BAB V UNIT PENUNJANG DAN PENGOLAHAN LIMBAH
5.2 Pengolahan Limbah
5.2.3 Pengolahan limbah gas
Limbah gas pada pabrik Kaltim-2 berupa gas NH3 dan CO2 yang dihasilkan dari proses kondensasi pada condensate stripper ataupun yang dihasilkan oleh separator-separator di pabrik ammonia dan pabrik urea. Limbah gas ini umunya dimanfaatkan kembali untuk meningkatkan efisiensi bahan baku dan mengurangi pencemaran lingkungan. Adapun untuk limbah gas yang mengandung sedikit NH3 dan CO2 dapat langsung dibuang ke
PT. Pupuk Kalimantan timur : Bontang
PT.Pupuk Kalimantan Timur Tbk. 2005. Company Profile PT.Pupuk Kalimantan Timur Tbk.
PT.Pupuk Kalimantan Timur Tbk. 2005. Diktat Bahan Bacaan Utility PT.Pupuk Kalimantan Timur Tbk. 2005. Diktat Bahan Bacaan Urea
OLEH:
Ayu Practica Ceriah Solikhawati Nim : 08 614 024
JURUSAN TEKNIK KIMIA
PROGRAM STUDI OLEO DAN PETROKIMIA
POLITEKNIK NEGERI SAMARINDA
1.1 Latar Belakang
Pupuk urea yang diproduksi oleh Pabrik PT. Pupuk Kalimantan Timur dalam bentuk prill dan granul adalah salah satu jenis pupuk yang paling banyak digunakan dalam pertanian. Bentuk urea prill dan granul merupakan bentuk yang disukai karena mudah penanganannya.
Pabrik urea Kaltim – 2 memproses urea dalam bentuk prill dengan sistem menara pembutir (Prilling Tower). Proses pembutiran dilakukan terhadap urea melt yang keluar dari evaporator. Urea melt yang memasuki prilling bucket akan terdistribusi membentuk tetesan – tetesan urea dikarenakan prilling bucket berputar. Tetesan – tetsan tersebut akan didinginkan oleh udara yang mengalir dari bawah ke atas. Udara – udara tersebut dihisap oleh ID – Fan. Tetesean – tetesan urea yang kontak dengan udara akan mengalami pendinginan dan perubahan fasa. Dengan menara yang tinggi, urea dalam bentuk prill sudah cukup kuat dan dingin. Setiap ketinggian tertentu terjadi perpindahan panas yang menyebabkan temperature urea akan menurun dan peada suatu ketinggian tertentu temperature akan tetap tetapi akan terjadi perubahan fase dari melt ke padat. Prilling Tower Kaltim 2 memiliki ketinggian 80,768 m yang belum diketahui pada ketinggian berapa terjadi perubahan fase dari melt menjadi fase padat (priil)
1.2 Perumusan Masalah
Adapun perumusan permasalahan yangh dibahas disini adalah belum diketahuinya pada ketinggian berapa urea melt akan berupa fasenya menjadi urea prill
1.3 Tujuan
Tujuan pengerjaan tugas khusus ini adalah ingin mengetahui distribusi suhu di Prilling Tower dan pada ketinggian berapa terjadinya pendinginan dan perubahan fasa dari urea melt menjadi urea prill. 1.3 Ruang lingkup
Pengerjaan tugas khusus mencakup perhitungan neraca panas di Prilling Tower dengan menngunakan data design yang didapat dari manual operating book.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
bucket yang berputar sehingga membentuk tetesan-tetesan urea melt. Kemudian dari bawah udara dihisap oleh ID-Fan hingga udara akan berkontak langsung dengan urea melt sehingga terjadi perpindahan panas dari urea ke udara. Sehingga ada saatnya saat terjadi perpindahan panas dari urea melt ke udara, temperature urea melt akan turun hingga mencapai temperature perubahan fasanya. Pada keadaan ini, temperature urea tidak akan turun. Temperature urea tetap, namun urea akan mengalami perubahan fase dari melt menjadi padat. Setelah urea menjadi padat, temperature urea akan turun kembali. Agar proses pendinginan ini dapat berjalan sesuai dengan yang diinginkan, maka diperlukan udara pendingin yang mencukupi, yang diambil dari 4 buah ID Fan pada puncak menara.
2.2 Dasar Teori
2.2.1 Perpindahan Panas
Proses yang terjadi di dalam Prilling Tower adalah proses perubahan fase urea melt menjadi urea prill dan proses pendinginan. Udara digunakan sebagai media pendingin yang mengalir berlawanan arah dengan jatuhnya urea. Selama urea jatuh di dalam Prilling Tower, Proses perpindahan panas urea ke udara meliputi 3 bagian yaitu :
1. Pendinginan urea melt ( zona 1)
Pendinginan urea melt dalam hal ini adalah penurunan temperature urea melt dari temperature inlet 140 oC sampai dengan temperature perubahan fasenya, yaitu 132, 6 oC. Panas yang diserap merupakan panas sensible. Besarnya panas tersebut adalah :
Q = MLx CPLx (T1– T2) Dimana :
Q : Panas yang dilepas urea ML : Massa urea
CPL : Kapasitas panas urea melt
T1 : Temperature urea melt masuk ke Prilling Tower T2 : Temperature perubahan fase urea melt
2. Perubahan Fase urea ( zona 2)
Perubahan fase dimulai sejak awal urea melt mengalami perubahan fase dari melt hingga keseluruhan bentuknya menjadi padat (prill) pada temperature yang sama, yaitu 132,6 oC. Panas yang dilepaskan merupakan panas laten. Panas laten adalah panas yang dilepaskan temperature tetap tetapi terjadi perubahan fase. Besarnya panas laten yang dilepas adalah :
ML : Massa urea λ : Panas laten
3. Pendinginan urea prill ( zona 3)
Pendinginan urea prill dalam hal ini adalah penurunan tempersture urea prill dari temperature 132,6 oC (temperature perubahan fase) hingga temperature outlet Prilling Tower (50 o
C desain). Panas yang dilepaskan merupakan panas sensible. Besarnya panas tersebut adalah: Q = MSx CPSx (T2– T3)
Dimana :
Q : Panas yang dilepas urea MS : Massa urea
CPS : Kapasitas panas urea prill T2 : Temperature Perubahan fase T3 : Temperature outlet Prilling Tower 4. Panas Konveksi
Perpindahan panas yang terjadi, yang dilepas dari urea ke udara diterima dalam bentuk
panas konveksi. Besarnya panas yang dipindahkan dapat dinyatakan dengan hukum Newton tentang perpindahan panas antara permukaan padatan dan fluida, yaitu :
Q = -h x A x ( T2– T1) ……….. (1) Dimana :
Q : Panas konveksi yang dipindahkan
h : Koefisien perpindahan panas konveksi urea dengan udara A : Luas perpindahan panas konveksi
T2 : Temperature urea T1 : Temperature udara
Nilai A ( Luas perpindahan panas konveksi ) biasanya sulit untuk dievaluasi. Untuk mengevaluasinya dengan menggunakan luas spesifik (a). luas spesifik dapat dinyatakan luas permukaan urea prill per volum menara. Dengan demikian persamaan perpindahan panas dapat dinyatakan sebagai :
Q = -h x a x (T2– T1) Dimana :
Dengan :
F : laju alir massa urea Θ : waktu tinggal butir urea Z : Tinggi Prilling Tower
D : Diameter Prilling Tower ds : Diameter Urea prill ρl: Density Urea melt
BAB III METODOLOGI
3.1 Metode Pengambilan Data
Dalam penyusunan tugas khusus ini, data yang digunakan adalah data yang diperoleh dari manual book operating(data desain) dan studi literature umum.
Data – data tersebut adalah :
a. Temperature urea melt outlet Evaporator II (TL) : 140oC b. Temperature urea Prill di dasar menara (Ts) : 50oC c. Temperatur udara masuk (Tg in) : 35oC
d. Temperature udara keluar (Tg out) : 75oC
e. Flow urea melt (F) : 72090 kg/h
f. Laju alir udara (G) : 726900 kg/h
g. Massa Jenis urea melt (ρl) : 1220 kg/m3 h. Specific Heat urea melt ( Cpl ) : 0,6421 J/Kg.oC
Diameter urea prill : 1,7.10 m 3.2 Metode Pengolahan Data
Perpindahan panas yang terjadi di sepanjang Prilling Tower dibagi menjadi 3 periode :
1. Zone I : Transfer panas dari urea melt ke udara pendingin hingga titik leleh urea
2. Zone II : Transfer panas dari urea leleh ke udara pendingin pada titik leleh urea sampai terjadi perubahan fase dari fase melt menjadi fase padat
3. Zone III : Transfer panas dari urea padat pada titik leleh urea hingga tepat jatuh di atas scrapper.
Pendekatan yang digunakan untuk mengevaluasi distribusi temperature di Prilling Tower dilakukan dengan menganggap Prilling Tower diisi seragam oleh butiran – butiran urea, demikian juga dinding pembatas yang imajiner disusun oleh butir urea ( bukan oleh dinding Prilling Tower). Pendekatan ini lebih bisa diterima karena yang ingin diketahui adalah temperature urea pada ketinggian tertentu dalam Prilling Tower, Bukan temperature dinding Prilling Tower. Perpindahan panas urea dan udara dipandang hanya terjadi secara konveksi. Kecepatan jatuh butir urea sangat tinggi sehingga waktu tinggal suatu butir urea sangat kecil, hal ini mengakibatkan panas yang hilang dari butir urea ke dinding Prilling Tower sangat kecil pula, sehingga dapat diabaikan.
Asumsi yang digunakan adalah :
1. Kapasitas panas urea melt dan prill bukan fungsi suhu
2. Jari – jari butir urea sangat kecil sehingga distribusi suhu dalam butir diabaikan 3. Butir urea terdistribusi seragam sepanjang menara.
Dasar perhitungan pada Prilling Tower terdiri dari : Neraca panas pada sebutir urea :
Zone 1 : Panas yang masuk – Panas yang keluar = Panas akumulasi
- Panas yang masuk : mL x CPLx T1Iz ( urea melt dari evaporator memasuki Prilling Tower pada ketinggian 0 meter)
- Panas yang keluar : mLx CPL x T1Iz + ∆Z(urea melt hingga temperature perubahan fase yang akan memasuki zone 2 pada ketinggian tertentu )
- Panas akumulasi : -h x A1x ( T1- Tg) Persamaan :
=
……….. (2)
Zone III : Panas yang masuk – Panas yang keluar = Panas akumulasi
- Panas yang masuk : mLx CPLx TsIz ( urea prill yang keluar dari zona 2 di ketinggian tertentu) - Panas yang keluar : mL x CPL x TsIz + ∆Z(urea prill yang berada di dasar menara pada ketinggian
80,768 ) - Panas akumulasi : -h x A1x ( Ts- Tg) Persamaan : - msCPsx TsIz+∆z - msx CPsx TsIz = -h x A1x ∆t x ( Ts- Tg) mLx CPLx (TsIz+∆z– TsIz ) = -h x A1x ∆z x ( Ts- Tg) mLx CPLx v x (TsIz+∆z- T1Iz ) = -h x A1x ∆z x ( Ts- Tg) = =
……….. (3)
Neraca Panas udara
Panas masuk – Panas Keluar = Panas akumulasi
G x Cpgx TgIz– G x Cpgx TgIz+∆z) = -h x Ap x ( T - Tg) G x Cpgx ( TgIz- TgIz+∆z) = -h x Amx a x ∆z x ( T - Tg)
=
=……….. (4)
Dimana : Am = ¶ x D2 a =Θ : waktu tinggal butir urea Z : Tinggi Prilling Tower
D : Diameter Prilling Tower ds : Diameter Urea prill ρl: Density Urea melt
T :Temperature melting point (132,6oC )
Kecepatan Terminal (v)
Untuk mendapatkan kecepatan terminal gunakan metode grafik untuk diameter butiran urea 1,7 mm dan suhu 35oC diperoleh kecepatan terminal (Vt).
Grafik Diameter Prill vs Kecepatan Terminal (Vt) Diperoleh kecepatan terminal sebesar :
V = 6.2 m/s
Penyelesaian Persamaan Differensial Zona I,II, dan III
Persamaan diferensial Zona I,II,III tidak bisa diselesaikan dengan intregal biasa, maka persamaan diferensial diselesaikan dengan metode numeris yaitu metode runge kutta. Dengan menggunakan metode runge kutta orde 4, maka diambil haraga ∆x tertentu yang selanjutnya
harga ∆y dan ∆z dapat dihitung : ∆y = 1/6 ( k1+ 2k2+ 2k3+ k4) ∆z = 1/6 ( l1+ 2l2+ 2l3+ l4) Dengan : K1= f1 (y,z) ∆x L1= f2 (y,z) ∆x K2= f1 (y + , z + ) ∆x L2= f2 (y + , z + ) ∆x K3= f1 (y + , z + ) ∆x L3= f2 (y + , z + ) ∆x K4= f1 (y + , z + ) ∆x L4= f2 (y + , z + ) ∆x
Zone I
: = =Zone II :
=Zone III :
==
Perhitungan Koefisien menngunakan data : Tg in : 35oC
TL in : 140oC Tg out : 75oC TL out : 50oC r prilling : 9,347 m
4.1 Distribusi Suhu di sepanjang Prilling Tower Z (m) T ureaoC T udaraoC 0 139.8 74.9 0.09 139.5 74.9 0.18 139.3 74.8 0.27 139.1 74.8 0.36 138.8 74.7 0.45 138.6 74.7 0.54 138.4 74.6 0.63 138.1 74.6 0.72 137.9 74.5 0.81 137.7 74.5 0.9 137.4 74.4 0.99 137.2 74.4 1.08 137.0 74.3 1.17 136.8 74.3 1.26 136.5 74.2 1.35 136.3 74.2 1.44 136.1 74.1 1.53 135.9 74.1 1.62 135.6 74.0 1.71 135.4 74.0 1.8 135.2 73.9 1.89 135.0 73.9 1.98 134.7 73.8 2.07 134.5 73.8 2.16 134.3 73.7 2.25 134.1 73.7 2.34 133.9 73.6 2.43 133.6 73.6 2.52 133.4 73.5 2.61 133.2 73.5 2.7 133.0 73.4 2.79 132.8 73.4 2.88 132.6 73.4
13.48 132.6 67.5 15.6 132.6 66.4 17.72 132.6 65.4 19.84 132.6 64.3 21.96 132.6 63.2 24.08 132.6 62.1 26.2 132.6 61.0 28.32 132.6 59.8 30.44 132.6 58.7 32.56 132.6 57.5 34.68 132.6 56.3 36.8 132.6 55.1 38.92 132.6 53.8 41.04 132.6 52.6 43.16 132.6 51.3 45.28 132.6 50.0 47.28 116.1 47.2 49.28 108.6 45.9 51.28 101.9 44.7 53.28 95.7 43.6 55.28 90.1 42.7 57.28 85.0 41.8 59.28 80.3 41.0 61.28 76.0 40.2 63.28 72.2 39.6 65.28 68.7 39.0 67.28 65.4 38.4 69.28 62.5 37.9 71.28 59.9 37.4 73.28 57.4 37.0 75.28 55.2 36.6 77.28 53.2 36.3 79.28 51.4 36.0 80.768 49.7 35.7
1. Zona penurunan suhu urea melt sepanjang 2.88 m dari puncak prilling tower dengan temperature udara keluar menara 74.9oC dan temperature udara masuk ke zona 2 adalah 73.4oC .
2. Zona perubahan fase melt menjadi padat (prill) sepanjang 42.4 m ( dari ketinggian 2.88 m sampai 45.28 m) dengan temperature udara masuk zona 2 adalah 73.4oC dan temperature udara keluar zona 2 adalah 50oC
3. Zona pendinginan urea prill sepanjang 33.488 m (dari ketinggian 47.28 m – 80. 768 m) dengan temperature udara masuk zona 3 adalah 47.2oC dan temperature akhir zona adalah 35.7oC.
5.1 Kesimpulan
Dari hasil perhitungan dapat diambil kesimpulan :
1. Pendinginan urea melt didinginkan hingga ketinggian 2.88 m dari menara pembutir (Zona I)
2. Pada ketinggian 2.88 m dari menara telah terjadi perubahan fase dari fase melt ke fase padat (prill) hingga ketinggian 45.28 m (Zona II)
3. Pada ketinggian 45.28 hingga 80.768 m terjadi pendinginan urea prill (Zona III)
sons, Inc
Kern, D.Q.1950.” Process Heat Transfer”, 1sted., McGraw Hill International Book Co., Aucklan
Smith,Julian C. 1993.” Unit Operation of Chemical Engineering “ 5 th ed. McGraw Hill International
= ………. = Y (T – Tg)
= ………… = Xc (Ts– Tg)
Mencari nilai A,B, dan C : h= 177.9 J/m2.oC
nilai A :
= Xa
Dengan : Al( luas permukaan urea prill ) = ¶ x (ds)2
= 3.14 x (1,7.10-3)2 = 9.0746.10-6m2 V (kecepatan jatuh urea) = 22320 m/s
Cpl = 0,6421 J/Kg.oC
Ml (massa 1 butir urea) = 2,8.10-5Kg
= Xa
Dengan : Am = ¼ ¶ x D2 = ¼ x 3.14 x (18.694 m)2 = 274.33 m2 a = = = 0.0338 /m = Y = Y 0.0089 = Y Nilai C : = Xc = Xc 0.0522 = Xc