Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Metana Cair dari Sampah Organik dengan Kapasitas Sampah Organik 480.000 kg/hari

(1)

LAMPIRAN A

PERHITUNGAN NERACA MASSA

Pada Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Metana Cair dari Sampah Organik dengan kapasitas bahan baku sampah organik sebanyak 480.000 kg/hari, dengan kapasitas per jam 20.000 kg/jam, digunakan perhitungan neraca massa alur maju.

Basis perhitungan : 1 jam operasi Kapasitas sampah organik : 20.000 kg/jam Operasi pabrik per tahun : 330 hari

LA.1 Thresser (C-110)

Fungsi: untuk memperkecil ukuran sampah organik dengan proses pemotongan / pencacahan menjadi 0,1-0,5 cm.

C-110

1 2

Sampah Organik Sampah Organik

F1 = F2 = 20.000 kg/jam

LA.2 Tangki Penampung (F-120)

Fungsi: untuk mengumpulkan bahan baku sampah organik yang telah dihancurkan sebelum difermentasi di Fermentor.

F-120 3

4 Sampah Organik

Sampah Organik

(2)

LA.3 Fermentor (R-210)

Fungsi: sebagai tempat berlangsungnya proses fermentasi sampah organik.

F = F + F7

Tabel LA.1 Tabel Komposisi Sampah Organik

Komposisi % Massa

Karbohidrat (C6H12O6) 65

Air (H2O) 30

Nitrogen (N) 1,6

Sulfat (S) 0,2

Abu 3,2

Total 100

(Dinas Kebersihan Kota Medan, 2009) Asumsi : Ampas = N + S + Abu = 5% Fkarbo = ₁₀₀ F = 13.000 kg/jam

FH2O = ₁₀₀30 F = .000 kg/jam

Fampas = ₁₀₀ F = 1.000 kg/jam

Reaksi Metanogenesis:

C6H12O6(s) ──────► 4 CH4 (g) + 2 CO2 (g) + H2O (g) + H2S (g)

% Massa komponen : CH4 = 31,7%

CO2 = 68%

H2O = 0,289%

H2S = 0,011%

Bakteri yang berperan dalam reaksi ini adalah bakteri Methanobacterium. bakteri

(3)

Asumsi : karbohidrat yang bereaksi adalah 80% Fkarbo = 13.000 kg/jam

FCH4 = 31,7₁₀₀ Fkarbo 0,8 = 3.29 ,8 kg/jam

FCO2 = ₁₀₀ 8 Fkarbo 0,8 = 7.072 kg/jam

FH2O = 0,289₁₀₀ Fkarbo 0,8 = 30,0 kg/jam

FH2S = 0,011₁₀₀ Fkarbo 0,8 = 1,144 kg/jam

F = FCH4 + FCO2 + FH2O + FH2S = 10.400 kg/jam

Fkarbo7 = Fkarbo 0,2 = 2. 00 kg/jam

Fampas7 = Fampas + Fkarbo7 = 3. 00 kg/jam

FH2O7 = FH2O = .000 kg/jam

F7 = Fampas7 + FH2O7 = 9. 00 kg/jam

Tabel LA.2 Neraca Massa Fermentor

Komponen Alur Masuk (kg/jam) Alur Keluar (kg/jam)

5 6 7

C6H12O6 13.000 - -

H2O 6.000 30,056 6.000

CO2 - 7.072 -

H2S - 1,144 -

Ampas 1.000 - 3.600

CH4 - 3.296,8 -

Subtotal 20.000 10.400 9.600

(4)

LA.4 Filter Press (H-220)

Fungsi: untuk memisahkan air dari ampas sisa fermentasi.

H-220

7

8

9 Ampas (s)

H2O (l)

Ampas (s) H2O (l)

H2O (l)

Ampas (s)

F7 = F8 + F9

Asumsi: Efisiensi Filter Press = 90% FH2O8 = 0,9 FH2O7 = .400 kg/jam

Fampas8 = 0,1 Fampas7 = 3 0 kg/jam

F8 = Fampas8 + FH2O8 = .7 0 kg/jam

Fampas9 = 0,9 Fampas7 = 3.240 kg/jam

FH2O9 = 0,1 FH2O7 = 00 kg/jam

F9 = Fampas9 + FH2O9 = 3.840 kg/jam

Tabel LA.3 Neraca Massa Filter Press

7 8 9

H2O 6.000 5.400 600

Ampas 3.600 360 3.240

Subtotal 9.600 5.760 3.840

(5)

LA.5 Adsorber I (D-310)

Fungsi: untuk memisahkan H2S dari gas bio dengan Fe2O3.

D-310

6 10

CH4 (g)

CO2 (g)

H2O (g)

H2S (g)

CH4 (g)

CO2 (g)

H2O (g)

Asumsi: Efisiensi Adsorber I = 99%

Reaksi : 2 Fe2O3 + 6 H2S → 2 Fe2S3 + 6 H2O

FCH410 = FCH4 = 3.2 3,832 kg/jam

FH2O10 = FH2O = 29,7 kg/jam

FCO210 = FCO2 = 7.001,28 kg/jam

F10 = FCH410 + FH2O10 + FCO210 = 10.294,8 7 kg/jam

Tabel LA.4 Neraca Massa Adsorber I

6 10 Adsorben (Fe2O3)

CH4 3.296,8 3.263,832 32,968

CO2 7.072 7.001,28 70,72

H2S 1,144 - 1,144

H2O 30,056 29,755 0,301

Subtotal 10.400 10.294,867 105,133

(6)

LA.6 Adsorber II (D-320)

Fungsi: untuk memisahkan H2O(g) dari gas bio dengan silika gel.

D-320

10 11

CH4 (g)

CO2 (g)

H2O (g)

CH4 (g)

CO2 (g)

Asumsi: Efisiensi Adsorber II = 99,9% FCH411 = 0,999 FCH410 = 3.2 0, 8

FCO211 = 0,999 FCO210 = .994,279

F11 = FCH411 + FCO211 = 10.2 4,847 kg/jam

Tabel LA.5 Neraca Massa Adsorber II

10 11 Adsorben (Silika Gel)

CH4 3.263,832 3.260,568 3,264

CO2 7.001,28 6.994,279 7,001

H2O 29,755 - 29,755

Subtotal 10.294,867 10.254,847 40,02

(7)

LA.7 Membran Kontaktor Hollow Fiber (D-330)

Fungsi: untuk memisahkan CO2 dari gas bio yang dihasilkan, dimana gas CO2

diserap oleh air.

D-330

11 12

b a

H2O (l)

CH4 (g)

CO2 (g)

H2O (l)

CH4 (g)

CO2 (g) CH4 (g)

F11 + Fa = F12 + Fb

Asumsi: Efisiensi Membran Kontaktor Hollow Fiber = 99% P’A = 2.700 cm

3 _STP_cm

s cm2_cmHg (Geankoplis, 2003)

P’B = 800 cm

3 _STP_cm

s cm2_cmHg (Geankoplis, 2003)

α* = P A

P _B = 3,37

Lf : F9 = 10.2 4,847 kg/jam

xf : x_CO29 = FCO2

9

F9 = 0, 82

Massa CO2 dipulihkan : FCO2b = .994,279 kg/jam

xo : x_CO212 = FCO2

12

F12 = 0

Massa CH4 dipulihkan : FCH4b = 0,01 FCH411 = 32, 0 kg/jam

Lo : F12 = F11- FCO2b - FCH4b = 3.227,9 2 kg/jam

Diatur : Ptube = Ph = 1 atm = 100 kPa

Pshell = Pl = 1 atm = 100 kPa

r = _PPl

h =

(8)

a = 1 –α* = 1 – 3,375 = -2,375 (Geankoplis, 2003) b = -1 + α* + (1/r) + x/r (α*-1) (Geankoplis, 2003)

Untuk: x = xf → b = 4,995

x = xo → b = 3,375

c = -α*x/r (Geankoplis, 2003)

Untuk: x = xf → c = -2,302

x = xo → c = 0

y = b +_2a4ac

yf = 0,067

yo = 0,711

Fraksi cairan keluaran (yp) = ybCO2= y’av= (y’f+y’o)/2 = 0,389

Neraca massa komponen : Lf xf = Lo xo + Vp yp

(10.254,847)(0,682) = (3.227,962)(0) + Vp(0,389)

0,389 Vp = 6.993,806

Vp = 6.993,806 / 0,389

Vp = 17.989,765 kg/jam

Fb = Vp = 17.989,765 kg/jam

FH2Ob = Fb FCO2b FCH4b = 10.9 2,88 kg/jam

Fa = FH2Oa = FH2Ob = 10.9 2,88 kg/jam

Keterangan:

P’A = Permeabilitas CO2

P’B = Permeabilitas CH4

α* = Faktor separasi Lf = Laju gas masukan

(9)

xf = Fraksi CO2 pada gas masukan

xo = Fraksi CO2 pada gas keluaran

Ph = Tekanan pada alur masukan

Pl = Tekanan pada alur keluaran

yp = Fraksi cairan keluaran

(Geankoplis, 2003)

Tabel LA.6 Neraca Massa Membran Kontaktor Hollow Fiber

11 a b 12

CH4 3.260,568 - 32,606 3.227,962

CO2 6.994,279 - 6.994,279 -

H2O - 10.962,88 10.962,88 -

Subtotal 10.254,847 10.962,88 17.989,765 3.227,962

Total 21.217,727 21.217,727

LA.8 Tangki Akumulasi (F-410)

Fungsi: untuk menampung sementara gas metana sebelum masuk ke proses pencairan gas Claude.

Pada metode pencairan gas Claude, jumlah metana yang mencair adalah 11,3 % dari metana yang masuk ke sistem Claude. (Smith, et all, 2005)

F-410

12

13

25 CH4 (g)

CH4 (g)

F12 + F2 = F13

F12 = 3.227,9 2 kg/jam

FCH413 = FCH4 12

(10)

F2 = FCH42 = FCH413 FCH412

F2 = 2 .338,077 kg/jam

Tabel LA.7 Neraca Massa Tangki Akumulasi

12 25 13

CH4 3.227,962 25.338,077 28.566,04

Total 28.566,04 28.566,04

LA.9 Kompresor (G-421)

Fungsi: untuk meningkatkan tekanan metana dari 1 atm menjadi 59,5 atm (60 bar) dan suhu dari 22,5oC menjadi 105oC .

G-421

13

14

CH4 (g)

F14 = F13 FCH414 = FCH413

FCH413 = 28. ,04 kg/jam

LA.10 Cooler (E-420)

Fungsi: untuk menurunkan suhu metana dari 105oC menjadi 27oC.

E-420

14 15

d c

CH4 (g)

H2O (l)

CH4 (g)

H2O (l)

F1 = F14 FCH41 = FCH414

(11)

Tabel LA.8 Neraca Massa Cooler

14 c d 15

CH4 28.566,04 - - 28.566,04

H2O - 87.131,442 87.131,442 -

Total 115.697,482 115.697,482

LA.11 Heat Exchanger I (E-430)

Fungsi: untuk menurunkan suhu metana dari 27oC menjadi -20oC.

E-430

15 16

25

24

CH4 (g)

F1 = F1

FCH41 = FCH41 = 28. ,04 kg/jam

F24 = F2 FCH424 = FCH42

FCH424 = 2 .338,077 kg/jam

Tabel LA.9 Neraca Massa Heat Exchanger I

15 24 16 25

CH4 28.566,04 25.338,077 28.566,04 25.338,077

(12)

LA.12 Splitter (K-441)

Fungsi: untuk mengalihkan metana ke ekspander sebanyak 25% (Smith, 2005).

K-441

16

17

19 75%

25% CH4 (g)

F1 = F17 + F19

FCH419 = 0,7 FCH41

FCH419 = 21.424, 3 kg/jam

FCH417 = 0,2 FCH41

FCH417 = 7.141, 1 kg/jam

Tabel LA.8 Neraca Massa Splitter

16 17 19

CH4 28.566,04 21.424,53 7.141,51

Total 28.566,04 28.566,04

LA.13 Heat Exchanger II (E-440)

Fungsi: untuk menurunkan suhu metana dari -20oC menjadi -76oC.

E-440

19 20

24

23

CH4 (g)

F20 = F19 FCH420 = FCH419

(13)

F23 = F24 FCH423 = FCH424

FCH423 = 2 .338,077 kg/jam

Tabel LA.9 Neraca Massa Heat Exchanger II

19 23 20 24

CH4 21.424,53 25.338,077 21.424,53 25.338,077

Total 46.762,607 46.762,607

LA.14 Throttle (K-451)

Fungsi: untuk menurunkan tekanan metana dari 59,5 atm (60 bar) menjadi 1 atm dan suhu dari -76oC menjadi -161,5oC, sehingga terjadi perubahan fasa metana dari gas menjadi cair.

K-451

20 21

CH4 (g) CH4 (g)

F21 = F2 FCH421 = FCH420

FCH421 = 21.424, 3 kg/jam

LA.15 Flash Drum (F-450)

Fungsi: untuk memisahkan metana yang sudah mencair dan yang masih berupa gas.

F-450

21

22

26

CH4 (g)

CH4 (l)

(14)

Dari sistem pencairan gas Claude, gas yang mencair adalah sebesar 11,3% dari jumlah gas yang masuk ke sistem (gas masuk di alur 13), maka : FCH42 = 0,113 FCH414

FCH42 = 3.227,9 2 kg/jam

FCH422 = FCH421 FCH42

FCH422 = 18.196,567 kg/jam

Tabel LA.10 Neraca Massa Flash Drum

21 22 26

CH4 (g) 21.424,53 18.196,567 -

CH4 (l) - - 3.227,962

Total 21.424,53 21.424,53

LA.16 Ekspander (G-442)

Fungsi: untuk menurunkan tekanan metana dari 59,5 atm (60 bar) menjadi 1 atm dan suhu dari -20oC menjadi -161,5oC.

G-442

17

18

CH4 (g)

F17 = F18

(15)

LAMPIRAN B

PERHITUNGAN NERACA ENERGI

Basis Perhitungan : 1 jam operasi Satuan Operasi : kJ/jam Temperatur Basis : 25 oC

 Perhitungan Cp Padatan

Perhitungan Cp padatan (J/mol.K) dengan menggunakan metode Hurst dan Harrison, dimana nilai kontribusi unsur atom adalah sebagai berikut :

Tabel LB.1 Nilai Kontribusi Unsur Atom

Unsur Atom ΔE

C 10,89

H 7,56

O 13,42

N 18,74

S 12,36

(Perry dan Green, 1999)

Rumus Metode Hurst dan Harrison:





  n

1 i

Ei Ni. Cps

Dimana: Cps = Kapasitas panas padatan pada 298,15 K (J/mol.K) n = Jumlah unsur atom yang berbeda dalam suatu senyawa Ni = Jumlah unsur atom I dalam senyawa

ΔEi = Nilai dari distribusi atom I pada tabel LB.1

Menghitung Cp senyawa:

Cps C6H12O6 = 6 . ΔEC + 12 . ΔEH + 6 . ΔEO

(16)

Dengan cara yang sama diperoleh:

Tabel LB.2 Kapasitas Panas Beberapa Senyawa Padatan pada 298,15 K Komponen Cps (J/mol.K)

C6H12O6 236,58

Abu 321

 Perhitungan Cp untuk Senyawa Fasa Gas 4

Tabel LB.3 Data Kapasitas Panas Senyawa Fasa Gas (J/mol.K)

Senyawa A B C D E

CH4 (g) 3,83870.101 -7,3663.10-2 2,9098.10-4 -2,6384.10-7 8,0067.10-11

CO2 (g) 1,90223.101 7,9629.10-2 -7,3706.10-5 3,7457.10-8 -8,133.10-12

H2S (g) 3,45234.101 -1,76481.10-2 6,76664.10-5 -5,32454.10-8 1,40695.10-11

H2O (g) 3,40471.101 -9,65064.10-3 3,29983.10-5 -2,04467.10-8 4,30228.10-12

(Reklaitis, 1983)

 Perhitungan Cp untuk Senyawa Fasa Cair 3

Tabel LB.4 Data Kapasitas Panas Senyawa Fasa Cair (J/mol.K)

Senyawa A B C D

CH4 (l) -5,70709 1,02562 -0,0016656 -0,00001975

CO2 (l) 11,041 1,1595 -0,0072313 1,55019.10-5

H2S (l) 21,8238 0,774223 -0,00420204 7,38677.10-6

H2O (l) 18,2964 0,47211 -0,0013387 1,3142.10-6

(17)

LB.1 Fermentor (R-210)

Fungsi: sebagai tempat berlangsungnya proses fermentasi sampah organik.

Reaksi : C6H12O6(s) bakteri ► 4 CH4 (g) + 2 CO2 (g) + H2O (g) + H2S (g)

Pada reaksi fermentasi anaerobik :

∆Hr = -133.000 kJ/kmol (Da Rosa, 2009)

r ∆Hr = 14, 2 133.000 = 1.948.77 ,111 kJ/kmol

Dibuat : Proses berlangsung adiabatis (dQ/dt = 0) d

dt = r ∆Hr303,1 + out in

0 = 1.948.77 ,111 + _out 0

out = 1.948.77 ,111 kJ/jam

out =

(18)

Temperatur pada alur keluar diperoleh dengan menggunakan metode trial and error. Diperoleh temperatur pada alur keluar (alur 6 dan 7) tangki Fermentor adalah sebesarTout = 313,1 K ≈ 40oC.

Tabel LB.5 Energi Keluar pada tangki Fermentor

Alur Komponen F (kg/jam)

BM (kg/kmol)

N

(kmol/jam)



dT Cp

(kJ/kmol)



CpdT N

(kJ/jam)

6

CH4 3.296,8 16 206,05 595,039 122.607,869

CO2 7.072 44 160,727 615,608 98.945,064

H2S 1,144 34 0,034 559,097 18,812

H2O (g) 30,056 18 1,67 552,15 921,969

7

C6H12O6 2.600 180 14,444 74.419,669 1.074.950,78

H2O (l) 6.000 18 333,333 1.232,265 410.754,902

N 320 14 22,857 5.894,939 134.741,457

S 40 32 1,25 3.888,017 4.860,022

Abu 640 640 1 100.975,205 100.975,205

Total 1.948.776,079

Tabel LB.6 Neraca Energi Fermentor

Alur Masuk (kJ/jam) Alur Keluar (kJ/jam)

Umpan -

Produk - 1.948.776,079

∆Hr 1.948.77 ,111

(19)

LB.2 Adsorber I (D-310)

Tabel LB.7 Energi Masuk pada Adsorber I

BM (kg/kmol)

N (kmol/jam)



CpdT (kJ/kmol)



CpdT

Total 203.158,31

Reaksi: 2 Fe2O3 + 6 H2S → 2 Fe2S3 + 6 H2O

Panas reaksi pada keadaan standar: ΔHr298,15 = Σ σ.ΔHf

= 2 ΔHf Fe2S3 + 6 ΔHf H2O – 2 ΔHf Fe2O3– 6 ΔHf H2S

(20)

r =

6 0,032

σ

N N6_H_S 10_H_S

2

2  

= 0,0056 kmol/jam r.ΔHr298,15 = 0,0056 (-257.418,09)

= -1.443,56 kJ/kmol

Dibuat: Proses berlangsung adiabatis (dQ/dt = 0)

dT dQ

= r.ΔHr 298,15 + Qout– Qin

0 = -1.443,56 + Qout– 203.158,31

Qout = 204.601,87 kJ/jam

Qout =











Tout

15 , 298 10

O H Tout

298,15 10

CO Tout

15 , 298 10

CH ) CpdT (N ) CpdT (N ) CpdT

N (

2 2

4

Temperatur pada alur keluar diperoleh dengan menggunakan metode trial and error. Diperoleh temperatur pada alur keluar (alur 10) Adsorber I adalah sebesarTout = 313,35 K ≈ 40,5oC.

Tabel LB.8 Energi Keluar pada Adsorber I

BM (kg/kmol)

N

(kmol/jam)



dT Cp

(kJ/kmol)



CpdT N

(kJ/jam)

10

CH4 3.263,832 16 203,99 550,644 112.325,555

CO2 7.001,28 44 159,12 569,655 90.643,489

H2O (g) 29,755 18 1,653 511,247 845,133

Total 203.814,177

Tabel LB.9 Neraca Energi Adsorber I

Umpan 203.158,31 -

Produk - 203.814,177

∆Hr - -655,864

(21)

LB.3 Membran Kontaktor Hollow Fiber (D-330)

Fungsi: untuk memisahkan CO2 dari gas bio yang dihasilkan.

D-330

11 12

b a

H2O (l)

CH4 (g)

CO2 (g)

H2O (l)

CH4 (g)

CO2 (g) CH4 (g)

40,5o_{C, 1 atm}

Tout, 1 atm

25o_{C, 1 atm}

in = NCH411 Cp dT 30 ,1

298,1

+ NCO211 Cp dT 30 ,1

298,1

+ NH2Ob Cp dT 298,1

298,1

Tabel LB.10 Energi Masuk pada Membran Kontaktor Hollow Fiber

BM (kg/kmol)

N

(kmol/jam)



dT Cp

(kJ/kmol)



CpdT N

(kJ/jam) 11 CH4 3.260,568 16 203,786 550,644 112.213,23

CO2 6.994,279 44 158,961 569,655 90.552,845

Total 202.766,075

Dibuat: Proses berlangsung adiabatis (dQ/dt = 0)

dT dQ

= Qout– Qin

0 = Qout– 202.766,075

Qout = 202.766,075 kJ/jam

out =

(22)

Temperatur pada alur keluar diperoleh dengan menggunakan metode trial and error. Diperoleh temperatur pada alur keluar (alur 12) Membran Kontaktor Hollow Fiber adalah sebesarTout = 300,6 K ≈ 27,5oC.

Tabel LB.11 Energi Keluar pada Membran Kontaktor Hollow Fiber

BM (kg/kmol)

N

(kmol/jam)



dT Cp

(kJ/kmol)



CpdT N

(kJ/jam)

12

CH4 3,261 16 158,961 93,363 14.841,028

CO2 6.994,279 44 999,431 188,038 187.931,098

H2O (l) 17.989,765 18 0,204 90,306 18,403

Total 202.790,529

Tabel LB.12 Neraca Energi Membran Kontaktor Hollow Fiber

Umpan 202.766,075 -

Produk - 202.766,075

Total 202.766,075 202.766,075

LB.4 Tangki Akumulasi (F-410)

Fungsi: untuk menampung sementara gas metana sebelum masuk ke proses pencairan gas Claude.

F-410

12

13

25 CH4 (g)

CH4 (g)

25o_{C, 1 atm} ₂₂o_{C, 1 atm}

Tout, 1 atm

H12 = 1.195,8 kJ/kg (Perry, 1999)

(23)

Qin = F12 . H12 + F25 . H25

= (3.227,962).(1.195,8) + (25.338,077).(1.188,9) = 33.984.437,543 kJ/jam

Dibuat : Proses berlangsung adiabatis (dQ/dt = 0)

dt dQ

= Qout– Qin

0 = Qout– 33.984.437,543

Qout = 33.984.437,543 kJ/jam

Energi keluar = Qout

(F13 . H13) = 33.984.437,543

(28.566,04).(H13) = 33.984.437,543

H13 = 1.189,68 kJ/kg

Dari data termodinamika metana (Perry, 1999) untuk H13 = 10.528,139 kJ/kg,

maka Tout untuk alur 13 adalah 295,38 K ≈ 22,5oC.

Tabel LB.13 Neraca Energi Tangki Akumulasi

Umpan 33.984.437,543 -

Produk - 33.984.437,543

Total 33.984.437,543 33.984.437,543

LB.5 Cooler (E-420)

Fungsi: untuk menurunkan suhu metana dari 105oC menjadi 27oC.

E-420

14 15

d c

CH4 (g)

H2O (l)

CH4 (g)

H2O (l)

105o_{C, 1 atm} ₂₇o_{C, 1 atm}

25o_{C, 1 atm}

(24)

H14 = 1.330,88 kJ/kg (Perry, 1999)

Qin = F14 . H14

= (28.566,04).(1.330.88) = 38.017.970,92 kJ/jam

H18 = 1.140 kJ/kg (Perry, 1999)

Qout = F15 . H15

= (28.566,04).(1.140) = 32.565.285,26 kJ/jam

dt dQ

= Qout– Qin

dt dQ

= 32.565.285,26 – 38.017.970,92 = -5.452.685,658 kJ/jam Data termodinamika air pendingin :

Hc (25oC) = 104,89 kJ/kg (Perry, 1999)

Hd (40oC) = 167,47 kJ/kg (Perry, 1999)

Jumlah air pendingin yang dibutuhkan : m =

d c-H H

Q

m =

67,47kJ/kg 1

-kJ/kg 89 , 104

kJ/jam 658 5.452.685,

-m = kJ/jam

62,58

-658 5.452.685,

-m = 87.131,442 kg/ja-m

Tabel LB.14 Neraca Energi Cooler

Umpan 38.017.970,92 -

Produk - 32.565.285,26

dQ/dt -5.452.685,658 -

(25)

LB.6 Heat Exchanger I (E-430)

Fungsi: untuk menurunkan suhu metana dari 27oC menjadi -20oC.

E-430

15 16

25

24

CH4 (g)

27o_{C, 1 atm} _-20o_{C, 1 atm}

Tin, 1 atm

22o_{C, 1 atm}

Dari data termodinamika metana (Perry, 1999) : H15 = 1.140 kJ/kg (superheated metana)

H16 = 1.009,8 kJ/kg (superheated metana)

Qout = F25 . H25 + F16 . H16

= (25.338,077).(1.188,9) + (28.566,04).(1.009,8) = 58.970.426,893 kJ/jam

dt dQ

= Qout– Qin

0 = 58.970.426,893 – (F15 . H15 + F24 . H24)

0 = 58.970.426,893 – (28.566,04).(1.140) + (25.338,077).(H24)

H24 = 1.042,113 kJ/kg

Dari data termodinamika metana (Perry, 1999) untuk H24 = 1.042,113 kJ/kg,

maka Tuntuk alur 24 adalah 227,2 K ≈ -46oC.

Qin = F15 . H15 + F24 . H24

= (28.566,04).(1.140) + (25.338,077).(1.042,113) = 58.970.426,893 kJ/jam

Tabel LB.15 Neraca Energi Heat Exchanger I

Umpan 58.970.426,893 -

Produk - 58.970.426,893

(26)

LB.7 Heat Exchanger II (E-440)

Fungsi: untuk menurunkan suhu metana dari -20oC menjadi -76oC.

E-440

19 20

24

23

CH4 (g)

CH4 (g) -20o_{C, 1 atm}

-46o_{C, 1 atm}

-161,5o_{C, 1 atm}

Tout, 1 atm

Dari data termodinamika metana (Perry, 1999) : H19 = 1.009,8 kJ/kg (superheated metana)

H23 = 796,9 kJ/kg (saturated metana)

Qin = F19 . H19 + F23 . H23

= (21.424,53).(1.009,8) + (25.338,077).(796,9) = 41.826.403,9 kJ/jam

dt dQ

= Qout– Qin

0 = (F24 . H24 + F20 . H20) – 41.826.403,9

0 = (25.338,077).(1.042,1) + (21.424,53).(H20) – 41.826.403,9

H20 = 719,81 kJ/kg

Dari data termodinamika metana (Perry, 1999) untuk H20 = 719,81 kJ/kg,

maka T untuk alur 20 adalah 197,6 K ≈ -76oC.

Qout = F24 . H24 + F20 . H20

= (25.338,077).(1.042,1) + (21.424,53).(719,81) = 41.826.403,9 kJ/jam

Tabel LB.16 Neraca Energi Heat Exchanger II

Umpan 41.826.403,9 -

Produk - 41.826.403,9

(27)

LAMPIRAN C

PERHITUNGAN SPESIFIKASI ALAT

LC.1 Elevator (J-111)

Fungsi : Untuk mengangkut sampah dari timbangan ke thresser.

Jumlah : 1 buah

Bahan konstruksi : Besi

Laju bahan yang diangkut : 20.000 kg/jam Faktor keamanan : 20%

Kapasitas = feed x (1 + faktor keamanan) = 20.000 x (1+0,2)

= 24.000 kg/jam

Dari tabel 21.8 Perry 1999, karena kapasitas lebih besar dari 14 ton/jam, maka bucket elevator dipilih dengan spesifikasi :

Ukuran bucket = ( 6 x 4 x 4 ½ ) in Jarak tiap bucket = 12 in

Elevator center = 25 ft Kecepatan putar = 43 rpm Kecepatan bucket = 225 ft/menit Daya head shaft = 1 Hp

Diameter tail shaft = 1 11/16 in Diameter head shaft = 1 15/16 in Pully tail = 14 in Pully tail = 20 in Lebar head = 7 in Effesiensi motor = 80% Daya tambahan = 0,02 Hp/ft

Daya P = (Elevator center x daya tambahan) + daya head shaft (Perry, 1999) = 25 x (0,02) + 1

(28)

LC.2 Thresser (C-110)

Fungsi : Untuk mengecilkan ukuran sampah organik yang akan diolah. Bahan konstruksi : Besi

Merek : HGT-6000

Jumlah : 3 unit

Kecepan mesin : 5-15 ton/jam Ukuran hasil cacahan : 0,5-1 cm.

(Unit Penelitian Bioteknologi Perkebunan Bogor, 2008)

LC.3 Screw Conveyor 1 (J-121)

Fungsi : Mengangkut sampah organik ke tangki penampung. Jenis : Horizontal screw conveyor

Bahan konstruksi : Carbon steel Kondisi operasi:

Temperatur = 25oC Tekanan = 1 atm

Laju alir bahan : F = 20.000 kg/jam = 44.092,45 lb/jam

Densitas bahan (bulk density) : ρ = 300 kg/m3 = 18,73 lb/ft3 (Sudrajat, 2002) Jarak angkut : L = 10 m = 32,81 ft

Perhitungan

a. Laju alir volumetrik

Direncanakan dalam 1 jam proses cukup ditempuh 1/6 jam kerja (10 menit), maka laju alir volumetrik dalam 10 menit kerja adalah:

kerja) menit (10 /jam ft 2.354,11 lb/ft

18,73

lb/jam 44.092,45

ρ

F

Q  ₃  3

b. Data conveyor

Dipilih screw conveyor dengan diameter 20 in.

Dari Tabel 5.3 dan Tabel 5.4 Walas (1988) didapatkan harga: Kecepatan putaran maksimum (ω max) = 40 rpm

Kapasitas maksimum (Q max) = 2.485 ft3/jam

(29)

Horse power factor (f) = 1,7 c. Daya conveyor

Kecepatan putaran (ω):

rpm 37,89 /jam

ft 2.485

rpm 40 /jam ft 2.354,11 max

Q max

ω

Q

ω   3 ₃  

Daya conveyor:

P = [s . ω + f . . ρ] L / 10-6

P = [510 x 37,89 + 1,7 x 2.354,11 x 18,73] 32,81 / 10-6 P = 3,09 hp

Efisiensi conveyor 80 %, maka hp

86 , 3 8 , 0

09 , 3 P 

Maka dipilih conveyor dengan daya 4 hp.

LC.4 Tangki Penampung Sampah (F-120)

Fungsi : menampung hasil cacahan sampah dari thresser. Bentuk : Silinder tegak dengan alas dan tutup ellipsoidal. Bahan konstruksi : Plate steel SA-167 , tipe 304

Kondisi operasi : - Temperatur : 25oC - Tekanan : 1 atm Laju alir sampah organik = 20.000 kg/jam

Densitas sampah organik = 300 kg/m3 (Sudrajat, 2002) Kebutuhan perancangan = 1 hari

Faktor keamanan = 20% Desain Tangki

Ukuran tangki : a. Volume tangki

Volume sampah, V =

V =

= 1.600 m

3

(30)

= 1.600 x (1,2) = 1.920 m3 Direncanakan menggunakan 6 unit tangki.

Jadi, volume untuk tiap tangki = 1.920 / 6 = 320 m3.

b. Diameter dan tinggi tangki

Direncanakan perbandingan diameter dengan tinggi tangki silinder, D : H = 2 : 3 V = πD2H

320 = πD2 D 320 = πD3

D = 6,46 m ; H = 3/2D = 3/2 x 6,46 = 9,69 m. Jadi, D = 6,46 m = 21,19 ft

H = 9,69 m = 31,79 ft

c. Tebal dinding tangki

Tinggi bahan dalam tangki = Tinggi tangki tangki

Volume bahan

Volume _

Tinggi bahan dalam tangki = 9,69 920 . 1

600 .

1 _

= 8,07 m Tekanan hidrostatik: P =



× g × h

= 300 kg/m3 × 9,8 m/s2 × 8,07m

= 23.725,8 Pa = 23,725 kPa

Tekanan operasi (Po) = 1 atm = 101,325 kPa

Ptotal = Po + P = 101,325 kPa + 23,725 kPa = 125,05 kPa

Faktor kelonggaran = 20 %

Maka, Pdesign = (1,2) × (125,05 kPa) = 150,06 kPa

Direncanakan menggunakan bahan konstruksi plate steel SA-167, tipe 304 Dari Brownell & Young (1959) Appendix D, diperoleh data :

(31)

Tebal dinding silinder tangki : t =

t =

= 0,005m

t = 0,197in

Faktor Korosi = 0,125 in (Timmerhaus,1980) Maka tebal dinding = 0,197 in + 0,125 in = 0,322 in.

Dari tabel 5.4 Brownell & Young, 1979 dipilih tebal tangki 0,36 in.

LC.5 Screw Conveyor 2 (J-211)

Fungsi : Mengangkut sampah organik ke Fermentor. Jenis : Horizontal screw conveyor

Bahan konstruksi : Carbon steel Kondisi operasi:

Temperatur = 25oC Tekanan = 1 atm

Laju alir bahan : F = 20.000 kg/jam = 44.092,45 lb/jam

Densitas bahan (bulk density) : ρ = 300 kg/m3 = 18,73 lb/ft3 (Sudrajat, 2002) Jarak angkut : L = 10 m = 32,81 ft

Perhitungan

a. Laju alir volumetrik

Direncanakan dalam 1 jam proses cukup ditempuh 1/6 jam kerja (10 menit), maka laju alir volumetrik dalam 10 menit kerja adalah:

kerja) menit (10 /jam ft 2.354,11 lb/ft

18,73

lb/jam 44.092,45

ρ

F

Q  ₃  3

b. Data conveyor

Dipilih screw conveyor dengan diameter 20 in.

Dari Tabel 5.3 dan Tabel 5.4 Walas (1988) didapatkan harga: Kecepatan putaran maksimum (ω max) = 40 rpm

Kapasitas maksimum (Q max) = 2.485 ft3/jam

Faktor S = 510

Horse power factor (f) = 1,7

(32)

Kecepatan putaran (ω):

rpm 37,89 /jam

ft 2.485

rpm 40 /jam ft 2.354,11 max

Q max

ω

Q

ω   3 ₃  

Daya conveyor:

P = [s . ω + f . . ρ] L / 10-6

P = [510 x 37,89 + 1,7 x 2.354,11 x 18,73] 32,81 / 10-6 P = 3,09 hp

Efisiensi conveyor 80 %, maka hp

86 , 3 8 , 0

09 , 3 P 

Maka dipilih conveyor dengan daya 4 hp.

LC.6 Fermentor (R-210)

Fungsi : Tempat berlangsungnya proses fermentasi anaerobik. Bentuk : Silinder tegak dengan alas datar dan tutup ellipsoidal Bahan konstruksi : Carbon Steel SA-285 Grade A

Jumlah : 20 unit

Kondisi operasi:

Temperatur = 40 °C Tekanan = 1 atm Kebutuhan perancangan = 20 hari

Laju alir massa = 20.000 kg/jam = 480.000kg/hari

Densitas sampah = 300 kg/m3 (Sudrajat, 2002) Faktor keamanan = 20%

Desain Tangki a. Volume tangki

Laju alir volumetrik (Q) ₃ kg/m 300

kg/hari 480.000

 = 1.600 m3/hari

Volume tangki, Vt = (1 + 0,2)  1.600 m3 = 1.920 m3

(33)

dimana: Hs = tinggi shell Hh = tinggi head D = diameter tangki

Volume shell tangki (Vs): 2 πD3

4 1 Hs

πD

4 1

Vs  

Volume tutup tangki (Vh): 2 πD3 24

1 Hh

πD

6 1

Vs  

Volume tangki (V):

3

πD

24 7 920 . 1

Vh Vs V

  

Maka: D = 12,8 m; Hs = 12,8 m

Diameter tutup = Diameter tangki = 12,8 m Tinggi head (Hh): Hh = ¼ D = 3,2 m Tinggi tangki (Ht): Ht = Hs + Hh = 16 m c. Tebal tangki

Tinggi bahan dalam tangki = Tinggi tangki tangki

Volume bahan

Volume _

Tinggi bahan dalam tangki = 16 1920 1600

 = 13,3 m

Tekanan hidrostatik: P =



× g × h

= 300 kg/m3 × 9,8 m/s2 × 13,3m

= 39.102 Pa = 39,102 kPa

Joint efficiency = 0,8 (Brownell dan Young, 1959)

Allowable stress = 17.500 psia (Brownell dan Young, 1959)

(34)

in 441 , 0 m 011 , 0

kPa) (168,512 1,2

(0,8) kPa) 3 (120.657,8 2

m) (12,8 kPa)

(168,512 1,2P

2SE PD t

 

  



 

 

Faktor korosi = 0,125 in

Maka tebal shell yang dibutuhkan = 0,0,441 in + 0,125 in = 0,566 in

Tebal shell standar yang digunakan = ¾ in (Brownell dan Young, 1959) Tebal tutup tangki:

in 441 , 0 m 011 , 0

kPa) (168,512 0,2

(0,8) kPa) 3 (120.657,8 2

m) (12,8 kPa)

(168,512 0,2P

2SE PD t

 

  



 

 

Maka tebal head yang dibutuhkan = 0,441 in + 0,125 in = 0,566 in

Tebal head standar yang digunakan = ¾ in (Brownell dan Young, 1959) d. Daya pengaduk

Jenis pengaduk : flat 6 blade turbin impeller Jumlah baffle : 4 buah

Pengaduk didesain dengan standar berikut:

Da : Dt = 1 : 3 J : Dt = 1 : 12 W : Da = 1 : 5 L : Da = 1 : 4 E : Da = 1:1

dengan:

Dt = diameter tangki L = panjang blade (daun) Da = diameter impeller W = lebar blade (daun) E = tinggi impeller dari dasar tangki J = lebar baffle

(Geankoplis, 2003) Jadi :

Diameter impeller (Da) = 1/3 Dt = 1/3 x 12,8 m = 4,3 m

Tinggi pengaduk dari dasar tangki (E) = Da = 4,3 m Lebar baffle (J) = 1/12 Dt= 1/12 x 12,8 m = 1,1 m

(35)

Panjang blade (L) = 1/4 Da = 1/4 x 4,3 m = 1,075 m

Kecepatan pengadukan, N = 0,1 putaran/det

Viskositas sampah organik = μ = 0,00063 lbm/ft s = 0,0009 kg/ms

(Sudrajat, 2002) Bilangan Reynold,

 

μ ρ

D N N

2 a

Re  (Geankoplis, 2003)

    

3 , 333 . 616 0009

, 0

300 4,3 0,1 N

2

Re  

Dari grafik 3.4-5 (Geankoplis, 2003) diperoleh Np = 4: P = NP.N3.Da5.ρ

P = 4 x (0,1)3 x (4,3)5 x (300) P = 1.764,1 J/s = 1,76 kW P = 2,36 hp

Efisiensi motor, η = 80 

Daya motor = 8 , 0

36 , 2

= 2,95 hp

LC.7 Pompa 1 (L-221)

Fungsi : Memompa ampas dari Fermentor ke Filter Press. Jenis : Pompa rotary

Bahan konstruksi : Commercial steel Jumlah : 2 unit

Kondisi operasi:

Tekanan = 1 atm Temperatur = 40°C

Laju alir massa (F) = 10.250 kg/jam = 6,28 lb/s

Densitas () = 1.002,69 kg/m3 = 62,54 lb/ft3 (Geankoplis, 2003) Viskositas slurry (c) = 0,752 cP = 5,05.10-4 lb/fts (Geankoplis, 2003)

Perhitungan

(36)

Laju alir volumetrik,

3

lb/ft 62,54

lb/detik 6,28

ρ

F

Q  = 0,1 ft3/s

b. Diameter optimum

Perencanaan Diameter Pipa Pompa Untuk aliran turbulen (Nre >2100),

Di,opt = 3,9 × Q0,45 ρ0,13 (Peters, 2004)

dengan: Di,opt = diameter optimum (m) ρ = densitas (lbm/ft3) Q = laju volumetrik (ft3/s) Di,opt = 3,9 (Q)0,45 ()0,13

= 3,9 × (0,1 m3/s)0,45 × (62,54 kg/m3)0,13 = 2,37 in

c. Spesifikasi pipa

Dari buku Geankoplis App A.5, dipilih pipa commercial steel:

Ukuran nominal : 3 in

Schedule number : 40

Diameter Dalam (ID) : 3,068 in = 0,256 ft = 0,078 m Diameter Luar (OD) : 3,5 in

Luas penampang dalam (At) : 0,0513 ft2

d. Kecepatan linear

Kecepatan linear : v = A Q

= ₂

3

ft 0513 , 0

s / ft 0,1

= 1,95 ft/s

e. Bilangan Reynold NRe =



vD

=

lbm/ft.s 5,05.10

) ft 256 , 0 )( s / ft 95 , 1 )( ft / lb 54 , 62 (

4 -3

= 61.850,996 (aliran turbulen) f. Faktor fanning

Dari Gbr. 2.10-3, (Geankoplis, 2003) :

(37)

- Untuk NRe = 61.850,996 dan D

 _{= 0,0006, diperoleh f = 0,0052}

g. Instalasi pipa Friction Loss:

1 Sharp edge entrance: hc = 0,5

=0,483 ft.lbf/lbm

1 Sharp edge exit: hex = n.Kex

(38)

Pressure head,



P



= 0 ft.lbf/lb

h. Daya pompa

Dari persamaan Bernoulli:

0 W F P g

g z g

v 2

1

s c

c 2

        





(Geankoplis, 2003)

 

0 0,987ft.lbf/lbm 0

s ft.lb/lbf. 174

, 32

ft/s 174 , 32 ft 0

0 ₂

2

  



 Ws

Ws = -0,987 ft.lbf/lbm

Untuk efisiensi pompa 80 , maka: Daya pompa : P =



 

550 m Ws

P = 0,0141hp 8

, 0 550

6,28

0,987 _

 

Maka dipilih pompa dengan daya motor 1/20 hp.

LC.8 Filter Press (H-220)

Fungsi : Tempat memisahkan ampas cair dan padat untuk dijadikan pupuk. Jenis : Plate and frame filter press

Bahan konstruksi : Carbon Steel SA-285 Grade C Jumlah : 1 unit

Kondisi operasi:

Temperatur = 25 °C

Tekanan = 1 atm

Laju alir umpan = 9.600 kg/jam Laju alir filtrat = 6.000 kg/jam

Densitas filtrat = 997 kg/m3 (Sudrajat, 2002) Laju alir ampas = 3.600 kg/jam

Densitas cake = 1.430,2 kg/m3 (Sudrajat, 2002) Desain Filter Press

(39)

Volume Filtrat 1jam

Luas penyaringan efektif dihitung dengan menggunakan persamaan :



(Foust, 1979)

Dimana : L = tebal cake pada frame (m) A = luas penyaringan efektif (m2) E = poros partikel = 0,32

ρs = densitas solid (kg/m3

) ρ = densitas filtrat (kg/m3

)

Tebal cake pada frame diestimasikan = 20 cm = 0,2 m

Direncanakan setiap plate mempunyai luas 1 m2 maka luas efektif penyaringan (A):

LC.9 Tangki Penampung Ampas Cair (F-230)

(40)

Bahan konstruksi : Beton kedap air Jumlah : 1 unit

Kondisi penyimpanan :

Temperatur = 30 °C Tekanan = 1 atm Kebutuhan perancangan = 1 hari

Laju alir massa = 5.760 kg/jam = 138.240 kg/hari

Densitas ampas cair = 1.028,6 kg/m3 (Sudrajat, 2002) Faktor kelonggaran = 20 

Desain Tangki a. Volume tangki

Laju alir volumetrik (Q) ₃ kg/m 6 , 028 . 1

kg/hari 138.240

 = 134,4 m3/hari

Volume cairan = 134,4 m3/hari  1 hari = 134,4 m3 Volume bak = (1 + 0,2)  134,4 m3 = 161,28 m3 b. Ukuran tangki

Direncanakan ukuran bak:

Panjang bak (p) = 2 x Lebar bak (l), maka p = 2 l Tinggi bak (t) = ½ x Lebar bak (l), maka t = ½ l Volume bak (V) = p x l x t

161,28 = 2 l x l x ½ l Lebar bak (l) = 5,44 m Panjang bak (p) = 10,88 m Tinggi bak (t) = 2,72 m b. Tekanan Tangki

Tinggi cairan dalam tangki 2,72m 2,267m m

28 , 161

m 134,4

3 3

 



Tekanan hidrostatik: P =



× g × h

= 1.028,6 kg/m3 × 9,8 m/s2 × 2,267m = 22.852 Pa = 22,85 kPa

(41)

Faktor kelonggaran = 20%

LC.10 Blower 1 (G-311)

Fungsi : Mengalirkan gas bio dari Fermentor ke Adsorber. Jenis : Blower sentrifugal

Bahan konstruksi : Carbon Steel Jumlah : 1 unit

Kondisi operasi:

Temperatur = 30°C = 303,15 K Tekanan = 1 atm

Laju alir gas = 9.750 kg/jam

Tabel LC.1 Komposisi Umpan Masuk Blower 1

Komponen F (kg/jam)

N (kmol/jam)

% mol

(xi) BM xi . BM CH4 3.090,75 193,172 55,92 16 8,947

CO2 6.630 150,682 43,62 44 19,193

H2S 1,0725 0,032 0,01 34 0,003

H2O (g) 28,1775 1,565 0,45 18 0,081

Total 9.750 345,451 100 28,224

BM Campuran = ∑xi . Bmi = 28,224 kg/kmol

Densitas =

303,15 . 0,08206 .

1

28,224 . 1 zRT

BM . P

 = 1,135 kg/m3

Faktor keamanan = 20 Desain Blower

a. Volume gas

Laju alir volumetrik (Q) ₃

kg/m 135 , 1

kg/jam 9.750



(42)

Daya blower (P)

33000 Q × ×

144



 (Perry dan Green, 1999)

Efisiensi blower(η) = 7 %

hp 55 , 16 33000

/min ft 5.056,07 ×

,75 0 × 144 P

3

 

LC.11 Adsorber I (D-310)

Fungsi : Menyerap gas H2S yang terkandung dalam gas bio.

Bentuk : Fixed bed ellipsoidal

Bahan konstruksi : Carbon Steel SA-285 Grade C Jumlah : 1 unit

Kondisi operasi:

Temperatur = 41 °C = 314 K Tekanan = 1 atm

Laju alir H2S = 27,5 kg/hari = 0,8 kmol/hari

Laju alir gas masuk = 249.600 kg/hari

Tabel LC.2 Komposisi Umpan Masuk Adsorber I

Komponen F (kg/hari)

N (kmol/hari)

% mol

(xi) BM xi . BM CH4 79.123,2 4.945,2 55,918 16 8,95

CO2 169.728 3.857,5 43,619 44 19,19

H2S 27,5 0,8 0,009 34 0,003

H2O(g) 721,3 40,1 0,454 18 0,082

Total 249.600 8.843,6 100 28,23

Densitas gas masuk =

303 . 0,08206 .

1

28,28 . 1 zRT

BM .

P _

= 1,135 kg/m3

Desain Adsorber

a. Volume Adsorben sponge iron (Fe2O3)

Kebutuhan adsorben 20 kg H2S/100 kg sponge iron

(43)

Jumlah adsorben

Direncanakan bed untuk 12 bulan operasi, maka banyaknya katalis: Volume bed = 0,052 m3/hari  30 hari/bulan  12 bulan

Volume bed = 18,72 m3 b. Ukuran adsorber

Direncanakan perbandingan tinggi tangki dengan diameter, Hs : D = 3 : 2 Direncanakan perbandingan tinggi head dengan diameter, Hh : D = 1 : 4 dimana: Hs = tinggi shell

Hh = tinggi head D = diameter tangki

Laju alir volumetrik gas masuk (Q) ₃ kg/m cukup untuk reaksi dan menjaga agar penurunan tekanan tidak berlebihan adalah maksimum 10 ft/min (u = 4.389 m/hari)

Tinggi bed

(44)

Tinggi tangki (Ht): Ht = Hs + 2 Hh = 16,07 m c. Tebal tangki

Tekanan operasi (Po) = 1 atm = 101,325 kPa Faktor kelonggaran = 20 %

Joint efficiency = 0,8 (Brownell dan Young, 1959)

Allowable stress = 13.700 psia

= 94.457,85 kPa (Brownell dan Young, 1959) Tebal shell tangki:

in 25 , 0 m 0065 , 0

kPa) (121,59 1,2

(0,8) kPa) (94.457,85 2

m) (8,03 kPa)

(121,59 1,2P

2SE PD t

 

  



 

 

Tebal shell yang dibutuhkan = 0,25 in + 0,125 in = 0,375 in

Tebal shell standar yang digunakan = 3/8 in (Brownell dan Young, 1959)

Tebal tutup tangki:

in 25 , 0 m 0065 , 0

kPa) (121,59 0,2

(0,8) kPa) (94.457,85 2

m) (8,03 kPa)

(121,59 0,2P

2SE PD t

 

  



 

 

Tebal head yang dibutuhkan = 0,25 in + 0,125 in = 0,375 in Tebal head standar yang digunakan = 3/8 in (Brownell dan Young, 1959)

LC.12 Blower 2 (G-321)

Fungsi : Mengalirkan gas bio dari Adsorber I ke Adsorber II. Jenis : Blower sentrifugal

(45)

Kondisi operasi:

Laju alir gas = 3.088,021 kg/jam

Komponen F (kg/jam)

N (kmol/jam)

% mol

(xi) BM xi . BM CH4 3.059,843 191,24 99,19 16 15,87

H2O (g) 28,1775 1,565 0,81 18 0,15

Total 3.088,021 192,805 100 16,02

BM Campuran = ∑xi . Bmi = 1 ,02 kg/kmol

Densitas =

298,15 . 0,08206 .

1

16,02 . 1 zRT

BM .

P _

= 0,655 kg/m3

a. Volume gas

kg/m 655 , 0

kg/jam 3.088,021



= 4.714,54 m3/jam = 2.774,87 ft3/min b. Daya blower

Daya blower (P)

33000 Q × ×

144



hp 08 , 9 33000

/min ft 2.774,87 ×

,75 0 × 144 P

3

 

LC.13 Adsorber II (D-320)

Fungsi : Menyerap uap air yang terkandung dalam gas bio. Bentuk : Fixed bed ellipsoidal

(46)

Jumlah : 1 unit Kondisi operasi:

Temperatur = 40,5 °C = 313,5 K Tekanan = 1 atm

Laju alir massa air = 29,8 kg/jam = 715,2 kg/hari

Densitas air = 997,08 kg/m3 (Geankoplis, 2003) Laju alir gas masuk = 247.077,6 kg/hari

Tabel LC.4 Komposisi Umpan Masuk Adsorber II

Komponen F (kg/hari)

N (kmol/hari)

% mol

(xi) BM xi . BM

CH4 78.331,2 4.895,7 55,92 16 8,95

CO2 168.031,2 3.818,9 43,62 44 19,19

H2O(g) 715,2 39,7 0,46 18 0,08

Total 247.077,6 8.754,3 100 28,22

Densitas gas masuk =

303 . 0,08206 .

1

28,22 . 1 zRT

BM .

P _

= 1,135 kg/m3

Desain Adsorber

a. Volume Adsorben silica gel

Kemampuan penyerapan silica gel 0,4 kali massa kering (Engineertoolbox,2012).

Kebutuhan adsorben 40 kg H2O / 100 kg silica gel

Densitas adsorben = 720 kg/m3 (Engineertoolbox,2012). Porositas desain adsorber (ε) = 0,4

Jumlah adsorben

S H kg 40 kg 100 O/hari H

kg 2 , 15 7

2 2

iron sponge

 

= 1.788 kg/hari Faktor keamanan = 20%

Jumlah adsorben aktual = 1,2 1.788 = 2.145,6 kg/hari

Volume adsorben ₃

kg/m 720 ) 4 , 0 1 (

kg/hari 2.145,6

) 1 (

m

     

 

(47)

Direncanakan bed untuk 1 bulan operasi, maka banyaknya katalis: Volume bed = 4,97 m3/hari  30 hari/bulan

Volume bed = 149,1 m3

b. Ukuran adsorber

Laju alir volumetrik gas masuk (Q) ₃ kg/m 135 , 1

kg/hari 247.077,6



= 215.046,3 m3/hari

Kecepatan gas masuk yang ideal agar terjadi waktu pengontakkan yang cukup untuk reaksi dan menjaga agar penurunan tekanan tidak berlebihan adalah maksimum 10 ft/min (u = 4.389 m/hari)

Tinggi bed

hari / m 215.046,3

m/hari 4.389 m

149,1 masuk

gas Q

u V

3 3 



 bed

= 3,04 m

Luas penampang bed (A) 2

3

m 05 , 49 m 3,04

m 149,1 Tinggi

V

 



bed bed

Diameter bed (D) 7,9m 25,9ft /4

m 49,05 /4

A _ 2 _ _



 

Diameter tangki = Diameter bed = 7,9 m Tinggi shell (Hs): Hs = 3/2 D = 11,85 m

Tinggi head (Hh): Hh = ¼ D = 1,975 m Tinggi tangki (Ht): Ht = Hs + 2 Hh = 15,8 m c. Tebal tangki

Tekanan operasi (Po) = 1 atm = 101,325 kPa Faktor kelonggaran = 20 %

(48)

Allowable stress = 13.700 psia

= 94.457,85 kPa (Brownell dan Young, 1959) Tebal shell tangki:

in 236 , 0 m 006 , 0

kPa) (121,59 1,2

(0,8) kPa) (94.457,85 2

m) (7,9 kPa) (121,59 1,2P

2SE PD t

 

  



 

 

Tebal tutup tangki:

in 236 , 0 m 006 , 0

kPa) (121,59 0,2

(0,8) kPa) (94.457,85 2

m) (7,9 kPa) (121,59 0,2P

2SE PD t

 

  



 

 

Tebal head yang dibutuhkan = 0,236 in + 0,125 in = 0,361 in

Tebal head standar yang digunakan = 3/8 in (Brownell dan Young, 1959)

LC.14 Blower 3 (G-331)

Fungsi : Mengalirkan gas bio dari Adsorber II ke Membran Kontaktor Hollow Fiber.

Jenis : Blower sentrifugal Bahan konstruksi : Carbon Steel Jumlah : 1 unit

Kondisi operasi:

Temperatur = 40,5°C = 313,65 K Tekanan = 1 atm

(49)

Komponen F (kg/jam)

N (kmol/jam)

% mol

(xi) BM xi . BM CH4 3.260,57 257,563 56,18 16 8,989

CO2 6.994,28 200,909 43,82 44 19,281

Total 10.254,85 458,472 100 28,27

Densitas =

313,65 . 0,08206 .

1

28,27 . 1 zRT

BM .

P _

= 1,098 kg/m3

a. Volume gas

kg/m 098 , 1

kg/jam 10.254,85



Daya blower (P)

33000 Q × ×

144



hp 99 , 17 33000

/min ft 5.497,06 ×

,75 0 × 144 P

3

 

LC.15 Membran Kontaktor Hollow Fiber (D-330)

Fungsi : Memisahkan produk hasil fermentasi berupa CO2 dari

produk utama CH4.

Bentuk : hollow fiber (shell and tube membran) Jumlah : 1 unit

Perhitungan :

Laju alir masuk = 246.116,3 kg/hari

Densitas gas bio = {(ρ CH4 x XCH4) + (ρ CO2 x XCO2)}

(50)

Laju alir volumetrik =

= 115.007,6 m3/hari = 4.791.983,33 L/jam

Data spesifikasi membran hollow fiber yang sesuai adalah: - Tipe : Ultrafiltrasi

- Jenis : Hollow Fiber - Model : U-220

- Material : PP

- Dimensi : Dia. 2” x L 20” - Kapasitas : 150 L/jam - Jumlah filter : 42.691 unit (GDP Filter, 2011)

LC.16 Blower 4 (G-411)

Fungsi : Mengalirkan gas bio dari Membran Kontaktor Hollow Fiber ke Tangki Akumulasi.

Kondisi operasi:

BM = 16 kg/kmol Densitas =

298,15 . 0,08206 .

1

16 . 1 zRT

BM . P

 = 0,654 kg/m3

(51)

Desain Blower a. Volume gas

kg/m 654 , 0

kg/jam 96

, 227 . 3



Daya blower (P)

33000 Q × ×

144



hp 51 , 9 33000

/min ft 2.905,06 ×

,75 0 × 144 P

3

 

LC.17 Tangki Akumulasi Metana Gas (F-410) Fungsi : Menampung metana gas.

Bentuk : Silinder tegak dengan alas dan tutup ellipsoidal Bahan konstruksi : Carbon Steel SA-212 Grade A

Jumlah : 1 unit Kondisi operasi:

Temperatur = 22 °C = 295 K Tekanan = 1 atm

Kebutuhan perancangan = 1 hari

Laju alir massa = 28.566,04 kg/jam = 685.584,96 kg/hari Densitas =

295 . 0,08206 .

1

16 . 1 zRT

BM .

P _

= 0,66 kg/m3

Faktor keamanan = 20  Desain Tangki

a. Volume tangki

Laju alir volumetrik (Q) ₃ kg/m 66 , 0

kg/hari 685.584,96

 = 1.038.765,1 m3/hari

Volume gas = 1.038.765,1 m3/hari  1 hari = 1.038.765,1m3

(52)

Volume shell tangki (Vs): 2 πD3

16 5 Hs

πD

4 1

Vs  

Volume tutup tangki (Vh): 2 πD3 24

1 Hh

πD

6 1

Vs  

Volume tangki (V):

3

πD

48 19 12 1.246.518,

Vh 2 Vs V

  

Maka: D = 100 m; Hs = 125 m

Diameter tutup = Diameter tangki = 100 m Tinggi head (Hh): Hh = ¼ D = 25 m

Tinggi tangki (Ht): Ht = Hs + 2 Hh = 175 m c. Tebal tangki

P =

1 1.038.765,

295 . 0,08206 16

1 . 685.584,96

V RT BM

G t

V

nRT _ _ 

= 1 atm P = 101,325 kPa

Joint efficiency = 0,8 (Brownell dan Young, 1959) Allowable stress = 17.500 psia

(53)

Tebal shell tangki:

Tebal tutup tangki:

in

Tebal head yang dibutuhkan = 4,96 in + 0,125 in = 5,085 in

Tebal head standar yang digunakan = 51/8 in (Brownell dan Young, 1959)

LC.18 Kompresor (G-421)

Fungsi : Menaikkan tekanan gas CH4 dari 1 bar menjadi 60 bar.

Jenis : Multistage reciprocatingcompressor Jumlah : 1 unit

Kondisi operasi:

(54)

Desain Kompresor

c. Temperatur keluaran kompresor k.Ns

d. Diameter pipa ekonomis

Diameter pipa ekonomis (De) dihitung dengan persamaan :

(55)

Dipilih material pipa commercial steel 42 in Schedule XS: Diameter dalam (ID) = 41 in = 3,42 ft = 1,04 m Diameter luar (OD) = 42 in = 3,5 ft = 1,07 m

Luas penampang (A) = 10,73 ft2 (Brownell dan Young, 1959)

LC.19 Cooler (E-420)

Fungsi : Menurunkan suhu gas metana yang keluar dari kompresor dari 99,03 °C menjadi 26,85 oC.

Tipe : Shell and tube heat exchanger Jumlah : 1 unit

Fluida panas (gas metana)

Laju alir umpan masuk = 28.566,04 kg/jam = 62.977,3 lbm/jam Temperatur awal (T1) = 99,03 °C = 210,25 °F

Temperatur akhir (T2) = 26,85 °C = 80,33 °F

Fluida dingin (air pendingin)

Laju alir air masuk = 43.503,16kg/jam = 95.908 lbm/jam Temperatur awal (t1) = 25 °C = 77 °F

Temperatur akhir (t2) = 55 °C = 131 °F

Panas yang diserap (Q) = 5.452.685,7kJ/jam = 5.168.128,5 Btu/jam

1. t = beda suhu sebenarnya

Fluida Panas Fluida dingin Selisih

T1 = 210,25 F Temperatur lebih tinggi t2 = 131F t1 = 79,25F

T2 = 80,33 F Temperatur lebih rendah t1 = 77F t2 = 3,33F

(56)

94

3. Design overall coefficient (UD)

a. Dari Tabel 8,Kern (1965), cooler untuk fluida panas medium organic dan fluida dingin air diperoleh UD = 50-125

Diestimasi UD = 125 Btu/jam ft2F

Luas permukaan untuk perpindahan panas,

2

Data tube yang digunakan:

OD tube = ¾ in Pitch, PT = 1 in square pitch jumlah tube terdekat yang dipilih adalah 468 tubes dengan shell ID 29 in. b. Koreksi UD

(57)

Fluida dingin : sisi tube (air pendingin) 4. Flow area tube,

6. Bilangan Reynold Pada tc = 104 F

(58)

66

 = 632,9 Btu/jam.ft

3

.oF

10. Koreksi hi/Φt terhadap permukaan

OD

2

___________________________________________________________________ 11. Clean Overall coefficient, UC

F

sebesar 0,002 maka spesifikasi cooler dapat diterima.

Pressure Drop

Fluida dingin : sisi tube (air pendingin) 1. Untuk Ret = 18.667

f = 0,0003 (Kern, 1965) s = 1

Fluida panas : sisi shell (gas metana) 1’. Res = 1.227.843,1

(59)

2. pendingin gas metana recycle.

Laju alir umpan masuk = 28.566,04 kg/jam = 62.977,3 lbm/jam

Temperatur awal (T1) = 26,85 °C = 80,33 °F

Temperatur akhir (T2) = -19,55 °C = -3,19 °F

Fluida dingin (metana recycle)

Laju alir fluida masuk = 25.338,1 kg/jam = 55.860,9 lbm/jam Temperatur awal (t1) = -45,95 °C = -50,71 °F

(60)

Panas yang diserap (Q) = 2.440.845,3 kJ/jam = 2.313.465,9 Btu/jam

T1 = 80,33 F Temperatur lebih tinggi t2 = 71,33F t1 = 9F

a. Dari Tabel 8Kern (1965), diestimasi UD = 55 Btu/jam ft2F

(61)

Data tube yang digunakan: jumlah tube terdekat yang dipilih adalah 748 tubes dengan shell ID 35 in. b. Koreksi UD

(62)

μ

2

.oF

OD

2

11. Clean Overall coefficient, UC

(63)

0,006

sebesar 0,002 maka spesifikasi heat exchanger dapat diterima.

Pressure Drop

Fluida panas : sisi tube (gas metana) 1. Untuk Ret = 696.177,7

Fluida dingin : sisi shell,( metana recycle) 1’. Res = 1.680.022,1

Fungsi : Mengalirkan gas bio dari Heat Exchanger I ke Splitter Jenis : Blower sentrifugal

Bahan konstruksi : Carbon Steel Jumlah : 1 unit

Kondisi operasi:

(64)

Tekanan = 1 atm

BM = 16 kg/kmol Densitas =

253,15 . 0,08206 .

1

16 . 1 zRT

BM .

P _

= 0,77 kg/m3

a. Volume gas

kg/m 77 , 0

kg/jam 04 , 566 . 28



Daya blower (P)

33000 Q × ×

144



hp 46 , 71 33000

/min ft 21.835,5 ×

,75 0 × 144 P

3

 

LC.21 Heat Exchanger II (E-450)

Fungsi : Menurunkan suhu gas metana 60 bar dari -19,55oC menjadi -75,55oC dengan menggunakan media pendingin gas metana recycle.

Laju alir umpan masuk = 21.424,53 kg/jam = 47.233 lbm/jam Temperatur awal (T1) = -19,55 °C = -3,19 °F

(65)

Fluida dingin (metana recycle)

Laju alir fluida masuk = 25.338,1 kg/jam = 55.860,9 lbm/jam

Temperatur awal (t1) = -161,65 °C = -258,97 °F

Temperatur akhir (t2) = -45,95 °C = -50,71 °F

Panas yang diserap (Q) = 6.212.896,5 kJ/jam = 5.888.666,5 Btu/jam

T1 = -3,19 F Temperatur lebih tinggi t2 = -50,71F t1 = 47,52F

(66)

Data tube yang digunakan:

OD tube = 1 in Pitch, PT = 1 ¼ in square pitch jumlah tube terdekat yang dipilih adalah 380 tubes dengan shell ID 31 in. d. Koreksi UD

(Kern, 1965)

2

(67)

6. Bilangan Reynold

2

.oF

OD

2

.oF

Anggap: 1 s 

(68)

hio = 105 Btu/jam.ft2.oF ho = 132,3 Btu/jam.ft2.oF

11. Clean Overall coefficient, UC

F

sebesar 0,002 maka spesifikasi heat exchanger dapat diterima.

Pressure Drop

Fluida dingin : sisi tube (metana recycle) 1. Untuk Ret = 589.403,5

(69)

LC.23 Ekspander (G-452)

Fungsi : Mengekspansikan draw-off gas metana 60 bar dari heat exchanger II menjadi saturated metana 1 bar untuk menghasilkan kerja (Ws) untuk digunakan pada kompresor.

Jenis : Ekspander sentrifugal Jumlah : 1 unit

Kondisi operasi:

Tekanan masuk = 60 bar = 6.000 kPa = 59,22 atm Tekanan keluar = 1 bar = 100 kPa = 0,987 atm

Laju alir gas = 7.141,51 kg/jam = 171.396,24 kg/hari Faktor keamanan = 20 

Desain Ekspander

a. Temperatur Ekspander Alur 21 (TinoC, 60 bar)

Alur 26 (-161,65 oC, 1 bar)

Perhitungan Tin dilakukan dengan menggunakan persamaan neraca energi.

Dari data termodinamika saturated metana (Perry dan Green, 1999) T26 = 111,5 K = -161,65 oC

H26 = 796,90 kJ/kg = 12750,40 kJ/kmol (saturated vapor)

Energi keluar = F26 . H26

= 171.396,24 . 796,90 = 136.585.663,7 kJ/hari

Temperatur pada alur masuk diperoleh dengan menggunakan metode trial and error. Diperoleh temperatur pada alur masuk ekspander yaitu Tin =

-20 oC atau 253K. Alur 41:

T = 253K dan P = 60 bar

Dari data termodinamika superheated metana (Perry dan Green, 1999) H21 = 1009,80 kJ/kg = 16.156,80 kJ/kmol

(70)

Dari data termodinamika saturated metana (Perry dan Green, 1999) Hl = 284,73 kJ/kg Hv = 796,6 kJ/kg Hv-Hl = 511,87 kJ/kg Sl = 4,922 kJ/kg Sv = 9,526 kJ/kg Sv - Sl = 4,604 kJ/kg

S’26 = S41 = 8,883 kJ/kg

S’26 = Sl + x (Sv– Sl)

8,883 = 4,922 + x (4,604) x = 0,86

H’26 = Hl + x (Hv– Hl)

H’26 = 284,73 + 0,86 (511,87) = 724,94 kJ/kg

∆Haktual= η ∆Hisentropis

H26– H21 = 0,7 (H’26 – H26)

H26 = 79 ,1 kJ/kg ≈ 79 ,90 kJ/kg (Trial Tin diterima)

b. Daya Ekspander

Energi masuk = F21 . H21

= 171.396,24 . 1009,80 = 173.075.923,2 kJ/hari

dT dW

= F (∆H)aktual = Qout– Qin

dT dW

= 136.585.663,7 – 173.075.923,2

dT dW

= -36.217.259,5 kJ/hari (menghasilkan kerja) Ws = -419,18 kJ/s = -419,18 kW = -562,1 hp

LC.24 Blower 6 (G-445)

Fungsi : Mengalirkan metana recycle dari Flash Drum ke Heat Exchanger II.

(71)

Kondisi operasi:

Temperatur = -161,5°C = 111,65 K Tekanan = 1 atm

Laju alir gas = 18.196,57 kg/jam BM = 16 kg/kmol

Densitas =

111,65 . 0,08206 .

1

16 . 1 zRT

BM .

P _

= 1,75 kg/m3

a. Volume gas

kg/m 75 , 1

kg/jam 57 , 196 . 18



Daya blower (P)

33000 Q × ×

144



hp 03 , 20 33000

/min ft 6.120,06 ×

,75 0 × 144 P

3

 

LC.25 Blower 7 (G-432)

Fungsi : Mengalirkan metana recycle dari Heat Exchanger II ke Heat Exchanger I.

Kondisi operasi:

Temperatur = -46°C = 227,15 K Tekanan = 1 atm

(72)

Densitas =

227,15 . 0,08206 .

1

16 . 1 zRT

BM . P

 = 0,86 kg/m3

a. Volume gas

kg/m 86 , 0

kg/jam 08 , 338 . 25



Daya blower (P)

33000 Q × ×

144



hp 35 , 34 33000

/min ft 10.497,27 ×

,75 0 × 144 P

3

 

LC.26 Blower 8 (G-412)

Fungsi : Mengalirkan metana recycle dari Heat Exchanger I ke Tangki Akumulasi.

Kondisi operasi:

Laju alir gas = 25.338,08 kg/jam BM = 16 kg/kmol

Densitas =

295,15 . 0,08206 .

1

16 . 1 zRT

BM .

P _

= 0,66 kg/m3