Seminar Skripsi LABORATORIUM THERMODINAMIKA JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER 2011

LABORATORIUM THERMODINAMIKA

JURUSAN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

2011

Latar Belakang

Industri petrochemical, LNG, Amonia, dll

CO

₂



mengurangi nilai kalor



menimbulkan pembekuan pada

proses

Liquifaction

gas alam.



gas yang bersifat asam (

acid

gas

) sehingga korosif



meracuni katalis pada pabrik

sintesa ammonia, metanol dll

Pelarut Amine

Senyawa amine yang sering digunakan: MEA, DEA, TEA, DIPA, MDEA, DGA dll

Keunggulan: laju absorpsi tinggi (tergantung kekuatan amine)

Kelemahan: panas regenerasi tinggi dan menimbulkan foaming

Absorpsi

Kimia

Kalium Karbonat

•Keunggulan: panas absorpsi

rendah dan heat regenerasi rendah

•Kelemahan: laju reaksi lambat (laju absorpsi rendah)

Untuk meningkatkan performance K₂CO₃ditambahkan promotor (Cullinane & Rochelle, 2004)

Proses Benfield

• Kelarutan dan laju absorpsi CO

₂

dalam MEA/ PZ/ air dalam wetted wall

column.

• PZ dapat mengurangi tekanan kesetimbangan CO

₂

dan meningkatkan laju

absorpsi CO

₂

.Enhancement factor CO

₂

berkurang ketika loading meningkat

Dang

dan

Rochelle

(2001)

• Thermodinamik dan data kinetik untuk larutan K

₂

CO

₃

dengan promotor PZ.

• Penambahan PZ 0,6 m dalam 1,8-3,6m K

₂

CO

₃

pada suhu 40-80

o

_{C dapat}

meningkatkan laju absorpsi sebesar 0,4-0,8 dan menaikkan panas absorpsi

sebesar 3,7-10 kkal/mol.

Cullinane

dan

Rochelle

(2004)

• Data kesetimbangan CO

₂

dalam larutan K

₂

CO

_3.

Perhitungan estimasi dengan

metode ENRTL.

• jumlah mol CO

₂

yang terlarut menurun dengan naiknya suhu dan konsentrasi

K

₂

CO

₃

.

Kuswandi et al.

(2008)

Laboratorium Thermodinamika

• Proses absorpsi disertai reaksi kimia gas CO

₂

memakai larutan K

₂

CO

₃

dan

aktivator DEA dengan ENRTL

• Kenaikan konsentrasi CO

₂

dalam gas umpan pada temperatur konstan akan

menyebabkan kenaikan CO

₂

loading,kadar KHCO

₃

, kelarutan CO

₂

, tekanan

parsial kesetimbangan CO

₂

, dan penurunan kadar K

₂

CO

₃

Winarno et al.

(2008)

• Proses absorpsi CO

₂

dengan menggunakan larutan

potassium carbonate

(K

₂

CO

₃

) dengan penambahan zat aditif asam borat (H

₃

BO

₃

) dengan

menggunakan WWC.

• jumlah mol CO

₂

yang diserap meningkat dengan meningkatkan kadar asam

borat dan kenaikan suhu.

Ghosh et al. (2009)

Benfield

K₂CO₃ + Amine

K₂CO₃

Piperazine (PZ)

Amine

Murah, daya absorpsi lebih tinggi, panas absorpsi lebih

Rendah dibanding PZ Murah, daya absorpsi rendah dan

Panas absorpsi lebih rendah Dibanding Amine dan PZ

Mahal, daya absorpsi tinggi Dan panas absorpsi lebih tinggi

Dibanding amine dan K₂CO₃

Mahal, daya absorbsi dan panas absorpsi lebih tinggi di banding K₂CO₃

K

₂

CO

₃

+ MDEA

•

Mengetahui

pengaruh

penambahan

zat

aditif

metildietianolamina (MDEA)

terhadap solubilitas CO

₂

dalam larutan K

₂

CO

₃

pada tekanan atmosferik dan range

suhu 30-50

o

_{C berdasarkan tekanan parsial dan CO}

2

loading.

–

Mengkorelasikan data yang didapatkan dari

experimen

dengan

model

E-NRTL

.

Tujuan Penelitian

Mendapatkan data solubilitas CO

₂

di dalam

larutan K

₂

CO

₃

dengan penambahan zat aditif

MDEA yang dapat dijadikan sebagai acuan

pada perancangan kolom absorpsi untuk

 Tekanan Atmosferik  Larutan K₂CO₃ 30%  MDEA 2%  Komposisi gas CO₂-N₂ - 10% - 15% - 20%  Suhu operasi - 30o_C - 40o_C - 50o_C

Variabel

Experimen

Dilakukan

Pada:

Metode Penelitian

Larutan keluar

Larutan masuk

Air masuk Gas

masuk

Air keluar Gas keluar

OD 10.16 cm,kaca OD 2,54 cm kaca OD 1,2 6 cm,SS 9.1 cm

Wetted Wall Column

(WWC)

Skema Rangkaian Peralatan

CO₂ – N₂

V1 : Tangki larutan K₂CO₃-MDEA PI : Pipa U TI : Indikator Suhu V3 : Tangki Air R1 : Rotameter larutan V4 : Tangki Overflow/feeding K₂CO₃-MDEA R2 : Rotameter gas E1 : Kolom absorbsi WWC PG : Pressure Gauge

P1 : Pompa sirkulasi larutan K₂CO₃-MDEA

P2 : Pompa sirkulasi air panas

Metode Penelitian

R2 TI V3 P2 P1 R1 E1 CO_{2 ,} N₂ keluar PI V4 V1 Sampel liquid

Analisa

Larutan

Titrasi

• mol HCO₃ -• mol CO₃ 2-• mol K+

Analisa

gas

Outlet

Gas

Analyzer

ECOM

Metode Analisa

Text

Metode Penelitian

Pengaruh Suhu terhadap CO

₂

bereaksi dan terlarut

Kenaikan suhu

akan

menurunkan jumlah CO

₂

yang

bereaksi dan terlarut dalam

larutan Benfield.

Hasil dan Pembahasan

10% kadar CO2.txt 15% kadar CO2.txt 20% kadar CO2.txt C O 2 b e re a k si ( m o l) suhu ( C) 30 40 50 1 1.5 2 2.5 3 10% kadar CO2.txt 15% kadar CO2.txt 20% kadar CO2.txt suhu (C) CO 2 te rl ar ut ( m ol ) 30 40 50 2e-05 4e-05 6e-05 8e-05 0.0001 0.00012 0.00014 0.00016 0.00018 0.0002

Pengaruh Suhu terhadap CO

₂

Loading

%Penurunan CO₂loading

Kenaikan suhu

akan menurunkan harga CO

₂

loading.

Suhu Operasi (o_C) CO₂ loading % penurunan CO₂ loading 30 0,0553 -40 0,0333 39,88 50 0,0221 60,04

Hasil dan Pembahasan

10% kadar CO2.txt 15% kadar CO2.txt 20% kadar CO2.txt suhu (C) C O 2 L o ad in g (m o l C O 2 /{ m o l K + + m o l M D EA } ) 30 40 50 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08

Hasil dan Pembahasan

Larutan CO2loading

(Mol CO2/[mol K+ + mol x ])

P CO₂(Pa) 30% wt K2CO3suhu 30oC 0,027 14.399 30% K2CO3+ 2% H3BO3suhu 30o_C 0,036 15.412 3,6m K₂CO₃+ 0,6m PZ suhu 40o_C 0,85 18.267 3,6m K2CO3+ 0,6m PZ suhu 60o_C 0,80 23.462 30% K₂CO₃+ 2% MDEA suhu 30o_C 0,062 20.282 30% K₂CO₃+ 2% MDEA suhu 40o_C 0,038 20.283

Hasil dan Pembahasan



Model

E-NRTL (

Electrolyte Non Random Two Liquid

)

telah

diaplikasikan

secara

luas

untuk

menunjukkan

sifat-sifat

thermodinamika dari berbagai macam sistem elektrolit



Persamaan berikut adalah dasar model ENRTL untuk energi gibbs

ekses sistem elektrolit.

Fitting pada tiap variasi suhu

Fitting

dilakukan pada tiap set data kenaikan suhu operasi

Fitting satu parameter

Fitting

dilakukan untuk semua data

overall

Parameter-parameter dalam proses fitting

Parameter interaksi biner , A dan B :

1. Parameter Interaksi Biner antar molekul

2. Parameter Interaksi Biner antar molekul- pasangan ion lain

PDH

ex

m

lc

ex

m

ex

m

G

G

G







,





,



Hasil dan Pembahasan

Interaksi α Harga α Molekul-molekul α m,m' 0,2 H₂O-pasangan ion α H2O,ca 0,2 Pasangan ion-H₂O α ca,H2O 0,2 MDEA-pasangan ion α MDEA,ca 0,1 Gas- pasangan ion α CO2,ca 0,1

Interaksi A B CO₂-H₂O 13,390 -3268,124 H₂O-CO₂ 12,013 -3268,129 H₂O-MDEA 9,345 -1902,400 MDEA-H₂O -1,762 -147,399 MDEA-CO₂ 0,054 0,000 CO₂-MDEA 0,103 0,000 interaksi A B H₂O-K+_,CO 32- 9,139949 1581,999844 K+_,CO 32--H2O -4,895366 -377,000180 H₂O-K+_,HCO 3- 8,007835 2863,000067 K+_,HCO 3--H2O -3,529214 -601,000041 K+_,CO 32--CO2 -4,872134 -0,000647 K+_,HCO 3--CO2 -4,974340 -0,000047

MDEA-pasangan ion lain 0,067023 0,000018 pasangan ion lain-MDEA 0,022512 0,000008

Parameter interaksi biner antar molekul-pasangan ion Parameter nonrandomnes factor

Parameter interaksi biner antar molekul

Parameter-parameter hasil fitting variasi suhu:

• Parameter-parameter interaksi untuk suhu 30o_C

Hasil dan Pembahasan

Suhu Operasi (o_C) Kadar CO₂di Gas Umpan (% mol) Koefisien Aktivitas Eksperimen (γ ) CO₂ Koefisien Aktivitas korelasi (γ ) CO₂ (Pa) Eksperimen (Pa) Korelasi 30 10 15,35 16,02 10140,42 11049,49 15 16,67 16,08 15211,28 14152,15 20 16,09 16,18 20282,87 20523,48 40 10 22,29 23,20 10140,76 10983,05 15 23,69 22,87 15211,72 14176,30 20 22,09 22,23 20283,84 20547,74 50 10 31,76 33,37 10141,05 11190,56 15 32,54 31,12 15212,16 13915,76 20 28,21 28,42 20284,43 20589,98

Tekanan Kesetimbangan CO

₂

Secara Eksperimen dan Secara

Korelasi Dengan Metode

Fitting

pada tiap Variasi Suhu Operasi

CO2 Loading

(mol CO2/[mol K + mol MDEA])

T ek an an P ar si al C O 2 ( P a) suhu 30C suhu 40C suhu 50C korelasi experimen 0.018 0.027 0.036 0.045 0.054 0.063 9000 12000 15000 18000 21000

Metode Fitting

pada tiap variasi suhu

operasi

Hasil dan Pembahasan

RMSD 0,81% RMSD 0,77% RMSD 0,97%

Hasil dan Pembahasan

Interaksi α Harga α Molekul-molekul α m,m' 0,2 H₂O-pasangan ion α H2O,ca 0,2 Pasangan ion-H₂O α ca,H2O 0,2 MDEA-pasangan ion α MDEA,ca 0,1 Gas- pasangan ion α CO2,ca 0,1

Interaksi A B CO₂-H₂O 20,3250 -3268,1196 H₂O-CO₂ 12,4074 -3267,9475 H₂O-MDEA 11,4827 -1902,3987 MDEA-H₂O 3,4032 -147,3832 MDEA-CO₂ -2,2700 -0,0049 CO₂-MDEA -1,9556 -0,0013 interaksi A B H₂O-K+_,CO 32- 9,71685 1581,99505 K+_,CO 32--H2O -5,52942 -376,98704 H₂O-K+_,HCO 3- 8,78386 2863,00275 K+_,HCO 3--H2O -0,97120 -601,00047 K+_,CO 32--CO2 0,19579 -0,00713 K+_,HCO 3--CO2 -3,74695 0,00108

MDEA-pasangan ion lain 0,17725 0,00001 pasangan ion lain-MDEA -0,00610 0,00017 CO -pasangan ion lain 13,27625 -0,00132

Parameter interaksi biner antar molekul-pasangan ion Parameter nonrandomnes factor

Parameter interaksi biner antar molekul

Parameter-parameter hasil fitting satu parameter

CO2 Loading

(mol CO2/[molK + mol MDEA])

suhu 30C suhu 40C suhu 50C

T

ek

an

an

p

ars

ia

l

C

O

2

(P

a)

korelasi experimen

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

22000

24000

Metode Fitting

satu parameter

Hasil dan Pembahasan

RMSD

1,38%

•

Pengaruh kenaikan suhu operasi pada

range

suhu 30 - 50

o

_{C dapat menurunkan}

besarnya CO

₂

loading rata-rata sebesar 39,88% (untuk suhu 40

o

_{C) dan 60,04%}

(untuk suhu 50

o

_C).

•

Meningkatnya persentase CO

₂

dalam gas umpan dengan komposisi 10-20% dapat

meningkatkan besarnya CO

₂

loading rat-rata sebesar 12,74% (untuk 15% CO

₂

) dan

36,33% (untuk 20% CO

₂

).

•

Pengaruh kenaikan suhu operasi pada dalam larutan kalium K

₂

CO

₃

dapat menaikkan

tekanan parsial gas CO

₂

.

•

Secara keseluruhan model E-NRTL memberikan hasil yang baik pada sistem K

₂

CO

₃

– MDEA dengan

Root Mean Squared Deviation

(RMSD) 0,77-0,97% (untuk

fitting

pada tiap variasi suhu operasi) dan 1,38% (untuk

fitting

satu parameter)