Bab 2 Absorpsi

BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1 Dasar Teori II.1.1 Pengertian absorpsi

Absorpsi 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 terse but 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 (Redjeki, 2012). Dalam proses absorpsi, zat yang diserap masuk ke bagian dalam zat penyerap. Misalnya peristiwa pelarutan (gas ke dalam zat cair atau zat padat), difusi (zat cair ke dalam zat padat), warna yang diserap oleh suatu benda (warna absorpsi), penyerapan sinar bias oleh suatu zat pada peristiwa bias kembar (absorpsi selekti f) dan penyerapan energi oleh elektron di dalam satuan atom (spectrum absorpsi). Sedangkan pengertian absorpsimetri adalah metode analisis untuk menentukan komposisi suatu zat dengan mengukur cahaya yang diserap bahan itu. Misalnya, dengan mengetahui frekuensi war na cahaya yang diserap, dapat ditentukan jenis zat penyerap (Taylor, 2013). Difusi adalah proses pergerakan zat dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Perbedaan konsentrasi yang ada pada dua larutan disebut gradien konsentrasi. Difusi akan terus terjadi hingga seluruh partikel tersebar luas secara merata atau mencapai keadaan kesetimbangan dimana perpindahan molekul tetap terjadi walaupun tidak ada perbedaan konsentrasi (Isyafie, 2011). Menurut Taylor (2013), absorpsi merupakan salah satu proses pemisahan dengan mengontakkan campuran gas dengan cairan sebagai penyerapnya. Penyerap tertentu akan menyerap setiap satu atau lebih komponen gas. Pada absorpsi sendiri ad a dua macam proses yaitu : a. Absorpsi fisik Absorpsi fisik merupakan absorpsi dimana gas terlarut dalam cairan penyerap tidak disertai dengan reaksi kimia. Contoh absorpsi ini adalah absorpsi gas H2S dengan air, metanol, propilen, dan karbonat. Penyerapan terjadi karena adanya

II-1

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

interaksi fisik, difusi gas ke dalam air, atau pelarutan gas ke fase cair. Da ri asborbsi fisik ini ada beberapa teori untuk menyatakan model mekanismenya, yaitu : 1. Teori model film 2. Teori penetrasi 3. Teori permukaan yang diperbaharui b. Absorpsi kimia Absorpsi kimia merupakan absorpsi dimana gas terlarut didalam larutan penyerap disertai dengan adanya reaksi kimia. Contoh absorpsi ini adalah absorpsi dengan adanya larutan MEA, NaOH, K 2CO3, dan sebagainya. Aplkasi dari absorpsi kimia dapat dijumpai pada proses penyerapan gas CO2 pada pabrik amoniak. Penggunaan absorpsi kimia pada fase kering sering digunakan untuk mengeluarkan zat terlarut secara lebih sempurna dari campuran gasnya. Keuntungan absorpsi kimia adalah meningkatnya koefisien perpindahan massa gas, sebagian dari perubahan ini disebabkan makin besarnya luas efektif permukaan. Absorpsi kimia dapat juga berlangsung di daerah yang hampir stagnan disamping penangkapan dinamik. Hal-hal menurut (Primasto, 2015) yang mempengaruhi dalam proses absorpsi: 

Luas Permukaan Kontak Semakin besar permukaan gas dan pelarut yang kontak, maka laju absorpsi yang terjadi juga akan semakin besar. Hal ini dikarenakan, permukaan kontak yang semakin luas akan meningkatkan peluang gas untuk berdifusi ke pelarut.



Laju Alir Fluida Jika laju alir fluida semakin kecil, maka waktu kontak antara gas dengan pelarut akan semakin lama. Dengan demikian, akan meningkatkan jumlah gas yang berdifusi.



Tekanan Operasi Peningkatan tekanan akan meningkatkan efisiensi pemisahan.



Temperatur Komponen Terlarut dan Pelarut Temperatur pelarut hanya sedikit berpengaruh terhadap laju absorpsi.

Laboratorium Proses Pemisahan dengan Perpindahan Panas, Massa secara Simultan Departemen Teknik Kimia Industri Fakultas Vokasi Institut Teknologi Sepuluh Nopember II-2




Konsentrasi Gas Perbedaan konsentrasi merupakan salah satu driving force dari proses difusi yang terjadi antar dua fluida. Menurut Firdaus (2011), pemilihan solvent umumnya dilakukan sesuai dengan tujuan

absorpsi, antara lain: 

Jika tujuan utama adalah untuk menghasilkan larutan yang spesifik, maka solvent ditentukan berdasarkan sifat dari produk.



Jika tujuan utama adalah untuk menghilangkan kandungan tertentu dari gas, maka ada banyak pilihan yang mungkin. Misalnya air, dimana merupakan solven yang paling murah dan sangat kuat untuk senyawa polar. Syarat mutlak dalam suatu proses absorpsi menurut (Geankoplis, 1983) adalah

kelarutan solute dalam solvent harus lebih besar daripada kelarutannya dalam carrier. Beberapa pertimbangan yang perlu diperhatikan dalam pemilihan pelarut agar proses absorpsi berlangsung antara lain yaitu: 1. Kelarutan Gas Kelarutan gas harus tinggi sehingga meningkatkan laju absorpsi dan menurunkan kuantitas solvent yang diperlukan. Umumnya solvent yang memiliki sifat yang sama dengan bahan terlarut akan lebih mudah dilarutkan. Jika gas larut dengan baik di dalam fraksi mol yang sama pada beberapa jenis solvent, maka dipilih solvent yang memiliki berat molekul paling kecil agar didapatkan fraksi mol gas terlarut yang lebih besar. Jika terjadi reaksi kimia dalam operasi absorpsi maka umumnya kelarutan akan sangat besar. Namun bila solvent akan di-recovery maka reaksi tersebut harus reversible. Sebagai contoh, etanol amina dapat digunakan untuk mengabsorpsi hydrogen sulfide dari campuran gas karena sulfide tersebut sangat mudah diserap pada suhu rendah dan dapat dengan mudah dilucut pada suhu tinggi. Sebaliknya, soda kaostik tidak digunakan dalam kasus ini karena walaupun sangat mudah menyerap sulfide tapi tidak dapat dilucuti dengan operasi stripping. 2. Volatilitas Pelarut harus memiliki tekanan uap yang rendah, karena jika gas yang meninggalkan kolom absorpsi jenuh terhadap pelarut maka akan banyak solvent yang terbuang. Jika



diperlukan dapat digunakan cairan pelarut kedua yang volatilitasn ya lebih rendah untuk menangkap porsi gas yang teruapkan. Aplikasi ini umumnya digunakan pada kilang minyak dimana terdapat menara absorpsi hidrokarbon yang menggunakan pelarut hidrokarbon yang cukup volatile dan di bagian atas digunakan minyak nonvolatile untuk me-recovery pelarut utama. Demikian juga halnya dengan hydrogen sulfide yang diabsorpsi dengan natrium fenolat lalu pelarutnya di-recovery dengan air. 3. Korosivitas Pelarut hendaknya memiliki korosivitas kecil, sehingga material konstruksi alat tidak terlalu mahal. Solvent yang korosif dapat merusak kolom. 4. Harga Pelarut Penggunaan solvent yang mahal dan tidak mudah di-recovery akan meningkatkan biaya operasi kolom. 5. Ketersediaan Ketersediaan pelarut di dalam negeri akan sangat mempengaruhi stabilitas harga pelarut dan biaya operasi secara keseluruhan. 6. Viskositas Pelarut harus mempunyai harga viskositas yang rendah sehingga proses absorpsi berjalan cepat, pressure drop kecil pada saat pemompaan, memberikan sifat perpindahan panas yang baik dan meningkatkan karakteristik floading dalam menara absorpsi. 7. Hal-hal lain yang meliputi: solvent harus nontoxic, nonflammable, memiliki komposisi kimia yang stabil dan titik bekunya rendah. Pada proses absorpsi terdapat minimal tiga komponen yang terlibat di dalamnya, yaitu: komponen gas terlarut yang disebut solute atau absorbat , komponen gas pembawa atau carrier , dan komponen cairan pelarut yang disebut solvent atau absorben.

II.1.2 Teori Dasar Peristiwa Absorpsi

Teori dasar yang menjelaskan tentang peristiwa absorpsi, yaitu antara lain:



1. Teori Dua Film (Double Film Theory) Pada berbagai proses pemisahan, materi berdifusi dari satu fase ke fase lainnya, dan laju difusi di dalam kedua fase tersebut mempengaruhi laju perpindahan massa keseluruhan. Dalam teori ini Whitman menyatakan bahwa kesetimbangan diasumsikan terjadi pada permukaan batas (interface) antara fas e gas dan cairan sehingga tahanan perpindahan massa pada kedua fase ditambahkan untuk memperoleh tahanan keseluruhan. Model ini menggambarkan tentang adanya lapisan difusi. Per pindahan massa yang terjadi ditentukan oleh konsentrasi dan jarak perpindahan massa, yaitu ketebalan film tersebut. Jika cairan mempunyai komposisi tetap, konsentrasi pada bagian film akan menurun dari A* pada permukaan sampai A o pada cairan bagian ruah. Di sini tidak terjadi konveksi pada film dan gas terlarut melewati film tersebut hanya oleh difusi molekuler.

Gambar II.1 Profil Model Dua Film

Proses difusi berlangsung efektif bila lapisan film tipis. Lapisan film yang tipis akan meniadakan terjadinya tahanan dari lapisan itu (tahanan makin kecil), sehingga proses perpindahan massa tidak terganggu. Untuk mendapatkan lapisan yang tipis, kondisi dari kedua aliran fase harus diatur yaitu diusahakan membuat aliran yang turbulen, karena pada lapisan film yang tipis akan diperoleh gradien konsentrasi yang kecil, sehingga proses absorpsi berjalan sangat cepat dengan keadaan menjadi steady state. Ketika suatu zat ditranfer dari satu fase ke fase yang lain melalui suatu interface diantara keduanya maka resistance di kedua fase tersebut menyebabkan gradien konsentrasi yang dapat dilihat sebagai berikut :



Gambar II.2 Gradien Konsentrasi di Dekat Interface Gas-Liquid

Untuk sistem dimana konsentrasi solute dalam gas dan liquid adalah kecil, maka laju transfer massa dapat dinyatakan oleh persamaan yang memperkirakan laju transfer massa yang sebanding dengan perbedaan diantara konsentrasi bulk dan konsentrasi dalam interface gal-liquid.

NA = k G’(p-pi) = k L’(ci-c)

Dimana :

NA

= Laju transfer massa

k G’

= Koefisien laju transfer massa fase gas

p

= Tekanan parsial solute dalam bulk gas

pi

= Tekanan parsial solute dalam interface

k L’

= Koefisien transfer massa pada fase liquid

ci

= Konsentrasi solute pada interface

c

= Konsentrasi solute pada bulk liquid. Secara definisi, koefisien transfer massa k G’ dan k L’ adalah perbandingan antara flux

massa molal NA terhadap driving forse konsentrasi (p-pi) dan (ci-c). suatu alternatif untuk menyatakan laju transfer dalam sistim yang encer adalah sebagai berikut :

NA = k G(y-yi) = k L(xi-x)

NA = Laju transfer massa, kG

= Koefisien laju transfer massa fase gas

y

= Fraksi mol solute dalam bulk gas,

yi

= Fraksi mol solute dalam interfase,



kL

= Koefien transfer massa pada fase liquid

xi

= Fraksi mol solute pada interfase

x

= Fraksi mol solute pada bulk liquid.

Perbandingan harga koefisien transfer massa pada fase liquid dengan fase gas akan didapatkan:

kL kG

=

(y-yi) (xi-x)

Dan apabila diplot secara grafis dengan melibatkan komposisi kesetimbangan antara uap dan cair dan operating line akan didapatkan hubungan kesetimbangan.

y* = F(x)

Dimana : y* adalah fraksi mol solute yang berkesetimbangan dengan fraksi mol solute x. Jika hubungan kesetimbangan merupakan grafik sederhana (yang pada umumnya mendekati garis lurus karena konsentrasi solute yang rendah) maka laju transf er massa akan sebanding dengan perbedaan konsentrasi bulk di fase pertama dengan konsentrasi bulk di fase kedua yang berada di fase pertama. Sehingga penyelesaian laju transfer massa akan menjadi:

NA = K G(y-y*) = k L(xi-x) = k G(y-yi) = K L(x*-x)

Dimana :

KG

= Koefisien transfer massa overall dalam fase gas

KL

= Koefisien transfer massa overall dalam fase liquid

2. Teori Penetrasi Teori penetrasi ini dikemukakan oleh Higbie. teori menyatakan mekanisme perpindahan massa melalui kontak antara dua fasa, yaitu fasa gas dan fasa liquid. Dalam pernyataannya, Higbie menekankan agar waktu kontak lebih lama. Higbie, untuk pertama kalinya menerapkan teori ini untuk absorpsi gas dalam liquida yang



menunjukkan bahwa molekul-molekul yang berdifusi tidak akan mecapai sisi lapisan tipis yang lain jika waktu kontaknya pendek. Teori Higbie ini menyebutkan bahwa turbulensi akan menaikkan difusivitas pusaran, hal ini akan menentukan waktu kontak perpindahan massa yang terjadi untuk setiap keadaan massa. Difuivitas pusaran ini terjadi dalam keadaan setimbang antara fase gas dan liquid.

3. Teori Danckwerts Teori penetrasi juga dikembangkan oleh Danckwerts yang menyatakan bahwa unsur-unsur fluida pada permukaan secar a acak akan diganti oleh fluida lain yang lebih segar dari aliran tindak. Teori ini digunakan dalam keadaan khusus di mana dianggap massa difusivitas pusaran berlangsung dalam waktu yang bervariasi dan dianggap laju perpindahan massa tidak tergantung dari waktu perpindahan unsur dalam fase cairan tindak pada keadaan stagnan. Sehingga perpindahan massa yang terjadi di interfacemerupakan harga dari jumlah zat yang terabsorpsi. Jadi dianggap bahwa perpindahan unsur secara tindak fase cairan menuju interface tidak akan mempengaruhi kecepatan perpindahan massanya.

II.1.3 Prinsip Kerja Kolom Absorpsi

Gambar II.3 Konfigurasi Absorber-Stipper



Udara yang mengandung komponen terlarut (misalnya CO2) dialirkan ke dalam kolom pada bagian bawah. Dari atas dialirkan alir. Pada saat udara dan air bertemu dalam kolom isian, akan terjadi perpindahan massa. Dengan menganggap udara tidak larut dalam air (sangat sedikit larut),maka hanya gas CO2 saja yang berpindah ke dalam fase air (terserap). Semakin ke bawah, aliran air semakin kaya CO2. Semakin ke atas ,aliran udara semakin miskin CO2. Pada Gambar II.3 memperlihatkan satu konsep menangkap CO2 yang fleksibel yang memungkinkan sebuah pabrik dipasang dengan menangkap CO2 untuk mendapatkan kembali sebagian output pra-ambil dengan kembali uap pengupasan CO2 ke turbin LP untuk menghasilkan listrik. Kerja kompresi CO2 kemudian jatuh karena ada sedikit CO2 yang akan dikompresi, meskipun laju aliran kompresor minimum mungkin memerlukan daur ulang CO2 pada beban capture rendah. Selama parsial-beban menangkap CO2, satu pendekatan operasi untuk uap dan aliran pelarut kaya untuk stripper menjadi berkurang secara bersamaan dan sama-sama. Penelitian sebelumnya telah menyarankan bahwa ini adalah pendekatan yang terbaik untuk meminimalkan hukuman efisiensi dan menjaga stabilitas sistem. Kaya pelarut dialihkan dari stripper yang didaur ulang ke absorber, penurunan penghapusan sehingga CO2 dan meningkatkan emisi sebagai pelarut menjadi jenuh dengan CO2. Peningkatan emisi CO2 bisa dikenakan biaya tambahan CO2, namun parsial-beban menangkap CO2 bisa menguntungkan jika penjualan listrik tambahan mengimbangi kenaikan biaya emisi CO2. Peralatan yang digunakan dalam operasi absorpsi mirip dengan yang digunakan dalam operasi distilasi. Namun demikian terdapat beberapa perbedaan menonjol pada kedua operasi tersebut, yaitu sebagai berikut: 

Umpan pada absorpsi masuk dari bagian bawah kolom, sedangkan pada distilasi umpan masuk dari bagian tengah kolom.



Pada absorpsi cairan solven masuk dari bagian atas kolom di bawah titik didih, sedangkan pada distilasi cairan solven masuk bersama-sama dari bagian tengah kolom.



Pada absorpsi difusi dari gas ke cairan bersifat irreversible, sedangkan pada distilasi difusi yang terjadi adalah equimolar counter diffusion.


BAB II TINJAUAN PUSTAKA 

Rasio laju alir cair terhadap gas pada absorpsi lebih besar dibandingkan pada distilasi.

II.1.4 Aplikasi Absorpsi

Absorpsi dalam dunia industri digunakan untuk meningkatkan nilai guna dari suatu zat dengan cara merubah fasenya. 1. Proses Pembuatan Formalin Formalin yang berfase cair berasal dari formaldehid yang berfase gas dapat dihasilkan melalui proses absorpsi. Teknologi proses pembuatan formalin Formaldehid sebagai gas input dimasukkan ke dalam reaktor. Output dari reaktor yang berupa gas yang mempunyai suhu 182 0C didinginkan pada kondensor hingga suhu 55 0C, dimasukkan ke dalam absorber. Keluaran dari absorber pada tingkat I mengandung larutan formalin dengan kadar formaldehid sekitar 37 – 40%. Bagian terbesar dari metanol, air,dan formaldehid dikondensasi di bawah air pendingin bagian dari menara, dan hampir semua removal dari sisa metanol dan formaldehid dari gas terjadi dibagian atas absorber dengan counter current contact dengan air proses. 2. Proses Pembuatan Asam Nitrat Pembuatan asam nitrat (absorpsi NO dan NO2). Proses pembuatan asam nitrat Tahap akhir dari proses pembuatan asam nitrat berlangsung dalam kolom absorpsi. Pada setiap tingkat kolom terjadi reaksi oksidasi NO menjadi NO2 dan reaksi absorpsi NO2 oleh air menjadi asam 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. Dua fluks keluar yaitu asam nitrat produk dan gas buang. Kolom absorpsi dirancang untuk menghasilkan asam nitrat dengan konsentrasi 60 % berat dan kandungan NOx gas buang tidak lebih dari 200 ppm. Aplikasi absorpsi lainnya seperti proses pembuatan urea, produksi ethanol, minuman berkarbonasi, fire extinguisher, dry ice, supercritical carbon dioxide dan masih banyak lagi aplikasi absorpsi dalam industri. Selain itu absorpsi 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 CO2 sebagai akibat reaksi dengan NaOH, maka perbandingan konsentrasi CH4 dengan CO2 menjadi lebih besar untuk konsentrasi CH4.

Gambar II.4 Contoh Penyerapan CO2

Absorpsi CO2 dari campuran biogas ke dalam larutan NaOH dapat dilukiskan sebagai berikut: 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 CO32-.

II.1.5 Jenis Menara Absorpsi

Menurut Firdaus (2011), ada beberapa jenis menara absorpsi, yaitu: a

Sieve Tray Bentuknya mirip dengan peralatan distilasi. Pada Sieve Tray, uap menggelembung ke atas melewati lubang-lubang sederhana berdiameter 3-12 mm melalui cairan yang mengalir. Luas penguapan atau lubang-lubang ini biasanya sekitar 5-15% luas tray. Dengan mengatur energi kinetik dari gas dan uap yang mengalir, maka dapat diupayakan agar cairan tidak mengalir melaui lubang-lubang tersebut. Kedalaman cairan pada tray dapat dipertahankan dengan limpasan (overflow) pada tanggul (outlet weir).



Gambar II.5 Sieve Tray

b

Valve Tray Valve Tray adalah modifikasi dari Sieve Tray dengan penambahan katupkatup untuk mencegah kebocoran atau mengalirnya cairan ke bawah pada saat tekanan uap rendah. Dengan demikian alat ini menjadi sedikit lebih mahal daripada Sieve Tray, yaitu sekitar 20%. Namun demikian alat ini memiliki kelebihan yaitu rentang operasi laju alir yang lebih lebar ketimbang Sieve Tra y.

Gambar II.6 Valve Tray

c

Spray Tower Liquid masuk dispraykan dan jatuh karena gravitasi, aliran gas naik berlawanan arah. Nozzle (lubang) spray berfungsi untuk memperkecil ukuran liquid. Jarak jatuhnya liquid ditentukan berdasarkan waktu kontak dan pengaruh



jumlah massa yang dipindahkan. Spray Tower digunakan untuk perpindahan massa gas-gas yang sangat mudah larut dimana tahanan fasa gas yang menjadi kendali dalam fenomena ini (Redjeki, 2012).

Gambar II.7 Spray Tower

d Bubble Cap Tray Jenis ini telah digunakan sejak lebih dari seratus tahun lalu, namun penggunaannya mulai digantikan oleh jenis Valve Tray sejak tahun 1950. Alasan utama berkurangnya penggunaan Bubble Cap Tray adalah alasan ekonomis, dimana desain alatnya yang lebih rumit sehingga biayanya menjadi lebih mahal. Jenis ini digunakan jika diameter kolomnya sangat besar.

Gambar II.8 Bubble Cap Tray



e Packed Bed Jenis ini adalah yang paling banyak diterapkan pada menara absorpsi. Packed Column lebih banyak digunakan mengingat luas kontaknya dengan gas. Packed Bed berfungsi mirip dengan media filter, dimana gas dan cairan akan tertahan dan berkontak lebih lama dalam kolom sehingga operasi absorpsi akan lebih optimal. Beragam jenis packing telah dikembangkan untuk memperluas daerah dan efisiensi kontak gas-cairan. Ukuran packing yang umum digunakan adalah 3-75 mm. Bahan yang digunakan dipilih berdasarkan sifat inert terhadap komponen gas maupun cairan solven dan pertimbangan ekonomis, antara lain tanah liat, porselin, grafit dan plastik. Packing yang baik biasanya memenuhi 60-90% dari volume kolom.

Gambar II.9 Packed Bed II.1.6 Pemilihan Packing

Dalam rangka memperluas permukaan kontak antara fase gas-cair, di gunakan bahan berisi packing (packed column). Pemilihan packing dilakukan dengan mempertimbangkan hal-hal sebagai berikut: 1. Memiliki luas permukaan terbasahi tiap unit volum yang besar 2. Memiliki ruang kosong yang cukup besar sehingga kehilangan tekanan kecil 3. Karakteristik pembasahan baik 4. Densitas kecil agar berat kolom keseluruhan kecil 5. Tahan korosi dan ekonomis (Perry, 1984)



II.2 Aplikasi Industri




Bab 2 Absorpsi

Recommend Documents