Desain Proses Pengelolaan Limbah Vinasse dengan Metode Pemekatan

dan Pembakaran pada Pabrik Gula-Alkohol Terintegrasi

Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Tontowi Ismail, MS

Disusun oleh :Iqbal Safirul Barqi2308 100 151Muhammad Fauzi2308 100 176

Laboratorium Teknologi BiokimiaInstitut Teknologi Sepuluh November

Pabrik Etanol berbahanbaku molasse

LIMBAH VINASSE

Tidak Layak Buang

Pengelolaan Limbah Dengan Metoda Pemekatan Dan Pembakaran

• Panas, temperatur = ±100oC

• BOD > 30.000 ppm • COD > 50.000 ppm

Vinasse

Oksidasi biologis

Oksidasi Fisik

• Aerobik :

• Anaerobik :

Senyawa Organik + O2

CO2 + H2O + ash

Temperatur tinggi±1000oC

• pengolahan secara anaerob– Biasanya maksimal hanya mampu memproses

limbah dengan BOD sekitar 20000 ppm, denganefisiensi 80%.

• pengolahan secara aerob– Umumnya hanya bisa dilakukan setelah nilai BOD

kurang dari 2000 ppm

Metode PemekatanDisertai Pembakaran

Limbah VinasseT = ±100oC

EVAPORASI

VaporT=±100oC

VinassePekat

INSENERASIEnergi

Abu

Fuel

Perumusan MasalahPermasalahan yang diangkat dalam penelitian ini adalah :a) Bagaimana memilih dan mendesain proses yang

efisien pada pengelolaan limbah vinasse denganmetode pemekatan dan pembakaran pada pabrikgula-alkohol terintegrasi?

b) Bagaimana merekomendasikan pemanfaatan air yang didapat dari vapor produk evaporasi limbahvinasse serta merekomendasikan pemanfaatanenergi 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 terintegrasidengan pabrik gula.

Tujuan PenelitianTujuan penelitian ini adalah untuk :a) Menawarkan rancangan alternatif proses pengolahan

limbah vinasse secara fisik, yaitu dengan metodepemekatan disertai pembakaran, yang akan diterapkanpada pabrik etanol yang terintegrasi dengan pabrik gula.

b) Mengetahui seberapa besar air yang bisa di-recovery dariproses pengolahan limbah vinasse dengan metodepemekatan disertai pembakaran sertamerekomendasikan penggunaannya.

c) Mengetahui seberapa besar energi hasil pembakaranvinasse yang bisa digunakan kembali untuk keperluanproses 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 dankonservasi air di pabrik etanol dan gulamelalui pengolahan limbah vinasse denganmetode pemekatan dan pembakaran

Identifikasi informasi proses pada pabrikalkohol 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 PEMEKATANVariabel proses1. 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 Vakum4. Double Effect Evaporator5. Triple Effect Evaporator6. Quadruple Effect Evaporator7. Quintuple effect Evaporator

PROSES PEMBAKARAN• Mencari Heating Value Vinasse Pekat1. Mengambil sampel vinasse dari pabrik alkohol

PT.Molindo.2. Menghitung kadar solid sampel vinasse

menggunakan refraktometer3. Memekatkan vinasse hingga kepekatan 80% solid

dengan cara memanaskan menggunakan hot platekemudian membandingkan beratnya dengan beratawal. Temperature pemanasan dijaga antara 100-105oC 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:

∆Hcvinasse kering = ∆Hcvinasse 80% + mair dalam sampel . λair

• Menghitung Neraca Massa dan Energi Proses InsinerasiOutput : Kebutuhan Fuel dan Flue gas dihasilkan

Basis perhitungan :Feed vinasse = 27,84 ton/jam%solid feed = 10%%solid produk vinasse pekat = 45%Tvinasse = 85oC

Neraca massa umum :

evaporatorFeed = 27,84 ton/jam

Vapor = 21,95 ton/jam

produk = 5,89 ton/jam

Air yang bisa ter-recovery

Alternatif 1: Single effect evaporator denganjaringan penukar panas

Perancangan jaringan penukar panas

NoSuhu Pasok

(oC)Suhu Target

(oC)cp (kJ/kgoC) Mass (ton/jam) CP (kW/oC) 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

NoSuhu Pasok

(oC)Suhu Target

(oC)cp (kJ/kgoC) Mass (ton/jam) CP (kW/oC) 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 993,9588Total energi aliran panas = 17.633,32

• Aliran dingin

• Aliran panas

Kurva komposit

Diagram grid

Flowsheet pabrik gula-alkohol disertai unit pengolahan limbahdengan jaringan penukar panas terintegerasi

• Kebutuhan kapital :– Luas area evaporator = 484,24 m2

– Heat exchanger = • HE 1 = 31,43 m2

• HE 2 = 242,71 m2

• HE 3 = 87,36 m2

• HE 4 = 27,67 m2

• 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 denganMechanical Vapor Recompression (MVR)

• Kebutuhan kapital :– luas area evaporator = 484,24 m2

– 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 dengankondisi vakum

• Kebutuhan kapital :– area evaporator = 75,75 m2

– Ejector dengan diameter = 4 in– Area barometric kondensor = 3,35 m2

• 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 m2

– Ejector dengan diameter = 6 in– Area barometric kondensor = 1,74 m2

• 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 m2

– Ejector dengan diameter = 6 in– Area barometric kondensor = 1,2 m2

• 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 m2

– Ejector dengan diameter = 6 in– Area barometric kondensor = 0,94 m2

• 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 m2

– Ejector dengan diameter = 6 in– Area barometric kondensor = 0,94 m2

• 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 = 1000oC Temperatur keluaran ash = 500oC

Heating value vinasse

• Hasil analisa bom kalorimeter:– Heating value vinasse 82% solid = 10.562,86 kJ/kg

• Hasil perhitungan :∆Hcvinasse kering= ∆Hcvinasse 80% + mair dalam sampel . λair = 10.969,11 kJ/jam∆Hcvolatile content vinasse= ∆Hcvinasse 80% + mair dalam sampel . λair

+ mash . cpash . ∆Tash

∆Hcvolatile content vinasse= 11.070,92 kJ/kg

Perhitungan neraca massa dan energiproses pembakaran

Hasil perhitungan proses insinerasi

• Bahan bakar dibutuhkan = 698,93 L/jam• Flue gas dihasilkan = 25.075,29 kg/jam

– Tflue gas = 1000oC

Energy recoveryFlue gas masuk boiler menghasilkan steam.steam dihasilkan = 12.642,11 kg/jam (asumsi saturated steam 115oC)

Perhitungan Total Annual Cost

Annual Capital Cost

Alternatif proses1 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

Barometrikkondenser

- - $12.477,69 $9.177,81 $7.630,99 $6.806,01 $6.187,29

Compressor $462.396,5

Heat exchanger

$121.018,2

Piping and Instrument

$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

Perbandingan harga peralatan masing-masing alternatif proses

annual capital cost = P*[(i(1+i)n]/[(1+i)n-1]keterangan:P = harga sekarangi = interest rate = 12%n = umur alat = 5 tahun

• kurs rupiah sebesar $1 = Rp9.450,00

Perbandingan annual capital costmasing-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

ProsesSteam (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

Perbandingan penggunaan utilitas masing-masing alternatif proses

Basis PerhitunganDaftar Harga :• Steam = Rp 173,000.- per ton = Rp 173.- per kg

(www.urbanecology.org.au)• Harga air = Rp 2.000,- per m3 = 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 pembakaransebesar 12.642,11 kg/jam Rp2.187.085,45 per jam

Perbandingan annual operational costmasing-masing alternatif proses

biaya operasional tahunan = biaya steam + biaya air pendingin + biaya listrik + biaya bahan bakar – biaya penghematan air – biaya penghematansteam.

Proses annual energy cost

Single effect with pinch Rp27.037.963.087

Single effect with MVR Rp27.781.417.815

Single effect vacuum Rp59.619.558.347

Double effect Rp42.188.748.563

Triple effect Rp36.732.805.280

Quadruple effect Rp33.916.621.235

Quintuple effect Rp32.111.686.690

Grafik perbandingan annual operational cost masing-masing alternatif proses

Total Annual Cost

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

Basis produksi ethanol = 2.095,12 kg/jam

Grafik perbandingan Total Annual Cost

Kesimpulan

• Pemilihan terbaik proses pengolahan limbahvinasse dengan metode pemekatan danpembakaran ialah dengan menggunakansingle effect evaporator dengan jaringanpenukar panas dengan total annual cost sebesar Rp35.732.260.924 per tahun. Biayatersebut mempengaruhi biaya produksi etanolsebesar Rp2.153,42/kg.

• Rincian proses yang direkomendasikan:– Kebutuhan Peralatan

• Evaporator dengan luas area = 484,24 m2

• 4 buah heat exchanger dengan area :– HE 1 = 31,43 m2

– HE 2 = 242,71 m2

– HE 3 = 87,36 m2

– HE 4 = 27,67 m2

– 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 bisadigunakan untuk keperluan imbibisi di pabrik gula.

• Steam yang dihasilkan dari proses pembakaran vinassesebesar 12.642,11 kg/jam

Saran• Perlu tinjauan secara eksperimen mengenai kebutuhan bahan bakar untuk

membakar vinasse karena dalam penelitian ini hanya ditinjau secaraperhitungan neraca massa dan energi, data eksperimen dibutuhkan untukmemvalidasinya.

• Pada lokasi dimana harga listrik lebih terjangkau dibandingkan denganharga steam, maka kemungkinan lebih cocok menggunakan evaporator dengan mechanical vapor recompression.

• Kendala terbesar dari aplikasi pembakaran vinasse ialah kebutuhan bahanbakar yang cukup besar karena vinasse tidak bisa terbakar denganspontan. 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 ituperlu penelitian lebih lanjut untuk detail teknisnya.

TERIMA KASIH