Pengolahan Limbah Industri Kertas

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1       Pengertian Limbah

Limbah merupakan buangan yang dihasilkan dari suatu proses produksi baik industry maupun domestic (rumah tangga atau yang lebih dikenal sabagai sampah), yang kehadirannya pada suatu saat dan tempat tertentu tidak dikehendaki lingkungan karena tidak memiliki nilai ekonomis. Jenis sampah ini pada umumnya berbentuk padat dan cair. Kertas adalah bahan yang tipis dan rata, yang dihasilkan dengan kompresi serat yang berasal dari pulp. Serat yang digunakan biasanya adalah alami, dan mengandung selulosa dan hemiselulosa. Pabrik Kertas menghasilkan limbah cair yang mengandung logam berat jenis Hg dan Cu. Limbah cair tersebut berupa bubur kertas encer yang apabila dibuang sembarangan akan mengakibatkan pencemaran lingkungan.

2.2       Bahan Baku Industri Kertas

Kayu sebagai bahan baku dalam industri kertas mengandung beberapa komponen antara lain :

1.   Selulosa

Selulosa merupakan komponen yang paling dikehendaki dalam pembuatan kertas karena bersifat panjang dan kuat. Menurut Stanley (2001) dalam kayu mengandung sekitar 50 % komponen selulosa.

2.   Hemiselulosa

Hemiselulosa lebih mudah larut dalam air dan biasanya dihilangkan dalam proses pulping.

3.   Lignin

Lignin berfungsi merekatkan serat – serat selulosa sehingga menjadi kaku. Pada proses pulping secara kimia dan proses pemutihan akan menghilangkan komponen lignin tanpa mengurangi serat selulosa. Menurut Stanley (2001) komponen lignin dalam kayu adalah sekitar 30 %.

4.   Bahan ekstraktif

Komponen ini meliputi hormon tumbuhan, resin, asam lemak dan unsur lain. Komponen ini sangat beracun bagi kehidupan perairan dan mencapai jumlah toksik akut dalam limbah industri kertas. Jumlah komponen hemiselulosa dan hidrokarbon dalam kayu adalah sekitar 20 %.

2.3       Karakteristik limbah pabrik kertas

Warnanya yang kehitaman atau abu-abu keruh, bau yang khas, kandungan padatan terlarut dan padatan tersuspensi yang tinggi, COD yang tinggi dan tahan terhadap oksidasi biologis

2.4       Limbah Industri Kertas

Pada proses pembuatan kertas terdapat zat yang berpotensi mencemari lingkungan. Limbah proses pembuatan kertas yang berpotensi mencemari lingkungan tersebut dibagi menjadi 4 kelompok yaitu :

ü  Limbah cair, yang terdiri dari :

·         Padatan tersuspensi yang mengandung partikel kayu, serat dan pigmen

·         Senyawa organik koloid terlarut seperti hemiselulosa, gula, alkohol, lignin, terpenting, zat pengurai serat, perekat pati dan zat sintetis yang menghasilkan BOD (Biological Oxygen Demand) tinggi,

·         Limbah cair berwarna pekat yang berasal dari lignin dan pewarna kertas,

·         Bahan anorganik seperti NaOH, Na2SO4 dan klorin,

·         Limbah panas

·         Mikroba seperti golongan bakteri koliform.

ü  Partikulat yang terdiri dari :

·         Abu dari pembakaran kayu bakar dan sumber energi lain

·         Partikulat zat kimia terutama yang mengandung natrium dan kalsium.

ü  Gas yang terdiri dari :

·         Gas sulfur yang berbau busuk seperti merkaptan dan H2S yang dilepaskan dari berbagai tahap dalam proses kraft pulping dan proses pemulihan bahan kimia

·         Oksida sulfur dari pembakaran bahan bakar fosil, kraft recovery furnace dan lime kiln (tanur kapur)

·         Uap yang mengganggu jarak pandangan

ü  Limbah padat yang terdiri dari :

·         Sludge dari pengolahan limbah primer dan sekunder

·         Limbah dari potongan kayu.

2.5       Dampak Pencemaran Limbah Pabrik Kertas

Adapun dampak dari limbah industri kertas yaitu pencemaran lingkungan  dan kesehatan manusia, dan ini dampak bagi pencemaran lingkungan antara lain :

a.       Membunuh ikan, kerang, dan invertebrata akuatik lainnya

b.      Memasukkan zat kimia karsinogenik dan zat pengganggu aktivitas hormon ke dalam lingkungan

c.       Menghabiskan jutaan liter air tawar

d.      Menimbulkan resiko terpaparnya masyarakat oleh buangan zat kimia berbahaya dari limbah industri yang mencemari lingkungan

Terdapat beberapa senyawa dalam industri pulp dan kertas yang berpeluang besar bersifat karsinogenik  bagi kesehatan manusia, yaitu :

·         Asbes

Asbes dapat menyebabkan kanker paru – paru, digunakan pada penyambungan pipa dan boiler.

·         Aditif kertas lainnya termasuk benzidine-base dyes, formaldehid dan epichlorohydrin yang berpeluang menimbulkan kanker pada manusia.

·         Kromium heksavalen dan senyawa nikel

Senyawa ini umumnya digunakan pada pengelasan stainless steel dan dikenal sebagai karsinogenik terhadap paru – paru dan organ pernafasan lain.

·         Debu kayu (utamanya kayu keras)

Debu kayu keras dikenal sebagai penyebab kanker pernafasan.

·         Hidrazin, styren, minyak mineral, chlorinated phenols dan dioxin

Senyawa – senyawa tersebut berpeluang besar menyebabkan kanker.

2.6       Pengolahan Limbah Industri Kertas

Limbah industri terdiri dari limbah gas, cair dan padat, berbagai cara untuk mencegah pencemaran udara antara lain :

ü  Pencemar berbentuk gas

a.       Adsorbsi

Adsorbsi merupakan proses melekatnya molekul polutan atau ion pada permukaan zat padat, yaitu adsorben, seperti karbon aktif dan silikat.

b.      Absorbsi

Absorbsi merupakan proses penyerapan yang memerlukan solven yang baik untuk memisahkan polutan gas dengan konsentrasinya.

c.       Kondensasi

Kondensasi merupakan proses perubahan uap air atau benda gas menjadi cair pada suhu udara di bawah titik embun.

d.      Pembakaran

Pembakaran merupakan proses untuk menghancurkan gas hidrokarbon yang terdapat di dalam polutan dengan menggunakan proses oksidasi panas yang disebut incineration menghasilkan gas karbon dioksida (CO2) dan air.

ü  Pencemaran berbentuk partikel

a.    Filter

Filter udara bertujuan menangkap debu atau partikel yang ikut keluar cerobong atau stack pada permukaan filter agar tidak ikut terlepas ke lingkungan.

b.    Filter basah

Cara kerja filter basah atau scrubbers/ wet collectors adalah membersihkan udara kotor dengan menyemprotkan air dari bagian atas alat sedangkan udara yang kotor dari bagian bawah alat.

c.     Elektrostatik

Alat pengendap elektrostatik menggunakan arus searah (DC) yang mempunyai tegangan 25 – 100 KV sehingga terjadi pemberian muatan pada polutan dan akhirnya mengendap.

d.    Kolektor mekanis

Kolektor mekanis merupakan proses pengendapan polutan partikel berukuran besar secara gravitasi. Contohnya adalah cyclone separators (pengendap siklon) dengan memanfaatkan gaya sentrifugal.

ü  Program penghijauan

Program penghijauan bertujuan untuk menyerap hasil pencemaran udara berupa gas karbon dioksida (CO2) dan melepas oksigen sehingga mengurangi jumlah polutan di udara.

ü  Pembersih udara secara elektronik

Pembersih udara secara elektronik (electronic air cleaner) dapat berfungsi mengurangi polutan udara dalam ruangan.

ü  Ventilasi udara dan exhaust fan

Ventilasi udara dan exhaust fan bertujuan agar kebutuhan oksigen ruangan tercukupi dan polutan segera keluar dari ruangan sehingga ruangan bebes polutan.

ü  Pengolahan  limbah cair pada dasarnya dikelompokkan menjadi 3 tahap yaitu:

1.      Pengolahan primer

Pengolahan primer bertujuan membuang bahan – bahan padatan yang mengendap atau mengapung. Pada dasarnya pengolahan primer terdiri dari tahap – tahap untuk memisahkan air dari limbah padatan dengan membiarkan padatan tersebut mengendap atau memisahkan bagian – bagian padatan yang mengapung. Pengolahan primer ini dapat menghilangkan sebagian BOD dan padatan tersuspensi serta sebagian komponen organik. Proses pengolahan primer limbah cair ini biasanya belum memadai dan masih diperlukan proses pengolahan selanjutnya.

2.      Pengolahan sekunder

Pengolahan sekunder limbah cair merupakan proses dekomposisi bahan – bahan padatan secara biologis. Penerapan yang efektif akan dapat menghilangkan sebagian besar padatan tersuspensi dan BOD. Ada 2 proses pada pengolahan sekunder yaitu :

a.       Penyaring trikle

Penyaring trikle menggunakan lapisan batu dan kerikil dimana limbah cair dialirkan melalui lapisan ini secara lambat. Dengan bantuan bakteri yang berkembang pada batu dan kerikil akan mengkonsumsi sebagian besar bahan – bahan organik.

b.      Lumpur aktif

Kecepatan aktivitas bakteri dapat ditingkatkan dengan cara memasukkan udara dan lumpur yang mengandung bakteri ke dalam tangki sehingga lebih banyak mengalami kontak dengan limbah cair yang telah diolah pada proses pengolahan primer. Selama proses ini limbah organik dipecah menjadi senyawa – senyawa yang lebih sederhana oleh bakteri yang terdapat di dalam lumpur aktif.

3.      Pengolahan tersier

Proses pengolahan primer dan sekunder limbah cair dapat menurunkan BOD air dan meghilangkan bakteri yang berbahaya. Akan tetapi proses tersebut tidak dapat menghilangkan komponen organik dan anorganik terlarut. Oleh karena itu perlu dilengkapi dengan pengolahan tersier.

Pengolahan limbah cair pada industri pulp dan kertas terdiri atas tahap netralisasi, pengolahan primer, pengolahan sekunder dan tahap pengembangan. Sebelum masuk ke tempat pengendapan primer, air limbah masuk dalam tempat penampungan dan netralisasi. Pada tahap ini digunakan saringan untuk menghilangkan benda – benda besar yang masuk ke air limbah.

Pengendapan primer biasanya bekerja atas dasar gaya berat. Oleh karenanya memerlukan waktu tinggal sampai 24 jam. Untuk meningkatkan proses pengendapan dapat digunakan bahan flokulasi dan koagulasi di samping mengurangi bahan yang membutuhkan oksigen. Pengolahan secara biologis dapat mengurangi kadar racun dan meningkatkan kualitas air buangan (bau, warna, dan potensi yang mengganggu badan air). Apabila terdapat lahan yang memadai dapat digunakan laguna fakultatif dan laguna aerasi. Laguna aerasi akan mengurangi 80 % BOD dengan waktu tinggal 10 hari.

Apabila tidak terdapat lahan yang memadai maka proses lumpur aktif, parit oksidasi dan trickling filter dapat digunakan dengan hasil kualitas yang sama tetapi membutuhkan biaya operasional yang tinggi.

Tahap pengembangan dilakukan dengan kapasitas yang lebih besar, melalui pengolahan fisik dan kimia untuk melindungi badan air penerima (Devi, 2004). Sedangkan endapan (sludge) yang biasanya diperoleh dari proses filter press dari IPAL (Instalasi Pengolahan Air Limbah), menurut Sunu (2001) dapat dikategorikan sebagai limbah B3 (Bahan Berbahaya dan Beracun) atau tidak. Pembuangan lumpur organik, termasuk pada industri pulp dan kertas, dapat dibedakan menjadi :

1.            Metode pembakaran

Metode pembakaran ini merupakan salah satu cara untuk mencegah dampak lingkungan yang lebih luas sebelum dilakukan pembuangan akhir. Beberapa metode yang dapat dilakukan antara lain adalah metode incinerator basah yang mengoksidasi lumpur organik pada suhu dan tekanan tinggi.

2.            Metode fermentasi metan dan metode pembusukan

Metode fermentasi metan dilakukan menggunakan tangki fermentasi sehingga dihasilkan gas metan, sedangkan metode pembusukan akan diperoleh hasil akhir berupa kompos. Lumpur yang dihasilkan dari pengolahan buangan pada masa lalu biasanya ditimbun. Akan tetapi sistem ini menimbulkan bau karena pembusukan dan menyebabkan pencemaran air tanah dan air permukaan. Sekarang lumpur dihilangkan airnya dan dibakar atau digunakan sebagai bahan bakar.

2.7       Usaha Penanggulangan Masyarakat terhadap Limbah Industri Kertas

Masyarakat juga turut andil dalam pengelolaan limbah pabrik kertas. Limbah pabrik kertas dapat didaur ulang menjadi karton yang memiliki nilai jual tinggi. Karton hasil pengolahan limbah pabrik kertas ini disebut dengan kertas gembos. Proses pembuatannya relative sederhana. Sludge dan kertas pemulung diproses menjadi bubur kertas. Kemudian dicetak menjadi lembaran dengan ukuran 66 x 78 cm. Setelah itu, dijemur di bawah terik matahari selama empat jam. Kemudian dihaluskan dengan rol kalender. Kemudian di pak dengan berat 25 kg. Hal ini tentu saja terasa lebih bernilai ekonomis serta dapat mengurangi dampak terhadap lingkungan.

Mesin Panas Penghasil Kerja

BAB I

PENDAHULUAN

1.1   Latar Belakang

Termodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesifik membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja. Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara  alami maupun hasil rekayasa teknologi. Selain itu energi di   alam   semesta   bersifat   kekal,   tidak   dapat   dibangkitkan   atau dihilangkan,  yang  terjadi  adalah  perubahan  energi  dari  satu  bentuk menjadi bentuk lain tanpa ada pengurangan atau penambahan. Hal ini erat hubungannya dengan hukum – hukum dasar pada termodinamika. Dalam makalah ini kami akan membahas sistem tenaga uap rankine.

Rankine Cycle kadang-kadang dikenal sebagai suatu Daur Carnot praktis ketika suatu turbin efisien digunakan, T diagram akan mulai untuk menyerupai Daur Carnot. Perbedaan yang utama adalah bahwa suatu pompa digunakan untuk memberi tekanan cairan sebagai penganti gas. Ini memerlukan sekitar 100 kali lebih sedikit energy dibanding yang memampatkan suatu gas di dalam suatu penekan ( seperti di Daur Carnot)

1.2   Rumusan Masalah

1.      Apakah yang dimaksud dengan siklus Rankine?

2.      Bagaimanakah prinsip kerja dari siklus Rankine?

3.      Bagaimanakah proses siklus Rankine yang terjadi pada boiler?

4.      Apakah persamaan energi dan efisiensi pada siklus Rankine?

1.3  Tujuan Penulisan

1.      Mengetahui pengertian dari siklus Rankine.

2.      Memahami prinsip kerja dari siklus Rankine.

3.      Memahami proses siklus Rankine terhadap boiler.

4.      Mengetahui persamaan energi dan efisiensi pada siklus Rankine.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Siklus Rankine

Siklus Rankine adalah siklus termodinamika yang mengubah panas menjadi kerja. Panas disuplai secara eksternal pada aliran tertutup, yang biasanya menggunakan air sebagai fluida yang bergerak. Siklus Rankine merupakan model operasi dari mesin uap panas yang secara umum ditemukan di pembangkit listrik. Sumber panas yang utama untuk siklus Rankine adalah batu bara, gas alam, minyak bumi, nuklir, dan panas matahari. Siklus ini dinamai untuk mengenang ilmuwan Skotlandia, William John Maqcuorn Rankine.

Siklus Rankine kadang-kadang diaplikasikan sebagai siklus Carnot, terutama dalam menghitung efisiensi. Perbedaannya hanyalah siklus ini menggunakan fluida yang bertekanan, bukan gas. Efisiensi siklus Rankine biasanya dibatasi oleh fluidanya.  Fluida pada Siklus Rankine mengikuti aliran tertutup dan digunakan secara konstan. Berbagai jenis fluida dapat digunakan pada siklus ini, namun air dipilih karena berbagai karakteristik fisika dan kimia, seperti tidak beracun, terdapat dalam jumlah besar, dan murah.

2.2 Prinsip Kerja dari Sistem Siklus Rankine

Fluida kerja berupa air jenuh pada kondensor dikompresi pompa sampai masuk boiler atau ketel uap. Dari proses kompresi pada pompa terjadi kenaikan temperatur kemudian di dalam boiler air dipanaskan. Sumber energi panas berasal dari proses pembakaran atau dari energi yang lainya seperti nuklir, panas matahari, dan lainnya. Uap yang sudah dipanaskan di boiler kemudian masuk turbin. Fluida kerja mengalami ekspansi sehingga temperatur dan tekanan turun. Selama proses ekspansi pada turbin terjadi terjadi perubahan dari energi fluida menjadi energi mekanik pada sudu-sudu menghasilkan putaran poros turbin. Uap yang keluar dari turbin kemudian dikondensasi pada kondensor sehingga sebagian besar uap air menjadi mengembun. Kemudian siklus berulang lagi.

2.3 Siklus Rankine Pada Boiler

Siklus Rankine ideal tidak melibatkan irreversibel internal dan terdiri dari 4 tahapan proses :

§      1 – 2 merupakan proses kompresi isentropik dengan pompa

§      2– 3 Penambahan panas dalam boiler pada P = konstan

§      3– 4 Ekspansi isentropik ke dalam turbin

§      4– 1 Pelepasan panas di dalam kondensor pada P = konstan

Air masuk pompa pada kondisi 1 sebagai cairan jenuh dan dikompresi sampai tekanan operasi boiler. Temperatur air akan meningkat selama kompresi isentropik ini melalui sedikit pengurangan dari volume spesifik air. Jarak vertikal antara 1 – 2 pada T – s diagram ini biasanya dilebihkan untuk lebih amannya proses.

Air memasuki boiler sebagai cairan terkompresi pada kondisi 2 dan akan menjadi uap superheated pada kondisi 3. Dimana panas diberikan oleh boiler ke air pada T  tetap. Boiler dan seluruh bagian yang menghasilkan steam ini disebut sebagai steam generator.

Uap superheated pada kondisi 3 kemudian akan memasuki turbin untuk diekspansi secara isentropik dan akan menghasilkan kerja untuk memutar shaft yang terhubung dengan generator listrik sehingga dihasilkanlah listrik. P dan T dari steam akan turun selama proses ini menuju keadaan 4 dimana steam akan masuk kondenser dan biasanya sudah berupa uap jenuh. Steam ini akan dicairkan pada P konstan di dalam kondenser dan akan meninggalkan kondenser sebagai cairan jenuh yang akan masuk pompa untuk melengkapi siklus ini.

Area dibawah kurva proses 2 – 3 menunjukkan panas yang ditransfer ke boiler, dan area dibawah kurva proses 4 – 1 menunjukkan panas yang dilepaskan di kondenser. Perbedaan dari kedua aliran ini adalah kerja netto yang dihasilkan selama siklus.

2.4 Persamaan Energi dan Efisiensi pada Siklus Rankine

Analisis energi ini dilihat dari tiap komponen (alat-alat) yang terdapat pada siklus Rankine dengan menggunakan asumsi bahwa komponen-komponen tersebut bekerja pada aliran steady. Persamaan energi untuk sistem yang alirannya steady yaitu:

ΔE = m(h+Ep+Ek)_i – m(h+Ek+Ep)_e+Q–W                                                            

0 = h_i – h_e + Q – W                                                                                                     

Q - W = h_e – h_i                                                                                                                                                

2.5 Siklus Rankine Ideal Sederhana

Siklus Rankine ideal sederhana terdiri dari :

1.      Boiler sebagai alat pembangkit uap

2.      Turbin uap sebagai alat mengubah uap menjadi kerja

3.      Kondensor sebagai alat pengembun uap

4.      Pompa boiler sebagai alat memompa air ke boiler

Skema siklus Rankine ideal sederhana dapat dilihat pada gambar 1 berikut ini.

Gambar 1 skema siklus Rankine ideal sederhana

Skema pada gambar 1 dapat digambarkan garis kerjanya pada diagram T-s seperti pada gambar 2 berikut ini.

Gambar 2 diagram T-s untuk siklus Rankine ideal sederhana

Keterangan gambar 2 :

[  Proses 1 – 2 adalah proses pada tekanan konstan yang berlangsung pada boiler. Pada proses ini kalor masuk ke dalam sistem (Q_in).

[  Proses 2 – 3 adalah proses ekspansi isentropis (adiabatis reversibel) yang berlangsung di dalam turbin uap. Pada proses ini terjadi kerja keluar sistem (W_out)

[  Proses 3 – 4 adalah proses pada tekanan konstan yang berlangsung di dalam kondensor. Pada proses ini kalor keluar dari sistem (pembuang kalor) (Q_out).

[  Proses 4 – 1 adalah proses penekanan secara isentropis oleh pompa. Pada proses ini kerja masuk ke dalam sistem (W_in).

Pada siklus Rankine ideal sederhana. Air dipompa oleh pompa pengisi boiler ke dalam boiler. Pompa yang bertugas untuk memompakan air ke dalam boiler disebut feed water pump. Pompa ini harus dapat menekan air ke boiler dengan tekanan yang cukup tinggi (sesuai dengan tekanan kerja siklus). Secara ideal pompa bekerja menurut proses isentropis (adiabatis reversibel) dan secara aktual pompa bekerja menurut proses adiabatis irreversibel.

Di dalam boiler, air yang bertekanan tinggi dipanaskan hingga menjadi uap panas lanjut, prosesnya adalah sebagai berikut:

1. Ekonomiser, air pertama-tama masuk ke ekonomiser. Ekonomier berfungsi sebagai pemanas awal. Sesuai namanya alat ini berfungsi untuk meningkatkan efisiensi boiler dengan cara menggunakan panas sisa gas buang untuk memanaskan awal air yang masuk ke boiler.
2. Evaporator, dari ekonomiser, air masuk ke drum penampung air di evaporator. Di dalam evaporator air dipanaskan melalui pipa-pipa evaporasi hingga berubah menjadi uap. Uap air yang keluar dari evaporator adalah uap jenuh.
3. Superheater, selanjutnya uap jenuh dari evaporator masuk ke superheater. Superheater adalah alat penukar kalor yang dirancang khusus untuk memanaskan uap jenuh menjadi uap panas lanjut dengan menggunakan gas panas hasil pembakaran. Uap panas lanjut yang keluar dari superheater siap digunakan untuk memutar turbin uap.

Uap panas lanjut dari boiler kemudian dialirkan ke turbin uap melalui pipa – pipa uap. Di dalam turbin uap , uap panas lanjut diekspansikan dan digunakan untuk memutar rotor turbin uap. Proses ekspansi di dalam turbin uap berlangsung melalui beberapa tahap yaitu :

1)      Proses ekspansi awal di dalam turbin tekanan tinggi (roda Curtis)

Uap panas lanjut yang bertekanan tinggi diekspansikan di nosel dan kemudian digunakan untuk memutar roda Curtis. Roda Curtis adalah turbin uap jenis turbin implus. Pada roda Curtis terjadi penurunan tekanan yang signifikan.

2)      Proses ekspansi pada turbin tingkat menengah.

Turbin tingkat menengah menggunakan turbin jenis reaksi dan tersusun atas beberapa tingkat turbin.

3)      Proses ekspansi tingkat akhir.

Pada tingkat akhir ini uap terus diekspansikan hingga tekanan sangat rendah (biasanya dibawah tekanan atmosfir ) dengan bantuan kondensor.

Putaran poros yang dihasilkan dari proses ekspansi uap panas lanjut di dalam turbin digunakan untuk memutar beban. Beban dapat berupa generator listrik seperti di PLTU atau propeler (baling-baling) untuk menggerak kapal.

Uap tekanan rendah dari turbin uap mengalir ke kondensor. Di dalam kondensor, uap didinginkan dengan media pendingin air hingga berubah fase menjadi air. Kemudian air ditampung di dalam tangki dan dipisahkan dari gas-gas yang tersisa dan siap untuk dipompa ke dalam boiler oleh pompa pengisi boiler. Proses ini terus berlanjut dan berulang membentuk sebuah siklus yang disebut siklus Rankine.

Pada siklus Rankine ideal. Ke 4 alat dianggap bekerja pada kondisi Steady flow. Sehingga persamaan energi untuk kondisi steady flow dapat ditulis :

Beberapa proses yang berlangsung pada masing-masing alat adalah :

Kerja pompa :

Dimana ν adalah volume spesifik yang besarnya :

 

Kalor masuk ke boiler :

Kerja yang dihasilkan turbin uap :

Kalor yang dibuang oleh kondensor :

Persamaan energi untuk masing-masing komponen dapat ditulis:

• Pompa (Q = 0) à W_pompa,in = h₂ – h₁

• Boiler (W = 0) à Q_in = h₃ – h₂

• Turbin (Q = 0) àW_turb,out = h₃ – h₄

•  Condenser (W = 0) à Q_out = h₄ – h₁

Efisiensi thermal siklus Rankine ideal sederhana dapat dihitung :

Dimana  :

Bila panas pada air terus diberikan, temperatur air tidak akan naik tetapi terjadi perubahan fase air dari fase cair menjadi fase gas. Pada proses ini terjadi penyerapan kalor (energi) yang digunakan untuk mengubah fase zat, pada kondisi temperatur konstan. Energi yang diserap ini tidak dapat di ukur dengan mengunakan termometer karena temperatur fluida tidak berubah. Oleh sebab itu, proses ini disebut proses penyerapan panas laten (non sensibel heat). Kadar uap dalam campuran ini disebut faktor kebasahan atau sering disingkat dengan huruf X. besar faktor kebasahan dapat dihitung dengan mengunakan rumus :

Keterangan :

X : faktor kebasahan (%) menyatakan persentase uap

h_g(t) : entalpi uap pada temperatur fluida tertentu (kJ/kg)

h_f : entalpi cair (kJ/kg)

h_fg : entalpi perubahan dari cair ke gas (kJ/kg)

s_g(t) : entropi uap pada temperatur fluida tertentu (kJ/kg.K)

s_f : entropi cair (kJ/kg.K)

s_fg : entropi perubahan dari cair ke gas (kJ/kg.K)

2.6  Contoh soal pada Siklus Rankine

Sebuah siklus Rankine sederhana ideal bekerja pada temperatur 400 ^oC dan tekanan 80 bar. Tekanan kondensor 0,1 bar. Aliran massa uap yang masuk ke turbin 100 kg/s. Hitunglah kerja turbin, kerja pompa, kalor masuk, kalor keluar dan efisiensi siklus. daya yang dihasilkan turbin dan daya netto siklus.

Jawab

Pertama-tama gambarkan skema siklus Rankine sederhana dan lengkapi dengan data-data yang ada di dalam soal

Ditanya : kerja turbin (W_t); Kerja pompa (W_p), kalor masuk (Q_in­), kalor keluar (Q_out), efisiensi termodinamika (η_th), daya turbin (P_t) dan daya netto siklus (P_nett).

Dari tabel sifat-sifat uap panas lanjut  di dapat :

Entalpi uap masuk ke turbin : h₁ = 3139,4 kJ/kg

Entropi uap masuk ke turbin : s₁ = 6,3658 kJ/kg.K

Entropi uap keluar turbin sama dengan entropi uap masul turbin (proses ideal atau isentropis) sehingga s₁  = s₂  = 6,3658 kJ/kg.K

Dari tabel uap jenuh, pada tekanan 0,1 bar (10 kPa) didapat :

Entalpi fase uap (h_g2) = 2583,9 kJ/kg

Entalpi fase cair (h_f2) = 191,81 kJ/kg

Entalpi perubahan fase (h_fg2) = 2392,1 kj/kg

Entropi fase uap (s_g1) = 8,1488 kJ/kg.K

Entropi fase cair (s_f2) = 0,6492 kJ/kg.K

Entropi perubahan fase (s_fg2) = 7,4996 kJ/kg.K

Fraksi (kadar) uap (X) dapat dihitung :

Artinya kadar uap yang keluar dari turbin menuju kondensor adalah 76,22 % atau fluida yang keluar dari turbin 76,22 % uap dan 23.78 % cair. Bagian yang cair ini tidak perlu lagi diembunkan, tetapi 76,22 % uap ini yang harus dibuang kalornya supaya fasenya berubah menjadi cair. Maka energi total yang terkandung di dalam 76,22% uap dapat dihitung :

Maka kerja turbin dapat dihitung yaitu :

Daya turbin adalah :

Kalor yang dibuang oleh kondensor :

h₂ adalah entalpi uap yang masuk ke kondensor = 2015,07 kJ/kg

h₃ adalah entalpi air yang keluar dari kondensor = 191,81 kJ/kg

maka kalor yang dibuang oleh kondensor adalah :

Daya kondensor yang dibutuhkan untuk membuang kalor tersebut adalah :

Kerja pompa dapat dihitung dengan rumus :

= volume jenis air pada tekanan 0,1 bar = 0,00101 m³/kg

p₄ = tekanan air keluar pompa = tekanan boiler (proses ideal tidak ada rugi-rugi tekanan) maka p₄ = p₁ = 400 bar = 40 Mpa.

p₃ = tekanan air masuk pompa = tekanan air keluar kondensor, untuk proses ideal tidak ada rugi-rugi tekanan sehingga p₃ = 0,1 bar = 10 kPa

maka kerja pompa :

Bila aliran massa air yang dipompa 100 kg/s maka daya yang diperlukan oleh pompa adalah:

Daya netto siklus :

Kalor yang masuk ke sistem (q_in­) dapat dihitung :

h₁ = entalpi uap panas lanjut keluar dari boiler = 3139,4 kJ/kg

h₄ = entalpi air keluar pompa yang besarnya = entalpi air masuk pompa + kerja pompa, maka h₄ = 191,81 + 40,3899 = 232,1999 kJ/kg

maka kalor yang masuk ke sistem adalah :

Daya yang dihasilkan Boiler : P_B = 2900,2 kJ/kg x 100 kg/s = 290.020 kW = 290,02 MW

Efisiensi termodinamika siklus adalah :

Dari hasil perhitungan dapat dilihat hanya 37,37 % dari daya yang diberikan ke dalam boiler yang dapat diubah menjadi energi mekanis, sisanya hilang atau dibuang ke alam melalui kondensor dan ada sebagian kecil yang digunakan untuk mengerakan pompa.

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

1.      Siklus Rankine adalah siklus termodinamika yang mengubah panas menjadi kerja. Siklus Rankine merupakan model operasi dari mesin uap panas yang secara umum ditemukan di pembangkit listrik.

2.      Sumber panas yang utama untuk siklus Rankine adalah batu bara, gas alam, minyak bumi, nuklir, dan panas matahari.

3.      Siklus Rankine ideal sederhana terdiri dari :

·         Boiler sebagai alat pembangkit uap

·         Turbin uap sebagai alat mengubah uap menjadi kerja

·         Kondensor sebagai alat pengembun uap

·         Pompa boiler sebagai alat memompa air ke boiler

4.      Di dalam boiler, air yang bertekanan tinggi dipanaskan hingga menjadi uap panas lanjut, dan melalui 3 proses :

·         Ekonomiser

·         Evaporator

·         Superheater

DAFTAR PUSTAKA

http://instrumentasidanfisika.blogspot.com/2011/11/siklus-pada-boiler.html

https://ilmupembangkit.wordpress.com/2013/05/10/siklus-rankine/