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 Pupuk Amonium Sulfat dari Gypsum Sintetik Hasil Pengolahan Unit Flue Gas Desulfurization PLTU adalah sebagai berikut:
1. Kebutuhan air untuk ketel 2. Kebutuhan air pendingin 3. Kebutuhan air proses
Kebutuhan air pendingin pada keseluruhan Pabrik Pembuatan Pupuk Amonium Sulfat dari Gypsum Sintetik Hasil Pengolahan Unit Flue Gas Desulfurization PLTU ditunjukkan pada Tabel 7.2.
Tabel 7.2 Kebutuhan Air Pendingin Pada Alat
Nama Alat Kebutuhan Air (Kg/jam)
Absorber (AB-101) 51271,20 Absorber (AB-102) 2312,41 Cooler (E-202) 22,63 Reaktor (R-201) 969,28 Netralizer (R-202) 317,77 Crystallizer (CR-301) 12811,09 Barometric Condensor (BC-201) 23521,86 Barometric Condensor (BC-301) 10565,19 Cooler dr netraliser 73,57 Total 101864,99
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 & Green, 1999).
• Air yang hilang karena penguapan
Air yang hilang karena penguapan dapat dihitung dengan persamaan:
We = 0,00085 Wc (T2 – T1) (Pers. 12-10, Perry & Green, 1999)
Di mana :
Wc = jumlah air pendingin yang diperlukan
T1 = temperatur air pendingin masuk = 30 °C = 86 °F
T2 = temperatur air pendingin keluar = 50 °C = 122 °F
Maka:
We = 0,0085 × 101864,99 × (122-86)
= 3117,07 kg/jam
• Air yang hilang karena drift loss
Air yang hilang karena drift loss biasanya 0,1 – 0,2 % dari air pendingin yang masuk ke menara air (Perry & Green, 1999). Ditetapkan drift loss 0,2 %, maka:
Wd = 0,002 × 101864,99
= 203,73 kg/jam
• Air yang hilang karena blowdown
Air yang hilang karena blowdown bergantung pada jumlah siklus sirkulasi air pendingin, biasanya antara 3-5 siklus (Perry & Green, 1999). Ditetapkan 5 siklus, maka:
1 S
W
W e
b = − (Pers. 12-12, Perry & Green, 1999)
1 5 3117,07 Wb − = = 779,27 kg/jam
Sehingga air tambahan yang diperlukan = We + Wd + Wb
= (3117,07 + 203,73 + 779,27) kg/jam
= 4100,07 kg/jam
Kebutuhan air proses pada Pabrik Pembuatan Pupuk Amonium Sulfat dari Gypsum Sintetik Hasil Pengolahan Unit Flue Gas Desulfurization PLTU ditunjukan pada Tabel 7.3.
Tabel 7.3 Kebtuhan Air Proses Pada Alat
Kebutuhan Jumlah air (kg/jam)
Absorber (AB-101) 5797,53
Mixing Tank (M-101) 1404,07
Absorber (AB-102) 129,49
Total 7330,91
Adapun pemakaian air untuk berbagai kebutuhan lainnya berupa: a. Kebutuhan air domestik
Kebutuhan air domestik untuk tiap orang/shift adalah 40–100 ltr/hari (Metcalf dan Eddy, 1991). Diambil 100 liter/hari = 4,17 liter/jam
ρair pada 30oC = 995,68 kg/m3 ; Jumlah karyawan = 240 orang
Maka total air domestik = kg jam
m L x m kg x jam L / 68 , 995 / 1000 240 / 68 , 995 / 17 , 4 3 3 =
b. Kebutuhan air laboratorium
Kebutuhan air untuk laboratorium adalah 1000 – 1800 ltr/hari (Metcalf dan Eddy, 1991), Maka diambil 1500 ltr/hari = 62,230 kg/jam.
c. Kebutuhan air kantin dan tempat ibadah
Kebutuhan air untuk kantin dan rumah ibadah adalah 40 – 120 liter/hari (Metcalf dan Eddy, 1991), Maka diambil 120 liter/hari = 5 liter/jam
ρair pada 30oC= 995,68 kg/m3 ; Pengunjung rata – rata = 200 orang.
Maka total kebutuhan airnya = 5 × 200 = 1000 ltr/jam × 0,99568 kg/liter = 995,68 kg/jam
d. Kebutuhan air poliklinik
Kebutuhan air untuk poliklinik adalah 400 – 600 ltr/hari. (Metcalf dan Eddy, 1991). Maka diambil 400 liter/ hari = 16,59 kg/jam
Pemakaian air untuk berbagai kebutuhan pada Pabrik Pembuatan Pupuk Amonium Sulfat dari Gypsum Sintetik Hasil Pengolahan Unit Flue Gas Desulfurization PLTU ditunjukan pada Tabel 7.4.
Tabel 7.4 Pemakaian Air Untuk Berbagai Kebutuhan
Kebutuhan Jumlah air (kg/jam)
Kantor dan domestik 995,68
Laboratorium 62,23
Kantin dan tempat ibadah 995,68
Poliklinik 16,59
Total 2070,18
Sehingga total kebutuhan air yang memerlukan pengolahan awal adalah: = 3382,5064 + 4100,07 + 7330,91 + 2070,18
= 16883,67 kg/jam
Jumlah air yang diolah untuk keadaan steady pabrik yang biasanya berlangsung 1 kali dalam 1 tahun proses adalah:
= 16912,5319 + 7330,91 + 4100,07 + 2070,18 = 30413,6954 kg/jam
Sumber air untuk Pabrik Pembuatan Pupuk Amonium Sulfat dari Gypsum Sintetik Hasil Pengolahan Unit Flue Gas Desulfurization PLTU ini adalah dari Sungai Lamongan daerah Kecamatan Kebomas, Kabupaten Gresik Jawa Timur. Kualitas air Sungai Lamongan dapat dilihat pada Tabel 7.5.
Tabel 7.5 Kualitas Air Sungai Lamongan Kecamatan Kebomas, Gresik, Jawa Timur
No Parameter Satuan Hasil
I. FISIKA
1. Bau - Tidak berbau
2. Rasa - Tidak berasa
3. Suhu oC 30
4. Kekeruhan NTU 50,21
II. KIMIA
1. Total kesadahan dalam CaCO3 mg/l 150
2. TSS mg/l 400
3. Chloride mg/l 1,3
4. NO3-N mg/l 0,2
5. NO2-N mg/l 0,1
6. Zat organik dalam KMnO4 (COD) mg/l 50
7. SO42- mg/l 16 8. Sulfida mg/l - 9. Posfat (PO4) mg/l 1 10. CO32+ mg/l 87 11. CN- mg/l 0,0018 12. NO2 mg/l - 13. Pb2+ mg/l 1,142 14. pH mg/l 8,1
Tabel 7.5 Kualitas Air Sungai Lamongan Kecamatan Kebomas, Gresik, Jawa Timur (lanjutan)
No Parameter Satuan Hasil
15. Fe2+ mg/l 0,873 16. Mn2+ mg/l 0,154 17. Zn2+ mg/l 0,0012 18. Ca2+ mg/l 43 19. Mg2+ mg/l 28 20. CO2 bebas mg/l 32 21. Cu2+ mg/l 0,113
Sumber : Laporan Pemerintah Provinsi Jawa Timur, 2009
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
Penyaringan 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).
Koagulan yang biasa dipakai adalah koagulan trivalent. Reaksi hidrolisis akan terjadi menurut reaksi:
M3+ + 3H2O M(OH)3 + 3 H
Dalam hal ini, pH menjadi faktor yang penting dalam penyingkiran koloid. Dua jenis reaksi yang akan terjadi adalah (Degremont, 1991):
Al2(SO4)3 + 6 Na2CO3 + 6H2O 2Al(OH)3↓+12Na+ + 6HCO3- + 3SO43-
2Al2(SO4)3 + 6 Na2CO3 + 6H2O 4Al(OH)3↓ + 12Na+ + 6CO2 + 6SO43-
Reaksi koagulasi yang terjadi :
Al2(SO4)3 + 3H2O + 3Na2CO3 2Al(OH)3 + 3Na2SO4 + 3CO2
Selain penetralan pH, soda abu juga digunakan untuk menyingkirkan kesadahan permanen menurut proses soda dingin menurut reaksi (Degremont, 1991):
CaSO4 + Na2CO3 Na2SO4 + CaCO3
CaCl4 + Na2CO3 2NaCl + CaCO3
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 = 30413,6954 kg/jam Pemakaian larutan alum = 50 ppm
Pemakaian larutan soda abu = 0,54 × 50 = 27 ppm
Larutan alum yang dibutuhkan = 50.10-6 × 30413,6954 = 1,52 kg/jam Larutan abu soda yang dibutuhkan = 27.10-6 × 30413,6954 = 0,82 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 dan Eddy, 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 Pupuk Amonium Sulfat dari Gypsum Sintetik Hasil Pengolahan Unit Flue Gas Desulfurization PLTU 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 tangki utilitas I sebelum didistribusikan untuk berbagai kebutuhan.
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 = 2070,18 kg/jam Kaporit yang digunakan direncanakan mengandung klorin 70 %
Kebutuhan klorin = 2 ppm dari berat air (Gordon, 1968) Total kebutuhan kaporit = (2.10-6 × 2070,18) / 0,7 = 0,0059 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
Perhitungan Kesadahan Kation
Air sungai Lamongan daerah kecamatan Sambeng, Gresik Jawa Timur mengandung kation Fe2+, Mn2+, Ca2+, Mg2+, Pb+2 dan Cu2+ masing-masing 0,873 ppm, 0,154 ppm, 43 ppm, 28 ppm, 1,142 ppm dan 0,113 ppm (Tabel 7.4).
1 gr/gal = 17,1 ppm
Total kesadahan kation = 0,873 +0,154 + 43 + 28 + 1,142 + 0,113 = 73,282 ppm / 17,1 = 4,2855 gr/gal
Kebutuhan air ketel uap untuk keadaan steady pabrik yang dilakukan 1 kali dalam 1 tahun proses. Maka jumlah steam yang dibutuhkan 16912,5319 kg/jam.
Perhitungan untuk keadaan steady :
Jumlah air yang diolah = 3
3 264,17gal/m kg/m 995,68 kg/jam 16912,5319 × = 4487,1681 gal/jam = 74,7861 gal/menit
Kesadahan air = 4,2855 gr/gal × 4487,1681 gal/jam × 24 jam/hari = 461513,8992 gr/hari x 1 kg /1000gr
= 461,5139 kg/hari Kapasitas resin = 20 kg/ft3
Kebutuhan resin = 461,5139 kg/hari : 20 kg/ft3 = 23,0757 ft3/hari Kebutuhan regenerant = 6 lb H2SO4/ft3 resin
Kebutuhan regenerant H2SO4 = 461,5139 kg/hari x 6 lb H2SO4/ft3 : 20 kg/ft3
= 138,4542 lb/hari x 0,454 kg/lb : 1 hari/24 jam = 2,6191 kg/jam
Perhitungan untuk proses (pabrik beroperasi) :
Kebutuhan tambahan ketel uap = 3382,5064 kg/jam
Jumlah air yang diolah = 3
3 264,17gal/m kg/m 995,68 kg/jam 3382,5064 × = 897,4336 gal/jam
Kesadahan air = 4,2855 gr/gal × 897,4336 gal/jam = 3845,9492 gr/jam × 24 jam/hari
Perhitungan ukuran Cation Exchanger
Jumlah air yang diolah = 897,4336 gal/jam = 14,9572 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 = 92,3028 kg/hari
Dari Tabel 12.2, The Nalco Water Handbook (1988) diperoleh: - Kapasitas resin = 20 kg/ft3
- Kebutuhan regenerant = 6 lb H2SO4/ft3 resin
Jadi, kebutuhan resin = 3 kg/ft 20 kg/hari 92,3028 = 4,6151 ft3/hari Tinggi resin = 14 , 3 4,6151 = 1,4698 ft
Tinggi minimum resin adalah 30 in = 2,5 ft (Tabel 12.4, The Nalco Water Handbook) Sehingga volume resin yang dibutuhkan = 2,5 ft × 3,14 ft2 = 7,85 ft3
Waktu regenerasi = kg/hari 92,3028 kg/ft 20 ft 7,85 3× 3 = 1,7009 hari = 40,8222 jam
Kebutuhan regenerant H2SO4 = 92,3028 kg/hari × 3 3
kg/ft 20
lb/ft 6
= 27,6908 lb/hari x 0,454 kg/lb x 1 hari/ 24 jam = 0,5238 kg/jam
b. Penukar Anion (Anion Exchanger)
Penukar anion berfungsi untuk menukar anion yang terdapat dalam air dengan ion hidroglikol dari resin. Resin yang digunakan bermerek IRA-410. Resin ini merupakan kopolimer stirena (Lorch, 1981). Reaksi yang terjadi:
2ROH + SO42- → R2SO4 + 2OH-
ROH + Cl- → RCl + OH-
Untuk regenerasi dipakai larutan NaOH dengan reaksi: R2SO4 + 2NaOH → Na2SO4 + 2ROH
Perhitungan Kesadahan Anion
Air sungai Lamongan mengandung Anion Cl-, SO42-, CO32-, NO3- , NO2- dan CN-
masing-masing 8,7 ppm, 16 ppm, 87 ppm, 0,2 ppm, 0,1 ppm dan 0,0018 ppm (Tabel 7.4).
1 gr/gal = 17,1 ppm
Total kesadahan anion = 8,7 + 16 + 87 + 0,2 + 0,1 + 0,0018 = 112,0018 ppm / 17,1
= 6,5498 gr/gal Perhitungan untuk keadaan steady :
Jumlah air yang diolah = 3 264,17gal/m3 kg/m 995,68 kg/jam 16912,5319 × = 4487,1681 gal/jam = 74,7861 gal/menit
Kesadahan air = 6,5498 gr/gal × 4487,1681 gal/jam × 24 jam/hari = 705362,6735 gr/hari x 1 kg /1000gr
= 705,3627 kg/hari Kapasitas resin = 12 kg/ft3
Kebutuhan resin = 705,3627 kg/hari : 12 kg/ft3 = 58,7802 ft3/hari Kebutuhan regenerant = 5 lb NaOH/ft3 resin
Kebutuhan regenerant NaOH = 705,3627 kg/hari x 5 lb NaOH/ft3 : 12 kg/ft3 = 293,9011 lb/hari x 0,454 kg/lb : 1 hari/24 jam = 133,4311 kg/jam
Perhitungan untuk proses (pabrik beroperasi) :
Kebutuhan tambahan ketel uap = 3382,5064 kg/jam
Jumlah air yang diolah = 3
3 264,17gal/m kg/m 995,68 kg/jam 3382,5064 × = 897,4336 gal/jam
Kesadahan air = 6,5498 gr/gal × 897,4336 gal/jam = 5878,0223 gr/jam × 24 jam/hari = 141072,5347 x 1 kg/1000 gr = 141,0725 kg/hari
Ukuran Anion Exchanger
Jumlah air yang diolah = 897,4336 gal/jam = 14,9572 gal/menit Dari Tabel 12.4 , The Nalco Water Handbook, diperoleh:
- Diameter penukar kation = 2 ft - Luas penampang penukar kation = 3,14 ft2 - Jumlah penukar kation = 1 unit Volume resin yang diperlukan
Total kesadahan air = 141,0725 kg/hari
Dari Tabel 12.7, The Nalco Water Handbook, diperoleh : - Kapasitas resin = 12 kg/ft3
- Kebutuhan regenerant = 5 lb NaOH/ft3 resin Jadi, kebutuhan resin = 3
kg/ft 12 kg/hari 141,0725 = 11,7560 ft3/hari Tinggi resin = 14 , 3 11,7560 = 3,7440 ft
Tinggi minimum resin adalah 30 in = 2,5 ft (Tabel 12.4, The Nalco Water Handbook) Sehingga volume resin yang dibutuhkan = 2,5 ft × 3,14 ft2 = 7,85 ft3
Waktu regenerasi = kg/hari 141,0725 kg/ft 12 ft 7,85 3× 3 = 0,6677 hari = 16,0258 jam
Kebutuhan regenerant NaOH = 141,0725 kg/hari × 3
3 kg/ft 12 lb/ft 5 = 58,7802 lb/hari = 1,1119 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