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].