Pemurnian Biogas Dengan Kolom Water Absorber-Stripper

Seiring dengan besarnya kebutuhan energi yang terus meningkat dan keterbatasan persediaan energi fossil telah mendorong pemanfaatan energi terbarukan, yang salah satunya adalah biogas. Biogas yang dihasilkan kemudian bisa dimurnikan sehingga bisa digunakan sebagai sumber panas, listrik maupun bahan bakar kendaraan. Komponen utama biogas adalah gas metana, yang setiap bahan organik memiliki kandungan berbeda-beda. Kisaran gas metana dalam biogas (raw biogas) antara 50% - 60%, sedangkan gas karbondioksida menempati peringkat kedua dengan prosentase berkisar 40%-60% atau sebagai kontaminan utama, diikuti gas-gas lain seperti H2S, H2O, N2, H2 dan O2. Gas CO2 dan H2S dengan adanya uap air akan bersifat korosif pada generator untuk produksi listrik maupun kendaraan (IC engine/Internal Combustion Engine), sehingga prosentasenya harus dibuat serendah mungkin atau kadar metana dibuat setinggi mungkin.  Kadar metana yang tinggi berarti juga meningkatkan nilai kalor biogas tersebut.

Salah satu metode untuk pemurnian biogas adalah dengan water absorber (water scrubber) yakni berdasarkan absorbsi fisik. Pemurnian ini dilakukan dengan prinsip kontak gas-cair secara lawan arah (counter-current) pada suhu lingkungan dan bertekanan. Pemurnian biogas dengan cara ini paling banyak digunakan karena paling mudah dan paling murah, ditambah ada sejumlah keuntungan lain berupa lebih stabil, lebih aman dan ramah lingkungan. Gas CO2 dan H2S terlarut dalam cairan absorben (air) melalui aliran bawah kolom. Hal ini disebabkan gas CO2 dan H2S lebih soluble dibanding gas CH4 di dalam air. Pada praktek water absorber ada 2 cara yang dilakukan yakni water absorber dengan regenerasi dan water absorber tanpa regenerasi. Water absorber dengan regenerasi membutuhkan sedikit air dan water absorber tanpa regenerasi membutuhkan banyak air.

Pada water absorber dengan regenerasi selanjutnya air yang mengandung CO2 dan H2S kemudian diregenerasi ke dalam kolom stripper. Dengan metode tersebut mampu dihasilkan biogas dengan kandungan CH4 95% dan yield CH4 mencapai 97%. Keuntungan proses ini adalah mudah dalam meregenerasi absorbent dan simultan dalam H2S dan CO2 removal. Dalam meregenerasi air perlu diperhatikan nilai baku mutu air dengan kadar baku mutu H2S dala air adalah 0,05 mg/L. Jika kadar H2S sudah mendekati batas baku mutu maka air harus diganti dengan air murni.

Kolom bahan isian (packed column) maupun kolom stage-wise contact seperti bubble cap column dan plate column bisa digunakan untuk pemurnian biogas seperti diatas. Pada prakteknya kolom bahan isian lebih banyak digunakan untuk maksud tersebut. Pemilihan packing pada kolom bahan isian adalah hal penting untuk meningkatkan efisiensi proses tersebut. Hidrodinamika terutama pada kolom bahan isian adalah fenomena proses yang seharusnya perlu diketahui oleh operator maupun engineer proses pemurnian biogas tersebut. Ujicoba skala laboratorium akan banyak membantu pemahaman proses bagi operator maupun engineer untuk menunjang optimalisasi kinerja unit pemurnian biogas tersebut.

Proses water absorber berdasarkan dari perbedaan kelarutan CH4 dan CO2 di air. Gas CO2 lebih terlarut daripada gas CH4, sehingga ketika raw biogas dikontakkan dengan air, hampir semua CO2 dari raw biogas tersebut terserap ke dalam air. Pada akhirnya tingkat kemurnian yang tinggi yakni 95% dengan yield yang tinggi juga yakni bisa lebih 95% bisa tercapai. H2S juga lebih terlarut (soluble) daripada CH4 sehingga akan terserap ke dalam air secara simultan bersama CO2. Saat ini ada beberapa teknik pemurnian biogas yang banyak (populer) dan favorit digunakan pada industri komersial yakni absorbsi (penyerapan) fisis menggunaan air atau pelarut organik, absorbsi kimia menggunakan MEA atau DEA, dan adsorbsi (penjerapan) padatan dengan arang aktif (activated carbon). Water absorber khususnya adalah teknik yang populer yang digunakan untuk pemurnia biogas di Swedia dan inilah juga yang kelihatannya paling cocok diterapkan di Indonesia. Pada kesempatan yang lain berbagai teknik pemurnian tersebut insyaAllah akan kita bahas.

Sedangkan masalah di sektor hulu adalah bagaimana meningkatkan yield biogas. Apabila target yield tidak tercapai maka kuantitas energi dari biogas tidak akan terpenuhi. Pada kasus produksi biogas dari limbah pabrik sawit atau POME (Palm Oil Mill Effluent) dengan output berupa listrik yang dijual ke pihak lain seperti PLN atau industri, apabila jumlah dan kualitas listrik tersebut tidak mampu memenuhi target produksi maka usaha atau aktivitas tersebut akan merugi. Untuk bisa mendapatkan output listrik yang jumlah dan kualitas sesuai target sangat terkait pada sektor hulu berupa yield (raw) biogas dari fermentasi (bio-proses) bahan bakunya (substrat) dan sektor lebih hilir berupa pengolahan atau pemurnian (raw) biogas tersebut. Aktivitas mikroba pada produksi (raw) biogas tersebut sangat terpengaruh dari suhu, konsentrasi substrat, waktu proses (residence time) dan hampa udara (anaerob). Kondisi optimal harus dibuat sehingga kinerja mikroba biogas juga optimal, termasuk adalah pemilihan mikroba yang akan digunakan untuk mengurai substrat tersebut menjadi biogas. Sejumlah teknik terkait ini bisa digunakan untuk mencapai kondisi optimal tersebut. 

Model Untuk Alat dan Proses Pabrik Kimia dengan Plastik Akrilik dan Kaca

Seperti halnya pada bidang biologi atau kedokteran ataupun bidang lainnya, dalam ilmu teknik kimia yang merupakan ilmu untuk merancang dan menjalankan pabrik kimia sangat dibutuhkan juga berupa model sehingga memudahkan bagi siapa saja yang berkecimpung di bidang ini, baik akademisi, peneliti maupun praktisi industri kimia. Tujuan pembuatan model atau peraga tersebut untuk training operator baru atau pengenalan dasar maupun sampai tahap ujicoba dan penelitian bisa dilakukan dengan model bahan dari plastik akrilik dan kaca. Proses yang terjadi di pabrik kimia banyak yang tidak bisa diamati secara visual karena sebagian besar berada di pipa-pipa dan kolom atau menara yang tinggi.  Pemilihan bahan akrilik dan kaca karena keduanya transparan (tembus pandang) sehingga proses tersebut menjadi tidak “misterius” karena bisa diamati secara visual dan ada indikasi dengan alat ukur (instrument) yang dipasang. Bahan dari logam juga kadang masih dibutuhkan untuk mendukung model atau peraga tersebut. Tentu saja, akrilik dan kaca juga memiliki kekurangan dan kelebihan masing-masing misalnya terkait mudah pecah, ketahanan panas dan tekanan dan sebagainya sehingga juga harus dipilih variabel atau proses tertentu yang bisa dijalankan secara efektif dengan material tersebut.

Skema HE (Heat Exchanger)

Skema Distillation Column

Skema Packed Column

Pengenalan dan pemahaman proses bisa dilakukan dengan pengenalan bentuk dan bagian-bagian detailnya atau pada model statis. Bentuk-bentuk alat yang rumit dan yang pemasangan tersembunyi pada alat sesungguhnya (aktual) bisa diamati dengan mudah. Analogi dengan model pada biologi atau kedokteran tentang tubuh manusia misalnya, yakni pada subject anatomi khususnya, maka organ seperti ginjal, pankreas, atau lever juga bisa diamati dengan mudah bahkan disentuh dan dipegang dengan media berupa model atau peraga tersebut. Komponen berupa baffle, flange, gasket dan sebagainya pada alat heat exchanger juga demikian ataupun bubble cap, sieve tray, packing, distributor dan berbagai interior kolom juga sama halnya. Walaupun proses tidak berjalan atau beroperasi tetapi model statis sangat membantu terutama pada orang yang baru terjun dalam proses kimia.

Selanjutnya meningkat pada model dinamis atau model yang bisa beroperasi secara sesungguhnya baik hanya satu macam proses seperti dekantasi atau hidrodinamika kolom atau bahkan rangkaian dari beberapa proses misalnya pencampuran/pengadukan/mixing, fluidisasi dan stripper dalam kolom bahan isian (packing column), sehingga menjadi satu kesatuan atau berupa miniplant. Tinjauan berupa fenomena proses kimia misalnya pressure drop, kavitasi pompa dan sebagainya bisa banyak diekspose dan diamati lebih detail dengan model jenis ini atau model dinamis. Perfomance atau unjuk kinerja model juga bisa dievaluasi, apalagi jika kondisi operasi mendekati kondisi aktual, hal ini sungguh menarik. Ukuran atau dimensi atau skala kapasitas pada jenis model miniplant sebaiknya juga jangan dibuat terlalu kecil sehingga fenomena proses bisa diamati dengan jelas dan bisa mewakili proses aktual di lapangan (pabrik kimia). Instrument seperti alat ukur perlu dilengkapi sehingga kondisi operasi proses bisa terbaca dan dijalankan secara terukur (terkontrol). Keuntungan lainnya bagi pihak yang berminat untuk mengembangkan dengan scale up pada kapasitas pabrik kimia yang sebenarnya (commercial /industrial scale) maka model miniplant sudah mendekati kondisi aktual. Selain itu model tersebut juga bisa digunakan untuk mengenalkan mekanisme kinerja alat-alat dalam pabrik kimia terutama bagi pendatang baru atau simulasi bagi para operator pabrik yang sudah berpengalaman untuk operasional pabrik yang lebih baik (advanced) atau optimasi proses.     

Menganalisa Pola Aliran Dalam Kolom di Pabrik Kimia

Apabila kita melihat pabrik-pabrik kimia pada umumnya hanya  nampak  menara-menara tinggi seperti pipa-pipa yang dipancangkan ke bumi. Tetapi disitulah sebenarnya salah satu proses utama pabrik kimia terjadi. Proses yang dilakukan dalam menara atau kolom-kolom tinggi tersebut umumnya adalah absorbs, stripsi dan distilasi. Proses-proses tersebut diatas selalu melibatkan cairan sebagai salah satu komponen utamanya.

Sejauh ini dikenal dua pola aliran ideal yakni plug flow dan mixed flow, tetapi kenyataan dilapangan tidak pernah ada pola aliran yang benar-benar plug flow atau mixed flow seratus persen. Pada kolom bahan isian penyimpangan itu terjadi karena fluida tidak menempuh rute yang sama sepanjang kolom sehingga menyebabkan perbedaan waktu tinggal dalam kolom yang berakibat pada pencampuran atau mixing yang terjadi.

Deviasi yang umum terjadi dalam kolom adalah chanelling, recycling atau daerah stagnant dalam kolom tersebut. Deviasi dari aliran ideal dapat diklasifikasikan dalam 2 tipe, yang pertama fluida mengalir melalui kolom pada kecepatan yang berbeda yang disebabkan “chanelling” dan “dead zone” sehingga elemen fluida tidak tercampur sempurna secara local tetapi sisa-sisa elemen itu memisahkan secara parsial dan bergerak sepanjang kolom. Yang kedua deviasi berhubungan dengan tingkat pencampuran lokal atau micromixing, sebagai contoh adalah adanya local mixing atau difusi pada arah aliran sepanjang kolom.

Pola aliran pada pipa atau kolom diekati sebagai aliran plug flow daripada mixed flow.  Variabel-variabel lain seperti aliran gas dan jenis bahan isian perlu ditambahkan untuk menganalisa pola aliran tersebut secara komprehensif. Jenis bahan isian (packing) sangat berpengaruh terhadap hal ini, karena setiap bahan isian memiliki karakteristik tersendiri, misalnya raschig rings akan berbeda dengan jenis pall ring. Ketika kondisi optimum operasi kolom didapatkan maka kinerja pabrik kimia akan menjadi lebih maksimal karena kolom-kolom tersebut adalah salah satu alat utama pada pabrik kimia.