Model Simulasi Absorpsi Gas CO2 dalam Larutan Methyldiethanolamine (MDEA) berpromotor Piperazine (PZ) dalam Packed Column

Perkembangan ekonimi dunia meningkatkan konsumsi bahan bakar Hal ini tentu meningkatkan tingkat emisi terutama gas CO2. Berdasarkan protocol Kyoto 1997 setiap negara harus melakukan monitoring terhadap tingkat emisi gas pencemar yang dihasilkan. Untuk mengatasi masalah ini berbagai metode absorpsi dikembangkan, baik absorpsi secara fisik maupun kimia. Berbagai bahan absorban seperti larutan K2CO3 dengan berbagai promoter sudah banyak digunakan. Selain itu saat ini mulai dikembangkan pula larutan methyldiethanolamine (MDEA) dengan promoter piperazine (PZ) sebagai latutan absorban. Namun studi mengenai model matematika dari absorpsi gas CO2 dengan menggunakan larutan MDEA belum banyak ditemui. Berdasarkan hal tersebut penelitian ini bertujuan untuk membuat model matematik dari proses absorpsi gas CO2 dalam larutan MDEA berpomotor piperazine dalam packed column. Model matematik yang dihasilkan kemudian divalidasi dengan data lapangan, dan dilihat pengaruh variabel operasi terhadap laju absorpsi gas CO2. Model matematik dikembangkan berdasarkan pada transfer massa pada teori film dengan asumsi reaksi pseudo first order. Penyelesaian numeric dari yang digunakan pada penelitian ini adalah dengan menggunakan metode kolokasi Orthogonal.

Berdasarkan hasil simulasi peningkatan suhu larutan dapat meningkatkan %removal karena meningkatkan konstanta laju reaksi. Tekanan kolom dapat meningkatkan % removal karena meningkatkan kelarutan gas. Konsentrasi promoter dapat meningkatkan %removal namun apabila ditingkatkan terus menerus kenaikan %removal cendrung berkurang.

Kata kunci: Absorpsi, Pack Column, MDEA, Teori Film

I PENDAHULUAN

Keberadaan gas CO2 dalam industry petrokimia dan industry pengolahan gas sangat tidak diharapkan. Karena gas CO2 merupakan gas asam (acid gas) yang bersifat korosif sehingga dapat merusak system perpipaan. Pada industry Liquified Natural Gas (LNG), gas CO2 harus dipisahkan karena dapa merusak main heat exchanger. Pada

industry amoniak gas CO2 dapat menjadi racun pada katalis pada proses sintesa amoniak, sehingga harus dipisahkan.

Berbagai metode absorpsi yang dikembangkan, salah satunya adalah absorpsi dengan reaksi. Absorben yang . biasa digunakan adalah larutan K2CO3 dengan promoter MEA, DEA, dan MDEA. Hendy dkk (2011) melakukan eksperimen untuk membandingkan absorpsi CO2 dengan larutan K2CO3 disertai dan tanpa disertai promoter. Promotor yang digunakan adalah asam borat. Dengan menggunakan wetted wall column mereka mempelajari kinetika reaksi untuk larutan K2CO3 dengan promoter asam borat. Ahmadi dkk, (2008) mengembangkan permodelan untuk absorpsi gas CO2 dalam larutan K2CO3 dengan katalis asam borat. Dalam pemodelan tersebut juga mempertimbangkan kinetika dari reaksi kunci, dan transfer massa. Altway dkk (2008) melakukan penelitian mengenai transfer massa disertai reaksi kimia pada absorpsi reaktif gas CO2 pada packed column. Pada penelitian ini dikaji ulang mengenai enhancemen factor absorpsi reaksi reversible orde 2 pada kondisi non-isothermal pada pemodelan absorpsi gas CO2 dengan larutan K2CO3 pada packed column. Nisa, dkk (2013) melakukan simulasi absorpsi reaktif CO2 dalam skala industry dengan larutan K2CO3 berkatalis. Dalam penelitian ini dikembangkan model matematik unit CO2 removal skala industry dan juga dilakukan evaluasi kinerja unit CO2 removal yang dinyatakan dalam %removal. Model matematik kemudian divalidasi dengan data lapangan dari pabrik PKT-II. Katalis yang digunakan adalah ACT-1 dengan

(

)

2678699274 exp 2868.6462 /

c

k = − T cm3_/mol.s.

Selain menggunakan larutan K2CO3 saat ini larutan amine juga banyak dikembangkan sebagai bahan absorban, baik amine primer, sekunder, dan tersier. Reaksi amine dengan CO2 cenderung lebih cepat, namun kurang stabil pada temperature tinggi, teruama untuk amine primer dan sekunder. Amine tersier seperti MDEA memiliki kestabilan yang lebih baik pada temperature tinggi dibandingkan amine lainnya, namun reaksinya cenderung lebih lambat. Untuk mengatasi masalah ini digunakan promoter untuk meningkatkan laju reaksi. Salah satu promoter yang

Model Simulasi Absorpsi Gas CO

2

dalam Larutan Methyldiethanolamine (MDEA)

berpromotor Piperazine (PZ) dalam Packed Column

Gede Sutrisna Adi Wiguna, Nizar Nazaruddin, Susianto, Ali Altway

Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111, Indonesia

digunakan adalah piperazine (PZ). Xu dkk (2003) melakukan penelitian mengenai absorpsi gas CO2 dalam larutan MDEA dengan menambahkan piperazine dan DEA. Dalam penelitian ini Xu dkk mengembangkan model kinetic untuk proses absorpsi CO2 dalam larutan MDEA dengan campuran PZ dan DEA. Wen Xu dkk (1992) mempelajari kinetika dari absorpsi gas CO2 dalam larutan MDEA yang diaktivasi dengan piperazine (PZ) dengan menggunakan disk column. Data kinetika yang dihasilkan sesuai dengan rapid pseudo-first-order reversible reaction antara CO2 dan piperazine dan paralel dengan reaksi antara CO2 dengan MDEA.

Penelitian ini bertujuan untuk membuat model matematik proses absorpsi gas CO2 kedalam larutan MDEA berpromotor PZ dalam packed column, melakukan validasi model matematik dengan membandingkan hasil prediksi dengan data lapangan, kemudian mengkaji secara teoritis pengaruh berbagai variabel proses seperti suhu, tekanan, dan konsentrasi promoter terhadap laju absorpsi dan %recovery.

II URAIAN PENELITIAN

Penelitian ini dilakukan secara teoritis dengan mengambangkan model matematik proses absorpsi kedalam larutan MDEA berpromotor piperazine (PZ) pada packed column skala industry. Sistem yang dipelajari adalah packed column dari Pabrik PKT-II dengan spesifikasi sebabai berikut.

Tabel II.1 Spesifikasi Packed Column Tinggi Kolom Diameter Kolom Ukuran Packing Atas 15,85 m 1,83 m 0,05 m Bawah 18,29 m 3,05 m 0,07 m

Temperatur gas masuk : 362 K

Laju alir gas masuk : 204020 kg/jam

Fraksi mol komponen gas masuk

CO2 : 0,1847 N2 : 0,2082 CO : 0,0025 CH4 : 0,0032 H2 : 0,5988 Ar : 0,0025 Fraksi massa komponen liquida masuk

Lean Solution K2CO3 : 0,23 KVO3 : 0,0064 KHCO3 : 0,08 V2O5 : 0,0042 Katalis : 0,01 Semilean Solution K2CO3 : 0,16 KVO3 : 0,0064 KHCO3 : 0,14 V2O5 : 0,0042 Katalis : 0,01

Data Kesetimbangan Reaksi

Reaski kesetimbangan yang terjadi pada proses absorpsi CO2 sebagai berikut : 1 2 2 3 K CO +H O

←

→

HCO−+H+ 1 2 3 3 K HCO−

←

→

H+ +CO− 2

Dengan harga konstanta pada temperature °C adalah sebagai berikut (Fe Yi, 2009).

1 3404.7 logK 14.843 0.03279T T − = + − 3 5 8 10 12 2 2 3 4 3.6439 10 1.8416 10 4.1579 10 3.5429 10 exp 294.74 K T T T T × × × × =





− + − − −









4 4 7 10 12 2 2 3 4 9.878 10 5.6883 10 1.4645 10 1.3615 10 exp 39.555 K T T T T × × × × =





− + − +









5

Dimana konsentrasi OH- dan CO2 pada kondisi setimbang adalah. 3 2 ₃ w CO OH HCO C K C K C − − − = 6

(

)

2 2 3 2 , 1 3 HCO CO e CO C K C K C − − = 7

Data Kinetika Reaksi

Berdasarkan data eksperimen yang dilakukan oleh Xu dkk (1992). Reaksi yang terjadi saat absorpsi gas CO2 kedalam larutan MDEA berpromotor piperazine adalah sebagai berikut. 2 3 CO +OH−

←





→

HCO− 8 2 2 3 3 3 CO +H O+R N

←





→

R NH++HCO− 9 2 2 3 CO +PZ+H O

←





→

PZCOO−+H O+ 10 Berdasarkan reaksi diatas maka rate reaksi antara CO2 denngan MDEA adalah sebagai berikut.

(

)

(

2 2

)

* 1 OH CO CO r =k OH− C −C 11

(

)

(

2 2

)

* 2 MDEA MDEA p p CO CO r = k C +k C C −C 12

Dimana CMDEA dan Cp adalah konsentrasi MDEA dan piperazine. Sedangkan kOH-, kMDEA dam kp adalah berturut-turut konstanta laju reaksi untuk ion OH-_{, MDEA dan} piperazine. Konstanta-konstanta tersebut diperoleh dari penelitian yang dilakukan Xu, dkk (1992).

13 6666 4.315 10 exp OH k T − = ×



_



_





13

6 3984 5.86 10 exp MDEA k T − = ×



_



_





14 11 6424 2.29 10 exp p k T − = ×



_



_





15

Data Kelarutan Komponen

Pada penelitian ini, data kelarutan gas dalam larutan amine (MDEA) diperoleh dari hukum Henry:

* * A A HeC P C = 16

Dengan memperhatikan tahanan pada sisi liquidadan gas, maka untuk mendapatkan konsentrasi CO2 pada interface bisa digunakan persamaan berikut:

0 G A L A Ai L G k y P Ek C C Ek k He + = + 17

Dimana nila He bisa didapatkan melalui persaaan berikut:

1 1 2 2 0 log He h I h I He = +













18

Dengan menggunakan konstanta Henry untuk air murni (He0_{) pada temperature T masing-masing gas bisa} didapatkan dengan menggunakan persamaan berikut:

0 0 298 ln 1 1 exp * (1 / ) 298 T d kH He He d T T − =



_



_

−



_



_









19

Tabel II.2 Nilai Konstanta Henry Air Murni pada T=298 K Tiap Komponen

(Rolf Sander, 1999)

Sedangkan h1 dan h2 adalah konstanta yang merupakan hasil penjumlahan harga h spesies ion positif dan ion negatif

serta spesies gas.

G

h

=

h

₊

+ +

h

₋

h

20 Dimana : h+ (MDEAH+) = 0.041 dm3/mol.

h- (CO32-) = 0.021 dm3/mol. h- (HCO3-) = 0.021 dm3/mol.

Untuk konstanta hG yang bergantung pada 3emperature (T), dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:

(

)

,0 * 298.15

G G T

h =h +h T− 21

Tabel II.3. Nilai hG dan hT Tiap Komponen Komponen hG,0 (cm3_/mol) hT (cm3_/mol.K) CO2 -17.2 -0.338 CO - - H2 -21.8 -0.299 N2 -1 -0.605 CH4 2.2 -0.524 Ar 5.7 -0.485 (Weisenberger, 1999)

Data Perpindahan massa

Estimasi koefisien difusi didalam campuran gas menggunakan persamaan yang dikambangkan Taylor dan R Krishna (1993) sebagai berikut.

(

2

)

2 0.5 3 175 * 1/ 3 1/ 3 1 1 10 CO x G CO x T MW MW D P V V − ₊ = +













22

(

)

0.5 8 0.6 7.4 10 L L L A T MW D V φ µ − = × 23

Koefisien perpindahan massa sisi gas untuk Packed

Column proses absorpsi diperoleh dari korelasi empiris Onda, dkk. (1982) :

(

) ( )

0.7 1/ 3

(

) (

2

)

Re_{G G p p p G} G A k Sc a d a D RT − = 24

Dengan nilai A=2 jika diameter packing kurang dari 0,012 m dan A=5.23 jjika diameter packing lebih dari atau sama dengan 0.012 m.

Bilangan Reynolds fasa gas (ReG) sebagai berikut:

Re G G G G p u a

ρ

µ

= 25

Bilangan Schmidt fasa gas (ScG)adalah sebagai berikut:

G G G G Sc D µ ρ = 26 Komponen He o 298K (mol/cm3_.atm) −d ln kH/d(1/T) (K) CO2 3.6.10-5 2200 CO 9.9.10-7 ₁₃₀₀ H2 7.8.10-7 500 N2 6.1 x 10-7 1300 CH4 1.4 x 10-6 1600 Ar 1.4 x 10-6 ₁₅₀₀

Koefisen perpindahan massa fasa cair diperoleh dari persamaan yang dikembangkan Taylor dan R. Krishna (1993):

(

) ( )

2 / 3 0.5

(

)

0.4 0.0051 Re L L L L p p L k Sc a d g ρ µ − =



_



_





27 Bilangan Schmidt fasa gas (ScL)adalah sebagai berikut:

L L L L Sc D µ ρ = 28

Bilangan Reynolds fasa cair berdasarkan spesifik area (Re’L) sebagai berikut:

Re' ' L L L L u a

ρ

µ

= 29

Kecepatan superficial liquida (uL) adalah : KG L t L L u Aρ = 30

Untuk menghitung interfacial area (a’) berdasarkan spesifik packing area (ap) adalah sebagai berikut:

(

) ( )

(

)

{

0.1 0.2

}

' 1 exp 1.45 Re_L 0.05 _L p a c Fr We a σ σ = − −



_



_

−





31

Dengan ReL adalah bilangan Reynolds fasa liquid berdasarkan spesifik area (ap) sebagai berikut:

Re L L L L p u a

ρ

µ

= 32 2 L p L u g

a

Fr

= 33

Gambar 1 Skema model absorpsi CO2 pada Packed Column 2 L L L p u a

We

σ

ρ

= 34

Pengembangan Model Matematik

Pengembangan model matematik dilakukan dengan mengembangkan neraca massa diffrensial pada packed column. Neraca Massa Sistem I CO2 0 0 { _A, _B} _L 0 RaAdz−r C C ϕ dV= 0 0 { _A, _B} _L RaAdz=r C C ϕ dV 35 MDEA L C. _B0−L C( _B0+dC_B0)−ν_B. {r C C_A0, _B0}ϕ_LdV =0 0 0 0 . { , } 0 B B A B L LdC ν r C C ϕ dV − − = 36 Substitusi persamaan (35) ke (36) __ 0 0 B B LdC v R aAdz − − = 37 0 _{__} B B dC v R aA dz = − ₃₈ __ * 0 ( ) L A A R a=Ek a C −C 39

Substitusi persamaan (39) ke persamaan (38) dan selesaikan dengan metoda kolokasi orthogonal.

1 * 0 0 ( ) NC B T Bj Bin ij i A A i T v Z C C H E C C H + = = −

∑

− 40

Untuk komponen lain pada fasa gas

0 K K LdC =R aAdZ ₄₁ 0 K K dC R aA dZ = L ₄₂

Substitusi persamaan (39) ke persamaan (42) dan selesaikan dengan persamaan kolokasi orthogonal. Nilai E=1 karena tidak terjadi reaksi.

1 * 0 0 ( ) NC T Kj Kin ij K K i T Z C C H C C H + = = −

∑

− 43

Dimana E adalah Enhancement Factor yang dikembangkan oleh Dankwertz (1970) dengan nilai seperti digambarkan pada persamaan berikut:

1

_H

E

=

+

M

44

(

)

2 , A OH _OH c c H L A D k C k C M k − + = 45 Sistem II

CO2 _in

[

_{A Aout}

]

_Bin _Bout B L G Y Y C C v − =



_

−



_

46 K

[

]

in out in K Kout K K G Y −Y =L C



_

−C



_

47 Persamaan untuk %removal didapatkan seperti pada persamaan berikut: % 1 Aout Ain Y removal Y = − 48

III HASIL DAN PEMBAHASAN

Berdasarkan hasil simulasi didapakan pengaruh variabel operasi Seperti Temperatur Lean (TL), Temperatur Semilean (TSL), Laju Lean, Laju Semilean, Tekanan kolom, dan konsentrasi katalis terhadap kinerja dari packed column dalam proses absorpsi gas CO2.

352 354 356 358 360 362 364 366 368 98.2 98.3 98.4 98.5 98.6 98.7 98.8 98.9 99.0 99.1 99.2 99.3 99.4 PZ1 PZ3 PZ5 % R em ov al T Lean (K)

Gambar 2 Pengaruh Temperatur Lean

360 365 370 375 380 385 95.5 96.0 96.5 97.0 97.5 98.0 98.5 99.0 % R em ov al T Semi Lean (K) PZ1 PZ3 PZ5

Gamber 3 Pengaruh T Semilean

Berdasarkan gambar 2 dan 3 kita dapat melihat bahwa peningkatan temperature lean dan semilean solution dapat meningkatkan %removal gas CO2. Hal ini dikarenakan kenaikan temperature dapat meningkatkan nilai konstanta laju reaksi pada reaksi absorpsi yang dapat meningkatkan

%removal. Hal ini berkorelasi dengan penelitian yang dilakukan oleh Wen Xu dkk (1992) yang menyatakan bahwa konstanta laju reaksi untuk reaksi MDEA adalah fungsi temperature. 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 97.0 97.5 98.0 98.5 99.0 99.5 % R em ov al

Rate Lean (kg/jam)

PZ1 PZ2 PZ3

Gambar 4 Pengaruh laju Lean

2400000 2450000 2500000 2550000 2600000 2650000 97.0 97.5 98.0 98.5 99.0 99.5 % R em ov al

Rate Semilean (kg/jam)

PZ1 PZ3 PZ5

Gambar 5 Pengaruh laju Semilean

Berdasarkan gambar 4 dan 5 kita dapat melihat bahwa peningkatan laju lean dan semilean dapat meingkatkan %removal. Dikarenakan peningkatan laju alir dapat mengakibatkan turbulrnsi yang menurunkan tahanan pada sisi liquida. 28.4 28.6 28.8 29.0 29.2 29.4 29.6 29.8 30.0 30.2 98.0 98.2 98.4 98.6 98.8 99.0 99.2 % R em ov al P (atm) PZ1 PZ3 PZ5

Gambar 6 Pengaruh tekanan kolom

Berdasarkan gambar 6 tekanan kolom dapat meningkatkan %removal karena tekanan meningkatkan kelarutan gas.

0 2 4 6 8 10 98.0 98.2 98.4 98.6 98.8 99.0 99.2 99.4 99.6 99.8 % R em ov al Konsentrasi PZ (% massa)

Gambar 7 Pengaruh konsentrasi katalis

Konsentrasi katalis dapat meningkatkan %removal, namun bila ditingkatkan terus peningkatan %removal cenderung berkurang.

Validasi Model

Untuk memvalidasi model matematika yang dikembangkan data hasil simulasi dibandingkan dengan data pabrik PKT-II seperti pada tabel berikut.

Tabel III.1 Perbandingan Simulasi dan Data Pabrik

Variabel Pembanding Hasil Simulasi Data PT.PKT II Laju alir lean solution (kg/jam) 320867 320867 Laju alir semilean solution

(kg/jam) 2514122 2514122

Laju alir gas (kg/jam) 204020 204020

Tekanan (atm) 29,4 29,4

Temperatur lean solution (0_{C) 48 48} Temperatur semilean solution

(0_C)

90

90

Temperatur gas (0_{C) 89 89} Komposisi gas yang keluar (mol

fraksi) CO2 0.0061675 0,0010 CO 0.0038982 0,0031 H2 0.7293 0,7340 N2 0.25369 0,2550 CH4 0.0038982 0,0038 Argon 0.0030456 0,0031 % Removal CO2 97.2606 99,4585 IV KESIMPULAN

Temperatur lean solution memeberikan %removal terbesar sebesar sebesar 99.3%. Pada konsentrasi katalis 1%, kenaikan temperature lean sebesar 1 °C dapat meningkatkan %removal sebesar 0.05%. Sedangkan kenaikan temperature semilean sebesar 1 °C dapat

menaikan %removal sebesar 0.09%. Pada konsentrasi katalis 1%, setiap kenaikan tekanan 1 atm dapat meningkatkan %removal sebesar 0.233%. Pada konsentrasi katalis 1% setiap kenaikan laju alir lean 1000 kg/jam dapat meningkatkan %removal sebesar 0.003%, Sedangkan setiap kenaikan laju alir semilean 1000 kg/jam dapat manaikan %removal sebesar 0.001%. Nilai yang maksimum yang diacapai pada konsentrasi promoter 10% adalah sebesar 99.63%. Error yang diperoleh untuk %removal sebesar 2.209%

UCAPAN TERIMAKASIH

Pada kesempatan kali ini atas segala bantuannya dalam pengerjaan skripsi ini, kami mengucapkan terima kasih kepada Kedua orang tua kami dan keluarga yang telah banyak memberikan dukungan moral, spiritual, dan material. Bapak Prof. Dr. Ir. Ali Altway, MS dan Bapak Dr. Ir. Susianto, DEA selaku dosen pembimbing kami. Rekan - rekan seperjuangan dari laboratorium Perpindahan Panas dan Massa, laboratorium tetangga, Teknik Kimia FTI-ITS.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Altway, A., Susianto, Kuswandi, Kusnaryo, 2008, “

Kajian Ulang Transfer Massa Disertai Reaksi Kimia Pada Absorbsi Reaktif Gas CO2 Pada Packed Column”, Jurnal Teknik Kimia Indonesia, Vol. 7 (3)

817-827.

[2] Ahmadi, M., Gomez, V.G., 2008, “Advance modeling

in performance optimization for reactive separation in industrial CO2 removal”. Separation and

Purification Technology, Vol. 63 107-115.

[3] Dankckwerts, P.V., 1970, “Gas-Liquid Reaction”, Mc Graw-Hill book Company : New York.

[4] Ihda, F.N., Hardiyanto, F., Mulya., H.M., Altway, A., Susianto., 2013, “Simulasi Absorbsi Reaktif CO2

Dalam Skala Industri Dengan Pelarut K2CO3 Berkatalis”, Jurnal Teknik Kimia, Vol. 7 2.

[5] Ningsih, E., Pudjiastuti, L., Wulandari, D., Anggraheny, N., Altway, A., Kuswandi, Budhikarjo, K., 2012,

“Simulasi Absorpsi Multikomponen Gas Dalam Larutan K2CO3 dengan Promotor MDEA dalam Packed Column”, Jurnal Teknik Kimia Indonesia,

Vol. 11(1) 17-25.

[6] Sander, Rolf. 1999.” Compilation of Henry’s Law

Constants for Inorganic and Organic Species of Potential Importance in Environmental Chemistry”. AIChE Journal Vol. 3, 1-107.

[7] Taylor, Ross dan R. Krishna. (1993).“Multicomponent

Mass Transfer”. John Wiley & Sons, Inc. USA.

[8] Weisenberger, S dan A. Schumpe. 1996. ”Estimation of

Gas Solubilities in Salt Solutions at Temperatures from 273 K to 363 K”. AIChE Journal Vol. 42 (1),

298–300.

[9] Xu, Guo-Wen, Zhang, Cheng-Fang, Qin, Shu-Jun, Wang, Yi-Wei, 1992, “Kinetic Study on Absorbtion

of Carbon Dioxisw into Solution of Activated Methyldiethanolamine, Ind. Eng. Chem. Res. 1992,