Desain Proses Pengelolaan Limbah Vinasse dengan Metode Pemekatan dan Pembakaran pada Pabrik Gula- Alkohol Terintegrasi Disusun oleh : Iqbal Safirul Barqi 2308 100 151 Muhammad Fauzi 2308 100 176 Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Tontowi Ismail, MS Laboratorium Teknologi Biokimia Institut Teknologi Sepuluh November
Pabrik Etanol berbahan baku molasse LIMBAH VINASSE Pengelolaan Limbah Dengan Metoda Pemekatan Dan Pembakaran Tidak Layak Buang
Panas, temperatur = ± 100 o C BOD > 30.000 ppm COD > 50.000 ppm
Oksidasi biologis Anaerobik : Aerobik : Vinasse Senyawa Organik + O 2 Oksidasi Fisik Temperatur tinggi ±1000 o C CO2 + H2O + ash
pengolahan secara anaerob Biasanya maksimal hanya mampu memproses limbah dengan BOD sekitar 20000 ppm, dengan efisiensi 80%. pengolahan secara aerob Umumnya hanya bisa dilakukan setelah nilai BOD kurang dari 2000 ppm
Metode Pemekatan Disertai Pembakaran Limbah Vinasse T = ±100 o C Energi EVAPORASI Fuel Vapor T=±100 o C INSENERASI Vinasse Pekat Abu
Perumusan Masalah Permasalahan yang diangkat dalam penelitian ini adalah : a) Bagaimana memilih dan mendesain proses yang efisien pada pengelolaan limbah vinasse dengan metode pemekatan dan pembakaran pada pabrik gula-alkohol terintegrasi? b) Bagaimana merekomendasikan pemanfaatan air yang didapat dari vapor produk evaporasi limbah vinasse serta merekomendasikan pemanfaatan energi hasil pembakaran vinasse?
Batasan Masalah Batasan masalah dalam penelitian ini ialah : a) Limbah yang dipakai untuk penelitian ini adalah limbah pabrik etanol (vinasse) yang berbahan baku molases (tetes). b) Sistem yang ditinjau ialah pabrik etanol dari bahan baku molases yang terintegrasi dengan pabrik gula.
Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah untuk : a) Menawarkan rancangan alternatif proses pengolahan limbah vinasse secara fisik, yaitu dengan metode pemekatan disertai pembakaran, yang akan diterapkan pada pabrik etanol yang terintegrasi dengan pabrik gula. b) Mengetahui seberapa besar air yang bisa di-recovery dari proses pengolahan limbah vinasse dengan metode pemekatan disertai pembakaran serta merekomendasikan penggunaannya. c) Mengetahui seberapa besar energi hasil pembakaran vinasse yang bisa digunakan kembali untuk keperluan proses serta merekomendasikan penggunaannya.
Manfaat Penelitian Penelitian ini bermanfaat untuk : a) Membantu menyelesaikan permasalahan pembuangan limbah vinasse yang selama ini menjadi persoalan utama pabrik etanol. b) Memberikan pilihan recovery panas dan konservasi air di pabrik etanol dan gula melalui pengolahan limbah vinasse dengan metode pemekatan dan pembakaran
Identifikasi informasi proses pada pabrik alkohol dan pabrik gula Perancangan dan Analisa Proses Pembuatan alternatif proses pemekatan Perhitungan proses pembakaran Menghitung heating value vinasse pekat Membuat neraca massa dan energi proses insinerasi Menghitung Biaya pengolahan limbah
ALTERNATIF PROSES PEMEKATAN Variabel proses 1. Single Effect Evaporator dengan jaringan penukar panas Menggunakan Pinch design method 2. Single Effect Evaporator dengan Mechanical Vapor Recompression (MVR) 3. Single Effect Evaporator dengan Kondisi Vakum 4. Double Effect Evaporator 5. Triple Effect Evaporator 6. Quadruple Effect Evaporator 7. Quintuple effect Evaporator
PROSES PEMBAKARAN Mencari Heating Value Vinasse Pekat 1. Mengambil sampel vinasse dari pabrik alkohol PT.Molindo. 2. Menghitung kadar solid sampel vinasse menggunakan refraktometer 3. Memekatkan vinasse hingga kepekatan 80% solid dengan cara memanaskan menggunakan hot plate kemudian membandingkan beratnya dengan berat awal. Temperature pemanasan dijaga antara100-105 o C untuk mencegah terjadinya karamelisasi. 4. Analisa heating value vinasse 80% solid menggunakan bom kalorimeter. 5. Dengan perhitungan matematis, dihitung heating value vinasse kering dengan rumusan: Hc vinasse kering = Hc vinasse 80% + m air dalam sampel. λ air Menghitung Neraca Massa dan Energi Proses Insinerasi Output : Kebutuhan Fuel dan Flue gas dihasilkan
Basis perhitungan : Feed vinasse = 27,84 ton/jam %solid feed = 10% %solid produk vinasse pekat = 45% T vinasse = 85 o C Neraca massa umum : Feed = 27,84 ton/jam evaporator Vapor = 21,95 ton/jam Air yang bisa ter-recovery produk = 5,89 ton/jam
Alternatif 1: Single effect evaporator dengan jaringan penukar panas
Perancangan jaringan penukar panas Aliran dingin No Suhu Pasok ( o C) Suhu Target ( o C) cp (kj/kg o C) Mass (ton/jam) CP (kw/ o C) DH (kw) 1 55 70 3,820235754 304,5613095 323,19333 4847,9 2 70 105 3,827308025 311,7118794 331,39372 11598,78 3 103 110 3,828672782 259,2118794 275,67707 1929,74 4 30 85 3,680513163 29,93533107 30,604828 1683,266 Total energi aliran dingin = 20059,69 Aliran panas Suhu Pasok Suhu Target No cp (kj/kg ( o C) ( o C) o C) Mass (ton/jam) CP (kw/ o C) DH (kw) 1 120 30 3,587645605 31,878 31,768602 2.859,174 2 100 99 2.259,999734 21,95073761 13780,184 13.780,18 3 99 60 4,179816 21,95073761 25,486123 993,9588 Total energi aliran panas = 17.633,32
Kurva komposit
Diagram grid
Flowsheet pabrik gula-alkohol disertai unit pengolahan limbah dengan jaringan penukar panas terintegerasi
Kebutuhan kapital : Luas area evaporator = 484,24 m 2 Heat exchanger = HE 1 = 31,43 m 2 HE 2 = 242,71 m 2 HE 3 = 87,36 m 2 HE 4 = 27,67 m 2 Kebutuhan Operasional : Steam : steam untuk evaporator = 22.897,11 kg/jam steam yang direcovery oleh panas vapor produk evaporasi = 21.372,66 kg/jam sehingga net kebutuhan steam = 1.525,15 kg/jam Air pendingin = 69.513,41 kg/jam
Alternatif 2: Single Effect Evaporator dengan Mechanical Vapor Recompression (MVR)
Kebutuhan kapital : luas area evaporator = 484,24 m 2 Kompressor dengan power = 969,76 hp Kebutuhan operasional : Steam = 947,07 kg/jam Air pendingin = 0,00 kg/jam Listrik = 723,7 kwh
Alternatif 3: Single Effect Evaporator dengan kondisi vakum Kebutuhan kapital : area evaporator = 75,75 m 2 Ejector dengan diameter = 4 in Area barometric kondensor = 3,35 m 2 Kebutuhan operasional : Steam = 21.421,62 kg/jam Air pendingin = 405.388,13 kg/jam
Alternatif 4: Double Effect Evaporator Kebutuhan kapital : area evaporator = 143,73 m 2 Ejector dengan diameter = 6 in Area barometric kondensor = 1,74 m 2 Kebutuhan operasional : Steam = 10.960,18 kg/jam Air pendingin = 209.873,01 kg/jam
Alternatif 5: Triple Effect Evaporator Kebutuhan kapital : area evaporator = 303,26 m 2 Ejector dengan diameter = 6 in Area barometric kondensor = 1,2 m 2 Kebutuhan operasional : Steam = 7.721,65 kg/jam Air pendingin = 145.564,94 kg/jam
Alternatif 6: Quadruple Effect Evaporator Kebutuhan kapital : area evaporator = 447,51 m 2 Ejector dengan diameter = 6 in Area barometric kondensor = 0,94 m 2 Kebutuhan operasional : Steam = 6.023,18 kg/jam Air pendingin = 114.631,14 kg/jam
Alternatif 7: Quintuple Effect Evaporator Kebutuhan kapital : area evaporator = 523,94 m 2 Ejector dengan diameter = 6 in Area barometric kondensor = 0,94 m 2 Kebutuhan operasional : Steam = 4.989,72 kg/jam Air pendingin = 90.312,06 kg/jam
Basis perhitungan : Feed vinasse pekat = 5889,59 kg/jam %moisture = 55% %non-combustible solid (ash) = 30% total solid (Brunner) Temperatur pembakaran = 1000 o C Temperatur keluaran ash = 500 o C
Heating value vinasse Hasil analisa bom kalorimeter: Heating value vinasse 82% solid = 10.562,86 kj/kg Hasil perhitungan : Hc vinasse kering = Hc vinasse 80% + m air dalam sampel. λ air = 10.969,11 kj/jam Hc volatile content vinasse = Hc vinasse 80% + m air dalam sampel. λ air + m ash. cp ash. T ash Hc volatile content vinasse = 11.070,92 kj/kg
Perhitungan neraca massa dan energi proses pembakaran
Hasil perhitungan proses insinerasi Bahan bakar dibutuhkan = 698,93 L/jam Flue gas dihasilkan = 25.075,29 kg/jam T flue gas = 1000 o C Energy recovery Flue gas masuk boiler menghasilkan steam. steam dihasilkan = 12.642,11 kg/jam (asumsi saturated steam 115 o C)
Perhitungan Total Annual Cost
Annual Capital Cost Perbandingan harga peralatan masing-masing alternatif proses Alternatif proses 1 2 3 4 5 6 7 Evaporator $2.117.186,1 $2.117.186,1 $561.908,68 $832.499,31 $1.224.453,1 $1.985.500 $2.300.845,4 Ejector - - $5.981,04 $9.280,9 $9.280,93 $9.280,9 $9.280,9 Barometrik kondenser - - $12.477,69 $9.177,81 $7.630,99 $6.806,01 $6.187,29 Compressor $462.396,5 Heat exchanger Piping and Instrument $121.018,2 $313.348,61 $361.141,56 $81.251,44 119.134,13 $207.731 $280.222 $324.284 Total cost $2.551.552,94 $2.940.724,2 $661.618,85 $970.092,18 $1.667.096,1 $2.281.809,2 $2.640.597.5
annual capital cost = P*[(i(1+i)n]/[(1+i)n-1] keterangan: P = harga sekarang i = interest rate = 12% n = umur alat = 5 tahun kurs rupiah sebesar $1 = Rp9.450,00
Perbandingan annual capital cost masing-masing alternatif proses Proses Annual capital cost Single effect with pinch IDR 8.694.297.837,1 Single effect with MVR IDR 9.714.518.757,9 Single effect vacuum IDR 3.739.794.110,3 Double effect IDR 4.548.463.707,2 Triple effect IDR 6.375.674.850,5 Quadruple effect IDR 7.987.158.586,1 Quintuple effect IDR 8.927.730.083,7
Grafik Perbandingan annual capital cost masing-masing alternatif proses
Annual operational cost Perbandingan penggunaan utilitas masing-masing alternatif proses Proses Steam (kg/h) Cooling water (kg/h) Listrik (kw) Single effect with pinch 1.525,15 69.513,41 Single effect vacuum 21.421,62 405.388,19 Single effect with MVR 947,07 0,00 723,71 Double effect 10.960,18 209.873,01 Triple effect 7.721,65 145.564,94 Quadruple effect 6.023,89 114.631,14 Quintuple effect 4.987,72 90.312,06
Basis Perhitungan Daftar Harga : Steam = Rp 173,000.- per ton = Rp 173.- per kg (www.urbanecology.org.au) Harga air = Rp 2.000,- per m 3 = Rp 2.- per kg (PDAM) Harga listrik = Rp 460.- per kwh (PLN) Harga Bahan Bakar = Rp 7,500.- per liter (pertamina) asumsi waktu operasi pabrik: 1 tahun = 330 hari 1 hari = 24 jam
Penghematan oleh recovery air dan energi air yang bisa di-recycle sebesar 21.950,74 kg/jam Rp43.901,48 per jam steam dihasilkan dari proses pembakaran sebesar 12.642,11 kg/jam Rp2.187.085,45 per jam
Perbandingan annual operational cost masing-masing alternatif proses biaya operasional tahunan = biaya steam + biaya air pendingin + biaya listrik + biaya bahan bakar biaya penghematan air biaya penghematan steam. Proses Single effect with pinch Single effect with MVR Single effect vacuum Double effect Triple effect Quadruple effect Quintuple effect annual energy cost Rp27.037.963.087 Rp27.781.417.815 Rp59.619.558.347 Rp42.188.748.563 Rp36.732.805.280 Rp33.916.621.235 Rp32.111.686.690
Grafik perbandingan annual operational cost masing-masing alternatif proses
Total Annual Cost Basis produksi ethanol = 2.095,12 kg/jam Proses Total annual cost Biaya per kg etanol Single effect with pinch IDR 35.732.260.924 IDR 2.153,42 Single effect with MVR IDR 37.495.936.573 IDR 2.259,71 Single effect vacuum IDR 63.359.352.458 IDR 3.818,38 Double effect IDR 46.737.212.271 IDR 2.816,64 Triple effect IDR 43.108.480.131 IDR 2.597,95 Quadruple effect IDR 41.903.779.821 IDR 2.525,35 Quintuple effect IDR 41.039.416.773 IDR 2.473,26
Grafik perbandingan Total Annual Cost
Kesimpulan Pemilihan terbaik proses pengolahan limbah vinasse dengan metode pemekatan dan pembakaran ialah dengan menggunakan single effect evaporator dengan jaringan penukar panas dengan total annual cost sebesar Rp35.732.260.924 per tahun. Biaya tersebut mempengaruhi biaya produksi etanol sebesar Rp2.153,42/kg.
Rincian proses yang direkomendasikan: Kebutuhan Peralatan Evaporator dengan luas area = 484,24 m 2 4 buah heat exchanger dengan area : HE 1 = 31,43 m 2 HE 2 = 242,71 m 2 HE 3 = 87,36 m 2 HE 4 = 27,67 m 2 Kebutuhan Operasional Steam : steam untuk evaporator = 22.897,11 kg/jam steam yang direcovery oleh panas vapor produk evaporasi = 21.372,66 kg/jam sehingga net kebutuhan steam = 1.525,15 kg/jam Air pendingin = 69.513,41 kg/jam Bahan bakar (burning aid insinerasi) = 1.141,92 L/jam
Recovery air dan energi Air proses yang bisa digunakan sebesar 21.950,74 kg/jam dari kondensat vapor produk evaporasi. Air bisa digunakan untuk keperluan imbibisi di pabrik gula. Steam yang dihasilkan dari proses pembakaran vinasse sebesar 12.642,11 kg/jam
Saran Perlu tinjauan secara eksperimen mengenai kebutuhan bahan bakar untuk membakar vinasse karena dalam penelitian ini hanya ditinjau secara perhitungan neraca massa dan energi, data eksperimen dibutuhkan untuk memvalidasinya. Pada lokasi dimana harga listrik lebih terjangkau dibandingkan dengan harga steam, maka kemungkinan lebih cocok menggunakan evaporator dengan mechanical vapor recompression. Kendala terbesar dari aplikasi pembakaran vinasse ialah kebutuhan bahan bakar yang cukup besar karena vinasse tidak bisa terbakar dengan spontan. Biaya untuk bahan bakar merupakan pengeluaran yang terbesar. Maka, alternative untuk mengatasi persoalan ini ialah: Mencari bahan bakar alternative yang lebih murah dari gasoline, misalnya batubara. Namun perlu tinjauan lebih lanjut mengenai teknis pembakarannya. Vinasse yang telah dipekatkan tidak dibakar, melainkan dijadikan pupuk organik, mengingat kandungan organik pada vinasse cukup tinggi. Untuk itu perlu penelitian lebih lanjut untuk detail teknisnya.
TERIMA KASIH