Solubilitas CO2 di Dalam Larutan K2CO3 dengan Penambahan ... · •Kelarutan dan laju absorpsi CO 2...

LABORATORIUM THERMODINAMIKAJURUSAN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIINSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

2011

Seminar Skripsi

Latar Belakang

Industri petrochemical,LNG, Amonia, dll

CO2

mengurangi nilai kalor menimbulkan pembekuan pada

proses Liquifaction gas alam. gas yang bersifat asam (acid

gas) sehingga korosif meracuni katalis pada pabrik

sintesa ammonia, metanol dll

Laboratorium Thermodinamika

Pelarut AmineSenyawa amine yang sering

digunakan: MEA, DEA, TEA, DIPA, MDEA, DGA dll Keunggulan: laju absorpsi tinggi

(tergantung kekuatan amine) Kelemahan: panas regenerasi

tinggi dan menimbulkan foaming

AbsorpsiKimia

Kalium Karbonat•Keunggulan: panas absorpsi

rendah dan heat regenerasi rendah

•Kelemahan: laju reaksi lambat (laju absorpsi rendah)


Untuk meningkatkan performance K2CO3 ditambahkan promotor (Cullinane & Rochelle, 2004) Proses Benfield

Latar Belakang


• Kelarutan dan laju absorpsi CO2 dalam MEA/ PZ/ air dalam wetted wallcolumn.

• PZ dapat mengurangi tekanan kesetimbangan CO2 dan meningkatkan laju absorpsi CO2.Enhancement factor CO2 berkurang ketika loading meningkat

Dang dan Rochelle (2001)

• Thermodinamik dan data kinetik untuk larutan K2CO3 dengan promotor PZ.

• Penambahan PZ 0,6 m dalam 1,8-3,6m K2CO3 pada suhu 40-80oC dapat meningkatkan laju absorpsi sebesar 0,4-0,8 dan menaikkan panas absorpsi sebesar 3,7-10 kkal/mol.

Cullinane dan Rochelle (2004)

• Data kesetimbangan CO2 dalam larutan K2CO3. Perhitungan estimasi denganmetode ENRTL.

• jumlah mol CO2 yang terlarut menurun dengan naiknya suhu dan konsentrasiK2CO3.

Kuswandi et al. (2008)

Penelitian Terdahulu


• Proses absorpsi disertai reaksi kimia gas CO2 memakai larutan K2CO3 dan aktivator DEA dengan ENRTL

• Kenaikan konsentrasi CO2 dalam gas umpan pada temperatur konstan akanmenyebabkan kenaikan CO2 loading,kadar KHCO3, kelarutan CO2 , tekananparsial kesetimbangan CO2 , dan penurunan kadar K2CO3

Winarno et al. (2008)

• Proses absorpsi CO2 dengan menggunakan larutan potassium carbonate(K2CO3) dengan penambahan zat aditif asam borat (H3BO3) dengan menggunakan WWC.

• jumlah mol CO2 yang diserap meningkat dengan meningkatkan kadar asam borat dan kenaikan suhu.

Ghosh et al. (2009)

Penelitian Terdahulu

BenfieldK2CO3 + Amine

K2CO3

Piperazine (PZ)

Amine

Murah, daya absorpsi lebih tinggi, panas absorpsi lebih

Rendah dibanding PZ

Murah, daya absorpsi rendah danPanas absorpsi lebih rendah

Dibanding Amine dan PZ

Mahal, daya absorpsi tinggiDan panas absorpsi lebih tinggi

Dibanding amine dan K2CO3

Mahal, daya absorbsi dan panas

absorpsi lebih tinggi di banding K2CO3

K2CO3 + MDEA


Perumusan Masalah

• Mengetahui pengaruh penambahan zat aditifmetildietianolamina (MDEA) terhadap solubilitas CO2dalam larutan K2CO3 pada tekanan atmosferik dan rangesuhu 30-50oC berdasarkan tekanan parsial dan CO2loading.

– Mengkorelasikan data yang didapatkan dariexperimen dengan model E-NRTL.


Tujuan Penelitian

Mendapatkan data solubilitas CO2 di dalamlarutan K2CO3 dengan penambahan zat aditifMDEA yang dapat dijadikan sebagai acuanpada perancangan kolom absorpsi untukproses mereduksi gas CO2 pada dunia industri.

Tekanan Atmosferik Larutan K2CO3

30% MDEA 2%

Komposisi gas CO2-N2

- 10%- 15%- 20% Suhu operasi- 30oC- 40oC- 50oC

VariabelExperimen

DilakukanPada:


Metode Penelitian


Larutan keluar

Larutan masuk

Air masuk

Gas

masuk

Air keluar Gas keluar

OD 10.16 cm,kaca

OD 2,54 cm

kaca

OD

1,2

6 c

m,S

S

9.1 cm

Wetted Wall Column (WWC)

Metode Penelitian


Skema Rangkaian Peralatan

CO2 – N2

V1 : Tangki larutan K2CO3-MDEAPI : Pipa UTI : Indikator SuhuV3 : Tangki AirR1 : Rotameter larutanV4 : Tangki Overflow/feeding

K2CO3-MDEAR2 : Rotameter gasE1 : Kolom absorbsiWWCPG : Pressure GaugeP1 : Pompa sirkulasi larutan

K2CO3-MDEAP2 : Pompa sirkulasi air panas

Metode Penelitian

R2

TI

V3 P2P1

R1

E1

CO2 , N2 keluar

PI

V4

V1

Sampel liquid


Analisa Larutan

Titrasi• mol HCO3

-

• mol CO32-

• mol K+

Analisa gas

Outlet

Gas Analyzer ECOM

Metode Analisa

Text

Metode Penelitian


Pengaruh Suhu terhadap CO2 bereaksi dan terlarut

Kenaikan suhu akan menurunkan jumlah CO2 yang bereaksi dan terlarut dalam larutan Benfield.

Hasil dan Pembahasan

10% kadar CO2.txt

15% kadar CO2.txt

20% kadar CO2.txt

CO

2 b

erea

ksi

(m

ol)

suhu ( C)

30 40 50

1

1.5

2

2.5

3 10% kadar CO2.txt

15% kadar CO2.txt

20% kadar CO2.txt

suhu (C)

CO

2 te

rlar

ut (

mol

)30 40 50

2e-05

4e-05

6e-05

8e-05

0.0001

0.00012

0.00014

0.00016

0.00018

0.0002


Pengaruh Suhu terhadap CO2 Loading

%Penurunan CO2 loading

Kenaikan suhu akan menurunkan harga CO2

loading.

Suhu Operasi (oC)

CO2

loading% penurunan CO2

loading

30 0,0553 -

40 0,0333 39,88

50 0,0221 60,04


10% kadar CO2.txt15% kadar CO2.txt20% kadar CO2.txt

suhu (C)

C

O2

Lo

adin

g

( mo

l C

O2

/{m

ol

K+

+ m

ol

MD

EA

})

30 40 50

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08



LarutanCO2 loading

(Mol CO2/[mol K+ + mol x ])P CO2 (Pa)

30% wt K2CO3 suhu 30oC 0,027 14.399

30% K2CO3 + 2% H3BO3 suhu

30oC0,036 15.412

3,6m K2CO3 + 0,6m PZ suhu

40oC0,85 18.267

3,6m K2CO3 + 0,6m PZ suhu

60oC0,80 23.462

30% K2CO3 + 2% MDEA suhu

30oC0,062 20.282

30% K2CO3 + 2% MDEA suhu

40oC0,038 20.283

Laju absorpsi CO2 pada larutan yang berbeda



Model E-NRTL (Electrolyte Non Random Two Liquid) telahdiaplikasikan secara luas untuk menunjukkan sifat-sifatthermodinamika dari berbagai macam sistem elektrolit Persamaan berikut adalah dasar model ENRTL untuk energi gibbs

ekses sistem elektrolit.

Fitting pada tiap variasi suhuFitting dilakukan pada tiap set data kenaikan suhu operasi

Fitting satu parameterFitting dilakukan untuk semua data overall

Parameter-parameter dalam proses fittingParameter interaksi biner , A dan B :

1. Parameter Interaksi Biner antar molekul2. Parameter Interaksi Biner antar molekul- pasangan ion lain

PDHex

m

lcex

m

ex

m GGG ,,



Interaksi α Harga α

Molekul-molekul α m,m' 0,2

H2O-pasangan ion α H2O,ca 0,2

Pasangan ion-H2O α ca,H2O 0,2

MDEA-pasangan ion α MDEA,ca 0,1

Gas- pasangan ion α CO2,ca 0,1

Interaksi A B

CO2-H2O 13,390 -3268,124

H2O-CO2 12,013 -3268,129

H2O-MDEA 9,345 -1902,400

MDEA-H2O -1,762 -147,399

MDEA-CO2 0,054 0,000

CO2-MDEA 0,103 0,000

interaksi A B

H2O-K+,CO32- 9,139949 1581,999844

K+,CO32--H2O -4,895366 -377,000180

H2O-K+,HCO3- 8,007835 2863,000067

K+,HCO3--H2O -3,529214 -601,000041

K+,CO32--CO2 -4,872134 -0,000647

K+,HCO3--CO2 -4,974340 -0,000047

MDEA-pasangan ion lain 0,067023 0,000018

pasangan ion lain-MDEA 0,022512 0,000008

CO2-pasangan ion lain 14,680536 -0,000158

Parameter interaksi biner antar molekul-pasangan ion

Parameter nonrandomnes factor

Parameter interaksi biner antar molekulParameter-parameter hasil

fitting variasi suhu:

• Parameter-parameter interaksi untuk suhu 30oC



Suhu Operasi

(oC)

Kadar CO2 di Gas

Umpan (% mol)

Koefisien

Aktivitas

Eksperimen

(γ ) CO2

Koefisien

Aktivitas

korelasi

(γ ) CO2

(Pa)

Eksperimen

(Pa)

Korelasi

30

10 15,35 16,02 10140,42 11049,49

15 16,67 16,08 15211,28 14152,15

20 16,09 16,18 20282,87 20523,48

40

10 22,29 23,20 10140,76 10983,05

15 23,69 22,87 15211,72 14176,30

20 22,09 22,23 20283,84 20547,74

50

10 31,76 33,37 10141,05 11190,56

15 32,54 31,12 15212,16 13915,76

20 28,21 28,42 20284,43 20589,98

Tekanan Kesetimbangan CO2 Secara Eksperimen dan SecaraKorelasi Dengan Metode Fitting pada tiap Variasi Suhu Operasi


CO2 Loading

(mol CO2/[mol K + mol MDEA])

Tek

anan

Par

sial

CO

2 (P

a)

suhu 30Csuhu 40Csuhu 50C

korelasiexperimen

0.018 0.027 0.036 0.045 0.054 0.0639000

12000

15000

18000

21000

Metode Fittingpada tiap variasi suhu operasi


RMSD0,81%

RMSD0,77%

RMSD0,97%



Interaksi α Harga α

Molekul-molekul α m,m' 0,2

H2O-pasangan ion α H2O,ca 0,2

Pasangan ion-H2O α ca,H2O 0,2

MDEA-pasangan ion α MDEA,ca 0,1

Gas- pasangan ion α CO2,ca 0,1

Interaksi A B

CO2-H2O 20,3250 -3268,1196

H2O-CO2 12,4074 -3267,9475

H2O-MDEA 11,4827 -1902,3987

MDEA-H2O 3,4032 -147,3832

MDEA-CO2 -2,2700 -0,0049

CO2-MDEA -1,9556 -0,0013

interaksi A B

H2O-K+,CO32- 9,71685 1581,99505

K+,CO32--H2O -5,52942 -376,98704

H2O-K+,HCO3- 8,78386 2863,00275

K+,HCO3--H2O -0,97120 -601,00047

K+,CO32--CO2 0,19579 -0,00713

K+,HCO3--CO2 -3,74695 0,00108

MDEA-pasangan ion lain 0,17725 0,00001

pasangan ion lain-MDEA -0,00610 0,00017

CO2-pasangan ion lain 13,27625 -0,00132

Parameter interaksi biner antar molekul-pasangan ion

Parameter nonrandomnes factor

Parameter interaksi biner antar molekul

Parameter-parameter hasil fitting satu parameter


CO2 Loading(mol CO2/[molK + mol MDEA])

suhu 30Csuhu 40Csuhu 50C

Tek

anan

par

sial

CO

2 (

Pa)

korelasiexperimen

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.078000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

22000

24000

Metode Fittingsatu parameter


RMSD1,38%


• Pengaruh kenaikan suhu operasi pada range suhu 30 - 50oC dapat menurunkan

besarnya CO2 loading rata-rata sebesar 39,88% (untuk suhu 40oC) dan 60,04%

(untuk suhu 50oC).

• Meningkatnya persentase CO2 dalam gas umpan dengan komposisi 10-20% dapat

meningkatkan besarnya CO2 loading rat-rata sebesar 12,74% (untuk 15% CO2) dan

36,33% (untuk 20% CO2).

• Pengaruh kenaikan suhu operasi pada dalam larutan kalium K2CO3 dapat menaikkan

tekanan parsial gas CO2.

• Secara keseluruhan model E-NRTL memberikan hasil yang baik pada sistem K2CO3

– MDEA dengan Root Mean Squared Deviation (RMSD) 0,77-0,97% (untuk fitting

pada tiap variasi suhu operasi) dan 1,38% (untuk fitting satu parameter)

Kesimpulan

Solubilitas CO2 di Dalam Larutan K2CO3 dengan Penambahan ... · •Kelarutan dan laju absorpsi CO 2...

Documents

Transcript of Solubilitas CO2 di Dalam Larutan K2CO3 dengan Penambahan ... · •Kelarutan dan laju absorpsi CO 2...