PREDIKSI SOLUBILITAS GAS CO2 DI DALAM LARUTAN POTASIUM KARBONAT (K2CO3) DAN AMINE (DEA, MEA) MENGGUNAKAN

MODEL ELEKTROLIT UNIQUAC

Industri Petrokimia, Gas Alam, Amonia, dll

CO2 Gas yang bersifat asam (acid

gas) sehingga korosif Mengurangi nilai kalor Menimbulkan pembekuan pada

liquefaction gas alam Meracuni katalis pada pabrik

sintesa amonia, dll

Membrane

Cryogenic

Adsorpsi

Absorpsi

Yang sering digunakan yaitu :• Monoethanolamine(MEA)• Diethanolamine(DEA)• Triethanolamine(TEA)• Diisopropanolamine(DIPA) • Monodiethanolamine(MDEA)• Diglycolamine(DGA)Keunggulan :Laju Absorpsi tinggi, tergantungkekuatan amineKelemahan :• Panas regenerasinya tinggi• korosif dan menimbulkan foaming

Keunggulan :• Panas Absorpsi rendah• Panas regenerasi rendah

Kelemahan :• Laju Absorpsi rendah

Untuk meningkatkanperformance, pelarut K2CO3 ditambahkan

promotor Proses Benfield

Keuntungan :• Penggunaan aktivator amine dapat meningkatkan laju absorpsi• Kemungkinan korosi dan foaming yang terjadi kecil

Kekurangan :• Penggunaan aktivator dan aditif menambah biaya

• Data thermodinamik dan kinetikuntuk larutan K2CO3 denganpromotor PZ

• Penambahan PZ mengurangitekanan parsial KesetimbanganCO2, meningkatkan Laju absorpsiCO2, dan menaikkan panasabsorpsi

• Proses absorpsi disertai reaksikimia gas CO2 memakai larutanK2CO3 dan promotor DEA dengankorelasi ENRTL

• Kenaikan konsentrasi CO2 dalamgas umpan pada temperaturkonstan akan menyebabkankenaikan CO2 loading, kadarKHCO3, kadar CO2 dalamlarutan, tekanan parsialkesetimbangan CO2 , danpenurunan kadar K2CO3

• VLE CO2 pada larutan aqueous MEA untuk 15, 30, 45, dan 60% massaMEA pada suhu 40-120⁰C, dan

memodelkannya menggunakanextended UNIQUAC framework

• Model memberikan representasi yang bagus dari data VLE percobaan untuktekanan parsial CO2 dan tekanan total untuk semua konsentrasi MEA denganaverage absolute relative deviation (AARD) masing-masing 24,3% dan11,7%. Sedangkan data solubilitasfisik direpresentasikan dengan AARD 2,7%

• Evaluasi reaksi kinetik absorpsiCO2 kedalam larutan K2CO3

dengan promotor MEA padakondisi seperti yang terjadi padaindustri CO2 capture plant

• pada 63⁰C, penambahan MEA

pada jumlah kecil 1,1 M (5% berat) dan 2,2 M (10% berat) mempercepat laju overall absorpsi CO2 pada 30% beratpelarut K2CO3 dengan faktormasing-masing 16 dan 45

K2CO3

Panas regenerasirendah, tetapi laju

reaksi lambat

Blending Amine mempercepat laju

absorpsi

Digunakan DEA dan MEA sebagaipromotor padalarutan K2CO3

Perlu diprediksi kelarutan CO2 dalam larutan K2CO3

dengan promotor DEA, MEA

Memprediksi data solubilitas gas CO2 di dalam larutanpotasium karbonat (K2CO3) dengan promotor Amine

(DEA,MEA) pada variasi suhu dengan tekanan 1 atm dan 30 atm menggunakan model elektrolit-UNIQUAC

Data solubilitas yang diperoleh dapat digunakan sebagaiacuan untuk merancang atau melakukan rekayasa

engineering kolom absorpsi/stripping CO2

Untuk sistem CO2-K2CO3-DEA-H2O Kadar K2CO3 : 30 % Kadar DEA : 2% Suhu = 30, 50, 70 oC Tekanan = 1 atm dan 30 atm

Untuk sistem CO2-K2CO3-MEA-H2O Kadar K2CO3 : 22% Kadar MEA : 13,7% Suhu = 40, 60 oC Tekanan = 1 atm dan 30 atm

Studiliteratur, mencari

data, sertapersamaan yang digunakan dalam

perhitungan

Membuat program perhitungan danvalidasi program

Fitting parameter UNIQUAC

Estimasi y CO2 & CO2

loading perhitungan, disesuaikan dengan eksperimenhingga error minimum

Melakukan simulasidengan menggunakanparameter yang telah

didapat

Tekanan Rendah

Tekanan Parsial CO2

Konstanta Henry CO2

Tekanan Parsial H2O

Dimana

Tekanan Tinggi

Tekanan Parsial CO2

Tekanan Parsial H2O

2

*

222 COCOCOCO Hxp

0

2

*

22 COCOCO HH

o

OHOHOHOH pxp 2222

RT

swPPwmvs

wPwmHmmxPmmy

)(,exp

)(,

*

RT

swPP

lwvs

wPswOHOHxPOHOHy

)(exp

2222

TTTH w

CO 005781,0ln95743,21/711,84777126,170ln2

• 2H2O H3O+ + OH – K1

• CO2 + 2H2O HCO3- + H3O

+ K2

• HCO3- + H2O H3O

+ + CO32- K3

• H2O + DEAH+ H3O+ + DEA K4

• DEACOO- + H2O DEA + HCO3 K5

• H2O + MEAH+ H3O+ + MEA K6

• MEACOO- + H2O MEA + HCO3 K7

Konstanta Kesetimbangan Reaksi

Potensial Kimia Standar

TCTCTCCK 4321 ln/ln

o

i

N

i

ijxjKRT

1

ln j =1,2,...,R

Neraca Elemen H

Neraca Elemen C

Neraca Elemen O

0232

tot

H

HCOOHn

nxx tot

03

22 3

tot

totC

HCOCOCOn

nxxx

Neraca Elemen K

Neraca Elemen DEA

Neraca Elemen MEA0332

32

322

tot

totO

HCOCOCOOHn

nxxxx

0tot

DEA

DEAn

nx tot

0tot

MEA

MEAn

nx tot

0

tot

totK

K n

nx

Neraca Komponen H2O

Neraca Komponen CO2

Neraca Komponen HCO3-

Neraca Komponen K

Neraca Komponen CO32-

Neraca Komponen DEA

Neraca Komponen MEA

022

OHOH

022

OCCO

033

OCHHCO

0 KK

0323

OCCO

0 DEADEA

0 MEAMEA

Dimana :

013

2322

DEAKHCOCOCOOH xxxxxx

013

2322

MEAKHCOCOCOOH xxxxxx

ii

o

ii x

RT

lnln

RT

kk

xi = ni /(n tot)

Untuk sistem CO2-K2CO3-DEA- H2O:i = H2O, CO2, DEA, CO3

2-, HCO3-, K+

Untuk sistem CO2-K2CO3-MEA- H2O:i = H2O, CO2, DEA, CO3

2-, HCO3-, K+

Komponen n pelarut

Gamma Debye-Huckel

Gamma Residual

Gamma Combinatorial

)1ln(2

1

11

2ln

3Ib

IbIb

db

dAM

n

sndh

n

nnn

R

n ASq ln1ln

1ln

21lnln

n

n

n

n

n

n

n

n

nC

n qz

xx

Dimana :

dimana l = n,m,i

Komponen solute m

Gamma Debye-Huckel

Gamma Residual

Gamma Combinatorial

Komponen ionik I

Gamma Debye-Huckel

)1ln(21

11

2ln

3

,Ib

IbIb

b

dvA swmdh

m

wlwllll

R

l ASq lnlnln *,

lw

wl

lw

wl

l

l

l

l

l

w

l

w

l

l

l

l

lC

lqr

qr

qr

qrq

z

r

r

r

r

xxlnln

2lnlnln *,

Ib

IAzidh

i

1

ln

2

*,

Di mana : l = m,i

Ionic strength dalam mol fraksi

Ionic strength komponen molekular k

Densitas Campuran Pelarut

Dengan :

Molar Volume (Soave Redlich Kwong Equation of state) :

Koefisien Fugasitas murni :

Koefisien fugasitas dalam campuran :

camp

m

j

ijj

mm

i

m

m

camp

m

m

ii

V

bay

ab

b

RTb

a

V

bZZ

b

b1ln)(

)(

2)(1ln)1(ln

Dimana :

αi (Tri,ωi) = [ 1 + (0.480 + 1.574 ωi – 0.176 ωi2) (1-Tri

1/2)]2

ARD Tek Parsial CO2 = 3,6%

Hubungan antara Tekanan Parsial CO2 terhadap CO2

Loading pada 362,1 K dan 50% Berat DEA

0

20

40

60

80

100

120

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Te

k. P

ars

ial

CO

2(k

Pa

)

CO2 Loading

Perhitungan (Penelitian ini)eksperimen Osman et al (2012)

ARD Altway et al = 5,9%ARD penelitian ini = 4,6%

Hubungan antara Tekanan Parsial CO2 terhadap CO2

Loading pada 303,15 K dengan 30% Berat K2CO3

dan 2% Berat MDEA

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025

Te

k. P

ars

ial

CO

2(k

Pa

)

CO2 loading

Eksperimen Finalis et al (2010)

Perhitungan Altway et al (2010)

Perhitungan (Penelitian ini)

Hubungan antara Tekanan Parsial CO2 terhadap CO2

Loading pada 303,15 K dengan 30% Berat K2CO3

dan 5% Berat MDEA

ARD Altway et al = 14,2%ARD penelitian ini = 11,1%

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03

Te

k. P

ars

ial

CO

2(k

Pa

)

CO2 loading

Eksperimen Finalis et al (2010)Perhitungan Altway et al (2010)Perhitungan (Penelitian ini)

Hubungan antara Tekanan Parsial CO2 terhadap CO2 Loading pada 298,15 K dengan 5,235% Berat DEA, 30 atm

ARD = 32,7%

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 0,5 1 1,5 2

Te

k.

Pa

rsia

l C

O2

(k

Pa

)

CO2 Loading

Eksperimen Lee et al (1972)

Hasil perhitungan (penelitian ini)

Parameter Interaksi 30°C 50°C 70°C

1022 5920 5400

4500 4140 4040

776 0,0001 0,1001

843 280 230

-500 100 200

-300 -100 -160

-100 -1087 -1180

-900 -1770 -1740

-359,1 10 440

-768 200 200

-128 83,7 93,7

-1217,18 0,7218 0,7218

Sistem CO2-K2CO3-DEA-H2O

Parameter Interaksi 40°C 60°C

122 122

200 200

-776 -776

-843 -843

-500 -500

-300 -300

-100 -100

-900 -900

-1125,4 -1090

-768 -768

-1769 -1710

1217,18 1217,18

Sistem CO2-K2CO3-MEA-H2O

Hubungan antara Tekanan Parsial CO2 terhadap CO2 Loading 30% K2CO3

– 2% DEA pada Temperatur 30ºC, 50ºC, dan 70ºC Tekanan 1 atm

ARD 30⁰C = 1,4%ARD 50⁰C = 17,9%ARD 70⁰C = 29,1%

0

5

10

15

20

25

30

35

0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85

Te

k. p

ars

ial

CO

2(k

pa

)

CO2 Loading

Perhitungan suhu 30 °CPerhitungan suhu 50 °CPerhitungan suhu 70 °CEksperimen Winarno suhu 30 °C (2008)Eksperimen Winarno suhu 50 °C (2008)

Hubungan antara Tekanan Parsial CO2 terhadap CO2 Loading 22% K2CO3 – 13,7% MEA pada Temperatur 40ºC dan 60ºC Tekanan 1 atm

ARD Hilliard 40 ⁰C = 39,5%ARD Hilliard 60⁰C = 35%ARD Perhitungan 40⁰C = 33,1%ARD Perhitungan 60⁰C = 42,1%

0

1

2

3

4

5

6

0,4 0,45 0,5 0,55

Te

k. P

ars

ial

CO

2(k

Pa

)

CO2 Loading

Eksperimen Hilliard suhu 40C (2005)Eksperimen Hilliard suhu 60C (2005)Perhitungan Hilliard suhu 40C (2005)Perhitungan Hilliard suhu 60C (2005)Hasil Perhitungan suhu 40C (penelitian ini)Hasil perhitungan suhu 60C (penelitian ini)

0

4

8

12

16

20

0,675 0,7 0,725 0,75 0,775 0,8

Te

k.

pa

rsia

l C

O2

(kP

a)

CO2 loading

Hubungan antara Tekanan Parsial CO2 terhadap CO2 Loadingpada Temperatur 30ºC, 50ºC dan 70ºC Tekanan 1 atm, dan 30%

K2CO3 – 2% DEA

30 °C

50 °C

70°C

Hubungan antara Tekanan Parsial CO2 terhadap CO2 Loadingpada Temperatur 40ºC dan 60ºC Tekanan 1 atm, dan 22% K2CO3 –

13,7% MEA

0

1

2

3

4

0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6

Te

k. P

ars

ial

CO

2(k

Pa

)

CO2 Loading

40 °C

60 °C

Hubungan antara Tekanan Parsial CO2 terhadap CO2 Loading pada Temperatur 30ºC, 50ºC dan 70ºC Tekanan 30 atm, dan 30% K2CO3 –

2% DEA

30 °C

50 °C

70°C

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0,68 0,70 0,72 0,74 0,76 0,78 0,80

Te

k. p

ars

ial

CO

2(k

Pa

)

CO2 Loading

Hubungan antara Tekanan Parsial CO2 terhadap CO2 Loading pada Temperatur 40ºC dan 60ºC Tekanan 30 atm, dan 22% K2CO3 –

13,7% MEA

0

5

10

15

20

25

30

35

0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6

Te

k. P

ars

ial

CO

2(k

Pa

)

CO2 Loading

40 °C

60 °C

• Telah dikembangkan program untuk memprediksi kelarutan CO2 dalamlarutan K2CO3 dengan promotor amine (DEA, MEA) menggunakan modelelektrolit-UNIQUAC.

• Pada penelitian ini telah diperoleh nilai energy interaction parametersUNIQUAC untuk sistem CO2-K2CO3-DEA-H2O pada 30oC, 50oC, dan 70oC.Serta sistem CO2-K2CO3-MEA-H2O pada 40oC dan 60oC

• Hasil prediksi kelarutan CO2 dalam larutan K2CO3 dengan promotor DEAdibandingkan dengan data eksperimen Winarno (2008) dengan ARD untuktekanan parsial CO2 sebesar 1,4% pada suhu 30⁰C, 19,89% pada suhu50⁰C, dan 29,09% pada suhu 70⁰C.

• Hasil prediksi kelarutan CO2 dalam larutan K2CO3 dengan promotor MEAdibandingkan dengan data eksperimen Hilliard (2005) dengan ARD untuktekanan parsial CO2 sebesar 33,1% pada suhu 40⁰C dan 42,1% pada suhu60⁰C.

• Telah diperoleh data-data kesetimbangan atau solubilitas CO2 dalamlarutan potassium karbonat pada berbagai suhu berupa CO2 loading (molCO2 yang terabsorb per mol solven) dengan range 0,6862-0,7876 untuksuhu 30⁰C, 0,6351-0,7925 untuk suhu 50⁰C, dan 0,6054-0,8159 untuksuhu 70⁰C.

TERIMA KASIH. .