Desain Pemurnian [PDF]

Citation preview

PROCESS AND EQUIPMENT DESIGN PURIFICATION STATION



Fathur Rahman Rifai Sugar Technology Division LPP Yogyakarta



SEKILAS STASIUN PEMURNIAN Stasiun pemurnian adalah stasiun dimana langkah pemisahan kotoran nira untuk pertama kali dilakukan. Fungsi Stasiun Pemurnian : menghilangkan kotoran sebanyakbanyaknya dalam waktu singkat dan biaya murah, tanpa menimbulkan (meminimalkan) kerusakan dan kehilangan sukrosa. (Soejardi,2004)



SEKILAS STASIUN PEMURNIAN Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam desain maupun operasional stasiun pemurnian adalah : 



Komposisi nira Fisis dan Khemis







Jenis reaksi didalam pemurnian







Sasaran hasil reaksi



TUJUAN STASIUN PEMURNIAN NIRA Cane Sugar Engineering, Prof. Peter Rein, 2007 



Membentuk flok endapan untuk menangkap semua zat tersuspensi sehingga dapat diendapkan dengan kecepatan yang diinginkan.







Untuk mengkondisikan suhu, pH dan konsentrasi ion yang akan memaksimalkan terjadinya presipitasi (pengendapan) dari impurities (kotoran) terlarut dalam nira.







Untuk menghasilkan nira encer (jernih) dengan kualitas tinggi, yaitu turbidity, warna dan kandungan kalsium (Ca2+) minimum.







Untuk menghasilkan endapan (mud) yang baik (dapat diterima) untuk proses filtrasi yang optimal.







Untuk menjalankan fungsinya seperti tersebut diatas dengan biaya, waktu tinggal, kehilangan gula (sukrosa) dan pembentukan warna minimum.







Untuk mendapatkan nira encer dengan pH yang meminimalkan terjadinya inversi di proses selanjutnya yaitu stasiun evaporator.



KOMPOSISI KOTORAN DALAM NIRA / BUKAN GULA (NON SUGAR) QUANTITIES OF NONSUGARS IN STRAINED MILL JUICE REMOVABLE BY CENTRIFUGAL ACTION (mg/L)



*Principles Of Sugar Technology Vol I, Pieter Honig, p.493



VARIATIONS IN AMMOUNTS OF REMOVABLE NONSUGARS PRESENT IN MIXED JUICE (mg/L)



*Principles Of Sugar Technology Vol I, Pieter Honig, p.499



EFEK PEMANASAN NIRA



*Principles Of Sugar Technology Vol I, Pieter Honig, p.494



BEHAVIOUR OF THE REMOVABLE NON SUGARS IN CLARIFICATION (Perilaku Bukan Gula Dalam Proses Pemurnian) *Principles Of Sugar Technology Vol I, Pieter Honig, p.495



Efek Penambahan Kapur dan Pemanasan Dalam Proses Pemurnian



*Principles Of Sugar Technology Vol I, Pieter Honig, p.496



A. PEMISAHAN BAGASILO



SCREENING DAN STRAINING (FINE-BAGASSE SEPARATORS)







Nira gilingan banyak mengandung ampas halus (Fine-Bagasse)







Ampas halus ~ Bagacillo ~ Cush-cush







Ampas halus ~ 1-10 g bahan kering per liter nira.







Alat yang digunakan (sasaran 2 g bagacilo/ kg nira) :  Cush Cush screen  DSM Screen  Rotary Screen  Vibrating Screen



CUSH-CUSH SCREEN Kebutuhan :



Pembagian : 3 bagian untuk gilingan 1, 2 bagian untuk gilingan 2 dan 1 bagian untuk tiap gilingan selanjutnya



Ukuran screen & tebal plate : Gilingan 1 & 2, tebal plate & diameter hole = 0,8 – 1 mm, 29 – 45 hole per cm2 Gilingan 3 dst. , tebal plate & diameter hole = 1,6 mm 13 hole per cm2



DSM SCREEN



Fungsi : 1st screen atau 2nd screen dan single screen Screen :  Susunan horizontal prismatic bar.  Bahan bar : stainless steel atau Bronze (bronze menghambat pertumbuhan bakteri / oligodinamis)  Screen membentuk kurve dengan sudut 45 derajat  Panjang kurve screen ~ 1.6 m  Lebar screen : 91, 122, 152, 183, dan 213 cm Aplikasi



DSM Screen



Kapasitas: Spacing,mm 1.6 1.2 0.8 0.65



Kap. (t/jam/m2) 34 29 25 21



Material: stainless steel SUS 304



DSM Screen



ROTARY SCREEN  Kapasitas : 20-40 ton juice/(jam.m2), umumnya dipakai 20 t/(jam.m2)  Screen : metalic woven, SUS 304, DSM screen type  Spacing : 0,5 – 0,8 mm  Ukuran : diameter: 1,6 – 3 m, panjang : 4,5 – 5 m  Putaran : 5-15 menit tiap putaran



 Daya : 7,5 kW



VIBRATING SCREEN  Ukuran 1,25 m x 3 m



 Stainless Steel 17% chromium



 Kapasitas 125 m3/jam



triangular bar tebal 6 mm, jarak



 Penghilangan hingga 0,4 – 0,5 g/l,



antar bar (lubang) 0,75 mm.



(Fixed screen: 0,6 – 1,5 g/l)



 Motor 2 x 3 kW, 1460 rpm



B. PEMISAHAN BAHAN BUKAN GULA TERLARUT



PERAN PHOSPAT



TEKNOLOGI DEFEKASI Biasa dikenal juga sebagai Liming



Cold Liming  NM (pH 5,5) + liming  pH 7,2-8,3  heating ( titik didih)  Flashing  Subsidation Intermediate Liming  NM heating (75C)  intermediate tank (8-10 menit) liming diinjeksikan sebelum masuk pompa heating (titik didih)Flashing  Subsidation  Reaksi penghilangan starch  Reaksi Diastase (NM) + Starch (Filtrate) ; 50-60% pati terurai Hot Liming  NM  heating (70C)  + liming (7,2-8,3)  dipanaskan (titik didih)  Flashing  Subsidation Fractional Liming, (modifikasi hot liming)  NM + SK (33%) heating+ liming  heating (titik didih)Flashing Subsidation



KEUNTUNGAN HOT LIMING 



Buih lebih sedikit







Kondumsi kapur lebih rendah (27% dari Cold Liming)







Nira jernih lebih jernih (Hugot, 1986); tidak ada perbedaan signifikan (Rein, 2007)







Volume mud lebih tinggi







Penapisan/filtrasi nira kotor (mud) lebih baik  Blotong lebih kering dan berpori







Senyawa koloid berbasis nitrogen lebih banyak dipisahkan (80% dari 50%)







Wax lebih banyak dipisahkan (90% dari 70%)







Komponen dextran yang dihilangkan lebih sedikit diatas cold liming



KEUNTUNGAN HOT LIMING 



Buih lebih sedikit







Kondumsi kapur lebih rendah (27% dari Cold Liming)







Nira jernih lebih jernih (Hugot, 1986); tidak ada perbedaan signifikan (Rein, 2007)







Volume mud lebih tinggi







Penapisan/filtrasi nira kotor (mud) lebih baik  Blotong lebih kering dan berpori







Senyawa koloid berbasis nitrogen lebih banyak dipisahkan (80% dari 50%)







Wax lebih banyak dipisahkan (90% dari 70%)







Komponen dextran yang dihilangkan lebih sedikit diatas cold liming



AGENT OF LIMING Susu Kapur (Milk of Lime)  CaO+air panas (90-95C)  diencerkan dengan air dingin  SK 6-15 degree of Baume Kalsium sakarat (Sakarat, Calsium-Saccharate)  Susu kapur + Juice (Raw Juice/ Clear Juice/Thick Juice)  larutan Sakarat (pH 10-11)  Mixing SK dan Juice dilakukan hingga 5 menit  Rasio CaO: Sukrosa ~ 1: 6,1



SUSU KAPUR VS SAKARAT 



Kandungan phospat, protein dan Turbidiy lebih rendah dengan sakarat







Kecepatan awal pengendapan lebih rendah ketika dengan sakarat







Mud level naik 10% dibanding SK







Kandungan senyawa Kalsium, Silika, Magnesium dan Polisakarida tidak berbeda jauh



TEKNOLOGI SULFITASI Proses sulfitasi ~ pengaturan NM, SK / Sakarat, gas SO2, Suhu dan Waktu Menurut methode penghilangan BG :  Sulfitasi Asam  NM disulfitasi sampai pH rendah  Dilakukan penetralan dengan SK  NM+gas SO2  pH 3.8-4.0  + SK  pH Netral  Sulfitasi Netral  Menjaga pH selama reaksi disekitar pH netral  NM+SK  pH netral  +SK  pH netral  +gas SO2  pH netral  NM+SK  pH netral  +SK  pH 10.5-11  +gas SO2  pH netral (jawa)



TEKNOLOGI SULFITASI Menurut pelaksanaan :  Sulfitasi batch  Dilakukan di dalam beberapa sulfitir ( paling sedikit 3 sulfitir)  Tangki 1  diisi, tangki 2 disulfitasi, tangki 3  pengeluaran  Untuk PG yg tidak bisa menjamin supplai tebu dan tobong belerang batch  Sulfitasi kontinyu 



Aliran terus menerus



TEKNOLOGI SULFITASI Menurut suhu reaksi dan sistim penambahan SK : 



Sulfitasi dingin  NM+gas SO2  pH sesudah).  Hot preliming akan menurunkan efek diatas.



 Pada umumnya, Liming sesudah sulfitasi lebih dipilih khususnya untuk tebu belum masak.



TEKNOLOGI KARBONATASI Karbonatasi Nira Mentah 



NM  heating (50-55C)  SK+gas CO2 (25-30%)  dipertahankan pH 9,8-10,3 (indikator warna kertas PP + asam oksalat)  filtrasi 1  karbonatasi (+gas CO2) dipertahankan pH 8,2-8,3  fltrasi 2  heating (70-80)  sufitasi (pH Netral)



Karbonatasi larutan Gula Mentah (raw liquor)







Proses Defekasi remelt Karbonatasi (DRK)







RL (Melt sugar, 60bx, 60C)  +SK  pH 10-11  Karbonatasi 1 (+ gas CO2 (912%)) pH 9,3-9,5  karbonatasi 2 (+gas CO2), pH 8,2-8,3  Filtrasi



APLIKASI DI PABRIK GULA



Reaktor Defekasi CSTR-RATB Reaktor Sulfitasi (Cair-Gas-Padat)



Reaktor Defekasi inline mixing



APLIKASI DI PABRIK GULA Reaktor Sulfitasi (Absorbsi)



APLIKASI DI PABRIK GULA



Jl. Kebon Sirih No. 39 Jakarta 10340



PT. GUNUNG MADU PLANTATIONS INDONESIA



Phone : (021) 337575 (9 Lines) Fax



Reaktor Defekasi inline mixing



Reaktor Sulfitasi (Absorbsi)



: (021) 3142159



INTERMEDIATE LIMING



DASAR PERANCANGAN REAKTOR 1. Neraca massa (hukum kekekalan massa) 2. Neraca panas (hukum kekekalan panas) 3. Proses kecepatan - kinetika reaksi 4. Kesetimbangan - keseimbangan reaksi kimia



GENERAL MOLE BALANCE



System Volume, V



Fj0



Gj



Fj



 Molar Flow   Molar Flow   Molar Rate   Molar Rate   Rate of    Rate of   Generation    Accumulati on           Species j in   Species j out  of Species j  of Species j  dN j Fj 0  Fj  Gj  dt  mole   mole   mole   mole              time   time   time   time 



1. 2.



Neraca massa (rate of mass input) – (rate of mass output) + (rate of mass by reaction) = (rate of mass accumulation) Neraca panas (rate of heat input) – (rate of heat output) + (rate of heat by reaction) = (rate of heat accumulation)



GENERAL MOLE BALANCE



System Volume, V



Fj0



Gj



Fj



General Mole Balance on System Volume V



In  Out  Generation  Accumulati on Fj 0  Fj



  rj dV







dN j dt



Dgn mole balance disusun persamaan desain untuk berbagai reaktor



REAKTOR BATCH dN A FA0  FA   rA dV  dt FA0  FA  0 Pengadukan sempurna :



 r dV  r V A



dNA  rAV dt



A



NA = NAo (1 – xA)



(- rA) V =



MOLE BALANCE RATB dNA FA 0  FA   rA dV  dt Steady State: dN A  0 dt  sempurna : Pengadukan



FA0  FA  rAV  0



r



A



dV  rAV



FA 0  FA V rA



CONTOH 1 Reaksi fase cair A  Produk, pada suhu 40C. Konversi A, 40% . Kecepatan reaksi tingkat satu terhadap A, nilai k pada 40 oC = 0,025 j-1 Laju alir umpan ke reaktor 1,8 m3/j. Hitunglah volume reaktor yang diperlukan bila reaktor berupa RATB



(-rA) = k CA CA = CAo (1 – xA)



CONTOH 2 Reaksi autokatalitik A + R  R + R



VRATB 



(-rA)= k CACR, dengan k = 0,002 L/(mol.s), fase cair dalam sebuah reaktor alir.







FAo X A Fvo C Ao C Ao  C A    rA  C Ao kCA C Ao  C A  Fvo 0,5   333,33L kCA 0,0021,51  0,5



Konversi diinginkn xA= 50 %, dan xA= 90 %, Fvo=0,5 L/s, CAo=1,5 mol/L. CRo



REAKTOR SULFITASI THOMPSON



DISTRIBUSI GAS SO2 DAN SK 



Sirkulasi, pencampuran dan absorpsi gas  baik  gas harus didistribusikan secara merata dan kondisi gelembung yang kecil







Gas distributor dg lubang yang kecil tidak diijinkan buntu oleh kerak dan sublimasi







Waktu kontak minimum tergantung ukuran gelembung, % SO2 dalam gas, suhu dan pH







Bilangan sirkulasi dan kecepatan nira yang optimum akan menentukan banyak sedikitnya kehilangan gas SO2







Tangki sulfitasi dengan waktu kontak gas SO2 10 detik memberikan absorpsi SO2 yang cukup, suhu nira 75 C dan pH nira 8.3-7.4



REAKTOR SULFITASI THOMPSON



REAKTOR SULFITASI THOMPSON



PERSYARATAN REAKTOR THOMPSON :  Volume efektif



: 4-5m3



 Tinggi nira



: 2.5 m



 Waktu tinggal



: 4-10 menit (tergantung bahan)



 Nilai pengenceran : 15 kali  Jumlah gas diperlukan  5 kali volume nira dengan kadar sekitar 10%  1 m3 gas mampu mensirkulasikan 3 m3 nira  Reaktor Thomson ini dilahirkan bukan melalui penjabaran matematik tetapi diperoleh dari percobaan dan pengalaman langsung dipraktek. Kalau persyaratan Thomson diikuti benar maka alatnya hanya untuk kapasitas pabrik sekitar 1500-2000 TCD.



REAKTOR SULFITASI – TOWER ABSORBER  Sulfur tower (tower absorber) merupakan suatu menara yang tersusun atas beberapa tray, didesain untuk menghasilkan aliran nira yang kontinu dari atas ke bawah pada saat gas SO2 mengalir ke atas sehingga terjadi reaksi.  Nira umpan masuk dari puncak menara dalam bentuk semburan (semprotan) kemudian turun kebawah melalui melalui tray yang berlubang (perforated tray). Nira pecah menjadi seperti hujan pada saat bergerak turun bertemu dengan gas SO2 yang bergerak naik.



 Gas SO2 bergerak naik ke atas karena ditarik dengan Blower dan gas buangannya didispersikan ke atmosfer.



Dimensi Sulfur Tower (Tower Absorber) :  Jumlah tray ~ % recovery



 Absorbent : air, % recovery : 95  N tray = 9 buah,  Tray spacing : 0,15 – 1 m (optimum: 0.3-0.6m)  Down comer area : 12% Luas penampang  Net area : Luas penampang – Downcomer area  Active area : Luas penampang – 2x Downcomer area  Hole Area : min 10% active area  Hole diameter : 15-25 mm  Diameter ~ kapasitas giling ~ debit nira  3000 - 3500 TCD : 0.9 m  3500 - 4000 TCD : 1,0 m  4000 - 4500 TCD : 1,1 m  4500 - 5000 TCD : 1,2 m



Exhaust Gas



Limed Juice Inlet



Gas SO2 inlet Juice Oulet



TANGKI REAKSI  Penyempurnaan reaksi shg terbentuk gumpalan yang incompressible  Suhu reaksi 70-75 C  pH 7.2  Waktu tinggal 4-10 menit  Rpm pengaduk 60 rpm



 Jenis pengaduk Paddle



FLOKULAN Penyediaan larutan flokulan :  Larutan induk (5gr/kg larutan).  Larutan penjatah (0,5-1 gr/kg larutan).  Rpm pengaduk = 10-15 rpm, paddle atau Udara.  Pelarut = air dingin WTP, kondensat ( 1,116 V0,4 ; d ~ diamater, m; V ~ flowrate, m3/s Jenis B  1 m/s



Flash Tank



BEJANA PENGENDAPAN (SUBSIDER / CLARIFIER)



Subsider / Clarifier



DASAR DESAIN



Clear Juice Up-Flow



Juice flow 3-6 m/jam



Penyebab kecepatan mud down -flow < 4.5m/jam  Temperature drop  Bagacillo (< 7 kg/ton tebu)  Endapan tidak compact karena reaksi defekasi-sulfitasi



Mud Down-flow ≥ 4.5 m/jam v



[ρs - ρl] .d2.g = ---------------18.μ



Subsider / Clarifier



DASAR DESAIN Dasar Teori  Kecepatan pengendapan ≧ 75 mm/min (4.5 m/j)



 Kecepatan aliran nira max 15 m/j 3-6 m/j



: aliran laminer



6-12 m/j



: aliran ajeg, pengendapan bagus



12-15 m/j



: turbulen mulai terjadi, pengendapan masih bisa



>15 m/j



: turbulen, TIDAK TERJADI PENGENDAPAN (Hugot,1986)



Subsider / Clarifier



DASAR DESAIN CLARIFIER-RAPI DORR, MULTI TRAY    



Pengendapan ~ ditentukan oleh luas penampang clarifier Luas permukaan klarifier (4 kompartemen) ~ 1.7 m2/tch Volume ~4,5 m3/tch, waktu tinggal 3-4 jam Dorr :    



Tinggi tray ~ 69 cm, kompartemen bawah ~ 2-3 x tinggi kompartemen lainnya Kompartemen atas ~ 122 cm Kompartemen bawah ~ 183 cm



Dia, m 3,048 5,486 7,315 7,925 9,144 10,973



vol,m3 10 18 24 26 30 36



area, m2 29 94 168 198 262 378



kap, tch 18 59 105 124 164 236



Subsider / Clarifier



5-10 mm/s



5-10 mm/s



>10 mm/s >10 mm/s



Clarified Feed juice



Clarified juice



10 mm/s



Feed



CFD model prediction velocity plot



Clarified juice Centre of clarifier



Centre of clarifier



Clarified juice



CFD model prediction velocity plot



Wall of clarifier



Standard SRI clarifier 10.3 m diameter, 700 m3/h



Modified SRI clarifier 10.3 m diameter, 700 m3/h