Baca artikel ini untuk mempelajari tentang penyerapan polutan gas:- 1. Pengantar Proses Penyerapan 2. Teori Penyerapan 3. Peralatan Penyerapan dan 4. Pendekatan Rancangan Menara Kemas.
Pengantar Proses Penyerapan:
Ketika limbah gas yang mengandung beberapa polutan gas dibawa ke dalam kontak langsung dengan cairan, beberapa polutan dapat berpindah ke cairan. Proses transfer ini dapat terjadi karena pelarutan polutan dalam cairan atau karena reaksi kimia polutan dengan cairan atau dengan beberapa bahan kimia yang ada dalam cairan.
Proses transfer tanpa reaksi kimia apa pun disebut sebagai penyerapan fisik dan yang dengan reaksi kimia disebut sebagai penyerapan yang disertai dengan reaksi kimia. Dalam proses penyerapan (fisik), zat terlarut (polutan gas) disebut sebagai penyerap dan pelarut (cair) sebagai penyerap. Gas yang membawa absorbat disebut sebagai gas pembawa.
Proses ini bersifat reversibel, yaitu dalam keadaan tertentu transfer zat terlarut terjadi dari fase gas ke fase cair dan dalam beberapa situasi lain transfer terjadi dalam arah yang berlawanan. Proses lainnya yaitu penyerapan yang disertai dengan reaksi kimia adalah proses yang tidak dapat balik, yaitu perpindahan hanya terjadi dari fasa gas saja.
Proses penyerapan fisik berlangsung melalui langkah-langkah berikut:
- Molekul zat terlarut (gas) bermigrasi dari sebagian besar fase gas ke batas fase gas-cair (antarmuka) melalui difusi molekuler dan/atau eddy;
- Transfer molekul penyerap melintasi antarmuka;
- Transfer molekul penyerap ke dalam sebagian besar penyerap melalui difusi molekuler dan/atau eddy.
Dalam kasus penyerapan yang disertai dengan proses reaksi kimia, dua langkah pertama serupa dengan proses penyerapan fisik. Namun, selama langkah ketiga molekul penyerap bereaksi dengan reaktan yang ada di penyerap dan membentuk senyawa baru.
Teori Penyerapan:
Transfer spesies kimia antara fase gas dan fase cair terjadi karena perbedaan potensial dari spesies antara fase. Perbedaan potensial ini disebut sebagai gradien potensial kimia. Ketika potensi kimia suatu spesies menjadi sama dalam dua fase yang bersentuhan satu sama lain, mereka dikatakan berada dalam kesetimbangan.
Dalam kondisi ini, tidak ada transfer bersih spesies yang terjadi di antara fase-fase tersebut. Ketika fase tidak dalam kesetimbangan terhadap suatu spesies, maka transfernya terjadi dari fase di mana potensi kimianya lebih tinggi ke fase lain di mana potensinya lebih rendah.
Potensi kimia suatu spesies dalam fase tertentu terkait tetapi tidak sama dengan konsentrasinya dalam fase itu. Ketika dua fase, dalam kontak satu sama lain, mencapai kesetimbangan sehubungan dengan suatu spesies, konsentrasinya dalam fase masing-masing akan terkait satu sama lain. Hubungan seperti ini disebut sebagai hubungan kesetimbangan. Hubungan kesetimbangan spesies kimia dalam sistem gas-cair dapat dinyatakan sebagai tergantung dan mungkin juga tergantung konsentrasi (x A ).
Nilai numerik HA tergantung pada sistem pelarut-zat terlarut . Umumnya meningkat dengan meningkatnya suhu.
Ekspresi alternatif dari hubungan kesetimbangan adalah
Tingkat perpindahan massa suatu spesies dari satu fase (gas) ke fase lain (cair) per satuan luas antarmuka dinyatakan sebagai
di mana N a = mol zat terlarut A yang ditransfer dari fase gas ke fase cair per satuan luas antarmuka per satuan waktu,
ky A , k XA = masing-masing koefisien perpindahan massa fase gas/cair individual,
Ky A , K xa = masing-masing koefisien perpindahan massa fasa gas/cair secara keseluruhan,
y* = kesetimbangan konsentrasi fasa gas sesuai dengan konsentrasi fasa cair curah X 1 ,
x* = kesetimbangan konsentrasi fasa cair sesuai dengan konsentrasi fasa gas curah y g ,
X 1 , X 1 = masing-masing konsentrasi zat terlarut pada antarmuka dan fase cair curah.
yi , y g = masing-masing konsentrasi zat terlarut pada antarmuka dan fase gas curah.
Koefisien transfer individu dan keseluruhan saling terkait.
Persamaan (4.45) dan (4.46) menunjukkan hubungannya.
Koefisien perpindahan massa individu k x dan k y dapat dihitung dengan menggunakan persamaan empiris yang umumnya dinyatakan sebagai α, m dan n adalah konstanta yang nilai numeriknya bergantung pada internal absorber. Informasi yang relevan tentang ini dapat ditemukan di buku-buku tentang Mass Transfer.
dimana Sh = Sherwood, k l /D AB
Re = Bilangan Reynolds, lU Ï /µ
Sc = Bilangan Schmidt µ/Ï D AB
l = Dimensi karakteristik bagian dalam penyerap
U = Kecepatan linier fluida di absorber
D AB = Difusivitas molekuler spesies A dalam campuran spesies A dan B
µ = Viskositas Fluida,
Ï = Densitas Fluida
Peralatan Penyerapan:
Tujuan dari peralatan absorpsi adalah untuk membawa aliran gas dan aliran cairan ke dalam kontak yang erat satu sama lain sehingga zat terlarut (polutan gas) dapat dengan mudah dipindahkan dari fase gas ke fase cair. Perlu dicatat di sini bahwa dengan proses ini polutan hanya dipindahkan dari fase gas ke fase cair saja dan tidak diubah menjadi zat yang tidak berbahaya. Jika diinginkan untuk mendapatkan kembali zat terlarut karena nilai ekonomisnya, maka zat tersebut selanjutnya akan didesorpsi dari larutan.
Peralatan yang dapat digunakan untuk melakukan proses absorpsi adalah: packed tower, plate tower, spray chamber dan venturi scrubber. Peralatan yang paling sering digunakan adalah menara yang dikemas, yang cukup efisien dan relatif lebih murah. Ini adalah kolom vertikal silinder dengan pengepakan di dalamnya.
Pengemasan dapat terbuat dari plastik atau logam atau keramik, yang memberikan luas permukaan yang lebih besar per satuan volume yang dikemas untuk kontak gas-cair. Pengepakan dengan berbagai geometri dan ukuran tersedia. Kriteria untuk memilih geometri dan ukuran pengepakan adalah luas permukaan yang besar, fraksi rongga tempat tidur yang tinggi dan biaya yang lebih rendah. Fraksi hampa unggun yang lebih tinggi menawarkan resistensi yang lebih kecil terhadap aliran gas dan cairan.
Bagian dalam lain dari packed bed adalah distributor cairan, redistributor, pendukung pengepakan, dan distributor gas. Biasanya di menara yang dikemas cairan mengalir ke bawah di atas permukaan pengepakan dalam bentuk film dan gas mengalir melalui ruang kosong melewati film cair.
Menara pelat terdiri dari tiga jenis: pelat saringan, pelat tutup gelembung, dan baki katup. Menara pelat adalah bejana silinder dengan beberapa pelat horizontal yang ditumpuk satu di atas yang lain, berjarak agak jauh satu sama lain. Penyerap (cairan) yang masuk di bagian atas menara mengalir melintasi setiap pelat dan mengalir ke bawah, sambil membentuk genangan di setiap pelat.
Gas yang mengandung zat terlarut/zat terlarut (polutan) masuk di bagian bawah menara dan mengalir ke atas. Memasuki setiap piring melalui lubang kecil dan gelembung melalui kolam cair di atasnya. Transfer zat terlarut dari fase gas ke fase cair terjadi ketika gelembung gas melewati kolam.
Dalam kasus pelat saringan, lubang (di mana gas mengalir) kecil dan tidak tertutup. Dalam kasus baki tutup gelembung dan baki katup, lubang berdiameter lebih besar (daripada pelat saringan) dan sebagian tertutup. Menara pelat cukup efisien tetapi harganya lebih mahal daripada menara yang dikemas.
Ruang semprot mungkin dengan atau tanpa pengepakan. Cairan dimasukkan di bagian atas dalam bentuk semprotan dan mengalir ke bawah, sedangkan aliran gas bisa horizontal atau vertikal. Ini umumnya kurang efisien daripada menara yang dikemas / pelat.
Dalam scrubber venturi, gas dan cairan dimasukkan pada ujung venturi yang konvergen dan keduanya mengalir secara bersamaan. Di beberapa peralatan, cairan dimasukkan ke tenggorokan. Saat cairan pecah menjadi tetesan kecil, ia menyediakan area kontak yang besar untuk perpindahan massa. Efisiensinya sebagai penyerap rendah.
Ketika direncanakan untuk menggunakan menara kemas atau menara pelat, aliran gas harus diolah terlebih dahulu untuk menghilangkan bahan partikulat karena jika tidak, partikel dapat menumpuk di menara dan dengan demikian menyumbatnya. Namun, ketika ruang semprot (tanpa kemasan) atau scrubber venturi digunakan sebagai penyerap, pembersihan awal gas tidak penting.
Pendekatan Desain Menara Berkemasan:
Karena kolom absorpsi yang dikemas lebih sering digunakan untuk menyerap polutan gas dari aliran gas, pendekatan desain kolom tersebut diuraikan di bawah ini.
Sebelum diserap dalam kolom yang dikemas, aliran gas influen harus menjalani pra-perlakuan berikut:
Pendinginan aliran gas influen akan mengurangi laju aliran volumetriknya dan meningkatkan kelarutan polutan dalam pelarut yang dipilih. Akibatnya ukuran absorber akan lebih kecil dan jumlah pelarut yang dibutuhkan akan lebih sedikit.
Selama penyerapan masing-masing polutan yang ada dalam aliran gas akan dihilangkan sampai batas tertentu tergantung pada kelarutannya dalam pelarut yang dipilih. Pelarut terutama dipilih untuk menghilangkan polutan tertentu dan penyerap dirancang untuk mencapai tingkat penghilangan polutan tertentu yang diinginkan.
Saat memilih pelarut yang cocok, faktor/parameter yang harus dipertimbangkan adalah:
- Kelarutan yang tinggi dari target absorbat,
- Tekanan uap pelarut rendah pada suhu operasi,
- Harga murah,
- Toksisitas rendah/nihil, dan
- Apakah pelarut akan diperoleh kembali dan digunakan kembali.
Data dan informasi yang diperlukan untuk merancang absorber adalah:
(i) Laju aliran maksimum (yang diharapkan) dari gas pembawa, G mol/jam;
(ii) Suhu dan tekanan aliran gas masuk;
(iii) Konsentrasi polutan yang ditargetkan dalam influen dan tingkat penghilangan yang diinginkan;
(iv) Data kelarutan/hubungan kesetimbangan;
dan (v) Jenis kemasan, ukurannya dan karakteristik lainnya.
Setelah informasi ini tersedia, seseorang akan dapat menghitung yang berikut menggunakan persamaan yang sesuai dan dengan demikian merancang penyerap yang sesuai.
(i) Laju aliran pelarut yang dibutuhkan, L mol/jam,
(ii) Diameter kolom D,
(iii) Tinggi kolom Z,
(iv) Penurunan tekanan melintasi bedengan yang dikemas.
Tingkat Pelarut yang Dibutuhkan:
Laju pelarut minimum (L mjn ) dapat dihitung dengan asumsi bahwa pelarut yang meninggalkan penyerap akan menjadi jenuh sehubungan dengan konsentrasi zat terlarut dalam aliran gas influen. Gambar 4.11 menunjukkan diagram skematik dari penyerap yang dikemas.
Ekspresi untuk L min diperoleh dengan mengatur ulang persamaan keseimbangan zat terlarut melintasi penyerap,
L min = G(Y 1 -Y 2 )/ X* 1 – X 2
dimana X 1 , * = Y 1 /m
X l ,X 2 = konsentrasi zat terlarut dalam pelarut di outlet dan inlet masing-masing, dalam satuan rasio mol,
Y 1 , Y 2 = masing-masing konsentrasi zat terlarut fasa gas pada saluran masuk dan saluran keluar, dalam satuan rasio mol.
Dalam prakteknya X 2 dan X 1 , akan diketahui. Y 2 akan dihubungkan dengan Y 1 melalui tingkat penghilangan yang diinginkan, yaitu efisiensi penghilangan,
Y 2 = Y 1 , (1-ᶯ r ), ᶯ r = efisiensi penyisihan,
Evaluasi L min menggunakan Persamaan. (4.48) akan tepat jika hubungan kesetimbangan adalah linier, yaitu, Y=mX dan m tidak tergantung pada X. Dalam kebanyakan kasus, konsentrasi zat terlarut (polutan) dalam fase gas akan rendah dan karenanya m tidak tergantung pada X.
Tingkat pelarut yang sebenarnya biasanya diambil sebagai
L aktual , = 1-25 hingga 2,0 kali L min .
Harus ditunjukkan di sini bahwa penyerap tidak pernah dirancang mengambil L aktual – L min karena akan menghasilkan nilai Z Q yang sangat tinggi .
Saat L aktual meningkat, tinggi kolom yang dihitung akan berkurang, tetapi penampang kolom akan meningkat. L aktual akhirnya harus diputuskan dari sudut pandang total biaya (biaya awal ditambah biaya operasi). Faktor lain yang harus dipertimbangkan untuk estimasi L aktual adalah laju cairan minimum yang diperlukan untuk membasahi kemasan di dalam kolom.
Diameter kolom:
Pada laju aliran gas dan cairan tertentu, jika diameter kolom dikurangi, cairan yang ditahan (massa cairan dalam kolom setiap saat) dalam kolom akan meningkat. Hal ini akan mengakibatkan penurunan ruang kosong yang tersedia untuk aliran gas melalui kolom. Akibatnya kecepatan gas (linier) akan meningkat dan penurunan tekanan sisi gas melintasi unggun juga akan meningkat.
Penurunan tekanan sisi gas yang lebih tinggi menghambat aliran cairan. Jika diameter kolom diperkecil lagi, kolom akan terisi cairan. Kondisi ini disebut banjir. Kecepatan massa gas pada kondisi ini disebut sebagai kecepatan banjir. Kecepatan gas operasi diambil sebagai 60 sampai 75% dari kecepatan banjir. Berdasarkan kecepatan gas operasi aktual, luas penampang kolom dihitung menggunakan Persamaan. (4.49).
Dimana A col = luas penampang kolom,
G n = kecepatan massa superfisial gas saat banjir,
F = fraksi dari kecepatan banjir yang sesuai dengan estimasi penampang kolom = 0,6 hingga 0,75,
Dan M g = berat molekul gas (campuran).
G n tergantung pada sifat fisik gas dan cairan seperti p g , p L , µ L , karakteristik pengepakan dan rasio laju aliran massa cairan terhadap gas. Ini dapat diperkirakan dengan bantuan plot yang tersedia dalam buku-buku standar tentang Mass Transfer.
Tinggi Kolom:
Persamaan keseimbangan zat terlarut dalam keadaan tunak melintasi ketinggian unsur yang dikemas (Gbr. 4.11) dari kolom dapat ditulis sebagai
Mempertimbangkan fakta bahwa zat terlarut dipindahkan dari fase gas ke fase cair, (4.50) dapat ditulis ulang sebagai
di mana a = luas permukaan pengepakan per unit volume unggun yang dikemas.
Untuk mendapatkan ekspresi untuk ketinggian tempat tidur yang dikemas Persamaan. (4.51) disusun kembali dan diintegrasikan. Persamaan yang dihasilkan adalah
Z 0 sehingga dihitung berdiri untuk ketinggian bagian penyerap yang dikemas, yang diperlukan untuk mengurangi konsentrasi polutan dalam fase gas dari Y 1 ke Y 2 . Ketinggian kolom yang sebenarnya akan lebih dari ZO untuk menyediakan ruang bagi demister dan distributor cairan di bagian atas, redistributor cair di antara bagian yang dikemas, distributor gas, pendukung pengepakan, dan segel cair di dasar.
Penurunan Tekanan di Menara yang Dikemas:
Untuk memperkirakan penurunan tekanan pada bagian yang dikemas dari kolom, seseorang menemukan AP / Z (penurunan tekanan per unit tinggi unggun yang dikemas) berdasarkan parameter operasi yang telah ditentukan, sifat fisik dari sistem gas-cair dan karakteristik pengepakan. memanfaatkan informasi yang tersedia dalam buku-buku tentang Mass Transfer. Dengan menggunakan informasi ini, tekanan terkulai di hamparan yang dikemas diperkirakan dengan bantuan Persamaan. (4.53),
Penurunan tekanan aktual melintasi menara akan lebih tinggi dari yang diperkirakan menggunakan Persamaan. (4.53) karena bagian dalam menara yang disebutkan sebelumnya selain bagian pengepakan.
