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 akan digunakan pada unit-unit berikut :
1. Kebutuhan air untuk ketel
Air untuk umpan ketel uap = 1454,9214 2. Kebutuhan air pendingin (300C)
Kebutuhan air pendingin pada keseluruhan pabrik pembuatan bioetanol ditunjukkan pada tabel 7.2.
Tabel 7.2 Kebutuhan Air Pendingin
Nama Alat
Jumlah Air Pendingin (kg/jam)
Reaktor Sakarifikasi Awal (R-102) 854,2694
Cooler (C-101) 3082,3231 Cooler (C-102) 4561,2470 Cooler (C-103) 417,5600 Cooler (C-104) 702,7124 Cooler (C-105) 680,2454 Jumlah 10298,3573
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, 1999).
Air yang hilang karena penguapan dapat dihitung dengan persamaan: We = 0,00085 Wc (T2 – T1) (Pers. 12-10, Perry, 1999)
Dimana:
Wc = jumlah air pendingin yang diperlukan
T1 = temperatur air pendingin masuk = 30°C = 86°F
T2 = temperatur air pendingin keluar = 40°C = 104°F
Maka:
We = 0,00085 × 10298,3573 × (104 – 86)
= 157,5649 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 × 10298,3573 kg/jam
= 20,5967 kg/jam
Air yang hilang karena blowdown bergantung 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, 1999) Wb = 157 ,5649kg/jam 5−1 = 39,3912 kg/jam
Sehingga air tambahan yang diperlukan = We + Wd + Wb
= 157,5649 + 20,5967 + 39,3912
= 217,5528 kg/jam
3. Kebutuhan air proses pada pabrik bioetanol ditunjukkan pada tabel 7.3. Tabel 7.3 Kebutuhan Air Proses
Nama Alat Jumlah Air Proses (kg/jam)
Bak Penampung (BP-101) 11145,4500
Reaktor Liquifikasi (R-101) 21176,3550
Kebutuhan air domestik (perumahan, kantor) diperkirakan 5% dari kebutuhan air pabrik, sehingga kebutuhan air untuk domestik: (Gordon, 1968)
= 5% x (kebutuhan air pendingin + air tambahan) = 5% x (10298,3573 + 217,5528)
= 525,7955 kg/jam
Kebutuhan air untuk keperluan lain (laboratorium, poliklinik, kantin dan tempat ibadah) diperkirakan 5% dari kebutuhan air domestik: (Gordon, 1968)
= 5% x 525,7955 kg/jam = 26,2898 kg/jam
Perkiraan pemakaian air untuk berbagai kebutuhan ditunjukkan pada tabel 7.3. Tabel 7.4 Pemakaian Air untuk Kebutuhan
Kebutuhan Jumlah Air
(kg/jam)
Domestik 525,7955
Laboratorium 6,5724
Kantin & Tempat Ibadah 13,1449
Poliklinik 6,5724
Total 552,0853
Sehingga total kebutuhan air yang memerlukan pengolahan awal adalah: = (1454,9214 + 217,5528 + 32321,8050 + 552,0853) kg/jam
= 34546,3645 kg/jam
Sumber air untuk pabrik pembuatan bioetanol ini adalah dari air Sungai Aek Doras, Sibolga Julu, Provinsi Sumatera Utara. Adapun kualitas air Sungai Aek Doras dapat dilihat pada tabel 7.4.
Tabel 7.5 Kualitas Air Sungai Aek Doras
No Analisa Satuan Hasil
1. 2. 3. 4. 5. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. I. FISIKA Bau Kekeruhan Rasa Warna Suhu II. KIMIA
Total kesadahan dalam CaCO3
Klorida NO3-N
Zat organik dalam KMnO4 (COD)
SO4- Sulfida Fosfat (PO43-) NO3 Hardness (CaCO3) pH Fe2+ Mn2+ Zn2+ Ca2+ Mg2+ CO2 bebas Cu2+ Pb2+ Cd2+ Cl2- CO32- NTU TCU °C 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 mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l Tidak berbau 50,16 Tidak berasa 150 25 150 1,3 0,2 65 5 - 0,245 0,084 13 6,6 0,52 0,024 0,0012 75 27 132 0,02 0,784 0,02 60 95 Sumber: Badan Lingkungan Hidup Sumatera Utara, 2012
Sumber air untuk pabrik pembuatan bioetanol ini adalah dari air sungai Aek Doras Sibolga Julu. Untuk menjamin kelangsungan penyediaan air, maka di lokasi pengambilan air dibangun fasilitas penampungan air (water intake) yang juga merupakan tempat pengolahan awal air sungai Aek Doras. 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:
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 abu Na2CO3. Larutan Al2(SO4)3 berfungsi sebagai koagulan utama dan
larutan Na2CO3 sebagai koagulan tambahan yang berfungsi sebagai bahan pembantu
untuk mempercepat pengendapan dan penetralan pH. Pada bak clarifier, akan terjadi proses koagulasi dan flokulasi. Tahap ini bertujuan menyingkirkan Suspended Solid
(SS) dan koloid (Degremont, 1991).
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 abu soda = 1 : 0,54 (Crities, 2004).
Perhitungan alum dan abu soda yang diperlukan:
Total kebutuhan air = 34546,3645 kg/jam
Pemakaian larutan alum = 50 ppm
Pemakaian larutan soda abu = 0,54 × 50 = 27 ppm
Larutan alum yang dibutuhkan = 50.10-6 × 34546,3645 = 1,7273 kg/jam Larutan abu soda yang dibutuhkan = 27.10-6 × 34546,3645 = 0,9328 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, 1991).
Material yang digunakan dalam medium filtrasi dapat bermacam-macam: pasir, antrasit (crushed anthracite coal), karbon aktif granular (Granular Carbon Active atauGAC), karbon aktif serbuk (Powdered Carbon Active atau PAC) 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
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 = 552,0853 kg/jam Kaporit yang digunakan direncanakan mengandung klorin 70 %
Kebutuhan klorin = 2 ppm dari berat air (Gordon, 1968) Total kebutuhan kaporit = (2.10-6 × 552,0853)/0,7 = 0,0016 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 Aek Doras mengandung kation Fe2+, Cd+2, Mn2+, Ca2+, Mg2+, Zn+2, Cu2+, Pb+2, dan NO3+ masing-masing 0,52 ppm, 0,02 ppm, 0,023 ppm, 75 ppm, 27 ppm,
0,024 ppm, 0,02 ppm, 0,784 ppm dan 0,084 ppm (Tabel 7.4)
1 gr/gal = 17,1 ppm Sumber : The Nalco Water Handbook (1988) Total kesadahan kation = 0,52+0,02+0,023+75+27+0,024+0,02+0,784+0,084
= 103,391 ppm / 17,1 gr / gal ppm = 6,0463 gr/gal
Jumlah air yang diolah = 1454,9214 kg/jam = 1454,9214
995,6470 x 264,17 = 386,0270 gal/jam
Kesadahan air = 6.04626 gr/gal × 386,0270 gal/jam × 24 jam/hari = 56016,4664 gr/hari
= 56,0165 kg/hari Perhitungan ukuran Cation Exchanger
Jumlah air yang diolah = 386,0270 gal/jam = 6,4338 gal/menit
Dari Tabel 12.4, The Nalco Water Handbook, diperoleh data-data berikut: - Diameter penukar kation = 2 ft
- Luas penampang penukar kation = 3,14 ft2 - Jumlah penukar kation = 1 unit
Volume resin yang diperlukan:
Total kesadahan air = 56,0165 kg/hari
Dari Tabel 12.2, The Nalco Water Handbook (1988) diperoleh: - Kapasitas resin = 20 kgr/ft3
- Kebutuhan regenerant = 6 lb H2SO4/ft3 resin
Jadi, kebutuhan resin = 56,0165
20 = 2,8008 ft 3
Tinggi resin = 2,8008
3,1400 = 0,8920 ft
Tinggi minimum resin adalah 30 in = 2,5 ft (Tabel 12.4, The Nalco Water Handbook) Sehingga volume resin yang dibutuhkan = 0,8920 ft × 3,14 ft2 = 2,8008 ft3
Waktu regenerasi = 3,7342 ft3x20kgr/ft3
74,6841��/ℎ��� = 1 hari = 24 jam = 1440 menit Kebutuhan regenerant H2SO4 = 56,0165 kg/hari × 3
3 kgr/ft 20 lb/ft 6 = 16,8049 lb/hari = 0,3179 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 bioetanol 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 Aek Doras mengandung Anion Cl-, SO42-, CO32-, PO43-masing-masing 60
ppm, 50 ppm, 95 ppm, dan 0,245 ppm (Tabel 7.4). 1 gr/gal = 17,1 ppm
Total kesadahan anion = 60 + 50 + 95 + 0,245 = 205,245 ppm / 17,1 gr / gal
ppm = 12,0026 gr/gal
Jumlah air yang diolah = 1454,9214 kg/jam = 1454,9214
996,5,6470 x 264,17 = 386,0270 gal/jam
Kesadahan air = 12,0026 gr/gal × 386,0270 gal/jam × 24 jam/hari Kesadahan air = 111199,8557 gr/hari
= 111,1999 kg/hari
Ukuran Anion Exchanger
Jumlah air yang diolah = 386,0270 gal/jam = 6,4338 gal/menit Dari Tabel 12.4 , The Nalco Water Handbook, diperoleh:
- Diameter penukar anion = 2 ft - Luas penampang penukar kation = 3,14 ft2 - Jumlah penukar anion = 1 unit
Volume resin yang diperlukan
Total kesadahan air = 111,1999 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 = 111,1999��/ℎ���
12kgr/ft3 = 9,2667 ft 3
/hari Tinggi resin = 9,2667ft3/hari
3,14 ft2 = 2,9512 ft Waktu regenerasi = 12,3548 ft3/harix12kgr/ft3
148,2575��/ℎ��� = 1 hari = 24 jam Kebutuhan regenerant NaOH = 111,1999 kg/hari × 3
3 kgr/ft 12 lb/ft 5 = 46,3333 lb/hari = 0,8765 kg/jam 7.2.6 Deaerator
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 menyebabkan
korosi. Pemanasan dilakukan dengan menggunakan koil pemanas di dalam