FENOMENA PERPINDAHAN “Characterization of Mass Transfer in a Shallow Fluidized Bed for Adsorption Processes: Modeling and Supporting Experiments” Oleh : Dina Adelina 19/449639/PTK/12898 PROGRAM PASCA SARJANA UNIVERSITAS GADJAH MADA YOGYAKARTA 2020 1. Pendahuluan Standard proses untuk penghilangan gas asam seperti karbon dioksida (CO2) dan hidrogen sulfida (H2S) dalam skala industri adalah absorpsi dalam larutan alkanolamine encer. Dua contoh prosesnya seperti dibawah ini : a) Penghilangan H2S dan CO2 dari gas alam menggunakan larutan methyl diethylamine (MDEA) encer b) CO2 setelah pembakaran diambilmenggunakan penyerapan CO2 dalam larutan monoethanolamine (MEA) Proses ini memiliki konsumsi energi yang tinggi karena adanya pemanasan dan pendinginan larutan dengan kapasitas panas tinggi. Apalagi, selama regenerasi ada pelarut yang teruapkan. Hal ini menjadi pendorong utama untuk para peneliti fokus pada gas removal menggunakan adsorpsi. Adsorben memiliki kapasitas panas yang lebih rendah dibandingkan dengan larutan. Penggunaan larutan seperti MDEA dan MEA setelah absorpsi, diperlukan adanya proses penguapan larutan tersebut. Kemudian, transfer massa sour gas di dalam sistem gas-padat lebih cepat daripada transfer massa sour gas dalam sistem gas cair. Oleh karena itu, peralatannya akan menjadi lebih kecil daripada kontaktor gas-cair. Supported Amine Sorbents (SASs) sering digunakan untuk penelitian dan diajukan sebagai adsorben untuk penghilangan sour gas. SASs adalah sorbent yang digabungkan dengan amina untukmembentuk suatu reaksi kimia antara permukaan dan adsorbat (chemisorb)pada sour gas. Disamping perlunya adsorben yang baik, reaktor yang tepat juga diperlukan. Penulis pada jurnal ini menggunakan Multistage Fluidized Bed (MSFB) sebagai tipe reaktor yang tepat untuk penghilangan sour gas dari gas alam. Ada tiga (3) pertimbangan dalam memilih MSFB untuk adsorpsi penghilangan sour gas, yaitu : a. Fluidized bed memiliki solids hold-up yang ralitif tinggi sehingga menghasilkan peralatan yang cukup kecil b. Kontak secara counter-current dibutuhkan untuk mendapatkan efisiensi removal cukup tinggi karena leanest sorbent akan berkontak dengan konsentrasi gas yang paling kecil sehingga akan memungkinkan terjadinya kesetimbangan c. Transfer panas yang baik dibutuhkan karena adsorpsi merupakan proses eksotermis Pada jurnal ini, bertujuan untuk membangun phenomenologicalmodel yang menjelaskan tentang single adsorptive fluidization stage menggunakan shallow beds dalam rangka penghilangan sour gas dari gas alam. Parameter yang digunakan dalam model ini seperti mixing, gas interchange dan kinetika adsorpsi yang diperkirakan melalui eksperimen atau literatur. Selanjutnya, proses adsorpsi yang dilakukan bertujuan untuk meneliti apakah model ini mampu untuk memprediksi efisiensi penghilangan sebagai fungsi dari beberapa parameter proses. Hal ini memungkinkan kita untuk mengidentifikasi proses transfer massa dalam MSFBs dengan shallow fluidized beds, yang berfungsi sebagai pedoman dalam perancangan MSFB. Percobaan untuk MSFB telah dilakukan sebelumnya. 2. Bahan dan Metode 2.1 Bahan Resin penukar ion yang tersedia secara komersial digunakan sebagai amina sorbent. Lewatit VC OC 1065 didapatkan dari Lanxess, Jerman. Amina sorben ini dicampur dengan karbon bubuk (0.3 wt%) untuk mengurangi efek elektrostatik dalam fluidized bed. Kecepatan minimum fluidisasiΖ²mf dari amina sorben ditentukan melalui pressure drop experiment. Mempertimbangkan aspek secara hidrodinamika dan transfer massa dalam fluidized beds seringkali bukan merupakan fungsi properti gas, tetapi lebih ke proses konvektif. Penelitian dalam jurnal ini hanya menggunakan CO2 sebagai sour gas component. H2S tidak digunakan karena beracun dan berbahaya. 2.2 Single stage adsorption Eksperimen adsorpsi dilakukan dalam single stage fluidized bed (SSFB), diperlihatkan pada Gambar 1. Adsorber ini memiliki diameter dalam 0.1 m dilengkapi dengan metal sintered plate sebagai distributor gas. SSFB diumpankan dengan campuran CO2 / N2 menggunakan Brooks Instrument mass flow controllers. Amina sorbent diumpankan pada bagian atas dari SSFB melewati rotary valve RV-1. Fluidized bed dilengkapi dengan thermocouple type-K yang berlokasi 20 mm diatas metal sintered plate untuk mengukur temperatur bed. Gambar 1 Experimental Set Up untuk SSFB Umpan yang kaya akan amina sorben diumpankan ke desorber. Desorber berupa MSFB 5 stage (ID 0.1 m). Waktu tinggal sorbent untuk solid flux yang tertinggi adalah 14 menit diperkirakan 3 kali lebih tinggi dan ini dapat mendukung asumsi bahwa amina sorbent meninggalkan desorben tidak mengandung sorbent. 2.3 Hold-up of the bubble phase Hold-up bubble phase ditentukan dengan mengukur ketinggian bed ketika fluidizing dibandingkan dengan ketinggian bed pada fluidisasi minimum. Pada bagian atas fluidized bed dibiarkan terbuka untuk pengamatan ketinggian bed secara visual. Diasumsikan bahwa fase emulsi tetap ada pada kondisi minimum fluidisasi dan bubble phase tidak mengandung padatan. Asumsi ini sesuai dengan definisi dari bubble hold up : ππ = π»−π»ππ π»ππ (1) Fluidization gas adalah N2. Standpipe di diblok menggunakan 2 sumbatan untuk menghindari amina sorbent mengalir ke luar. Ketinggian awal packed bed adalah 78 mm. Superficial gas velocities bervariasi antara 0.08 m/s dan 0.29 m/s. 2.4 Estimation of solids axial dispersion Dispersi axial dari fase padatan diperkirakan menggunakan hot tracer experiment. Amina sorbent dipanaskan dalam oven pada suhu 160 ΜC. Massa amina sorbent yang telah diketahui ditambahkan pada fluidized bed, sesuai dengan hot layer thickness tertentu pada bagian atas bed. Respon thermal pada posisi axial yang berbeda dalam bed juga diukur. Hal ini sesuai pada Gambar 2. Koefisien thermal axial dispersion diperkirakan menggunakan eksperimen transient 2 fase (gas-padat) model transfer panas. 3. Model 3.1 Single stage framework Single stage experiment diinterpretasikan menggunakan 1D phenomenological berdasarkan model 2 fase. Mode ini isothermal. Bubble gas phase diasumsikan plug flow, bubble phase tidak terdapat padatan, sehingga adsorpsi tidak terjadi pada tempat ini. Pertukaran gas antara bubble gas dan fase emulsi gas diasumsikan sebanding dengan perbedaan konsentrasi bubble dan konsentrasi gas emulsi menggunakan koefisien Kbe sebagai konstanta. Persamaan diferensial dapat dilihat pada persamaan (2) πππ’π πππ ππ§ = − Kbe (cb − ce) dengan ππ |π§=0 = πππ Gambar 2 Single Adsorbing Stage Gambar 3 Skema Adsorptive Fluidized Bed Model (2) Flux CO2 dari emulsi fase gas ke sorbent : ππ π’π πππ ππ§ πΊ − ππ π·ππ₯ π2 ππ ππ§ 2 = Kbe (cb − ce) − ππ ππ ππππ π π΄ (3) Laju adsorpsi π π΄ didefinisikan pada kondisi emulsi gas π π΄ = π π΄ (ππ, π). Danckwerts boundary condition untuk emulsi fase gas : (4) Emulsi gas padat dikontakkan secara co-current karena emulsi gas-padat dalam bed keduanya memiliki arah aliran seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Pada fase padat menggunakan dispersi axial untuk menentukan pencampuran : π2 π ππ π π ππ§ − ππ ππ π·ππ₯ = ππ ππ ππππ π π΄ ππ§ 2 (5) Dalam persamaan diatas S adalah flux padatan, yang mana aliran massa padatan dinormalisasi pada area crosssection bed (πππ /(ππ 2 π )). Sesuai dengan Danckwerts boundary condition untuk fase solid menggunakan persamaan dibawah ini : ππ π ππ ππ π·ππ₯ | = π (π |π§=0 − ππ ) dan ππ§ π§=0 ππ | ππ§ π§=π» =0 (6) Dengan melihat dispersi axial dari emulsi fase padat dan gas sebelumnya, πΊ π diasumsikan bahwa koefisien dispersi axial dari kedua fase tersebut (π·ππ₯ πππ π·ππ₯ ) adalah sama. Walaupun ini tidak selalu benar dari sudut pandang physical, kedua dispersi axial tersebut dapat diperkirakan satu sama lain, ini merupakan asumsi yang biasa digunakan dalam teknik fluidisasi. Transfer massa eksternal (dari emulsi gas ke partikel sorbent) tidak dipertimbangkan dalam model karean dapat diabaikan. Mears memperlihatkan kriteria berdasarkan Damköhler number untuk menguji jika transfer massa eksternal dapat diabaikan menggunakan persamaan dibawah ini : (7) dalam persamaan ini, π ππ₯π adalah laju reaksi yang diamati secara eksperimen per volume sorbent, kpe adalah koefisien transfer massa gas dan Ε adalah orde reaksi yang mana memiliki satuan yang sama dalam kasus ini karena reaksi merupakan reaksi orde 1 dalam konsentrasi gas. Damköhler number yang kedua dihitung berdasarkan skenario kasus yang terburuk yaitu : a) 76% penghilangan CO2 – efisiensi penghilangan terbesar telah diamati – menggunakan konsentrasi masuk 1% CO2 b) Kecepatan superficial tertinggi (0.22 m/s) dan c) Menggunakan ketinggian bed yang paling rendah yaitu 50 mm Diameter partikel dari amina sorbent adalah 668 µm. Bilangan Sherwood untuk transfer massa eksternal dihitung menggunakan Sherwood-Reynold sesuai fluidized bed dari Kunii dan Levenspiel. Bilangan Damköhler ditemukkan sekitar 0.1, sehingga kondisi ini memenuhi persamaan 7, membenarkan bahwa transfer massa eksternal dapat diabaikan untuk beberapa eksperiment yang telah dilaporkan. 3.2 Velocities dan hold-ups Aliran gas fase gas emulsi diasumsikan sama terhadap aliran gas saat fluidisasi minimum. Oleh karena itu, kecepatan linier dalam emulsi fase gas ue sama dengan ue = umf / εmf. Dari total mass balance dapat ditentukan bahwa kecepatan bubble phase ub dapat hitung menggunakan persamaan dibawah ini : π’π = π’0 − (1− ππ )π’ππ ππ (8) Hold up bubble phase secara ekperimental telah diukur pada sub bab 2.3. Berdasarkan hold up emulsi fase gas, diasumsikan bahwa fraksi emulsi gas dalam fase emulsi (emulsi fase gas-padat) adalah sama dengan porositas bed saat fluidisasi minimum yang mana hasil dari asumsi tersebut bahwa fase emulsi dijaga pada kondisi fluidisasi minimum. ππ ππ + ππ = εππ (9) Sistem dari persamaan ini didekati dengan penjumlahan menjadi : fb+fe+fs= 1 (10) 3.3 Intraparticle mass transfer limitation Intrapartikel mass transfer limitation diperkirakan menggunakan pendekatan modulus Thiele. Metode ini menggunakan modulus Thiele untuk adsorpsi (persamaan 11) dari effectiveness factor untuk adsorpsi dapat diturunkan (persamaan 12) ∅πππ = πΏ√ 3 π π‘ 1/π‘β ) β) ππ ππ ππ π π(1−( ∅πππ = ∅πππ π·π (∅πππ coth(∅πππ )−1) ∅πππ (11) (12) 4. Results and discussion 4.1 Bubble hold up Gambar 4 memperlihatkan hold up dari fase bubble sebagai fungsi kecepatan excess superficial uo-umf. Data eksperimen di plot sebagi fungsi eksponensial menghasilkan hubungan seperti dibawah ini : fb = 1-exp (-1.378 ± 0.052 (uo-umf)) (13) Persamaan 13 memiliki error yang cukup besar. Persamaan tersebut tidak dapat memprediksi pengukuran bubble hold up. Merujuk dari yang telah di lakukan sebelumnya yaitu Geldart, dapat dilihat dari gambar 4 bahwa penyimpangan menjadi lebih besar dengan naiknya excess velocity. Gambar 4 Bubble Hold Up 4.2 Dispersi Axial Fase Padat Tipe pengukuran dari percobaan hot tracer response diperlihatkan pada Gambar 5. Kenaikan suhu pada setiap thermocouple terlihat jelas. Pertama, suhu pada bagian atas thermoccouple (z=170 mm) naik. Selanjutnya temperatur pada termocouple lain (z=120 mm, z = 70 mm, dan z = 20 mm) juga naik. Pada detik awal (<20 detik) tidak ada perbedaan antar suhu thermocouple. Setelah 20 detik, suhu bergantung pada ketinggian karena adanya pencampuran dan temperatur bed menurun sehingga terjadi kehilangan panas ke lingkungan. Meskipun telah dilakukan treatment dengan perlahan menuangkan hot amina sorbent pada fluidized bed, sehingga tidak mungkin untuk menambahkan hot amina sorbent sebagai lapisan yang stagnant. Hot amina sorben selalu memiliki kecepatan yang terus menurun. Dapat diamati bahwa model prediksi memiliki trend yang sama dengan eksperiment ini. Gambar 5 Typical Experimental and Model Result for Axial Dispersion Nilai dispersi axial padatan untuk ketinggian fixed bed yang bervariasi diperlihatkan pada Gambar 6. Saat kecepatan excess rendah, bed tidak terfluidisasi dengan baik, dan model dispersi axial padatan tidak dapat menjelaskan sifat pencampuran secara akurat. Hasil ini memiliki error yang lebih besar untuk dispersi axial padatan dibandingkan dengan kecepatan excess yang lebih tinggi. Dispersi axial padatan akan meningkat seiring dengan kecepatan excess, yang artinya kenaikan kecepatan gas menyebabkan pencampuran bertambah. Kemudian, dapat dilihat bahwa tidak ada efek dari ketinggian bed, walaupun sebelumnya telah diprediksi. Dapat dijelaskan melalui shallow beds (50 mm < H < 250 mm) yang telah digunakan, dalam kisaran ini sirkulasi pola padatan dalam bed tidak banyak berubah. Gambar 6 Hasil Experiment dan Hubungan untuk Dispersi Axial Padatan Pergerakan padatan dalam fluidized bed sangat bergantung pada panjang/diameter (H/D) ratio fluidized bed. Dalam MSFB tipe shallow fluidized bed digunakan dalam setiap stage, mengindikasikan bahwa ratio H/D kecil dalam skala besar. Ratio H/D dalam jurnal ini dibuat seragam. Bilangan Peclet untuk fase solid sesuai dengan persamaan 14 ππ π = π·π ππ» ππ₯ ππ ππ (14) Merujuk dalam fase padat untuk eksperimen adsorpsi single stage, Peclet number terbesar adalah 0.083 (H = 0.25 m, S = 0.222 kgs/(mR2 s), fs = 0.39 ms3/mR3, dan DaxS = 1.5.10-3 mR2/s). Nilai ini cukup rendah sehingga fase padat dapat diperkirakan menggunakan Continuosly Stirred Ideal Tank Reactor (CISTR). Sebagai catatn bahwa, bilangan Peclet yang lebih kecil akan menyerupai CISTR, oleh karena itu titik masuk padatan pada tray bukan suatu masalah dari sudut pandang model. Nilai minimum bilangan Peclet untuk adsorpsi single stage adalah 0.2 dan maksimum 22.8. bilangan Peclet ini untuk N=1 dan N=12 jika CISTR seri. Artinya, pencampuran untuk emulsi fase gas berada diantara ideal mixing dan plug flow, bergantung pada dispersi axial emulsi fase gas, yang juga merupakan fungsi dari kecepatan superficial. Variasi pencampuran memperlihatkan pentingnya karakterisasi pencampuran untuk emulsi fase gas. 5. Kesimpulan Phenomenological model shallow MSFBs untuk proses adsorpsi kontinyu menggunakan sorben amina digunakan untuk interpretasi percobaan dalam shallow fluidized bed. Model ini berdasarkan model klasik 2 fase untuk fluidized bed. Pengukuran bergantung pada hold up bubble phase dan untuk mendukung model pencampuran. Percobaan ini memperlihatkan bahwa laju adsorpsi cepat jika : Waktu tinggal gas dalam bed berada di bawah 0.8 s, pada waktu ini (41-76 %) CO2 akan di adsorb. Shallow fluidized beds memiliki keunggulan bahwa jumlah bubble tidak akan berlebihan. Sistem yang diperlihatkan sudah cukup dioptimalkan sehubungan dengan proses transfer massa: pertukaran gas dapat ditingkatkan sebagai contoh memasang penghalang di dalam bed atau menggunakan partikel yang lebih besar. Shallow fluidized bed menyediakan karakteristik transfer massa yang optimal untuk aplikasi MSFB.
