Pengolahan Air Untuk Boiler (Ketel Uap)

UNIT PENGADAAN UAP

 

Uap (Steam) sangat berperan penting dalam proses untuk menggerakkan mesin-mesin bertenaga uap dan pemanas awal. Sebuah ketel uap (boiler) digunakan untuk mengubah air menjadi uap dengan pertolongan panas. Ditinjau dari tenaga termis (panas) yang didapat dengan pembakaran bahan bakar, ketel uap termasuk External Combustion Engine, yaitu pesawat tenaga dimana pembakaran bahan bakar dilakukan di luar pesawat (mesin uap) itu sendiri.

Uap yang dihasilkan mempunyai tenaga termis, tenaga potensial dan tenaga kinetis yang dimanfaatkan sebagai berikut:

      a. Tenaga termis yang dikandung uap dapat langsung digunakan sebagai bahan pemanas pada proses  industri.

      b. Tenaga potensial dari uap diubah menjadi tenaga mekanik dengan mesin uap untuk selanjutnya diperoleh tenaga mekanik.

      c.  Tenaga kinetis dari uap diubah menjadi tenaga putar dengan suatu turbin uap. Selanjutnya dapat digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik.

A. Ketel Uap

ketel uap adalah suatu pesawat yang digunakan untuk mengubah air yang ada di dalamnya menjadi uap dengan cara dipanaskan. Dengan adanya bahan perantara air tersebut, maka di dalam ketel uap harus ada ruang atau tempat air. Uap yang dibentuk di dalam ketel mempunyai tekanan yang lebih besar dari pada tekanan udara luar, maka ketel harus mampu menahan tekanan uap tersebut. Kekuatan ketel uap tergantung dari bentuk dan bahannya. Bentuk yang lebih kuat untuk menahan tekanan yang lebih besar dari dalam adalah bentuk bulat cembung dan silinder sebab dengan bentuk semacam itu sukar berubah bentuknya yang disebabkan oleh tekanan dari dalam. Tetapi bentuk bulat cembung ini tidak digunakan untuk ketel uap karena konstruksinya yang sulit unruk dikerjakan. Oleh karena itu pada umumnya ketel uap dibuat dalam bentuk silinder. Bahan untuk ketel uap harus baik karena disamping harus menahan tekanan yang tinggi juga harus tahan pada suhu yang tinggi. Biasanya digunakan baja Siemens-Martin yang liat dan mudah dikerjakan.

Gambar 5-8. Skema proses pada Ketel Uap (Boiler)

Air Pengisi Ketel

A.    Sumber-sumber air pengisi ketel

Macam-macam air yang dapat digunakan sebagai air pengisi ketel adalah air sumur dan air kondensat. Air kondensat sudah murni sehingga tidak perlu mengalami pengolahan yang khusus, sedangkan untuk air yang berasal dari sumur perlu mendapat pengolahan-pengolahan lebih dahulu.

B.     Syarat Air Pengisi Ketel

Pada dasarnya air yang akan digunakan, terutama yang digunakan sebagai air pengisi ketel, harus memenuhi syarat. Air yang berasal dari alam (sungai dan tanah) tidak ada yang dalam keadaan murni, biasanya terdapat pengotor-pengotor, antara lain :

1. Zat tersuspensi, seperti lumpur dan tanah liat. Biasanya dihilangkan dengan penyaringan.

2. Zat terlarut, seperti garam-garam mineral (garam magnesium, kalsium dan lain-lain).

Tabel 5-1. Syarat air pengisi ketel dan air ketel

Spesifikasi Air	pengisi ketel	Air ketel
Kesadahan	< 0,1 OD	<0,1 OD
pH	7,5-8,0	10,0-10,8
TDS	Tidak nyata	max 1500
PAlkali	50 ppm	300 ppm
M Alkali	100 ppm	500 ppm
Chlorine	Tidak nyata	max 70 ppm
Sulfit	30 ppm	max 60 ppm
Oksigen	Tidak nyata	-
Silikat	Tidak nyata	-
Fe		Tidak nyata
P205		Max 30 ppm

 

 

 

 

A.    Persyaratan air umpan boiler :

Boiler atau ketel uap merupakan sebuah alat untuk pembangkit uap dimana uap ini berfungsi sebagaizat pemindah tenaga kaloris. Tenaga kalor yang dikandung dalam uap dinyatakan dengan entalpi panas.

     

Hal-hal yang mempengaruhi efisiensi boiler adalah bahan bakar dan kualitas air umpan boiler.Parameter-parameter yang mempengaruhi kualitas air umpan boiler antara lain:

1.      Oksigen terlarut, dalam jumlah yang tinggi dapat menyebabkan korosi pada peralatan boiler.

2.      Kekeruhan, dapat mengenda pada perpipaan dan peralatan proses serta mengganggu proses.

3.    PH. Bila tidak sesuai dengan standar kualitas air umpan boiler dapat menyebabkan korosi pada peralatan

4.      Kesadahan, merupakan kandungan ion Ca dan Mg yang dapat menyebabkan kerak pada peralatan serta perpipaan boiler sehingga menimbulkan local overheating

5.      Fe, dapat menyebabkan air bewarna dan mengendap disaluran air dan boiler bila teroksidasi oleh oksigen

Secara umum air yang akan digunakan sebagai umpan boiler adalah air yang tidak mengandung unsur yang dapat menyebabkan terjadinya endapan yang dapat membentuk kerak pada boiler dan air yang tidak mengandung unsur yang dapat menyebabkan korosi boiler. 

Berikut ini merupakan persyaratan bakumutu air umpan boiler :

Tabel baku mutu air umpan boiler

Parameter	Satuan	Ukuran
PH	unit	10,5-11,5
Conductivity	Ymhos/cm	5000, max
TDS	Ppm	3500, max
P-Alkalinity	ppm	-
M- Alkalinity	Ppm	800 , max
O – Alkalinity	Ppm	2,5 x SiO2 , min
T - Hardness	Ppm	-
Silica	Ppm	150, max
Besi	Ppm	2, max
PHospat residual	Ppm	-
SulpHite residual	Ppm	20,50
PH Condensate	Unit	8,0 – 9,0

Harga PH pada air umpan boiler dan air pendingin penting untuk diperhatikan untuk mencegah terjadinya korosi. Terdapat hubungan antara PH dan laju terjadinya korosi pada bahan kontruksi dari logam mid steel yang menunjukkan adanya kecenderungan menurunnya korosi dengan naiknya harga pH . Namun pada bahan kontruksi dari logam Cu terjadi sebaliknya, yaitu kecenderungan laju korosi menaik dengan menaiknya harga pH diatas 9.

A.    Karakteristik air boiler :

       

           1.      PH

Merupakan indikasi untuk keasaman suatu zat . PH (Pondus hidrogenium) ditentukan oleh jumlah hydrogen bebas (H⁺) dalam suatu zat. PH adalah factor logaritmik, ketika sebuah larutan menjadi 10x lebih asam, PH akan jatuh oleh satu unit.

          2.      Daya hantar listrik/konduktivitas

Daya hantar listrik adalah kemampuan dari larutan untuk menghantarkan arus listrik yang dinyatakan dalam pmhos/cm. Harga daya hantar listrik dari umpan air boiler di[erhatikan untuk mencegah terjadinya endapan kerak pada bagian permukaan perpidahan panas dan untuk menjaga kemurnian steam.

         3.      Alkalinitas

Didefinisikan sebagai jumlah anion dalam air yang akan bereaksi untuk menetralkan ion H⁺ . Harga alkalinitas tinggi tidak dikehendaki untuk umpan air boiler karena dapat menimbulkan pembusaan dan carryover.

        4.      Kesadahan, karbonat dan non karbonat

        5.      Silica

       6.      Besi

       7.      Phospat

       8.      Turbiditas, sifat optic dari suatu larutan yang menyebabka cahaya yang melaluinya terabsorsi.

       9.      TTS ( Total Suspendied Solid)

   E. Pengolahan Eksternal Air Umpan Boiler

Pengolahan eksternal digunakan untuk membuang padatan tersuspensi, padatan telarut  (terutama ion kalsium dan magnesium yang merupakan penyebab utama pembentukan  kerak) dan gas- gas terlarut (oksigen dan karbon dioksida).

      Proses perlakuan eksternal yang ada adalah:

      1.      Koagulasi dan Flokulasi

      2.      Sedimentasi

      3.      Filtrasi

      4.      Demineralisasi

      5.      Softening

      6.      Deaerasi

Metode pengolahan awal adalah sedimentasi sederhana dalam tangki pengendapan  ataupengendapan dalam clarifiers dengan bantuan koagulan dan flokulan. Penyaring  pasirbertekanan, dengan aerasi untuk menghilangkan karbon dioksida dan besi.

    

    E.1 Koagulasi dan Flokulasi

Koagulasi dan flokulasi yaitu proses pemberian bahan-bahan koagulan dan flokulan  kedalam air umpan boiler dengan cara penginjeksian. Koagulasi merupakan proses  netralisasi muatan sehingga partikel-partikel dapat saling berdekatan satu dengan yang  lainnya. Flokulasi merupakan proses penyatuan antar partikel-partikel yang sudah  saling berdekatan satu dengan yang lain sehingga partikel-partikel akan saling menarik dan membentuk flok.  Untuk menurunkan turbidity pada inlet clarifier diinjeksikan bahan kimia, yaitu :

      a.  Aluminium Sulfat (Al2(SO4)3 . 18 H2O)

      b.  Natrium Hidroksida (NaOH)

      c.   Klorin (Cl2)

      d.  Coagulant Aid (Polymer) 

    E.2  Sedimentasi

Tujuan sedimentasi adalah  memberikan kesempatan kepada partikel-partikel besar  untuk mengendap dan partikel yang lebih halus akan membutuhkan waktu endap yang  lebih lama.

   

    E.3  Filtrasi

Pengolahan dengan cara filtrasi dapat dilakukan dengan cara penyaringan zat padat  tersuspensi didalam air sebelum air diisikan kedalam boiler. Efisiensi  saringan paling  baik bila unit beroperasi pada kecepatan aliran terkecil, padatan akan melalui media  membawa padatan bersamanya. Demikian pada tekanan yang tinggi dapat  memecahkan media akan keluar pada saat dilakukan backwash.

    

    E. 4  Demineralisasi

Demineralisasi berfungsi untuk membebaskan air dari unsur-unsur silika, sulfat,  chloride  (klorida) dan karbonat dengan menggunakan resin. Diagram Alir proses  seperti gambar dibawah ini:

 

Gambar 2.4 Diagram Alir Demineralizer

a.  Cation exchenger

Proses ini bertujuan untuk menghilangkan unsur-unsur logam yang berupa ion- ion positif yang terdapat dalam air dengan menggunakan resin kation R-SO3H (type Dowex Upcore Mono A-500). Proses ini dilakukan dengan melewatkan air melalui  bagian bawah, dimana akan terjadi pengikatan logam-logam tersebut oleh resin. Resin  R-SO3H ini bersifat asam kuat, karena itu disebut asam kuat cation exchanger resin.

Proses ini menghasilkan asam seperti asam seperti HCl, H2SO4 dan asam-asam lain. Keasaman berkisar antara Ph 2,8 – 3,5. untuk memperoleh resin aktif kembali, dilakukan regenerasi dengan menambahkan H2SO4 pada resin tersebut. 

 b.    Degasifier  

 

Dari  cation tower  air dilewatkan ke  degasifier  yang berfungsi untuk menghilangkan gas CO2 yang terbentuk dari asam karbonat pada proses sebelumnya. 

Reaksi yang terjadi adalah :

H2CO3   ----->      H2O  +  CO2

Proses di degasifier  ini berlangsung pada tekanan vakum 740 mmHg dengan  menggunakan  steam ejektor, di dalam tangki ini terdapat netting  ring  sebagai media untuk memperluas bidang kontak sehingga air yang masuk terlebih dahulu diinjeksikan dengan  steam.. Sedangkan keluaran  steam ejektor dikondensasikan dengan menginjeksi air dari bagian atas dan selanjutnya ditampung dalam  seal pot sebagai umpan  recovery tank, maka CO2 akan terlepas sebagai fraksi ringan dan air akan turun ke bawah sebagai fraksi berat.

c.    Anion Tower   

Berfungsi untuk menyerap atau mengikat ion-ion negatif yang terdapat dalam kandungan air yang keluar dari  degasifier. Resin pada  anion exchanger  adalah R = NOH (Tipe  Dowex Upcore Mono C-600). Reaksi ini menghasilkan H2O, oleh karena itu air demin selalu bersifat netral.Selanjutnya air  outlet anion tower masuk ke mix bed polisher  dari bagian atas. Air keluar tangki ini memiliki pH = 7,5  –  8,5. Untuk memperoleh resin aktif kembali,  dilakukan regenerasi dengan menambahkan NaOH pada resin tersebut. 

d.  Mix Bed Polisher  

Berfungsi untuk menghilangkan sisa-sisa logam atau asam dari proses  sebelumnya, sehingga diharapkan air yang keluar dari mix bed polisher  telah bersihdari kation dan anion. Di dalam mix bed polisher digunakan dua macam resin yaitu resin kation dan resin anion yang sekaligus keduanya berfungsi untuk menghilangkan  sisa kation dan anion, terutama natrium dan sisa asam sebagai senyawa silika, dengan reaksi sebagai berikut :

Reaksi Kation :

Na2SiO3  +   2 R – SO3H      ---->         2 RSO3Na +  H2SiO3

Reaksi Anion :

H2SiO3   +   2 R = N – OH    ---->       2 R=N-SiO3 +  H2O 

 Air yang telah bebas mineral tersebut dimasukkan ke polish water tank  dandigunakan untuk air umpan boiler. Air yang keluar dari mix bed polisher ini memiliki  pH antara 6 – 7. ( Anonymous. 1994 ) 

E.5 Deaerasi  

 

Dalam deaerasi, gas terlarut, seperti oksigen dan karbon dioksida, dibuang dengan  pemanasan awal air umpan sebelum masuk ke boiler. Seluruh air alam mengandung  gas terlarut dalam larutannya. Gas-gas tertentu seperti karbon dioksida dan oksigen,  sangat meningkatkan korosi. Bila dipanaskan dalam sistim boiler, karbon dioksida(CO2) dan oksigen (O2) dilepaskan sebagai gas dan bergabung dengan air (H2O)  membentuk asam karbonat (H2CO3). 

Penghilangan oksigen, karbon dioksida dan gas lain yang tidak dapat  terembunkan dari air umpan boiler sangat penting bagi umur peralatan boiler dan juga  keamanan operasi. Asam karbonat mengkorosi logam menurunkan umur peralatan dan  pemipaan. Asam ini juga melarutkan besi (Fe) yang jika kembali ke boiler akan  mengalami pengendapan dan meyebabkan terjadinya pembentukan kerak pada boiler dan pipa. Kerak ini tidak hanya berperan dalam penurunan umur peralatan tapi juga  meningkatkan jumlah energi yang diperlukan untuk mencapai perpindahan panas.