BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Kebutuhan amoniak di dunia terus bertambah, dari 56,9 juta ton pada tahun 1976 menjadi 108 juta ton pada tahun 2002 (Kramer, 2004). Kebutuhan akan amoniak akan terus meningkat, mengingat semakin terbatasnya lahan produktif, sehingga harus menggunakan pupuk kimia untuk meningkatkan produktifitas lahan. Pada tahun 2007, produksi ammoniak meningkat menjadi 153,6 juta ton per tahun dan meningkat lagi menjadi 181 juta ton/tahun.. Menurut IFA 2009 world capacity survey, kapasitas global amoniak akan meningkat sebesar 20% menjadi 218 juta ton amoniak pada tahun 2013 (icis.com, 2010). Perdagangan amoniak terbesar adalah Trinidad dan Tobago 22%, Rusia 18%, Ukraine 10% dan Indonesia 7%, atau seluruhnya 57% dari total di dunia. Dari angka tersebut di atas, dapat dilihat Indonesia merupakan negara keempat terbesar dalam perdagangan amoniak. (Kramer, 2004). Karena itu, di samping Indonesia sebagai Negara agraris, peningkatan produksi amoniak menjadi penting untuk memenuhi kebutuhan akan pupuk. Sintesa amoniak secara pabrikasi memerlukan air dan energi dalam jumlah yang besar. Air digunakan antara lain untuk reaksi, stripping, ekstraksi cair-cair, pencucian. Energi dalam jumlah besar juga diperlukan untuk pemanasan maupun pendinginan (Leewongtanawit dan Kim, 2009; Bagajewicz et.al, 2009). Di samping itu, sintesa amoniak juga menghasilkan limbah cair, dari buangan proses dan kebocoran-kebocoran yang terjadi. Air limbah dari sintesa amoniak yang terbuang ke dalam badan air mengandung bahan-bahan; amoniak, methanol, seng dan mangan (NPI, 1999). Air limbah ini, pada umumnya dialirkan ke instalasi pengolahan air limbah, yang biasa disebut dengan end pipe treatment. Masalah dengan end pipe, begitu limbah dihasilkan dari suatu proses, maka limbah tersebut tidak dapat dihilangkan. Limbah tersebut hanya 1
dapat dikentalkan atau diencerkan, atau mengubah dari satu fasa ke fasa lainnya. Jadi masalah tidak dapat diselesaikan dengan end pipe, kecuali hanya memindahkan dari satu tempat ke tempat lain (Smith, 1995). Sebagai contoh, pada pabrik amoniak, jika air limbah dinetralkan dengan bahan kimia lainnya, maka timbul masalah endapan lumpur, yang masih memerlukan pengolahan lanjut. Padahal, jika kapasitas produksi ditingkatkan, maka energi, pemakaian air dan kapasitas air limbah juga meningkat, yang memerlukan sumber air dan unit pengolahan limbah yang besar pula. Di samping itu, regulasi tentang pemanfaatan sumber air dan pembuangan efluen ke badan air atau ke tanah yang diterapkan oleh pemerintah juga semakin ketat. Untuk mencapai tujuan ini, industri harus mengeluarkan biaya yang tinggi. Wang dan Smith (1994) memperkenalkan metoda disain untuk pemakaian kembali/reuse air maksimal dengan metoda water pinch analysis (WPA) untuk meminimalisasi pemakaian air baku. Mereka mempresentasikan pendekatan grafis, yang diadaptasi dari integrasi panas dengan teknologi pinch. Penggambaran kurva komposit antara masa vs komposisi akan membentuk konkaf, di mana titik terendah dari konkaf yang disebut dengan titik pinch, merupakan titik yang dapat menentukan kebutuhan air baku minimal dan menentukan kapasitas pengolahan air limbah minimal. Struktur jaringannya dirancang dengan menggunakan grid diagram berdasarkan hasil penentuan kebutuhan minimal tersebut. Metoda tersebut mempunyai kelemahan karena tidak punya batasan konsentrasi pencemar yang ke luar dari unit pengolahan yang sesuai dengan standar yang berlaku. Kemudian Smith mengembangkan desain dengan kondisi batas pada laju aliran dan pendistribusian efluen pada sistem pengolahan air limbah. Kuo dan Smith (1997) mengembangkan disain, yaitu interaksi antara minimasi air, sistem regenerasi dan sistem pengolahan air limbah. Alva-Argaez et. al (1998) mengusulkan metoda integrasi untuk mendisain sistem jaringan air dalam industri dengan pendekatan water pinch dan model matematik. Pendekatan yang dilakukan mencakup kemungkinan untuk reuse, regeneration, recycling dan pengolahannya. Mereka mendapat solusi bahwa penggunaan nonconvex MINLP dapat diterapkan. 2
Huang (1999) menggunakan pendekatan NLP untuk sintesa integrasi jaringan pemakaian air dan pengolahan limbah. Model yang dikembangkan Huang ini dapat menyelesaikan metoda water pinch. Dhole et. al. mengoreksi bahwa beberapa unit operasi seperti reactor, cooling tower dan boiler mungkin tidak cukup dimodelkan dengan operasi transport masa. Mereka mengusulkan pemakaian sumber air dan kebutuhan kurva komposit untuk mengalokasikan pemakaian air minimal dan produksi air limbah. Mereka juga menunjukkan bahwa pengadukan yang cukup dan by passing akan mereduksi pemakaian air baku. Begitupun, kemudian ternyata bahwa kecuali jika sistem pencampuran aliran diidentifikasi dengan benar, target yang terlihat dapat lebih tinggi dari kebutuhan minimal air baku dan kapasitas air limbah yang sebenarnya. Srinophakun et. al. (2000) melakukan penelitian pada pabrik tapioka dengan menggunakan metoda mass exchanged networks (MENs) dan teknik optimasi non linier programming (NLP) untuk mengelola pemakaian air dan air limbah. Pada penelitian ini, diasumsikan hanya satu kontaminan yang dominan, yang dinyatakan dalam besaran COD. Hasil penelitiannya menunjukkan dapat menurunkan pemakaian air sebesar 13,22%. Ujang et al. (2002), melakukan penelitian untuk meminimasi kebutuhan air industri dengan menggunakan metoda Water pinch Analysis. Studi ini menunjukkan bahwa pendekatan regenerasi dan reuse dapat efektif meminimumkan konsumsi air baku dan memaksimalkan pemakaian kembali air limbah sebesar 50%. El-Halwagi et al.(2003) mengembangkan sistematika, single-stage, metoda grafik untuk menentukan target minimum pemakaian air dengan teknik reuse/recycling. Mereka menguraikan masalah dengan optimisasi, kemudian menggunakan teknik program dinamis untuk menentukan kondisi matematika dan strategi optimal. Kondisi dan karakteristik yang diperoleh ini, ditransformasikan ke dalam grafik, untuk mendapat target minimum pemakaian air. Grafik dibuat berdasarkan beban vs flow rate, yang menghasilkan target yang pasti tanpa harus melakukan iterasi. Pada masa yang lalu, studi jaringan utilitas air difokuskan pada transfer massa. Akhir-akhir ini, beberapa studi menunjukkan bahwa operasi jaringan air yang tidak berdasarkan transfer massa juga perlu dipertimbangkan. Penggunaan air yang tergolong 3
berdasarkan transfer massa adalah pindahnya spesies dari rich stream ke air yang atau agen pemisah. Juga pada proses absorpsi di mana air merupakan agen pemisah, digunakan untuk memisahkan kontaminan seperti H 2 S dan SO 2 dari aliran gas. Penggunaan air yang tergolong non transfer massa adalah air yang berfungsi selain sebagai agen pemisah, seperti air baku, atau sebagai produk dan produk samping pada reaksi kimia. Juga air yang digunakan untuk pemanas dan pendingin. Karena itu sistem tidak dapat dimodelkan berdasarkan transfer massa seperti yang diusulkan Wang dan Smith. Untuk mengatasi hal tersebut, Manan dan Yee (2003), mengembangkan metoda water cascade analysis (WCA), yang dapat menentukan dengan cepat kebutuhan utilitas dan titik pinch. Suarez et al (2004) mengembangkan metoda superstruktur distribusi pengolahan air limbah dengan optimasi global. Hasilnya menunjukkan pendekatan ini sangat robust dan bermanfaat dalam perancangan jaringan. Karrupiah dan Grossman (2005) melakukan sintesa superstruktur untuk mengintegrasi sistem pemakaian air baku dan pengolahan air limbah dalam satu jaringan agar diperoleh pemakaian air baku dan kapasitas air limbah yang minimum. Lovelady (2005) mengembangkan strategi proses integrasi untuk meminimalkan kebutuhan air dan kapasitas air limbah. Dalam penelitiannya dikembangkan konsep integrasi massa pada pabrik pulp dan kertas sampai strategi optimal operasional dan kontrolnya. Heat recovery steam generators (HRSG) merupakan komponen penting pada rancangan kombinasi powwer plants, karena hubungan antara gas turbin (GT) dan steam turbin (ST) (Franco dan Giannini, 2006). Leewongtanawit dan Kim (2009) melakukan penelitian untuk meningkatkan pemakaian energi pada minimalisasi pemakaian air dengan menggunakan metoda grafis. Pada pabrik amoniak, selain untuk proses, air digunakan untuk steam dan sistem air pendingin untuk mencapai suhu yang diinginkan, untuk memisahkan amoniak dari gas-gas lainnya dan untuk menjadikan amoniak dari bentuk gas menjadi bentuk cair. Penelitian-penelitian terdahulu, banyak dilakukan sehubungan dengan masalah-masalah pengolahan air pendingin, mereduksi pemakaian air, konservasi energi dan masalahmasalah lain yang sering terjadi pada sistem air pendingin. Kim dan Smith (2001, 2004), 4
melakukan penelitian yang lebih luas, di mana penelitian dilakukan sehubungan dengan cooling tower dan heat exchanger network, karena interaksi antara jaringan cooling water system dan performa cooling tower seharusnya didisain dan dioperasikan dengan mempertimbangkan seluruh komponen pada cooling system. Dari penjelasan di atas dapat dilihat, pada masa yang akan datang sangat penting untuk menghemat pemakaian air, karena terbatasnya sumber daya air dan mereduksi kapasitas air limbah untuk mengurangi beban lingkungan. Pentingnya penelitian ini, karena dari penelitian ini akan diperoleh suatu metoda untuk meminimasi pemakaian air baku dan kapasitas air limbah yang dihasilkan, dengan cara melakukan sintesa jaringan secara terintegrasi, melakukan simulasi dan optimasi untuk pemakaian air dan pengolahan air limbah, yang berarti meminimasi biaya operasi dan pemeliharaan secara keseluruhan. 1.2 Perumusan masalah Pemakaian air untuk industri dan air limbah yang dibuang ke lingkungan akan terus meningkat. Pada gilirannya, akan menimbulkan masalah keterbatasan sumber air yang dipergunakan untuk proses industri dan masalah beban lingkungan akibat air buangannya yang kembali ke alam. Agar tercapai keberlanjutan proses industri, maka sudah saatnya dilakukan penghematan dalam penggunaan sumber daya alam dan seminimal mungkin membebani alam, karena beban limbah yang dibuang ke alam tidak dapat dipulihkan secara sempurna. Dari masalah di atas, pada penelitian ini akan dikembangkan metoda untuk meminimalisasi pemakaian air dan kapasitas air limbah industri, dengan menerapkan proses secara terintegrasi yaitu meningkatkan reuse, regeneration dan recycling pada jaringan utilitas air. 1.3 Tujuan penelitian Tujuan utama dari penelitian ini adalah mengembangkan metoda untuk meminimalisasi pemakaian air dan mereduksi kapasitas pengolahan air limbahnya. Untuk mencapai tujuan tersebut, maka dilakukan penelitian 2 tahap dengan tujuan masingmasing tahap sebagai berikut: 5
Tahap I : Membandingkan hasil optimalisasi kapasitas pengolahan air limbah dengan metoda pinch dan supertruktur. Membandingkan hasil otimasi jaringan air pendingin dengan metoda pinch dan superstruktur. Mengoptimasi kebutuhan air steam dengan metoda pinch. Tahap II : Pada tahap kedua dilakukan optimalisasi secara simultan untuk struktur jaringan air pendingin, distribusi air limbah pada unit pengolahan air limbah dan sistem steam. 1.4 Manfaat Penelitian Penelitian ini akan menghasilkan suatu metoda untuk meminimalisasi pemakaian air baku dan kapasitas pengolahan air limbah, yang berarti juga meminimalisasi biaya operasi dan pemeliharaan industri secara keseluruhan. Metoda yang dihasilkan dibuat agar mudah untuk diaplikasikan di industri-industri di Indonesia. 1.5 Originalitas Penelitian Penelitian terdahulu dilakukan secara terpisah untuk mengoptimasi sistem operasi, sistem pengolahan air limbah, sistem air pendingin, sistem steam dan jaringan penukar panas. Tidak seluruh proses di industri menggunakan air dalam prosesnya, seperti proses pada industri amoniak. Proses pada industri amoniak menggunakan steam tekanan tinggi untuk mereaksikan gas alam dan H 2 O (steam). Untuk menghasilkan amoniak cair diperlukan pendinginan untuk mencapai suhu tertentu. Oleh karena itu, pada industri amonniak kebutuhan air terbesar digunakan untuk air pendingin dan steam. Hasil penelusuran pustaka, belum dilakukan optimasi system air pendingin, system pengolahan air limbah dan system steam secara simultan. Penelitian dilakukan untuk mengoptimasi kebutuhan air pada system air pendingin, distribusi efluen pada pengolahan air limbah dan kebutuhan air steam secara simultan dengan menggunakan Program Matlab 7. 6