LAMPIRAN A PERHITUNGAN NERACA MASSA PDF

Preview

Summary

LAMPIRAN A PERHITUNGAN NERACA MASSA Pada Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Compressed Natural Gas (CNG) dari Biogas Hasil Fermentasi Thermofilik Limbah Cair Kelapa Sawit dengan Kapasitas 60 ton TBS/jam untuk neraca digunakan alur maju. Basis perhitungan : 1 hari operasi Kapasitas TBS : 60 ton/jam Konve...

Description

LAMPIRAN A PERHITUNGAN NERACA MASSA

Pada Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Compressed Natural Gas (CNG) dari Biogas Hasil Fermentasi Thermofilik Limbah Cair Kelapa Sawit dengan Kapasitas 60 ton TBS/jam untuk neraca digunakan alur maju. Basis perhitungan

: 1 hari operasi

Kapasitas TBS

: 60 ton/jam

Konversi TBS ke POME

: 60 % (Novaviro Technology, 2010)

Operasi per Tahun

: 365 hari

Maka, jumlah POME

= 60 % x 60 ton/jam = 36 ton/jam = 36 m3/jam

Kapasitas POME

=

36 m 3 20 jam 300 hari × × jam 1 hari 1 tahun

= 216.000 m3/tahun

Produksi POME

=

216.000 m 3 /tahun 365 hari/ tahun

= 591,78 m3/hari = 591.780,82 L/hari = 591.780,82 kg/hari

Karakteristik POME : COD input

: 53.000 mg/L...............(Senafati&Yolanda, 2010). 53 x 10-3 kg/L

% Dekomposisi COD

: 85%..............................(Senafati&Yolanda, 2010).

COD input

=

53.000 mg/L x 591.780,82 L/hari 1.000.000 kg/mg

Universitas Sumatera Utara

= 31.364,38 kg/hari

COD output

= COD input – (0,85 x COD input) = 31.364,38 kg/hari – (0,85 x 31.364,38 kg/hari) = 4.704,65 kg/hari

COD terkonversi

= 31.364,38 kg/hari – 4.704,65 kg/hari = 26.659,73 kg/hari

CH 4 yang diproduksi kgCH 4 ........( Novaviro Technology, 2010) = 0,25 COD yang terkonversi kgCOD Maka, CH4 yang diproduksi = 0,25 x 26.659,73 kg/hari = 6.664,93 kg/hari ρCH4 (30 oC)

= 0,6 kg/m3

VCH4

=

=

m CH4

ρ CH4 6.664,93 kg/hari 0,6 kg/m 3

= 11.108,22 m3/hari

Komposisi Biogas, % Volume ( Novaviro Technology, 2010)  62,5 % CH4  37 % CO2  0,49 % H2O  0,01 % H2S

Maka jumlah biogas

=

Jumlah CH 4 yang diproduksi % CH 4 dalam biogas

=

11.108,22 m 3 / hari 0,625

= 17.773,15 m3/hari

Universitas Sumatera Utara

Dimana, jumlah keseluruhan biogas : = {( ρ CH4 x XCH4) + ( ρ CO2 x XCO2) + ( ρ H2S x XH2S) + ( ρ H2O x XH2O)} x jumlah biogas (m3/hari) ={(0,6 kg/m3 x 0,625) + (2,814 kg/m3 x 0,37) + (1,393.10-6 kg/m3 x 0,0001) + (0,723 kg/m3 x 0,0049)} x 17.773,15 m3/hari = 25.232,99 kg biogas/hari

A.1

Penentuan Komposisi Bahan Baku

A.1.1 Komposisi Senyawa Tambahan Massa NaHCO 3 =

2,5 gr kg kg × 591.780,82 :1 1 L POME hari L

= 1.479.452,05 gr/hari = 1.479,45 kg

Massa FeCl 2 =

300 × 10 −6 L 29,9 gr kg kg × × 591.780,82 :1 1 L POME 0,1 L hari L

= 53.082,74 gr/hari = 53,08 kg

A.2

Perhitungan Neraca Massa

A.2.1 Bak Neutralizer (T-101) Fungsi: sebagai tempat penampung POME dengan padatan NaHCO3.

1

2

3

T-101

Neraca massa komponen:  POME

: F1POME = 591.780,82 kg F3POME = F1POME = 591.780,82 kg

Universitas Sumatera Utara

 NaHCO3

: F2NaHCO3 = 1.479,45 kg F3NaHCO3 = F2NaHCO3 = 1.479,45 kg

Neraca massa total: F3= F3POME + F3NaHCO3 = (591.780,82 + 1.479,45) kg = 593.260,27 kg

A.2.2 Bak Pencampur Nurtisi (M-106) Fungsi: sebagai tempat mencampur POME dari Neutraliser dengan Nutrisi dan umpan recyle.

4

3

M-106

6

6

5

Neraca massa komponen: F3 = 593.260,27 kg, dimana  POME

: F3POME

 NaHCO3

: F3NaHCO3 = 1.479,45 kg

 FeCl2

: F4FeCl2

= 593.260,27 kg

= 53,08 kg

Neraca Massa total : F6

= F3 + F4 + F5

F6

= 593.260,27 kg + 53,08 kg + F5

F6

= 593.313,35 kg + F5 ……………………(a)

Universitas Sumatera Utara

A.2.3 Reaktor Tangki Berpengaduk (R-201) Fungsi : sebagai tempat berlangsungnya reaksi pembentukan biogas dengan menggunakan bakteri thermofilik.

11

Reaktor Fermentasi

6

7

Waktu tinggal dalam reaktor adalah 6 hari. Kesetimbangan reaksi yang terjadi di dalam reaktor fermentasi : Reaksi : C6H12O6 + Katalis

2CH4 + 4CO2 + H2S + 2H2O

Komposisi biogas yang dihasilkan dengan proses anaerobik yaitu CH4 62,5%; CO2 37 %; H2S 0, 01 %; H2O 0,49 %; O2 0%; dan H2 0%. Neraca Massa Total : F6 = F7+ F11 Dari Persamaan (a), maka 593.313,35 kg + F5 = F7+ F11 ……………………(b) Dari data diketahui bahwa jumlah limbah yang di recycle 25%, maka F5

= 0,25 F7 ……………………(c)

Substitusi persamaan (c) ke (b) : 593.313,35 kg + 0,25 F7 = F7+ F11 Dimana, F11 = 112.258,43 kg 593.313,35 kg + 0,25 F7

= F7+ 25.232,99 kg

593.313,35 kg – 25.232,99 kg = F7 - 0,25 F7 568.080,36 kg

= 0,75 F7

F7

= 757.440.48 kg

Dari persamaan (c), maka diperoleh : F5

= 0,25 x 757.440.48 kg = 189.360,12 kg

Universitas Sumatera Utara

Dari persamaan (a). Maka diperoleh : F6

= F7 + F11 = (757.440.48 + 25.232,99) kg = 782.673,47 kg

A.2.4 Tangki Sedimentasi (F-202) Fungsi: sebagai tempat pengendapan POME yang akan direcycle 7

8

F-202

5

Neraca Massa Total : F7

= F5+ F8

757.440.48 kg

= 189.360,12 kg + F8

F8

= 757.440.48 kg - 189.360,12 kg = 568.080,36 kg

Karakteristik keluaran POME: Digester,

VS

: 0,0325 kg/L

Discharge,

VS

: 0,0125 kg/L

VS Pome

: 0,0426 kg/L

(Senafati&Yolanda, 2010)

QPOME

=

=

F1 POME

ρ

POME

591.780,82 kg / hari 1 kg / L

= 591.780,82 L/hari

Universitas Sumatera Utara

QNaHCO3

=

=

QFeCl2

=

= QVS

F 2 NaHCO 3

ρ

NaHCO3

1.479,45 kg / hari = 672,47 L/hari 2,200 kg / L F 4 FeCl 2

ρ

FeCl 2

53,08 kg / hari 3,160 kg / L

= 16,79 L/hari

= QPOME + QNaHCO3 + QFeCl2 = (591.780,82 + 672,47 + 16,79) L/hari = 592.470,09 L/hari

Neraca massa komponen:  Alur 8 F8

= 568.080,36 kg

VS (pada Discharge) = 0,0125 kg/L F8VS

= 592.470,09 L/hari x 0,0125 kg/L = 7.405,87 kg

F8 NaHCO3

= F2NaHCO3

= 1.479,45 kg

F8 FeCl2

= F4FeCl2

= 53,08 kg

F8 Air

= F8 – (F8TS + F8 NaHCO3+ F8 FeCl2) = 568.080,36 kg – (7.405,87 + 1.479,45 + 53,08) kg = 559.141,94 kg

 Alur 7 F7

= 757.440,47 kg

VS (pada Digester)

= 0,0325 kg/L

Q7VS

=

592.470,09 L / hari 0,75

= 789.960,13 L/hari 7

F

VS

= 789.960,13 L/hari x 0,0325 kg/L = 25.673,70 kg

Universitas Sumatera Utara

F7NaHCO3

=

=

F7FeCl2

=

= F7 Air

F 8 NaHCO 3 0,75 1.479.45 kg / hari 0,75

= 1.972,60 kg

F 8 FeCl 2 0,75 53,08 kg / hari 0,75

= 70,77 kg

= F7 – (F7VS + F7 NaHCO3+ F7 FeCl2) = 757.440,47 kg – (25.673,70 + 1.972,60 + 70,77) kg = 729.723,39 kg

 Alur 5 F5

= 189.360,11 kg

F5VS

= F7VS – F8VS = 25.673,70 kg – 7.405,87 kg = 18.267,82 kg

F5NaHCO3

= 0,25 x F7NaHCO3 = 0,25 x 1.972,60 kg = 493,15 kg

F5FeCl2

= 0,25 x F7FeCl2 = 0,25 x 70,77 kg = 17,69 kg

F5Air

= F5 – (F5VS + F5 NaHCO3+ F5FeCl2) = 189.360,11 kg – (18.267,82 + 493,15 + 17,69) kg = 170.581,44 kg

 Alur 6 F6

= 782.673,48 kg

VS POME dlm kg/hari

= Produksi POME x VS POME = 591.780,82 L/hari x 0,0426 kg/L = 25.209,86 kg

Universitas Sumatera Utara

F6VS

= VS POME dlm kg/hari + F5VS = 25.209,86 kg + 18.267,82 kg = 43.477,69 kg

F6NaHCO3

= F3NaHCO3 + F5NaHCO3 = 1.479,45 kg + 493,1 k5g = 1.972,60 kg

F6FeCl2

= F4FeCl2 + F5FeCl2 = 53,08 kg + 17,69 kg = 70,77 kg

F6Air

= F6 – (F6TS + F6NaHCO3+ F6FeCl2) = 782.673,48 kg – (43.477,69 +1.972,60 + 70,77) kg = 737.152,40 kg

 Alur 11 VBiogas

= 17.773,15 m3/hari

VCH4

= 17.773,15 m3/hari x 0.625 = 11.108,22 m3/hari

VCO2

= 17.773,15 m3/hari x 0,37 = 6.576,06 m3/hari

VH2S

= 17.773,15 m3/hari x 0,0001 = 1,77 m3/hari

VH2O

= 17.773,15 m3/hari x 0,0049 = 87,08 m3/hari

F11

= 25.232,99 kg

F11CH4

= VCH4 x ρ CH4 = 11.108,22 m3/hari x 0,6 kg/m3 = 6.664,93 kg

F11CO2

= VCO2 x ρ CO2 = 6.576,06 m3/hari x 2,814 kg/m3 = 18.505,05 kg

11

F

H2S

= VH2S x ρ H2S = 1,77 m3/hari x 1,39 x 10-6 kg/m3

Universitas Sumatera Utara

= 2,48 x 10-6 kg F11H2O

= VH2O x ρ H2O = 87,08 m3/hari x 0,723 kg/m3 = 63,02 kg

A.2.5

Filter Press (H-204) Fungsi: memisahkan ampas cair dan padat untuk dijadikan pupuk. 8

9

10

Neraca massa komponen: •

Ampas cair

: F9Ampas cair

= 0,94 x F8Ampas = 0,94 x 568.080,36 kg = 533.995,54 kg

•

Ampas padat

: F10Ampas padat = F8Ampas – F9Ampas cair = (568.080,36 - 533.995,54) kg = 34.084,82 kg

Universitas Sumatera Utara

A.2.6 Water Trap (F-301) Fungsi : Memisahkan air yang terkandung didalam biogas, dimana air terpisahkan 100 %.

13

11

F-301

12

Neraca Total : F11 = F12 + F13  Alur 11 F11

= 25.233 kg

F11CH4

= 6.664,93 kg

11

F

CO2

= 18.505,05 kg

F11H2S

= 2,48 x 10-6 kg

F11H2O

= 63,02 kg

 Alur 13 F13

= 25.169,98 kg

F13CH4

= 6.664,93 kg

F13CO2

= 18.505,05 kg

F13H2S

= 2,48 x 10-6 kg

Maka, F11 = F12 + F13 25.233 kg = F12 + 25.169,98 kg F12 = 63,02 kg

Universitas Sumatera Utara

A.2.7 Desulfurisasi (D-306) Fungsi : untuk menyerap gas H2S yang terkandung dalam biogas dimana H2S habis diserap 100 %.

17

CH4 H2S = 0,01 % CO2 H2O

CH4 H2S habis terserap CO2 H2O

16

Neraca Massa Total :

F17CH4 17

F

F17

CO2

F16CH4

= 6.664,93 kg

F16CO2

= 18.505,05 kg

F16H2S

= 2,48 x 10-6 kg

= 6.664,93 kg = 18.505,05 kg = F17CH4 + F17CO2 + F17H2S = 6.664,93 kg + 18.505,05 kg + 0

F17

A.2.8

= 25.169,98 kg

Kolom Absorpsi-Stripping (D-308 & D-312)

Universitas Sumatera Utara

Fungsi : untuk menyerap CO2 yang terkandung dalam biogas dan melepaskan CO2. 21 26

25 24 20 23

18

22

19

Jumlah CO2 yang dikeluarkan dari sistem 99% (Twigg, 1989) dari alur 25. Larutan Benfield (K2CO3) (BM= 138 kg/kmol). K2CO3 yang digunakan adalah K2CO3 30 %, temperatur K2CO3 masuk absorber adalah 60 0C. Reaksi pengikatan CO2 : K2CO3 + CO2 + H2O ↔ 2KHCO3

………………….. (1)

Reaksi pelepasan CO2: 2KHCO3 ↔ CO2 + H2O + K2CO3 …………………(2) Dimana semua CO2 yang terserap dilepaskan pada kolom stripper. Jumlah CO2 yang terabsorpsi 99% dari jumlah CO2 umpan, maka : F21

= 99 % x F18CO2 = 0,99 x 18.505,05 kg

= 18.320 kg Maka mol CO2 yang terbentuk dari reaksi (2) : N21

=

F 21 CO2 BM CO2

=

18.320 44

= 416,36 kmol Jumlah CO2 yang terbentuk

= 416,36 kmol

Universitas Sumatera Utara

Jumlah KHCO3 yang bereaksi

= 832,72 kmol

 Neraca Massa Total : F18

= F26 +F21

25.169,98 kg

= F26+ 18.320 kg

F26

= (25.169,98 - 18.320) kg = 6.849,98 kg

 Alur 26 F26CH4

= F18CH4 = 6.664,93 kg

F26CO2

= F18CO2 – F21 = 18.505,05 kg – 18.320 kg = 185,05 kg

 Alur 25 Jumlah K2CO3 bereaksi

= 416,36 kmol = 416,36 kmol x 138 kg/kmol = 57.458,18 kg

K2CO3 yang digunakan 30% berat, maka Total umpan (F25)

= 57.458,18 kg x 100/30 = 191.527,28 kg

Jumlah H2O bereaksi

= 416,36 kmol = 416,36 kmol x 18 kg/kmol = 7.494,54 kg

Maka Jumlah H2O

= 70 % x 191.527,28 kg = 134.069,10 kg

Jumlah H2O yang tidak bereaksi

= (134.069,10 – 7.494,54) kg = 126.574,55 kg

F25 25

F

= 191.527,28 kg K2CO3

F25H2O

= 57.458,18 kg = 134.069,10 kg

Universitas Sumatera Utara

 Alur 19 F19

= 209.847,28 kg

N19 KHCO3

= 832,72 kmol

F19KHCO3

= N19 KHCO3 x BM KHCO3 = 832,72 kmol/hari x 100 kg/kmol = 83.272,73 kg

F19 H2O

= 126.574,55 kg

 Kolom Stripper F20 = F19

= 209.847,28 kg

F20KHCO3

= 83.272,73 kg

F20H2O

= 126.574,55 kg

21

21

22

23

F =F

CO2

= 18.320 kg

F =F

= 191.527,28 kg

F22K2CO3

= 57.458,18 kg

F22H2O

= 134.069,10 kg

Universitas Sumatera Utara

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, 2005)

T

∫ n Cp dT

T1= 298

•

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

14,69

K

28,78

Sumber : Perry, 1999 Rumus Metode Hurst dan Harrison: n

C pS = ∑ N i ⋅ ∆ Ei i =1

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

Universitas Sumatera Utara

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

Dengan cara yang sama diperoleh Cp NaHCO3

= 84,90 J/mol.K

Cp FeCI2

= 58,46 J/mol.K

Tabel LB.2 Kapasitas panas beberapa senyawa pada 298,15 K (J/mol.K) Komponen

Cp (J/mol.K)

C6H12O6

236,58

NaHCO3

84,90

FeCl2

58,46

K2CO3

108,71

KHCO3

87,49

Tabel LB.3 Panas Reaksi Pembentukan (KJ/mol) Komponen

ΔHf

CH4(g)

-74,520

CO2(g)

-393,509

H2S(g)

-20,630

H2O(l)

-285,830

NaHCO3

-947,7*)

C6H12O6(s)

-1.250*)

H2SO4(l)

-814*)

Sumber: Smith, 2005 Shervy, 2011*) • Perhitungan Cp untuk fasa gas: Cpx,T = a + bT + cT2 + dT3 + eT4 T2

∫ Cpg dT = [a(T2–T1) + b/2(T22–T12) + c/3(T23–T13) + d/4(T24–T14)+ e/5(T25–T15)]

T1

Universitas Sumatera Utara

Senyawa

A

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

Sumber: Reklaitis, 1983 • Perhitungan Cp untuk fasa cair: Cpx,T = a + bT + cT2 + dT3 T2

∫ Cpl dT = [a(T2–T1) + b/2(T22–T12) + c/3(T23–T13) + d/4(T24–T14)

T1

Senyawa

Tabel LB.5 Data Kapasitas Panas (J/ mol. K) A B C

D

CH4(l)

-5,70709

1,02562

-1,6656.10-3

-1,9750.10-5

CO2(l)

1,1041.101

1,1595

-7,2313.10-3

1,55019.10-5

H2S(l)

2,18238.101

7,74223.10-1

-4,20204.10-3

7,38677.10-6

H2O(l)

1,82964.101

4,7211.10-1

-1,3387.10-3

1,3142.10-6

Sumber: Reklaitis, 1983

B.1

Bak Neutralizer (T-101) Fungsi : sebagai tempat penampung POME dengan padatan NaHCO3.

Alur 1 (55oC, 1 atm) Alur 2 (30oC, 1 atm) 1

2

3

T-101

Universitas Sumatera Utara

Temperatur basis = 25ºC 328,15

328,15

∫

Energi masuk = (N1C6H12O6)

∫

CpdT + (N1H2O)

303,15

298,15

298,15

∫

Cp dT + N2NaHCO3

CpdT

298,15

Tabel LB.6 Energi yang Masuk ke Bak Neutralizer

Alur

1 2

Komponen C6H12O6(s) H2O(l) NaHCO3

F (kg/ hari)

BM (kg/mol)

∫

N (kmol/ hari)

25.209,86

180

140,05

566.570,95

18

31.476,16

1.479,45

84

17,61

Cp dT

N

(KJ/mol) 7.097,40

∫

Cp dT

(KJ/hari) 994.024,89

2.256,18 71.015.776,07 424,50

7.476,51

Qin (kJ/ hari)

72.017.277,48

Asumsi: proses pencampuran berlangsung adiabatis (dQ/dT = 0). Dari data termodinamika Perry, 1999 : panas pelarutan NaHCO3 dalam air = -4,1 kkal/mol = -17,17 x 103 kJ/kmol dQ = N .∆H pelaru tan + Qout − Qin dt 0 = 17,61 x (−17,17 × 10 3 ) + Qout − 72.017.277,48 kJ / hari

Qout = 72.319.626,40 kJ / hari

Temperat...