Lebih Jauh tentang Absorpsi Gas dan Pembahasan CONTOH: Soal #2

Lebih Jauh tentang Absorpsi Gas

Lebih Jauh tentang Absorpsi Gas

dan

dan

Pembahasan CONTOH: Soal #2

Pembahasan CONTOH: Soal #2

¨

¨

¨

_¨

,

_,

¨

_¨

¨

_¨

/120

_/120

§

_§

§

_§

+

₊

§

_§

§

_§

Kuliah #3:

Prof. Dr. Ir. Setijo Bismo, DEA.

Prof. Dr. Ir. Setijo Bismo, DEA.

DTK

Beberapa Model Kolom Absorpsi

Beberapa Model Kolom Absorpsi

A. Kolom Talam

A. Kolom Talam

(Tray-type Plate

Columns

)

– Pengontakan Gas (Absorbat)

dan Cairan (Absorben) secara

COUNTERCURRENT

– Pengontakan terjadi dalam

cairan

(absorben) di atas

talam

• Cairan mengalir “sejajar”

atau PARALEL dengan

talam

• Gas mengalir tegak-lurus

terhadap talam

PERFORATED

TRAY

OVERFLOW WEIR

LIQUID FLOW

Rancangan Talam (Tray)

A. Talam Berlubang (Sieve Tray, Perforated Tray)

Perancangan Talam

Perancangan Talam

B. Talam Katup (Valve Tray)

Perancangan Talam

C. Talam “Bubble Cap” (Bubble Cap Tray)

B. Kolom Isian

B. Kolom Isian

(Packed Columns)

• Aliran COUNTERCURRENT antara

GAS dan CAIRAN (Absorben)

• Pengontakan pada “antarmuka”

(interface) CAIRAN/GAS pada

PACKING

• CAIRAN mengalir pada permukaan

PACKING dengan pola umum

menuruni kolom

• GAS mengalir mengalir di “celah-celah”

(ruang kosong) dalam UNGGUN ISIAN

(packing) dengan pola aliran menaiki

kolom

• Jenis PACKING:

– Acak (random)

UNGGUN

Packing

• Dipasang dalam formasi

“penampang unggun”

• Zona (Pelat) Distribusi

berada di antara 2

penampang unggun

• Aliran “relatif” menentukan

HIDRODINAMIKA Kolom

• Kasus Pembatas:

– Genangan (FLOODING)

– Desisan (WEEPING)

LIQUID IN GAS OUT PACKED SECTION DISTRIBUTION PLATE

Beberapa Rancangan

Beberapa Rancangan

RANDOM PACKING

_{RANDOM PACKING}

• BENTUK:

– RINGS

– SADDLES

– Lainnya

• MATERIAL:

– LOGAM

– KERAMIK

– PLASTIK

SPESIFIKASI UNGGUN

SPESIFIKASI UNGGUN

Random

_Random

PACKING

PACKING

• DIAMETER

NOMINAL

• FRAKSI KOSONG

(void fraction)

• BERAT RUAH

(bulk weight )

Raschig Ring

Tabel Karakteristik

Tabel Karakteristik

PACKING TERSTRUKTUR

• PACKING dalam “Blok UNGGUN” dan mengisi “penuh”

diameter kolom

PERANCANGAN KOLOM TALAM

• Penggunaan Diagram McCABE – THIELE: GARIS OPERASI

(Operating Line ) dan GARIS KESETIMBANGAN (Equilibrium Line)

Sistem Absorpsi Larutan Encer

• Bila Garis Operasi dan Garis

Kesetimbangan memiliki “kelandaian

TETAP”, berlaku Persamaan KREMSER:

1

2

2

2

2

1

1

1

ln

(1 1 ) 1

ln

ln

(1

)

ln(1 )

y

mx

A

A

y

mx

N

A

x

y m

A

A

x

y m

N

A

⎡

_⎛

−

_⎞

⎤

−

+

⎢

⎜

₋

⎟

⎥

⎝

⎠

⎣

⎦

=

⎡

_⎛

−

_⎞

⎤

−

+

⎢

⎜

₋

⎟

⎥

⎝

⎠

⎣

⎦

=

Sistem Non

Sistem Non

-

-

Linier

Linier

• Bila membentuk “garis tak lurus”, maka Garis

Operasi didasarkan pada Persamaan Aliran

INERT:

• Secara normal, berdekatan dengan Kondisi pada

EKSTREMITAS (

Terminal Conditions

)

• Bentuk Solusi GRAFIS (McCABE-THIELE

DIAGRAM) menggunakan Kedua Persamaan

Garis

2 1 1 2 2 1 1 2

'

'

'

'

1

1

1

1

x

y

x

y

L

V

L

V

x

y

x

y

⎛

⎞

⎛

⎞

⎛

⎞

⎛

⎞

+

=

+

⎜

₋

⎟

⎜

₋

⎟

⎜

₋

⎟

⎜

₋

⎟

⎝

⎠

⎝

⎠

⎝

⎠

⎝

⎠

Jumlah Tahap Kesetimbangan

Jumlah Tahap Kesetimbangan

(Number of Equilibrium Stages )

• DIDASARKAN pada

TAHAP “integer”

antara Garis Operasi

dan Garis

Kesetimbangan:

– ABSORPSI, Garis

Operasi terletak di

ATAS Garis

Kesetimbangan

– STRIPPING, Garis

Operasi terletak di

BAWAH Garis

Kesetimbangan

KASUS PEMBATAS

KASUS PEMBATAS

1 1

*

₊ +

−

−

=

n n n n M

y

y

y

y

η

5

(

L V

)

_min

Ö

Garis Operasi dengan “Terminasi Tahapan” pada Garis Kesetimbangan

Ö

Merupakan Jumlah Tahap “Tak Berhingga”

Ö

(

L V

)

_min

dapat terjadi pada perpotongan pertama garis lurus dari titik akhir

terhadap Garis Kesetimbangan

5

(

L V

)

_desain

=

(

L V

)

_min

×

faktor

Ö

Perancangan “Titik Terminal” didasarkan pada NERACA MASSA

Ö

Merupakan Jumlah Tahap “Berhingga”

Ö

Jika “Lebih Kecil dari TAHAP KESETIMBANGAN”, dapat menggunakan

EFISIENSI MURPHREE

Jatuh Tekanan pada PACKING

• EFISIENSI PENGONTAKAN dalam ABSORBER:

– Luas PERMUKAAN/Satuan VOLUME

– HIDRODINAMIKA Kolom

• Luas PERMUKAAN:

– TABEL/Referensi tentang “RANGE OF PACKING”

– TABEL 14.7b dalam PERRY’S

• Kondisi-kondisi BATAS/Limit:

– FLUKS rendah → CHANNELING OR WEEPING

– FLUKS tinggi → FLOODING

Korelasi Jatuh Tekanan

• DATA Empiris:

– PERRY’S FIG. 14-48

THRU 14-59

– FIG. 10-6-5 &10.6-6

• BASIS: aliran kering

• Limit FLOODING

– F

_P

TABLE ??

0.7

. . .

0.115

(10.6 1)

flood P

in w c

P

F

ft Packing

⎛

⎞

Δ

_⎜

_⎟

=

−

⎝

⎠

PERANCANGAN FLUKS

• DIAMETER KOLOM didasarkan pada PERHITUNGAN

FLUKS:

– Secara normal, ditentukan oleh Laju Alir Gas/Uap (VAPOR FLUX)

• Rentang Nilai Perancangan yang direkomendasikan: 65%

sampai dengan 80% dari batas “FLOODING”

• Data EKSPERIMENTAL:

– METODA TERBAIK

– Ada “EDGE EFFECTS” untuk Uji Kolom Kecil

• Anti KABUT (MIST ELIMINATOR):

– Termasuk dalam PERANCANGAN

– Memperhitungkan “Tetesan Terikutkan” (ENTRAINED DROPLETS)

yang terbentuk (masih ada) di atas PACKING

1 N+

V, y

1

V, y

0

L, x

N

L, x

Skematisasi Operasi Absorpsi

CONTOH: Soal #2

CONTOH: Soal #2

Dari data yang telah dihitung dan ditabelkan pada contoh soal #1 di atas,

hitunglah laju cairan minimum (

L

_min

) berupa air murni yang diperlukan

untuk mengabsorpsi 90 %-v gas

SO

₂

dalam aliran gas utama yang

memiliki laju alir (

Q

_{G i,}

) sebesar 84,9 m

3

per menit (3.000 acfm) yang

mengandung 3 %-v

SO

₂

!

Gambarkan pula kurva garis operasi aktualnya !

Suhu operasi yang digunakan adalah 293,15 K dan tekanannya 101,3 kPa

(1 atm).

CONTOH: Soal #2

CONTOH: Soal #2

Jawaban:

Seperti jawaban sebelumnya, sistematika jawaban soal #2 ini juga diberikan dalam beberapa tahap untuk dapat mempermudah para mahasiswa dalam mempelajari serta memahaminya.

Tahap

X

: menentukan fraksi-fraksi molar dari polutan dalam fasa gas, yaitu: Y dan ₁

2

Y . Sketsa ilustrasi proses dan pelabelan proses absorpsi yang dimaksud, dapat dibuat sebagai berikut:

CONTOH: Soal #2

CONTOH: Soal #2

1 2

Y

3 % v gas

0,03 fraksi-molar dalam aliran gas umpan (kotor)

SO

=

−

=

2 2

1

Y

pengurangan kadar SO sebesar 90 % v pada aliran gas umpan

(10 %) (Y )

(0,1) (0,03)

0, 003 fraksi-molar dalam aliran gas keluar (bersih)

=

−

=

⋅

=

⋅

CONTOH: Soal #2

CONTOH: Soal #2

Tahap

Y

: menentukan fraksi molar gas SO dalam cairan (pelarut air) yang keluar meninggalkan₂

absorber untuk memenuhi efisiensi absorpsi yang diinginkan. Pada laju cairan absorben yang minimum, fraksi-molar gas polutan yang memasuki absorber (= Y₁) berada dalam kesetimbangan dengan fraksi-molar cairan yang meninggalkan absorber (= X₁). Dalam hal ini, cairan absorben akan menjadi terjenuhkan oleh adanya SO yang terlarut. Dalam₂

kondisi kesetimbangan tersebut, berlaku:

1 1

Y

=

H ′

⋅

X

Dan, konstanta HENRY ( H ′= ) yang didapat dari soal sebelumnya adalah:

2 2

fraksi-molar di udara (fasa gas) 42,7

fraksi-molar di dalam air

SO H SO ′ = sehingga 1 1 Y X 0,03 42, 7 0, 000703 H = ′ = =

CONTOH: Soal #2

CONTOH: Soal #2

Tahap

Z

: menghitung rasio massa (molar) cairan-terhadap-gas (

m

m

L

G

=

)

menggunakan persamaan:

(

)

m 1 2 1 2 m

Y

Y

L

X

X

G

−

=

⋅

−

sehingga

(

)

(

)

(

)

(

)

1 2 m m _min 1 2

Y

Y

X

X

0,03

0,003

0,000703

0,0

g-mol air

38, 4

g-mol udara

L

G

−

⎛

⎞

=

⎜

⎟

₋

⎝

⎠

−

=

−

=

CONTOH: Soal #2

CONTOH: Soal #2

Tahap

[

: konversikan terlebih dahulu, laju alir volum gas (bersih)

yang keluar dari absorber menjadi laju alir molar (

=

G

_{m o,}

),

yaitu dari satuan

⎡

_⎣

m menit

3

⎤

_{⎦ menjadi}

[

mol menit .

]

Diketahui dari Hukum Avogadro untuk gas ideal: pada 0 °C

dan tekanan 101,3 kPa (= 1 atm), terdapat 0,0224

m g-mol

3

gas.

Terlebih dahulu, konversikan volume-molar gas dari

0°C ke

keadaan 20°C (dari 273,15 ke 293,15 K), menggunakan

persamaan gas ideal:

1 1 2 2

1 2

P V

P V

T

T

CONTOH: Soal #2

CONTOH: Soal #2

dalam hal ini, untuk tekanan sistem yang sama (pada 1 atm), diperoleh:

1 1 2 2 1 1 2 2 1 2 1 2

P V

P V

P V

T

V

T

T

T

P

⎛

⎞ ⎛

⎞

⋅

⋅

⋅

=

⇒

=

_⎜

_{⎟ ⎜}

⋅

_⎟

⎝

⎠ ⎝

⎠

yang berarti

( )

₁ 3 20 C 3

1 0, 0224

293,15

m g-mol gas

273,15

1

0,0240 m g-mol gas

V

_°

=

⎛

_⎜

⋅

⎞ ⎛

_{⎟ ⎝}

⋅⎜

⎞

_⎟

⎠

⎝

⎠

=

sehingga

( )

_{20 C} , ₃ 3 3

1 g-mol gas

0,0240 m

1 g-mol gas

84,9 m menit

0,0240 m

3538 g-mol gas (udara) menit

= 3,538 kg-mol gas (udara) menit

m G i

G

_°

=

Q

⋅⎜

⎛

⎞

⎟

⎝

⎠

⎛

⎞

=

_⋅⎜

_⎟

⎝

⎠

=

CONTOH: Soal #2

CONTOH: Soal #2

Tahap

\

: menghitung laju alir minimum cairan (= L_m,min). Dalam hal ini, rasio minimum

cairan-terhadap-gas (udara) telah dihitung pada Tahap-Z

,

yang harganya:

m m min g-mol air 38, 4 g-mol udara L G ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ yang berarti:

( )

Lm _min = 38, 4⋅

( )

Gm _{20 C°}

sedangkan, dari langkah atau Tahap-[ diperoleh

( )

G_{m 20 C°} = 3,538 kg-mol gas (udara) menit sehingga didapat:

( )

_{m min} 38, 4 3,538

(

)

kg-mol air

menit kg-mol air 135,86 menit L = ⋅ =

untuk satuan massa air, didapatkan:

( )

_{m min} 2445,5 kg air menit

CONTOH: Soal #2

CONTOH: Soal #2

Tahap

]

: sketsa kurva garis operasi dan juga garis kesetimbangannya adalah sbb:

Kelandaian (slope) garis operasi minimum adalah = 38,4; dengan koordinat [0; 0,003] di puncak menara dan [0,00073;0,03] di dasar.

Garis operasi aktual dibuat dengan asumsi: kelandaiannya lebih besar 1,3 x kelandaian garis operasi minimum, yaitu 1,3 x 38,4 ≈ 50; dengan koordinat [0; 0,003] di puncak menara dan [0,00054;0,03] di dasar Æ diperoleh jumlah tahap 6.

CONTOH: Soal #2

Sampai Hari RABU