Kolom Pemisah, part 3

Pernahkah kita bertanya mengapa sebuah kolom pemisah rata-rata didesain dengan elevasi yang begitu tinggi? Begitu tingginya, hingga orang kadang menyebutnya dengan istilah distillation tower atau menara distilasi.

Mari kita lihat gambar berikut. 

Kolom Pemisah dan Ilustrasi Kolom sebagai Bejana Flashing Bertingkat

Gambar disebelah kiri, menunjukkan internal sebuah kolom pemisah. Didalamnya terdapat sebuah tray yang disusun secara bertingkat. Tray ini berfungsi untuk memfasilitasi kontak antara uap dengan cairan. Kontak antar dua fase ini menjadi penting karena dengan adanya kontak akan menjembatani terjadinya sebuah perpindahan massa.

Jika dimodelkan, sebuah tray dalam kolom pemisah adalah ibarat bejana flash yang telah kita bahas sebelumnya. Banyaknya tray berarti menandakan bahwa terjadi rangkaian peristiwa flashing secara seri. Jadi, derajat kemurnian sebuah komponen dalam campuran di satu tray akan berbeda dengan tray yang lainnya.

Dalam gambar diatas, fraksi ringan diwakili oleh warna biru muda, sedangkan fraksi berat diwakili oleh warna biru tua. Semakin ke bawah, warna fluida akan menjadi semakin biru tua, menandakan bahwa komposisi fraksi berat menjadi semakin banyak seiring turunnya cairan ke bawah kolom. Dan, sebaliknya, semakin ke atas, warna fluida akan menjadi semakin biru muda, menandakan bahwa semakin ke atas kolom, campuran akan didominasi oleh fraksi ringan.

Uap masuk ke tray dengan cara naik ke atas kolom dari tray dibawahnya akibat tekanan sedangkan cairan masuk dengan cara jatuh dari tray diatasnya akibat gravitasi. Secara umum, bisa dikatakan uap yang masuk ke tray selalu memiliki temperatur yang lebih tinggi daripada cairan. Hal ini dikarenakan suhu bawah kolom lebih panas dari atas kolom akibat dari adanya reboiler yang terhubung dengan dasar kolom. Fakta yang lainnya adalah fase uap meskipun memiliki fraksi ringan lebih banyak jika dibandingkan dengan fase cairan, namun masih mengandung campuran fraksi berat yang bisa terkondensasi.

Mengetahui hal tersebut, apa yang terjadi ketika uap yang relatif panas bertemu dengan cairan yang relatif dingin?

Dengan memakai prinsip kesetimbangan, yakni mengasumsikan bahwa uap dan cairan yang bertemu dalam sebuah tray nantinya keluar dari tray tersebut dalam keadaan berkesetimbangan (ingat pada kasus bejana flashing yang dibahas sebelumnya, produk yang keluar memiliki kondisi operasi yang serupa, selain itu uap selalu berada dalam kondisi dew point dan cairan berada dalam kondisi bubble point), maka

Liquid yang relatif dingin dari uap akan menyerap sebagian panas dari uap. Perpindahan panas ini menyebabkan sebagian uap akan terkondensasi, dan sebagian cairan akan menguap. Uap yang terkondensasi adalah berasal dari fraksi komponen berat dan sebaliknya, cairan yang menguap adalah berasal dari fraksi komponen ringan. Proses ini terjadi secara berulang-ulang pada tiap tingkatan tray. Konsekuensinya, semakin banyak jumlah tray, kita akan mendapatkan derajat pemisahan yang cukup tinggi. Hal ini bisa terjadi, karena profil kondisi operasi yang berbeda-beda dari tiap tray. Semakin kebawah, suhu dan tekanan tray akan menjadi semakin tinggi. Efisiensi suatu kolom pemisah, bisa dilihat dari beda suhu antara atas dan bawah kolom. Semakin besar beda suhunya akan semakin bagus tingkat pemisahannya. Namun, tentunya ada batasan bahwa suhu yang diijinkan dalam sebuah kolom tidak boleh melebihi dari suhu titik didih komponen fraksi berat pada tekanan kolom. Inilah sebab mengapa kita mempelajari kurva kesetimbangan uap-cair. Banyaknya jumlah tray, selain meningkatkan kemurnian, dampaknya secara fisik juga akan semakin mempertinggi elevasi kolom. Jadi, jika kalian melihat sebuah kolom distilasi dirancang dengan begitu tinggi, berarti kolom itu didesain untuk mengolah umpan agar dihasilkan produk dengan kemurnian tinggi.

Hal lain yang juga ingin dikupas disini adalah mengenai pembagian area dalam kolom menjadi rectifying section dan juga stripping section. Mengapa harus dipisahkan?

Disebut stripping section karena pada area antara tray dibawah tray umpan hingga tray dasar, tugas utamanya adalah untuk menguapkan fraksi ringan yang masih terdapat dalam cairan. Dikatakan stripping, karena proses ini diibaratkan seperti kita men-strip atau mengupas/ menguliti fraksi ringan yang ada pada cairan yang jatuh dari tray umpan menuju ke dasar kolom dengan cara mengkontakkannya dengan uap yang dihasilkan dari pemanasan di reboiler. Sehingga, harapannya adalah kita mendapatkan cairan sebagai bottom product yang seminimal mungkin mengandung fraksi ringan.

Hal yang sama terjadi juga pada rectifying section, karena pada area antara tray puncak dengan tray diatas tray umpan, tugas utamanya adalah mengkondensasikan fraksi berat yang masih terdapat dalam uap. Dikatakan rectifying, karena proses ini diibaratkan seperti kita me-rectify atau menyaring fraksi berat yang ada pada uap yang naik dari tray umpan dengan cara mengkontakkannya dengan reflux hasil kondensasi uap yang diambil dari reflux drum. Sehingga, harapannya adalah kita mendapatkan uap yang semaksimal mungkin mengandung fraksi ringan.

Bisa disimpulkan, stripping section menentukan berapa kemurnian fraksi berat yang kita inginkan dan rectifying section menentukan berapa kemurnian fraksi ringan yang kita inginkan. Hal ini akan menentukan pada stage berapa tray umpan akan dipasang. Dalam sebuah desain kolom pemisah, biasanya untuk campuran yang memiliki lebih dari dua jenis komponen, derajat kemurnian dua jenis komponen yang menjadi kunci pemisahan akan ditentukan, disebut light key component untuk distillate dan juga heavy key component untuk bottom product.

Kita telah mengetahui cara kerja sebuah kolom pemisah, pada bagian selanjutnya kita akan membahas lebih jauh mengenai jenis-jenis tray yang digunakan sebagai media kontak vapor-liquid.

Kolom Pemisah -part 2

Hal pertama yang perlu kita ketahui, terkait kolom pemisah adalah bagaimana prinsip pemisahan dijalankan. Sebagaimana dijelaskan di posting sebelumnya, ada dua mekanisme bagaimana pemisahan bisa terjadi : dengan mengandalkan perbedaan titik didih dan yang tidak.

Dua mekanisme tersebut, tentu saja melibatkan fenomena proses yang terjadi juga berbeda. Jika berbasis perbedaan titik didih, acuan kita adalah hukum Raoult sedangkan yang tidak berbasis perbedaan titik didih akan menggunakan hukum Henry. 

Pemisahan yang tidak berdasarkan titik didih telah kita bahas pada saat menjelaskan sistem AGRU. 

Kali ini, kita akan membahas mengenai pemisahan berdasar perbedaan titik didih. Asal muasal pemisahan berdasarkan perbedaan titik didih adalah berdasarkan konsep kesetimbangan uap-cair.

Diagram kesetimbangan uap-cair bisa kita dapatkan dengan menggunakan sistem flash distillation

Flash Distillation untuk Menentukan Vapor-Liquid Equilibrium

Umpan yang berupa campuran komponen, yang berada pada sebuah kontainer 1, kita pompakan dengan  pompa 2, melewati sebuah pre-heater 3 untuk mengalami pemanasan, dan kemudian kita cekik dengan menggunakan katup-4 untuk memberikan pressure drop. 

Tujuan dari perlakukan ini adalah untuk membuat sebagian umpan menguap sehingga tercipta komposisi kesetimbangan antara fase cair dan juga fase uap. Normalnya, kita bisa memilih antara menggunakan variabel pada tekanan tetap atau pada temperatur tetap. Disebut sebagai flash distillation karena peristiwa penguapan sebagian dari uap yang terjadi bisa secara cepat ketika masuk ke bejana 5.

Dari percobaan tersebut, yang kita dapatkan adalah sebuah diagram kesetimbangan cair-gas seperti tersaji dibawah

Vapor Liquid Eqilibrium pada sistem Biner

Diatas adalah diagram kesetimbangan fasa cair-uap untuk sistem yang terdiri dari dua komponen (biner). Perlu untuk diingat, bahwa diagram tersebut dibuat untuk mewakili satu komponen saja yang lebih volatile/ mudah menguap. Sebagai contoh, jika kita memiliki sistem biner air-ethanol. Karena ethanol lebih mudah menguap daripada air, maka diagram diatas menunjukkan diagram ethanol. 

Garis vertikal melambangkan suhu, sedangkan garis horizaontal melambangkan fraksi komponen sehingga nilai paling tinggi untuk garis horizontal adalah satu atau 100%. Area warna kuning menunjukkan dimana fase cair dan gas eksis bersamaan. Poin A disebut temperature bubble (Tbubble), artinya pada tititk tersebut kita akan menjumpai uap pertama kali terbentuk, jika kita tetap memanaskan umpan dengan tekanan konstan sampai suhu B, kita akan melewati poin B, dimana seluruh cairan sudah menguap dan hanya tersisa fase uap saja.

Jika kita dinginkan uap tersebut, hingga mencapai poin B, kita akan mendapatkan tetesan embun pertama kali dan poin tersebut disebut sebagai temperature dew (Tdew). 

Dalam sebuah sistem kesetimbangan cair-uap, kita akan selalu mendapatkan fase cair berada dalam keadaan titik didihnya dan fase gas berada dalam keadaan titik embunnya. 

Maka dari itu, berdasarkan diagram diatas, kita bisa mendapatkan fraksi konsentrasi komponen dalam fase cair yang ditunjukkan dengan simbol x dan dalam fase gas yang ditunjukkan dengan simbol y.

Sebagai tambahan informasi, poin D menunjukkan titik didih untuk komponen yang lebih mudah menguap, sedangkan poin E, menunjukkan titik didih untuk komponen yang tidak mudah menguap dibandingkan komponen sebelumnya. Dalam kasus, ethanol-air, maka poin D menunjukkan titik didih ethanol, sedangkan poin E mewakili titik didih air.

Bagaimana pengetahuan tentang kesetimbangan uap-cair ini membantu kita untuk memahami proses yang terjadi pada kolom pemisah yang bekerja berdasarkan perbedaan titik didih?

Kita akan jawab pertanyaan ini minggu depan

Kolom Pemisah -part 1

Kita telah mempelajari proses yang terjadi pada Acid Gas Removal Unit (AGRU) pada artikel sebelumnya. Fenomena yang terjadi pada proses AGRU meliputi absorbsi dan juga regenerasi yang telah kita bahas merupakan salah satu dari banyak cara pemisahan gas. Hal ini sebagai gambaran bahwa banyak cara dalam proses pemisahan gas.

Dalam tabel dibawah, disajikan beberapa alternatif cara pemisahan gas khususnya CO2 dari campuran gas

Pemisahan gas CO2 dengan menggunakan amine masuk ke dalam kategori chemical absorption. 

Selain itu, kita dapat mengetahui dari tabel tersebut, jenis pemisahan gas dengan menggunakan mekanisme yang lain dari yang pernah kita bahas sebelumnya, misalkan dengan menggunakan media membrane.

Siklus proses AGRU telah kita bahas sebelumnya. Namun, hal itu masih belum cukup untuk menjelaskan peristiwa apa yang terjadi di dalamnya. Bagaimana sebuah kolom didesain untuk bisa menjalankan tugasnya dalam memisahkan gas dan menghasilkan produk sesuai dengan yang kita kehendaki, terutama berkaitan dengan kualitas produk yang kita inginkan. Misalkan, dalam kasus AGRU, untuk dapat menghasilkan produk treated gas dengan konsentrasi dibawah 50 ppm H2S dari umpan yang mengandung 1-2% mol H2S. 

Tentu kita bertanya, bagaimana cara kita men-develop perpindahan massa H2S dari gas ke larutan amine untuk mendapatkan treated gas dengan kualitas sesuai dengan yang kita inginkan, dimana konsentrasi H2S pada gas umpan terkadang berubah-ubah. Hal ini akan berpengaruh terhadap tindakan yang harus kita lakukan untuk merespon hal tersebut.

Selain yang telah disebutkan diatas, alasan mengapa kita harus mempelajari kolom pemisah erat hubungannya dengan segi pengoperasian. Terutama yang berkaitan dengan timbulnya gejala-gejala yang tidak kita kehendaki dalam segi operasi. Misalkan, hilangnya pelarut (loss of solvent), peristiwa pembentukan busa (foaming), peristiwa keabnormalan kolom, seperti perbedaan tekanan atas dan bawah kolom (dP) yang terlalu tinggi. Hal ini bisa mengakibatkan proses tidak bisa berjalan dengan sempurna. Sehingga menyebabkan, kita tidak bisa mendapatkan produk yang kita inginkan.

Pemisahan yang terjadi pada sebuah kolom fraksinasi bisa terjadi atas dua sebab yang berbeda :

1. Distillation, jika pemisahan didasarkan atas perbedaan titik didih, misalkan kasus pada penyulingan minyak bumi
2. Pemisahan tidak didasarkan atas perbedaan titik didih.  Disebut Absorpsion, jika dengan menggunakan suatu pelarut tertentu untuk mengekstrak komponen tertentu dari campuran, atau Stripping, dengan mengandalkan tekanan parsial sebuah gas pembawa, dua jenis peristiwa ini kita dapatkan dalam kasus AGRU, yakni masing-masing terjadi pada kolom absorbsi dan regenerasi.

Perbedaan mekanisme ini akan sangat berpengaruh terhadap desain kolom dan juga cara pengoperasian sebuah unit   

Mari kita lihat gambar kolom berikut :

Diatas adalah sebuah tipikal gambar skematik sebuah kolom pemisah. Kolom ini berfungsi untuk memisahkan campuran fluida (mixture) menjadi beberapa kelompok, tergantung dari jumlah produk yang kita inginkan. Pada contoh diatas, kita hanya mendapatkan dua outlet produk, overhead product dan bottom product. Tentu saja, kita bisa membagi lagi salah satu produk yang dihasilkan dari contoh diatas jika memungkinkan, hal ini biasa dilakukan pada LPG recovery di LNG plant, dengan menyusun beberapa kolom fraksinasi secara seri menjadi sebuah train. Pada kasus yang lain, misalkan pemisahan minyak bumi, kita akan mendapatkan banyak sekali outlet produk. 

LPG recovery in LNG Plant 

Merujuk kembali pada diagram skematis fraksinasi, kita bisa melihat umpan (feed) yang dimasukkan ke dalam kolom. Umpan tersebut biasanya terdiri atas dua fase, cair dan uap. Dalam kolom, uap dari umpan akan naik ke atas kolom melewati rectifiying section. Setelah itu, uap tersebut akan didinginkan dengan condenser. Cairan yang terbentuk dari uap yang didinginkan tadi masuk ke dalam reflux drum, dimana cairan kondensasi tadi akan diumpankan lagi ke dalam kolom sebagai reflux dan sebagian diarahkan keluar kolom sebagai overhead product. Reflux tersebut secara otomatis akan kontak secara countercurrent dengan uap yang naik ke atas dari bawah kolom. 

Ada kalanya uap yang tidak terkondensasi di reflux drum, dikirim keluar dari sistem. Sistem ini disebut sebagai partial reflux, yang menghasilkan dua produk pada overhead kolom, sedangkan pada contoh skematik diatas merupakan full reflux. 

Umpan yang berbentuk cairan, akan menuju kebawah kolom melewati stripping section. Pada akhirnya ia akan ditampung sementara di dalam reboiler sebelum menuju ke bawah kolom dan keluar sebagai bottom product. Didalam reboiler, cairan tersebut dipanaskan dan sebagian membentuk uap yang akan naik ke atas kolom. Uap tersebut akan kontak secara countercurrent dengan cairan yang jatuh ke bawah kolom.

Apa pengaruh reboiler dan condenser terhadap hasil produk yang dihasilkan? Mutlaklah kedua alat tersebut diperlukan dalam proses pemisahan? Sebagaimana kita tahu, alat tersebut menghabiskan banyak energi ketika dijalankan?

Apakah yang terdapat dalam rectifying/stripping section? Peristiwa apakah yang melatarbelangi penyebutan rectifying section dan stripping section pada sebuah kolom pemisah? Fenomena apa yang terjadi pada section yang dimaksud sehingga harus dibedakan?   

Jawaban akan kita kupas minggu depan.

Gas Sweetening : Siklus Proses

Setelah membahas mengenai penggunaan solvent amine MDEA untuk menyerap gas H2S dan CO2 pada proses Acid Gas Removal Unit (AGRU), kali ini kita akan membahas mengenai siklus proses pada gas sweetening. Untuk mengetahui mengenai peran solvent amine MDEA bisa dilihat pada posting sebelumnya disini.

Pada proses gas sweetening dengan menggunakan reaktan Amine, secara umum diagram alirnya seperti ditunjukkan pada gambar dibawah:

AGRU Flow Diagram

Berikut penjelasan beberapa istilah untuk memudahkan kita mempelajari sistem AGRU ini :

- Feed gas         ==> Gas alam yang masih mengandung H2S dan CO2
- Lean Solvent  ==> Larutan Amine yang sedikit mengandung gas asam
- Rich Solvent   ==> Larutan Amine yang kaya akan gas asam
- Treated Gas    ==> Gas alam yang telah diambil H2S dan CO2, setelah melewati proses absorbsi

Kolom pertama pada bagian kiri disebut sebagai kolom absorber. Di kolom ini terjadi peristiwa absorbsi gas CO2 dan H2S dari feed gas dengan lean solvent Amine yang dikontakkan secara berlawanan atau counter-current. Dimana hasilnya adalah, treated gas yang sedikit mengandung gas asam yang keluar dari atas kolom dan rich solvent yang keluar dari bawah kolom.
Rich solvent tersebut kemudian ditransfer ke dalam flash vessel, dimana fungsi dari flash vessel tersebut adalah untuk menguapkan hydrocarbon fraksi ringan yang terikut ketika dalam proses absorbsi. Adanya hydrocarbon bisa menyebabkan peristiwa terbentuknya busa (foaming) pada larutan Amine yang menyebabkan proses absorbsi menjadi kurang sempurna karena efektifitas transfer massanya menjadi terganggu dan produk gas menjadi off-spec.
Setelah flash vessel, rich solvent akan mengalami pre-heating dengan cara dikontakkan dalam heat exchanger, dimana media yang menjadi pemanas adalah lean solvent yang keluar dari kolom regenerator. Oleh karena itulah alat penukar panas tersebut disebut sebagai lean-rich exchanger.
Rich solvent yang telah dipanaskan kemudian masuk ke dalam kolom regenerator. Disebut sebagai regenerator karena fungsinya adalah menghasilkan lean solvent yang bisa digunakan kembali untuk proses absorbsi. Di dalam regenerator, terdapat sebuah reboiler yang fungsinya adalah untuk menguapkan air yang tergantung di dalam larutan Amine. Sebagaimana kita ketahui bahwa larutan Amine merupakan larutan yang terdiri dari 40-45% Amine dan sisanya adalah air. Di dalam proses regenerasi ini akan dilepaskan gas asam yang terkandung dalam rich amine, sehingga didapatkan lean solvent. Lean solvent keluar lewat bagian bawah kolom regenerator kemudian dipompa masuk ke dalam kolom absorbser dan proses absorbsi terjadi kembali. Sebelum masuk ke dalam kolom absorbser, lean Amine akan terlebih dahulu didinginkan dengan menggunakan lean solvent cooler.

Pertanyaan sehubungan dengan siklus proses AGRU diatas adalah sebagaimana berikut: 

Mengapa kolom absorber bekerja pada kondisi suhu rendah dan tekanan tinggi sedangkan sebaliknya, pada regenerator bekerja pada kondisi suhu tinggi, namun dengan tekanan rendah?

Gas Sweetening : Reaktan yang Digunakan

Acid Gas Removal Unit (AGRU) merupakan sebuah unit pengolah yang biasanya ditempatkan di pabrik pengolahan gas untuk menyerap komponen asam yang biasa terkandung dalam gas bumi, terutama adalah H2S dan juga CO2.

H2S harus dipisahkan dalam gas bumi karena merupakan sebuah zat yang beracun, gampang terbakar (flammable) dan juga bersifat korosif. H2S tidak berwarna dan jika dibakar akan bereaksi untuk membentuk SO2 yang merupakan gas polutan yang bisa menyebabkan hujan asam. Maka dari itulah, keberadaan H2S dalam gas alam harus dikurangi seminimal mungkin. Biasanya gas alam yang telah diproses, treated gas/ sweet gas, memiliki kandungan H2S berkisar antara angka 10-100 ppm volume.

Disisi lain, CO2, yang merupakan gas asam selain H2S, juga harus dikurangi karena bisa menyebabkan berkurangnya nilai bakar (heating value) sehingga gas tidak dapat menghasilkan energi yang optimal ketika dibakar. Adanya CO2 juga tidak diinginkan pada proses pencairan (liquefaction) untuk menghasilkan LNG karena bisa menyebabkan peristiwa terbentuknya dry ice CO2 yang bisa menyebabkan penyumbatan

Sour Gas atau gas asam merupakan istilah yang sering digunakan pada inlet gas yang masuk pada AGRU. Biasanya suatu gas asam memiliki kandungan H2S pada kisaran 1-2% mol dan  CO2 hingga 45% mol dari jumlah total mol gas.

Gas yang telah keluar dari AGRU disebut sebagai sweet gas. Maka dari itulah, proses AGRU biasanya disebut sebagai Gas Sweetening.

Pada proses gas sweetening, reaktan Amine biasa digunakan untuk menyerap H2S dan CO2. Beberapa contoh Amine yang digunakan dalam AGRU :

- Diethanolamine (DEA)
- Monoethanolamine (MEA)
- Methyldiethanolamine (MDEA)
- Diisopropanolamin (DIPA)
- Aminoetoksietanol (Diglikolamina) (DGA)

Saat ini, banyak proses sweetening gas yang menggunakan MDEA sebagai reaktan yang digunakan untuk menyerap gas asam. Hal ini dikarenakan MDEA memiliki selektifitas yang tinggi terhadap gas H2S dibandingkan dengan CO2. Tentu saja hal ini sangatlah penting karena kita menginginkan produk dengan kandungan H2S seminimal mungkin. Jangan sampai CO2 yang terserap oleh reaktan lebih sempurna dibanding dengan H2S sehingga menyebabkan penyerapan terhadap H2S menjadi terganggu.

Reaksi Amine dengan H2S dan CO2