INSTRUMENTASI DAN KESELAMATAN KERJA
ELEMEN PENGENDAL
7.2 Kebutuhan Air
Dalam proses produksi, air memegang peranan penting, baik untuk kebutuhan proses maupun kebutuhan domestik. Kebutuhan air pada pabrik pembuatan furfural adalah sebagai berikut:
1. Kebutuhan air untuk ketel
Air untuk umpan ketel uap = 3.451,0358 kg/jam 2. Kebutuhan air pendingin 50C
Kebutuhan air pendingin (50C) adalah sebagai berikut: Tabel 7.2 Kebutuhan Air Pendingin (50C)
Nama Alat Jumlah Air Pendingin (kg/jam)
Cooler (E-226) 46951,6482
Cooler (E-416) 265,7890
Cooler (E-417) 13242,5303
Cooler (E-513) 1021,1796
Total 61481,1472
Kaebutuhan air pendingin 50C pada keseluruhan pabrik furfural adalah 61481,1472 kg/jam. Air pendingin bekas digunakan kembali setelah didinginkan dalam menara pendingin air. Dengan menganggap terjadi kehilangan air selama proses sirkulasi, maka air tambahan yang diperlukan adalah jumlah air yang hilang karena penguapan, drift loss, dan blowdown. (Perry, 1997)
Air yang hilang karena penguapan dapat dihitung dengan persamaan:
We = 0,00085 Wc (T2 – T1) (Pers. 12-10, Perry, 1997)
Di mana :
Wc = jumlah air pendingin yang diperlukan = 61481,1472 kg/jam T1 = temperatur air pendingin masuk = 5°C = 41°F
Maka,
We = 0,00085 x 61481,1472 x (95-41) = 2821,9847 kg/jam
Air yang hilang karena drift loss biasanya 0,1 – 0,2 % dari air pendingin yang masuk ke menara air (Perry, 1997). Ditetapkan drift loss 0,2 %, maka:
Wd = 0,002 x 61481,1472 = 122,9623 kg/jam
Air yang hilang karena blowdown berrgantung pada jumlah siklus sirkulasi air pendingin, biasanya antara 3 – 5 siklus (Perry, 1997). Ditetapkan 5 siklus, maka: 1 S W W e b (Pers, 12-12, Perry, 1997) 1 5 2821,9847 Wb = 705,4962 kg/jam
Sehingga air tambahan yang diperlukan
= 2.821,9847 + 122,9623 + 705,4962 = 3.650,4431 kg/jam 3. Kebutuhan air pendingin 300C
Kebutuhan air pendingin 300C adalah sebagai berikut: Tabel 7.3 Kebutuhan Air Pendingin Pada Alat
Nama Alat Jumlah Air Pendingin (kg/jam)
Kondensor (E-413) 113521,5784
Total 113521,5784
Air pendingin bekas digunakan kembali setelah didinginkan dalam menara pendingin air. Dengan menganggap terjadi kehilangan air selama proses sirkulasi, maka air tambahan yang diperlukan adalah jumlah air yang hilang karena penguapan, drift loss, dan blowdown. (Perry, 1997)
We = 0,00085 Wc (T2 – T1) (Pers. 12-10, Perry, 1997)
Di mana :
Wc = jumlah air pendingin yang diperlukan = 113521,5784 kg/jam T1 = temperatur air pendingin masuk = 30°C = 86°F
T2 = temperatur air pendingin keluar = 45°C = 113°F Maka,
We = 0,00085 x 113521,5784 x (113-86) = 2605,3202 kg/jam
Air yang hilang karena drift loss biasanya 0,1 – 0,2 % dari air pendingin yang masuk ke menara air (Perry, 1997). Ditetapkan drift loss 0,2 %, maka:
Wd = 0,002 x 113521,5784 = 227,0432 kg/jam
Air yang hilang karena blowdown berrgantung pada jumlah siklus sirkulasi air pendingin, biasanya antara 3 – 5 siklus (Perry, 1997). Ditetapkan 5 siklus, maka: 1 S W W e b (Pers, 12-12, Perry, 1997) 1 5 2605,3202 Wb = 651,3301 kg/jam
Sehingga air tambahan yang diperlukan
= 2.605,3202 + 227,0432 + 651,3301 = 3.483,6934 kg/jam 4. Kebutuhan air proses
Kebutuhan air proses pada pabrik pembuatan furfural adalah 6881,6574 kg/jam yaitu yang berasal dari reaktor II (R-220. Kebutuhan air proses pada pabrik pembuatan bioetanol ditunjukkan pada tabel 7.3.
Tabel 7.3 Kebutuhan Air Proses Pabrik Furfural
Kebutuhan Jumlah air (kg/jam)
Reaktor II (R-220) 6881,6574
Total 6881,6574
5. Air untuk berbagai kebutuhan Perhitungan kebutuhan air domestik:
Menurut Metcalf & Eddy (1991) kebutuhan air domestik untuk tiap orang/shift
adalah 40-100 liter/hari. Diambil 100 liter/hari × jam hari 24 1 = 4.16 ≈ 4 liter/jam ρair = 1000 kg/m3 = 1 kg/liter Jumlah karyawan = 130 orang
Maka total air domestik = 4 × 130 = 520 liter/jam × 1 kg/liter = 520 kg/jam Perkiraan pemakaian air untuk berbagai kebutuhan ditunjukkan pada tabel 7.4.
Tabel 7.4 Pemakaian Air Untuk Berbagai Kebutuhan
Kebutuhan Jumlah air (kg/jam)
Domestik dan kantor 520
Laboratorium 50 Kantin dan tempat ibadah 100
Poliklinik 50
Total 720
Sehingga total kebutuhan air yang memerlukan pengolahan awal adalah: = 3.451,0358 + 3.650,4431 +3.483,6934 + 6881,6574 + 720 = 18.186,8298 kg/jam
Sumber air untuk pabrik pembuatan furfural ini berasal dari Sungai Brantas, Jombang, Jawa Timur. Kualitas air Sungai Brantas ini dapat dilihat pada tabel di bawah ini.
Tabel 7.5 Kualitas air Sungai Brantas, Jombang Jawa Timur.
Parameter Satuan Kadar
Suhu Kekeruhan Total Amonia (NH3-N) Besi (Fe) Cadmium (Cd) Clorida (Cl) Mangan (Mn) Calcium (Ca) Magnesium (Mg) Oksigen terlarut (O2) Seng (Zn) Sulfat (SO4) Tembaga (Cu) Timbal (Pb) Hardness (CaCO3) Nitrat (NO3) Posfat (PO4) °C NTU mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L 26,6 5-25 0,142 0,52 0,02 60 0,023 75 27 7,66 >0,024 50 0,02 0,784 95 0,084 0,245
Sumber: Laporan Akhir Bidang Pengendalian Pencemaran Lingkungan, Bapedalda JATIM, 2007.
Untuk menjamin kelangsungan penyediaan air, maka di lokasi pengambilan air dibangun fasilitas penampungan air (water intake) yang juga merupakan tempat pengolahan awal air sungai. Pengolahan ini meliputi penyaringan sampah dan kotoran yang terbawa bersama air. Selanjutnya air dipompakan ke lokasi pabrik untuk diolah . Pengolahan air di pabrik terdiri dari beberapa tahap, yaitu:
1. Screening 2. Sedimentasi 3. Klarifikasi 4. Filtrasi
7.2.1 Screening
Pengendapan merupakan tahap awal dari pengolahan air. Pada screening, partikel-partikel padat yang besar akan tersaring tanpa bantuan bahan kimia. Sedangkan partikel-partikel yang lebih kecil akan terikut bersama air menuju unit pengolahan selanjutnya (Degremont, 1991).
7.2.2 Sedimentasi
Setelah air disaring pada tahap screening, di dalam air tersebut masih terdapat partikel-partikel padatan kecil yang tidak tersaring pada screening. Untuk menghilangkan padatan-padatan tersebut, maka air yang sudah disaring tadi dimasukkan ke dalam bak sedimentasi untuk mengendapkan partikel-partikel padatan yang tidak terlarut.
7.2.3 Klarifikasi
Klarifikasi merupakan proses penghilangan kekeruhan di dalam air. Air dari screening dialirkan ke dalam clarifier setelah diinjeksikan larutan alum Al2(SO4)3 dan larutan soda abu Na2CO3. Larutan Al2(SO4)3 berfungsi sebagai koagulan utama dan larutan Na2CO3 sebagai bahan pembantu untuk mempercepat pengendapan dengan penyesuaian pH (basa) dan bereaksi substitusi dengan ion-ion logam membentuk senyawaan karbonat yang kurang/tidak larut. Reaksi koagulasi yang terjadi adalah (Culp et. al., 1978) :
Al2(SO4)3 . 14H2O + 6HCO3- 2Al(OH)3 + 3SO42-+ 6CO2 + 14 H2O Setelah pencampuran yang disertai pengadukan maka akan terbentuk flok- flok yang akan mengendap ke dasar clarifier karena gaya gravitasi, sedangkan air jernih akan keluar melimpah (overflow) yang selanjutnya akan masuk ke penyaring pasir (sand filter) untuk penyaringan.
Pemakaian larutan alum umumnya hingga 50 ppm terhadap jumlah air yang akan diolah, sedangkan perbandingan pemakaian alum dan soda abu = 1 : 0,54 (Baumann, 1971).
Perhitungan alum dan abu soda yang diperlukan:
Total kebutuhan air = 18.186,8298 kg/jam Pemakaian larutan alum = 50 ppm
Pemakaian larutan soda abu = 0,54 × 50 = 27 ppm
Larutan alum yang dibutuhkan = 50.10-6 × 18.186,8298 = 0,9093 kg/jam Larutan abu soda yang dibutuhkan = 27.10-6 × 18.186,8298 = 0,4910 kg/jam
7.2.4 Filtrasi
Filtrasi dalam pemurnian air merupakan operasi yang sangat umum dengan tujuan menyingkirkan Suspended Solid (SS), termasuk partikulat BOD dalam air (Metcalf & Eddy, 1991).
Material yang digunakan dalam medium filtrasi dapat bermacam-macam: pasir, antrasit (crushed anthracite coal), karbon aktif granular (Granular Carbon Active atauGCA), karbon aktif serbuk (Powdered Carbon Active atau PCA) dan batu garnet. Penggunaan yang paling umum dipakai di Afrika dan Asia adalah pasir dan gravel sebagai bahan filter utama, sebab tipe lain cukup mahal (Kawamura, 1991).
Unit filtrasi dalam pabrik pembuatan furfural menggunakan media filtrasi granular (Granular Medium Filtration) sebagai berikut :
1. Lapisan atas terdiri dari pasir hijau (green sand). Lapisan ini bertujuan memisahkan flok dan koagulan yang masih terikut bersama air. Lapisan yang digunakan setinggi 24 in (60,96 cm).
2. Untuk menghasilkan penyaringan yang efektif, perlu digunakan medium berpori misalnya atrasit atau marmer. Untuk beberapa pengolahan dua tahap atau tiga tahap pada pengolahan effluent pabrik, perlu menggunakan bahan dengan luar permukaan pori yang besar dan daya adsorpsi yang lebih besar, seperti Biolite, pozzuolana ataupun Granular Active Carbon/GAC) (Degremont, 1991). Pada pabrik ini, digunakan antrasit setinggi 12,5 in (31,75 cm).
3. Lapisan bawah menggunakan batu kerikil/gravel setinggi 7 in (17,78 cm) (Metcalf & Eddy, 1991).
Bagian bawah alat penyaring dilengkapi dengan strainer sebagai penahan. Selama pemakaian, daya saring sand filter akan menurun. Untuk itu diperlukan
filter, air dipompakan ke menara air sebelum didistribusikan untuk berbagai kebutuhan.
Untuk air proses, masih diperlukan pengolahan lebih lanjut, yaitu proses softener dan deaerasi. Untuk air domestik, laboratorium, kantin, dan tempat ibadah, serta poliklinik, dilakukan proses klorinasi, yaitu mereaksikan air dengan klor untuk membunuh kuman-kuman di dalam air. Klor yang digunakan biasanya berupa kaporit, Ca(ClO)2. Khusus untuk air minum, setelah dilakukan proses klorinasi diteruskan ke penyaring air (water treatment system) sehingga air yang keluar merupakan air sehat dan memenuhi syarat-syarat air minum.
Perhitungan kebutuhan kaporit, Ca(ClO)2
Total kebutuhan air yang memerlukan proses klorinasi = 720 kg/jam Kaporit yang digunakan direncanakan mengandung klorin 70 %
Kebutuhan klorin = 2 ppm dari berat air (Gordon, 1968) Total kebutuhan kaporit = (2.10-6 × 720)/0,7 = 0,0021 kg/jam
7.2.5 Demineralisasi
Air untuk umpan ketel dan pendingin pada reaktor harus murni dan bebas dari garam-garam terlarut. Untuk itu perlu dilakukan proses demineralisasi. Alat demineralisasi dibagi atas:
a. Penukar Kation (Cation Exchanger)
Penukar kation berfungsi untuk mengikat logam-logam alkali dan mengurangi kesadahan air yang digunakan. Proses yang terjadi adalah pertukaran antara kation Ca, Mg dan kation lain yang larut dalam air dengan kation dari resin. Resin yang digunakan bertipe gel dengan merek IRR–122 (Lorch, 1981).
Reaksi yang terjadi :
2H+R + Ca2+ → Ca2+R + 2H+ 2H+R + Mg2+→ Mg2+R + 2H+ 2H+R + Mn2+ → Mn2+R + 2H+
Ca2+R + H2SO4 → CaSO4 + 2H+R Mg2+R + H2SO4 → MgSO4 + 2H+R Mn2+R + H2SO4 → MnSO4 + 2H+R Perhitungan Kesadahan Kation
Air Sungai Brantas mengandung kation Fe2+,Cd+2,Mn2+,Ca2+,Mg2+,Zn+2,Cu2+, dan Pb+2 masing-masing 0,52 ppm, 0,02 ppm, 0,023 ppm, 75 ppm, 27 ppm, 0,024 ppm, 0,02 ppm dan 0,784 ppm. (Tabel 7.5).
1 gr/gal = 17,1 ppm
Total kesadahan kation = 0,52+0,02+0,023+75+27+0,024+0,02+0,784 = 103,391 ppm / 17,1
= 6,0463 gr/gal Air yang diolah adalah air umpan ketel uap. Jumlah air yang diolah = 3.451,0358 kg/jam
= 3 x 264,17gal/m3 kg/m 995,68 kg/jam 3451,0358 = 915,6156 gal/jam = 15,2603 gal/menit Kesadahan air = 6,0463 gr/gal x 915,6156 gal/jam x 24 jam/hari
= 132866,0760 gr/hari = 132,8661 kg /hari Perhitungan Ukuran Cation Exchanger
Jumlah air yang diolah = 915,6156 gal/jam = 15,2603 gal/menit Volume resin yang diperlukan
Total kesadahan air = 132,8661 kg/hari
Dari Tabel 12.2, The Nalco Water Handbook, diperoleh : - Kapasitas resin = 20 kgr/ft3
- Kebutuhan regenerant = 6 lb H2SO4 /ft3 resin Jadi, kebutuhan resin = 3
kgr/ft 20 kg/hari 132,8661 = 6,6433 ft3/hari
Dari Tabel 12.4 , The Nalco Water Handbook, untuk tinggi resin sebesar 30 in = 2,5 ft diperoleh:
- Luas penampang penukar kation = 4,91 ft2 - Jumlah penukar kation = 1 unit
Sehingga volume resin yang dibutuhkan = 2,5 ft x 4,91 ft2 = 12,275 ft3 Waktu regenerasi = kg/hari 132,8661 kgr/ft 20 x ft 12,275 3 3 = 1,8477 hari = 44,3454 jam Kebutuhan regenerant H2SO4 = 132,8661 kgr/hari x 3
3 kgr/ft 20 lb/ft 6 = 39,8598 lb/hari = 0,7534 kg/jam
b. Penukar Anion (Anion Exchanger)
Penukar anion berfungsi untuk menukar anion yang terdapat dalam air dengan ion hidroksida dari resin. Resin yang digunakan bermerek IRA-410. Resin ini merupakan kopolimer stirena DVB (Lorch,1981). Reaksi yang terjadi:
2ROH + SO42- R2SO4 + 2OH- ROH + Cl- RCl + OH-
Untuk regenerasi dipakai larutan NaOH dengan reaksi: R2SO4 + 2NaOH Na2SO4 + 2ROH
RCl + NaOH NaCl + ROH Perhitungan Kesadahan Anion
Air Sungai Brantas mengandung Anion Cl-, SO42-, CO32-, NO3-, dan PO43- masing- masing 60 ppm, 50 ppm, 95 ppm, 0,084 ppm dan 0,245 ppm. (Tabel 7.5).
1 gr/gal = 17,1 ppm
Total kesadahan anion = 60 + 50 + 95 + 0,084 + 0,245 = 205,329 ppm / 17,1
= 12,0075 gr/gal Jumlah air yang diolah = 3.451,0358kg/jam
= 3 3 x 264,17gal/m kg/m 995,68 kg/jam 3451,0358 = 915,6156 gal/jam = 15,2603 gal/menit Kesadahan air = 12,0075 gr/gal x 915,6156 gal/jam x 24 jam/hari
Perhitungan Ukuran Anion Exchanger
Jumlah air yang diolah = 915,6156 gal/jam = 15,2603 gal/menit Volume resin yang diperlukan
Total kesadahan air = 263,8621 kg/hari
Dari Tabel 12.7, The Nalco Water Handbook, diperoleh : - Kapasitas resin = 12 kgr/ft3
- Kebutuhan regenerant = 5 lb NaOH/ft3 resin
Jadi, kebutuhan resin = 3 kgr/ft 12 kg/hari 263,8621 = 21,9885 ft3/hari
Dari Tabel 12.4, The Nalco Water Handbook, untuk tinggi resin sebesar 30 in = 2,5 ft diperoleh:
- Diameter penukar anion = 4 ft - Luas penampang penukar anion = 12,6 ft2 - Jumlah penukar anion = 1 unit
Sehingga volume resin yang dibutuhkan = 2,5 ft x 12,6 ft2 = 31,5 ft3 Waktu regenerasi = kgr/hari 263,8621 kgr/ft 12 x ft 31,5 3 3 = 1,4326 hari = 34,3816 jam Kebutuhan regenerant NaOH = 263,8621 kgr/hari x 3
3 kgr/ft 12 lb/ft 5 = 109,9425 lb/hari = 2,0779 kg/jam 7.2.6 Deaerasi
Deaerator berfungsi untuk memanaskan air yang keluar dari alat penukar ion (ion exchanger) dan kondensat bekas sebelum dikirim sebagai air umpan ketel. Pada deaerator ini, air dipanaskan hingga 90°C supaya gas-gas yang terlarut dalam air, seperti O2 dan CO2 dapat dihilangkan, sebab gas-gas tersebut dapat menimbulkan suatu reaksi kimia yang menyebabkan terjadinya bintik-bintik yang semakin menebal dan menutupi permukaan pipa-pipa dan hal ini akan menyebabkan korosi pada pipa- pipa ketel. Pemanasan dilakukan dengan menggunakan koil pemanas di dalam deaerator.
