LAMPIRAN A PERHITUNGAN NERACA MASSA

(1)

Hari Tiarasti 08 0405 047

Universitas Sumatera Utara

LAMPIRAN A

PERHITUNGAN NERACA MASSA

Basis perhitungan : 1 hari operasi

Kapasitas TBS : 60 ton/jam

Konversi TBS ke POME : 60 %(Novaviro Technology, 2010)

Maka, jumlah produksi POME = 60 % x 60 ton/jam = 36 ton/jam

=

tahun hari 300 hari jam 20 jam ton

36 x x

= 216.000 ton/tahun Jumlah kebutuhan POME =

hari 365

tahun 1 x tahun

ton 000 . 216

= 591,7808219 ton/hari = 591,7808219 m3/hari = 591.780,8219 L/hari Karakteristik POME :

COD input : 53.000 mg/L ...(Senafati, 2010). % Dekomposisi COD : 65%...(Sompong dkk., 2007)

COD input :

hari .L 8219 , 780 . 591 L mg

53.000 x

: 31.364,3836 kg/hari COD output : COD input – 0,65 x COD input

: 31.364,3836 kg/hari – 0,65 x 31.364,3836 kg/hari : 10.977,5342 kg/hari

COD terkonversi : 31.364,3836 kg/hari – 10.977,5342 kg/hari : 20.386,8493 kg/hari

Komposisi Biohidrogen, % Volume (Sompong dkk., 2007)  61 % H2

 38,9915 % CO2

(2)

Densitas masing-masing gas (Hysys) H2 = 0,0811 kg/m3

CO2 = 1,7780 kg/m3 H2S = 1,3790 kg/m3

Densitas campuran biohidrogen

ρcampuran = (%.ρ)H2 + (%.ρ)CO2 + (%.ρ) H2S

= (0,61.0,0811) + (0,389915 . 1,7780) + (0,000085. 1,3790) = 0,7429 kg/m3

A.1 Tangki Pre-treatment (M-103)

Fungsi: sebagai tempat menon-aktifkan bakteri yang memproduksi gas metana, sehingga produksi gas hidrogen yang dihasilkan lebih besar.

FC

1

3

J-106

L-104

C-105

2

3

M-103

TC

LCPKS memiliki komposisi 46,1% karbohidrat (C5H10O5)900, 11,2% protein dan 27,9% lipid (Yoshimasa, 2010). Namun pada rancangan ini perhitungan neraca massa LCPKS hanya dihitung sebagai komponen yang terbesar dalam LCPKS yaitu karbohidrat yang akan dihidrolisis menjadi glukosa dan dikonversikan menjadi biohidrogen.

NaOH yang diperlukan pada pre-treatment adalah 10% NaOH 1 M (Syafawati dkk.,2012)

Neraca massa komponen:

LCPKS : F1(C5H10O5)900 = 272.810,9589 kg/hari F1H2O = 318.969,8630 kg/hari F1 = 591.780,8219 kg/hari NaOH : F2NaOH =

1000gr kg mol

gr 40 1 hari

L 8219 , 780 . 591 %

10 x x Mx x

(3)

Universitas Sumatera Utara Neraca massa total: F3= F1 + F2

F3= 591.780,8219 kg/hari+ 2.367,1233 kg/hari F3= 594.147,9452 kg/hari

A.2 Tangki Pencampur (M-107)

Fungsi: sebagai tempat mencampur LCPKS dari Tangki Pre-Treatment dengan nutrisi.

Karakteristik LCPKS Rambutan (Yoshimasa,2010) : Fe yang terkandung dalam LCPKS = 70 mg/L

C : N : P = 350 : 5,4 : 0,4

Nutrisi yang diperlukan dalam fermentasi biohidrogen (Sompong dkk., 2007): Fe2+ = 257 mg/L

C : N = 74 C : P = 559

Neraca massa komponen: FeCl2 :

F4FeCl2= 110,6630 kg/hari

mg 1000.000

kg 1 hari

.L 8219 , 780 . 591 L mg

187 x x 

FC

FC 3

6

TC J-112

4 ₅

J-106

M-107

1000000mg kg 1 hari

L 8219 , 780 . 591 L mg

70 x x



kg/hari 4247

, 41

(4)

Universitas Sumatera Utara Na2HPO4.2H2O: F5Na2HPO4.2H2O

Neraca Massa total : F3 + F4+ F5 = F6

594.147,9452 kg/hari + 110,6630kg/hari+ 20,2626 kg/hari= F6 F6 = 594.278,8708 kg/hari

A.3 Bioreaktor hidrogen (R-201)

Fungsi : sebagai tempat berlangsungnya reaksi pembentukan hidrogen dengan menggunakan bakteri termofilik.

FC

R-201 6

7

LI

TC

J-202

8

J-112

Kesetimbangan reaksi yang terjadi di dalam reaktor fermentasi : Reaksi:

(C5H10O5)900 + H2O 750 C6H12O6 (Barnali dkk.,2008) 750C6H12O6 + 500H2O(l) + H2S(l) 2000H2(g) + 500C2H4O2(l) +

500C4H8O2(l) + 1500CO2(g) + H2S(g) (Sompong dkk., 2009)

Neraca Massa Total : F6 = F7 + F8

F7 = COD terkonversi = 20.386,8493 kg/hari F8 = F6– F7

= 594.278,8708 kg/hari - 20.386,8493 kg/hari = 573.892,0215 kg/hari

mg 1000.000

kg 1 hari

.L 8219 , 780 . 591 L mg

34,24 x x



kg/hari

20,2626

(5)

Universitas Sumatera Utara Neraca Komponen :  Alur6

F6 = 594.278,8708 kg/hari F6(C5H10O5)900 = 272.810,9589 kg/hari F6H2O = 318.969,8630 kg/hari F6 NaOH = 2.367,1233 kg/hari F6 FeCl2 = 110,6630 kg/hari F6Na2HPO4.2H2O = 20,2626 kg/hari  Alur 7

F7 = 20.386,8493 kg/hari

= 20.386,8493 kg/hari / 0,7429 kg/m3 = 27.443,3870 m3/hari

F7H2 = 0,61 x 27.443,3870 m3/hari = 16.740,4661 m3/hari = 1.357,9866 kg/hari

F7CO2 = 0,389915 x 27.443,3870 m3/hari = 10.700,5883 m3/hari

= 19.025,6459 kg/hari

F7H2S = 0,000085 x 27.443,3870 m3/hari = 2,3327 m3/hari

= 3,2168 kg/hari  Alur 8

F8 = 573.892,0215 kg/hari F8(C5H10O5)900 = 257.580 kg/hari

(6)

A.4 Reaktor Biogas (R-203)

Fungsi : sebagai tempat berlangsungnya reaksi pembentukan biogas dengan menggunakan bakteri termofilik.

8

R-203

LI

FC

BK-205

9

10

J-204

Kesetimbangan reaksi yang terjadi di dalam reaktor fermentasi : Reaksi:

(C5H10O5)900 + H2O 750 C6H12O6 (Barnali dkk.,2008) 750C6H12O6 + 500H2O(l) + H2S(l) 2000H2(g) + 500C2H4O2(l) +

500C4H8O2(l) + 1500CO2(g) + H2S(g) (Sompong dkk., 2009)

F8 = 573.892,0215 kg/hari F8COD = 10.977,5342 kg/hari

% Dekomposisi COD : 84,9%...(Senafati, 2010) F9 = 0,849 x 10.977,5342 kg/hari

= 9.319,9265 kg/hari F9 CH4 = 3.367,3567 kg/hari F9 CO2 = 5.907,3314 kg/hari F9 H2O = 44,0001 kg/hari F9 H2S = 1,2383 kg/hari Neraca Massa Total :

F8 = F9 + F10

573.892,0215 kg/hari = 9.319,9265 kg/hari + F10

(7)

Universitas Sumatera Utara A.5 Biodesulfurisasi

Fungsi : untuk menyerap gas H2S yang terkandung dalam biohidrogen, gas H2S terserap sempurna.

PC

R-303

LI

TC 14

16 17

19

18 15

13 12

T-301

F-306

Diketahui dibutuhkan inokulum + medium fermentasi 4,7 L/jam untuk umpan gas 300 L/jam. Inokulum sebanyak 1 L. Sedangkan, medium terdiri dari 0,66 mol/L Na+ dan 1,34 mol/L K+ sebagai karbonat. Selanjutnya, médium mengandung (dalam g/ 1 L dari air demineralisasi) : 1 K2HPO4; 0,83 NaNO3; 6 NaCl ; 0,2 MgCl2.6H2O (Van den Bosch dkk., 2007).

Gas yang masuk = F7 = 27.443,3870 m3/hari

jam 24

1 m

1000 dm

1

3 3

3

hari x dm x

L x

= 1.143.474,458 L/jam Jadi, medium fermentasi yang dibutuhkan :

L/jam 458 1.143.474,

x L/jam

300 L/jam 7 ,

3 _

x = 14.102,8517 L/jam Diketahui :

(8)

Universitas Sumatera Utara  NaCl = 2,165 g/ cm3  MgCl2.6H2O = 1,569 g/ cm3  NaOH = 2,1 g/ cm3

 KOH = 2,044 g/ cm3 (Wikipedia,2012)

Air demineralisasi = 1000a x 10-3 Liter/jam K2HPO4= 1 gr/L x a L = ₃

g/cm 2,44

gram a

= 0,4098a cm3 = 0,4098a x 10-3 L/jam

NaNO3 = 0,83 gr/L x a L = ₃ g/cm 2,257

83 ,

0 agram

= 0,3677a cm3 = 0,3677a x 10-3 L/jam

NaCl = 6 gr/L x a L = ₃

g/cm 2,165

6agram

= 2,7714a cm3 = 2,7714a x 10-3 L/jam

MgCl2.6H2O = 0,2 gr/L x a L = ₃ g/cm 1,569

2 ,

0 agram

= 0,1275a cm3 = 0,1275a x 10-3 L/jam Medium fermentasi = air demineralisasi + K2HPO4 + NaNO3 +NaCl +MgCl2.6H2O 14.102,8517 L/jam = (1000a + 0,4098a + 0,3677a + 2,7714a + 0,1275a) x 10-3L/jam 14.102,8517L/jam = 1,0036986a L/jam

a = 14.050,8831

Air demineralisasi = 14.050,8831 L/jam x 1 kg/L = 14.050,8831 kg/jam

K2HPO4= 1 gr/L x 14.050,8831 L/jam = 14.050,8831 gr/jam = 14,0509 kg/jam NaNO3 = 0,83 gr/L x 14.050,8831 L/jam = 11.662,23297 gr/jam = 11,6622 kg/jam NaCl = 6 gr/L x 14.050,8831 L/jam = 84.305,2986 gr/jam = 84,3053 kg/jam MgCl2.6H2O = 0,2 gr/L x 14.050,8831 L/jam = 2.810,1766 gr/jam = 2,8102 kg/jam NaOH = 0,66 mol/L x14.102,8517 L/jam x 40 g/mol = 372.315,3 gr/jam

= 372,3153 kg/jam

KOH = 1,34 mol/L x 14.102,8517 L/jam x 56 g/mol = 1.058.278,0 gr/jam = 1.058,2780 kg/jam

Jadi total médium fermentasi dalam kg/jam yaitu :

Medium fermentasi = 14.050,8831 kg/jam + 14,0509 kg/jam + 11,6622 kg/jam + 84,3053 kg/jam + 2,8102 kg/jam + 372,3153 kg/jam + 1.058,2780 kg/jam

(9)

A.5.1 Absorber Desulfurisasi (T-301)

PC

14

16 15

12

T-301

 Alur 12

F12 = 20.386,8493 kg/hari F12H2 = 1.357,9866 kg/hari F12CO2 = 19.025,6459 kg/hari F12H2S = 3,2168 kg/hari  Alur 14

F14 = Medium fermentasi = 374.263,3192 kg/hari  Alur 15

F15 = 20.383,6325 kg/hari F15H2 = 1.357,9866 kg/hari F15CO2 = 19.025,6459 kg/hari  Alur 16

F16 = 374.266,5360 kg/hari F16medium = 374.263,3192 kg/hari F16H2S = 3,2168 kg/hari Neraca Massa Total : F12+ F14 = F15+ F16

(10)

A.5.2 Bioreaktor Desulfurisasi (R-303)

R-303

TC 14

16 ₁₇

19

13 LI

H2S = 3,2168 kg/hari =

g/mol 34

g/hari 8 , 3216

=94,6111 mol/hari

H2S + ½O2 S + H2O (Konversi 84%)

Awal 94,6111 mol 0,5 x 79,4733 39,7367 mol

Reaksi 0,84 x 94,6111 39,7367 mol 79,4733 mol 79,4733 mol 79,4733 mol

Sisa 15,1378 mol - 79,4733 mol 79,4733 mol So = 79,4733 mol/hari x 32 g/mol = 2.543,1456 g/hari = 2,5431 kg/hari O2 = 39,7367 mol/hari x 32 g/mol = 1.271,5744 g/hari = 1,2716 kg/hari H2O = 79,4733 mol/hari x 17 g/mol = 1.351,0461 g/hari = 1,3510 kg/hari H2S = 15,1378 mol/hari x 34 g/mol = 514,6852 g/hari = 0,5147 kg/hari

 Alur 16

F16 = 374.266,5359 kg/hari F16medium = 374.263,3192 kg/hari F16H2S = 3,2168 kg/hari  Alur 13

F13O2 = 1,2716 kg/hari  Alur 19

(11)

F19H2S = 0,5147 kg/hari  Alur 14

F14 = Medium fermentasi = 374.263,3192 kg/hari  Alur 17

F17 = 374.267,8075 kg/hari F17medium = 374.264,7497 kg/hari F17H2S = 0,5147 kg/hari F17S = 2,5431 kg/hari

Neraca Massa Total :

F16+ F13+ F19 = F14+ F17

374.266,5359 kg/hari + 1,2716 kg/hari + 374.263,3192 kg/hari = 374.263,3192 kg/hari + 374.267,8075 kg/hari

748.531,1267 kg/hari = 748.531,1267 kg/hari

A.5.3 Settler (F-306)

17 19

18

F-306

 Alur 17

F17 = 374.267,8075 kg/hari F17medium = 374.264,7497 kg/hari F17H2S = 0,5147 kg/hari F17S = 2,5431 kg/hari  Alur 19

(12)

Universitas Sumatera Utara  Alur 18

F18 = 4,4883 kg/hari F18medium = 1,9452 kg/hari F18S = 2,5431 kg/hari

Neraca Massa Total :

F17 = F18+ F19

374.267,8075 kg/hari = 4,4884 kg/hari + 374.263,3192 kg/hari 374.267,8075 kg/hari = 374.267,8075 kg/hari

A.6 Kolom Absorpsi-Stripping

Fungsi : untuk menyerap CO2 yang terkandung dalam biogas dan melepaskan CO2. Jumlah CO2 yang dikeluarkan dari sistem 99% (Twigg, 1989) dari alur 18.Larutan Benfield (K2CO3) (BM= 138 kg/kmol). K2CO3 yang digunakan adalah K2CO3 30 %, temperatur K2CO3 masuk absorber adalah 50 0C.

Reaksi pengikatan CO2 :

K2CO3 + CO2 + H2O↔ 2KHCO3 ……….. (1) Reaksi pelepasan CO2:

2KHCO3↔ CO2 + H2O + K2CO3………(2)

T-308

E-311

E-310 T-313

22 21

26 20

PC

TC

FC

J-312 23

25 J-309

JC-403

24 27

PC

(13)

Dimana semua CO2 yang terserap dilepaskan pada kolom stripper. Jumlah CO2 yang terabsorpsi 99% dari jumlah CO2 umpan, maka :

F24 = 99 % x F15CO2

= 0,99 x 19.025,6459 kg/hari = 18.835,3895 kg/hari

Maka mol CO2 yang terbentuk dari reaksi (2) : N24CO2 =

2 2 24

CO BM

CO F

=

44 5 18.835,389

= 428,0770 kmol/hari

Jumlah CO2 yang terbentuk = 428,0770 kmol/hari Jumlah KHCO3 yang bereaksi = 856,1541 kmol/hari

 Neraca Massa Total : F15 = F21 + F24

20.383,6325 = F29+ 18.835,3895 kg/hari F21 = 1.548,2431 kg/hari

 Alur 21 F21H2 = F15H2

= 1.357,9866 kg/hari

F21CO2= F21– F15 H2 = 190,2565 kg/hari  Alur 22

N22KHCO3 = 856,1541 kmol/hari F22KHCO3 = N22KHCO3 x BM KHCO3

= 856,1541 kmol/hari x 100 kg/kmol

= 85.615,41 kg/hari

F22H2O = 130.135,4182 kg/hari

 Alur 20

Jumlah K2CO3 bereaksi = 428,0770 kmol/hari

= 428,0770 kmol/hari x 138 kg/kmol

(14)

K2CO3 yang digunakan 30% berat, maka

Total umpan (F20) = 59.074,6306 kg/hari x 100/30

= 196.915,4354 kg/hari

Jumlah H2O = 70 % x 196.915,4354 kg/hari

= 137.840,8048 kg/hari

Jumlah H2O bereaksi = 428,0770 kmol/hari

= 428,0770x 18 kg/kmol

= 7.705,3866 kg/hari

Jumlah H2O tidak bereaksi = 137.840,8048 kg/hari – 7.705,3866 kg/hari

= 130.135,4182 kg/hari

F20 = 196.915,4354 kg/hari

F20K2CO3 = 59.074,6306 kg/hari F20H2O = 137.840,8048 kg/hari

 Kolom Stripper

F24 = 18.835,3895 kg/hari

F24CO2 = 18.835,3895 kg/hari F25 = F20 = 196.915,4354 kg/hari

F25K2CO3 = 59.074,6306 kg/hari F25H2O = 137.840,8048 kg/hari F23 = F22 = 215.750,8248 kg/hari F23KHCO3 = 85.615,4067 kg/hari

(15)

A.7 Pressure swing adsorbtion (T-316)

PC PC

T-316

31

32

30

Aliran gas yang diubah harus berisi paling sedikit 70% mol hidrogen sebelum dapat diproses dan untuk dibersihkan di dalam unit PSA (Mann, 1995). Kemurnian hidrogen yang dapat dihasilkan melalui unit PSA adalah sebesar 99,99% mol dan metana (inert) 0,1 % mol (Monereau, dkk., 2006).

F30H2 = 1.357,9866 kg/hari F30CO2 = 190,2565 kg/hari Maka dalam mol :

N30H2 = 678,9933 kmol/hari N30CO2 = 4,3240 kmol/hari Jumlah H2 yang dihasilkan 99,9 % mol, maka :

N30H2 = N31H2 + N32H2

= 99,9% N30H2 + N32H2 N32H2 = (100-99,9)% N30H2

(16)

LAMPIRAN B

PERHITUNGAN NERACA ENERGI

Basis perhitungan : 1 hari operasi Satuan operasi : kJ/hari Temperatur basis : 25oC

Neraca panas ini menggunakan rumus-rumus perhitungan sebagai berikut:  Perhitungan panas untuk bahan dalam fasa cair dan gas

Qi = Hi = (Van Ness, 1975)

 Perhitungan panas penguapan QV= N ΔHVL

 Perhitungan Cp beberapa padatan (J/mol.K) dengan menggunakan metode Hurst dan Harrison, dimana nilai kontribusi unsur atom.

Tabel LB.1 Nilai kontribusi Unsur Atom

Unsur Atom ΔE

C 10,89

H 7,56

O 13,42

Fe 29,08

Cl 24,69

Na 26,19

K 28,78

S 12,36

P 26,63

Sumber : Perry, 1999 Rumus Metode Hurst dan Harrison:











n

i

Ei i

pS

N

C

1



 T

298 1 T

(17)

Universitas Sumatera Utara Dimana :

Cps = Kapasitas panas padatan pada 298 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 glukosa:

Cp = 6.ΔEC + 12.ΔEH + 6.ΔEO

= 6 (10,89) + 12 (7,56) + 6(13,42) = 236,58 J/mol.K

Tabel LB.2 Kapasitas panas beberapa senyawa pada 298 K (J/mol.K)

Komponen Cp

C6H12O6 236,58

NaOH 47,17

FeCl2 78,46

Na2HPO4.2H2O 182,21

S 12,36

K2CO3 108,71

KHCO3 87,49

K2HPO4 145,43

NaNO3 85,19

NaCl 50,88

MgCl2.6H2O 243,31

KOH 49,76

Persamaan untuk menghitung kapasitas panas (Reklaitis, 1983) : 3

2

dT cT bT a

Cp     ... (1) Jika Cp adalah fungsi dari temperatur maka persamaan menjadi :

dT dT CT bT a CpdT

T

)

( 2 3

2

1

2

1

   

(18)

)

Untuk sistem yang melibatkan perubahan fasa persamaan yang digunakan adalah :



Perhitungan energi untuk sistem yang melibatkan reaksi :



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

Komponen a b c d e

CH4(g) 38,387 -0,0736639 0,000290981 -2,63849E-07 8,00679E-11 CO2(g) 19,0223 0,0796291 -7,37067E-05 3,74572E-08 -8,13304E-12

H2(g) 17,6386 0,0670055 -1,31485E-04 1,05883E-07 -2,91803E-11 H2S(g) 34,5234 -0,0176481 6,76664E-05 -5,32454E-08 1,40690E-11

O2(g) 29,8832 -0,0113842 4,33779E-05 -3,70062E-08 1,01006E-11 H2O(g) 34,0471 -0,00965064 3,29983E-05 -2,04467E-08 4,30228E-12 Sumber: Reklaitis, 1983

 Data Cp untuk fasa cair:

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

Senyawa A b C d

-1,66566.10-3 -7,23130.10-3

(19)

Tabel LB.5 Panas Reaksi Pembentukan (kkal/mol)

Komponen ΔHf

CH4(g) -17,89

CO2(g) -94,05

H2S -4,82

H2O(l) -57,8

H2 0

CH3COOH -103,93

CH3CH2CH2COOH -113,73 Sumber: Reklaitis, 1983

Perhitungan ΔHf0 (kkal/mol) dengan menggunakan metode Benson et al, dimana kontribusi gugusnya adalah:

Tabel LB.6 Tabel Kontribusi Gugus dengan Metode Benson et al

Sumber : Perry, 1999 Rumus metode Benson et al:

ΔHf o298 = 68,29 + Ni x Δhi

Dimana : ΔHf o298 = entalpi pembentukkan pada 298 K (kJ/mol) Ni = jumlah group atom i di dalam molekul

Δhi = nilai dari kontribusi gugus atom pada tabel LB.6 ΔHf o298 = 68,29 + Ni x Δhi

= 68,29 + 5(-OH-) + 1(COH) + 4. (CH) + 1. (-CH2-) = 68,29 + 5.(-208,04) + 1.(2,09) + 4.(29,89) + 1.(-20,64) = -870,9 kJ/mol

(20)

B.1 Tangki Pre-Treatment (M-103)

Fungsi: sebagai tempat menon-aktifkan bakteri yang memproduksi gas metana, sehingga produksi gas hidrogen yang dihasilkan lebih besar

2

1 2

M-103

Energi masuk = N1C6H12O6



333

298

CpdT + N1H2O



333

298

CpdT + N2NaOH



303

298

CpdT

Tabel LB.7 Perhitungan Energi yang masuk kedalam Tangki Pre-Treatment

Alur Komponen F

(kg/ hari)

N

(kmol/ hari) ∫Cp dT

N x ∫CpdT (kJ)

1

Karbohidrat 272.810,9589 2,0208 6.210.225 12.549.758,7943 Air 318.969,863 17.720,5479 2.633,7882 46.672.169,3876

2 NaOH 2.367,1233 59,1781 235,85 13.957,1508

Qin (kJ/ hari) 59.235.885,3327 panas pelarutan NaOH dalam air (wikipedia,2012) = -44,51 kkal/mol

= -186.354,468 kJ/kmol N . H = 59,1781 x -186.354,468

= -11.028.100,0815 kJ

Temperatur pada alur keluar, Tout = 80 oC = 353 K

Energi keluar = N3C6H12O6



353

298

CpdT + N3H2O



353

298

CpdT + N3NaOH



353

298

CpdT 60oC

80oC 30oC

LCPKS LCPKS

(21)

Tabel LB.8 Perhitungan Energi yang Keluar dari Tangki Pre-Treatment

Alur Komponen F

(kg/ hari)

N

N x ∫CpdT (kJ)

3

Glukosa 272.810,9589 2,0208 9.758.925 19.721.049,5339 Air 318.969,863 17.720,5479 4.149,0186 73.522.883,2860 NaOH 2.367,1233 59,1781 2.594,3500 153.528,6583

Qout (kJ/ hari) 93.397.461,4782

in out

pelaru Q Q

H N dt dQ

  

 . tan

= -11.028.100,0815+ 93.397.461,4782 – 59.235.885,3327 = 23.133.476,0640 kJ

= 23,13 x 106 kJ

Steam yang digunakan adalah saturated pada suhu (150 oC), tekanan 1 atm dan keluar sebagai liquid pada suhu 150oC, tekanan 1 atm. Dari steam tabel (Smith, 2001) diperoleh :

Saturated steam pada 1 atm, 1500C, Hv(1500C) = 2745,4 kJ/kg Saturated liquid pada 1 atm, 1500C, Hl(1500C) = 632,1 kJ/kg q = [Hv(150oC) – Hl(150oC)]

q = [2745,4 –632,1] q = 2.113,3 kJ/kg

Jumlah steam yang diperlukan :

m = q

dT dQ

kg/hari 4

10.946,612 kJ/kg 3 , 113 . 2

kJ/hari 10

x 23,13 m

6

(22)

B.2 Tangki Pencampur ( M-107 )

Fungsi : sebagai tempat mencampur LCPKS dari Tangki Pre-Treatment dengan nutrisi.

M-107

5 4

3 6

Panas masuk alur 3 sama dengan panas keluar tangki Pre-treatment yaitu 132.571.099,5811 kJ/hari.

Energi masuk alur = N3C6H12O6



353

298

CpdT + N3H2O



353

298

CpdT + N3NaOH



353

298

CpdT

+ N4FeCl2



303

298

CpdT + N5Na2HPO4.2H2O



303

298

CpdT

Tabel LB.9 Perhitungan Energi yang Masuk ke dalam Tangki Pencampur

(M-107)

Alur Komponen F

(kg/ hari)

N

N x ∫CpdT (kJ)

3

Karbohidrat 272.810,9589 2,0208 9.758.925 19.721.049,5339 Air 318.969,863 17.720,5479 4.149,0186 73.522.883,2860 NaOH 2.367,1233 59,1781 2.594,3500 153.528,6583

4 FeCl2 110,663 0,8731 392,3 342,5096

5 Na2HPO4.2H2O 20,2626 0,1139 986,65 112,3467 Qin (kJ/ hari) 93.397.916,3346 80oC

79,971oC 30oC

30oC

LCPKS NaOH

FeCl2

Na2HPO4.2H2O

LCPKS NaOH FeCl2

(23)

Dari data termodinamika Perry, 1999 :

panas pelarutan FeCl2 dalam air = +17,9 kkal/mol = 74.943,72 kJ/kmol

panas pelarutan Na2HPO4.2H2O dalam air = -0,82 kkal/mol = -3.400,376 kJ/kmol N . H = (0,8731x 74.943,72) + (0,1139 x -3.400,376)

= 65.044,73811kJ

Untuk mengetahui suhu keluaran dari M-166, maka dilakukan trial error, sehingga didapatkan suhu 79,948oC,

Tabel LB.10 Perhitungan Temperatur Keluar dari Tangki Pencampur (M-122)

Alur Komponen F

(kg/ hari)

N

N x ∫CpdT (kJ)

6

Karbohidrat 272.810,9589 2,0208 9.751.691,636 19.706.432,19 Air 318.969,863 _17.720,5479 4.145,9229 73.468.024,83 NaOH 2.367,1233 _59,1781 2.592,4271 153.414,8621

FeCl2 110,663 _0,8731 4.312,1015 3.764,8133

Na2HPO4.2H2O 20,2626 _0,1139 10.845,1056 1.234,8976 Qout (kJ/ hari) 93.332.871,5964

B.3 Bioreaktor Hidrogen ( R-201 )

Fungsi : sebagai tempat berlangsungnya reaksi pembentukan hidrogen dengan menggunakan bakteri termofilik.

R-201

7

TC LI

6 8

LCPKS NaOH FeCl2

Na2HPO4.2H2O 79,971oC

30oC

60oC LCPKS NaOH FeCl2

Na2HPO4.2H2O H2

(24)

Universitas Sumatera Utara Temperatur basis = 25oC

Reaksi (Dawei Liu, 2008):

(C5H10O5)900 + H2O 750 C6H12O6 (Barnali dkk.,2008) ( Hr1)

750C6H12O6 + 500H2O(l) + H2S(l) 2000H2(g) + 500C2H4O2(l) + 500C4H8O2(l) + 1500CO2(g) + H2S(g) (Sompong dkk., 2009) ( Hr2)

H2S yang terbentuk dari hasil pembusukan oleh mikroorganisme pada fasa cair terionisasi menjadi fasa gas (speece, R.E., 1996)

Hl H2S = 568 kal/ mol

Hv H2S = 4.463 kal/ mol (Perry)

Hr1 =750. Hfo C6H12O6(s) - ( Hfo C5H10O5(s) + Hfo H2O(l) ) = (750 x -208,15) – (-158,4273-208,15)

= -155.745,9227 kkal/mol = -651.640.940,6 kJ/kmol r1 =

t karbohidra BM

sisa t karbohidra F

-awal t karbohidra F

=

135000

580 . 257 89

272.810,95 

= 0,113 kmol/hari

Hr2 = [ 2000. Hfo H2(g) + 500. Hfo C2H4O2(l) + 500. Hfo C4H8O2(l) +1500. HfoCO2(g)] – [750. Hfo C6H12O6(s) +500. Hfo H2O(l)] + [Hv H2S -.Hl H2S]

= [(2000x0) + (500x -103,93) + (500x -113,73) + (1500x -94,05)] – [750x -208,15 + (500x -57,8)] + [4,463 – 0,568]

= -64.888,605 kkal/mol = -271.493.923,3 kJ/kmol r =

glukosa BM

sisa glukosa F

-awal glukosa F

=

180

3833 , 341 . 24 8630 , 209 .

25 

= 4,82489 kmol/hari

(25)

Panas masuk reaktor (R-201) = panas keluar tangki pencampur (M-107) = 93.332.871,5964 kJ

Entalpi biogas = N8H2



303

298

CpdT + N8CO2



303

298

CpdT + N8H2S



303

298

CpdT Tabel LB.11 Perhitungan Temperatur Keluar dari Bioreaktor (R-201)

Alur Komponen F

(kg/ hari)

N

N x ∫CpdT (kJ)

7

H2 1.357,9866 687,9933 142,6787 96.877,8654

CO2 _19.025,6459 _432,40104 _186,2256 _80.524,1229

H2S _3,2168 _0,09442 _170,00195 _16,0511

Qout (kJ/ hari) 177.418,0395



333

298

CpdT + N8H2O



333

298

CpdT + N8NaOH



333

298

CpdT +

N8FeCl2



333

298



333

298

CpdT

Tabel LB.12 Perhitungan Temperatur Keluar dari Bioreaktor (R-201)

Alur Komponen F

(kg/ hari)

N

N x ∫CpdT (kJ)

8

Glukosa 24.341,38326 135,2299 8.280,3 1.119.744,1988 Karbohidrat 247.590 1,834 6.210.225 11.849.109,3

Air 299.462,5893 16.636,8105 2.633,7882 42.356.082,1509 NaOH 2.367,1233 59,1781 1.650,95 97.700,0553

FeCl2 110,663 0,8731 2.746,1 2.397,5674

Na2HPO4.2H2O 20,2626 0,1139 6.906,55 786,4269 Qout (kJ/ hari) 55.425.819,6992

Qin Hr r Qout dT

dQ_ _ _ _

= (177.418,0395 + 55.425.819,6992) + (-1.383.593.606,3042) – 93.332.871,5964

(26)

Air pendingin yang digunakan pada suhu 30 oC dan keluar sebagai air pendingin bekas pada suhu 60 oC.

H (60 oC) = 251,1 H (30 oC) = 125,7

Jumlah air pendingin yang diperlukan :

m = H

dT dQ



kg/hari ,1097

11.334.316

kJ/kg ) 1 , 251 7 , 125 (

kJ/hari 10

x 1,4213

-m

9



 

B.4 Reaktor Biogas ( R-203)

Fungsi : sebagai tempat berlangsungnya reaksi pembentukan biogas dengan menggunakan bakteri termofilik.

R-203

9

TC LI

8 10

Temperatur basis = 25oC Reaksi :

(C5H10O5)900 + H2O 750C6H12O6 (Barnali dkk.,2008) ( Hr1) 750C6H12O6 (S)+750H2O(l)+H2S(l) 2250CH4(g)+2250CO2(g)+750H2O(g)+ H2S(g) ( Hr2)

H2S yang terbentuk dari hasil pembusukan oleh mikroorganisme pada fasa cair terionisasi menjadi fasa gas (speece, R.E., 1996)

Hl H2S = 568 kal/ mol Hv H2S = 4.463 kal/ mol

60oC 55oC

30oC CH4 CO2 H2S H2O

LCPKS NaOH FeCl2

Na2HPO4.2H2O LCPKS

NaOH FeCl2

(27)

Universitas Sumatera Utara Hl H2O = 1.436 kal/ mol

Hv H2O= 9.729 kal/ mol (Perry)

Hr1 =750. Hfo C6H12O6(s) - ( Hfo C5H10O5(s) + Hfo H2O(l) ) = (750 x -208,15) – (-158,4273-208,15)

= -155.745,9227 kkal/mol = -651.640.940,6 kJ/kmol r1 =

t karbohidra BM

sisa t karbohidra F

-awal t karbohidra F

=

000 . 135

890 . 244 580 .

257 

= 0,094 kmol/hari ΔHr = [2250.ΔH

f° CH4(g)+ 2250.ΔHf° CO2(g)] – [750.ΔHf° C6H12O6 (S)] +[Hv H2S - Hl H2S] + [Hv H2O(g) - Hl H2O(l)]

= [(2250x -17,89) + (2250x -94,05)] – (750x -208,15) + (4,463 - 0,568) + (9,729 – 1,436) kkal/mol

= -95.470,312 kkal/mol = -399.447.785,4 kJ/kmol r =

glukosa BM

sisa glukosa F

-awal glukosa F

=

180

3544 , 944 . 23 3833 , 341 .

24 

= 2,20572 kmol/hari

r. Hr = (r1. Hr1) + (r2. Hr2)= (-117.295.369,3) + (-881.068.410,7) = - 998.363.780 kJ/hari

Panas masuk bioreaktor penghasil biogas (R-221) = panas keluar bioreaktor penghasil hidrogen (R-211) pada alur 8

= 55.425.819,6992 kJ

Entalpi biogas = N8CH4



303

298

CpdT + N8CO2



303

298

CpdT + N8H2O



303

298

CpdT

+ N8H2S



303

298

(28)

Alur Komponen F

(kg/ hari)

N

N x ∫CpdT (kJ)

9

CH4 3.367,3567 210,4598 180,1007 37.903,9547

CO2 5.907,3314 134,2575 186,2256 25.002,183

H2O 44,0001 2,4445 168,0356 410,7547

H2S 1,2383 0,0363 170,0020 6,1788

Qout (kJ/ hari) 63.323,0712



328

298

CpdT + N8H2O



328

298

CpdT + N8NaOH



328

298

CpdT +

N8FeCl2



328

298



328

298

CpdT

Alur Komponen F

(kg/ hari)

N

N x ∫CpdT (kJ)

10

Glukosa 23.944,3544 133,0242 7.097,4 944.125,894 Karbohidrat 244.890 1,814 5.323.050 9.656.012,7

Air 293.239,6917 16.291,094 2.256,0837 36.754.070,97

NaOH 2.367,1233 59,1781 1.415,1 83.742,9046

FeCl2 110,663 0,8731 2.353,8 2.055,0577

Na2HPO4.2H2O 20,2626 0,1139 5.919,9 674,0802 Qout (kJ/ hari) 47.440.681,6025

dQ_ _ _ _

= (63.323,0712 + 47.440.681,6025) + (-998.363.780) – 55.425.819,6992 = -1.006.285.595,0140 kJ

= -1,0063 x 109 kJ

(29)

m = sebelum diumpankan ke absorber (T-301)

E-421

11 ₁₂

Aliran 28 adalah aliran gas dan cairan keluar kompresor (JC-206). Dari perhitungan pada spesifikasi JC-207, diketahui T11 = 149,8053 oC. Entalpi gas dan cairan keluaran kompresor dapat dilihat pada tabel LB-15

))

(30)

)

Tabel LB.15 Entalpi gas dan cairan keluar Kompresor (E-206)

Komponen N (kmol) ∫Cp dT H

H2 687,9933 3.634,5357 2.500.536,2260

CO2 432,4010 4.956,2648 2.143.094,0714

H2S 0,0944 4.333,7838 409,1845

Hin (kJ) 4.644.039,4819

(31)

)

Tabel LB.16 Entalpi gas dan cairan output Cooler (E-207)

H2 687,9933 285,6884 196.551,7165

CO2 432,4010 373,5605 161.527,9399

H2S 0,0944 761,3532 71,8850

= 358.151,5414 kJ - 4.644.039,4819 kJ = -4,2859 x 106 kJ

H (60 oC) = 251,1 H (30 oC) = 125,7

(32)

Tabel LB.17 Neraca Energi pada Cooler (E-207)

Komponen Masuk Keluar

11 12

H2 2.500.536,2260 196.551,7165 CO2 2.143.094,0714 161.527,9399

H2S 409,1845 71,8850

dQ/dt -4.285.887,9405 -

Subtotal 358.151,5414 358.151,5414 Total 358.151,5414 358.151,5414

B.5 Absorber (T-301)

Fungsi : untuk menyerap gas H2S yang terdapat pada hasil fermentasi biohidrogen dengan menggunakan medium dari bioreaktor.

16

T-301

12 15

14

Energi masuk alur 14 = N14H2O



308

298

CpdT + N14K2HPO4



308

298

CpdT + N14NaNO3



308

298

CpdT + N14NaCl



308

298

CpdT +N14MgCl2.6H2O



308

298

CpdT

+N14NaOH



308

298

CpdT + N14KOH



308

298

CpdT H2

CO2 H2S 35oC H2 CO2

30oC

30oC 30oC H2O K2HPO4 NaNO3 NaCl

MgCl2.6H2O NaOH KOH

H2O K2HPO4 NaNO3 NaCl

(33)

-Hari Tiarasti 08 0405 047

Tabel LB.18 Perhitungan Energi Masuk ke dalam Absorber (T-301)

Alur Komponen F

(kg/ hari)

N

N x ∫CpdT (kJ)

14

Air 337.221,194 18.734,5108 749,9460 14.049.870,5140

K2HPO4 337,2216 1,9358 1.454,3 2.815,2777

NaNO3 279,8928 3,2931 851,9 2.805,3593

NaCl 2.023,3272 34,6223 508,8 17.615,8261

MgCl2.6H2O 67,4448 0,3317 2433,1 807,1415

NaOH 8.935,5672 223,3892 471,7 105.372,6762

KOH 25.398,672 453,5477 497,6 225.685,3426

Qin (kJ/ hari) 14.404.972,1375 Energi masuk absorber keseluruhan = Energi keluar dari cooler (E-207)+ Energi

masuk ke dalam absorber pada alur 14 = 358.151,5414 + 14.404.972,1375 = 14.763.123,6790kJ

Energi keluar pada alur 15 = N15H2



308

298

CpdT + N15CO2



308

298

CpdT Tabel LB.19 Perhitungan Energi Keluar dari Absorber (T-310)

Alur Komponen F

(kg/ hari)

N

N x ∫CpdT (kJ)

15

H2 1.375,9866 687,9933 285,6884 196.551,7165 CO2 19.025,6459 432,4010 373,5605 161.527,9399 Qout (kJ/ hari) 358.079,6564

Energi keluar pada alur 16 = N16H2O



308

298

CpdT + N16K2HPO4



308

298

CpdT + N16NaNO3



308

298

CpdT+ N16NaCl



308

298

CpdT +N16MgCl2.6H2O



308

298

CpdT

+N16NaOH



308

298

CpdT + N16KOH



308

298

CpdT + N16H2S



308

298

(34)

Tabel LB.20 Perhitungan Energi Keluar dari Absorber (T-301)

Alur Komponen F

(kg/ hari)

N

N x ∫CpdT (kJ)

16

Air 337.221,194 18.734,5108 749,946 14.049.870,5140

K2HPO4 337,2216 1,9358 1.454,3 2.815,2777

NaNO3 279,8928 3,2931 851,9 2.805,3593

NaCl 2.023,3272 34,6223 508,8 17.615,8261

MgCl2.6H2O 67,4448 0,3317 2.433,1 807,1415

NaOH 8.935,5672 223,3892 471,7 105.372,6762

KOH 25.398,672 453,5477 497,6 225.685,3426

H2S 3,2168 0,0944 761,3532 71,8850

Qin (kJ/ hari) 14.405.044,0225

Tabel LB.21 Neraca Energi pada Absorber (T-301)

Komponen Masuk Keluar

14 12 15 16

H2O 14.049.870,5140 - - 14.049.870,5140

K2HPO4 2.815,2777 - - 2.815,2777

NaNO3 2.805,3593 - - 2.805,3593

NaCl 17.615,8261 - - 17.615,8261

MgCl2.6H2O 807,1415 - - 807,1415

NaOH 105.372,6762 - - 105.372,6762

KOH 225.685,3426 - - 225.685,3426

H2 - 196.551,7165 196551,7165 -

CO2 - 161.527,9399 161527,9399 -

H2S - 71,8850 - 71,8850

Sub Total 14.404.972,1375 358.151,5414 358079,6564 14.405.044,0225

r.∆Hr - -

(35)

B.2 Bioreaktor Desulfurasi ( R-303 )

Fungsi : sebagai tempat berlangsungnya reaksi oksidasi pembentukan sulfur dari gas H2S dengan menggunakan mikroba.

R-303

TC 14

16 17

LI

19

13

Panas masuk bioreaktor desulfurisasi alur 16 (R-303) = Panas keluar absorber (T-301) alur 16 = 14.405.044,0225 kJ Reaksi yang terjadi pada reaktor desulfurisasi :

H2S(l) +

2 1

O2(g)  S(s) + H2O(l) ΔHr = [ΔH

f° H2O(l) + ΔHf° S(s)] – [ΔHf° H2S(l) + 0,5 .ΔHf° O2(g)] = [(-57,8) + (0)] – [(-4,82) + (0)] kkal/mol

= -52,98 kkal/mol = -221.668,32 kJ/kmol r =

S H BM

sisa S H F -awal S H F

2 2 2

=

07 , 34

5147 , 0 2168 ,

3 

= 0,07931 kmol/hari H2O

K2HPO4 NaNO3 NaCl

MgCl2.6H2O NaOH KOH H2S

H2O K2HPO4 NaNO3 NaCl

MgCl2.6H2O NaOH KOH 35oC

30oC 35oC

O2

35oC H2O K2HPO4 NaNO3 NaCl

MgCl2.6H2O NaOH KOH H2S S H2O K2HPO4 NaNO3 NaCl

(36)

Universitas Sumatera Utara r. Hr = -17.580,5685 kJ/hari

Dari data termodinamika Perry, 1999 :

panas pelarutan KOH dalam air = 12,91 kkal/mol = 54.051,588 kJ/kmol panas pelarutan NaCl dalam air = -1,164 kkal/mol = -4.873,4352 kJ/kmol panas pelarutan MgCl2.6H2O dalam air = 3,4 kkal/mol = 14.235,12 kJ/kmol panas pelarutan NaNO3 dalam air = -5,5 kkal/mol = -23.027,4 kJ/kmol panas pelarutan K2HPO4 dalam air = 4,7 kkal/mol = 19.677,96 kJ/kmol panas pelarutan NaOH dalam air = -44,51 kkal/mol = -186.354,468 kJ/kmol

(37)

Tabel LB.22 Perhitungan Energi Masuk ke Bioreaktor (R-303)

Alur Komponen F

(kg/ hari)

N

N x ∫CpdT (kJ)

19

H2O 337.220,8715 18.734,4134 749,946 14.049.857,0609

K2HPO4 337,2198 1,9358 1.454,3 2.815,2630

NaNO3 279,8913 3,2930 851,9 2.805,3448

NaCl 2.023,3167 34,6221 508,8 17.615,7345

MgCl2.6H2O 67,4444 0,3317 2.433,1 807,1373

NaOH 8.935,5207 223,3880 471,7 105.372,1283

KOH 25.398,5399 453,5454 497,6 225.684,1692

H2S 0,5147 0,0151 761,3532 11,5019

Qin (kJ/ hari) 14.404.968,3399

Energi keluar pada alur 17 = N17H2O



308

298

CpdT + N17K2HPO4



308

298

CpdT + N17NaNO3



308

298

CpdT+ N17NaCl



308

298

CpdT +N17MgCl2.6H2O



308

298

CpdT

+N17NaOH



308

298

CpdT + N17KOH



308

298

CpdT + N17H2S



308

298

CpdT Tabel LB.23 Perhitungan Energi Keluar ke Bioreaktor (R-303)

Alur Komponen F

(kg/ hari)

N

N x ∫CpdT (kJ)

17

H2O 337.221,6249 18.734,5903 749,946 14.049.930,1139

K2HPO4 337,2216 1,9358 1.454,3 2.815,2777

NaNO3 279,8928 3,2931 851,9 2.805,3593

NaCl 2.023,3272 34,6223 508,8 17.615,8261

MgCl2.6H2O 67,4448 0,3317 2.433,1 807,1415

NaOH 8.935,5672 223,3892 471,7 105.372,6762

KOH 25.398,672 453,5477 497,6 225.685,3426

H2S 0,5147 0,0198 761,3532 11,5255

S 2,5431 0,0793 123,6 9,8013

(38)

dQ

   

= (14.405.053,0642 + 14.404.972,1375) + (-17.580,5685 -17.316.342,3) – (14.405.044,0225 + 14.404.968,3399 + 11,7115)

= -17.333.921,7740 kJ = -1,7334 x 107 kJ

H (60 oC) = 251,1 H (30 oC) = 125,7

m =

H dT dQ



kg/hari 13

138.229,04

kJ/kg ) 1 , 251 7 , 125 (

kJ/hari 10

x 1,7334

-m

7



 

B.2 Absorber CO2 ( T-308 )

Fungsi : menyerap gas CO2 yang terdapat dalam campuran gas.

T-308

21

20

15

22

35oC H2 CO2

H2 CO2

H2O K2CO3 75oC 72,423oC

(39)

Panas masuk absorber =





Larutan benfield masuk pada suhu 75 0C, 1 atm

(40)

Absorber bersifat adiabatis, sehingga:

0 Qin -Hr Qout dt

dQ_ __ _

Qout +Hr = Qin = 31,5514 x 106 kJ Reaksi yang terjadi pada absorber :

CO2 + K2CO3 + H2O 2KHCO3 Hr = -6,43 kkal/mol (Reina, 2011) r (Jumlah K2CO3 yang bereaksi) = 428,077 kmol

rHr = -2752,5351 kJ Qout = 31,5542 x 106 kJ

Untuk mencari suhu keluar dari absorber maka dilakukan trial error, sehingga diperoleh suhu keluar 72,424 0C (345,424 K)

Tabel LB.24 Perhitungan Energi Keluar dari Absorber (T-308)

Alur Komponen F

(kg/ hari)

N

N x ∫CpdT (kJ)

21

H2 1.357,9866 678,9933 3.171,7454 2.153.593,9094 CO2 190,2565 4,3240 1.809,8511 7.825,816709 22 H2O 130.135,4182 7.229,7455 3.574,1902 25.840.485,6487

KHCO3 85.615,4067 856,1541 4.149,0937 3.552.263,426 Qout (kJ/ hari) 31.554.168,8011

Tabel LB.25 Neraca Energi pada Absorber (T-308)

Komponen

Masuk Keluar

15 20 21 22

H2 196.551,7165 - 2.153.593,9094 -

CO2 161.527,9399 - 7.825,816709 -

K2CO3 - 2.326.812,715 - -

H2O - 28.866.523,8962 - 25.840.485,6487

KHCO3 - - - 3.552.263,426

Sub Total 358.079,6564 31.193.336,61 2.161.419,7261 29.392.749,07

r.∆Hr - -2.752,53511

(41)

Universitas Sumatera Utara B.2 Heat Exchanger ( E-310 )

Fungsi : Untuk menukarkan panas antara larutan amine solution yang keluar dari stripper dengan larutan rich solution yang keluar dari absorber.

E-323

Larutan rich solution masuk pada suhu 72,423 0C, 1 atm

))

Larutan amine solution masuk pada suhu 100 0C, 1 atm

(42)

kJ

Larutan amine solution keluar pada suhu 88 0C, 1 atm

)) diperoleh suhu keluar 99,117 0C, 1 atm

(43)

Tabel LB.26 Neraca Energi pada Heat Exchanger (E-310)

Komponen

22 25 23 26

KHCO3 3.552.263,426 - 40.517.392,4314 -

H2O 25.840.485,6487 50.460.015,3450 4.022.997,965 36.429.244,1237

K2CO3 - 4.048.654,124 - 2.931.784,021

Sub total 29.392.749,07 54.508.669,47 44.540.390,3967 39.361.028,14

Total 83.901.418,54 83.901.418,54

B.2 Stripper ( T-313 )

Fungsi : untuk melepaskan CO2 dari larutan rich solution.

(44)

Universitas Sumatera Utara Alur 25, T= 112oC

)) Reaksi yang terjadi pada stripper:

2KHCO3 CO2 + K2CO3 + H2O Hr = 6,43 kkal/mol (Reina,2011) 2001) diperoleh :

(45)

Saturated liquid pada 1 atm, 1500C, Hl(1000C) = 632,1 kJ/kg q = [Hv(150oC) – Hl(150oC)]

q = [2745,4 –632,1] q = 2.113,3 kJ/kg

Jumlah steam yang diperlukan :

m = q

dT dQ

kg/hari 5.405,0865

kJ/kg 3 , 113 .. 2

kJ/hari 10

x 11,4226 m

6

 

Tabel LB.27 Neraca Energi pada Stripper (T-313)

Komponen

23 24 25

CO2 - 1.451.537,6313 -

KHCO3 4.022.997,965 - -

H2O 40.517.392,4314 - 50.460.015,3450

K2CO3 - - 4.048.654,124

Sub total 44.540.390,4 1.451.537,6313 54.508.669,47

rΔHr - 2.752,53511

Q 11.422.569,24 -

Total 55.962.959,6350 55.962.959,6350

B.2 Cooler ( E-311 )

Fungsi : mendinginkan larutan amine solution sebelum diumpankan menuju absorber kembali.

E-311

20 26

Air pendingin 75oC, 1 atm

K2CO3 H2O

88oC, 1 atm 60oC, 1 atm

(46)

Universitas Sumatera Utara Alur 26, T= 88oC

))

Larutan benfield keluar pada suhu 75 0C, 1 atm

))

(47)

Universitas Sumatera Utara m =

Tabel LB.28 Neraca Energi pada Cooler (E-311) Komponen Masuk Keluar

26 20

H2O 36.429.244,1237 28.866.523,8962 K2CO3 2.931.784,021 2.326.812,7147

Q -8.167.691,5333 -

Total _{31.193.336,6109 31.193.336,6109}

B.2 Cooler ( E-404 )

Fungsi : mendinginkan gas CO2 sebelum disimpan dalam tangki penyimpanan gas CO2.

E-404

27 ₂₈

Aliran 27 adalah aliran gas CO2 keluar kompresor (JC-403). Dari perhitungan pada spesifikasi JC-403, diketahui T27 = 213,541. Entalpi gas CO2 keluaran kompresor dapat dilihat pada tabel LB-28.

)

(48)

Tabel LB.29 Entalpi gas output Kompresor (JC-403)

CO2 428,077 7.706,5922 3.299.015,1223

gas sebelum disimpan suhunya diturunkan hingga 40 0C dengan menggunakan air pendingin, sehingga dapat dihitung Entalpi gas pada suhu 40 0C,

)

Tabel LB.30 Entalpi gas output Cooler (E-404)

CO2 428,077 561,9938 240.576,6357

Qin

= 240.576,6357 kJ - 3.299.015,1223 kJ = -3,0584 x 106 kJ

H (60 oC) = 251,1 H (30 oC) = 125,7

(49)

27 28

CO2 3.299.015,1223 240.576,6357

Q -3.058.438,4866 -

Total 240.576,6357 240.576,6357

LB.13 Cooler ( E-315 )

Fungsi : Untuk menurunkan suhu gas sebelum memasuki kolom PSA.

E-315

29 ₃₀

Aliran 29 adalah aliran gas dan cairan keluar kompresor (JC-314). Dari perhitungan pada spesifikasi JC-314, diketahui T29 = 179,8231oC. Entalpi gas dan cairan keluaran kompresor dapat dilihat pada tabel LB-31

))

(50)

Tabel LB.32 Entalpi gas dan cairan output Kompresor (JC-314)

H2 678,9933 4.522,5529 3.070.783,1391

CO2 4,324 6.234,9898 26.960,1669

Hin (kJ) 3.097.743,3060

Gas dan cairan sebelum diumpankan ke kolom PSA T-316 suhunya diturunkan hingga 60 0C dengan menggunkan air pendingin, sehingga dapat dihitung Entalpi gas dan cairan pada suhu 60 0C,

Tabel LB.33 Entalpi gas dan cairan output Cooler (E-315)

H2 678,9933 1.005,267837 682.570,1261

CO2 4,324 1.326,494884 5.735,7790

(51)

Qin -Qout dt

dQ_

= 688.305,9051 kJ - 3.097.743,3060kJ = -2,4094 x 106 kJ

H (60 oC) = 251,1 H (30 oC) = 125,7

m =

H dT dQ



kg/hari 4

19.214,014

kJ/kg ) 1 , 251 7 , 125 (

kJ/hari 10

x 2,4094

-m

6



 

29 30

H2 3.070.783,1391 682.570,1261 CO2 26.960,1669 5.735,7790

Q -2.409.437,4010 -

Total 688.305,9051 688.305,9051

LB.14 Cooler ( E-407 )

Fungsi : Mendinginkan gas H2 sebelum disimpan dalam tangki penyimpanan gas H2.

E-407

33 ₃₄

Air pendingin Kondensat

30oC, 1 atm 60oC, 1 atm

H2

73,0275oC, 30 atm

H2

(52)

Aliran 33 adalah aliran gas CO2 keluar kompresor (JC-406). Dari perhitungan pada spesifikasi JC-406, diketahui T33 = 73,0275oC. Entalpi gas CO2 keluaran kompresor dapat dilihat pada tabel LB-2

)

Tabel LB.35 Entalpi gas output Kompresor (JC-406)

H2 678,3143 1.382,8966 938.038,5232

gas sebelum disimpan suhunya diturunkan hingga 40 0C dengan menggunakan air pendingin, sehingga dapat dihitung Entalpi gas pada suhu 40 0C,

)

Tabel LB.36 Entalpi gas output Cooler (E-407)

CO2 678,3143 429,0165 291.008,0433

Qin -Qout dt

dQ_

= 291.008,0433 kJ - 938.038,5232 kJ = -6,4703 x 105 kJ

(53)

Universitas Sumatera Utara H (60 oC) = 251,1 H (30 oC) = 125,7

m = H

dT dQ



kg/hari 5.159,7327

kJ/kg ) 1 , 251 7 , 125 (

kJ/hari 10

x 6,4703

-m

5



 

33 34

H2 938.038,5232 291.008,0433

Q -647.030,4799 -

(54)

LAMPIRAN C

PERHITUNGAN SPESIFIKASI PERALATAN

LC.1 Bak Umpan LCPKS (BK-101)

Fungsi : Menampung LCPKS

Bentuk : Bak Silinder vertikal dengan alas datar Bahan konstruksi : Beton Kedap air

Jumlah : 1 unit

Kondisi operasi : P = 1 atm T = 30 0C

Waktu tinggal ( τ ) : 3 hari

Laju alir massa (F) = 591.780,8219 kg/hari Densitas () = 983,24 kg/m3

Faktor kelonggaran = 20 % (Perry dan Green,1999)

Menghitung volume tangki :

Laju alir volumetrik (Q) = ₃

kg/m 983,24

kg/hari 19

591.780,82

= 601,8681 m3/hari Volume larutan = τ x Q = 3 hari x 601,8681 m3/hari =1.805,604 m3 Volume tangki, VT = ( 1+ 0,2 ) x 1.805,604 m3

= 2.166,7253 m3 Perhitungan ukuran bangunan Ukuran bak :

Panjang bak (p) = 2 x lebar bak (l) maka p = 2l Tinggi bak (t) = ½ x lebar bak (l) maka t = ½ l Maka :

(55)

Universitas Sumatera Utara Dengan demikian,

Panjang bak (p) = 25,22 m Tinggi bak (t) = 6,306 m

Lebar bak (l) = 12,61 m Tinggi larutan dalam bak = x 6,306 m

2.166,7253 1.805,604

= 5,255 meter LC.2 Pompa (J-102)

Fungsi : Memompa LCPKS ke Bak Neutralisasi Jenis : Pompa screw pump

Bahan konstruksi : Commercial Steel

Jumlah : 1 unit

Kondisi operasi :

Tekanan = 1 atm Temperatur = 60 oC

Laju alir massa (F) = 591.780,8219 kg/hari = 15,1 lbm/sec Densitas () = 983,24 kg/m3 = 61,3815 lbm/ft3 Viskositas () = 0,4688 cP = 0,000315 lbm/ft.s

Laju alir volumetrik,   ₃ 

m m

ft / lb 61,3815

/sec lb 15,1

ρ

F

Q 0,246 ft3/sec

= 0,00697 m3/sec

Desain pompa : Asumsi aliran turbulen

Dopt = 0,363 (Q)0,45(ρ)0,13 (Peters,et.al., 2004) = 0,363 x (0,00697)0,45x (983,24)0,13

= 0,0951 m = 3,7451 in

Dari Appendiks A.5 Geankoplis (1997), dipilih pipa commercial steel :

Ukuran nominal : 4 in

Schedule number : 40

(56)

Diameter Luar (OD) : 4,5 in = 0,3749 ft Inside sectional area : 0,0884 ft2

Kecepatan linear, v = Q/A = ₂ Friction loss :

1 Sharp edge entrance= hc = 0,55

= 0,1805 ft.lbf/lbm

1 check valve = hf = n.Kf.

=0,2407 ft.lbf/lbm

(57)

Total friction loss :  F = 0,8144 ft.lbf/lbm

Dari persamaan Bernoulli :









0

2

1 2 1

1 2 2

1 2

2   

   

 F Ws

P P z z g v v





(Geankoplis,1997) dimana : v1 = v2

P1 = P2 Z = 20 ft Maka :



20



0 0,8144 . / 0

. / . 174 , 32

/ 174 , 32

0 ₂

2

  



 ft ftlbf lbm W_s

s lbf lbm ft

s ft

Ws = - 20,8144 ft.lbf/lbm

P Effisiensi pompa , = 80 %

Ws = -  x Wp - 20,8144 = -0,8 x Wp

Wp = 26,0179 ft.lbf/lbm

Daya pompa : P = m x Wp =

s lbf ft

hp / . 550

1 x ft.lbf/lbm

26,0179 lbm/s

15,1 

= 0,7143 Hp

Maka dipilih pompa dengan daya motor = 3/4 Hp

LC.3 Tangki Pre-Treatment (M-103)

Fungsi : Mencampur LCPKS dengan NaOHdan dilakukan pemanasan untuk menonaktifkan bakteri metanasi.

Bentuk : Silinder vertikal dengan alas datar dan tutup elipsoidal Bahan Konstruksi : Carbon steel SA-285 grade C

(58)

Universitas Sumatera Utara Kondisi operasi : P = 1 atm T = 80 0C

Waktu tinggal ( τ ) = 1 jam

Laju alir massa (F) = 594.147,945 kg/hari Densitas () = 216,57 kg/m3 Viskositas () = 0,357 cP

Faktor kelonggaran = 20 % (Perry dan Green,1999)

Menghitung volume tangki :

Laju alir volumetrik (Q) = ₃

kg/m 216,57

kg/hari 5

594.147,94

= 2.743,4 m3/hari Volume bahan = τ x Q =1 jam x (1 hari/24 jam) x 2.743,4 m3/hari

= 114,3084 m3

Volume tangki, VT = ( 1+ 0,2 ) x 114,3084 m3 = 137,17 m3

Perbandingan tinggi tangki dengan diameter tangki (HS : DT ) = 1:1 Volume silinder =



: 1:1



4

1 2 

T S S

T H H D

D



= 3

4 1

T

D



DT ( diameter tangki ) = 5,59 m = 220,1044 in HS ( tinggi silinder ) = 5,59 m = 220,1044 in Menghitung diameter dan tinggi tutup

Diameter tutup = diameter tangki = 5,59 m Asumsi Hh : Di = 1 : 4

Tinggi tutup = 1,4 m

Tinggi total = 5,59 + 1,4 = 6,99 m Menghitung tebal shell tangki

(Perry, 1999)

C n P SE

PR

t .

6 ,

0 

(59)

Universitas Sumatera Utara Dimana:

t = tebal shell (in)

P = tekanan desain (Psia) R = jari-jari dalam tangki (in) S = allowable stress (Psia) E = joint efficiency

n = umur alat (tahun)

C = corrosion allowance (m/tahun) Volum larutan = 114,3084 m3 Volum tangki = 137,17 m3 Tinggi larutan dalam tangki = Tekanan hidrostatik

P = ρ x g x l

= 216,5735 kg/m3 x 9,8 m/det2 x 5,8236 m = 12.360,1393 Pa = 1,7929 psia

Faktor kelonggaran = 20 % Maka, Pdesain = (1,2) (P operasi)

= 1,2 ( 14,696 + 1,7929) = 19,7867 psia

Dari Walas, 1988 diperoleh bahwa tekanan desain dari bejana yang beroperasi pada tekanan 0-10 psig adalah 40 psig atau 54,696 psia.

- Direncanakan bahan konstruksi Carbon Steel SA-285 grade C - Allowable working stress (S) : 13.700 psia (Peters et.al., 2004) - Joint efficiency (E) : 0,85

- Corossion allowance (C) : 0,125 in/tahun - Umur alat : 10 tahun

t = 1,768 in

tebal shell standar yang digunakan adalah 2 in (Brownell&Young,1959) menghitung tebal tutup tangki

Tutup atas tangki terbuat dari bahan yang sama dengan shell

m x6,99 5,8236 17

, 137

3084 ,

114 _







54,696

 

10 0,125



6 , 0 ) 85 , 0 13700 (

1044 , 220 2 1 696 , 54

x x

t 

(60)

Tebal tutup atas = 2 in (Brownell&Young,1959)

Perancangan Sistem pengaduk

Jenis : flat 6 blade turbin impeller Baffle : 4 buah

Kecepatan putaran (N) : 1 rps (Geankoplis, 2003) Efisiensi motor : 80 %

Pengaduk didesain dengan standar berikut :

Da : Dt = 0,3 J : Dt = 1 : 12 W : Da = 1 : 5

L : Da = 1 : 4 E : Da = 1:1 (Geankoplis, 2003) Jadi :

1. Diameter impeller (Da) = 0,3 x Dt = 1,68 m = 5,5 ft 2. Tinggi pengaduk dari dasar (E) = Da = 1,68 m

3. Lebar baffle ( J) = 0,47 m 4. Lebar daun baffle (W) = 0,34 m 5. Panjang daun impeller (L) = 0,42 m Daya untuk pengaduk :

Bilangan Reynold (NRe) =

357 , 0

5735 , 216 68

, 1

1 2

2 _ _

  

 

a

D N

= 1.706.975,81

NRe>10.000, sehingga daya tidak tergantung pada bilangan reynold, persamaan menjadi :

c 5 3 T

g Da N k

P    (McCabe dkk., 1999)

kT = 0,32

P = ₂

3 5

5 3 3

det . / . 147 , 32

/ 5207 , 13 5

, 5 det 1 32 , 0

lbf ft lbm

ft lbm ft 

 

= 678,9367 ft.lbf/det = 1,2344 hp Efisiensi motor, η = 80 %

Jadi daya motor = 1,543 hp Menghitung Jaket Steam,

(61)

Densitas steam = 2,5458 kg/m3 Laju alir steam (Qw) =

kg/m 2,5458

kg/hari

4 17.729,521

3 = 6.964,156 m

3 /hari Diameter dalam jaket = diameter dalam + (2 x tebal dinding)

= 220,1044 in + [2(2 in)] = 224,1044 in

Tinggi jaket = tinggi tangki = 5,5907 m Ditetapkan jarak jaket = 5 in

Diameter luar jaket (D) = 224,1044 in + (2 ×5) in = 234,1044 in = 12,0008 m Luas yang dilalui steam (A),

A =

4



(D2-d2) =

4



(234,10442– 224,10442) = 3.596,9383 in2 = 2,3206 m2 Kecepatan steam (v),

v =

A Qw

= ₂

3

m 2,3206

/hari m 6.964,156

= 3.001,0023 m/hari Tebal dinding jaket (tj),

Pdesain = 19,7867 psia

Jenis sambungan = Double welded butt joint Joint Efficiency = 0,85

Allowable Stress = 13.700 lb/in2 (Peters et.al., 2004) Korosi yang diizinkan (c) = 0,125 in/tahun

Tebal shell jaket (t), c SE   

2 D P (t) jaket

Tebal t

(Brownell dan Young, 1959) dimana : t = tebal dinding jaket (in)

P = tekanan desain (lb/in2) Dt = diameter dalam jaket (in) S = allowable working stress (lb/in2) E = efisiensi pengelasan

(62)

Universitas Sumatera Utara in

0,3239

125 , 0 85 , 0 700 . 13 2

1044 , 234 19,7867 d



 

  

Dipilih tebal jaket standar 1/2 in.

LC. 4 Gudang Penyimpanan Natrium Hidroksida (NaOH) (L-104) Fungsi : Menyimpan NaOH selama 3 hari

Bahan Konstruksi : Dinding dari beton, lantai aspal dan atap dari seng Bentuk : Prisma segi empat beraturan

Jumlah : 1 unit

Data Perhitungan:

Temperatur, T =30oC

Tekanan, P = 1 atm

Kebutuhan perancangan, t = 3 hari

Laju alir massa, F = 2.367,123 kg/hari ρ NaOH, ρ = 2.100 kg/m3

(Wikipedia, 2012) Kapasitas gudang = 2.367,123 kg/hari × 3 hari =7.101,37 kg.

NaOH dikemas dalam goni plastik dengan kapasitas 20 kg/goni. Maka goni yang dibutuhkan = 

goni kg

kg / 20

37 , 101 . 7

355,0685 goni Tinggi gudang:

Asumsi tebal 1 goni plastik = 15 cm Maksimal tumpukan goni = 20 buah Faktor kelonggaran = 30%

Tinggi gudang yang dibutuhkan = 1,3 × 15 cm × 20 = 3,9 m = 4 m. Panjang gudang:

Direncanakan susunan goni = 30 goni × 15 goni Dimana panjang 1 goni = 40 cm

Faktor kelonggaran = 30% Untuk jalan dalam gudang = 30%

(63)

Universitas Sumatera Utara Lebar gudang :

Faktor kelonggaran = 30 % Dimana lebar 1 goni 20 cm

Lebar gudang yang dibutuhkan = 1,3 × 20 cm × 15 = 390 cm = 3,9 m ≈ 4 m.

LC.5 Belt Conveyor (C-105)

Fungsi : mengangkut NaOH ke M-103 Jenis : Continuous belt conveyor Bahan : Carbon steel

Kondisi operasi : Temperatur = 300C Tekanan = 1 atm Laju bahan : 2.367,123 kg/hari Faktor kelonggaran : 12 % Kapasitas total belt conveyor:

= 1,12  Laju bahan = 1,12  2.367,123 kg/hari = 2.651,178 kg/hari = 0,1105 ton/jam

Untuk belt conveyor kapasitas < 32 ton/jam, spesifikasi :

(Tabel 21–9, Perry, dkk., 1999)

- Lebar belt conveyor = 14 in - Luas permukaan muatan = 0,11 ft2 - Lapisan belt maksimum = 5

- Kecepatan belt maksimum = 300 ft/menit Perhitungan daya yang dibutuhkan (P):

L m 0,0027

P 0,82 (Peters, dkk., 2004) Dimana: P = daya (kW)

m = laju alir massa (kg/s) L = panjang conveyor (m) m = 0,1105 ton/jam = 0,0307 kg/s

(64)

Maka P0,0027 (0,0307) 0,82(7,62) 0,001182 kW

= 0,001585 hP Digunakan daya 0,05 hP.

LC.6 Pompa (J-106)

Fungsi : Memompa campuran pre-treatment ke Tangki Pencampur

Jenis : Pompa screw pump Bahan konstruksi : Commercial Steel

Jumlah : 1 unit

Kondisi operasi :

Tekanan = 1 atm Temperatur = 80 oC

Laju alir massa (F) = 594.147,9452 kg/hari = 15,1604 lbm/sec Densitas () = 216,5735 kg/m3 = 13,5201 lbm/ft3 Viskositas () = 0,3569 cP = 0,00024 lbm/ft.s

Laju alir volumetrik,   ₃ 

m m

ft / lb 13,5201

/sec lb 15,1604

ρ

F

Q 1,1213 ft3/sec

= 0,0318 m3/sec

Desain pompa : Asumsi aliran turbulen

Dopt = 0,363 (Q)0,45(ρ)0,13 (Peters,et.al., 2004) = 0,363 x (0,0318)0,45x (216,5735)0,13

= 0,1546 m = 6,0884 in

Dari Appendiks A.5 Geankoplis (1997), dipilih pipa commercial steel :