BAB IV NERACA PANAS
INSTRUMENTASI DAN KESELAMATAN KERJA
7.2 Kebutuhan Air
Dalam proses produksi, air memegang peranan penting, baik untuk kebutuhan proses maupun kebutuhan domestik. Kebutuhan air pada pabrik pembuatan bioetanol adalah sebagai berikut:
1. Kebutuhan air untuk ketel
Air untuk umpan ketel uap = 12352,2494 kg/jam 2. Kebutuhan air pendingin
Kebutuhan air pendingin pada keseluruhan pabrik pembuatan bioetanol ditunjukkan pada tabel 7.2.
Tabel 7.2 Kebutuhan Air Pendingin Pada Alat
Nama Alat Jumlah Air Pendingin (kg/jam) ReaktorDekristalisasi (R-120) 90,8533 Cooler (E-224) -250745,8202 Mixer (M-230) 0 Fermentor(R-270) 15157,7711 Kondensor (E-331) -7870,1305 Total -243367,3263
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 = -243367,3263kg/jam T1 = temperatur air pendingin masuk = 25°C = 77°F
T2 = temperatur air pendingin keluar = 45°C = 113°F Maka,
We = 0,00085 x 273780,6504 x (113-77) = 8377,6879 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 273780,6504 = 547,5613 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 8377,6879 Wb − = = 2092,4220 kg/jam
Sehingga air tambahan yang diperlukan
= 8377,6879 + 547,5613 + 2092,4220 = 11019,6712 kg/jam 3. Kebutuhan air proses
Kebutuhan air proses pada pabrik pembuatan bioetanol adalah 104366,1513 kg/jam yaitu yang berasal dari reaktor dekristalisasi (R-120), reaktor hidrolisis (R-210), dan pemisah kromatografi (FG-220). Kebutuhan air proses pada pabrik pembuatan bioetanol ditunjukkan pada tabel 7.3.
Tabel 7.3 Kebutuhan Air Proses Pabrik Bioetanol
Kebutuhan Jumlah air (kg/jam) Reaktor Dekristalisasi (R-120) 4652,9577 Reaktor Hidrolisis (R-210) 26764,9421 Pemisah Kromatografi (FG-220) 72948,2514
Total 104366,1513
4. 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 = 150 orang
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 600
Laboratorium 50
Kantin dan tempat ibadah 100
Poliklinik 50
Total 800
Sehingga total kebutuhan air yang memerlukan pengolahan awal adalah: = 12352,2494 + 11019,6712 + 104366,1513 + 800
= 128538,0719 kg/jam
Sumber air untuk pabrik pembuatan bioetanol ini berasal dari Sungai Blengking, Langkat, Sumatera Utara. Kualitas air Sungai Blengking ini dapat dilihat pada tabel di bawah ini.
Tabel 7.5 Kualitas air Sungai Blengking Kuala Madu
Parameter Satuan Kadar
Suhu Total Amonia (NH3-N) Besi (Fe) Cadmium (Cd) Clorida (Cl) °C mg/L mg/L mg/L mg/L 26,6 0,142 0,52 0,02 60
Mangan (Mn) Calcium (Ca) Magnesium (Mg) Oksigen terlarut (O2) Seng (Zn) Sulfat (SO4) Tembaga (Cu) Timbal (Pb) Hardness (CaCO3) Nitrat (NO3) Posfat (PO4) mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L 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 SUMUT, 2004.
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 dan digunakan sesuai dengan keperluannya. Pengolahan air di pabrik terdiri dari beberapa tahap, yaitu:
1. Screening
2. Sedimentasi 3. Klarifikasi 4. Filtrasi
5. Demineralisasi 6. Deaerasi
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 = 128538,0719 kg/jam Pemakaian larutan alum = 50 ppm
Pemakaian larutan soda abu = 0,54 × 50 = 27 ppm
Larutan alum yang dibutuhkan = 50.10-6 × 128538,0719 = 6,4269 kg/jam Larutan abu soda yang dibutuhkan = 27.10-6 × 128538,0719 = 3,4705 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 bioetanol 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 regenerasi secara berkala dengan cara pencucian balik (back washing). Dari sand 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 = 800 kg/jam Kaporit yang digunakan direncanakan mengandung klorin 70 %
Total kebutuhan kaporit = (2.10-6 × 800)/0,7 = 0,0023 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+
Untuk regenerasi dipakai H2SO4 dengan reaksi : Ca2+R + H2SO4 → CaSO4 + 2H+R
Mg2+R + H2SO4 → MgSO4 + 2H+R Mn2+R + H2SO4 → MnSO4 + 2H+R
Perhitungan Kesadahan Kation
Air Sungai Blengking 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 7.4).
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 = 12352,2494 kg/jam
= 3 3 x 264,17gal/m kg/m 995,68 kg/jam 12352,2494 = 3277,2515 gal/jam
Kesadahan air = 6,0463 gr/gal x 3277,2515 gal/jam x 24 jam/hari = 475562,5335 gr/hari = 475,5625 kg /hari
Perhitungan Ukuran Cation Exchanger
Jumlah air yang diolah = 3277,2515 gal/jam = 54,6209 gal/menit Volume resin yang diperlukan
Total kesadahan air = 475,5625 kg/hari
- Kapasitas resin = 20 kgr/ft3
- Kebutuhan regenerant = 6 lb H2SO4 /ft3 resin Jadi, kebutuhan resin = 3
kgr/ft 20
kg/hari 475,5625
= 23,7781 ft3/hari
Dari Tabel 12.4 , The Nalco Water Handbook, untuk tinggi resin sebesar 30 in = 2,5 ft diperoleh:
- Diameter penukar kation = 3,5 ft - Luas penampang penukar kation = 9,62 ft2 - Jumlah penukar kation = 1 unit
Sehingga volume resin yang dibutuhkan = 2,5 ft x 9,62 ft2 = 24,05 ft3
Waktu regenerasi = kg/hari 475,5625 kgr/ft 20 x ft 24,05 3 3 = 1,0114 hari = 24,27 jam
Kebutuhan regenerant H2SO4 = 475,5625 kgr/hari x 3 3 kgr/ft 20 lb/ft 6 = 142,6688 lb/hari = 2,6964 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:
ROH + Cl- → RCl + OH
Untuk regenerasi dipakai larutan NaOH dengan reaksi: R2SO4 + 2NaOH → Na2SO4 + 2ROH
RCl + NaOH → NaCl + ROH
Perhitungan Kesadahan Anion
Air Sungai Blengking mengandung Anion Cl-, SO42-, CO32-, NO3-, dan PO4 3-masing-masing 60 ppm, 50 ppm, 95 ppm, 0,084 ppm dan 0,245 ppm. (Tabel 7.4). 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 = 12352,2494 kg/jam
= 3 3 x 264,17gal/m kg/m 995,68 kg/jam 12352,2494 = 3277,2515 gal/jam
Kesadahan air = 12,0075 gr/gal x 3277,2515 gal/jam x 24 jam/hari = 944441,7738 gr/hari = 944,4418 kg/hari
Jumlah air yang diolah = 3277,2515 gal/jam = 54,6209 gal/menit Volume resin yang diperlukan
Total kesadahan air = 944,4418 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 4418 , 944 = 78,7035 ft3/hari
Dari Tabel 12.4, The Nalco Water Handbook, untuk tinggi resin sebesar 30 in = 2,5 ft diperoleh:
- Diameter penukar anion = 6,5 ft - Luas penampang penukar anion = 33,2 ft2 - Jumlah penukar anion = 1 unit
Sehingga volume resin yang dibutuhkan = 2,5 ft x 33,2 ft2 = 83 ft3
Waktu regenerasi = kgr/hari 944,4418 kgr/ft 12 x ft 83 3 3 = 1,0546 hari = 25,3102 jam
Kebutuhan regenerant NaOH = 944,4418 kgr/hari x 3 3 kgr/ft 12 lb/ft 5 = 393,5174 lb/hari = 7,4373 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 dan hal ini akan menyebabkan korosi pada pipa-pipa ketel. Pemanasan dilakukan dengan menggunakan koil pemanas di dalam
deaerator.