MODUL AJAR Sorpsi
TOPIK 3
PROSES ABSORPSI
3.1 PENDAHULUAN
Absorpsi adalah penyerapan uap dari campurannya dengan inert gas menggunakan
zat cair dimana gas terlarut (solute gas) dapat larut. Contoh operasi ini ialah pencucian
amonia dengan air, dari campuran gas amonia dan udara. Zat terlarut kemudian dapat
dikeluarkan dari zat cair dengan cara pengkontakan dengan gas inert. Operasi ini
merupakan kebalikan dari absorpsi, yang disebut desorpsi (pelucutan) gas.
3.1.1 Tujuan Khusus Topik
Setelah menyelesaikan bagian ini, mahasiswa diharapkan memiliki kemampuan:

Dapat menjelaskan definisi dan aplikasi proses absorpsi;

Dapat menjelaskan struktur dan konstruksi packed tower;

Dapat menghitung parameter flooding velocity dan diameter menara isian;

Dapat menghitung tinggi perpindahan massa dan tinggi menara isian.
3.1.2 Prasyarat
Sebelum mempelajari topik ini mahasiswa harus sudah mempelajari konsep dasar
perpindahan massa.
43
TOPIK 3 Proses Absorpsi
3.2
KONSEP DASAR PROSES ABSORPSI
Absorpsi adalah peristiwa perpindahan massa sorbat (solute) dari suatu larutan induk
(bulk solution) ke dalam fasa lain, baik padat atau liquid, yang bersifat menyerap (sorben).
Berbeda dengan proses adsorpsi, dimana akumulasi sorbat terjadi pada permukaan sorben,
pada peristiwa absorpsi akumulasi terjadi di dalam partikel sorben. Karena itu, peristiwa
absorpsi umumnya melibatkan fasa-fasa fluida, yaitu fasa gas dan liquid. Namun dalam
kasus terbatas, absorpsi dapat pula terjadi antara fasa solid dan fluida. Tidak jarang,
peristiwa absorpsi melibatkan mekanisme kimia, sehingga tidak semuanya bersifat dapat
balik (reversible).
Peristiwa absorpsi adalah salah satu peristiwa perpindahan massa yang besar
peranannya dalam proses industri. Operasi ini dikendalikan oleh laju difusi dan kontak
antara dua fasa. Operasi ini dapat terjadi secara fisika maupun kimia. Contoh dari absorpsi
fisika antara lain sistem amonia-udara-air dan aseton-udara-air. Sedangkan contoh dari
absorpsi kimia adalah NOx-udara-air, dimana NOx akan bereaksi dengan air membentuk
HNO3.
Peralatan yang digunakan dalam operasi absorpsi mirip dengan yang digunakan
dalam operasi distilasi. Namun demikian terdapat beberapa perbedaan menonjol pada
kedua operasi tersebut, yaitu sebagai berikut:

Umpan pada absorpsi masuk dari bagian bawah kolom, sedangkan pada distilasi
umpan masuk dari bagian tengah kolom.

Pada absorpsi cairan solven masuk dari bagian atas kolom di bawah titik didih,
sedangkan pada distilasi cairan solven masuk bersama-sama dari bagian tengah kolom.

Pada absorpsi difusi dari gas ke cairan bersifat irreversible, sedangkan pada distilasi
difusi yang terjadi adalah equimolar counter diffusion.

Rasio laju alir cair terhadap gas pada absorpsi lebih besar dibandingkan pada distilasi.
3.2.1 Menara Absorpsi
Peralatan yang digunakan untuk proses absorpsi dikenal dengan nama menara atau
kolom absorpsi (absorption tower). Secara umum menara absorbsi dapat diklasifikasikan
menjadi tiga jenis, yaitu kolom piring (tray tower), menara isian (packed tower), dan
kolom semprot (spray tower).
44
MODUL AJAR Sorpsi
Tray tower
Tray tower atau kolom piring merupakan menara yang dipasangi beberapa piring
horizontal yang berfungsi sebagai lewatan bagi 2 fasa yang dikontakkan di dalamnya.
Pada setiap piring dibuat lubang-lubang untuk lewatan gas serta tanggul (weir) untuk
lewatan zat cair.
Packed Bed
Jenis ini adalah yang paling banyak diterapkan pada menara absorpsi. Packed
column atau packed tower lebih banyak digunakan mengingat luas kontaknya dengan gas.
Packed bed berfungsi mirip dengan media filter, dimana gas dan cairan akan tertahan dan
berkontak lebih lama dalam kolom sehingga operasi absorpsi akan lebih optimal.
Spray Tower
Spray tower umumnya digunakan untuk purifikasi fasa gas menggunakan sorben
cair. Liquid disemprotkan melalui beberapa sprayer horizontal dan berkontak secara
counter current dengan aliran gas (Gambar 3.1). Pada beberapa kasus, kontak gas-liquid
dapat juga dibuat co-current (searah).
Gas outlet
Liquid sprays
Gas inlet
Gambar 3.1 Spray tower: (a) counter current, (b) aliran searah
45
TOPIK 3 Proses Absorpsi
3.3
PACKED TOWER
Salah satu peralatan yang banyak digunakan dalam proses absorpsi gas ialah menara
isian atau packed tower (Gambar 3.2). Peranti ini terdiri dari sebuah kolom berbentuk
silinder, yang dilengkapi dengan pemasukan gas dan ruang distribusi pada bagian bawah;
pemasukan dan distributor zat cair pada bagian atas; sedang pengeluaran gas dan zat cair
masing-masing di atas dan di bawah; serta zat padat inert yang disebut isian menara (tower
packing).
Gambar 3.2 Penampang menara isian
Zat cair yang masuk disebut cairan lemah (weak liquor), didistribusikan di atas
packing dengan distributor, sehingga pada operasi yang ideal, membasahi permukaan isian
itu secara seragam. Gas yang mengandung zat-terlarut, disebut gas gemuk (rich gas),
masuk ke ruang pendistribusi yang terdapat di bawah isian dan mengalir ke atas melalui
celah-celah antara isian, berlawanan arah dengan aliran zat cair. Packing memberikan
permukaan yang luas untuk kontak antara zat cair dan gas dan membantu terjadinya
kontak yang intens antara kedua fase. Zat-terlarut yang ada di dalam gas gemuk itu diserap
oleh zat-cair dan keluar sebagai gas encer (lean gas) dari bagian atas menara. Sambil
mengalir ke bawah di dalam menara, zat cair itu makin lama makin kaya akan zat terlarut,
dan keluar sebagai cairan pekat (strong liquor) yang keluar dari bawah menara melalui
lubang keluar zat cair.
46
MODUL AJAR Sorpsi
Di dalam menara isian (packed tower) absorpsi, perubahan komposisi berlangsung
kontinu dari satu ujung ke ujung yang lain dari menara. Persamaan neraca massa
keseluruhan untuk absorpsi dalam packed tower (Gambar 3.3), adalah sebagai berikut:
Gambar 3.3 Diagram alir bahan pada packed tower
Persamaan neraca massa total:
La  Vb  Lb  Va
(3.1)
Persamaan neraca massa komponen A (absorbat):
xa La  ybVb  xb Lb  y aVa
(3.2)
Dengan:
Va
= laju mol total fase gas pada bagian atas kolom (mol/jam)
Vb
= laju mol total fase gas pada bagian bawah kolom (mol/jam)
La
= laju mol total fase zat cair pada bagian atas kolom (mol/jam)
Lb
= laju mol total fase liquid pada bagian bawah kolom (mol/jam)
xa
= fraksi mol solute dalam fase liquid pada bagian atas kolom
xb
= fraksi mol solute dalam fase liquid pada bagian bawah kolom
ya
= fraksi mol solute dalam fase gas pada bagian atas kolom
yb
= fraksi mol solute dalam fase gas pada bagian bawah kolom
47
TOPIK 3 Proses Absorpsi
3.3.1 Kesetimbangan Absorpsi
Kurva kesetimbangan adalah kurva yang menunjukkan korelasi konsentrasi fasefase yang terlibat di dalam proses absorpsi pada kondisi kesetimbangan. Untuk
menggambar kurva kesetimbangan diperlukan data-data kesetimbangan yang umumnya
diperoleh dari hasil eksperimen. Data-data kesetimbangan untuk berbagai sistem dapat
dilihat pada literatur standar Teknik Kimia, misalnya Perry’s Chemical Engineer’s
Handbook, Geankoplis’ Transport Process & Unit Operations (Appendix A.3), Coulson
et.al (Chemical Engineering) dan sebagainya.
Garis operasi adalah garis yang menunjukkan korelasi konsentrasi solute dalam
fasa-fasa yang terlibat di dalam proses absorpsi pada kondisi operasi aktual di dalam
peralatan. Pada dasarnya, garis operasi merupakan garis neraca massa. Untuk packed
tower bentuk persamaan garis operasi adalah sesuai dengan persamaan (3.3).
y
y V  x a La
L
x a a
V
V
(3.3)
Dengan:
V
= laju mol total fase gas (mol/jam)
L
= laju mol total fase liquid (mol/jam)
x
= fraksi mol solute dalam fase liquid
y
= fraksi mol solute dalam fase gas
CONTOH 3.1
Buatlah kurva kesetimbangan dan garis operasi untuk sistem amonia-air di dalam menara
absorpsi yang
dirancang untuk mengolah 25,000 ft3 (708 m3) gas per jam. Gas
mengandung 2 % volume amonia. Sebagai penyerap digunakan air bebas amonia. Suhu
operasi adalah 68°F (20°C), dan tekanan 1 atm. Diketahui tidak ada perubahan laju alir
fase gas dan liquid di dalam menara, dan efisiensi penyerapan amonia adalah 99 %,
sedangkan rasio gas-liquid adalah 1:3,25.
Penyelesaian:
Blok diagram proses:
48
MODUL AJAR Sorpsi
Air
La, xa = 0
Gas bersih
Va, ya = yb – 0,99yb
Gas umpan
Vb = 25000 ft3/j
yb = 0,02
Air jenuh
Lb, xb
Persamaan garis operasi:
y V  xa La
L
x a a
V
V
(0, 02  0,99  0, 02)25000  0
y  3, 25 x 
25000
y  3, 25 x  0, 0002
y
Dari Appendix A.3 Geankoplis (1993) diketahui data kesetimbangan sistem amonia-air
adalah sebagai berikut:
Fraksi mol NH3 dalam fase
liquid, xa
Fraksi mol NH3 dalam fase
gas, ya
0
0
0,0208
0,0158
0,0258
0,0197
0,0309
0,0239
0,0405
0,0328
0,0503
0,0416
0,960
0,0915
0,175
0,218
0,241
0,392
0,297
0,618
49
TOPIK 3 Proses Absorpsi
Plot kurva kesetimbangan dan garis operasi ditampilkankan pada Gambar 3.4:
1.0
0.8
y
0.5
0.3
garis operasi
kurva kesetimbangan
0.0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
x
Gambar 3.4 Plot kurva kesetimbangan dan garis operasi absorpsi
3.3.2 Isian (Packing)
Jenis-jenis packing yang digunakan sangat beragam, tetapi secara umum dapat dibagi
menjadi 2 (dua) jenis, yaitu: (1) Packing yang diisikan secara acak ke dalam menara, dan
(2) Packing yang disusun di dalam menara dengan tangan. Packing curah berdimensi
antara 1/4 - 3 in, sedangkan packing susun biasanya mempunyai ukuran antara 2 - 8 in.
Persyaratan pokok yang diperlukan untuk isian menara ialah:

Harus tidak bereaksi (kimia) dengan fluida di dalam menara.

Harus kuat, tetapi tidak terlalu berat.

Harus mengandung cukup banyak laluan untuk kedua arus tanpa terlalu banyak zat
cair yang terperangkap (holdup) atau menyebabkan penurunan tekanan terlalu tinggi.

Harus memungkinkan terjadinya kontak yang memuaskan antara zat cair dan gas.

Tidak terlalu mahal.
Packing umumnya terbuat dari bahan-bahan yang murah, tidak bereaksi dan ringan,
seperti lempung, porselen, dan berbagai jenis plastik (Gambar 3.5). Sebagian packing buat
dari baja atau aluminium. Di dalam menara absorpsi, packing disusun tak beraturan dalam
suatu struktur terbuka dengan porositas 60 - 95 %. Karakteristik fisik berbagai jenis
packing ditunjukkan pada Lampiran 1 (L-1.6).
50
MODUL AJAR Sorpsi
Gambar 3.5 Penampang menara isian: (a), (b), (c) packing cincin,
(d), (e), (f), (g) packing pelana
3.3.3 Kontak antara Zat Cair dan Gas
Salah satu persyaratan utama yang harus dicapai di dalam kolom absorpsi adalah
adanya kontak yang baik antara zat cair dan gas. Itu merupakan persyaratan yang paling
sulit dicapai, lebih-lebih pada menara besar. Secara ideal, zat cair itu, setelah terdistribusi
di atas isian, mengalir dalam bentuk film tipis ke seluruh permukaan packing dengan arah
menuruni menara. Problemnya, film itu cenderung menebal pada beberapa tempat dan
menipis di tempat lain, sehingga zat cair itu mengumpul menjadi arus-arus kecil dan
mengalir melalui lintas-lintas tertentu di dalam isian itu, terutama pada laju aliran rendah.
Efek ini disebut pengkanalan (channeling), dan merupakan penyebab utama dari unjukkerja yang kurang memuaskan pada menara-isian berukuran besar.
Dalam menara ukuran sedang, pengkanalan dapat dibuat minimum dengan
membuat diameter menara minimum menjadi 8 kali diameter packing. Jika rasio diameter
menara terhadap diameter packing kurang dari 8:1, zat cair itu cenderung mengalir di luar
isian, yaitu melalui dinding kolom. Bahkan dalam menara kecil yang diisi dengan isian
yang memenuhi syarat ini pun, distribusi zat cair dari pengkanalan masih mempu-nyai
pengaruh besar terhadap unjuk-kerja kolom. Dalam menara yang tinggi, yang diisi dengan
isian besar, pengaruh pengkanalan mungkin cukup berarti, sehingga untuk mencegahnya
dibuat fasilitas redistribusi zat cair setiap 10 atau 15 ft bagian isian.
51
TOPIK 3 Proses Absorpsi
3.3.4 Rasio Gas-Liquid
Persamaan (3.3) menunjukkan bahwa kemiringan rata-rata (slope) garis operasi
adalah L/V, yaitu rasio molal aliran zat cair dan gas. Jadi, untuk suatu aliran gas tertentu,
pengurangan aliran zat cair akan memperkecil kemiringan garis operasi. Perhatikan garis
operasi ab pada Gambar 3.6. Andaikan bahwa laju gas dan konsentrasi terminal xa, ya, dan
yb, dibuat tetap, sedang aliran zat cair diturunkan. Ujung atas garis operasi akan bergeser
ke arah garis keseimbangan, dan xb, yaitu konsentrasi cairan-kuat akan bertambah.
Konsentrasi maksimum cairan dan laju minimum zat cair didapatkan bila garis operasi
menyentuh garis keseimbangan, sebagaimana ditunjukkan oleh garis ab'. Pada kondisi ini
diperlukan isian dengan kedalaman tak-berhingga karena beda konsentrasi untuk
perpindahan massa itu menjadi 0 pada dasar menara. Dalam menara sebenarnya, laju zat
cair nyata yang diperlukan untuk mendapatkan perubahan tertentu pada komposisi gas
adalah lebih besar dari itu.
Gambar 3.6 Rasio gas-liquid pembatas
Rasio L/V penting dalam arti ekonomi untuk absorpsi di dalam kolom lawan-arah.
Gaya-dorong perpindahan massa ialah y - y* yang sebanding dengan jarak vertikal antara
garis operasi dan garis keseimbangan (Gambar 3.6). Peningkatan L/V akan menyebabkan
meningkatnya gaya-dorong di segala tempat di dalam kolom, kecuali di puncaknya,
sehingga kolom absorpsi itu tidak perlu sedemikian tinggi lagi. Akan tetapi, bila zat cair
52
MODUL AJAR Sorpsi
yang digunakan itu lebih banyak, zat cair yang keluar sebagai hasil akan lebih encer, dan
hal ini akan menyebabkan pemulihan zat-terlarut dengan cara desorpsi atau pelucutan
menjadi lebih sulit pula. Biaya energi untuk pelucutan biasanya merupakan bagian
terbesar dari biaya total operasi absorpsi-pelucutan. Laju optimum zat cair untuk absorpsi,
oleh karena itu, didapatkan dengan menyeimbangkan biaya operasi untuk kedua unit dan
biaya tetap untuk peralatan Pada umumnya laju zat cair untuk penyerap itu haruslah kirakira 1,1 sampai 1,5 kali laju minimum.
Kondisi pada puncak instalasi absorpsi sering merupakan variabel rancang yang
harus juga ditetapkan dengan mempertimbangkan keseimbangan antara biaya alat dan
biaya operasi. Misalnya, jika spesifikasi sementara mempersyaratkan pemulihan sebesar
98 % hasil dari arus gas, perancang dapat menghitung berapa kolom itu harus lebih tinggi
untuk mendapatkan pemulihan 99 %. Jika nilai tambahan hasil yang didapatkan lebih
besar dari biaya tambahan, pemulihan optimum tentulah sedikitnya 99 %, dan perhitungan
harus kita ulang untuk tingkat pemulihan yang lebih tinggi lagi. Jika zat-terlarut yang
belum dipulihkan itu merupakan pencemar, konsentrasinya di dalam gas buang dapat
ditetapkan sesuai dengan standar buangan, dan persen pemulihan yang dikehendaki
mungkin melebihi nilai optimum yang didasarkan atas biaya operasi. Gambar 3.6
menunjukkan pentingnya konsentrasi zat terlarut di dalam zat cair yang diumpankan ke
dalam kolom, dan pemulihan 99 % dari gas tidak akan bisa didapatkan dalam hal ini. Akan
tetapi, kita bisa mendapatkan nilai xa yang lebih rendah dengan melakukan pelucutan yang
lebih baik atau regenerasi absorben yang lebih sempurna. Nilai xa dapat dioptimumkan
dengan cara meminimalisir biaya tambahan untuk peralatan, menyempurnakan mekanisme
regenerasi absorben, serta meningkatkan efisiensi pada instalasi penyerap.
3.3.5 Pembebanan dan Pembanjiran
Dalam menara yang berisi packing dan yang dialiri dengan liquid tertentu, terdapat
suatu batasan maksimum bagi aliran gas. Kecepatan alir gas dalam limit tersebut disebut
kecepatan pembanjir (flooding velocity). Besarnya flooding velocity dapat ditentukan
berdasarkan hubungan antara penurunan tekanan (P) melalui hamparan packing, dengan
laju aliran gas (V), atau dengan mengamati perangkapan (holdup) zat cair, atau dari
penampilan visual packing. Nilai kecepatan pembanjir agak berbeda-beda, sesuai dengan
metode penentuannya, dan umumnya merupakan suatu range kecepatan, dan bukan suatu
tetapan.
53
TOPIK 3 Proses Absorpsi
Gambar 3.7 Penurunan tekanan untuk sistem udara-air, di dalam menara
absorpsi yang menggunakan packing pelana intalox 1in
Gambar 3.7 memperlihatkan data penurunan tekanan untuk sistem udara air, di
dalam menara absorpsi yang menggunakan packing pelana intalox 1in. Penurunan tekanan
per satuan kedalaman isian berasal dari gesekan fluida, dan dipetakan pada koordinat
logaritmik terhadap laju aliran gas Gy , yang dinyatakan dalam massa gas per jam per
satuan luas penampang menara kosong. Jadi, Gy berhubungan dengan kecepatan semu
(superfisial) yang dapat dinyatakan sebagai:
Gy  uo  y
(3.4)
Dimana:
Gy
= laju mol fase gas (kg/m2s)
uo
= kecepatan semu gas saat menara kosong (m/s)
y
= densitas gas, (kg/m3)
Bila packing kering, gas yang didapatkan merupakan garis lurus yang
kemiringannya ialah di sekitar 1,8. Oleh karena itu, penurunan tekanan akan meningkat
menurut pangkat 1,8 kecepatan, dan ini konsisten dengan hukum biasa tentang rugi
gesekan di dalam aliran turbulen. Jika isian itu diairi dengan aliran zat cair yang konstan,
54
MODUL AJAR Sorpsi
hubungan antara penurunan tekanan dan laju aliran gas pada mulanya akan mengikuti
garis yang sejajar dengan garis yang untuk isian kering. Penurunan tekanan itu lebih besar
daripada penurunan tekanan pada isian kering, karena adanya zat cair di dalam menara itu
akan mengurangi ruang yang tersedia untuk aliran gas. Fraksi kosong, di lain pihak, tidak
berubah dengan aliran gas itu. Pada kecepatan gas sedang, garis untuk isian yang diairi itu
menjadi lebih curam, karena gas sekarang mempersulit aliran zat cair ke bawah dan
perangkapan zat cair bertambah dengan laju aliran gas. Titik di mana perangkapan zat cair
mulai meningkat, sebagaimana dilihat dari perubahan kemiringan garis penurunan-tekanan,
disebut titik pembebanan (loading point). Namun, sebagaimana terlihat dari Gambar 3.7,
nilai titik pembebanan ini tidak mudah dilakukan dengan teliti.
Dengan kecepatan gas yang lebih tinggi lagi, penurunan-tekanan meningkat
bahkan lebih cepat lagi, dan garis-garis itu rnenjadi hampir vertikal bila penurunan
tekanan besarnya kira-kira 2-3 in air per kaki isian (150 sampai 250 mm air per meter).
Pada bagian-bagian lokal di dalam kolom liquid menjadi fase kontinu, dan kolom itu
dikatakan banjir. Aliran gas yang lebih tinggi dapat digunakan untuk sementara, tetapi
liquid lalu mengumpul dengan cepat dan akhirnya menyembur ke luar dari puncak menara
bersama gas.
Flooding velocity sangat tergantung pada jenis dan ukuran packing, serta
kecepatan massa liquid. Gambar 3.8 memperlihatkan data korelasi
flooding velocity
terhadap laju alir massa untuk packing pelana Intalox dari bahan keramik. Kecepatan gas
di dalam menara isian yang beroperasi tentulah harus lebih rendah dari flooding velocity.
Berapa lebih rendahnya merupakan pilihan yang harus ditentukan oleh perancang. Makin
rendah kecepatan, makin rendah biaya daya, tetapi menara harus lebih besar. Makin tinggi
kecepatan gas, makin besar biaya daya, dan makin kecil menaranya. Secara ekonomi,
kecepatan gas yang terbaik bergantung pada keseimbangan antara biaya daya dan biaya
tetap untuk peralatan. Biasanya pilihannya adalah kira-kira separuh flooding velocity.
Gambar 3.9 menunjukkan korelasi yang dapat digunakan untuk memperkirakan
kecepatan pembanjir dan penurunan tekanan di dalam packed tower. Ordinat kurva
tersebut bukan tanpa dimensi, dan kita harus menggunakan dimensi-dimensi tersebut di
atas. Kecepatan massa didasarkan atas penampang total menara. Definisi variabel yang
digunakan adalah:
Gx
= kecepatan massa zat cair, lb/ft2.s laju mol fase gas (kg/m2s)
Gy
= kecepatan massa gas, lb/ft2.s
55
TOPIK 3 Proses Absorpsi
Fp
= faktor isian, ft-1
x
= densitas zat cair, lb/ft3
y
= densitas gas, lb/ft3
x
= viskositas zat cair, cP
gc
= faktor kesebandingan hukum Newton, 32,174 ft.lb/lbf.s
Gambar 3.8 Flooding velocity pada packing pelana Intalox (keramik),
untuk sistem udara-air
Menara isian juga lazim dirancang atas dasar penurunan-tekanan tertentu per
satuan tinggi isian. Untuk menara absorpsi, nilai rancangnya biasanya adalah antara 0,250,5 in. H2O per kaki isian. Untuk kolom distilasi nilainya berkisar antara 0,5-0,8 in. H20
per kaki. Pada kebanyakan menara yang menggunakan cincin (ring) atau pelana (saddle)
sebagai isian, pembebanan biasanya bermula pada penurunan tekanan di sekitar 0,5 in
H2O per ft, dan banjir terjadi pada penurunan-tekanan antara 2-3 in. H2O per kaki.
56
MODUL AJAR Sorpsi
Gambar 3.9 Korelasi umum untuk penurunan tekanan di dalam packed tower
3.3.6 Hubungan Flooding Velocity dan Dimensi Menara
Untuk keperluan perancangan packed tower, luas penampang kolom dapat
diperkirakan berdasarkan nilai flooding velocity menggunakan persamaan:
S
my
Gy
(3.5)
Dengan:
S
= luas penampang menara, ft2
my
= kecepatan massa gas, lb/s
Gy
= fluks massa gas pada kondisi banjir (flooding velocity), lb/ft2.s
Analog dengan persamaan (3.4), kecepatan massa gas pada persamaan (3.5) dapat
dihitung menggunakan persamaan:
57
TOPIK 3 Proses Absorpsi
m y  q y . y
(3.6)
Dengan:
= debit aliran gas, ft3/s
qy
CONTOH 3.2
Suatu unit packed tower dengan packing cincin Raschig (keramik) ukuran 1-in. (25.4 mm)
akan dibangun untuk mengolah 25,000 ft3 (708 m3) gas umpan per jam. Gas umpan
mengandung amonia dengan kadar 2 % volume. Sebagai penyerap digunakan air yang
tidak mengandung amonia sama sekali. Suhu operasi adalah 68°F (20°C), dan tekanan 1
atm. Rasio aliran liquid terhadap aliran gas ialah 1 lb liquid/lb gas.
(a) Hitung flooding velocity!
(b) Jika kecepatan gas adalah setengah kecepatan pembanjir (flooding velocity), hitung
diameter packed tower!
Penyelesaian:
Bobot molekul rata-rata gas umpan (udara dan amonia) adalah:
M y  (29  0,98)  (17  0, 02)  28, 76 g / gmol
Densitas gas:
28,76 g / gmol  (2, 2  103 lb / g ) (460  32) R
y 

 0,07465lb / ft 3
3
(460  68) R
22, 4 L / gmol  ft / 28,32 L
Pada 68 oF, menggunakan Lampiran 14 McCabe dkk (1999) didapat:
 x  62,3lb / ft 3 ;
 x  1cP
gc  32,174lb / lb f .s;
Gy
Dan:
Gx
1
Untuk packing cincin Raschig keramik 1 in, Fp = 155 (Tabel L-1.6), sehingga:
Gy
y
Gx
x   y

0,07465lb / ft 3
 0,0346
62,3  0,07465lb / ft 3
58
MODUL AJAR Sorpsi
Gx
Gy
y
x   y
 0,0346
Dari Gambar 3.9, pada kondisi banjir:
Gy2 Fp  x0,1
gc (  x   y )  y
 0,19
Sehingga,
(a) kecepatan massa liquid pada kondisi banjir (flooding velocity) adalah:
Gy 
Gy 
0,19  gc (  x   y )  y
Fp  x0,1
0,19  32,174  (62,3  0, 07465)  0, 07465
 0, 428lb / ft 2 .s
0,1
155  1
Aliran massa total gas adalah:
m  q  y  25000 ft 3 / j  0, 07465lb / ft 3 
j
 0,518lb / s
3600s
Karena kecepatan massa gas adalah setengah dari flooding velocity, maka luas penampang
menara adalah:
S
1 my 1 0,518lb / s

 2, 42 ft 2
2
2 G y 2 0, 428lb / ft .s
Sehingga diameter menara dapat dihitung:
D
4S


4  2, 42 ft 2
 1,76 ft
3,14
3.3.7 Laju Absorpsi
Laju absorpsi per satuan volume packed tower dapat dinyatakan dengan beberapa
persamaan berikut, dimana y dan x menunjukkan fraksi mol komponen yang diserap:
59
TOPIK 3 Proses Absorpsi
r  k y a ( y  yi )
(3.7a)
r  k x a( xi  x)
(3.7b)
r  K y a( y  y* )
(3.7c)
r  K x a ( x*  x )
(3.7d)
Dengan:
r
= laju absorpsi, kgmol/m3.jam
kya
= koefisien transfer massa individual fase gas, kgmol/m3.jam.unit mol fraksi
kxa
= koefisien transfer massa individual fase liquid, kgmol/m3.jam. unit mol fraksi
Kya = koefisien transfer massa volumetrik keseluruhan untuk fase gas, kgmol/m3.jam.
unit mol fraksi
Kxa = koefisien transfer massa volumetrik keseluruhan untuk fase liquid, kgmol/m3.jam.
unit mol fraksi
Komposisi antarmuka (yi, xi) bisa didapatkan dari diagram garis operasi dengan
menggunakan persamaan (3.7a) dan (3.7b):
y  yi k x a

xi  x k y a
(3.8)
Jika dibuat plot garis operasi dan kurva kesetimbangan, maka nilai negatif dari kxa/kya
merupakan slope (kemiringan) garis yang memotong komposisi kedua fasa di dalam
menara (y, x) dengan komposisi kesetimbangan (xi, yi), sebagaimana ditunjukkan pada
Gambar 3.10.
Gambar 3.10 Nilai koefisien transfer massa
dan komposisi fasa
60
MODUL AJAR Sorpsi
3.3.8 Koefisien Transfer Massa
Gaya-dorong menyeluruh dapat ditentukan dengan mudah sebagai garis vertikal
atau garis horisontal pada diagram y – x. Koefisien transfer massa keseluruhan dapat
ditentukan dari nilai kya dan kxa serta kemiringan lokal kurva keseimbangan m, dengan
menggunakan persamaan:
1
1
m


K y a k y a kx a
(3.9)
1
1
1


K x a k x a mk y a
(3.10)
Di mana:
m
= slope kurva kesetimbangan lokal
kya
= koefisien transfer massa individual fase gas, kgmol/m3.jam.unit mol fraksi
kxa
= koefisien transfer massa individual fase liquid, kgmol/m3.jam. unit mol fraksi
Kya = koefisien transfer massa volumetrik keseluruhan untuk fase gas, kgmol/m3.jam.
unit mol fraksi
Kxa = koefisien transfer massa volumetrik keseluruhan untuk fase liquid, kgmol/m3.jam.
unit mol fraksi
3.3.9 Perhitungan Tinggi Menara
Instalasi absorpsi dapat dirancang dengan menggunakan salah satu persamaan laju
absorpsi, namun yang paling lazim ialah dengan persamaan koefisien film gas (Kya).
Untuk menara absorpsi dengan luas penampang S dan laju alir molar gas V, tinggi menara
dapat ditentukan dengan persamaan:
ZT 
V /S
Kya

b
a
dy
V / S  yb  ya


*
K y a  y  y*
yy

  H oy .Noy

(3.11)
Di mana:
ZT
= tinggi tower (menara), m
V
= laju alir molar fasa gas, mol/jam
S
= luas penampang menara, m2
Kya = koefisien transfer massa volumetrik keseluruhan untuk fase gas, kgmol/m3.jam.
unit mol fraksi
61
TOPIK 3 Proses Absorpsi
y
= komposisi fasa gas di dalam menara
y*
= komposisi fasa gas pada kesetimbangan
yb
= komposisi fasa gas pada bagian dasar menara
ya
= komposisi fasa gas pada bagian atas menara
Hoy
= tinggi per satuan perpindahan massa, m
Noy
= satuan perpindahan massa keseluruhan fasa gas
Nilai-nilai Hoy untuk suatu sistem adakalanya tersedia langsung dari literatur, atau
dari pengujian pada skala pilot-plant. Tetapi seringkali pula harus ditaksir dari korelasikorelasi empirik mengenai koefisien individual satu satuan perpindahan. Sebagaimana
koefisien perpindahan-massa, maka tinggi satuan perpindahan (H) dapat dinyatakan
dengan empat cara:
Gas keseluruhan:
H oy 
V /S
Kya
Noy  
dy
y  y*
(3.12a)
Liquid keseluruhan:
H ox 
L/S
Kxa
N ox  
dx
x x
(3.12b)
Film gas:
Hy 
V /S
ky a
Ny  
dy
y  yi
(3.12c)
Film liquid:
Hx 
L/S
kx a
Nx  
dx
xi  x
(3.12d)
*
Dengan demikian, perhitungan tinggi menara absorpsi dengan persamaan (3.11)
dapat menggunakan salah satu nilai H dan N dari persamaan (3.12). Pada kasus di mana
garis operasi dan garis kesetimbangan sama-sama berupa garis lurus (linier), Noy
merupakan perbandingan perubahan konsentrasi fase terhadap rerata logaritmik dari
driving force:
Noy 
yb  ya
yL
dan
Nox 
xb  xa
xL
(3.13)
Di mana:
yL = rerata logaritmik perubahan komposisi solute di dalam fase gas
xL = rerata logaritmik perubahan komposisi solute di dalam fase liquid
62
MODUL AJAR Sorpsi
Secara matematis, nilai rerata logaritmik dari driving force, dapat dihitung dengan
persamaan:
yL 
( yb  yb* )  ( ya  ya* )
 y  yb* 
ln  b
* 
 ya  ya 
dan
xL 
( xb  xb* )  ( xa  xa* )
 x  xb* 
ln  b
* 
 xa  xa 
(3.14)
Sekalipun persamaan-persamaan 3.13 dan 3.14 dikembangkan untuk kondisi khusus,
namun dapat dipakai tanpa menyebabkan kesalahan berarti dalam perhitungan tinggi
packed tower.
CONTOH 3.3
Aliran gas yang mengandung 3 % komponen A dilewatkan ke dalam packed tower untuk
menghilangkan 99 % A menggunakan air sebagai absorben. Menara absorpsi
dioperasikan pada suhu 25 °C dan tekanan 1 atm. Flux molar fase gas adalah 20
mol/ft2.jam sedangkan flux molar fase liquid 100 mol/ft2.jam. Koefisien transfer massa
dan data kesetimbangan adalah sebagai berikut:
y* = 3,1x (25 oC)
kxa = 60 mol/ft3.jam. unit mol fraksi
kya = 15 mol/ft3.jam. unit mol fraksi
(a) Hitung Noy, Hoy, dan tinggi menara (ZT) , jika kondisi dianggap isotermal, perubahan
laju alir gas dan liquid dapat diabaikan!
(b) Hitung tinggi menara (ZT) dengan menggunakan Hox, dan Nox!
Solusi:
(a) Asumsi, mula-mula tidak ada A di dalam absorben, atau xa = 0, sehingga fraksi mol A
di dalam fase liquid di titik keluaran liquid dapat dihitung dengan persamaan neraca
massa:
xa La  Vb yb  xb Lb  yaVa
0  V ( yb  ya )  xb L
xb 
V ( yb  ya )
L
atau
xb 
V / S ( yb  ya )
L/S
Atau:
63
TOPIK 3 Proses Absorpsi
xb 
20mol / m2 . jam  (0, 03  (0, 03  0, 03  0,99))
 0, 00594
100mol / m2 . jam
dan:
yb*  3,1  0, 00594  0, 01841
Selisih fraksi A di dasar dan di puncak menara adalah:
yb  yb*  0,03  0,01841  0,01159
ya  ya*  (1  0,99)  0,03  0  0,0003
Dengan persamaan (3.14) didapat:
yL 
( yb  yb* )  ( ya  ya* )
y y 
ln  b

 ya  y 
*
b
*
a

0,01159  0,0003
 0,00309
 0,01159 
ln 

 0,0003 
Dengan persamaan (3.13) didapat:
Noy 
yb  ya
yL

0, 03  0, 0003
 9, 61
0, 00309
Dari soal diketahui m = 3,1, sehingga dengan persamaan (3.9) koefisien transfer massa
keseluruhan dapat dihitung:
1
1
m
1 3,1




K y a k y a k x a 15 60
K y a  8, 45mol / ft 3 . jam
Tinggi perpindahan massa, Hoy adalah:
H oy 
20 mol / ft 2 . jam
V /S

 2,37 ft
K y a 8,45 mol / ft 3 . jam
Dengan persamaan (3.11) didapat tinggi menara:
Z T  H oy .N oy  2,37 ft  9,61  22,78 ft
64
MODUL AJAR Sorpsi
(c) dari persamaan garis kesetimbangan, diperoleh fraksi A dalam fasa liquid pada
kesetimbangan:
(i) pada bagian bawah menara
xb * 
yb 0,03

 0,00967
3,1 3,1
(ii) pada bagian atas menara
xa * 
ya 0,0003

 0,0000967
3,1
3,1
Sehingga diperoleh:
xL 
( xb  xb* )  ( xa  xa* ) (0,00967  0,00594)  (0,0000967  0)

 0,000996
 ( xb  xb* ) 
 (0,00967  0,00594) 
ln 
ln 

* 
(
x

x
)
 (0,0000967  0) 
a
a


1
1
1
1
1




 0,03817  K x a  26,2
K x a k x a 3,1k y a 60 3,115
dan:
L / S 100 mol / ft 2 . jam
H ox 

 3,817 ft
K x a 26,2 mol / ft 3. jam
Nilai ZT dapat dihitung:
ZT  H ox .Nox  3,817 ft  5,96  22,75 ft
3.3.10 Variasi Suhu dalam Packed Tower
Bila gas kaya 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, tetapi penguapan pelarut cenderung menyebabkan
suhu turun. Biasanya, efeknya secara menyeluruh ialah peningkatan suhu larutan, tetapi
kadang-kadang, 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. Untuk menentukan profil suhu zat cair
dan gas itu secara eksak diperlukan perhitungan yang panjang. Bila suhu gas masuk
mendekati suhu keluar zat cair dan gas masuk itu jenuh, penguapan pelarut tidak
65
TOPIK 3 Proses Absorpsi
memberikan banyak efek, dan peningkatan suhu zat cair dapat dikatakan sebanding
dengan banyaknya zat terlarut yang diserap. Garis keseimbangan itu akan melengkung ke
atas, dengan nilai x meningkat bersamaan dengan suhu yang lebih tinggi pula.
Bila gas itu masuk kolom pada suhu 10 - 20° C lebih rendah dari suhu zat cair
keluar, dan pelarut itu mudah menguap, penguapan akan menyebabkan terjadinya
penurunan suhu zat cair pada bagian bawah kolom, dan profil suhu akan mencapai
maksimum. Bila gas umpan itu jenuh, puncak suhu itu mungkin tidak terlalu tegas, dan
untuk rancang pendekatan nilai keseimbangan untuk bagian bawah kolom dihitung
dengan menggunakan suhu zat cair keluar, atau suhu maksimum menurut perkiraan.
Kelengkungan garis keseimbangan ini menyebabkan penentuan laju minimum zat
cair menjadi lebih sulit, karena jika laju zat cair dikurangi, suhunya akan meningkat, dan
ini akan menggeser posisi garis keseimbangan. Dalam kebanyakan hal, kita dapat
mengandaikan dalam menghitung Lmin, bahwa pada dasar kolom terdapat kondisi kritis.
RANGKUMAN
Absorpsi adalah peristiwa perpindahan massa sorbat (solute) dari suatu larutan induk (bulk
solution) ke dalam fasa lain, baik padat atau liquid, yang bersifat menyerap (sorben).
Berbeda dengan proses adsorpsi, dimana akumulasi sorbat terjadi pada permukaan sorben,
pada peristiwa absorpsi akumulasi terjadi di dalam partikel sorben. Karena itu, peristiwa
absorpsi umumnya melibatkan fasa-fasa fluida, yaitu fasa gas dan liquid. Namun dalam
kasus terbatas, absorpsi dapat pula terjadi antara fasa solid dan fluida. Tidak jarang,
peristiwa absorpsi melibatkan mekanisme kimia, sehingga tidak semuanya bersifat dapat
balik (reversible). Peralatan yang digunakan untuk proses absorpsi dikenal dengan nama
menara atau kolom absorpsi (absorption tower). Secara umum menara absorbsi dapat
diklasifikasikan menjadi tiga jenis, yaitu kolom piring (tray tower), menara isian (packed
tower), dan kolom semprot (spray tower).
66
MODUL AJAR Sorpsi
PERTANYAAN
1. Udara yang mengandung 5 % amonia akan dibersihkan secara absorpsi di dalam
packed tower menggunakan air sebagai absorben. Menara absorpsi tersebut
menggunakan isian tipe pall ring dari bahan metal ukuran 2 in, dan dioperasikan pada
suhu 25 °C dan tekanan 1 atm. Proses diharapkan dapat menghilangkan 99% amonia
dari gas umpan. Flux molar fase gas adalah 50 mol/m2.jam sedangkan flux molar fase
liquid 100 mol/m2.jam. Data kesetimbangan, koefisien transfer massa, dan sifat-sifat
air adalah sebagai berikut:
Fraksi mol NH3 dalam
fase liquid, xa
0,0 0,0208 0,0258 0,0309 0,0405 0,0503 0,960 0,175 0,241 0,297
Fraksi mol NH3 dalam
fase gas, ya
0,0 0,0158 0,0197 0,0239 0,0328 0,0416 0,0915 0,218 0,392 0,618
kxa = 60 mol/ft3.jam. unit mol fraksi; kya = 15 mol/ft3.jam. unit mol fraksi
air = 62,3 lb/ft3 (20 oC) = 62,15 lb/ft3 (30 oC);
67
TOPIK 3 Proses Absorpsi
air = 1,0 cP (20 oC) = 0,803 cP (30 oC);
(a) Gambarkan diagram alir bahan pada packed tower tersebut!
(b) Gambarkan kurva kesetimbangan sistem dan garis operasi
(c) Hitung kecepatan pembanjiran (flooding velocity)
(d) Jika kecepatan gas adalah setengah dari flooding velocity, hitung diameter packed
tower!
2. Hitung tinggi menara dari data di atas, jika kondisi operasi dianggap isotermal, dan
perubahan laju alir gas dan liquid dapat diabaikan!
MODEL JAWABAN
Soal teori menginginkan jawaban yang lugas dan tidak bertele-tele. Penjelasan
yang diberikan harus runtun. Sedangkan soal hitungan, harus dijawab secara sistematis
dengan tahapan penyelesaian yang realistis-logis. Langkah praktis yang dapat dilakukan
misalnya:
(1) Pilih persamaan yang sesuai kondisi sistem untuk menghitung variabel yang
diperlukan
(2) Identifikasi dan hitung data variabel yang belum diketahui atau tidak tersedia. Data
karakteristik bahan biasanya dapat diperoleh dari literatur.
(3) Setelah data cukup, hitung variabel yang diinginkan.
(4) Pastikan jawaban anda sudah sesuai dengan spesifikasi data yang diinginkan
68
MODUL AJAR Sorpsi
TINDAK LANJUT
Jawablah soal-soal di sub topik Pertanyaan sesuai dengan mengikuti standar Model
Jawaban. Bandingkan jawaban anda dengan kunci jawaban di Lampiran. Ukur nilai
jawaban anda menggunakan indikator di bagian Daftar Tilik Penampilan. Bila nilai anda
belum mencapai range 66-80, mahasiswa harus mempelajari kembali topik ini sampai
mahir! Bila sudah mencapai range nilai tersebut, mahasiswa dipersilakan melanjutkan ke
topik selanjutnya.
69
TOPIK 3 Proses Absorpsi
DAFTAR TILIK PENAMPILAN
Evaluasi kompetensi mahasiswa pada setiap topik bahasan dalam modul ini
dilakukan dengan cara menilai performansi mahasiswa dalam menjawab soal-soal yang
terdapat pada sub topik Pertanyaan. Performance indicator yang digunakan adalah
sebagaimana yang ditunjukkan pada Tabel berikut:
No.
Soal
1
2
3
4
Ketrampilan (kompetensi)
A
Nilai
B C D
E
Dapat menjelaskan definisi dan aplikasi proses absorpsi
Dapat menjelaskan struktur dan konstruksi packed tower
Dapat menghitung parameter flooding velocity dan
diameter menara isian
Dapat menghitung tinggi perpindahan massa dan tinggi
menara isian
Skala nilai dan indikator yang digunakan:
70
MODUL AJAR Sorpsi
Nilai
Skor
(angka)
Diskripsi
A
 81
Amat Baik
B
66-80
Baik
C
56-65
Cukup
D
41-55
Kurang
E
 40
Tidak ada
Indikator
Jawaban yang diberikan tepat, sistematis, dan sesuai
dengan kunci jawaban
Jawaban yang diberikan cukup tepat, sistematis, dan
hampir sesuai dengan kunci jawaban
Jawaban yang diberikan agak tepat, kurang
sistematis, dan hampir sesuai dengan kunci jawaban
Jawaban yang diberikan kurang tepat, kurang
sistematis, dan kurang sesuai dengan kunci jawaban
Jawaban yang diberikan tidak tepat, tidak sistematis,
dan tidak sesuai dengan kunci jawaban
71