BAB  I  PENDAHULUAN  

 1.1  Latar  Belakang  

Seiring   dengan   semakin   berkembangnya   ekonomi   dunia,  konsumsi  bahan  bakar  baik  untuk  industri,  transportasi  dan  sector  lain   terus   meningkat.   Hal   ini   mengakibatkan   semakin  meningkatnya   peluang   emisi   gas   CO2   ke   lingkungan.   Sesuai  dengan   kesepakatan   yang   tertuang   dalam   Protokol   Kyoto   1997  setiap  Negara  harus  melakukan  monitoring  terhadap  tingkat  emisi  gas   yang  dihasilkan  di  negara   tersebut,   salah   satunya  adalah   gas  CO2.  Selain   itu  keberadaan  gas  CO2  dalam  indutri  seperti   indutri  pengolahan   gas   dan   indutri   petrokimia   sangat   tidak   diharapkan,  karena  gas  CO2  dikategorikan   sebagai  acid  gas   (gas  asam)   yang  bersifat   korosif   sehingga   bisa   merusak   sistem     perpipaan.   Pada  indutri  Liquified  Natural  Gas   (LNG),   gas  CO2  harus  dihilangkan  karena   pada   suhu   sangat   rendah   CO2   akan   membeku   yang  mengakibatkan   tersumbatnya   sistim   perpipaan   dan   merusak  tubing-­tubing  pada  main  heat  exchanger.  Pada  indutri  amoniak  gas  CO2  merupakan  produk  samping  dari  proses  pembuatan  amoniak,  dimana   gas   CO2   bersifat   racun   bagi   katalis   dalam   proses   sitesa  amoniak,  sehingga  harus  dipisahkan  sebelum  masuk  kedalam  unit  pembentukan  amoniak.  Berdasarkan  hal  tersebut  berbagai  metode  carbon  capture  mulai  dikembangkan.  Salah  satunya  adalah  dengan  menggunakan  metode  absorbsi.  

Berbagai  metode  absorbsi  telah  dikembangkan,  salah  satu  yang  sekarang  banyak  dipakai  adalah  absorbsi  dengan  reaksi.  Absorben  yang   digunakan   bisa   berupa   larutan   K2CO3   dengan   Promotor,  MEA,  DEA,  dan  MDEA.  Dan  juga  larutan  amine.  Larutan  K2CO3  memiliki  kelebihan  lebih  stabil  pada  suhu  tinggi  namun  memiliki  kelemahan   reaksi   absorbsi  CO2   cendrung   lambat.  Untuk   larutan  amine   reaksi   absorbsinya   cenderung   cepat   namun   kurang   stabil  pada   suhu   tinggi,   terutama   amine   primer   dan   sekunder.   Untuk  amine   tersier   seperti   MDEA,   reaksinya   lebih   lambat   dibanding  amine   primer   dan   sekunder   namun   kelebihannya   adalah   amine  

2    

tersier   lebih   stabil   pada   suhu   tinggi.   Untuk   meningkatkan  effektifitas  absorbsi  MDEA  bisa  dilakukan  dengan  menambahkan  promoter.  Piperazine   (PZ)  adalah   salah   satu   jenis  activator   yang  biasa   digunakan   dalam   proses   absorbsi   CO2.   Namun   untuk  memilih   absorben   yang   paling   efektif   harus   memperhatikan  banyak   faktor,  baik  dari   segi   selektifitas,   efektifitas,  kondisi  dan    biaya  operasi  yang  optimal.    

Hendy   dkk,   (2011)   melakukan   eksperimen   untuk  membandingkan   absorbsi   CO2   dengan   menggunakan   larutan  potasium  karbonat  disertai  dan  tanpa  disertai  promotor.  Promotor  yang  digunakan  pada  eksperimen   ini   adalah   asam  borat.  Dengan  menggunakan   wetted-­wall   column   mereka   mempelajari   kinetika  rekasi  CO2  untuk  larutan  potassium  karbonat  tanpa  promoter  dan  dengan  promoter  asam  borat  30%.  Dari  hasil  percobaan   tersebut  didapatkan  hasil  bahwa  pada  suhu  80 C  dengan  penambahan  asam  borat   dengan   konsentrasi   0.2   M,   0.6   M   dan   1.5   M   dapat  mempercepat  reaksi  absorbsi  CO2  sebesar  3,  10,  dan  29%.  Kondisi  operasi  pada  percobaan  ini  adalah  suhu  40-­80 C  dengan  tekanan  parsial   CO2   sebesar   90   kPa.   Astarita,   G.   (1980)   melakukan  penelitian   dan   mendapatkan   hasil   CO2   mass   transfer   rate  dipengaruhi  oleh   liquid  hold  up.  Kemudian  Ahmadi  dkk,   (2008)  mengembangkan   pemodelan   untuk   absorbsi   gas   CO2   dengan  larutan  potasium  karbonat  panas  dengan  katalis  asam  borat.  Dalam  pemodelan   tersebut   juga  menyertakan   kinetika   dari   reaksi   kunci  yang  mempertimbangkan  transfer  massa  dan  kinetika  kimia.  Mass  transfer   coefficient   dihitung   dengan   teori   surface   renewal.   Dan  reaksi   pada   fasa   liquid  ditekankan   pada   reaksi   pembentukan   ion  karbonat   dari   CO2   sebagai   reaksi   yang   menentukan   laju   reaksi  keseluruhan.  Model  matematis  ini  melibatkan  beberapa  persamaan  differensial  dan  persamaan  aljabar  dimana  persamaan-­persamaan  tersebut  diselesaikan  dengan  software  kemudian  hasil  pemodelan  tersebut   divalidasi   dengan   menggunakan   data   pabrik   dan  digunakan   untuk   menghitung   laju   alir,   temperatur   dan   profil  kosentrasi   dari   absorber,   untuk   analisa   sensitivitas.   Variasi   dari  CO2   keluar   juga   diamati   dalam   pemodelan   tersebut.   Penelitian  

3    

sebelumnya   yang   dilakukan   oleh   Xu   dkk,   (2003)   melakukan  penelitian   mengenai   absorbsi   gas   CO2   dalam   larutan   MDEA  dengan   menambahkan   Piperazine   (PZ)   dan   DEA.     Dari   hasil  penelitian   ini   Xu   dapat   mengembangkan   model   kinetik   untuk  proses   absorbsi   CO2   dalam   larutan   MDEA   dengan   campuran  Piperazine  dan  DEA.  Hasil  penelitian   ini  menunjukan  activation  effect     dari   masing-­masing   campuran   baik   DEA,   PZ,   maupun  PZ+DEA   dalam   proses   absorbsi   CO2   ini   dihasilkan   dari   hasil  variasi   rate   CO2,   transport   PZ   dan   DEA   menuju   MDEA,   serta  regeneration  rate  dari  PZ  dan  DEA.  Astarita,  G.  (1960)  melakukan  penelitian  megenai  absorbsi  CO2  dalam  larutan  monoethanolamine  (MEA).   Percobaan   dilakukan   dengan   menggunakan   liquid   jet  absorber   dimana   didapatkan   hasil   tentang   kecocokan   teori  penetrasi   begitu   juga   dengan   kinetika   dan   mekanisme   reaksi,  dimana   dianggap   terjado   reaksi   pada   fasa   liquid.   Cullinane   dkk  (2005)   melakukan   penelitian   mengenai   absorbsi   CO2   dengan  menggunakan   potassium   karbonat   berpromotor   piperazine.   Dari  penelitian   ini  didapatkan   hasil  peningkatan   rate   absorbsi  melalui  penambahan   piperazine.   Sami   H   Ali   dkk   (2005)   melakukan  penelitian   mengenai   potensi   peningkatan   absorbsi   CO2   dengan  melakukan   pencampuran   2-­amino-­2-­methyl-­1-­propanol   (AMP)  dalam   peningkatan   laju   absorbsi   untuk   amine   sekunder.   Direct  static   flow   conductimetric   digunakan   dalam   percobaan   ini.   Dan  hasil  yang  didapatkan  adalah  kinetika  ditentukan  temperature  dan  konsentrasi   dari   setiap   amine   yang   terdapat   pada   campuran.  Todinca,   dkk   (2007)  melakukan   eksperimen  mengenai   pengaruh  penambahan   promoter   terhadap   laju   absorpsi   gas   CO2   kedalam  larutan  K2CO3  panas.  Dalam  penelitian  ini  dilakukan  eksperimen  dengan   membandingkan   antara   absorpsi   gas   CO2   kedalam   air,  larutan   potassium   karbonat   dan   potassium   karbonat   dengan  berbagai   macam   promoter   seperti   diethanolamine   (DEA)   2-­aminoethoxy-­ethanol   (AMET),   triethanolamine   (TEA),  triethylamine   (TREA),   dan   methylethanolamine   (MDEA).   Dari  hasil   penelitian   didapatkan   bahwa   promoter   DEA   memberikan  efek   paling   besar   terhadap   laju   absorpsi   gas   CO2.   Sedangan  

4    

Bishoni   dkk   (2002)   melakukan   penelitian   mengenai  thermodinamika   dari   sistem   Piperazine/   Methyldiethanolamine/  Water/   Carbondioxide.   Penelitian   yang   dilakukan   adalah   untuk  mencari   kesetimbangan   uap-­cair   dan   kelarutan   karbondioksida  dalam  sistem  tersebut  dengan  menggunakan  wetted-­wall  contactor.  Kemudian   dari   data   kelarutan   karbondioksida   dibuat   pemodelan  kelarutan   karbondioksida   dengan   menggunakan   model   NRTL  untuk   elektrolit.   Dari   hasil   penelitian   tersebut   didapatkan   hasil  yang  menunjukan  volatilitas  dari  PZ  sangat  besar.  Dan  dari  hasil  pemodelan   dapat   diprediksi   bahwa   PZ   yang   hilang   jumlahnya  cukup   besar   hampir   sama   dengan   jumlah   MDEA   yang   hilang  ketika  digunakan  dalam  skala  industri.    

   Jean   dan   Ahmann,   (2009)   melakukan   penelitian   untuk  mempelajari   kinetika   dari   absorbsi   CO2   dari   hasil   pembakaran  dengan   pelarut   yang   berupa   campuran   antara  MethylDiethanolAmine   (MDEA)   dan   TerAmine   (TETA).  Penelitian   ini   dilakukan   pada   range   suhu   298-­333   K,   dengan  menggunakan   Lewis   cell   dengan   luas   area   konstan.   Perubahan  tekanan  parsial  CO2  terhadap  rate  absorbsi  diamati  pada  percobaan  ini,   dimana   dengan   penambahan   sedikit   TETA   dapat  mengakibatkan  keningkatkan  rate  absorbsi  CO2.  Metode  numerik  berbasis   teori   film   diterapkan   untuk   mendapatkan   koefisien  transfer  untuk  CO2  dan  TETA.  Espen  dan  Geert,  (2012)  melakukan  penelitian   mengenai   enhancement   faktor   dalam   proses   absorbsi  dan   desorbsi   dalam   larutan   MDEA.   Penelitian   ini   dilakukan  dengan   menggunakan   larutan  MDEA   2  M   dengan   variasi   suhu  berkisar  pada  298.15  K,  313.15  K,  dan  333.15  K  dengan  loading  CO2  berkisar  pada  0  sampai  0.8  pada  batch  stirred  tank  reactor.  Pada   kondisi   operasi   yang   sama   chemical   enhancement   facor  didapati   sama   dengan   yang   pernah   dilaporkan   pada   percobaan  sebelumnya.   Sedangkan   kinetika   untuk   proses   absorbsi   dengan  larutan   MDEA   dilakukan   oleh   beberapa   peneliti   sebelumnya,  diantaranya   adalah   Fernando   Camacho,   dkk   (2007).   Pada  penelitian  ini  dipelajari  mengenai  absorbsi  gas  CO2  murni  dengan  menggunakan   larutan   N-­methyldiethanolamine   (MDEA).  

5    

Percobaan   dilakukan   dalam   stirred   tank   reactor   dengan   suatu  luasan   yang   sudah   diketahui   area   interfasialnya.   Variabel   yang  digunakan   pada   percobaan   ini   adalah   konsentrasi   MDEA   yang  berada  pada  rentang  0.1-­0.3  M  dan  temperatur  pada  rentang  288-­313  K.  Dari  hasil  yang  didapatkan  dapat  dideduksi  bahwa  proses  ini   terjadi   pada   kondisi   isoermal   dan   berada   pada   fast   regime  reaction  dan  kinetika  orde  dua.  Orde  reaksi   adalah  satu   terhadap  konsentrasi  amine  dan  konstanta  kinetika  pada  percobaan  ini  valid  pada   semua   rentang   suhu.Selain   oleh   Camcho,   dkk   penelitian  mengenai  absorbsi  CO2  dengan  menggunakan  larutan  MDEA  juga  dilakukan   oleh   Hanna,   dkk   (2010).   Pada   percobaan   ini   laju  absorbsi   gas   CO2   dalam   larutan   methyldiethanolamine   diukur  dengan  menggunakan  stirred  cell  dengan  flat  gas-­liquid  interface.  Pengukuran  dilakukan  pada  rentang  temperatur  293.15-­333.15  K  dan   konsentrasi   amine   pada   rentang   10-­20  %  massa.   Konstanta  kinetika  yang  didapat  dilakukan  dengan  asumsi  pseudo-­first-­order  reaction   regime.     Wen   Xu,   dkk   (1992).   Wen   Xu   melakukan  penelitian   untuk   mempelajari   kinetika   dari   absorbsi   gas  karbondioksida   dalam   larutan   MDEA   yang   diaktivasi.   Untuk  menginvestigasi   kinetika   dari   gas   absorbsi   gas   karbon   dioksida  dalam  larutan  methyldiethanolamine  (MDEA)  dengan  piperazine  (PZ)   sebagai   activator   dengan   menggunakan   disk   column.  Percobaan   dilakukan   pada   rentang   temperature   antara   30-­70   C,  dengan   konsenrasi   MDEA   1.75-­4.21   kmol/m3   dan   konsentrasi  piperazine   0.041-­0.21   kmol/m3.   Data   kinetika   yang   dihasilkan  sesuai   dengan   mekanisme   rapid   pseudo-­first-­order   reversible  reaction   antara   CO2   dan   piperazine   dan   parallel   dengan   reaksi  antara  CO2  dan  MDEA.    

Sedangkan   pemodelan   untuk   absorpsi   CO2   dilakukan   oleh  beberapa   peneliti   diantaranya   Nur   Ihda,   dkk   (2013)   melakukan  simulasi  absorbsi  reaktif  CO2  dalam  skala  industry  dengan  pelarut  K2CO3   berkatalis.   Dalam   penelitian   ini   dikembangkan   model  matematik  unit  CO2  removal  skala  industry  dengan  pelarut  K2CO3  berkatalis  dan   juga  mengevaluasi   kinerja  dari  unti  CO2   removal  yang   dinyatakan   dalam   %removal   dan   komposisi   gas   keluar  

6    

absorber.  Model  matematik  yang  dihasilkan  divalidasi  dengan  data  lapangan   yang   diperoleh   dari   pabrik   PKT   II.   Katalis   yang  digunakan   pada   percobaain   ini   adalah   ACT-­1   dengan  

2678699274 ( 2868.6462 / )ck e T   cm3/mol.s.   Sedangkan  Gomez,   (2003)   mengembangkan  model   simulasi   untuk   absorbsi  CO2   untuk   kondisi   steady   state   pada   pabrik   amoniak   komersial.  Model   matematik   yang   digunakan   pada   penelitian   ini  menggunakan   teori   dua   film   untuk   menggambarkan   sitem   gas-­liquid.  Kemudian  Altway  dkk,  (2008)  melakukan  penelitian  untuk  mengkaji  ulang  mengenai  transfer  massa  disertai  reaksi  kimia  pada  absorbsi  reaktif  gas  CO2  pada  packed  column.  Pada  penelitian  ini  dilakukan   kajian   ulang   mengenai   simulasi   enhancement   factor  absorbsi   disertai   reaksi   reversible   order   2   dalam   kondisi   non-­isothermal   pada   pemodelan   absorbsi   gas   CO2   dengan   larutan  K2CO3   pada   packed   column.   Data   hasil   simulasi   kemudian  dibandingkan   dengan   data   eksperimen   dan   diperoleh   deviasi  dibawah  10%  untuk  laju  alir  3-­5  liter/menit.  Sedangkan  untuk  laju  alir   5-­7   liter/menit   nilai   deviasi   antara   10-­30%.   Ningsih,   dkk  (2012)   melakukan   penelitian   mengenai   simulasi   absorpsi   gas  multikomponen  dalam  larutan  K2CO3  berpromotor  MDEA.  Dalam  penelitian  ini  dilakukan  kajian  setara  teoritis  mengenai  kinerja  dari  packed  column  untuk  absorpsi  CO2  dan  H2S  dari  gas  alam  dengan  menggunakan   larutan   K2CO3   dengan   promoter   MDEA.  Berdasarkan  hasil  simulasi  didapatkan  kesimpulan  bahwa  kondisi  penghilangan   CO2   tertinggi   diperoleh   sebesar   99.947%   pada  kondisi  laju  alir  5900  m3/jam,  temperature  100   C,  laju  alir  gas  308  kNm3/jam,   dan   tekanan   32   atm.   Harbou   (2014)   melakukan  penelitian  mengenai  pemodelan  dan  simulasi  absorpsi  reaktif  CO2  dengan  MEA  dengan  memfariasikan  jenis  packing  dan  skala  unit  absorpsi.   Pada   penelitian   ini   dikembangkan   model   simulasi  absorpsi  gas  CO2  dari  gas  hasil  pembakaran  dengan  menggunakan  larutan  MEA.   Data   hasil   simulasi   divalidasi   dengan   data   psiko-­chemical  dari  pilot  pland  yang  menggunakan  empat  jenis  packing  yang  berbeda,    

7    

Untuk  mendapatkan  data  pada  berbagai  penelitian  tersebut  bisa  dengan   melakukan   percobaan   (eksperimen)   atau   dengan  menggunakan   pilot   plant.   Namun   penggunaan   metode   ini   akan  memakan   biaya   yang   relatif   besar.   Untuk   bisa   mengatasi   hal  tersebut   salah   satu  metode   alternatif   yang   bisa   dilakukan   adalah  dengan  melakukan  model   simulasi   terhadap   jenis-­jenis   absorben  tersebut.   Dengan   melakukan   model   simulasi   maka   biaya   bisa  ditekan  dan  kita  bisa  merubah  variable  sesuai  dengan  kebutuhan.  Namun  model  simulasi  tidak  selalu  sempurna  banyak  faktor  yang  bisa   mempengaruhi   keakuratan   dari   model   simulasi   seperti  kurangnya   data   kinetika   reaksi,   ketidakpastian   dari   physical  properties   dari   bahan   yang   digunakan,   ketidak   pastian   luas  permukaan  kontak  antara  gas  dan  liquid,  serta  asumsi  orde  reaksi  yang  digunakan.  Untuk  mengatasi  hal  ini  bisa  dilakukan  verifikasi  data  hasil  simulasi  dengan  data  pabrik  atau  data  eksperimen  yang  sudah  pernah  dilakukan  untuk  bisa  melihat  sensitifitas  dari  model  simulasi   yang   dilakukan.   Apabila   data   hasil   simulasi   kurang  memenuhi  data  eksperiemn  maka  bisa  dilakukan  verifikasi  ulang  terhadap   beberapa   asumsi   yang   digunakan   dalam   pembuatan  model  simulasi  sampai  didapatkan  hasil  yang  sesuai  dengan  data  eksperimen.    

 1.2  Perumusan  Masalah  1. Bagaimana  pembuatan  model  matematik  untuk  proses  absorbsi  gas   CO2   kedalam   larutan   MDEA   berpromotor   PZ   didalam  packed  column?  

2. Bagaimana  validasi  model  matematik  untuk  proses  absorbsi  gas  CO2  kedalam  larutan  MDEA  berpromotor  PZ  didalam  packed  column?  

3. Bagaimana   pengaruh   variable   seperti   suhu,   tekanan,   dan  konsentrasi   promoter   terhadap   laju   absorbsi   dan   percent  recovery   untuk   proses   absorbsi   gas   CO2   kedalam   larutan  MDEA  berpromotor  PZ  didalam  packed  column?  

   

8    

1.3  Tujuan  Penelitian  Tujuan  dari  penelitian   ini   adalah  membuat  model  matematik  

proses  absorbsi  gas  CO2  kedalam  larutan  MDEA  berpromotor  PZ  didalam   packed   column,   melakukan   validasi   model   matematik  dengan  membandingkan  hasil  prediksi  dengan  data  lapangan  dan    mengkaji  secara  teoritis  pengaruh  berbagai  variabel  proses  seperti  suhu,   tekanan,   konsentrasi   promotor   terhadap   laju   absorbsi   dan  percent  recovery.  

 1.4  Manfaat  Penelitian  

Dengan   penelitian   ini   diharapkan   agar   membuat   model  matematik  untuk  proses  absorbsi  gas  CO2  kedalam  larutan  MDEA  berpromotor  PZ  didalam  packed  column,  dapat  digunakan  untuk  mengkaji   secara   teoritis   dan   memprediksi   pengaruh   berbagai  variable   proses   seperti   suhu,   tekanan,   konsentrasi   promoter  terhadap  laju  absorbsi  dan  percent  recovery  untuk  proses  absorbsi  gas  CO2  kedalam  larutan  MDEA  berpromotor  PZ  didalam  packed  column.   Dimana   hasil   prediksi   tersebut   diharapkan   dapat  membantu   untuk   proses   perancangan   packed   column   skala  industry.