Dwi Yuli Mulyani
1*, Ahmad Erlan Afiuddin
1, dan Agus Khumaidi
21Program Studi Teknik Pengolahan Limbah, Jurusan Teknik Permesinan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, Surabaya, 60111
2Program Studi Teknik Otomasi, Jurusan Teknik Kelistrikan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, Surabaya, 60111
*E-mail : [email protected]
Abstrak
PT Multi Bintang Indonesia memiliki unit Methane Up-Flow Reactor (MUR) atau yang biasa dikenal Up- Flow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) pada proses pengolahan limbah cair industri. Biogas yang dihasilkan dari unit MUR cukup tinggi sehingga perlu dilakukan pemanfaatan sebagai rewable energy dengan cara memurnikan biogas dari gas pengotor. Komposisi gas pengotor yang dihasilkan unit MUR antara lain CO2
dan N2. Tujuan pada penelitian mampu menghitung dimensi dari reaktor pemurnian biogas berdasarkan debit dari biogas yang dihasilkan pada unit methane up flow reactor setiap harinya. Melihat konsentrasi biogas pada reaktor pemurnian biogas menggunakan sensor pemurnian biogas. Pada penelitian ini didapatkan desain reaktor pemurnian biogas dengan skala laboratorium dengan kapasitas 19,2 liter dengan diameter digester 25 cm dan tinggi 40 cm yang berbahan dasar fyberglass. Kolom adsorbsi dari biogas dengan media karbon aktif berukuran 5 inch dengan tinggi 60 cm. Bahan yang digunakan sebagai kolom adsorbsi menggunakan pipa PVC AW dikarenakan mampu menahan tekanan sampai 10 bar. Penelitian ini menggunakan tekanan 1 atm dengan laju alir 0,02 L/s. Dengan persentase kesalahan CO2,CH44. Dan N2 sebesar 0,2%, 1,8% dan 4,46%.
Keywords : Adsorbsi Karbon Aktif Biogas, Direct Reading, Pemurnian Biogas, Renewable energy, Sensor Pemurnian Biogas
1. PENDAHULUAN
Biogas pada PT. MULTI BINTANG INDONESIA tbk dihasilkan dari unit MUR ( Methane Upflow Reactor ) / Up-Flow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) yang berfungsi untuk pengolahan anaerobic yang mendegradasi bahan organik menjadi biogas. Hasil biogas dari proses anaerobic tersebut langsung dibakar menggunakan flarestack. Padahal jika dimanfaatkan biogas bisa digunakan sebagai energi terbarukan oleh perusahaan.
Namun sebelum digunakan dan dimanfaatkan maka perlu dilakukan pemurnian gas CO2 dan N2 terlebih dahulu. Beberapa teknologi pemurnian biogas telah dikembangkan dengan berbagai macam metode, di antaranya water scrubbing, chemical absorption, membrane purification, dan adsorption technology.
Penelitian ini menggunkan metode adsorbsi, Adsorpsi merupakan fenomena fisik yang terjadi saat molekul- molekul gas atau cair dikontakkan dengan suatu permukaan padatan dan sebagian dari molekul-molekul itu mengembun pada permukaan padatan tersebut Substansi yang terserap pada permukaan didefinisikan sebagai adsorbat dan material tempat adsorbat terakumulasi didefinisikan sebagai adsorben. Adsorben yang digunakan untuk proses adsorbsi pada penelitian menggunakan karbon aktif karena mudah didapatkan dipasaran dan ekonomis. Pembacaan hasil dari reaktor pemurnian biogas dilakukan secara direct reading dengan menggunakan sensor biogas.
Beberapa penelitian tentang penggunaan karbon aktif pada pemurnian biogas telah dilakukan. (Alwathan dkk, 2018) melakukan pemurnian biogas dengan metode adsorpsi menggunakan karbon aktif untuk mengurangi kadar H2S dari biogas limbah cair rumah sakit. (Iriani dkk, 2016) menggunakan variasi ukuran karbon aktif dan didapatkan efektifitas dari karbon aktif mencapai 90,73% untuk kandungan metana.
2. METODE
a. Pembatan reaktor pemurnian biogas
Sebelum melakukan analisa, dilakukan pembuatan reaktor pemurnian biogas. Media yang digunakan yaitu media karbon aktif lalu membuat. Pertama kita perlu mendesain digester sebagai tempat penampungan dari biogas yang terbuat dari bahan fiberglass. Selanjutnya membuat kolom adsorbsi yang mengikuti prosedur pembuatan reaktor pemurnian biogas mengacu buku air pollution control equipment (theodore, 2008). Kolom adsorbsi dengan bahan pipa PVC type AW dengan alasan pipa type tersebut
Desain Reaktor Pemurnian Biogas dari Unit Methane Up-Flow Reactor
Menggunakan Metode Adsorbsi dengan Media Activated Carbon
mampu menahan sampai tekanan 10 bar. Pada kolom adsorbsi juga menggunakan rasio diameter dan tinggi Z/D 3-4.
b. Perangkaian sensor pemurnian biogas
Gas yang akan dianalisis pada penelitian ini adalah gas metana (CH4), Karbondioksida (CO2), dan Nitogen (N2). Pembacaan dilakukan secara langsung dengan menggunakan metode direct reading. Sensor kemudian deprogram menggunakan Arduino ino dan hasil pembacaa dari sensor akan ditampilkan pada LCD display. Persentase nilai error yang digunakan yaitu root-mean-square deviation (RMSD) or root-mean-square error (RMSE) dengan batas maksimal yang di izinkan sebesar 5%.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Perhitungan reaktor pemurnian biogas
Proses pemurnian biogas menggunakan peralatan digester dan kolom adsorpsi dimana dimensi/spesifikasi dan proses penggunaan peralatan diperoleh setelah dilakukan perhitungan dengan basis laju alir dan jenis gas yang akan diserap. Perhitungan desain reaktor pemurnian biogas ini mengacu pada tabel 2.1 dan reaktor yang digunakan beskala laboratorium. Beberapa peralatan yang digunakan untuk pembuatan reaktor ini antara lain:
Tabel 1. Data yang Dibutuhkan dalam Perhitungan Reaktor Adsorbsi
Nilai Satuan
volumetric flow rate
(qs) 0,02 L/s 0,0423 scfm
standart condition
(pa) 1 atm 14,7 Psia
(ts) 60 F 519,67 k
operating
temperature(ta) 86 F 545,67 K
operating pressure
(ps) 1 bar 14,5038 psia
adsorbent activated carbon
aparent density ρb 36,21 lb/ft 36,21 lb/ft3
work ing capacity 800 mg/g 0.0017/0.0022 lb/lbadsorbent inlet concentration
Metana 86,329 %mol 863290 ppm
Karbondiok sida 10,368 %mol 103680 ppm
Nitrogen 3,164 %mol 31640 ppm
molecular weight 19,362 998610
Diketahui Nilai Satuan Convert
1. Perhitungan digester
Perhitungan volume digester bertujuan untuk menampung biogas sebelum masuk ke proses purifikasi. Perhitungan digester menggunakan debit tertinggi dari proses methane upflow reactor. Ukuran biodigester dapat dinyatakan dengan volume biodigester (Vd). Untuk mengetahui debit dari biogas dapat dilihat grafik pada Gambar 4.1 dan dipilih debit puncaknya pada maret. Perhitungan biodigester adalah sebagai berikut:
Gambar 1. Debit biogas PT. MBI
𝑉𝑑 = 𝑆𝑑 ×𝑅𝑇 (1)
𝑉𝑑 = 𝑆𝑑 × 𝑅𝑇
741.17 819.38 936.41 737.96
516.58 465.25 524.5 521.98 570.74
0 500 1000
Dec-18 Feb-19 Mar-19 May-19 Jul-19 Aug-19 Oct-19
debit (m3/day)
bulan
= 2266,11 cm3
𝑉𝑑 = Sd + 20%𝑆𝑑 (safety factor 20%)
= 2266,11 + (2266,11 x 20%)
= 2453,39 m3
Setelah mengetahui berapa total volume digester selanjutnya menentukan dimensi ukuran digester yang mampu menampung volume biogas dari unit methane up flow reactor.
Berdasarkan desain digester pembanding dengan menggunakan perbandingan tinggi digester dan diameter digester 1,3 – 1,6 menurut peraturan menteri energi dan sumber daya mineral tahun 2018 pada tabel 4 tentang desain digester dari bahan fiberglass. Pada desain digester ini menggunkan perbandingan 1,6.
r = 6,25 m t = 20 m
𝑉𝑑 = πr2 x t (2)
= 3,14 x 6,252 x 20
= 2453,125 m3 Skala 1 : 50
diameter = 0,25 m = 25 cm tinggi = 0,4 m = 40 cm
Dari perhitungan diatas didapatkan dimensi digester skala laboratorium dengan perbandingan skala 1:50. Didapatkan diameter digester 25 cm dan tinggi 40 cm. Bahan yang digunakan dalam pembuatan digester skala laboratorium ini menggunakan bahan fiberglass 2. Perhitungan reaktor pemurnian biogas
a. Perhitungan volumetric actual (qa) (3)
= 0.0423 scfm x 519,67 𝑟𝑎𝑛𝑘𝑖𝑛𝑒
545,67 𝑟𝑎𝑛𝑘𝑖𝑛𝑒 x 14.7 𝑃𝑠𝑖𝑎14.5 𝑃𝑠𝑖𝑎 = 0.0409 acfm
= 2,453 acfh
b. Perhitungan volumetric biogas (qbiogas) (4)
Qbiogas = Уbiogas x qa
= (CH4 + CO2 + N2 ) X qa
= 998,610 𝑝𝑝𝑚
1.000.000 𝑝𝑝𝑚 x 2,453 acfh = 2.553 acfh
c. Perhitungan mass flow rate biogas (5)
MW = ∑(mr x fraksi mol) MW :
Fraksi mol (X) = 0,864
CH4 = 16 x 0,864
= 13,824 Fraksi mol (X) = 0,104
CO2 = 44 x 0,104
= 4,576 Fraksi mol (X) = 0,033
N2 = 28 x 0,033
= 0,924 MW campuran = 19,324 m = mbiogas = qbiogas
𝑃 (𝑀𝑊) 𝑅𝑇
= 2,453 acfh x 14,503 𝑃𝑠𝑖𝑎 𝑥 19,324 10.73 𝑥 545,67 𝑟𝑎𝑛𝑘𝑖𝑛𝑒
= 0,117 lb/hr
d. Perhitungan massaa activated carbon (MAC) selama 52 jam (6) MAC = m x t
= 0,117𝑙𝑏
ℎ𝑟𝑋 52 ℎ𝑟 = 6.089 lb
= 2,762 kg
e. Perhitungan volume activated carbon (Vac) (7) Vac = 𝑊𝐶𝑥𝜌𝐵𝑀𝑎𝑐
= 6.089 𝑙𝑏
(0.0017 𝑙𝑏 𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑏𝑒𝑛
0.0022 𝑙𝑏 𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑏𝑎𝑡)𝑥 36.21𝑓𝑡3𝑙𝑏
= 0.221 ft3 = 0.006 m3
f. Perhitungan tinggi adsorbent (Z) (8)
Diameter kolom adsorbsi 5 inch = 0.127 m Vac = ¼ π D2 x Z
Z = Vac / ¼ π D2
= 0,006 m3 / ¼ x 3,14 x 0,1272 = 0.4867 m = 49 cm
g. Perhitungan tinggi kolom adsorbsi (t) dengan safety factor 20% (9) t = Z + 20% Z
t = 49 cm+ (49 cm x 20%) t = 58 cm
t = 60 cm
h. Penetuan rasio Z/D dari kolom adsorbsi (10)
3-4 Z/D Rasio = 𝑍
𝐷
= 49
12.7
= 3.85 (SESUAI)
Dari perhitungan diatas desain dari reaktor pemurnian biogas memiliki ukuran diameter kolom adsorbsi 12,7 cm dengan ketinggian kolom 60 cm, kolom adsorbsi menggunakan pipa PVC AW dikarenakan mampu menahan panas dan tekanan sampai 10 bar. Dimana 20% dari total kolom adsorbsi dikosongkan digunakan sebagai safety factor kolom adsorbsi. Massa karbon aktif yang digunakan pada setiap perlakuan 2,816 kg.
3.2 Validasi sensor pemurnian biogas
Penentuan besarnya akurasi pengukuran terhadap hasil analisis sebagai informasi akurasi peralatan dipergunakan metode konvensional RMSE (Root Mean Square Error). Semakin kecil nilai RMSE pembacaan sensor, maka pembacaan elektroda sensor semakin akurat. Alat dapat dikatakan baik jika nilai RMSE mendekati 0 dengn tingkat ketelitian diatas 90%. Jika nilai tersebut dapat dipenuhi oleh sensor maka sensor bisa dikatakan valid dan bisa digunakan. Dan dari nilai diatas nilai RMSE yang paling besar pada sensor nitrogen sebesar 4,46 %. Nilai tersebut masih dibawah 5 % karena toleransi error yang diperbolehkan sebesar 5%. Jadi ketiga sensor tersebut sudah memenuhi standar validasi.
Gambar 2. Reaktor pemurnian biogas
Biogas yang masuk akan ditampung ke dalam digester setelah itu di dialirkan menuju kolom adsorbsi dengan pompa compressor dan diatur laju alir dan tekanannya menggunkan flowmeter dan rotameter. Hasil adsorbsi akan dibaca meggunkan sensor biogas dan dilihat metan yang dihasilkan menggunakan uji nyala api. Api yang berwana biru menunjukkan kandungan metana yang tinggi.
4. KESIMPULAN
Dari desain yang didapatkan menggunakan kapasitas digester 19,62 L. Ukuran kolom adsorbsi diameter 12,7 cm dan tinggi 60 cm dengan ruang kosong 20% dan karbon aktif yang digunakan sebanyak 2,816 kg.
tekanan yang digunakan 1 bar dan laju alir 0,02 L/s dan Persentase kesalahan dari sensor metan sebesar 0,2%, sensor karbondioksida sebesar 1,8% dan sensor nitrogen sebesar 4,46 %.
5. UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih oleh penulis disampaikan kepada pihak-pihak terkait yang selalu memberikan dukungan dalam penelitian ini.
6. DAFTAR NOTASI
𝑉𝑑 : Volume digester (m3) P = operating pressure condition (PSia) 𝑆𝑑 : jumlah biogas yang dihasilkan (m3/day) MW = massa biogas
RT : retention time (waktu biogas dalam R = ketetapan 10.73
digester) (day) T = temperature operating (rankine)
𝑉𝑑 : Volume digester (m3) MAC = mass activated carbon (lb) r : Jari – jari digester (m) m = mass flow rate biogas (lb/jam)
t : tinggi digester (m) t = waktu (jam)
qa = volumetric actual (acfh) Vac = volume activated carbon (ft3) qs = volumetric flow rate (scfm) MAC = mass activated carbon (lb) Ta = temperature actual (rankine) WC = working capacity
Ts = temperature operating (rankine) Z = Vac/(¼ π D )
Pa = standart pressure condition (PSia) Vac = volume activated carbon (ft3) Ps = operating pressure condition (PSia) D = diameter kolom adsorbsi (m)
Qbiogas = volumetric biogas (acfh) Z = tinggi adsorbent(m)
Уbiogas = konsentrasi biogas t = tinggi kolom adsorbsi (cm)
qa = volumetric actual (acfh) Z = tinggi adsorbent (cm) mbiogas = mass flow rate biogas (lb/jam)
qbiogas = volumetric biogas (acfh) 7. DAFTAR PUSTAKA
Alwathan, Tahir, R., & Mustafa, 2018. “Pengurangan Kadar H2S dari Biogas Limbah Cair Rumah Sakit dengan Metode Adsorpsi. Kalimantan Selatan: Universitas Lambung Mangkurat.
Iriani, P., Suprianti, Y., & Kurniawan, A., 2016. Efisiensi Adsorbsi Gas Karondiosida Pada Biogas Dengan Menggunakan Variasi Ukuran Adsorben (Karbonaktif). Jumal Teknik Energi, 6(2).
Theodore, l., 2008. Air Polution Control Equipment. canada: simultaneously.
