BAB II
SISTEM UTILITAS
2.1 Unit Pengolahan Air
Air memiliki peran yang sangat penting dalam pabrik amonia.
Ketersediaan air dalam industri harus terus ada, karena tanpa air suatu industri
tidak dapat beroperasi. Persyaratan kualitas air yang dapat digunakan dalam
industri berbeda-beda, tergantung kepada tujuan penggunaannya. Air yang berasal
dari alam pada umumnya belum memenuhi persyaratan yang diperlukan, sehingga
harus mengalami proses pengolahan terlebih dahulu.
Secara sederhana pongolahan air meliputi sedimentasi, koagulasi, filtrasi,
demineralisasi dan deaerasi serta penambahan senyawa-senyawa kimia tertentu.
Secara garis besar proses pengolahan air melalui beberapa tahapan, yaitu
1. Screen
Screen merupakan penyaring awal padatan-padatan kasar seperti kayu,
daun, dan bebatuan yang kemungkinan terbawa pada saat air dialirkan dari sungai
ke bak pengendapan. Screen terdiri dari 2 bagian yaitu bar screen dan traveling
screen. Bar screen berbentuk seperti palang yang berbaris. Bar screen berfungsi
untuk menyaring padatan besar seperti batang dan ranting. Setelah melalui bar
screen, padatan kecil seperti potongan-potongan sampah yang masih terlewat
disaring kembali pada traveling screen. Penyaringan terakhir sebelum air
dialirkan ke bak pengendapan adalah strainer. Strainer berfungsi untuk
menyaring solid yang tersuspensi yang berdiameter sampai 1/16 inch, dimana
solid ini tidak tersaring pada bar screen dan traveling screen. Adapun contoh
skema screen yang akan digunakan dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Skema Screen
2. Bak Pengendapan
Sebelum air sungai dipompakan ke clarifier terlebih dahulu air diendapkan
didalam bak pengendapan untuk menghilangkan kotoran-kotoran yang masih
terdapat didalam air sungai. Bentuk dari bak pengendapan ini adalah empat
persegi panjang (balok) dengan bagian atasnya terbuka.
3. Tangki Pelarutan Al2(SO4)3
Tangki pelarutan tawas berfungsi sebagai tempat untuk melarutkan alum
[Al2(SO4)318H2O] sebelum diinjeksikan ke dalam clarifier, tawas yang dilarutkan
sebanyak 50 gr/m3 air [Nalco, 2007]. Pemilihan Al2(SO4)3 sebagai koagulan
karena harganya yang lebih murah, daya penggumpalan yang cukup baik, dan
mudah diproleh di pasaran.
4. Tangki Pelarutan Na2CO3
Tangki ini digunakan sebagai tempat untuk melarutkan soda ash (Na2CO3)
sebelum diinjeksikan ke dalam clarifier. Soda ash (Na2CO3) yang dilarutkan
sebanyak 50 gr/m3 air [Nalco, 2007].
5. Clarifier
Clarifier tank merupakan tangki berbentuk silinder yang digunakan
sebagai tempat penampungan air yang dipompakan dari waduk. Clarifier Tank
berfungsi untuk mengendapkan kotoran-kotoran yang tidak larut seperti lumpur.
Alat ini bekerja memisahkan partikel berat dengan aliran berputar. Partikel
dengan berat jenis < 1 gr/m3 akan bergerak menuju permukaan air sedangkan
partikel dengan berat jenis > 1 gr/m3 akan mengendap ke dasar clarifier. Sebelum
masuk ke clarifier tank, tawas [Al2(SO4)3.18H2O] dan soda ash dengan
konsentrasi masing-masing 50 gr/m3 diinjeksikan ke air yang bertujuan untuk
menjernihkan dan menaikkan pH air.
Di dalam clarifier terjadi proses koagulasi oleh senyawa koagulan.
koagulasi yaitu proses netralisasi muatan sehingga partikel-partikel dapat saling
berdekatan satu sama lain. Partikel yang saling berdekatan ini kemudian
membentuk flok-flok. Setelah flok terbentuk, terjadilah proses flokulasi diantara
flok-flok tersebut. Flokulasi adalah proses penyatuan antar flok sehingga
membentuk partikel dengan ukuran yang lebih besar dan berpotensi untuk
mengendap. Akumulasi endapan inilah yang kemudian disebut sludge/lumpur.
Range pH ideal pada proses ini adalah 6,0 – 7,5 [Nalco, 2007] Efek dari kinerja
tawas adalah turunnya pH karena terbentuknya asam. Oleh sebab itu, perlu
ditambahkan soda ash (Na2CO3) untuk meningkatkan pH.
Di dalam air, koagulan akan mengalami proses disosiasi, hidrolisa dan
polimerisasi. Reaksi dissosiasi yang terjadi adalah:
Al2(SO4)3 2 Al3+ + 3 SO42-
Reaksi hidrolisa:
(SO4)3 + 6 H2O 2 Al(OH)3+ 3 H2SO4
Reaksi polimerisasi ion kompleks:
{Al(H2O)6}3++ H2O {Al(H2O)5OH}2++ H2O
{Al(H2O)5OH}2+ + H2O {Al(H2O)4(OH)2}4++ H2O
Dalam proses klarifikasi ini, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan
[alco, 2007]
Titik injeksi bahan kimia
Volume clarifier (minimal waktu tinggal 3 jam) dan volume clarifier
Penentuan dosis bahan kimia dilakukan melalui Jar Test
Dosis bahan kimia dapat berubah sesuai dengan kondisi bahan baku
Level sludge harus dijaga minimal/maksimal berkisar 2 meter dari
level air bersih. Sludge dibuang secara berkala minimal per 1 hari. Sludge
berfungsi sebagai penyaring/penahan flok-flok yang baru terbentuk.
6. Sand Filter
Sand filter merupakan saringan yang digunakan untuk memisahkan
padatan yang tersuspensi yang terdapat pada air dengan menggunakan media
penyaring berupa pasir, sehingga diharapkan hasil air saringan ini sudah bebas
dari padatan dan sudah bisa digunakan untuk keperluan boiler, pengolahan,
pendingin dan untuk kebutuhan domestik. Sand filter ini berbentuk silinder tegak
dengan tutup atas datar dengan bahan konstruksi carbon steel. Adapun contoh
skema sand filter yang akan digunakan dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Untuk air yang digunakan sebagai umpan boiler diperlukan air yang lunak
dan mendekati murni (kadar silika dan hardness rendah) sehingga diperlukan
proses pengolahan air lanjutan, yaitu cation exchanger, anion exchanger, dan
deaerator.
Gambar 2.2. Skema Sand Filter [Nalco, 2007]
7. Tangki Air Domestik
Tangki air domestik berfungsi untuk menampung air untuk keperluan
domestik, seperti untuk kebutuhan karyawan, musholla, kantin, laboratorium,
taman, perumahan, kantor dan lain-lain.
8. Ion exchanger
Prosesnya adalah menggunakan alat Cation Exchanger dan Anion
Exchanger untuk menghilangkan ion-ion di dalam air. Ion-ion, seperti: Ca+2 dan
Mg+2 dapat menyebabkan kesadahan terutama pada alat-alat proses. Oleh sebab
itu, ion-ion pengganggu tersebut harus dihilangkan dari air. Adapun contoh skema
ion exchanger yang akan digunakan dapat dilihat pada Gambar 2.3.
Cation Exchanger
Air umpan boiler dan air proses yang digunakan merupakan air murni
yang bebas dari garam-garam terlarut. Cation exchanger dapat
mengurangi kesadahan air yaitu menghilangkan kation-kation (misal Ca+2,
Mg+2) dalam air. Resin yang digunakan adalah weak acid cation.
Reaksi pengikatan yang terjadi dipermukaan resin,
RH2 + CaSO4 H2SO4 + RCa
RH2 + MgCl2 2HCl + RMg
Untuk regenerasi resin digunakan HCl, reaksi yang terjadi,
RCa + 2HCl CaCl2 + RH2
RMg + 2HCl MgCl2 + RH2
Anion Exchanger
Anion exchanger berfungsi menghilangkan anion-anion (misal, Cl-,
SiO22-, CO3
2- dan SO42-) dalam air. Resin yang digunakan adalah weak and
intermediate base anion.
Reaksi pengikatan yang terjadi dipermukaan resin:
R-OH + H2SO4 2H2O + R2SO4
R-OH + HCl H2O + RCl
Untuk regenerasi resin digunakan NaOH, reaksi yang terjadi:
RCl + NaOH R-OH + NaCl
R2SO4 + NaOH 2R-OH + Na2SO4
Gambar 2.3. Skema Kation dan Anion Exchanger
9. Tangki Air Umpan Boiler
Berfungsi untuk menampung air umpan boiler dan untuk menjaga
kontuinitas umpan air boiler.
10. Deaerator
Gas-gas yang terlarut dalam air umpan seperti O2, CO2 dan NH3 dapat
menyebabkan korosi pada boiler. Untuk menghilangkan gas-gas tersebut maka
diperlukan proses deaerasi dengan menggunakan deaerator. Jenis deaerator yang
digunakan adalah thermal deaerator karena efisiensi yang tinggi. Suhu yang
dibutuhkan untuk memisahkan O2 dan CO2 adalah 103oC yang dicapai dengan
injeksi steam [Wilmar Group, 2007] Kemudian air yang telah mengalami proses
deaerasi siap digunakan untuk air umpan boiler. Untuk memahami lebih lanjut
mengenai bentuk deaerator dapat dilihat pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4. Contoh Deaerator [Kurita Handbook, 1999]
2.2 Unit Pembangkit Steam
Di dalam operasi pabrik, steam berfungsi sebagai media transfer energi.
Steam dihasilkan oleh unit peralatan pembangkit steam yang disebut boiler.
Prinsip kerja unit boiler adalah memindahkan panas (heat transfer) dari panas
hasil pembakaran bahan bakar (fuel) di dalam ruang pembakaran ke air yang
berada dalam tube melalui permukaan tube. Karena panas pembakaran yang
sangat tinggi, maka perpindahan panas berlangsung secara radiasi. Unit ini
bertujuan untuk memenuhi kebutuhan steam pada proses produksi.
Pada prinsipnya, boiler dapat digolongkan kedalam dua tipe yaitu boiler
tipe pipa api (fire-tube type boiler) dan boiler pipa air (water-tube type boiler).
1. Boiler Tipe Pipa Api (Fire-Tube Type Boiler)
Pada fire tube boiler, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler
ada di dalam shell untuk dirubah menjadi steam. Fire tube boiler biasanya
digunakan untuk kapasitas steam yang relatif kecil dengan tekanan steam rendah
sampai sedang. Boiler pipa api umumnya digunakan untuk memproduksi steam
dengan kapasitas rendah hingga 20.000 lb (9.000 kg) steam per jam dan tekanan
100 hingga 150 psig (8-11 atm) (Kern, 1965). Fire tube boiler dapat
menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam
operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar fire tube boiler dikonstruksi
sebagai “paket” boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar [UNEP,
2006]. Untuk mengetahui lebih jelas mengenai Fire Tube Boiler dapat dilihat pada
Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Skema Fire Tube Boiler [UNEP, 2006]
Sedangkan contoh profil fire tube boiler dapat dilihat pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Fire Tube Boiler [US Departement of Energy, 2002]
2. Boiler Tipe Pipa Air (Water-Tube Type Boiler)
Pada water tube boiler, air umpan boiler mengalir melalui pipa–pipa
masuk ke dalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakar
membentuk steam pada daerah uap dalam drum. Boiler ini dipilih jika kebutuhan
steam dan tekanan steam sangat tinggi. Boiler pipa air umumnya digunakan untuk
memproduksi steam dengan kapasitas hingga 200.000 lb (90.000 kg) steam per
jam dan tekanan hingga 235 psig (17 atm) [Kern, 1965]. Banyak water tube boiler
yang dikonstruksi secara paket jika digunakan bahan bakar minyak bakar dan gas.
Untuk water tube boiler yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum
dirancang secara paket. Karakteristik water tube boiler sebagai berikut [UNEP,
2006]:
Forced draft, induced draft, dan balanced draft membantu untuk
meningkatkan efisiensi pembakaran
Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari plant pengolahan
air
Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panas yang lebih tinggi
Untuk mengetahui lebih jelas mengenai Water Tube Boiler dapat dilihat
pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Skema Water Tube Boiler [UNEP, 2006]
Pada prarancangan pabrik amonia ini, tipe boiler yang digunakan adalah
boiler pipa air (water tube boiler) karena kebutuhan steam yang tinggi dalam
proses produksi. Profil boiler ini dapat dilihat pada Gambar 2.8.
Gambar 2.12 Contoh profil Water Tube Boiler [Departement of Energy, 2002]
Boiler plant terdiri dari beberapa peralatan utama antara lain:
1. Steam drum
Fungsi utama steam drum pada boiler pipa air adalah untuk menyediakan
volum yang cukup dan kecepatan (velocity) yang rendah dalam pemisahan steam
dan air. Disamping itu steam drum dilengkapi dengan cyclone separator dan
scrubber dengan tutjuan agar arah yang ditempuh oleh steam ke outlet steam
header makin jauh sehingga pemisahan steam dengan air menjadi lebih sempurna.
Alat-alat ini dapat mencegah mechanical entrainment dari titik-titik air yang
terikut dengan steam (mechanical carry over), tetapi sama sekali tidak
berpengaruh terhadap physical entrainment yaitu penguapan material yang terlarut
dalam steam (volatile carry over).
Tingkat kemurnian steam (steam purity) sangat tergantung dari keperluan
dan penggunaannya. Steam purity yang tinggi biasanya diperlukan untuk
penggerak turbin, dan biasanya diperoleh dari boiler modern bertekanan tinggi.
Karena heat flux yang tinggi pada boiler bertekanan tinggi menyebabkan boiler
tube superheater dan turbine blade dari steam turbin generator sangat sensitif
terhadap scale deposite. Cyclone separator biasanya dipasang single atau double
raw secara longitudinal pada sisi steam drum. Begitu campuran steam-air masuk
ke dalam steam drum dari beberapa risers, seterusnya masuk ke cyclone
separator.
Dengan gaya sentrifugal, air akan terpisah dari steam dalam cyclone dan
kemudian kembali ke steam drum dibawah water level. Sedangkan steam naik
keatas melewati scrubber terus masuk ke superheater dan steam header. Steam
drum juga merupakan tempat untuk air bahan dan tempat fasilitas CBD (
Continuous Blow Down).
2. Superheater
Saturated steam yang keluar dari scrubber masuk ke superheater untuk
pemanasan lebih lanjut sehingga masuk ke steam header sudah dalam keadaan
superheated.
Temperatur permukaan (tube metal temperature) lebih panas jika
dibandingkan dengan temperatur steam. Tergantung dari temperatur steam yang
diproduksi, beberapa macam steel alloy dapat digunakan seperti:
Carbon steel tubing untuk temperature steam sampai 800 F
Chrome-molybdenum steel untuk temperature steam sampai 950 F
Stainless steel type 321 untuk temperature steam sampai 1050 F
3. Burner
Burner merupakan alat dimana bahan bakar/fuel dapat mengalami
pembakaran. Burner ini terdiri bagian utama yaitu Gun Burner dan Tip burner.
4. Combustion Space/Fire box (Ruangan / tempat terjadinya
pembakaran).
5. Stack (sarana pembuangan gas hasil pembakaran/flue
gas).
6. Air Fan (FDF) (alat untuk mensuplai udara pembakaran)
7. Kontrol dan Instrumentasi
Merupakan suatu sistem untuk mengendalikan operasi boiler agar dapat
beroperasi sesuai yang diinginkan, misalnya: control valve, pressure
gauge/switch, transmitter dan sebagainya.
Adapun prinsip kerja boiler ini adalah Air yang akan diumpankan ke
boiler harus memenuhi standar air baku umpan boiler, sehingga air umpan ini
harus diberikan treatment khusus di Water Treatment Plant (WTP). Kemudian air
dipompakan ke steam drum, air akan turun secara alami melalui pipa downcomer
ke pipa header yang ada setiap sisi boiler. Air dalam pipa yang panas akan naik
ke steamdrum melalui pipa riser. Di steam drum air yang belum menjadi steam
akan turun kembali melalui pipa downcomer, namun yang telah menjadi steam
akan naik menuju Low Superheater. Steam pada tahap ini masih berupa saturated
steam (masih mengandung air/steam basah). Kemudian steam akan masuk ke
Desuperheater yang berguna untuk mengatur temperatur dari steam, apabila
steam memiliki temperatur diatas batas, maka akan diturunkan temperaturnya
dengan cara mengalirkan feed water dalam heat exchanger (shell & tube).
Kemudian steam akan dilewatkan High Superheater untuk mendapatkan suhu
yang diinginkan. Lalu steam siap untuk disupplai ke unit-unit yang membutuhkan.
Tingkat emisi gas buang yang dihasilkan pada boiler ini diperkirakan tidak
begitu besar, dimana CO berkisar 300 μg/m3 (nilai standar 10.000 μg/m3), NO2
berkisar 35 μg/m3 (nilai standar 150 μg/m3) dan debu berkisar 200 μg/m3 (nilai
standar 230 μg/m3). Sedangkan tingkat kebisingan yang dihasilkan berkisar 55 dB
(nilai standar 60 dB) [Wilmar Group, 2007].