JurnalTel;nikEnergi, Vol 6 No 2 Tahun 2016 ISSN : 2089 -2527 RANCANGAN M U LTI STA G E H IG H RE C OVE RY B RACKIS HWA TE RRE YE RSE OSMOSI S PADA PLTU CILACAP KAPASITAS 660 MW Abstraksi Rancangan sistem BWRO dengan persentase air hasil pengolahan yang tinggi (high recovery)akan mengurangi biaya operasinya. Untuk mencapai high recovery, skema multistage diterapkan dalam rancangan BWRO ini. Dengan menerapkan skzma multistage dan nilai recovery per elemen sebesar 14,53ok, sistem BWRO ini memiliki keandalan (reliability) yang baik dengan investasi yang rendah. Air yang diolah pada BWRO merupakan air keluaran dari Seawater Reverse Osmosis (SIYRO), air keluaran SWRO ini masih mengandung mineral di dalamnya. Kandungan mineral di dalam air disebut Total Dissolved Solids (IDS), TDS merupakan parameter yang harus dikurangi jumlahnya. Air keluaran SIYRO merupakan brackish water dengan kandungan TDS 400 mg/L, temperature 25 "C, dan nilai pH 8. Perancangan BWRO dimulai dari menentukan kzbutuhan jumlah air dan mengetahui karalaeristik air yang akan diolah. Kemudian dilakukan pemilihan elemen membran dan pressurevessel, menentukan recoveryrate, dan menentukan jumlah stage. Selanjutnya adalah menentukan tekanan input dan menghitung parameter performarui BWRO. Selain TDS, parameter yang menjadi persyaralan dalam rancangan BITRO ini adalah Specific Membrane Permeability (SMP) standar BWRO yain 4,9-8,3 Lmh"/bar. Dari hasil rancangan didapat feed Jtow 127,28 m3/jam, permeateflow 1 13 m3 /jam, jumlah vessel stage I dan 2 masing-masing 12 buah dan 4 buah, TDS 7,72 mg/L, SMP stage I dan stage 2 masing- masing 6,52 Lmh,bar dan 6,87 Lmh./bar. Kala kunci:Reverse osmosis, TDS, BWRO, Specfic Membran Permeability 1. PENDAHULUAN pretreatment, desalinasi, dan demineralisasi. Proses pengolahan dimulai dari pretreatrnent yailu pompa intake, clarifier, danvalveless flter. Proses selanjutnya adalah desalinasi yaitu multi- media filter, cartridge filter, seawater reverse osrzosis (SWRO), dan brackish $tater reverse osrzosr's (BWRO). Proses yang ketiga adalah demineralisasi meliputi cation bed, anion bed, dan mixed bed. Air yang masuk ke BWRO merupakan air hasil pengolahan dari SWRO dengan kandungan TDS sebesar 400 mg,ll, temperature 25 "C, dan pH 8. Atas dasar pemikiran-pemikiran yang telah disebu&an sebelumnya, penulis tertarik untuk melakukan penelitian lebih lanjut pada system Brackish llater Reverse Osmosisrni agar air inputan yang tetah melewati berbagai proses treatment dengan biaya tertentu dapat diproses dengan laju keluaran yang tinggi untuk menghemat biaya operasi. Kebutuhan air di PLTU adalah salah satu kebutuhan yang paling penting. PLTU membutuhkan air yang cukup banyak untuk menjalankan operasinya. Kebutuhan air ini selain rmtuk proses pembangkitan juga untuk kebun-rhan manusia yang ada di dalarn situs pembangkitan tersebut seperti untuk konsumsi, sanitasi, dll. Karena kebutuhan air yang begitu banyak, biasanya PLTU terletak di lokasi yang dekat dengan sumber air; biasanya di dekat laut. Air laut yang digunakan untuk kebutuhan pembangkit tidak dapat langsung digunakan begitu saj4 ada proses pengolahan air laut sehingga air tersebut memenuhi standar dan dapat digunakan. Untuk kondisi di PLTU Cilacap, proses pengolahan air laut berada pada Water Treatment Plant (WTP), terdapat 3 (tiga) tahapan dalam proses pengolahan air tersebut yaitu 541 Teguh Sasotro, Tjatur Udjianto, TauIik Rizal Jurusan Teknik Konversi Energi - Politeknik Negeri Bandung
Transcript
JurnalTel;nikEnergi, Vol 6 No 2 Tahun 2016 ISSN : 2089 -2527
RANCANGANM U LTI STA G E H IG H RE C OVE RY B RACKIS HWA TE RRE YE RSE OSMOSI S
PADA PLTU CILACAP KAPASITAS 660 MW
AbstraksiRancangan sistem BWRO dengan persentase air hasil pengolahan yang tinggi (high
recovery)akan mengurangi biaya operasinya. Untuk mencapai high recovery, skema multistagediterapkan dalam rancangan BWRO ini. Dengan menerapkan skzma multistage dan nilai recovery perelemen sebesar 14,53ok, sistem BWRO ini memiliki keandalan (reliability) yang baik dengan investasiyang rendah. Air yang diolah pada BWRO merupakan air keluaran dari Seawater Reverse Osmosis(SIYRO), air keluaran SWRO ini masih mengandung mineral di dalamnya. Kandungan mineral di dalamair disebut Total Dissolved Solids (IDS), TDS merupakan parameter yang harus dikurangi jumlahnya.Air keluaran SIYRO merupakan brackish water dengan kandungan TDS 400 mg/L, temperature 25 "C,dan nilai pH 8. Perancangan BWRO dimulai dari menentukan kzbutuhan jumlah air dan mengetahuikaralaeristik air yang akan diolah. Kemudian dilakukan pemilihan elemen membran dan pressurevessel,menentukan recoveryrate, dan menentukan jumlah stage. Selanjutnya adalah menentukan tekanan inputdan menghitung parameter performarui BWRO. Selain TDS, parameter yang menjadi persyaralan dalamrancangan BITRO ini adalah Specific Membrane Permeability (SMP) standar BWRO yain 4,9-8,3Lmh"/bar.
Dari hasil rancangan didapat feed Jtow 127,28 m3/jam, permeateflow 1 13 m3 /jam, jumlah vesselstage I dan 2 masing-masing 12 buah dan 4 buah, TDS 7,72 mg/L, SMP stage I dan stage 2 masing-masing 6,52 Lmh,bar dan 6,87 Lmh./bar.
Kala kunci:Reverse osmosis, TDS, BWRO, Specfic Membran Permeability
1. PENDAHULUAN pretreatment, desalinasi, dan demineralisasi.Proses pengolahan dimulai dari pretreatrnentyailu pompa intake, clarifier, danvalveless flter.Proses selanjutnya adalah desalinasi yaitu multi-media filter, cartridge filter, seawater reverseosrzosis (SWRO), dan brackish $tater reverseosrzosr's (BWRO). Proses yang ketiga adalahdemineralisasi meliputi cation bed, anion bed,dan mixed bed.
Air yang masuk ke BWRO merupakan airhasil pengolahan dari SWRO dengan kandunganTDS sebesar 400 mg,ll, temperature 25 "C, danpH 8. Atas dasar pemikiran-pemikiran yangtelah disebu&an sebelumnya, penulis tertarikuntuk melakukan penelitian lebih lanjut padasystem Brackish llater Reverse Osmosisrni agarair inputan yang tetah melewati berbagai proses
treatment dengan biaya tertentu dapat diprosesdengan laju keluaran yang tinggi untukmenghemat biaya operasi.
Kebutuhan air di PLTU adalah salah satukebutuhan yang paling penting. PLTUmembutuhkan air yang cukup banyak untukmenjalankan operasinya. Kebutuhan air iniselain rmtuk proses pembangkitan juga untukkebun-rhan manusia yang ada di dalarn situspembangkitan tersebut seperti untuk konsumsi,sanitasi, dll.
Karena kebutuhan air yang begitu banyak,biasanya PLTU terletak di lokasi yang dekatdengan sumber air; biasanya di dekat laut. Airlaut yang digunakan untuk kebutuhanpembangkit tidak dapat langsung digunakanbegitu saj4 ada proses pengolahan air lautsehingga air tersebut memenuhi standar dandapat digunakan.
Untuk kondisi di PLTU Cilacap, prosespengolahan air laut berada pada WaterTreatment Plant (WTP), terdapat 3 (tiga) tahapandalam proses pengolahan air tersebut yaitu
541
Teguh Sasotro, Tjatur Udjianto, TauIik RizalJurusan Teknik Konversi Energi - Politeknik Negeri Bandung
JurnalTeknikEnergi, Vol 6 No 2 Tahun 2016
Pada kajian ini dilakukan analisis pada hasilrancangan dan analisis pada air hasil pengolahanMultistage High Recovery BWRO untukkebutuhan air PLTU Cilacap
2. TINJAUAN PUSTAKA
A. Teknologi Reverse Osmosis
Bila air yang memiliki salinitas tinggidipisahkan oleh sebuah membran semipermeabeldengan air yang memiliki salinitas yang lebihrendah, maka secara alami air dengan salinitasyang lebih rendah akan mengalir ke sisi airdengan salinitas yang lebih tinggi sampaikeduanya mencapai konsentrasi salinitas yangsama. Peristiwa berpindahnya air melaluimembran yang dipengaruhi oleh perbedaansalinitas diketahui sebagai osmosrb[1].
Tekanan hidraulik air pada membran saatperphdahan dari sisi salinitas rendah ke sisisalinitas tinggi biasa disebut tekanan osmotik.Tekanan osmotik merupakan peristiwa alamiahlayaknya gravitasi.
Unhrk mendapatkan air bersih dari airdengan salinitas tinggi menggunakan membran,proses alamiah perpindahan air yang terjadiharus dibalikkan. Air dengan salinitas tinggiharus ditransfer ke sisi salinitas rendah- Untukmelakukan proses ini, air dengan salinitas tinggihanrs diberi tekanan yang lebih tinggi daritekanan osmotiknya.
Metode desalinasi air laut menggunakanMeloda reverse oszosrs telah dikembangkansejak tahun l950an. Metodajuga dikenal sebagai'hyperfiltration' terus dikembangkan untukmengurangi atau bahkan membuang hampirsemua kontaminan yang ada pada air yang akandiolah.
Melode RO memiliki kemampuan untukmenyingkirkan semua ienis bakteri dan virussecara efektif. Dimensi dari pori-pori yang adapada membran RO mencapai 0,0001 mikron(ukuran bakteri alr.ara 0,2 hingga I mikron,sementara virus pada ukuran antara 0,02 hingga0,4 mikon).
Penggunaan metode RO juga mampu untukmenghilangkan sebagian besar bahan kimia nonorganik seperti garam, metal, dan mineral.
Metode RO efektif untuk menyingkirkankontaminan yang dapat mempengaruhikesehatan seperti arsenic, asbestos, atrazine,fluoride, Iead, mercury. nitrat, radium, dll.
B, Membran, Struktur, dan MaterialReverce Osmosis
Membran reyerse osmosis dapat dibedakanberdasarkan material dari polymer membran,struktur, dan konfigurasinya. Berdasarkanstfukturny4 membrane dapat dibagi menjadi 2(dua) bagian, yaitu komposit lapisan tipiskonvensional dan lapisan tipis nanokomposit.Berdasarkan material darilapisan tipis,membrane konvensional kini diklasifikasikanmenjadi 2 (dua) bagian ultana, yakni polyamidedan celluloseacetat. Tergantung padakonfigurasi dari membrane dengan elemen(modul) asli membran, membran RO dibagimenjadi 3 (tiga) bagian fiam4 yaitu spiral-wound, hollow-fiber, darflat-sheet (plate-and-
frame).
Dalam Rancangan ini diterapkan sistemMultistage BWRO dengan tujuan meningkatkanrecovery atau dapat dikatakan untukmeningkatkan jumlah air hasil pengolahan.
C. Elemen Membran Spiral-Wound
Elemen membran spiral-wound (modttl)terbuat dari lembaran membftm yang memilikistruknr tiga lapisan seperti yang telah dijelaskanpada segmen sebelumnya yaitu CA dan PA;microporous polymeric; dan reinforcing fabric.Sebuah elemen membran spiral-wound dengatdiameter 8-in memiliki 40 sampai 42 lembaranmembran [ 1].
LembaranJembaran tersebut dipasangmejadi 20 sampai 2l amplop membran (leafs),sehingga terdapat 2 amplop yang dipisahkanoleh jaring plastik tipis Qtermeatespacer)membentnk saltran agar permeate terpisah dariair garam. Tiga dari empat sisi amplop disekatdengan lem dan sisi yang keempat dibiarkanterbuka. Amplop amplop ini dipisahkan olehfeed spacer yang tebalnya sekitar 0,7 atau 0,9mm [].
542
ISSN : 2069 -2527
JurnolTeknikEnergi, Vol6 No 2 Tahun 2016 ISSN : 2089 -2527
High Pressure
Pump
Membrane
Module
Gambar I Elemen Membran Spiral Wound []D. Pemilihan Membran Berdasarkan
Kandungan TDS Dalam Air Yang AkanDiolah
Tabel berikut merupakan petunjuk pemilihanelemen membran berdasarkan kandungan TDSdi dalam air yang akan diolah. Pada rancanganini diketahui
Tabel I Pemilihan Elemen MembranBerdasarkan Kandungan TDSl2l
Low conc. Broc kis hw at e r(up to 500m9/L)
BWRO (Lowenergy)
Brackishwater (tp lo 5 ,000mL)
BWRO(Slandard)
B ro c ki s hw qt e t (morc lhan5,000 ms/L), Seawater
SWRO
E. Optimalisasi Desain RO Untuk MencapaiHigh RecoeryKonfigurasi sistem RO dapat diubah-ubah
untuk meningkatkan produktifitasnya.Produktifitas suatu sistem RO biasa disebutrecovery. Berikut ini adalah beberapakonfigurasi yang dapat diterapkan pada sistem
RO.l) Single Stage RO
Pada sistem RO konvensional biasanyaterdiri dari I stage seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 2. Sistem single-stage ini banyakdigunakan karena hanya membutuhkar satupompa sehingga biaya operasinya lebih murahdibanding dengan sistem multistage yangmembutuhkan lebih dari safu pompa [3].
Sal;ne
Feed
Water
Fresh
Water
Reject
Water
Gambar 2 Single Stage BWRO[4]
2) Multistage ROSistem RO dapat dibuat satu tingkat (single
s/oge) maupun banyak tingkat (multi srage).Pengaplikasian sistem multi srage adalah bilarecoveryrate yang diinginkan lebiibesar.Padaskema BWRO multislage, konsentratdari hasil pengolahan air di modul RO pertama(stage l) akan dipompakan kemodul RO yangkedua (stage 2) dan seterusnya.
Dengan cara ini, permeate yang dihasilkanakan lebih banyak daripada penggunan BWROsingle stage. Untuk menentukan berapa stageyang akan diaplikasikan, pararneter yangdiperlukan adalah recovery individual dari setiap
elemen membran yang akan digunakan.Selanjutnya dilakukan perhihrngan sampaiIercapai recovery keseluruhan sistem yangdiinginkan.
Gambar 3. Skema Multistage Reverse Omsosis [4]
A. Parameter-Parameter PerformansiProses Xarerce Osnrasisfl |
Net Driving Pressure (TransmembranePressure)NDP=Fp-(or+eo+o,sPd)
9. Membrane Permeate Fluxt:Qp"s
10. Specific Membrane Permeability(Specifu Fhu)SMP: /
NDP
B. Pompa
Pompa menrpakan salah satu mesin nrrbo(turbomachine) yang trerfimgsi untukmengalirkan fluida cair dari daerah yangbertekanan rendah ketekanan yang lebih tinggi.Pompa juga digunakan untuk memindahkanfluida da'i tempat ymg rendah keternpat yangtinggi dan memindahkan dari satu tempatketempat yang lain [5].
C. Parameter PenentuanPompa [51
l. Kapasitas Pompa
^Qpqtp:=P
2. Kecepatan Aliranv:9
3. Head Total Pompav?H=ha*Ah,+ht+3'zE
4. Head Losseso Head Statis
7.
s/
8.
HN: (+H, + Hd) 4. ANALISIS RANCANGAN. Head DinamisV? A. Analisis perubahan "femper^tur Feed
" Dibawah ini adalah table dan grafik,, ,_t2 ' simulasi perubahan nilai tekanan osmotic padaI rlm (._ setiap loc kenaikan lemperutJf.e feecl water-Dari
Jumlah Elemen per l/essel
Jumlah Pressure l/essel Stage I
TipeElemen / Material
JurnalTeknikEnergi, Vol6 No 2 Tahun 2016
Gambar 4. Grafik Perubahan Temperatur Fee.l waterterhadap Tekanan Osmotik
B, Analisis Pengaruh PerubahanKonsentrasi TDS pada Feed lYalerTerhadap Tekanan OsmotikSelain temperalur, kandunganTDS juga
berpengaruh terhadap nilai tekanan osmoticsuatu air garam. Grafik di bawah ini dapatmenunjukan hubungan antara kandungan TDSfeed wctter dengan nilai tekanan osmotiknya.
Gambar 5. Grafik Perubahan Kandungan TDS Feedw ater T erhad,ap T ekanan Osmotik
C. Analisis Kualitas Air Hasil PengolahanBWRO
Air hasil pengolahan pada BWROmenunjukkan kandungan TDS sebesar 8,94mg/L. Na*dancl adalah unsur yang paling tinggikonsentrasinya di dalam air hasil pengolahaanBWRO. Kandungan mS tersebut dapatmemenuh isyarat batas kandungan TDS pada airhasil Pengolahan BWRO yaitu sebesar <300mE['.
D. Analaisis Pengaruh Perubahan TekananFeed Waler Terhadap SMP
Fe.d Pre$qr'! W SMP
:
tIt
a,5
ta
l,t
a,
l,tDfaadirt {.!O,
rl'+9.til
-trrrl
Gambar 6 Grafik Pengaruh Perubahan TekananFeed Warer Teftadap SMP
Grafrk di atas menunjukan perubahan nilaiSpeciJic Membrane Permeability (SMP) akibatdari perubahan tekanan input fted water. Dangrafik tersebut dapat diketahui bahwa nilai SMPsemakin menurun ketika tekanan nptl feedrvaler semakin tinggi. Artinya hubungan antaratekanan input feed water berbanding terbalikdengar nilai SMP.
Temp \6 Tekanan Osmotik
1'
Tcrn
?
E
o
:o 2a ,:L
r Fald watar
s-
IDS\6 Op
or2 oplT03 U lhovLl
t,l
tE-8q.3cr-!I 0,2
0
o o,or ora o,o5
545
grafik tersebut dapat dilihat bahwa terjadikenaikan nilai tekanan osmotic sebesar 0,00077gbar pada setiap kenaikan temperall,re feed watersebesar l'C. Artinya hubungan antaralemperutwe feedwarer dengan tekanan osmotikadalah berbanding lurus yaitu semakin tinggitemperature feed water,maka semakin tinggipula tekanan osmotic feed warer tersebut.Sebaliknya semakin kecil temperature feedwater, maka semakin kecil pula tekanan osmoticfeed water tersebut.
Grafik diatas menunjukkan kenaikannilai tekanan osmotic akibat kenaikankonsentrasi TDS feed water pada setiap kenaikanTDS sebesar 100 mg/L. Dapar dilihat kenaikannilai tekanan osmolic sebesar 0,003206 bar padasetiap kenaikan nilai TDS sebesar 100 mg,{L.Artinya hubungan antara tekanan osmoticdengan kandungan TDS air adalah berbandinglurus, yaitu semakin tinggi kandungan TDSdalam air maka semakin tinggi pula tekananosmotiknya. Sebaliknya semakin kecilkandungan TDS air maka semakin kecil pulatekanan osmotilmya.
ISSN: 2089 -2527
oJ!.
0rl
JurnalTeknikEnergi, Vol6 No 2 Tahun 2016
Grafik di atas juga menunjukkan tekanan
input yang diperbolehkan agar nilai SMP tetap
berada pada range yurg memenuhi syarat yaitu4,9 - 8,3 Lmh,/bar. Dari grafik dapat diketahuibahwa range tekanan input yang diperbolehkanuntuk srage I adalah 6,61 - 8,89 bar, dan rangetekanan input yang diperbolehkan untuk stage 2adalah 7,82 - l0,l bar.
6. NOTASI
TDS Totql Dissolved Solids, [ng/L]TDSJ Total Dissolved Solids Feedwater, [mg/LJ
ISSN : 2089 -2527
TDS"TDSP
oP
NDPSMPRT
QrQpsP
s,JFP
2mi
P"
Z,zdc,cdcp
1KHrHuHIHsys
7. DAFTARPUSTAKA
[] I Voutchkov, Nikolay. 2013. DesalinationEngineering Planning and Design. USA.The McGmw-Hill Companies.
[2] 3lewabrane. 2012. Guideline for theDesign of Reverse Osmosis MembraneSystems. Leverkusen: Lanxess.
[3] TAlghoul, M., Poovanaesvaran, P., Sopian,K., Sulaiman, M. Review of brackish waterreveme
[a] 6Qiu, T.Y., Davies, P.A. Comparison ofConfigurations for High-RecoveryInlandDesalinalion Systems.
[5] 5Sularso., Tahar4 Haruo.2000. Pompa danKompresor. Jakarta. Pradnya Paramita.
546
5. KESIMPTJLAN
o BWRO yang dirancang adalah untuksumber air laut Cilacap dan sebelum masukke BWRO air laut tersebut telah melewatibeberapa proses pengolahan. RancanganBWRO akan berbeda padas etiap tempatkarena proses perancangan adalahberdasarkan pada karaLleristik air yangakandiolah.
o Pemilihan material membrane reverseosmosis berdasarkan padafaktor dariketahanan terhadap temperatur, nilai pH,dantekanan.
o Parameter yang berpengaruh terhadapperformansi BWRO adalah temperatur,tekanan, dan kandungan TDS dalarn feedwaler.
o Tekanan osmotic naikkonsistens ebesar0,000778 bar pada setiap kenaikantemperature feed water sebesar I oC.
Temperatur feed water berbanding lurusdengan tekanan osmotik.
o Tekanan osmotic mengalami kenaikan padakenaikan kandungan TDS di dalan feed\eater. TDS feed wdter berbandinglurusdengan tekanan osmotik.
o Pada rancangan ini range tekanan inputyang diperbolehkan agar nilai SMP tetapmemenuhi syarat untuk stage 1 adalab 6,61- 8,89 bar, d,art range tekanan input yangmemenuhi syarat untuk stage 2 adalah 7,82
- l0,l bar.
Totsl Dissolved Solids Concentrote, [mg/L]Total Dissolved Solids Permeate, [mg/LJTekananosmotih [bar]P e r me ate re covery, ["/oJNet driving pressure, [bar]Specific Membran P erneability, I Lmh/bar]Kons I o nt o G as UnitersalTenperatur Air, fClPermeale recowry, [%o]Aliran Air Garom, [Lh]Aliran Air Tawar, [L/h]Salt passage, [%o]Salt rejection, [%o]Membran Permeate Flux, [Lmh]Feed Pressure, [barJPressure Drop, [bar]P erme ate P re s sure, [bar]Jumlqh konseniasi molarda r i s e I uru huns urd al am qirTekanan di sisimasu| [kg/m2JTekanan di sisikeluaran, [kg/m2]Tinggie levasi di sisiwtsuh [mJTinggielevasi di sisikeluar, [m]Ke c e p at arn li anm as u h I m/ s]Ke cepa tana I ira nke luar, [4/s]P e rce poto ngrai tasi, I m/( ]Massa per satuan volune zatcoir, [*g/mt Iy i s ka s i t as kine m ot i Al u idac air, [m' /sJ
Koef sien kerugiqn ge s e kKoef s i e n ke rugi an ge s e kRugi-rugi di sisimasufuompa, [mJRugi-rugi di sisikeluarpompa, [m]Head lolal pmpa qrcqd statis), [m]Head total pompa (eod dinanis), [nJ
