neraca massa pada pra rancangan pabrik

APPENDIX A: NERACA MASSA

APPENDIX A

NERACA MASSA

A.1. Neraca Massa

A.1.1. Basis Perhitungan

Operasional Pabrik : 350 hari kerja/tahun (1 hari 1 batch)

Jumlah Jam Kerja : 8 jam/hari

Bahan Baku : Limbah padat penyamakan kulit

Basis Perhitungan : 1 batch 5 ton produk/batch

Perhitungan neraca massa didasarkan pada keadaan ideal.

A.1.2. Perhitungan Neraca Massa pada Alat Proses

1. Rendering Tank (H-120)

Keterangan:

1.1 Kapasitas Produksi

Kapasitas produksi menentukan berapa kapasitas harian proses rendering.

Tahun* Jumlah Produksi Wet Salted-Leather ( Ton)1998 9331999 9622000 1.2252002 1.3242005 1.506

*) Sumber : Eksporter Wet Salted Leather CV. Anugerah Leather (031-70711026)Teknik prediksi secara linear jumlah bahan baku pada tahun 2014 adalah sebagai berikut.Dengan menggunakan software Sigmaplot untuk mendapatkan rumus

y = y0 + a*x870 + 84 (x - 1997)

y = 84x - 166.878 R2=0.91Sehingga didapat wet salted-leather untuk tahun 2014 (x=2014) sebesar 2.298 ton per tahun, dimana 17% berat merupakan kulit mentah yang akan digunakan pada industri kulit, garam dan mineral logam larut air, 3% limbah shaving skin berupa rambut kulit, sedangkan 80% merupakan limbah padat dengan kandungan minyak dan lemak. Kapasitas produksi didasarkan pada ketersediaan bahan baku dari limbah padat industri kulit, oleh karena itu kapasitas bahan baku pabrik biojet ini per hari adalah 6,5 ton per hari (asumsi 1 tahun = 350 hari).Oleh industri kulit, wet salted-leather dicuci dan dipisahkan kulit untuk industri dengan limbah padat. Limbah padat diangkut dengan truk ke pabrik Biojet lalu

101


dilakukan proses rendering, yaitu pemanasan dan pengepress limbah padat untuk mendapatkan minyak.

1.2 Estimasi kasar proses renderingTabel Neraca Massa Pabrik Penyamakan Kulit Tiap Hari

INPUT OUTPUTKomponen Jumlah (kg) Komponen Jumlah (kg)

Rendaman Kulit(wet salted-leather)

6.566 Cucian dan kulitRambut kulitLimbah padat

1.116 196,98

5.252,8Total 6.566 Total 6.566

Rambut kulit dan biomassa limbah padat pencucian yang tidak terkonversi akan dijadikan bahan bakar alternatif di proses pembakaran boiler dan proses utilitas lain. Pada suhu ruang trigliserida limbah padat berbentuk solid, tetapi setelah pemanasan pada proses rendering trigliserida berbentuk cairan. Trigliserida tersebut dialirkan ke dalam reaktor subkritis untuk dihidrolisis menjadi asam lemak bebas (FFA).BM rata-rata trigliserida dari proses rendering adalah 848,9 kg/kmol [1]. Jumlah mol cairan trigliserida yang dialirkan ke tangki hidrolisis subkritis adalah:jumlah mol trigliserida = 5.252,8 kg / 848,9 kg/kmol

= 6,19 kmolJika 1 mol trigliserida menghasilkan 3 mol asam lemak maka akan dihasilkan

18,57 kmol untuk 6,19 kmol trigliserida.

1.3 Karakterisasi Bahan Baku

Komposisi massa jenis senyawa asam lemak dalam limbah padat penyamakan

kulit yaitu 4,2% asam miristat (C14:0), asam miristoleat (C14:1), asam palmitat

(C16:0), asam palmitoleat (C16:1), asam stearate (C18:0), asam oleat (C18:1), asam

linoleat (C18:2) dan asam arasitat (C20:0) sehingga konsentrasi berat molekul rata-

rata asam lemak limbah padat penyamakan kulit adalah sebagai berikut[1].

BM FFA = BM1 . x1 + BM2 . x2 + BM3 . x3 + ...

= (228 x 0,042) + (226 x 0,0216) + (254 x 0,284) + (252 x 0,081) +

(280 x 0,1067) + (278 x 0,4383) + (276 x 0,018) + (306 x 0,0084)

= 266,2 kg/kmol

BM CO2 = 44 kg/kmol

Untuk memperoleh FFA diperlukan proses hidrolisis pada reaktor bertekanan tinggi.

Densitas FFA = 1 . x1 + 2 . x2 + 3 . x3 +

= (862 x 0,042) + (891 x 0,0216) + (853 x 0,284) + (894 x 0,081) +

(847 x 0,1067) + (895 x 0,4383) + (900 x 0,018) + (922 x 0,0084)

= 876,7 kg/m3

102


Jika densitas FFA = 0,8767 kg/L. Maka volume FFA yang harus ditampung per hari

pada reaktor bertekanan tinggi adalah 5.639 L.

Massa biojet yang dihasilkan diperoleh dari presentase BM alkane dalam BM FFA.

% alkane =(BM FFA−BM CO 2)

¿ BM FFA× 100 %

¿(266,2−44)/¿

266,2×100 %=83,5 % ¿

Dari data di atas, dapat dihitung biojet yang dihasilkan per liter FFA yaitu:

Biojet=

Biojet =

= 0,732 kg biojet / L bahan baku (densitas biojet = 0,81 kg/L)

= 0,904 L / L bahan baku

1.4 Estimasi Kapasitas Proses

Jumlah reaktor yang tersedia adalah 3 buah. Kapasitas maksimum masing-masing

reaktor bertekanan tinggi adalah 300 L[2] dengan waktu konversi masing-masing

batch 3 jam [3]. Dengan demikian, dapat dihitung jumlah bahan baku pengolahan

limbah penyamakan kulit dan produk dalam sehari berdasarkan data penelitian

adalah sebagai berikut.

Jumlah

Batch

Waktu ke

(jam)

Bahan Baku

(L)

Estimasi

Produk Biojet (L)

1

2

3

4

5

6

7

8

3

6

9

12

15

18

21

24

705

1.410

2.115

2.820

3.535

4.230

4.935

5.639

271.2

542.4

1.912

2.550

3.195

3.823

4.461

5.097

Dengan mengekstrapolasikan data pada table di atas, diketahui jumlah cairan limbah

pengolahan penyamakan yang dibutuhkan (X) L untuk menghasilkan (Y) L produk

103


dalam sehari, masing-masing secara berturut-turut X dan Y adalah 2400 L dan

2.169,4 L.

Bahan Masukan:

Limbah padat penyamakan kulit dari Storage F-110 dengan conveyor

Tabel Neraca Massa Tangki Rendering

Komponen Masuk (kg/batch) Komponen Keluar (kg/batch)Tangki Penampungan

Air Limbah (F-110)Effluent (ke Wastewater Treatment)

Air 5.750,00 Air 5.746,46Katekin 0,07 Katekin 0,07Epikatekin 1,12 Epikatekin 0,12

Adsorben BedKarbon Aktif 17,70 Karbon Aktif 17,70Katekin 0,35 Air 3,54Epikatekin 0,06 Katekin 0,35 Epikatekin 1,06

Total 5.769,30 Total 5.769,30

2. Tray Dryer (B-130)

Pada unit operasi ini, terjadi proses pengeringan karbon aktif setelah proses

adsorpsi berlangsung. Karena karbon aktif yang digunakan bersifat hidrofobik pada

permukaannya, maka air yang terdapat pada permukaan karbon aktif akan teruapkan

semua.

Komponen Masuk :

Karbon aktif = 17,70 kg

Air = 3,54 kg

Katekin = 0,35 kg

Epikatekin = 1,06 kg

Komponen Keluar :

Padatan Karbon aktif = 17,70 kg

Katekin = 0,35 kg


Gas Uap air = 3,54 kg

104


Tabel Neraca Massa Tray Dryer

Komponen Masuk (kg/batch) Komponen Keluar (kg/batch)Dari Bed Kolom Adsorpsi

(D-120)Ke Ekstraktor Fluida Superkritis

(H-140)Karbon Aktif 17,70 Karbon Aktif 17,70Air 3,54 Katekin 0,35Katekin 0,35 Epikatekin 1,06Epikatekin 1,06

Uap air 3,54Total 22,65 Total 22,65

3. Ekstraktor Fluida Superkritis (H-140)

Pada proses ekstraksi ini, hanya senyawa epikatekin saja yang terekstrak ke

dalam campuran CO2 superkritis + etanol sedangkan senyawa katekin tetap tertinggal

di dalam pori karbon aktif. Berdasarkan simulasi model senyawa dengan

menggunakan software ChemDraw 3D Ultra, didapatkan harga steric energy untuk

senyawa katekin dan epikatekin masing-masing sebesar 47,07 kcal/mol dan 31,09

kcal/mol. Karena harga steric energy dari senyawa katekin lebih besar dibandingkan

epikatekin, maka katekin akan sulit terdesorpsi dari karbon aktif sehingga hanya

epikatekin saja yang akan terekstrak. Selain itu, harga kelarutan (solubility) dari

senyawa katekin dalam campuran CO2 superkritis + etanol pada kondisi P = 120 bar

dan T = 40oC sangat kecil sehingga senyawa ini tidak akan terekstrak selama proses

ekstraksi berlangsung.

Berdasarkan literatur yang didapatkan[69-73], diketahui efektivitas proses ekstraksi

dengan menggunakan fluida superkritis untuk sistem CO2 (1) + etanol (2) + flavanoid

(3) berkisar 92-98%. Dari tinjauan tersebut, diambil harga rata-rata untuk efektivitas

ekstraksi pada proses ini sebesar 95% sehingga:

Epikatekin terekstrak = 0,95 1,06 = 1,00 kg

Epikatekin yang tidak terekstrak = 0,05 1,06 = 0,06 kg

Pada kondisi T = 40˚C dan P = 120 bar, kelarutan senyawa epikatekin dalam

campuran CO2 + 5% (V/V) etanol superkritis adalah 21,8210-4 [2]. Oleh karena itu,

dapat dihitung jumlah kebutuhan CO2 dan co-solvent etanol pada proses ekstraksi ini

yaitu:

ρetanol (40˚C) = 773 g/L.

ρCO2 (40oC, 120 bar) = 668,7 g/L (menggunakan persamaan Peng-Robinson)

Massa CO2 = y

105


Volume CO2 = y/668,7

Volume etanol = 5% y/668,7 = 0,05y/668,7

Massa etanol = (0,05y/668,7) 773

Massa epikatekin yang terekstrak = 1000 g

Fraksi solubilitas epikatekin

Didapatkan nilai y = 65,7 kg sehingga massa co-solvent etanol = 3,8 kg.

Komponen Masuk :

Karbon aktif = 17,70 kg

Katekin = 0,35 kg


CO2 = 65,7 kg

Etanol = 3,8 kg

Komponen Keluar :

Ke flash drum separator (H-150) Epikatekin = 1,00 kg

CO2 = 65,7 kg

Etanol = 3,8 kg

Ke fixed-bed adsorber (D-120) Karbon aktif = 17,70 kg

Katekin = 0,35 kg


Tabel Neraca Massa Ekstraktor Fluida Superkritis

Komponen Masuk (kg/batch) Komponen Keluar (kg/batch)Dari Tray Dryer (B-130) Ke Flash-Drum Separator (H-150)

Karbon Aktif 17,70 Epikatekin 1,00Katekin 0,35 CO2 superkritis 65,70Epikatekin 1,06 Etanol 3,80

Dari Piston Pump Ke Fixed-Bed Adsorber (D-120)

CO2 (L-145) 65,70 Karbon Aktif 17,70Etanol (L-142) 3,80 Katekin 0,35 330,95 Epikatekin 0,06

106

y101 ,25 y /44 26 8,29 0/10 00

26 8,29 0/10 001082,21

etan o l molCO mol ep ikatek in mol

ep ikatek in mol ep ikatek in sso lub ilita fraksi

3-4

2


Air Pendingin Air Pendingin 330,95Total 419,56 Total 419,56

4. Flash-Drum Separator (H-150)

Flash-drum separator berfungsi untuk memisahkan produk keluaran ekstraktor

fluida superkritis yang berupa campuran CO2 superkritis, etanol, dan epikatekin.

Proses pemisahan dilakukan dengan cara menurunkan tekanan CO2 (ekspansi) dari

keadaan superkritis menjadi subkritis pada throttling valve. Adanya proses ekspansi

ini akan menurunkan kelarutan epikatekin dalam CO2 superkritis secara drastis.

Produk yang dihasilkan dari flash drum separator berupa 2 lapisan cairan yang

immiscible yaitu CO2 cair pada lapisan atas dan ekstrak fenolik (campuran etanol +

epikatekin) pada lapisan bawah.

Komponen masuk :


CO2 = 65,70 kg

Etanol = 3,80 kg

Komponen keluar :

Lapisan atas Lapisan Bawah

CO2 = 65,70 kg Epikatekin = 1,00 kg

Etanol = 3,80 kg

Tabel Neraca Massa Flash Drum Separator

Komponen Masuk (kg/batch) Komponen Keluar (kg/batch)Dari Ekstraktor Fluida Superkritis

(H-140)Menuju Tangki Penampungan Fenolik

(F-151)Epikatekin 1,00 Epikatekin 1,00CO2 65,70 Etanol 3,80Etanol 3,80 Recycle (ke F-144) CO2 65,70

Total 70,50 Total 70,50

107


5. Spray Dryer (B-160)

Pada alat proses ini, terjadi proses pembentukan serbuk epikatekin dari ekstrak

fenolik (campuran etanol + epikatekin). Media pemanas yang digunakan adalah gas

panas yang disuplai dari heating chamber system yang meliputi blower, air filter, dan

heater. Pada proses ini, kandungan etanol yang terdapat dalam campuran akan

teruapkan seluruhnya akibat berkontak dengan gas panas sehingga serbuk epikatekin

yang dihasilkan memiliki kadar kemurnian 100%. Etanol yang teruapkan akan terikut

bersama aliran gas panas menuju ke lingkungan sedangkan fraksi serbuk epikatekin

yang terikut bersama aliran gas panas akan dipisahkan di dalam cyclone dan

ditampung di dalam dust collector.

Komponen Masuk :


Etanol = 3,80 kg

Komponen Keluar:

Serbuk Epikatekin = 1,00 kg

Etanol = 3,80 kg

Tabel Neraca Massa Spray Dryer

Komponen Masuk (kg/batch) Komponen Keluar (kg/batch)Dari flash drum separator (H-150) Serbuk epikatekin (ke collector)Epikatekin 1,00 Epikatekin 0,85Etanol 3,80 Gas (ke cyclone) Udara Panas 35,20

Etanol + Udara PanasEpikatekin

39,000,15

Total 40,0 Total 40,0

1. ; Available from: http://lib.bioinfo.pl/paper:21987075.2. Chafer, A., et al., High-pressure solubility data of system ethanol (1)+epicatechin

(2)+CO2 (3). Journal of Supercritical Fluids, 2002. 24: p. 103-109.

108

http://lib.bioinfo.pl/paper:21987075

neraca massa pada pra rancangan pabrik

Documents