Peningkatan kecepatan transfer massa gas-cair dengan penambahan fase organik cair terdispersi dalam tangki berpengaduk

SEMBODO, Bregas Siswahyono Tatag, Ir. Supranto, M.Sc.PhD

2001 | Tesis | S2 Teknik Kimia

Absorpsi gas yang sedikit larut dalam cairan merupakan proses yang sexing dijumpai dalam industri kimia. Pada proses ini kecepatan transfer massa gas-cair merupakan kecepatan yang menentukan. Salah satu cara peningkatan kecepatan transfer massa gas-cair adalah dengan penambahan zat cair kedua, biasanya zat organik, yang immiscible dengan fase kontinyu dan kelarutan gas tersebut dalam zat cair ini lebih tinggi daripada dalam fase kontinyu. Tujuan utama penelitian ini adalah mencari korelasi antara fraksi volume organik dan peningkatan kecepatan transfer =ssa gas-cair dalam tangki berpengaduk. Kasus yang dipelajari adalah absorpsi oksigen dalam emulsi butyl-cyclopropane/air dengan surfaktan dodecyl benzene sulphonate. Variabel-variabel yang dipelajari adalah fraksi volume organik (c), kecepatan pengadukan (N) dan konsentrasi surfaktan (x). Besarnya peningkatan dinyatakan dengan enhancement factor (Eft ), yaitu rasio antara koefisien transfer massa gas-cair volumetrik (ka) dengan droplet organik dan tanpa droplet organik. Percobaan dilakukan dengan tangki berpengaduk berdiameter dalam 11 cm yang dilengkapi dengan 4 buah baffle. Konsentrasi oksigen diukur dengan dissolved-oxygen meter. Mula-mula dalam tangki berpengaduk campuran air, butyl-cyclopropane dan surfaktan dengan komposisi tertentu diaduk dengan kecepatan rendah sambil ditambahkan sodium sulfit sedikit demi sedikit sampai konsentrasi oksigen 0 %. Setelah itu pengaduk diputar sesuai dengan kecepatan yang diinginkan dan oksigen digelembungkan dalam tangki berpengaduk dengan laju 36,3 cm3/detik. Proses dihentikan bila konsentrasi oksigen sudah mencapai titik jenuhnya. Konsentrasi oksigen setiap selang waktu tertentu tercatat secara otomatis pada kertas hasil rekaman dissolved-oxygen meter. Hasil percobaan menunjukkan bahwa pada kecepatan pengadukan 400 rpm penambahan organik sampai fraksi volume 0,25 dapat meningkatkan nilai ka sampai 0,1 detik-1 dan Ear mencapai 4,4. Peningkatan kecepatan pengadukan dapat meningkatkan nilai ka cukup besar tetapi terhadap nilai Eaf tidak terlalu besar. Konsentrasi surfaktan optimum dan tidak terbentuk busa adalah 20 % volume organik. Model heterogen digunakan untuk menganalisis proses ini dengan asumsi telah terjadi kesetimbangan untuk model I dan belum terjadi kesetimbangan untuk model 2. Bentuk matematis model 1 adalah Eaf = yre + 1; yr = 9,90759 ln(N) — 39,85674 dan bentuk matematis model 2 adalah Pa. =ae + 1a 0,00643 (N) — 2,68096 ; /3 = 3,15245 , untuk kecepatan fle + 1' pengadukan dari 100 rpm sampai 400 rpm dan fraksi volume organik dari 0 sampai 0,25. Model 2 lebih mendekati data percobaan daripada model 1 dengan kesalahan relatif rata-rata terbesar 6,4 % terhadap data percobaan, sedangkan kesalahan relatif rata-rata model 1 nilainya 68,3 %.

Absorption of a slightly soluble gas into a liquid is frequently encountered in process industry, in which the mass transfer rate of gas-liquid is the limiting step. One of the ways to enhance the mass transfer rate of gas-liquid is to add an immiscible second liquid phase, usually an organic, and in which the gas has a greater solubility than in the continuous phase. The main objective of this research was to seek a correlation between the dispersed organic volume fraction and the enhancement of the mass transfer rate of gas to liquid in the stirred tank. The case to be studied was the absorption of oxygen into butyl-cyclopropane/water emulsions with dodecyl benzene sulphonate as a surfactant. The variables studied were the organic volume fraction (s), the stirrer speed (N) and the concentration of surfactant. The enhancement factor ( Eaf ) was defined as the ratio of the volumetric gas-liquid mass transfer coefficient (lcca) in the presence of organic droplets and that in the absence of droplets. The experiment was performed in a stirred tank with 11 cm inside diameter, equipped with 4 baffles. The concentration of oxygen was measured by the dissolved-oxygen meter. At first, in the stirred tank, the mixture of water, butyl-cyclopropane and surfactant with certain composition was stirred with low speed while the sodium sulfite was added in the mixture little by little until the concentration of oxygen was zero. Then the stirrer was switched on with the desired speed and the oxygen was bubbled in the stirred tank at flow rate of 36.3 cm3/S. The process was stopped when the concentration of oxygen reached the saturated point. The concentration of oxygen every certain interval of time was written automatically on the record paper of the dissolved-oxygen meter. The result of this experiment showed that at 100 rpm stirrer speed, the addition of the organic up to 0.25 volume fraction could increase the lcca up to 0.1 s-1 and the Pa' up to 4.4. Raising the stirrer speed could increase the kca strongly but the Eaf weakly. The optimum concentration of the surfactant with respect to the organic, without formation of foam, was 20 % by volume. Heterogeneous models were used to analyze this process, with equilibrium state assumption for the first model and the non-equilibrium state assumption for the second model. The mathematical form of the first model was Eaf ='e +1; = 9.90759 ln(N) — 39.85674 and the one of the second model was f ae +1 • = 0.00643 (N) — 2.68096 ; /3= 3.15245 , for the stirrer speed fle +1' from 100 rpm to 400 rpm and the organic volume fraction from 0 to 0.25. The second model was agreed with the experimental data rather than the first with the greatest average relative error of 6.4 % with respect to the experimental data while the first gave 68.3 %.

Kata Kunci : Perpindahan Massa Gas, Cair, Tangki Berpengaduk