REAKTOR LIKUEFAKSI 3
3.2 Sistem Pemisahan
3.2.1 Dasar Perancangan Alat Pemisahan a. Tangki Koagulan
Koagulasi dilakukan dalam sebuah tangki berpengaduk. Proses ini dilakukan dalam sebuah tangki tertutup untuk menghindari polusi udara yang disebabkan oleh bau dari aliran proses. Koagulan yang berupa padatan masuk melalui bagian atas tangki sedangkan umpan dari bagian bawah. Pipa keluaran cairan di bagian atas tangki sedangkan pipa keluaran untuk hasil koagulasi yang berupa padatan di bagian bawah. Sebelum pipa keluaran cairan terdapat filter yang dipasang sehingga padatan hasil koagulasi tidak akan ikut terbawa keluar melalui pipa keluaran cairan. Koagulasi terjadi selama 1 jam pengadukan sehingga tangki koagulasi didesain untuk kapasitas selama 1 jam. Tangki ini juga dilengkapi pengaduk yang berputar lambat untuk mempercepat terjadinya koagulasi. Pengaduk berputar secepat 25 rpm. Material konstruksi tangki ini adalah stainless steel 316 karena larutan yang berada di dalam tangki bersifat korosif. Koagulan yang digunakan adalah chitosan, GDL, dan koagulan maltosa dan isomaltosa.
b. Ekstraksi Cair-Cair (LLE)
LLE adalah metode pemisahan cair-cair yang sulit atau tidak efektif bila dilakukan dengan cara distilasi. LLE dilakukan dengan cara mengontakkan campuran dengan zat yang lebih melarutkan solute. Karena jumlah solut dalam umpan sangat sedikit, maka tidak efektif bila pemisahannya dilakukan dengan distilasi.
Bab III Peralatan Proses, Sistem Utilitas, dan Pengolahan Limbah 74
By: Checked: Approved:
Umpan yang masuk ke dalam LLE mengandung 2.6% berat biobutanol. Dengan kandungan yang sedikit tersebut menyebabkan pemisahan biobutanol dari larutan menggunakan suatu solvent yang mana butanol lebih larut terhadapnya daripada terhadap air. Solvent yang dipilih adalah 2-etil-1-heksanol mengacu dari tesis oleh Abraham Blignault van der Merwe (Stellenbosch, 2010). Dalam tesis tersebut disebutkan bahwa solvent yang digunakan sebanyak 1.08 kg/kg umpan.
Prinsip dasar dari LLE adalah kelarutan komponen. Komponen yang terlarut di dalam 2-etil-1-heksanol hanya butanol. Sedangkan butanol juga larut dalam air meskipun hanya sedikit tapi tidak dapat diabaikan. Komponen lainnya yaitu glukosa, dekstrin, asam butirat, asam aseton, aseton, dan etanol memiliki kelarutan dalam air yang jauh lebih besar dibandingkan dalam 2-etil-1-heksanol. Meskipun komponen selain butanol ini juga memiliki kelarutan dalam 2-etil-1-heksanol, tetapi karena jumlahnya sedikit maka dapat diabaikan.
Kondisi operasi LLE berlangsung pada temperatur 35oC dan tekanan 7 atm. Aliran keluaran dari LLE adalah rafinat dan ekstrak. Rafinat mengandung banyak air sedangkan ekstrak mengandung 2-etil-1-heksanol dan butanol. Ekstraktor yang digunakan untuk memisahkan butanol dari campuran air, glukosa, dekstrin, asam butirat, asam aseton, aseton, dan etanol adalah sieve tray karena sieve tray memberikan efektivitas yang cukup baik. Campuran ini tidak bisa menggunakan packed tower karena tegangan permukaan campuran sebesar 142.1 dyne/cm. Campuran ini tidak berbahaya serta tidak mengandung padatan tersuspensi dan bukan emulsi sehingga dapat diekstrak dengan menggunakan sieve tray.
c. Membran
Gas produk samping fermentasi adalah gas CO2 dan H2 dalam jumlah besar. Produksi limbah CO2 dalam jumlah besar dapat membahayakan lingkungan seperti yang telah sering dikampanyekan beberapa tahun belakangan. Oleh karena itu, gas CO2 tersebut akan dimanfaatkan kembali sehingga CO2 perlu dipisahkan dahulu dengan H2. Pemisahan gas tersebut menggunakan membran PEGDME (Polietilen Glikol Dimetil Eter).
Bab III Peralatan Proses, Sistem Utilitas, dan Pengolahan Limbah 75
By: Checked: Approved:
Membran adalah barrier selektif yang dapat memisahkan dua komponen atau lebih karena perbedaan ukuran dan bentuk molekul serta difusifitas molekul terhadap lapisan membran (Majari Magazine, 2007). Teknologi membran sangat sederhana dan simpel tanpa diperlukannya pemanas ataupun zat kimia, yang diperlukan hanya tekanan dan selaput semi-permeabel. Membran dapat terbuat dari polimer, keramik, logam dan gelas. Membran dari polimer mudah dibuat tetapi tidak dapat digunakan pada temperatur tinggi. Membran keramik tahan digunakan pada suhu tinggi tetapi sulit dalam pembuatannya (Syaril Ahmad, 1997).
Gambar 3.4 Aliran pada membran
Bahan material polimer harus dipilih dimana salah satu komponen yang akan dipisahkan memiliki permeabilitas yang tinggi terhadap material. Komponen yang memiliki permeabilitas tinggi akan menembus membran, disebut permeat. Sedangkan komponen yang permeabilitasnya rendah dinamakan retentat. Kriteria pemilihan bahan adalah sebagai berikut (Johnson, 1986):
1. Bahan harus tahan terhadap gas yang akan dipisahkan secara kimia.
2. Bahan harus tahan secara fisik pada kondisi operasi (temperatur dan tekanan) selama pemisahan berlangsung.
3. Bahan harus memiliki permeabilitas yang tinggi terhadap salah satu komponen gas yang akan dipisahkan.
4. Mudah dalam pembuatan membrannya.
5. Membran bersifat glassy agar tidak berubah bentuk.
Membran dapat dibuat dengan beberapa macam bentuk yaitu flat, spiral-wound, dan hollow-fiber (Geankoplis, 2003). Berikut ini adalah penjelasan dari masing-masing bentuk.
Bab III Peralatan Proses, Sistem Utilitas, dan Pengolahan Limbah 76
By: Checked: Approved:
1. Membran flat
Membran flat biasa digunakan sebagai bahan penelitian untuk mengetahui permeabilitas suatu komponen. Membran jenis ini memiliki area per unit separator volum sangat kecil sehingga jarang digunakan untuk kepentingan komersil. Membran flat banyak digunakan dalam bidang kesehatan yaitu untuk memproduksi udara yang kaya akan oksigen. Densitas membran flat adalah 100 hingga 400 m2/m3. Membran disusun seperti sandwich dengan umpan berasal dari depan. Umpan mengalir di sisi membran kemudian permeat muncul dari bagian atas dan bawah.
2. Membran spiral-wound
Gambar 3.5 Membran Spiral Wound
Konfigurasi membran jenis ini seperti membran flat tetapi luas area per unit volume separatornya lebih besar dan hilang tekannya lebih rendah. Konfigurasinya adalah tumpukan beberapa helai membran flat yang menyelimuti silinder di tengah. Densitasnya sekitar 300-1000 m2/m3 dengan diameter mencapai 40 cm. Umpan mengalir dari bagian atas module dan permeat muncul di bagian tengah pipa. Konfigurasi jenis ini sesuai untuk tekanan operasi tinggi, hilang tekan permeat dan kontaminasi membran rendah.
Bab III Peralatan Proses, Sistem Utilitas, dan Pengolahan Limbah 77
By: Checked: Approved:
3. Membran hollow-fiber
Gambar 3.6 Membran Hollow Fiber
Membran ini berupa kumpulan tube membran yang berukuran sangat kecil yaitu diameternya kurang dari 1 mm. Dalam sebuah membran hollow fibre terdapat banyak sekali membran dan penyangga. Untuk kapasitas yang sama, membran ini berukuran lebih kecil dibandingkan konfigurasi membran lainnya.
Konfigurasi membran yang digunakan dalam pabrik ADL biobitanol adalah spiral-wound karena harganya murah untuk kapasitas besar dibandingkan dengan hollow-fibre. Konfigurasi spiral-wound juga lebih simple dibandingkan hollow-fibre.
Gambar 3.7 Konfigurasi spiral wound membran untuk pemisahan CO2
Bab III Peralatan Proses, Sistem Utilitas, dan Pengolahan Limbah 78
By: Checked: Approved:
Untuk mengonstruksi membran diperlukan komponen-komponen berikut ini:
1. Permeat carrier (Tricot) berada di antara lapisan membran. Material ini akan membawa aliran permeat menuju tube permeat.
2. Tube permeat mengumpulkan permeat dan tempat dimana lembaran membran terpasang.
3. Anti-telescoping device (ATD) dipasang di masing-masing ujung membran untuk mencegah membran mengalami pemanjangan (elongasi) sebagai akibat dari perbedaan konsentrasi antara umpan dengan konsentrat.
4. Feed spacer (Vexar) terpasang di anatar lembaran membran. Vexar berfungsi sebagai jalur aliran umpan, membuat aliran bersifat turbulen, dan mengurangi potensi scaling dan fouling.
Gambar 3.8 Komponen konstruksi membran
Sumber: http://www.avistatech.com/Solutions/membran_construction.htm
d. Distilasi
Pada proses pembuatan biobutanol ini digunakan dua kolom distilasi. Kolom distilasi pertama digunakan untuk memisahkan butanol dari 2-etil-1-heksanol, sedangkan kolom distilasi kedua digunakan untuk memisahkan aseton dan air dari produk hasil fermentasi lain. Pemisahan ini dilakukan berdasarkan titik didih dari masing-masing komponen. Kedua proses distilasi ini berlangsung secara kontinu.
Bab III Peralatan Proses, Sistem Utilitas, dan Pengolahan Limbah 79
By: Checked: Approved:
Kolom distilasi pertama didesain menggunakan stainless steel karena komponen-komponen yang masuk ke dalam kolom distilasi ini masih mengandung asam walaupun dalam jumlah yang sedikit. Bagian atas kolom distilasi pertama beroperasi pada tekanan 1.5 bar dan temperatur 1290C, sedangkan bagian bawah kolom distilasi beroperasi pada tekanan 5 bar dan temperatur 2540C. Kolom distilasi ini didesain menggunakan 15 tray dengan refluks ratio sebesar 4. Pada proses perancangan kolom distilasi ini dilakukan berbagai macam uji, diantaranya adalah uji weeping, uji tinggi cairan dalam downcomer, uji waktu tinggal di dalam downcomer, serta uji entrainment. Apabila semua angka yang diperoleh berada pada rentang toleransi yang telah ditentukan pada masing-masing uji tersebut maka kolom distilasi tersebut telah memenuhi syarat dan siap untuk dikonstruksi. Kolom distilasi ini didesain dengan tinggi 15 meter dan diameter sebesar 1.5 meter, perbandingan antara tinggi dan diameter kolom ini adalah 10 dengan jarak antar tray sejauh 0.6 meter. Jenis tray yang digunakan pada kolom ini adalah sieve tray. Umpan kolom distilasi masuk pada tray ke-12 yang selanjutnya mengalami pemisahan sehingga menghasilkan produk atas berupa butanol dengan kemurnian 99.5% dan produk bawah berupa 2-etil-1-heksanol dengan kemurnian 99.8%.
Head dan bottom kolom ini menggunakan tipe torispherical karena penutup jenis ini paling sering digunakan untuk tekanan operasi di bawah 15 bar. Kolom distilasi kedua didesain menggunakan packing karena beroperasi pada kondisi vakum. Bagian atas kolom distilasi ini beroperasi pada tekanan 0.01 bar dan temperatur 46.130C, sedangkan bagian bawah kolom beroperasi pada tekanan 0.9 bar dan temperatur 93.860C.
Jenis packing yang digunakan adalah pall rings dengan ukuran 1 inch. Pall rings dengan ukuran 1 inch memiliki nilai HETP pada rentang 1.3-1.8 ft. Pada perancangan ini nilai HETP yang digunakan adalah sebesar 1.3 ft. Jenis Packing pall rings dapat dilihat pada gambar 3.4.
Bab III Peralatan Proses, Sistem Utilitas, dan Pengolahan Limbah 80
By: Checked: Approved:
Gambar 3.9 Pall rings
Proses pemisahan vakum ini dilakukan menggunakan 25 tahap sehingga diperoleh kolom distilasi dengan tinggi dan diameter masing-masing sebesar 9.9 meter dan 2.1 meter.
Liquid redistributors ditempatkan tepat di atas packed setelah packed yang pertama.Pada perancangan ini hanya digunakan satu bed sehingga tidak dibutuhkan liquid redistributor. Mengingat diameter kolom
Gambar 3.10 Torispherical head
Gambar 3.12 menunjukkan jenis penutup kolom yang digunakan pada kolom distilasi vakum. Penutup yang digunakan adalah jenis torispherical. Pemilihan tutup jenis ini karena jenis tutup torispherical paling umum digunakan sebagai tutup kolom dengan tekanan operasi di bawah 15 bar.
Packing support yang digunakan adalah tipe gas injection dengan pertimbangan:
a. Mampu menyediakan luas permukaan terbuka (open areas) 100% atau lebih dari luas penampang kolom
b. Rentang kapasitas operasi yang lebih lebar c. Menghasilkan pressure drop yang rendah d. Kemungkinan terjadinya flooding rendah
Bab III Peralatan Proses, Sistem Utilitas, dan Pengolahan Limbah 81
By: Checked: Approved:
Gambar 3.11 Packing support jenis gas injection
Liquid distributor yang digunakan adalah tipe weir type distributor dengan pertimbangan liquid distributor jenis ini mampu menangani rentang laju cairan yang lebih besar dibandingkan jenis lainnya. Gambar 3.15 berikut ini merupakan jenis weir type distributor
Gambar 3.12 Weir type distributor
Kolom distilasi ini juga menggunakan hold down plate untuk menjaga agar packing yang digunakan tidak berhamburan dari kolom akibat laju alir uap yang terlalu besar.
Bab III Peralatan Proses, Sistem Utilitas, dan Pengolahan Limbah 82
By: Checked: Approved:
Gambar 3.14 Kolom distilasi vakum