Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Metana Cair dari Sampah Organik dengan Kapasitas Sampah Organik 600.000 kg/hari

  

LAMPIRAN A

PERHITUNGAN NERACA MASSA

  Pada Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Metana Cair dari Sampah Organik dengan kapasitas bahan baku sampah organik sebanyak 600.000 kg/hari, dengan kapasitas per jam 25.000 kg/jam, digunakan perhitungan neraca massa alur maju. Basis perhitungan : 1 jam operasi Kapasitas sampah organik : 25.000 kg/jam Operasi pabrik per tahun : 330 hari

  LA.1 Thresser (C-110)

  Fungsi: untuk memperkecil ukuran sampah organik dengan proses pemotongan / pencacahan menjadi 0,1-0,5 cm.

  Sampah Organik Sampah Organik _{1 2} C-110

  1

2 F = F

  = 2 .000 kg jam

  LA.2 Tangki Penampung (F-120)

  Fungsi: untuk mengumpulkan bahan baku sampah organik yang telah dihancurkan sebelum difermentasi di Fermentor .

  Sampah Organik ₃ Sampah Organik ₄ F-120

  F = F = 2 .000 kg jam

  LA.3 Fermentor (R-210) Fungsi: sebagai tempat berlangsungnya proses fermentasi sampah organik .

7 F = F + F

  Tabel LA.1 Tabel Komposisi Sampah Organik

  Komposisi % Massa

  Karbohidrat (C H O )

  65

  6

  12

  6 Air (H O)

  30

  2 Nitrogen (N) 1,6

  Sulfat (S) 0,2 Abu 3,2

  Total 100

  (Dinas Kebersihan Kota Medan, 2009) Asumsi : Ampas = N + S + Abu = 5% F = F

  karbo = 1 0 kg jam

  100

30 F = F = 7. 00 kg jam

  H2O

  100 F = F = 1.2 0 kg jam

  ampas

  100 Reaksi Metanogenesis: bakteri C H O + 2 CO + H O + H S

  6

  12 6 (s) ──────► 4 CH 4 (g) 2 (g) 2 (g) 2 (g)

  % Massa komponen : CH = 31,7%

4 CO = 68%

  2

  (Arati, 2009) H O = 0,289%

  2 H S = 0,011%

  2 Bakteri yang berperan dalam reaksi ini adalah bakteri Methanobacterium.

• F
• F
• F

  H2O

  = F

  ampas

  karbo

  7

  = 4. 00 kg jam F

  H2O

  7

  = F

  H2O

  = 7. 00 kg jam F

  7

  = F

  ampas

  7

  7

  ampas

  16.250 - - H

  4

  Ampas 1.250 - 4.500 CH

  2 S - 1,43 -

  2

  CO

  2 O 7.500 37,57 7.500

  6

  = 12.000 kg jam Tabel LA.2 Neraca Massa Fermentor

  12 O

  6 H

  7 C

  6

  5

  Komponen Alur Masuk (kg/jam) Alur Keluar (kg/jam)

  7

  F

  Subtotal 25.000 13.000 12.000 Total 25.000 25.000

  0,8 = 4.121 kg jam F

  0,8 = 8.840 kg jam F

  karbo

  F

  8 100

  =

  CO2

  karbo

  = 0,28

  100 F

  = 31,7

  CH4

  = 1 .2 0 kg jam F

  karbo

  Asumsi : karbohidrat yang bereaksi adalah 80% F

  H2O

  100 F

  karbo 0,2 = 3.2 0 kg jam

  CO2

  = F

  7

  karbo

  = 13.000 kg jam F

  H2S

  H2O

  CH4

  karbo

  0,8 = 1,43 kg jam F = F

  karbo

  100 F

  = 0,011

  H2S

  0,8 = 37, 7 kg jam F

• F
• F
• 8.840 - H
• 4.121 -

  LA.4 Filter Press (H-220) Fungsi: untuk memisahkan air dari ampas sisa fermentasi .

  7

  8 Ampas (s) Ampas (s) H-220

  H ^{2 O (l)} ₂ H O (l)

  9 H ^{2 O (l)} Ampas (s)

7 F = F + F

  Asumsi: Efisiensi Filter Press = 90%

  Cake :

  8

  8 F = 0, F = 4.0 0 kg jam ampas ampas

  8 F = 0,1 F = 7 0 kg jam H2O H2O

  8

  8

8 F = F ampas + F H2O = 4.800 kg jam

  Filtrat :

  7 F = 0, F = .7 0 kg jam H2O H2O

  7 F = 0,1 F = 4 0 kg jam ampas ampas

  F = F + F = 7.200 kg jam

  ampas H2O

  Tabel LA.3 Neraca Massa Filter Press

  Alur Masuk (kg/jam) Alur Keluar (kg/jam) Komponen

  7

  8

  9 H O 7.500 750 6.750

2 Ampas 4.500 4.050 450

  Subtotal 12.000 4.800 7.200 Total 12.000 12.000 LA.5 Adsorber I (D-310)

  Fungsi: untuk memisahkan H S dari gas bio dengan Fe O .

  2

  2

  3 CH (g)

  4

  10 CO (g)

  2 H O (g)

  2 D-310 CH (g)

  4 CO (g)

  2

  6 H O (g)

  2 H S (g)

  2 Asumsi: Efisiensi Adsorber I = 99%

  Reaksi : 2 Fe O + 6 H S S + 6 H O

  2

  3 2 → 2 Fe

  2

  

3

  2 F = 4.07 ,7 kg jam CH4 = F CH4

  F = 37,1 4 kg jam

  H2O = F H2O

  F CO2 CO2 = 8.7 1, kg jam = F

  F = F + F + F = 12.8 8, 84 kg jam

CH4 H2O CO2

  Tabel LA.4 Neraca Massa Adsorber I

  Alur Masuk (kg/jam) Alur Keluar (kg/jam) Komponen

  6

  10 Adsorben (Fe O )

  2

  3 CH 4.121 4.079,79 41,21

4 CO 8.840 8.751,6 88,4

  2

• H S 1,43 1,43

  2 H O 37,57 37,194 0,376

  2 Subtotal 13.000 12.868,584 131,416 Total 13.000 13.000

  11

  11

  = F CH4

  11

  = 8.742,848 F

  10

  CO2

  = 0, F

  LA.6 Adsorber II (D-320)

  CO2

  = 4.07 ,71 F

  10

  = 0, F CH4

  Asumsi: Efisiensi Adsorber II = 99,9% F CH4

  11

  2 (g)

  4 (g) CO

  2 O (g) CH

  2 (g) H

  4 (g) CO

  11 CH

  10

  D-320

  dari gas bio dengan silika gel.

  2 O (g)

  Fungsi: untuk memisahkan H

  11

• F CO2

  = 12 818, 8 kg jam Tabel LA.5 Neraca Massa Adsorber II

  Komponen Alur Masuk (kg/jam) Alur Keluar (kg/jam)

  10

  11 Adsorben (Silica gel)

  CH

  4

  4.079,79 4.075,71 4,08 CO

  2

  8.751,6 8.742,848 8,752 H

2 O 37,194 - 37,194

  Subtotal 12.868,584 12.818,558 50,026 Total 12.868,584 12.868,584

  LA.7 Membran Kontaktor Hollow Fiber (D-330)

  Fungsi: untuk memisahkan CO dari gas bio yang dihasilkan, dimana gas CO

  2 2 .

  diserap oleh air

  a

H

^{2 O (l)} CH ^{4 (g)} CO ^{2 (g) CH 4 (g)}

  11

  12 D-330 H ^{2 O (l)} CH ^{4 (g)} b

  CO ^{2 (g)} a b

  11

12 F + F = F + F

  Asumsi: Efisiensi Membran Kontaktor Hollow Fiber = 99%

  3 cm

STP cm

  Permeabilitas CO ) = 2.700 (Geankoplis,2003)

  2 (P’ A

  2

s cm cmHg

  3 cm

STP cm

  Permeabilitas CH ) = 800 (Geankoplis,2003)

  4 (P’ B

  2 s cm cmHg A

  α* = P = 3,37 P B

  11 L : f

  F = 12.818, 8 kg jam

  11

  11 CO2

  x :

  f

  x = F

  CO2 = 0, 82

  11 F b

  Massa CO dipulihkan :

  2 F = 8.742,848 kg jam CO2

  12

  12 CO2

  x :

  o

  x = F

  CO2 = 0

  12 F b

  11 Massa CH dipulihkan :

  4 F = 0,01 F = 40,7 7 kg jam CH4 CH4

  12

  

11

b b

  L :

  o

  F = F - F - F = 4.034, 3 kg jam

CO2 CH4

  Diatur : P = P = 1 atm = 100 kPa

  tube h

  P = P = 1 atm = 100 kPa

  shell l

  P 100

  l

  r = = = 1,0 P 100

  h a = 1 (Geankoplis,2003)

• – α* = 1 – 3,375 = -2,375 b = - (Geankoplis,2003) 1 + α* + (1 r) + x r (α*-1)

  Untuk: x = x b = 4,995

  f →

  x = x b = 3,375

  o →

  c = - (Geankoplis,2003) α*x r

  Untuk: x = x c = -2,302

  f →

  x = x c = 0

  o

  → b + 4ac y =

  2a y = 0,067

  f

  y = 0,711

  o b

  Fraksi CO pada keluaran (y ) = y )/2 = 0,389

  2 p CO2 = y’ av = (y’ f +y’ o

  Neraca massa komponen : L x = L x + V y

  f f o o p p

  (12.818,559)(0,682) = (4.034,953)(0) + V (0,389)

  p

  0,389 V = 8.742,848

  p

  V = 8.742,848/ 0,389

  p

  V = 22.487,206 kg/jam

  p b

  F = V = 22.487,206kg/jam

  p b b b b

  F = F F = 13.703, kg jam

  H2O CO2 F CH4 a a b

  F = F = F = 13.703, kg jam

H2O H2O

  Keterangan: = Permeabilitas CO

  P’ A

  2

  = Permeabilitas CH P’ B

  4

  = Faktor separasi α* L = Laju gas masukan

  f

  L = Laju gas keluaran

  o x = Fraksi CO pada gas masukan

  f

  2

  x = Fraksi CO pada gas keluaran

  o

  2 P = Tekanan pada alur masukan h

  P = Tekanan pada alur keluaran

  l

  y = Fraksi cairan keluaran

  p

  (Geankoplis, 2003) Tabel LA.6 Neraca Massa Membran Kontaktor Hollow Fiber

  Alur Masuk (kg/jam) Alur Keluar (kg/jam) Komponen

11 a b

  12 CH 4.075,71 40,757 4.034,953 -

  4

• CO 8.742,848 8.742,848

  2 H O -

• 13.703,6 13.703,6

  2 Subtotal 12.818,558 13.703,6 22.487,205 4.034,953 Total 26.522,158 26.522,158 LA.8 Tangki Akumulasi (F-410)

  Fungsi: untuk menampung sementara gas metana sebelum masuk ke proses . pencairan gas Claude Pada metode pencairan gas Claude, jumlah metana yang mencair adalah 11,3 % dari metana yang masuk ke sistem Claude. (Smith, et all, 2005)

  13 CH ^{4 (g)} CH ^{4 (g)} CH ^{4 (g)}

  12

  25 F-410

  12

  2

  13 F + F = F

  12 F

  = 4.034, 3 kg jam

  12

  13 CH4

  F = 3 .707, kg jam

  CH4 = F

  0,113 F

  2

  (g) H

  = 3 .707, kg jam

  LA.10 Cooler (E-420)

  Fungsi: untuk menurunkan suhu metana dari 105

  o

  C menjadi 27

  o

  C .

  E-420

  14

  15 d c

  CH

  4

  2 O (l)

  13 F CH4

  CH

  4

  (g) H

  2 O (l)

  F

  1

  = F

  1

  = F CH4

  14 F CH4

  1

  = 3 .707, kg jam

  13

  CH4

  = F

  4.034,953 31.672,597 35.707,55

  CH4

  2

  = F CH4

  13 F CH4

  12 F

  2

  = 31. 72, 7 kg jam Tabel LA.7 Neraca Massa Tangki Akumulasi

  Komponen Alur Masuk (kg/jam) Alur Keluar (kg/jam)

  12

  25

  13 CH

  4

  Total 35.707,55 35.707,55 LA.9 Kompresor (G-421)

  = F

  Fungsi: untuk meningkatkan tekanan metana dari 1 atm menjadi 59,5 atm (60 bar) dan suhu dari 22,5

  o

  C menjadi 105

  o C .

  G-421

  13

  14 CH 4 (g) CH

  4 (g)

  F

  14

  = F

  13 F CH4

  14

14 F CH4

  Komponen Alur Masuk (kg/jam) Alur Keluar (kg/jam) 14 c d

  Tabel LA.8 Neraca Massa Cooler

  15 CH 4 3 .707,

• 3 .707,

  H

2 O - 108.914,303 108.914,303 -

  Fungsi: untuk menurunkan suhu metana dari 27

  24

  = F

  2 F CH4

  24

  = F

  CH4

  2 F CH4

  = 31. 72, 7 kg jam Tabel LA.9 Neraca Massa Heat Exchanger I

  = 3 .707, kg jam F

  Komponen Alur Masuk (kg/jam) Alur Keluar (kg/jam)

  15

  24

  16

  25 CH 4 3 .707,

  31.672,597 3 .707, 31.672,597

  Total 67.380,146 67.380,146

  24

  1

  o

  4 (g) CH

  C menjadi -20

  o C.

  E-430

  15

  16

  

25

  24 CH 4 (g) CH 4 (g) CH

  4 (g)

  1 F CH4

  F

  1

  = F

  1 F CH4

  1

  Total 144.621,853 144.621,853 LA.11 Heat Exchanger I (E-430)

  CH4

  = F

• F

  

24

  17 CH

  4

  35.707,55 26.780,662 8.926,887

  Total 35.707,55 35.707,55 LA.13 Heat Exchanger II (E-440)

  Fungsi: untuk menurunkan suhu metana dari -20

  o

  C menjadi -76

  o C.

  E-440

  19

  20

  23 CH

  16

  4 (g) CH

  4 (g) CH

  4 (g) CH

  4 (g)

  F

  20

  = F

  20

  = F CH4

  1 F CH4

  20

  = 2 .780, 2 kg jam

  19

  Komponen Alur Masuk (kg/jam) Alur Keluar (kg/jam)

  LA.12 Splitter (K-441)

  17

  Fungsi: untuk mengalihkan metana ke ekspander sebanyak 25% (Smith, 2005) .

  K-441

  16

  17

  19

  75% 25%

  CH

  4

  (g) F

  1

  = F

  1 F CH4

  = 8. 2 ,887 kg jam Tabel LA.10 Neraca Massa Splitter

  1

  = 0,7 F

  CH4

  1 F CH4

  1

  = 2 .780, 2 kg jam F

  CH4

  17

  = 0,2 F

  CH4

  1 F CH4

  17

1 F CH4

  2

  CH4

  21 CH

  4 (g) CH

  4 (g)

  F

  21

  = F

  20 F CH4

  21

  = F

  20 F CH4

  K-451

  21

  = 2 .780, 2 kg jam

  LA.15 Flash Drum (F-450)

  Fungsi: untuk memisahkan metana yang sudah mencair dan yang masih berupa gas .

  F-450 ^{21 22}

  

26

CH ₄ (g) CH ₄ (g) CH ₄ (l)

  F

  21

  = F

  22

  20

  , sehingga terjadi perubahan fasa metana dari gas menjadi cair.

  F

  Komponen Alur Masuk (kg/jam) Alur Keluar (kg/jam)

  23

  = F

  24 F CH4

  23

  = F

  CH4

  2 F CH4

  23

  = 31. 72, 7 kg jam Tabel LA.11 Neraca Massa Heat Exchanger II

  19

  C

  

23

  20

  24 CH

  4

  26.780,662 31.672,597 26.780,662 31.672,597

  Total 58.453,259 58.453,259 LA.14 Throttle (K-451)

  Fungsi: untuk menurunkan tekanan metana dari 59,5 atm (60 bar) menjadi 1 atm dan suhu dari -76

  o

  C menjadi -161,5

  o

• F

Dari sistem pencairan gas Claude, gas yang mencair adalah sebesar 11,3% dari jumlah gas yang masuk ke sistem (gas masuk di alur 13), maka : F

13 F CH4

  F

  o

  C menjadi -161,5

  o C .

  G-442

  17

  18 CH 4 (g) CH 4 (g)

  18

  Total 26.780,66 26.780,66 LA.16 Ekspander (G-442)

  = F

  17 F CH4

  18

  = F

  CH4

  17

  = 8.926,89 kg/jam

  Fungsi: untuk menurunkan tekanan metana dari 59,5 atm (60 bar) menjadi 1 atm dan suhu dari -20

  CH4

  2

  CH4

  = 0,113 F

  CH4

  2

  = 4.034, kg jam F

  CH4

  22

  = F

  21 F CH4

  4

  2 F CH4

  22

  = 22.745,71 kg/jam Tabel LA.12 Neraca Massa Flash Drum

  Komponen Alur Masuk (kg/jam) Alur Keluar (kg/jam)

  21

  22

  26 CH

  26.780,66 22.745,71 4.034,95

  

LAMPIRAN B

PERHITUNGAN NERACA ENERGI

  Basis Perhitungan : 1 jam operasi Satuan Operasi : kJ/jam

  o

  Temperatur Basis :

  25 C  Perhitungan Cp Padatan Perhitungan Cp padatan (J/mol.K) dengan menggunakan metode Hurst dan Harrison, dimana nilai kontribusi unsur atom adalah sebagai berikut : Tabel LB.1 Nilai Kontribusi Unsur Atom

  Unsur Atom

ΔE

  C 10,89 H 7,56 O 13,42 N 18,74

  S 12,36 (Perry dan Green, 1999) Rumus Metode Hurst dan Harrison:

  n Cps Ni. 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 ΔEi = Nilai dari distribusi atom I pada tabel LB.1

  Menghitung Cp senyawa: Cps C H O = 6 . + 12 . + 6 .

  6

  12 6 ΔE C ΔE H ΔE O

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

• 2
>47
• 11
>7,366>2,638>25>812>7,370>8,13
• 2
>58
• 11
>1,7648>5,3245
• 3
>58
• 12
>9,6506>2,0446
• 5
• 6
• 6

  3 c ) T - T (

  1

  6,76664.10

  1,40695.10

  H

  2 O (g) 3,40471.10

  1

  3,29983.10

  4,30228.10

  (Reklaitis, 1983)  Perhitungan Cp untuk Senyawa Fasa Cair _{3 2 T x,}

  Cp dT cT bT a     ) T - T (

  4 d ) T - T (

  2 b ) T - T ( a [ dT Cp ⁴ ₁ ⁴ ₂ ³ ₁ ³ ₂ ² ₁ ² _{2 1 T 2} ^T _g ² ₁

  H

      

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

  

Senyawa A B C D

  CH

  4

  (l) -5,70709 1,02562 -0,0016656 -0,00001975 CO

  2

  (l) 11,041 1,1595 -0,0072313 1,55019.10

  H

  2 S (l) 21,8238 0,774223 -0,00420204 7,38677.10

  H

  2 O (l) 18,2964 0,47211 -0,0013387 1,3142.10

  2 S (g) 3,45234.10

  3,7457.10

  Dengan cara yang sama diperoleh: Tabel LB.2 Kapasitas Panas Beberapa Senyawa Padatan pada 298,15 K

  2 b ) T - T ( a [ dT Cp ⁵ ₁ ⁵ ₂ ⁴ ₁ ⁴ ₂ ³ ₁ ³ ₂ ² ₁ ² _{2 1 T 2} ^T _g ² ₁

  Komponen Cps (J/mol.K)

  C

  6 H

  12 O

  6

  236,58 Abu 321

   Perhitungan Cp untuk Senyawa Fasa Gas _{4 3 2 T x,} Cp eT dT cT bT a     

  ) T - T (

  5 e ) T - T (

  4 d ) T - T (

  3 c ) T - T (

  

    



  7,9629.10

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

  Senyawa A B C D E

  CH

  4

  (g) 3,83870.10

  1

  2,9098.10

  8,0067.10

  CO

  2

  (g) 1,90223.10

  1

  (Reklaitis, 1983)

  LB.1 Fermentor (R-210) Fungsi: sebagai tempat berlangsungnya proses fermentasi sampah organik . bakteri

  Reaksi : C H O + 2 CO + H O + H S

  6

  12 6 (s) ► 4 CH 4 (g) 2 (g) 2 (g) 2 (g)

  Pada reaksi fermentasi anaerobik : (Da Rosa, 2009)

  ∆Hr = -133.000 kJ/kmol r ∆Hr = 18,31 133.000 = 2.43 . 8,8 kJ kmol Dibuat : Proses berlangsung adiabatis (dQ/dt = 0) d

• = r ∆Hr

  303,1 out in

  dt 0 = 2.43 . 8,8 +

  out

  = 2.43 . 8,8 kJ jam

  out

  =

  out Temperatur pada alur keluar diperoleh dengan menggunakan metode trial and

  error . Diperoleh temperatur pada alur keluar (alur 6 dan 7) tangki Fermentor

o

  adalah sebesar T = 313,1 K C.

  out ≈ 40

  Tabel LB.5 Energi Keluar pada tangki Fermentor

  Cp dT N Cp dT

  F BM N

   

  Alur Komponen (kg/jam) (kg/kmol) (kmol/jam)

  (kJ/kmol) (kJ/jam) CH 4.121 16 257,563 610,974 157.363,907

4 CO 8.840

  44 200,909 632,102 126.995,08

  2

  6 H S 1,430 34 0,042 573,969 24,140

  2 H O (g) 37,570

  18 2,087 566,82 1.183,078

  2 C H O 3.250 180 18,056 74.522,7 1.345.548,75

  6

  12

  6 H O (l) 7.500

  18 416,667 1.265,036 527.098,488

  2

  7 N 400 14 28,571 5.903,1 168.660 S

  50 32 1,563 3.893,4 6.083,438 Abu 800 800 1 101.115 101.115

  Total 2.434.071,882

  Tabel LB.6 Neraca Energi Fermentor

  Alur Masuk (kJ/jam) Alur Keluar (kJ/jam)

• Umpan
• Produk

  2.434.071,882 ∆Hr

  2.43 . 8,8

  Total 2.434.071,882

  LB.2 Adsorber I (D-310) Fungsi: untuk memisahkan H S dari gas bio dengan Fe O .

  2

  2

  3 CH 4 (g)

  10 CO 2 (g) T , 1 atm out

  H

  2 O (g) D-310 CH

  4 (g) o

  40 C, 1 atm CO (g)

  2

  6 H

  2 O (g) H S (g)

  2

303,15 303,15 303,15

  6

  6

  6

    ( N ) Cp dT ( N ) Cp dT ( N ) Cp dT

  CH CO H S _{4 2 2}

  

  Q = in

  298 , 15 298,15 298,15 303,15

  6

   ( N ) Cp dT

  H O ₂ 

  298 ,

  15 Tabel LB.7 Energi Masuk pada Adsorber I Cp dT N Cp dT

  F BM N

   

  Alur Komponen (kg/jam) (kg/kmol) (kmol/jam)

  (kJ/kmol) (kJ/jam) CH 4.121 16 257,563 543,339 139.943,666

4 CO 8.840

  44 200,909 562,094 112.929,708

  2

  6 H S 1,43 34 0,042 510,805 21,484

  2 H O (g) 37,57

  18 2,087 504,512 1.053,03

  2 Total 253.947,887

  Reaksi:

  2 Fe O + 6 H S S + 6 H O

  2

  3 2 → 2 Fe

  2

  3

  2 Panas reaksi pada keadaan standar:

  = ΔHr 298,15 Σ σ.ΔHf

  = 2 S + 6 O O S ΔHf Fe

  2 3 ΔHf H 2 – 2 ΔHf Fe

  2 3 – 6 ΔHf H

  2

  = 2(-161.586,08) + 6(-285.840,0016)

• – 2(-830.524) – 6(-19.957,68) = -257.418,09 kJ/kmol

  6

  10 N  N H S H S 0,032 _{2 2}

  r =  = 0,0056 kmol/jam σ

  6 r. = 0,0056 (-257.418,09)

  ΔHr 298,15 = -1.804,45 kJ/kmol

  Dibuat: Proses berlangsung adiabatis (dQ/dt = 0)

  dQ

  = r. + Q ΔHr 298,15 out – Q in

  dT

  = -1.804,45 + Q

  out – 253.947,887

  Q = 255.752,338 kJ/jam

  out Tout Tout Tout

  10

  10

  10

  ( N ) Cp dT  ( N ) Cp dT  ( N ) Cp dT

  CH CO H O _{4 2 2} Q =    out

  298 , 15 298,15 298 ,

  15 Temperatur pada alur keluar diperoleh dengan menggunakan metode trial and error . Diperoleh temperatur pada alur keluar (alur 10) Adsorber I adalah o

  sebesar T = 313,35 K C.

  out ≈ 40,5

  Tabel LB.8 Energi Keluar pada Adsorber I

  Cp dT N Cp dT

  F BM N

   

  Alur Komponen (kg/jam) (kg/kmol) (kmol/jam)

  (kJ/kmol) (kJ/jam) 4.079,79 16 254,987 556,124 141.804,254

  CH

  4

  8.751,6 44 198,9 575,327 114.432,55

  10 CO

  2

  37,194 18 2,066 516,299 1.066,854 H O (g)

2 Total 257.303,658

  Tabel LB.9 Neraca Energi Adsorber I

  Alur Masuk (kJ/jam) Alur Keluar (kJ/jam)

• Umpan 255.752,338
• Produk

  257.303,658

• Total 255.752,338 255.499,21

• 1.804,45 ∆Hr

  2 8,1 2 8,1

  4 (g) 40,5 o

  11 Cp dT 30 ,1 2 8,1

  LB.3 Membran Kontaktor Hollow Fiber (D-330)

  = N

  C, 1 atm in

  25 o

  C, 1 atm

  25 o

  T out , 1 atm

  2 (g) CH

  

11

Cp dT 30 ,1 2 8,1

  2 O (l) CH 4 (g) CO

  2 (g) H

  2 O (l) CH 4 (g) CO

  H

  12 b

a

  11

  D-330

  2 dari gas bio yang dihasilkan.

  Fungsi: untuk memisahkan CO

C, 1 atm

• N
• N

  H2O a Temperatur pada alur keluar diperoleh dengan menggunakan metode trial and

  8.742,848 44 198,701 573,327 114.318,117

  =

  out

  = 255.980,6 kJ/jam

  out

  Q

  out – 255.980,6

  = Q

  out – Q in

  = Q

  dT dQ

  Dibuat: Proses berlangsung adiabatis (dQ/dt = 0)

  Total 255.980,6

  2

  Cp dT

  4.075,71 16 254,732 556,124 141.662,45 CO

  4

  11 CH

  (kJ/jam)

   Cp dT N

  (kJ/kmol)

   Cp dT

  N (kmol/jam)

  BM (kg/kmol)

  F (kg/jam)

  CH4

  

CO2

  Tabel LB.10 Energi Masuk pada Membran Kontaktor Hollow Fiber Alur Komponen

  error . Diperoleh temperatur pada alur keluar (alur 12) Membran Kontaktor o

  Hollow Fiber adalah sebesar T = 300,6 K C.

  out ≈ 27,5

  Tabel LB.11 Energi Keluar pada Membran Kontaktor Hollow Fiber

  Cp dT N Cp dT

  F BM N

   

  Alur Komponen (kg/jam) (kg/kmol) (kmol/jam)

  (kJ/kmol) (kJ/jam) CH 4,076 16 0,255 91,026 23,187

  4

  12 CO 8.742,848 44 198,701 94,108 18.699,328

2 H O (l) 22.487,206

  18 1.249,289 189,537 236.786,448

  2

  255.508,9

  Total

  Tabel LB.12 Neraca Energi Membran Kontaktor Hollow Fiber

  Alur Masuk (kJ/jam) Alur Keluar (kJ/jam)

• Umpan 255.980,6 Produk

  255.508,9 -

  Total 255.980,6 255.508,9 LB.4 Tangki Akumulasi (F-410)

  Fungsi: untuk menampung sementara gas metana sebelum masuk ke proses pencairan gas Claude .

  13 CH (g)

  4 T out , 1 atm CH (g) CH

  4 (g)

  4

o o

25 C, 1 atm

  22 C, 1 atm

  12

  25 F-410

  H = 1.195,8 kJ/kg (Perry, 1999)

12 H = 1.188,9 kJ/kg (Perry, 1999)

  25 Q = F . H + F . H

  in

  12

  12

  25

  25 Q = (4.034,953).(1.195,8) + (31.672,597).(1.188,9) in

  Q = 42.480.546,929 kJ/jam

  in

  Dibuat : Proses berlangsung adiabatis (dQ/dt = 0)

  dQ

  = Q

  out – Q in dt

  0 = Q

  out – 42.480.546,929

  Q = 42.480.546,929 kJ/jam

  out

  Energi keluar = Q

  out

  (F . H ) = 42.480.546,929

  13

  13

  (35.707,55).(H ) = 42.480.546,929

  13 H = 1.189,68 kJ/kg

  13 Dari data termodinamika metana (Perry, 1999) untuk H = 1.189,68 kJ/kg,

  13 o

  maka T untuk alur 13 adalah 295,38 K C.

  out ≈ 22,5

  Tabel LB.13 Neraca Energi Tangki Akumulasi

  Alur Masuk (kJ/jam) Alur Keluar (kJ/jam)

• Umpan 33.984.437,543
• Produk

  33.984.437,543

  

Total 33.984.437,543 33.984.437,543

LB.5 Cooler (E-420) o o .

  Fungsi: untuk menurunkan suhu metana dari 105 C menjadi 27 C

  H

  2 O (l) o

  25 C, 1 atm

c

  CH (g)

  4 CH 4 (g)

o o

105

C, 1 atm

  27 C, 1 atm

  15

14 E-420

  H O (l)

  2 d o

  40 C, 1 atm H = 1.330,88 kJ/kg (Perry, 1999)

  14 Q = F . H in

  14

  14

  = (35.707,55).(1.330.88) = 47.522.463,65 kJ/jam

  H = 1.140 kJ/kg (Perry, 1999)

  15 Q = F . H out

  15

  15

  = (35.707,55).(1.140) = 40.706.606,58 kJ/jam

  dQ

  = Q

  out – Q in dt dQ

  = 40.706.606,58

• – 47.522.463,65 = -6.815.857,073 kJ/jam

  dt

  Data termodinamika air pendingin :

  o

  H (25

  C) = 104,89 kJ/kg (Perry, 1999)

  o

  H (40

  C) = 167,47 kJ/kg (Perry, 1999) Jumlah air pendingin yang dibutuhkan :

  Q

  m =

  o o H(25

  C) - H (40

  C)

• 6.815.857, 073 kJ/jam

  m =

  104 , 89 kJ/kg - 1 67,47kJ/kg

• 6.815.857, 073 m = kJ/jam

  62,58 - m = 108.914,303 kg/jam Tabel LB.14 Neraca Energi Cooler

  Alur Masuk (kJ/jam) Alur Keluar (kJ/jam)

  Umpan

• 47.522.463,65
• Produk

  40.706.606,58

• dQ/dt -6.815.857,073

  

Total 40.706.606,58 40.706.606,58

  LB.6 Heat Exchanger I (E-430) o o Fungsi: untuk menurunkan suhu metana dari 27 C menjadi -20 C .

  

CH (g)

  

4

  24 T , 1 atm in CH (g)

  4 CH (g)

  4 o o

  27 C, 1 atm -20

  C, 1 atm

  15

  16 E-430 CH (g)

  4

  

25

o

22 C, 1 atm

  Dari data termodinamika metana (Perry, 1999) : H = 1.140 kJ/kg (superheated metana)

  15 H = 1.009,8 kJ/kg (superheated metana)

  16 H = 1.188,9 kJ/kg (superheated metana)

  25 Q = F . H + F . H out

  25

  25

  16

  16

  = (31.672,597).(1.188,9) + (35.707,55).(1.009,8) = 73.713.033,62 kJ/jam

  Dibuat : Proses berlangsung adiabatis (dQ/dt = 0)

  dQ

  = Q

  out in

• – Q

  dt

  0 = 73.713.033,62 . H + F . H )

• – (F

  15

  15

  24

  24

  0 = 73.713.033,62 )

• – (35.707,55).(1.140) + (31.672,597).(H

  24 H = 1.042,113 kJ/kg

  24 Dari data termodinamika metana (Perry, 1999) untuk H = 1.042,113 kJ/kg,

  24 o

  maka T untuk alur 24 adalah 227,2 K C.

  in ≈ -46

  Q = F . H + F . H

  in

  15

  15

  24

  24

  = (35.707,55).(1.140) + (31.672,597).(1.042,113) = 73.713.033,62 kJ/jam

  Tabel LB.15 Neraca Energi Heat Exchanger I

  Alur Masuk (kJ/jam) Alur Keluar (kJ/jam)

• Umpan 73.713.033,62
• Produk

  73.713.033,62 73.713.033,62 73.713.033,62

  Total

  LB.7 Heat Exchanger II (E-440) o o Fungsi: untuk menurunkan suhu metana dari -20 C menjadi -76 C .

  

CH (g)

  

4

  23 o

• 161,5

  

C, 1 atm

CH (g) CH (g)

  4 4 o

  T , 1 atm out

• 20

C, 1 atm

  19

  20 E-440 CH (g)

  4 o

  

24

• 46

C, 1 atm

  Dari data termodinamika metana (Perry, 1999) : H = 1.009,8 kJ/kg (superheated metana)

  19 H = 796,9 kJ/kg (saturated metana)

  23 H = 1.042,1 kJ/kg (superheated metana)

  24 Q = F . H + F . H in

  19

  19

  23

  23

  = (26.780,662).(1.009,8) + (31.672,597).(796,9) = 52.283.004,877 kJ/jam

  Dibuat : Proses berlangsung adiabatis (dQ/dt = 0)

  dQ

  = Q

  out in

• – Q

  dt

  0 = (F . H + F . H )

  24

  24

  20

  20

• – 52.283.004,877 0 = (31.672,597).(1.042,1) + (26.780,662).(H )

  20 – 52.283.004,877

  H = 719,81 kJ/kg

  22 Dari data termodinamika metana (Perry, 1999) untuk H = 719,81 kJ/kg,

  20 o

  maka T untuk alur 20 adalah 197,6 K C.

  ≈ -76 Q = F . H + F . H

  out

  24

  24

  20

  20

  = (31.672,597).(1.042,1) + (26.780,662).(719,81) = 52.283.004,877 kJ/jam

  Tabel LB.16 Neraca Energi Heat Exchanger II

  Alur Masuk (kJ/jam) Alur Keluar (kJ/jam)

• Umpan 52.283.004,877
• Produk

  52.283.004,877

  

Total 52.283.004,877 52.283.004,877

  

LAMPIRAN C

PERHITUNGAN SPESIFIKASI ALAT

LC.1 Elevator (J-111) Fungsi : Untuk mengangkut sampah dari timbangan ke thresser.

  Jumlah : 1 buah Bahan konstruksi : Besi Laju bahan yang diangkut : 25.000 kg/jam Faktor keamanan : 20%

  Kapasitas = feed x (1 + faktor keamanan) = 25.000 x (1+0,2) = 30.000 kg/jam

  Dari tabel 21.8 Perry dan Green (1999), karena kapasitas lebih besar dari 14 ton/jam, maka bucket elevator dipilih dengan spesifikasi : Ukuran bucket = ( 6 x 4 x 4 ½ ) in Jarak tiap bucket = 12 in Elevator center = 25 ft Kecepatan putar = 43 rpm Kecepatan bucket = 225 ft/menit Daya head shaft = 1 hp Diameter tail shaft = 1 11/16 in Diameter head shaft = 1 15/16 in Pully tail = 14 in Lebar head = 7 in Effesiensi motor = 80% Daya tambahan = 0,02 hp/ft Daya P = (Elevator center x daya tambahan) + daya head shaft

  = 25 x (0,02) + 1 = 1,5 Hp

  (Perry dan Green, 1999)

  LC.2 Thresser (C-110) Fungsi : Untuk mengecilkan ukuran sampah organik yang akan diolah.

  Bahan konstruksi : Besi Merek : HGT-6000 Jumlah : 3 unit Kecepan mesin : 5-15 ton/jam Ukuran hasil cacahan : 0,5-1 cm.

  (Unit Penelitian Bioteknologi Perkebunan Bogor, 2008)

  LC.3 Screw Conveyor 1 (J-121) Fungsi : Mengangkut sampah organik ke tangki penampung.

  Jenis : Horizontal screw conveyor Bahan konstruksi : Carbon steel Kondisi operasi:

  o

  Temperatur = 25 C Tekanan = 1 atm Laju alir bahan : F = 25.000 kg/jam = 55.115,57 lb/jam

  3

  3 Densitas bahan (bulk density) = 18,73 lb/ft (Sudrajat, 2002)

  : ρ = 300 kg/m Jarak angkut : L = 10 m = 32,81 ft Perhitungan

  a. Laju alir volumetrik Direncanakan dalam 1 jam proses cukup ditempuh 1/6 jam kerja (10 menit), maka laju alir volumetrik dalam 10 menit kerja adalah:

  F 55.115,57 lb/jam ³ Q    2.942,64 ft /jam (10 menit kerja) ₃ 18,73 lb/ft ρ

  b. Data conveyor Dipilih screw conveyor dengan diameter 18 in.

  Dari Tabel 5.3 dan Tabel 5.4 Walas (1988) didapatkan harga: Kecepatan putaran maksimum (ω max) = 75 rpm

  3 Kapasitas maksimum (Q max) = 3.400 ft /jam

  Faktor S = 414 (f) = 1,7

  Horse power factor c. Daya conveyor Kecepatan putaran (ω):

  3 Q max 2.942,64ft /jam

  75 rpm  

  ω 64,91 rpm

     ω

  3 Q max 3.400 ft /jam

  Daya conveyor:

• 6

  P = [s . ω + f . . ρ] L 10

• 6

  P = [414 x 64,91 + 1,7 x 2.942,64 x 18,73] 32,81 / 10 P = 3,96 hp Efisiensi conveyor 80 %, maka

  3 ,

  96 P   4 , 95 hp ,

8 Maka dipilih conveyor dengan daya 5 hp.

  LC.4 Tangki Penampung Sampah (F-120) Fungsi : menampung hasil cacahan sampah dari thresser.

  Bentuk : Silinder tegak dengan alas dan tutup ellipsoidal. Bahan konstruksi : Carbon Steel SA-285 Grade A

  

o

  Kondisi operasi : - Temperatur : 25 C

• Tekanan : 1 atm Laju alir sampah organik = 25.000 kg/jam

3 Densitas sampah organik = 300 kg/m (Sudrajat, 2002)

  Kebutuhan perancangan = 1 hari Faktor keamanan = 20% Desain Tangki Ukuran tangki :

  a. Volume tangki Volume sampah, V =

  3 V = = 2.000 m

  Volume tangki (Vt) = Volume sampah x (1+ faktor keamanan) = 2.000 x (1,2)

  3

  = 2.400 m Direncanakan menggunakan 6 unit tangki.

  3 Jadi, volume untuk tiap tangki = 2.400 / 6 = 400 m .

  b. Diameter dan tinggi tangki Direncanakan perbandingan diameter dengan tinggi tangki silinder, D : H = 2 : 3

2 V = H

  πD

  2

  400 = D πD

  3

  400 = πD D = 6,98 m ; H = 3/2D = 3/2 x 6,98 = 10,47 m.

  Jadi, D = 6,98 m = 22,9 ft H = 10,47 m = 34,35 ft

  c. Tebal dinding tangki Volume bahan

  Tinggi bahan dalam tangki =  Tinggi tangki Volume tangki

  2 . 000

  Tinggi bahan dalam tangki = 

  10 , 47 = 8,725 m 2 . 400

  Tekanan hidrostatik: P =  × g × h

  3

  2

  = 300 kg/m × 9,8 m/s × 8,725 m = 25.651,5 Pa = 25,652 kPa

  Tekanan operasi (Po) = 1 atm = 101,325 kPa P = Po + P = 101,325 kPa + 25,652 kPa = 126,98 kPa

  total

  Faktor kelonggaran = 20 % Maka, P = (1,2) × (126,98 kPa) = 152,37 kPa

  design

  Direncanakan menggunakan bahan konstruksi Carbon Steel SA-285 Grade A Dari Brownell & Young (1959) Appendix D, diperoleh data : Allowable stress (S) = 18.750 psi = 129.276,7 kPa Effisiensi Sambungan (E) = 0,8 Tebal dinding silinder tangki : t = t = = 0,005m = 0,197in

  Faktor Korosi = 0,125 in (Timmerhaus,1980) Maka tebal dinding = 0,197 in + 0,125 in = 0,322 in. Dari tabel 5.4 Brownell & Young, 1979 dipilih tebal tangki 0,36 in.