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?



Untuk menjawab pertanyaan diatas, ada beberapa istilah yang perlu untuk kita ketahui terlebih dahulu

• Solvent Loading ==> Solvent loading menunjukkan seberapa banyak gas H2S dan CO2 yang bisa ditampung dalam larutan Amine. Solvent loading ini dinyatakan dalam satuan mol acid gas/ mol solvent. Ada istilah lain, yakni solvent strength untuk menunjukkan konsentrasi amine yang terdapat dalam sistem.  

• Partial Pressure   ==> Tekanan total sebuah campuran gas ideal adalah sama dengan jumlah tekanan yang diberikan oleh tiap individual gas yang menempati ruang yang sama. Dinyatakan dengan rumus dibawah, sebagaimana berikut

Hukum Dalton

Setelah mengetahui dua istilah tersebut, mari kita lihat kurva karakteristik larutan amine yang menunjukkan hubungan antara  tekanan parsial H2S dengan solvent loading dibawah :

Pada kurva diatas, kita dapat mengetahui garis kesetimbangan antara tekanan parsial H2S dan solvent loading pada tekanan dan suhu tertentu. Sesuai dengan hukum alam yang mengatakan bahwa segala sesuatu yang ada di dunia ini akan selalu mengarah kepada kondisi kesetimbangan. Hal ini dikarenakan kondisi setimbang adalah sebuah kondisi dimana energi yang ada pada suatu sistem berada pada tingkat yang paling rendah sehingga sistem berada pada kondisi yang stabil dan hanya akan berubah jika kesetimbangan sistem tersebut diganggu.

Kembali pada sistem AGRU, kita bisa mengetahui bahwa pada absorber, dikenakan kondisi suhu rendah dan tekanan yang tinggi. Kondisi tersebut bisa diwakilkan oleh kondisi A, dimana amine yang dimasukkan ke dalam sistem berada dalam kondisi lean. Hal ini akan memberikan sebuah driving force (gaya dorong) dikarenakan titik A terseebut jauh dari titik kesetimbangannya. Sehingga, titik A tersebut akan bergerak menuju ke garis kesetimbangan tekanan parsial dengan cara menaikkan solvent loadingnya sesuai dengan arah garis panah berwarna biru pada kurva diatas. Hal ini memiliki implikasi bahwa H2S yang berada pada gas akan terserap pada solvent sehingga akan didapatkan rich solvent dan treated gas.

Prinsip yang sama juga terjadi pada fase regenerasi mengikuti titik B seperti terlihat pada kurva diatas mengikuti garis panah berwarna merah. Adanya reboiler juga meningkatkan lepasnya H2S dan CO2 yang terkandung dalam rich amine, sesuai dengan kaidah Hukum Henry yang menyatakan bahwa tekanan parsial sebuah gas berbanding lurus dengan konsentrasi yang terkandung pada sebuah larutan.

Berikut adalah formula Hukum Henry,

Dimana, Pa,b adalah tekanan parsial komponen a,b dan Xa, Xb adalah konsentrasi a,b dalam larutan.

Jika kita menggunakan reboiler, akan ada tambahan tekanan parsial selain tekanan parsial gas asam karena terbentuknya steam. Hal ini tentu saja, akan membuat tekanan parsial gas asam menjadi lebih kecil karena kita bekerja pada volume yang sama. Akibatnya, tekanan parsial kesetimbangan gas asam akan menjadi berubah menuju ke arah kesetimbangan yang lebih rendah pada kurva diatas. Untuk mendapatkan kesetimbangannya kembali, maka solvent akan menguapkan lebih banyak gas asam, mengikuti kaidah hukum Henry, sehingga didapatkan lean solvent.

Dibawah ini adalah ilustrasi konsep gaya dorong yang terjadi pada fase absorbsi untuk memudahkan kita mempelajari peristiwa absorbsi gas asam ke dalam laruan amine: 

Sumber material yang dituliskan dalam posting ini berasal dari Training Material Shell for Banyu Urip Project.  

Untuk anda yang menginginkan presentasi power point, sekaligus jawaban dari topik ini, bisa didownload disini.