Seminar Sebumi Kerjasama Universitas Indonesia dan Universiti Kebangsaan

Seminar Sebumi Kerjasama Universitas Indonesia dan Universiti Kebangsaan Malaysia, Kampus UI Depok, 24 -25 Juni 2008 STUDI ABSORPSI CO 2 MENGGUNAKAN KOLOM GELEMBUNG BERPANCARAN JET (JET BUBBLE COLUMN) Setiadi, Nita Tania H, Hantizen dan Dijan Supramono Disampaikan Oleh Setiadi, E-mail : setiadi@che. ui. edu Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik UI

General Background • Issue ttg. Global Warmng perlu solusi Teknologi • Pengembangan Teknologi CCS (Carbon Capture and Storage) : Absorption, CBM (coal Bed Methane), CO 2 injection, CO 2 fixation) Fenomena Gunung Es

Sebuah Skenario pemanfaatan Energi dan Recovery CO 2 mll. CO 2 global recycle system Perlu Teknologi CCS dan Kemudahan Transportasi CO 2 Storage by Absorption

Pendahuluan Fenomena Dasar Pembentukan awan gelembung (Bubble Cloud) hasil tumbukan pancaran vs permukaan cairan Profil permukaan menyerupai terompet akibat tumbukan pancaran jet Gas/Udara terperangkap kedalam celah lubang sumur terompet entrainment Akibat turbulensi permukaan dan adanya pusaran eddy (eddy current), lapisan udara terjebak jauh dibawah permukaan terkena tumbukan momentum pusaran arus dan terbelah/terpecah-pecah → terbentuk awan gelembung Sumber: Ito, 2000; Havelka, 2000

Pendahuluan Kriteria Desain peralatan kontak gas-cair (absorpsi) : Harus mampu Menciptakan luas kontak antar fasa setingi-tingginya, agar laju mass transfer terakselerasi jauh lebih tinggi dan menjadi sangat efisien. Tabel 1 Berbagai alat kontak gas – cair secara umum (Lee, Sheng-Yi & Tsui, Y. P. , 1998)

Pendahuluan Pressure indicator Cairan Memasuki Nozzle pembentuk pancaran Cairan (Liquid Jet) Gas Keluar Kolom Tabung Absorpsi Pipa downcomer untuk penetration depth Gelembung Hasil Pancaran Cairan Flowmeter untuk Pengukuran gas terentrainment Pengukur Pressure Drop Kolom Gelembung Awan gelembung saat operasi kolom absopsi Foto Peralatan Kolom Absorpsi Tujuan penelitian Studi Hidrodinamika : Melihat kelayakan operasi hasil desain yakni pengaruh laju alir volumetrik cairan (QL) thd. laju alir volumetrik gas terhisap (QG), holdup fasa gas pada diamaeter nozzle (DN) Kinetika reaksi absorpsi gas CO 2 : Penentuan konstanta laju absorpsi menggunakan hasil hidrodinamika posisi downcomer pipe

Hasil Studi Hidrodinamika Gas entrainment adalah jumlah gas yang terbawa/ tersedot oleh pancaran cairan Jet masuk ke dalam kolom. Gambar 1 Hubungan antara laju gas entrainment (QG) terhadap kecepatan pancaran cairan (v) pada ukuran diameter nozzle yang tetap.

Hasil Studi Hidrodinamika Holdup gas adalah fraksi gas yang terbentuk dalam kolom gelembung akibat pancaran cairan (v) pada ukuran diameter nozzle yang berbeda (Dn). Gambar 2 Hubungan antara holdup fasa gas () terhadap kecepatan pancaran cairan (v) pada ukuran diameter nozzle yang berbeda (Dn).

Hasil Studi Kinetika Tabel 1 Hasil Perhitungan Konstanta Kinetika Reaksi Dn (mm) QL (L/det) QG(L/ det) k 12. 1 0. 1982 0. 0801 1. 08 E-01 0. 3526 0. 1466 1. 40 E-01 0. 2080 0. 0573 1. 68 E-01 0. 3711 0. 1732 2. 98 E-01 Gambar 3 Grafik linierisasi dari metode regresi linier berganda pada Dn = 12. 1 mm. 9. 3 Gambar 4 Grafik linierisasi dari metode regresi linier berganda pada Dn = 9. 3 mm

Hasil Studi Hidrodinamika Penyebaran Distribusi Gelembung dengan Metode Fotografi Gambar 5 Hubungan antara % jumlah gelembung pada tiap interval diameter gelembungnya Dn (mm) QL (L/det) QG(L/ det) k G a (m 2/m 3) 12. 1 0. 1982 0. 0801 1. 08 E 01 0. 246 2944. 21 0. 3526 0. 1466 1. 40 E 01 0. 424 4492. 30 0. 2080 0. 0573 1. 68 E 01 0. 153 1091. 95 0. 3711 0. 1732 2. 98 E 01 0. 415 1518. 27 9. 3 Hasil Perhitungan Luas Kontak

KESIMPULAN 1. Peralatan kolom gelembung pancaran yang didesain di penelitian ini layak beroperasi dan dapat digunakan untuk absorpsi CO 2. 2. Semakin besar laju alir volumetrik cairan dan laju alir volumetrik gas dalam diameter tetap akan menghasilkan konstanta kinetika reaksi dan luas kontak antar fasa gas-cair yang semakin besar. Pada Dn = 12. 1 mm yang terbaik adalah pada QL = 0. 3526 L/det yaitu k = 1. 4 x 10 -1 dan a = 4492. 30 m 2/m 3, sedangkan pada Dn = 9. 3 mm yang terbaik adalah pada QL = 0. 3711 L/det yaitu k = 2. 98 x 10 -1 dan a = 1518. 27 m 2/m 3. 3. Semakin besar luas kontak yang dihasilkan, distribusi gelembung pada kolom absorpsi akan semakin baik, dan kondisi operasi yang terbaik adalah pada Dn = 9. 3 mm dengan QL = 0. 3711 L/det.

Metode Penelitian Penentuan Holdup gas Gambar 1 Pengambilan titik tekanan statik pada kolom gelembung pancaran Sesuai Gambar dan diturunkan persamaan matematikasebagai berikut : Gambar (b) Gambar (a) Tidak ada gas hold up = 1, Sehingga Pada Gambar point (b) tekanan statik P 1’ sama dengan P 2’ maka akan kita peroleh nilai holdup fasa gas sebagai berikut,

Metode Penelitian Teknik Penentean Konstanta Laju Reaksi (Kobs) Untuk menentukan koefisien kinetika reaksi (kobs) absorpsi CO 2 dalam larutan absorbent Na. OH dapat ditentukan dari persamaan kinetika reaksi. Adapun reaksinya adalah sebagai berikut : 2 Na. OH + CO 2 Na 2 CO 3 + H 2 O Dipandang bahwa : Kadar CO 2 di fasa gas dibuat konstan selama pengkontakkan, tidak ada komponen CO 2 didalam fasa cair, CO 2 habis bereaksi. Cairan Na. OH homogen, karena adanya pengadukan dari sirkulasi pompa dan efek arus pusaran dalam kolom downcomer. limiting reactant Reaktan Na. OH tidak mungkin berdifusi kedalam fasa film gas, karena alat bekerja pada suhu kamar sehingga larutan Na. OH tidak mungkin terjadi penguapan langsung. Kondisi batas integrasi : • t = 0 C = C 0 (tidak ada larutan yang mengabsorpsi) • t = tf C = 0 (tercapainya kesetimbangan absorpsi) Data Kinetika reaksi hanya perlu mendeteksi waktu yang dibutuhkan untuk absorbent Na. OH habis bereaksi atau menentukan saat cairan absorben harus diganti/diregenerasi

Hasil Penelitian Studi Hidrodinamika Gas Entrainment (QG) : Laju alir gelembung gas yang berkontak dengan kolom cairan Gambar 2 Profil laju gas entrainment (QG) terhadap kecepatan pancaran cairan (v) pada ukuran diamter nozzle yang tetap dan panjang pipa downcomer yang tercelup 55 cm. Gambar 3 Laju gas entrainment (QG) terhadap kecepatan pancaran cairan (v) dengan berbagai diamter nozzle & panjang pipa downcomer 55 cm

Daftar Notasi = Mean volume – surface diameter of bubble, (m) a. D = Luas area spesifik antarfasa, (m 2/m 3) C 0 = konsentrasi Na. OH pada saat awal (t = 0) dfd = degree of freedom denumerator dfn = degree of freedom numerator dg = Diameter gelembung (m) Dn = Diameter Nozzle, (mm) DT = Diameter tabung, (cm) hf = tinggi cairan (), gas entrainmen (gas yang terhisap), tekanan cairan, pengambilan gambar dengan pipa Hf = tekanan statik yang berupa tinggi cairan Hf = Tinggi cairan aerasi, (cm) hf = Tinggi cairan, (cm) h. GD = Holdup fasa gas, (-) kobs = konstanta pesudo-first-order reaction kobs = Konstanta laju reaksi, m = ordo reaksi terhadap Na. OH n = ordo reaksi terhadap CO 2 P 0 = Tekanan Atmosfir, (atm) P 1, P 1’, P 2’ = Tekanan statikdidalam kolom, (atm) QG = Laju alir volumerik gas (lt/mnt) QL = Laju alir volumetrik cairan (lt/mnt) T = Jumlah total data pada seluruh sampel tf = waktu yang dibutuhkan kadar Na. OH habis bereaksi. Yakni ditandai dengan menghilangnya warna (adanya penambahan indikator PP). Va = Volume air dalam kolom, (cm 3) Vg = Volume gas yang terdispersi, (cm 3) VR = Volume alat kontak, (m 3) Z = panjang downcomer yang tercelup