DASAR TEORI TAMBAHAN

1. Definisi dan Prinsip Dasar Absorbsi

Gambar 1. Kolom absorber Absorpsi merupakan proses yang terjadi ketika suatu komponen gas (absorbat) berdifusi ke dalam cairan (absorben) dan membentuk suatu larutan. Prinsip dasar dari absorpsi adalah memanfaatkan besarnya difusivitas molekul-molekul gas pada larutan tertentu dan dapat dilakukan pada gas-gas atau cairan yang relatif berkonsentrasi rendah maupun yang berkonsentrasi tinggi (konsentrat). Bila campuran gas dikontakkan dengan cairan yang mampu melarutkan salah satu komponen dalam gas tersebut dan keduanya dikontakkan dalam jangka waktu yang cukup alam pada suhu tetap, maka akan terjadi suatu kesetimbangan dimana tidak terdapat lagi perpindahan massa. Driving force dalam perpindahan massa ini adalah tingkat konsentrasi gas terlarut (tekanan parsial) dalam total gas melebihi konsentrasi kesetimbangan dengan cairan pada setiap waktu. Sebagai contoh adalah penyerapan ammonia dari campuran ammonia-udara oleh zat inert. Campuran amonia-udara dengan konsentrasi tertentu memasuki bagian bawah kolom absorpsi, bergerak anik secara berlawanan arah (countercurrent) dengan zat inert yang bergerak turun melalui bagian atas kolom, gas amonia yang terlarut dalam udara yang keluar akan turun dan sementara konsentrasi amonia dalam zat inert akan naik. Setelah absorspsi terjadi, maka zat inert akan diregenerasi kembali dengan cara distilasi sehingga gas amonia yang terbawa dapat terlepas dari gas inert. Selanjutnya zat inert akan digunakan kembali untuk penyerapan amonia yang masih tersisa di campuran amonia-udara. Hal yang perlu diketahui dalam aplikasi absorpsi adalah bahwa laju absorpsi dapat ditingkatkan dengan cara memperluas permukaan kontak. Tabel 1. Perbedaan distilasi, absorpsi, ekstraksi, dan leachingDistilasiAbsorpsiEkstraksiLeaching

Prinsip pemisahanPerbedaan titik didih dan tekanan uapPerbedaan difusivitas dan tekanan uapPerbedaan sifat fisika dan kimia-

Fasa Cair - GasCair - GasCair - CairPadat Cair

Kondisi operasi : suhu tekananSuhu masuk dan keluar berbedaSuhu dan tekanan tetapSuhu dan tekanan tetapSuhu dan tekanan tetap

Peralatan paling banyak dipakaiTray columnPacked column--

2. Jenis-jenis Kolom Absorber Sieve trayPada kolom absorber jenis ini uap akan mengalir ke atas melalui lubang-lubang berukuran diameter 3-12 mm dan melalui cairan absorben yang mengalir. Luas penguapan atau lubang-lubang ini biasanya sekitar 5-15% luas tray. Dengan mengatur energi kinetika dari gas-gas dan uap yang mengalir melalui lubang ini, maka dapat diupayakan agar cairan tidak jatuh mengalir melalui lubang-lubang tersebut. Kedalaman cairan pada tray dipertahankan dengan overflow pada tanggul (outlet weir). Valve trayMenara valve tray adalah bentuk modifikasi dari bentuk menara sieve tray dengan penambahan katup-katup (valves) untuk mencegah kebocoran atau mengalirnya cairan ke bawah pada saat tekanan uap rendah. Oleh karena itu, valve tray menjadi sedikit lebih mahal daripada sieve tray. Kelebihan valve tray adalah memilliki rentang operasi laju alir yang lebih lebar daripada sieve tray. Spray tower Menara jenis ini memiliki tingkat efisiensi yang rendah. Bubble-cap trayJenis ini telah dipakai lebih dari 100 tahun lalu, namun penggunaannya mulai digantikan oleh jenis valve tray sejak tahun 1950. Alasan utama berkurangnya pemakaian bubble-cap tray adalah alasan ketidakekonomisan. Packed BedMenara absorpsi ini paling banyak digunakan karena luas permukaan kontak dengan gas yang cukup besar. Sementara itu, aliran fluida dalam kolom absorber dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu: Cross-flow Counter-current Co-current

Gambar Aliran a) Cross-flow dan b) Countercurrent dalam Plate Column3. Aplikasi AbsorbsiAbsorpsi H2O dari gas alamPada plant H2O removal, zat yang akan diabosrb adalah gas pengotor H2O yang terdapat pada gas alam. Absorben yang umum digunakan oleh unit operasi CO2 removal plant adalah Trietilglygol (TEG). Proses absorpsi menggunakan TEG adalah sangat fleksibel dan cocok untuk penghilangan senyawa CO2, H2S, dan sulfur hingga mencapai level yang diinginkan. Spesifikasi gas yang akan diproses dapat bervariasi mulai dari 5% CO2 untuk sales gas atau lebih rendah untuk spesifikasi LNG (kurang dari 50 ppmv CO2, kurang dari 4 ppmv H2S). aMDEA memiliki sifat tidak korosif sehingga membuat senyawa ini menjadi pelarut yang stabil secara kimia dan termal sehingga sebagian besar plant dapat terbuat dari karbon steel. Selain itu juga tidak dibutuhkan pasivator logam berat atau korosi inhibitor. Sistem aktivator tidak membentuk produk degradasi korosi yang tinggi. Hal tersebut akan mencegah masalah seperti korosi, erosi, pembentukan scaling, dan foaming.4. Neraca Massa AbsorbsiUntuk memahami persamaan neraca massa yang berlaku pada kolom absorber, perhatikan gambar berikut:

Gambar. Diagram neraca massa untuk packed column

Neraca massaPada menara absorpsi akan terjadi variasi komposisi secara kontinu dari suatu stage ke stage lain diatasnya. Neraca massa bagian atas kolom Neraca massa total : La + V = L + Va(1)Neraca massa komponen A :Laxa + Vy = Lx + Vaya(2)Neraca massa keseluruhan Neraca massa total : La + Vb = Lb + Va (3)Neraca massa komponen A: Laxa + Vbyb = Lbxb + Vaya (4)

Persamaan garis operasinya :5)Ket:V= laju alir molal fasa gas dan L adalah fasa liquid pada titik yang sama di menara.5. Koefisien Transfer Massa Gas Menyeluruh Koefisien transfer massa gas menyeluruh (Overall Mass Transfer Coefficient, gas concentration) merupakan parameter yang erat kaitannya dengan laju difusi atau perpindahan massa gas ke liquid. Semakin besar nilai koefisien, semakin besar pula laju difusi gas. Persamaan yang digunakan untuk menentukan KOG adalah sebagai berikut:

(6)Ket:KOG= koefisien transfer massa gas menyeluruh (gr.mol/atm.m2.sekon)

Ga= jumlah gas terlarut dalam liquid

a= luas spesifik (440 m2/m3)

AH= volume kolom

Pi= Fraksi mol inlet tekanan total

Po= Fraksi mol outlet tekanan total

Persamaan diatas menunjukkan bahwa semakin besar nilai koefisien transfer massa gas, maka jumlah gas yang terlarut dalam liquid akan lebih banyak. Selain itu, persamaan tersebut menunjukkan adanya pengaruh tekanan kolom dalam menentukan nilai koefisien transfer massa gas. Hal ini karena pengaruh adanya isian pada kolom yang menyebabkan pressure drop yang selalu harus diperhitungkan dalam kolom isian. Semakin besar pressure drop maka perpindahan massa gas ke liquid akan semakin kecil.6. Laju Absorpsi

Gambar. Lokasi komposisi antar-muka (interface)Laju absorpsi dapat diketahui dengan menggunakan koefisien individual atau koefisien keseluruhan berdasarkan pada fasa gas atau liquid. Koefisien volumetrik biasa digunakan pada banyak perhitungan, karena akan lebih sulit untuk menentukan koefisien per unit area dan karena tujuan dari perhitungan desain secara umum adalah untuk menentukan volume absorber total. Laju absorpsi per unit volume packed column ditunjukkan dalam beberapa persamaan dimana x dan y adalah fraksi mol komponen yang diabsorp :r = kya (y yi) (7)r = kxa (xi x)(8)r = Kya (y y*)(9)r = Kxa (x* x)(10)Komposisi antar-muka (yi,xi) dapat diperoleh dari diagram garis operasi menggunakan persamaan (7) dan (8) :

(11)Driving force keseluruhan dapat dengan mudah ditentukan sebagai garis vertikal atau horizontal pada diagram x-y. Koefisien keseluruhan diperoleh dari kya dan kxa menggunakan slope lokal kurva kesetimbangan m.

(12)

(13)7. 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 mengandunglarutanformalin dengan kadarformaldehid sekitar 3740%. 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 NO2dan reaksi absorpsi NO2oleh 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 untukmenghasilkan 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 CO2langsung bereaksi dengan larutan NaOH sedangkan CH4tidak. Dengan berkurangmya konsentrasi CO2sebagai akibat reaksi dengan NaOH, makaperbandingan konsentrasi CH4dengan CO2menjadi lebih besar untuk konsentrasi CH4. Absorbsi CO2dari campuran biogas ke dalam larutan NaOH dapat dilukiskan sebagaiberikut:CO2(g)+ NaOH(aq) NaHCO3(aq)NaOH(aq)+ NaHCO3Na2CO3(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 CO32-