantung pada besar atauvolume pori-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 sebagai penyerap uap. Arang aktif sebgai pemucat, biasanya berbentuk powder yang sangat halus,
diameter pori mencapai 1000 A0, digunakan dalam fasecair,berfungsi untuk memindahkan zat-zat
penganggu yang menyebabkan warna dan bauyang tidak diharapkan, membebaskan pelarut dari zat-zat penganggu dan kegunaan lainyaitu pada industri kimia dan industri baru. Diperoleh dari serbukserbuk gergaji, ampaspembuatan kertas atau dari bahan baku yang mempunyai densitas kecil dan mempunyaistruktur yang lemah.
Arang aktif sebagai penyerap uap, biasanya berbentuk granular atau pelletyang
sangat keras diameter pori berkisar antara 10-200 A0, tipe pori lebihhalus, digunakan dalam
rase gas, berfungsi untuk memperoleh kembali pelarut,katalis,pemisahan dan pemurnian gas. Diperoleh dari tempurung kelapa, tulang, batu bataatau bahan baku yang mempunyaibahan baku yang mempunyai struktur keras.
2. Zeolit Mineral
zeolit bukan merupakan mineral tunggal, melainkan sekelompok mineralyang terdiri dari beberapa jenis unsur. Secara umum mineral zeolit adalah senyawa alumino silikat hidrat dengan logam alkali tanah. serta mempunyai rumus kimia sebagai berikut :
M2
x/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 alkaliadalah kation yang mudah tertukar. Jumlah molekul air menunjukkan jumlah pori-poriatau volume ruang hampa yang akan terbentuk bila unit sel kristal zeolit tersebutdipanaskan. 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 molekulair bebas yang membentuk bulatan di sekitas kation. Bila kristal tersebut
dipanaskanselama beberapa jam, biasanya pada temperatur 250-900oC, maka kristal zeolit
yangbersnagkutan berfungsi menyerap gas atau cairan. Daya serap (absorbansi) zeolittergantung dari jumlah ruang hampa dan luas permukaan. Biasanya mineral
zeolitmempunyai 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 denganmenggunakan gas atau udara kering nitrogen atau methana dengan maksud mengurangitekanan uap ari terhadap zeolit itu sendiri.
3. Bentonit
Bentonit adalah istilah pada lempung yang mengandung monmorillonit dalamdunia perdagangan dan termasuk kelompok dioktohedral. Penamaan jenis lempungtergantung dari penemu atau peneliti, misal ahli geologi, mineralogi, mineral industri danlain-lain. Bentonit dapat dibagi menjadi 2 golongan berdasarkan kandungan alu-muniumsilikat hydrous, yaitu activated clay dan fuller's Earth. Activated clay adalah lempungyang kurang memiliki daya pemucat, tetapi daya pemucatnya dapat ditingkatkan melaluipengolahan tertentu. Sementara itu, fuller's earth digunakan di dalam fulling ataupembersih 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)
Aplikasi Absorbsi
Absorbsi dalam dunia industri digunakan untuk meningkatkan nilai guna dari suatuzat dengan cara merubah fasenya.
1. Proses Pembuatan Formalin
Formalin yang berfase cair berasal dari formaldehid yang berfase gas dapat dihasilkanmelalui proses absorbsi.Teknologi proses pembuatan formalin Formaldehid sebagai gasinput dimasukkan ke dalam reaktor. Output dari reaktor yang berupa gas yang
mempunyaisuhu 1820C didinginkan pada kondensor hingga suhu 550C,dimasukkan ke
dalamabsorber.Keluaran dari absorber pada tingkat I mengandung larutan formalin dengan
kadarformaldehid sekitar 37 – 40%. Bagian terbesar dari metanol, air,dan formaldehiddikondensasi di bawah air pendingin bagian dari menara, dan hampir semua removal darisisa metanol dan formaldehid dari gas terjadi dibagian atas absorber dengan countercurrent contact dengan air proses
2. Proses Pembuatan Asam Nitrat
Pembuatan asam nitrat (absorpsi NO dan NO2). Proses pembuatan asam nitrat
Tahap akhirdari proses pembuatan asam nitrat berlangsung dalam kolom absorpsi. Pada
setiap tingkatkolom terjadi reaksi oksidasi NO menjadi NO2 dan reaksi absorpsi NO2 oleh air
menjadiasam nitrat. Kolom absorpsi mempunyai empat fluks masuk dan dua fluks keluar. Empat fluks masuk yaitu air umpan absorber, udara pemutih, gas proses, dan asam lemah. Duafluks keluar yaitu asam nitrat produk dan gas buang. Kolom absorpsi dirancang untuk menghasilkan asam nitrat dengan konsentrasi 60 % berat dan kandungan NOx gas buangtidak lebih dari 200 ppm.
Aplikasi absorbsi lainnya seperti proses pembuatan urea,produksi ethanol, minumanberkarbonasi, fire extinguisher,dry ice,supercritical carbon dioxide dan masih banyak lagi aplikasi absorbsi dalam industri.
Selain itu absorbsi ini juga digunakan untuk memurnikan gas yang dihasilkan dari
fermentasi kotoran sapi. Gas CO2 langsung bereaksi dengan larutan NaOH sedangkan CH4
tidak. Dengan berkurangmya konsentrasi CO2sebagai akibat reaksi dengan NaOH,
makaperbandingan konsentrasi CH4 dengan CO2 menjadi lebih besar untuk konsentrasi CH4.
Absorbsi CO2 dari campuran biogas ke dalam larutan NaOH dapat dilukiskan sebagaiberikut:
CO2(g)+ NaOH(aq)→ NaHCO3(aq)
NaOH(aq)+ NaHCO3→Na2CO3(s)+ HO(l)+
CO2(g)+ 2NaOH(aq)→Na2CO3(s)+ H2O(l)
Dalam kondisi alkali atau basa, pembentukan bikarbonat dapat diabaikan karena
bikarbonat bereaksi dengan OH-membentuk CO
