prediksi solubilitas gas co2 di dalam larutan …
TRANSCRIPT
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
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
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.