2 Penentuan Kapasitas Volumetrik Produksi Biogas

(1)

52 hari ke-25

No. Hari ke- Perbedaan Ketinggian Manometer (cm)

1. 9 149

2. 10 149

3. 11 148

4. 12 145

5. 13 147

6. 14 144

7. 15 143

8. 16 144

9. 17 145

10. 18 147

11. 19 149

12. 20 150

13. 21 150

14. 22 150

15. 23 149

16. 24 149

(2)

53

Dibutuhkan biogas sebanyak 3 m3/jam sebagai bahan bakar generator set untuk menghasilkan listrik 0,5 kWh.

Pada penelitian ini kebutuhan daya listrik = 0,3 kW perhari untuk 1 jam operasi.

Sehingga kebutuhan biogas untuk generator set 0,3 kWh :

0,5 kWh

3 m3_/jam = _Xm0,3 kWh3_/jam

0,5 kWh x (X m3/jam) = 0,3 kWh x (3 m3/jam) X m3/jam = 0,3 kWh x (3 m3/jam)

0,5 kWh

X = 1,80 m3_/jam

Biogas yang harus diproduksi perhari (Vg) :

Vg = Kebutuhan biogas untuk generator set/jam x Waktu operasi/hari

= 1,80 m3_{/jam x 1 jam/hari}

= 1,80 m3_/hari

Volume slurry dalam digester yang disiapkan (VDs) = 1,5 m3

2 Penentuan Kapasitas Volumetrik Produksi Biogas

Penentuan kapasitas volumetrik produksi biogas dihitung berdasarkan persamaan Gunnerson and Stucky 1986 sebagai berikut :

Vs = Bo x So

HRT x [1 −

K

((HRT x µm)− 1)+ K] ...(1)

Dimana :

K = 0,8 + (0,0016 x e0,06 x So₎ _...(2)

(3)

Vs = Spesifik yield (kapasitas volumetrik biogas, m3/m3 volume slurry)

=Vg(Volume biogas,m3/m3 volume slurry)

VR (Volume slurry,m3 volume slurry)

Bo =Kapasitas biogas tertinggi, m3 biogas/kg volatile solid (VS) yang

ditambahkan

So = Konsentrasi volatile solid (VS) didalam input material, kg/m3

= 100 kg/m3(sumber : Gunnerson and Stucky, halaman 32)

HRT = Hidraulic Retention Time, hari = 10 hari

K = Koefisien kinetik (tidak berdimensi) = 1,445 dt-1untuk So = 100 kg/m3

µm = Laju pertumbuhan spesifik maksimum dari mikroorganisme perhari T = Temperatur operasi rata – rata harian, ºC

= 35 ºC Sehingga :

Vs = Bo_HRT x So x [1 −_{((HRT x µm)− 1)+ K}K ]

=0,2

m3

kgx 100 kg/m3 volume slurry

10 hari x [1 −

1,445 dt−1

((10 hari x ((0,013 x 35)−0,129))−1)+1,445 dt−1]

= 2 m3_/m3_{volume slurry x}_{[1 −}1,445

3,71]

= 2 m3_/m3_{volume slurry x [ 1- 0,39]}

= 1,22 m3_/m3_{volume slurry}

Dari harga volume spesifik biogas dan volume reaktor yang disiapkan didapat volume biogas perhari yang diproduksi :

Vg = Volume spesifik (Vs) x Volume slurry dalam digester (VDs)

= Vs x VDs

(4)

3 Perhitungan Volatile solid (VS) Untuk Kebutuhan 1,83 m3 Biogas

Dari perhitungan yang telah dilakukan dengan persamaan Gunnerson and Stucky halaman 33, diperoleh bahwa 1 kg volatile solid menghasilkan volume spesifik biogas (VS1) sebesar 1,22 m3 biogas/hari. Sehingga volatile

solid untuk 1,83 m3 biogas dapat dihitung dengan persamaan berikut ini : Vs1

VS = Vs2

VS2

VS2 = Vs2

V_s1 x VS

= 1,83 𝑚3𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠/ℎ𝑎𝑟𝑖

1,22 𝑚3_{𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠/ℎ𝑎𝑟𝑖} x 1 kg volatile solid

= 1,50 kg volatile solid

4 Perhitungan Jumlah Kotoran Sapi yang Dibutuhkan

Dari Budi Nining Widarti diketahui kotoran sapi mengandung 20,7% volatile solid (VS). Sehingga total kotoransapi (KS) adalah :

KS = 100

20,7 x VS

= 100

20,7 x 1,5 kg 𝑣𝑜𝑙𝑎𝑡𝑖𝑙𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑

= 7,25 kg

5 MenentukanKonfigurasi Digester

Fungsi : Tempat proses fermentasi slurry campuran kotoran sapi dan air oleh bakteri anaerobic

Bentuk : Silinder horizontal Bahan : Fiber glass

Digester yang digunakan adalah tedmon air dengan volume 2 m3_{. Bagian}

tutup digester diasumsi menjadi sisi datar karena bagian ellips sangat kecil. Volume slurry kotoran sapi adalah 1,5 m3 _{dari total volume digester dan}

(5)

Perhitungan konfigurasi silinder horizontal digester menggunakan teorema Pythagoras.

Dari spesifikasi tedmon didapat diameter digester, D = 1,2 m. Dari spesifikasi tedmon didapat panjang digester, P = 1,78 m.

Dan untuk harga h (tinggi slurry didalam digester) ditrial hingga didapat volume yang sama dengan volume penampung sementara biogas sesuai target desain yaitu 0,5 m3_.

Diambil harga h = 0,835 m (tinggi slurry dari permukaan kesisi bawah digester)

Tinggi tempat penampung biogas sementara dari permukaan slurry kesisi atas digester, hg :

hg = D – h

= 1,20 m – 0,835 m = 0,365 m

ruang slurry 1.5 m3 ruang penampung sementara gas 0.5 m3

r

D = 2r

L

h = 0,835 m hg

= 1,2 m ruang slurry 1.5 m3

ruang penampung sementara gas 0.5 m3

r

D = 2r

L

h = 0,835 m

Φ

E C

D B

A

B A

ks

L ks

L

= 1,2 m

P

(6)

Dari gambar dapat diketahui bahwa a = b = {(1

2 D1) – (h – 1 2 D2)}

Sehingga untuk menghitung lebar permukaan slurry kotoran sapi (Lks) dalam

digester : Lks = 2 x √{(1

2 D1)

2–_(h–1

2 D2)

2_}₍_{Sumber : Rumus Matematika}₎

= 2 x √{(1

2 x (1,20 m)

2₎–_(0,835–₍1

2x (1,20 m)

2_))}

= 1,10 m

Luas segitiga sama kaki AEB adalah :

Karena Lks = alas segitiga AEB (a), dan tinggi slurry dari permukaan kesisi

bawah digester dikurang dengan setengah diameter = tinggi segitiga (dapat dibuktikan pada gambar) maka dapat dihitung :

ruang slurry 1.5 m3

r

D = 2r

L

ruang slurry 1.5 m3

r

D = 2r

L

h = 0,835 m

Φ E C D B A B A ks L ks L

= 1,2 m ruang slurry 1.5 m3

r

D = 2r

L

h = 0,835 m E

C D B A B A ks L ks L

= 1,2 m Φ

Lks

h

1_/ 2 D1

1_/ 2 D2

a b

1_/ 2 D1

(7)

Ls = 1

2 a x t (Sumber :Rumus Matematika)

= 1

2Lks x (h - 1 2 D2)

= 1

2 1,10 m x {0,835 m – ( 1

2 x 1,20 m)}

= 1

2 1,10 m x 0,235 m

= 0,139 m2

tan (1

2φ) = √{

(1₂D2_{) – (h – (}1 2D2))

h – (1₂ D) }

(Sumber : Website For Static Equipment Calculation)

= √{(

1

2x (1,20 m)2) – (0,835 m – (12 x (1,20 m)2))

0,835 m – (1₂ x 1,20 m) }

= 2,35 (φ) = 133,88°

Luas juringellips AB, Lj :

Lj = 1

4 π D

2₍ φ

360O) (Sumber : Rumus Matematika)

= 1

4 3,14 x (1,20 m)

2_{x (}133,880

3600 )

= 0,420 m2

Luas tembereng, Lt :

Lt = Lj - Ls (Sumber : Rumus Matematika)

= 0,405 m2–_{0,139 m}2

= 0,281 m2

Volume penampung sementara biogas didalam digester, Vg :

Vg = Lt x panjang digester (L)

= 0,251 m2_{x 1,78 m}

(8)

Diagram desain silinder digester :

Data trial untuk tinggi slurry dari permukaan slurry ke sisi bawah digester dilakukan dengan melakukan perhitungan yang sama seperti perhitungan konfigurasi digester diatas dan hasilnya dapat dilihat pada tabel berikut :

h (m) hg (m) Wks (m) Ls

(m3₎

Lj

(m3₎

Lt

(m3₎

Vg

(m3₎

0,765 0,44 1,15 0,098 0,465 0,367 0,65

0,8 0,4 1,13 0,118 0,443 0,325 0,58

0,835 0,365 1,10 0,139 0,420 0,281 0,501 0,87 0,33 1,07 0,16 0,397 0,238 0,42

0,905 0,3 1,03 0,18 0,373 0,193 0,34

0,94 0,26 0,99 0,201 0,348 0,147 0,26

Dari hasil trial tinggi slurry dari permukaan slurry ke sisi bawah digester, diperoleh bahwa pada tinggi 0,835 m, volume penampung sementara gas yang tersedia sesuai dengan rencana desain yaitu 0,501 m3_.

6 Konfigurasi Mixing Tank

Fungsi : Tempat pencampuran umpan (slurry campuran kotoran sapi dan air)

Bentuk : Silinder vertical dengan tutup dan alas ellipsoidal Bahan : Polyethylene

ruang slurry 1.5 m3

r

D = 2r

L

h=0.83m =1.10m

ks

L hg =0.365m

L=1.78 m

D=1.2 m

r=0.6 m

(9)

6.1 Data Desain

Densitas campuran kotoran sapi dan air = 1354 kg/m3 Laju alir massa kotoran sapi = 7,25 kg/jam

Laju alir massa air = 14,50 kg/jam

Laju alir massa total (kotoran sapi dan air) = 21,75 kg/jam

Temperatur = 30 °C

6.2 Volume Mixing Tank

V = Laju alir massa total

Densitas campuran kotoran sapi dan air

= 21,75 kg/jam

1124 kg/m3

= 0,016 m3

6.3 Faktor Keamanan (50%)

Vt = (100% + Faktor keamanan) x Vt

= (100% + 50%) x 0,016 m3

= 150% x 0,016 m3

= 1,5 x 0,016 m3

= 0,024 m3

h

H

D

(10)

6.4 Diameter Mixing Tank

Mixing tank ini didesain dengan ukuran tinggi silinder vertikal (H) = 2D

(Sumber : Perry Chemical Engineering Handbook), dengan demikian dapat

dihitung diameter tangki sebagai berikut :

Vt = Volume silinder (Vs) + 2 x Volume head (Vh)

Dimana :

Vs = 1₄π D2 H (Sumber : Website For Static Equipment Calculation)

= 1

4 π D

2_{x 2 D}

= 1

2 π D

3

= π

2 D

3

Vh = 1

24 π D

3

(Sumber : Website For Static Equipment Calculation)

= π

24 D

3

Sehingga didapat :

Vt = Volume silinder (Vs) + 2 x Volume head (Vh)

= π

2 D

3_{+ (2 x}π

24 D

3₎

= D3 x (12 π

24 + π 24+

π 24)

= 14 π

24 D

3

= 7 π

12 D

3

Maka dapat dihitung diameter mixing tank : Vt = 7 π

12 D

3

D = [12 Vt

7 π ]

1 3

= [12 x 0,024 m3

7 x 3,14 ]

1 3

(11)

6.5 Tinggi Silinder (H)

H = 2 D (Sumber : Perry Chemical Engineering Handbook)

= 2 x 0,33 m = 0,66 m

6.6 Tinggi Elipsoidal (h)

Mixing tank ini didesain dengan tutup dan alas elipsoidal dengan ukuran tinggi elipsoidal (h) = 0,25 D (Sumber : Perry Chemical Engineering Handbook), dengan demikian dapat dihitung diameter tangki sebagai berikut :

H = 0,25 D(Sumber : Perry Chemical Engineering Handbook)

= 0,25 x 0,33 m = 0,08 m

6.7 Tinggi Mixing Tank (Ht)

Karena mixing tank terdiri atas sebuah silinder dengan tutup dan alas elipsoidal maka untuk menghitung tinggi tangki yaitu :

Ht = H + 2 x h

= 0,66 m + 0,08 m = 0,74 m

7 Konfigurasi Over Flow Tank

Volume bahan baku (campuran kotoran sapi dan air) yang masuk akan sama dengan volume sludge yang dikeluarkan setiap hari. Kaena itu volume over flow tank sama dengan volume mixing tank. Sehingga perhitungan desain

(12)

Diagram ukuran over flow tank:

8 Kapasitas Listrik yang Dihasilkan

Dari data desain, untuk beban listrik 0,3 kW, Maka diperlukan volume biogas sebesar 1,83 m3_{. Sehingga dapat dihitung sebagai berikut :}

1,83 m3_{= 0,3 kW}

1,716 m3_{= x kW}

1,83 m3

1,716 m3 =

0,3 kW x

1,83 x = 0,514 kW x = 0,514 kW

1,83

(13)

64

LAMPIRAN III DOKUMENTASI

Pengaturan Peletakan Digester Pengecekan Kebocoran Digester

(14)

Pengambilan Kotoran Sapi di Peternakan Pengadukan Kotoran Sapi : Air

Pemasukan Slurry Ke Dalam Digester (Start Up) Bakteri GP7

(15)

Pembuatan Slurry Setelah Steady State Pengisian Slurry Setelah Steady State

(16)