Absorpsi Weted Wall

Proses penyerapan gas oleh penyerap atau absorbent dapat terjadi  pada kolom absorber. Pada industri-industri kimia, pemakaian kolom absorber disesuaikan dengan kondisi yang diinginkan, maksudnya adalah type atau jenis kolom absorber  yang digunakan.

Absorpsi gas itu sendiri adalah suatu proses dimana campuran gas dikontakkan dengan liquid dengan tujuan untuk memisahkan satu atau lebih komponen dari gas dan untuk menghasilkan gas dalam liquid. Pada operasi absorpsi gas terjadi perpindahan massa dari fase gas ke liquid. Kecepatan larut gas dalam absorben liquid tergantung pada kesetimbangan yang ada, karena itu diperlukan karakteristik kesetimbangan sistem gas-liquid.

Pengertian absorpsi itu sendiri adalah proses penyerapan gas melalui seluruh permukaan zat cair (absorbent). Secara umum absorpsi dikelompokkan menjadi 2, yaitu :

1.        Absorpsi Fisika: Absorpsi fisika ini disebabkan oleh gaya Van der Wall yang ada di permukaan absorbent. Panas absorpsinya rendah dan lapisan yang terbentuk panda permukaan absorbent lebih dari 1 lapis.

2.        Absorpsi Kimia: Sedangkan absorpsi kimia terjadi karena adanya reaksi antara zat yang diserap dengan absorbent. Panas absorpsinya tinggi dan lapisan yang terbentuk panda permukaan absorbent hanya 1 lapisan.

Laju absorpsi dapat dinyatakan dengan 4 cara yang berbeda yaitu:

1.        Menggunakan koefisien individual

2.        Menggunakan koefisien menyeluruh atas dasar fase gas atau zat cair.

3.        Menggunakan koefisien volumetrik.

4.        Menggunakan koefisien persatuan luas.

Untuk menerangkan lebih jauh, kita akan melihat beberapa tipe dari kolom absorbsi

2.1 Type-type kolom Absorpsi

Type kolom absorber  digolongkan ke dalam beberapa bagian yang masing-masing memiliki klasifikasi  dan pemakaian yang berbeda pada operasinya. Dimana  pemakaian harus disesuaikan dengan kondisi yang diinginkan. Operasi perpindahan massa dilaksanakan di dalam tower yang di desain untuk kotak dua phase peralatan ini diklasifikasi ke dalam 4 type utama yang metodenya digunakan untuk menghasilkan kontak interphase.

2.1.1 Spray Tower

            Spray tower terdiri dari chamber-chamber besar di mana phase gas mengalir dan masuk serta kontak dengan likuid di dalam spray nozzles. Berikut ini menunjukan aliran phase di dalam spray tower, likuid masuk dalam spray dan jatuh karena gaya gravitasi, serta kontak secara counter curent dengan aliran gas yang masuk.  Untuk ketinggian yang rendah, efisiensi ruang spray kira-kira mendekati packed powder, tetapi untuk ketinggian yang melebihi 4 ft efisiensi spray turun dengan cepat. Sedangkan kemungkinan berlakunya interfase aktif yang sangat besar dengan terjadinya sedikit penurunan, panda prakteknya ditemukan ketidakmungkinan untuk mencegah hubungan ini, dan selama permukaan interfase efektif berkurang dengan ketinggian, dan spray tower tidak digunakan secara luas.

            Spray nozzles didesain untuk aliran likuid yang mempunyai bilangan presure drop besar maupun kecil, untuk aliran likuid yang mempunyai flow rate yang kecil, maka cross area kontaknya harus besar. Laju aliran yang mempunyai drop fals menentukan waktu kontak dan sirkulasinya. Disertai dengan influensasi mass transfer antara  dua phase dan harus kontak terus-menerus. Hambatan pada transfer yaitu pada phase gas dikurangi dengan gerakan swirling dari falling likuid droplets. Spray tower digunakan untuk transfer massa  larutan  gas yang tinggi dimana  dikontrol laju  perpindahan masa secara normal pada phase gas.

            Type dari  kolom absorber memiliki klasifikasi dan pemakaian yang berbeda-beda pada operasinya. Hal ini harus dipahami secara seksama agar kita dapat lebih memahami lagi sistem absober jeni ini

2.1.2 Bubble Tower

            Di Bubble tower ini, gas terdispersi menjadi phase likuid di dalam fine bubble. Small gas bubble menentukan luas area. Kontak perpindahan massa terjadi di dalam bubble formation dan buble rise up melalui likuid. Arah aliran counter current dimana gas terdispersi di bottom tower.  Gerakan bubble mengurangi hambatan likuid-phase. Bubble tower  digunakan dengan sistem  dimana pengontrol laju dari perpindahan masa pada phase likuid  yang absorbsinya adalah  relatif phase gas.  Mekanisme dasar perpindahan massa terjadi di dalam bubble tower dan demikian juga dengan aliran counter di dalam tank bubble batch dimana gas itu terdispersi di dalam botom tank.

2.1.3 Packed Tower

            Packing yang digunakan pada packed tower adalah untuk memperbesar luas permukaan kontak antara gas dan liquid. Keuntungan dari penggunaan Packed Tower  sebenarnya ada banyak, diantaranya sebagai berikut :

1.        Presure drop aliran gas rendah.

2.        Dapat lebih ekonomis di dalam operasi cairan korosif karena ditahan untuk packing keramik.

3.        Biaya column dapat lebih murah dari plate column pada ukuran diameter yang sama.

4.        Cairan hold up kecil.

2.1.4 Plate Column

            Pengunan dari plate column lebih luas bila dibandingkan dengan packed column secara spesial untuk destilasi.

Keuntungan dari plate column adalah :

1.        Menyiapkan kontak lebih positif antara dua phase likuid.

2.        Dapat menghandle cairan lebih besar tanpa terjadi floading.

3.        Lebih mudah dibersihkan.

2.1.5 Wetted Wall Column

Dalam laboratorium, wetted wall telah digunakan oleh sejumlah pekerja dan mereka telah membuktikan pentingnya menentukan berbagai faktor, dan mengadakan basis dari hubungan yang telah dikembangkan untuk packed tower.

2.2 Kriteria Pemilihan Pelarut

Tujuan utama dalam proses absorpsi ialah untuk mendapatkan kemurnian tertinggi dari suatu zat, hal serupa dapat kita lihat dari proses pembuatan asam klorida (HCl), solvent dispesifikasikan sebagai produk alamiah. Ada beberapa tujuan dalam proses absorpsi  apabila tujuan utama dari proses absorpsi ialah untuk mengembalikan unsur utama gas atau senyawa, ada beberapa pelarut yang dapat dipilih. Air merupakan salah satu pelarut yang paling mudah ditemui. Selain itu, air memiliki harga yang murah sehingga penggunaan air sebagai pelarut sangat ekonomis. Akan tetapi, selain harga dan jumlahnya terdapat beberapa karakteristik yang harus diperhatikan dalam pemilihan pelarut. Beberapa karakteristik yang harus diperhatikan diantaranya adalah :

1.        Volatilitas pelarut, pelarut yang baik haruslah memiliki tekanan uap yang rendah. Tekanan uap yang rendah akan menyebabkan pelarut menjadi pelarut jenuh ketika proses absorpsi telah selesai. Semakin kecil volatilitas sebuah pelarut, maka make up pelarut akan semakin kecil.

2.        Kelarutan gas, dalam pemilihan pelarut diharapkan gas memiliki kelarutan yang tinggi. Kelarutan gas yang tinggi dapat meningkatkan laju proses absorpsi. Selain itu, dengan kelarutan gas yang tinggi dapat menurunkan jumlah pelarut yang digunakan sehingga proses absorpsi lebih ekonomis karena tidak menggunakan banyak pelarut.

3.        Tidak korosif, pelarut dan gas yang bersifat korosif dapat menyebabkan korosi pada material dan peralatan, sehingga baik pelarut maupun gas yang diabsorpsi diusahakan bukan senyawa yang korosif.I Pelarut dan gas yang bersifat korosif dapat merusak peralatan sehingga biaya material menjadi tinggi.

4.        Viskositas, Pelarut dengan viskositas rendah lebih disukai dalam absorpsi. Pelarut dengan viskositas rendah disukai karena lebih menguntungkan. Pelarut dengan viskositas rendah lebih menguntungkan karena :

a)         Pelarut viskositas rendah dapat mempercepat laju absorpsi

b)         Perpindahan massa akan lebih baik dan akan mencegah flooding pada kolom absorpsi

c)         Perbedaan tekanan yang rendah (less pressure drop)

d)        Perpindahan panas akan lebih baik karena molekul-molekul yang dapat bergerak aktif

5.        Pelarut yang digunakan haruslah tidak beracun, tidak mudah terbakar, memiliki ikatan yang stabil, dan memiliki titik beku yang rendah.

6.        Harga, pelarut yang digunakan diharapkan pelarut yang murah dan mudah ditemui. Sehingga biaya yang dikeluarkan lebih sedikit dan selalu tersedia di pasaran.

2.3 Perpindahan Massa di dalam Weted-Wall Columns

            Transfer massa yang paling baik terjadi apabila menggunakan weted wall. Hal ini dikarenakan weted wall memiliki kontak antara luas  permukaan pipa dan aliran fluida. Weted wall digunakan dikarenakan dengan kolom ini perpindahan massa antara dua fase dapat lebih baik. Weted wall memiliki dua buah persamaan untuk perhitungannya. Dua persamaan tersebut ialah sebagai berikut ini :

2.3.1        Koefisien transfer massa pada lapisan film

            Koefisien transfer massa untuk lapisan film ditunjukkan oleh persamaan Vivian  dan Peaceman sebagai berikut :

3.      .................... (2)

Keterangan :

g          = gravitasi

z          =  panjang kotak

D_AB    = massa  difusivitas komponen A yang menjadi likuid

Re      = Reynold Number

Sc      = bilangan number Schmidt

Μ       = viskositas likuid  B

            4r/μ  ialah sebuah persamaan dengan  r merupakan berat flowrate likuid per unit dari parameter wetted wall. Film likuid memiliki koefisien yang berada diantara 10% hingga 20% dibandingkan dengan persamaan hasil percobaan atau teoritis pada absorpsi pada absorpsi dalam film aliran laminer.

2.3.2        Koefisien perpindahan massa pada aliran gas

Dalam praktiknya, kita dapat menentukan banyaknya perpindahan massa dalam aliran gas dengan persamaan koefisien perpindahan massa. Koefisien  perpindahan massa  pada aliran gas ditunjukan oleh persamaan berikut ini  :

.................... (1)

Keterangan :

Sc = bilangan number Schmidt.

D_AB = massa  difusivitas komponen A yang menjadi likuid

r_B = densitas likuid B

Re = Reynold Number

2.4 Aliran di dalam Pipa

            Korelasi untuk perpindahan massa pada dinding dalam haruslah mempunyai bentuk yang sama dengan korelasi untuk perpindahan kalor, karena persamaan dasar untuk difusi dan konduksi itu serupa. Persamaan ini merupakan persamaan yang paling sederhana yang cukup cocok dengan data publikasi dalam jangkauan angka reynolds dan angka Schmidt yang cukup luas. Bentuk alternatif dari bentuk korelasi itu didapat dengan membagi persamaan diatas dengan NR_e x NS_c sehingga menghasilkan faktor jM yang sebagaimana ditunjukkan oleh Chilton dan Colbum sama dengan jH dan juga f/2. Suku (µ/µw) 0,14 biasa 1,0 untuk perpindahan massa karena itu ditinggalkan. Analogi untuk persamaan ini berlaku umum untuk perpindahan kalor dan perpindahan massa dengan pelarutan yang sama.

            Perluasan analogi ini sehingga menutupi rugi gesek yang dilakukan untuk pipa saja karena semua rugi disini berasal dari gesek kulit saja. Analogi ini tidak berlaku untuk rugi gesek dimana tidak terdapat seret bentuk dari pemisahan aliran, sebagaimana terdapat pada aliran seputar benda. Korelasi yang telah disajikan untuk berbagai kisaran angka Schmidt. Data untuk penguapan beberapa macam zat cair didalam menara didnding basah dikorelasi dengan eksponen yang agak lebih tinggi baik untuk angka Reynold maupun untuk angka Schmidt. Angka Schmidt berkisar antara 0,60 dan 0,25 dan dalam jangkau yang sempit. Perbedaan antara eksponen itu mungkin mempunyai makna fundamental, karena perpindahan ke permukaan zat cair, yang mungkin mempunyai riak dan kegombang mesti berbeda dari permukaan perpindahan padat yang licin. Korelasi untuk perpindahan massa dan angka schmidt yang tinggi (antara 430 – 100.000) didapat dengan mengukur laju kelarutan didalam tabung asam benzoat didalam air dan zat cair viscous. Perbedaan antara eksponen angka Schmidt dan nilai 1/3 yang biasa mungkin tidak banyak, tapi eksponen angka Reynold jelas lebih besar dari 0,80.

2.5 Teori-Teori Pada Absorber

2.5.1 Teori Film

            Teori film bersifat elementer, semua aliran di dalam aliran fluida turbulen terkonsentrasi dalam  suatu stagnant  film. Berikutnya terhadap dinding atau batas stasioner fluida, menurut  model ini semua driving forerce atau garad konsentrasi untuk mengurangi stagnant film serta konsentrasi di dalam bulk fluida adalah konstan, hal ini dikarenakan oleh adanya turbulen yang tingi. Turbulen yang tingi mengurangi stagnant fluida.

            Tebal dari film hayalan yang digunakan untuk masa pada kecepatan aliran yang sebanding adalah tidak sama kecuali pada kondisi batas. Dari Reynold  analogi, koefisien dari transfer massa  banyak digunakan, akan tetapi lebih sedikit dibandingkan dengan koefisien transfer atau juga apabila dibandingkan dengan koefisien permukan. Dalam teori film ketebalan film efektif ditentukan oleh bagaimana kondisi laminer dan turbulen. Gradien konsentrasi merupakan karakteristik steady state.

Persyaratan kontak antara liquid dan gas merupakan persyaratan yang paling sulit dicapai, terutama pada tower yang besar. Secara ideal, terdistribusi dari top packing, mengalir dalam bentuk film tipis dari seluruh permukaan packing turun ke bawah tower. Sebenarnya film tersebut, cenderung menebal pada beberapa tempat dan menipis di tempat lain, sehingga liquid itu mengumpul menjadi arus-arus kecil dan mengalir melalui lintas-lintas tertentu dalam packing. Lebih-lebih pada laju aliran rendah, sebagian besar permukaan mungkin kering atau sedikitnya diliputi oleh film stagnant liquid. Efek ini disebut sebagai chanelling dan merupakan penyebab utama dari unjuk kerja yang kurang memuaskan pada menara berukuran besar.

2.5.2 Teori Penetrasi

            Suatu gelembung gas yang berada pada likuid  yang bergerak ke luar  dari likuid, dituliskan dalam persamaan menjadi :

.................... (3)

            Rumus di atas digunakan  berdasarkan teori penetrasi. Dimana θ merupakan waktu yang diperlukan  oleh gelembung gas untuk naik dengan jarak tempuh sama dengan jarak gelembung. Teori penetrasi digunakan oleh Higbie untuk  menganalisa fase cair. Dalam absorbsi gas dimana cairan  diasumsikan sebagai aliran laminer atau stasioner.  Higbie mempertimbangkan bahwa transfer di dalam cairan dengan transport molekul unsteady state.

            Konsep yang dikemukakan oleh Higbie ini menghasilkan suatu persamaan  untuk fluks masa pada titik  yang berada pada permukan cairan  yang diekspose untuk absorpsi gas. Berbeda halnya dengan  Danckwerte  yang menggunakan konsep unsteady state ini  untuk absorpsi di dalam suatu cairan turbulen dengan mengangap random surface renewal. Kemudian Marcello, yang melakukan perbaikan  terhadap model film penetrasi. Yaitu dengan  kombinasi dari dua model di atas pada Sc  yang rendah model film  steady state kelihatanya pada Sc yang tinggi.  Sedangkan pada model unsteady state surface renewal lebih mengambarkan situasi yang menguntungkan .

2.6 Penggunaan Absorpsi

            Absorpsi  gas oleh zat padat digunakan pada gas masker. Alat berikut ini berisi arang halus yang, yang berfungsi  menyerap gas-gas  yang tidak diinginkan, misalnya gas yang beracun. Arang halus yang juga dipergunakan untuk membuat vakum, dengan temperatur  yang rendah dapat  dibuat  vakum sampai 10^-4 mm. Grafit  yang juga dipergunakan sebagai pelumas karena molekulnya yang pipih sehingga  mudah bergeser  terhadap satu sama lain.

            Grafit memang sangat menguntungkan, akan tetapi ternyata bahwa pada temperatur yang tinggi  sifat pelumas grafit sangat berkurang dan kembali lagi apabila temperatus direndahkan (dikurangi). Dengan analisis kimia kadang-kadang  diperoleh kesulitan, hal ini disebabkan oleh karena adanya daya serap dari beberapa endapan terhadap ion-ion dalam larutan. 

Berdasarkan kegunaan dari absorber, maka absorber dibagi menjadi :

1.        Packed Tower Dipilih untuk menangani material yang sangat korosif, liquid yang berbuih, tower yang diameternya besar dan melibatkan pressure drop yang rendah.

2.        Plate Tower Dirancang untuk operasi absorpsi gas atau stripping gas yang memiliki banyak persamaan untuk menurunkan angka. Perbedaanya terletak pada pemisahan yang didasarkan pada pemdistribusian berbagai substansi antara fase gas dan liquid ketika seluruh komponen antara dua fase.

3.        Stirred Tank Digunakan pada sistem reaksi kimia di mana gas akan diabsorpsi terlebih dahulu dan kemudian akan bereaksi dengan suatu komponen dengan larutan. Alat ini memiliki kelebihan ketika reaksi berjalan lambat, dalam hal ini pada fase liquid, sehingga membutuhkan residence time yang lama dibandingkan dengan waktu yang disediakan.

4.        Sparged Tower Mempunyai efisien dan massanya lebih rendah dibandingkan stirred tank.

5.        Spray Chamber Digunakan untuk skala besar dengan sistem dasarnya untuk mengalirkan SO₂ dari boiler gas buangan yang dikeluarkan dari stasiun pembakaran batubara.

6.        Venturi Scrubber Umumnya digunakan untuk mengalirkan bahan-bahan partikel dari aliran gas ke penyerapan uap terlarut.

7.        Falling Film Absorber Tipe ini sangat cocok untuk skala besar atau komersil di mana panas yang diperbolehkan selama absorpsi sangat tinggi.

Absorpsi gas adalah operasi di mana campuran gas dikontakkan dengan liquid untuk tujuan melewatkan suatu komposisi gas atau lebih dan menghasilkan larutan gas dalam liguid. Pada operasi absorpsi gas terjadi perpindahan massa dari fase gas ke liquid. Kecepatan larut gas dalam absorben liquid tergantung pada kesetimbangan yang ada, karena itu diperlukan karakteristik kesetimbangan sistem gas-liquid.

2.6.1 Sistem Dua Komponen

Bila sejumlah gas tunggal dikontakkan dengan liquid yang tidak mudah menguap, yang akan larut sampai tercapai keadaan setimbang. Konsentrasi gas yang larut disebut kelarutan gas pada kondisi temperatur dan tekanan yang ada. Pada T tetap, kelarutan gas akan bertambah bila P dinaikkan pada absorben yang sama. Gas yang berbeda mempunyai kelarutan yang berbeda. Pada umumnya kelarutan gas akan menurun bila T dinaikkan.

2.6.2 Sistem Multikomponen

Bila campuran gas dikontakkan dengan liquid pada kondisi tertentu, kelarutan setimbang, gas tidak akan saling mempengaruhi kelarutan gas, yang dinyatakan dalam tekanan parsiil dalam campuran gas. Bila dalam campuran gas ada gas yang sukar larut maka kelarutan gas ini tidak mempengaruhi kelarutan gas yang mudah larut. Pada beberapa komponen dalam campuran  gas mudah larut dalam liquid, kelarutan masing-masing gas tidak saling mempengaruhi bila gas tidak dipengaruhi oleh sifat liquid. Ini hanya terjadi pada larutan ideal.

Karakteristik larutan ideal yaitu:

1.      Gaya rata-rata tolak menolak dan tarik menarik dalam larutan tidak berubah, dalam campuran bahan, volume larutan berubah secara linear.

2.      Pada pencampuran bahan tidak ada panas yang diserap maupun yang dilepaskan.

3.      Tekanan uap total larutan berubah secara linear dengan komposisi.

Suatu alat yang banyak digunakan dalam absorpsi gas dan beberapa operasi lain ialah menara isian. Alat ini terdiri dari sebuah kolom berbentuk sekunder atau menara yang dilengkapi dengan pemasukan gas dan ruang distribusi pada bagian bawah, pemasukan zat cair dan distributornya pada bagian atas, sedang pengeluaran gas dan zat cair masing-masing pada bagian atas dan bagian bawah serta tower packing. Penyangga itu harus mempunyai fraksi ruang terbuka yang cukup besar untuk mencegah terjadinya pembanjiran pada piring penyangga itu. Zat cair yang masuk disebut weak liquor berupa pelarut murni atau larutan encer zat terlarut di dalam pelarut, didistribusikan di atas isian itu dengan distributor, sehingga pada operasi yang ideal membebaskan permukaan isian secara seragam. Gas yang mengandung zat terlarut disebut fat gas, masuk ke ruang pendistribusian yang terdapat di bawah isian dan mengalir ke atas melalui celah-celah antara isian berlawanan arah dengan aliran zat cair. Isian itu memberikan permukaan yang luas untuk kontak  zatcair dan gas serta membantu terjadinya kontak antara kedua fase.

Persyaratan pokok yang diperlukan untuk isian menara ialah:

1.      Harus  tidak bereaksi kimia dengan fluida di dalam menara

2.      Harus kuat, tetapi tidak terlalu berat.

3.      Harus mengandung cukup banyak laluan untuk kedua arus tanpa terlalu banyak zat cair yang terperangkap atau menyebabkan penurunan tekanan terlalu tinggi.

4.      Harus memungkinkan terjadinya kontak yang memuaskan antara zat cair dengan gas.

5.      Harus tidak terlalu mahal.

Prinsip-prinsip absorpsi tergantung pada banyaknya gas atau zat cair yang akan diolah sifat-sifatnya, rasio antara kedua arus itu, tingkat perubahan konsentrasi dan pada laju perpindahan massa persatuan volume isian. Laju optimum zat cair untuk absorpsi didapatkan dengan menyeimbangkan biaya operasi untuk kedua unit dan baiaya tetap untuk peralatan. Bila gas hanya diumpankan ke dalam menara absorpsi, suhu di dalam menara itu berubah secara menyolok dari dasar menara ke puncaknya. Kalor absorpsi zat terlarut menyebabkan naiknya suhu larutan, penguapan pelarut cenderung menyebabkan suhu turun. Efeknya secara menyeluruh ialah peningkatan suhu larutan, tetapi di dekat dasar kolom suhu itu bisa sampai melewati maksimum. Bentuk profil suhu bergantung pada laju penyerapan zat terlarut, penguapan dan kondensasi pelarut, serta perpindahan kalor antara kedua fase.

Laju absorpsi dapat dinyatakan dengan 4 cara yang berbeda yaitu:

5.      Menggunakan koefisien individual

6.      Menggunakan koefisien menyeluruh atas dasar fase gas atau zat cair.

7.      Menggunakan koefisien volumetrik.

8.      Menggunakan koefisien persatuan luas.