6371_bab 5 Paling Fix Edit 1.docx

BAB V TUGAS KHUSUS Penentuan Laju Perpindahan Massa Na (Ja) dan Efisiensi Membran Sel Elektrolizer pada Chlor Alkali Plant 5.1

Latar Belakang Dalam industri pulp, chemical plant atau pabrik kimia adalah pabrik

pendukung yang memproduksi bahan kimia untuk proses pemutihan pulp, cairan pemasak, dan water treatment. Chemical plant memiliki beberapa plant yang memproduksi berbagai jenis bahan kimia yang salah satunya adalah chlor alkali plant. Chlor alkali plant merupakan salah satu bagian dari chemical plant yang memproduksi NaOH 32%. Chlor alkali merupakan salah satu proses yang penting dalam industri kimia. Konsumsi energi pada proses ini menjadi parameter penting yang akan berdampak pada biaya yang digunakan. Salah satu metode yang dapat digunakan untuk mengurangi konsumsi energi dalam pembuatan NaOH ini adalah dengan metode ion exchange membrane (Budiarto, dkk., 2017). Secara umum, membran penukar ion terdiri dari polimer organik dengan ion grup yang tetap yang bermuatan negatif yaitu sulfonic acid (-SO3-) (pada bagian katoda) dan carboxylic acid (-CO2-) (pada bagian anoda) karena ion yang berpindah adalah ion Na+. Dengan adanya arus dalam sebuah cell yang beroperasi maka ion Na+ akan bergerak melalui membran dari ruang anoda menuju katoda dengan berpindah dari satu ionic grup yang bermuatan negatif ke ionic grup bermuatan negatif lainnya. Sejalan dengan pergerakan ion Na+, molekul air juga akan ikut bergerak dengan arah yang sama dan pergerakan ini disebut Electro-Osmosis. Dalam proses pembentukan NaOH 32% diumpankan berupa NaCl melalui anode dan NaOH melalui katode. Komponen Na+, OH-, H2O, dan Cl- akan terbentuk akibat terjadinya proses elektrolisis. Oleh sebab itu akan dilakukan pembahasan mengenai analisis komponen Na+ yang terbentuk dalam membran sel elektrolizer.

60

5.2

Tujuan Adapun tujuan dari pengerjaan tugas khusus ini adalah sebagai berikut: 1. Mengetahui efisiensi membran sel elektrolizer terhadap Na+ yang terlewat pada Chlor Alkali Plant. 2. Mengetahui laju komponen Na+ dan laju perpindahan massa Na+ melalui membran sel. 3. Mengetahui efisiensi pembentukan NaOH pada Chlor Alkali Plant.

5.3

Manfaat Adapun manfaat dari pengerjaan tugas khusus ini adalah sebagai berikut: 1. Mahasiswa mampu menentukan efisiensi membran sel elektrolizer terhadap Na+ yang terlewat pada Chlor Alkali Plant. 2. Mahasiswa mampu menentukan laju massa komponen Na+, laju perpindahan massa Na+ melalui membran sel elektrolizer. 3. Mahasiswa mampu menentukan efisiensi pembentukan NaOH pada membrane sel elektrolizer Chlor Alkali Plant.

5.4

Metodologi Adapun metode pengumpulan data yang digunakan adalah sebagai berikut: 1. Observasi Lapangan Metode yang dilakukan adalah dengan cara pengamatan langsung pada proses produksi yang ada di chemical plant. 2. Dokumentasi atau Referensi Metode yang dilaksanakan dengan cara pengambilan data melalui dokumen tertulis maupun referensi yang tersedia dari PT Toba Pulp Lestari, Tbk. 3. Studi Literatur Metode yang dilaksanakan dengan cara pengumpulan sumber-sumber literatur dari elektronik yang berkaitan dengan laporan ini.

5.5

Pembahasan Chlor alkali plant adalah plant yang memproduksi klorin (Cl2) dan alkali,

natrium hidroksida (NaOH) dengan elektrolisis larutan garam. Teknologi utama yang digunakan untuk produksi chlor alkali adalah merkuri, diafragma, dan elektrolisis sel

61

membran, di mana umpan yang dimasukkan berupa NaCl yang akan menghasilkan caustic soda (NaOH) (European IPPC Berau, 2010). Chlor alkali plant memiliki peralatan utama berupa membran sel elekrolizer. Di dalam elektrolizer terdapat sel anoda dan katoda yang dibatasi oleh sebuah membran semipermeabel. Anoda terbuat dari titanium dan katoda terbuat dari nikel (tahan basa dan tidak reaktif) yang keduanya dilapisi dengan coating plant. Membran yang digunakan pada proses chlor alkali sel elektrolizer harus memiliki stabilitas bahan kimia yang baik jika digunakan dalam waktu yang lama. Membran yang digunakan berbahan perfluoropolymers. Membran ini memiliki sifat cation permeable selective. Sifat ini mengijinkan ion natrium bermuatan positif melewati membran dari anoda menuju katoda dan bercampur dengan hidrasi air, tetapi menolak dengan kuat lewatnya ion negatif seperti chloride dan ion hidroksil tertahan di dalam ion anoda. Dalam proses elektrolisis dengan menggunakan membran akan digunakan umpan berupa larutan pure brine (NaCl 310 gpl) pada bagian anode dan umpan larutan NaOH 29-30% pada bagian katode. Pada bagian anode NaCl akan terurai menjadi Na+ dan Cl- sedangkan pada bagian katode air akan terurai menjadi H+ dan OH-. Adapun reaksi yang terjadi dapat dilihat pada gambar berikut: Anode cell

: 2 Na+ + 2 Cl2 Cl-

Cathode cell : 2 H2O + 2eNa+ + OH-



Cl2 + 2 Na+ + 2e-



Cl2 + 2e-



H2(g) + OH-



NaOH(aq)

Total Reaksi : 2H2O + 2 NaCl 

H2(g) + Cl2(g) + 2NaOH(aq)

(Budiarto, dkk., 2017) Adanya penggunaan membran menyebabkan adanya ion Na+ yang tertahan dalam sel khususnya pada bagian anode. Lebar (A) membran dan ketebalan (𝛿) membran juga mempengaruhi banyaknya konsentrasi komponen seperti Na+ yang tertahan pada bagian anode. Dari standar Operasional Pabrik didapatkan, pabrik Toba Pulp Lestari menggunakan membrane merk Asahi Glass dengan jenis flemion yang diproduksi oleh DuPont

yang memiliki efisiensi sampai 95%. Efisiensi

62

membrane

mempengaruhi jumlah produksi NaOH, dimana semakin tinggi efisiensi maka semakin tinggi produksi NaOH. Hal ini dapat kita lihat dari rumus berikut: Massa NaOH yang dihasilkan =

ƞ𝑥𝑛𝑥𝑡𝑥𝐼 670

Keterangan: Ƞ = Efisiensi membrane n = Jumlah sel t = Waktu I = Kuat arus (SOP PT. Toba Pulp Lestari, 2008)

Anolyte: Depleted Brine (NaCl 200 gpl) Cl2 q4 = 0,15 x 10-3 m3/s

Catholyte: NaOH 30,5 % H2 q3 = 0,55 x 10-3 m3/s

Katode

Anode Pure Brine (NaCl 310 gpl) q1 = 0,2 x 10-3 m3/s

NaOH 29,7% q2 = 0,5 x 10-3 m3/s

`

Gambar 5.1 Mekanisme Membran Sel Elektrolizer

Neraca Massa Total: Laju Akumulasi = Laju Massa Masuk - Laju Massa Keluar Diasumsikan: Keadaan steady state, maka laju akumulasi = 0 Laju Massa Masuk = Laju Massa Keluar Neraca Massa Na+ Pada Ruang Katode: Data diambil pada 4 Maret 2019 jam 10.00 – 16.00 WIB (data terlampir): Konsentrasi NaOH masuk

: 29,7%

Konsentrasi NaOH keluar

: 30,5%

63

Kuat arus

: 30,78 kA

Voltase

: 3,25 V

Temperatur

: 78oC

Pada Bagian Masuk Katode: NaOH masuk 29,7 %, maka jika diubah ke dalam gram/liter maka akan didapatkan sebanyak 395,6 gpl. Tabel 5.1 Spesific Gravity dan Konsentasi larutan NaOH d15/4

Bé

1,007 1,014 1,022 1,029 1,036 1,045 1,052 1,060 1,067 1,075 1,083 1,091 1,100 1,108 1,116 1,125 1,134 1,142 1,152 1,162 1,171 1,180 1,190 1,200 1,210

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

NaOH (%) 0,59 1,20 1,85 2,50 3,15 3,79 4,56 5,20 5,86 6,58 7,30 8,07 8,78 9,50 10,30 11,06 11,90 12,69 13,50 14,35 15,15 16,00 16,91 17,81 18,71

NaOH (g/l) 6,0 12,0 18,9 25,7 32,6 39,9 47,3 55,0 62,5 70,7 79,1 88,0 96,6 105,3 114,9 124,4 134,9 145,0 155,5 166,7 177,4 188,8 201,2 213,7 226,4

de15/4

Bé

1,220 1,231 1,241 1,252 1,263 1,274 1,285 1,297 1,308 1,320 1,332 1,345 1,357 1,370 1,383 1,397 1,410 1,424 1,438 1,453 1,468 1,483 1,498 1,514 1,530

26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

(Sumber: Japan Soda Industry Assosiation, 2006)

Dari tabel terlampir bahwa NaOH 30% = 399,6 gpl Maka, NaOH 29,7%:

64

NaOH (%) 19,65 20,60 21,55 22,50 23,50 24,48 25,50 26,58 27,65 28,83 30,00 31,20 32,50 33,73 35,00 36,36 37,65 39,06 40,47 42,02 43,58 45,16 46,73 48,41 50,10

NaOH (g/l) 239,7 253,6 267,4 281,7 296,8 311,9 327,7 344,7 361,7 380,6 399,6 419,6 441,0 462,1 484,1 507,9 530,9 556,2 582,0 610,6 639,8 669,7 700,0 732,9 766,5

30% 29,7 %

x=

=

399,6 x

29,7% x 399,6 gpl 30%

= 395,6 gpl

Laju NaOH Masuk

= =

395,6 g l 395,6 g 10-3 m3

x q2

m3 s

x 0,5 . 10

-3

m3 s

= 197,8 g/s Maka Laju Na+ Masuk pada katode: BM Na = 23 g/mol dan BM NaOH = 40 g/mol Maka, Laju Na+ = =

BMNa BMNaOH 23 40

x Laju NaOH Masuk

x 197,8 g/s

= 113,7 g/s

Pada Bagian Keluar Katode: NaOH keluar 30,5%, maka jika diubah ke dalam gram/liter maka akan didapatkan sebanyak 396 gpl. Konsentrasi tersebut didapatkan melalui interpolasi: NaOH 30% = 399,6 gpl Maka, NaOH 30,5%: 30% 30,5%

x=

=

399,6 x

30,5% x 399,6 gpl 30%

Laju NaOH Keluar

= 406,26 gpl = =

406,26 g l

x q3

406,26 g -3

10

m3

m3 s

x 0,55.10-3

= 223,4 g/s Maka Laju Na+ Keluar pada katode: 65

m3 s

BM Na = 23 g/mol dan BM NaOH = 40 g/mol Maka, Laju Na+

= =

BMNa BMNaOH 23 40

x Laju NaOH Keluar

x 223,4 g/s

= 128,4 g/s Neraca Massa Na+ pada Ruang Anode: Pada Bagian Masuk Anode: Pada bagian masuk anode diberikan umpan berupa pure brine (NaCl 310 gpl) dengan laju 0,2 x 10-3 m3/s Laju NaCl Masuk

= =

305 g l

x q1

m3 s

305 g

m3

10-3 m

s

x 0,2 . 10-3 3

= 61 g/s Maka Laju Na+ Masuk pada Anode: BM Na = 23 g/mol dan BM NaCl = 58,5 g/mol Maka, Laju Na+

= =

BMNa BMNaCl 23 58,5

x Laju NaCl Masuk

x 61 g/s

= 24 g/s

Pada Bagian Keluar Anode: Pada bagian keluaran anode didapatkan depleted brine (NaCl 200 gpl) dengan laju alir keluaran anolyte sebesar 0,15 m3/s. Laju NaCl Keluar

= =

200 g l

x q4

m3 s

200 g

m3

10-3 m

s

x 0,15 . 10-3 3

= 30 g/s Maka Laju Na+ Keluar pada Anode:

66

BM Na = 23 g/mol dan BM NaCl = 58,5 g/mol Maka, Laju Na+

BMNa

=

BMNaCl 23

=

58,5

x Laju NaCl Keluar

x 30 g/s

= 11,79 g/s Neraca Massa Total Na+: Laju Na Masuk = Laju Na Keluar F1Na + F2Na = F3Na + F4Na 24 g/s + 113,7 g/s = 128,4 g/s + 11,79 g/s 138,07 g/s = 140,19 g/s Maka, didapatkan error sebesar: Error = | =| =|

Laju Na Keluar - Laju Na Masuk Laju Na Masuk

| x 100%

140,19 - 138,07 138,07 2,12

138,07

| x 100%

| x 100%

= 0,0153 x 100% = 1,53 % Peneracaan Na+ dapat dipergunakan (balance) jika didapatkan error pada neraca massa < 5%. Sehingga neraca massa Na+ pada bagian ini dapat dipergunakan untuk mencari efisiensi membran serta laju perpindahan massa atau fluks molar (Ja). Di bawah ini menunjukkan proses perpindahan massa melewati sel membran: Anode

Katode

N a

N a

Laju perpindahan massa atau fluks molar (Ja) dipengaruhi oleh ketebalan dari membran yang dipergunakan seperti yang diberikan pada Hukum Fick di bawah ini: Z= 0

67

Z=𝛿

Na = Ja = - C . DAB . Na = Ja = DAB . Na = Ja = DAB .

dXa dZ

∆C ∆Z (Cain - Caout ) Z2 - Z1

Di mana, pada peneracaan massa sebelumnya didapatkan: F1Na = 24 g/s F2Na = 113,7 g/s F3Na = 128,4 g/s F4Na = 11,79 g/s +

Maka untuk konsentrasi Na masuk = =

F1Na g/s - F4Na g/s BM g/mol x q NaCl m3 /s 24 g/s - 11,79 g/s -3

23 g/mol x 0,2 . 10

m3 /s

= 2,65. 103 mol/m3

= 2,65 kmol/m3 Untuk konsentrasi Na+ yang melewati membran = F3Na - F2Na = (128,4 - 113,7) g/s = 14,7 g/s =

14,7 g/s 23 g/mol x 0,55 . 10-3 m3 /s

= 1,6 . 103 mol/m3 = 1,16 kmol/m3 Sehingga didapatkan laju perpindahan Na+: Na = Ja = DAB . -9

Na = Ja = 4.10

(Cain - Caout ) m2 (2,65 - 1,16) kmol/m3 (2,5.10-4 -0) m

s -9

Na = Ja = 4.10

(Geankoplis, 1993)

Z2 -Z1

m2 (1,49) kmol/m3 s

Na = Ja = 2,38.10-5

(2,5.10-4 ) m kmol s.m2

Maka untuk efisiensi Na+ yang terlewat secara aktual: 68

Efisiensi = | =|

CNaout CNain 1,16 2,65

| x 100%

| x 100%

= 0,438 x 100% = 43,8% Secara teori Na+ yang terlewat dari membran pada PT Toba Pulp Lestari, Tbk memiliki efisiensi sebesar 35%. Adapun penurunan efisiensi ini disebabkan oleh beberapa hal, salah satunya diakibatkan oleh penyumbatan (sittering) pada bagian pori membran. Keberadaan ion Ca2+ akan mengganggu efek difusivitas pada permukaan membran. Keberadaan Ca2+ akan menyebabkan pori tertutup di mana ion Na+ tidak bisa berpindah dari anoda menuju katoda. Pada sistem membran ini didapatkan driving force dari perpindahan ion Na+ yaitu akibat perbedaan konsentrasi serta perbedaan muatan listrik yang mampu membuat ion Na+ dapat bergerak melalui membran menuju katode. Keberadaan ion Ca2+ harus dikontrol pada masukan pure brine, di mana konsentrasi Ca2+ yang diinginkan adalah < 30 ppb. PT Toba Pulp Lestari, Tbk mengggunakan membran dari Du Pont dengan nama dagang Flemion. Flemion merupakan membran yang terbuat dari ion exchange polymers. Membran polimer ini bersifat permeable di mana banyak kation dan komponen polar, dengan ukuran dan propertis elektrokimia yang ditentukan dapat dibawa melalui polimer secara sempurna tetapi menolak anion dan komponen non polar. Membran yang biasa digunakan lebih permeabel terhadap 1 jenis komponen. Komponen ditransfer melalui membran akibat pengaruh dari driving force berupa perbedaan konsentrasi, potensial elektrokimia, dan tekanan hidrostatis. Pada membran terdapat 2 permukaan, di mana pada bagian sisi anode terbuat dari sulfonate dan pada bagian katode terbuat dari carboxylate. Pada bagian sisi anode, sulfonate memiliki resistensi yang rendah sehingga memungkinkan ion Na+ dan Clmampu melewati membran. Akan tetapi, sisi katode yang terbuat dari carboxylate merupakan senyawaan dengan selektivitas transfer ion yang cukup tinggi. Oleh sebab itu membran yang digunakan dalam chlor alkali plant ini sudah sangat efektif. Di mana ketika ion Cl- menembus bagian sisi membran anode dan akan terhalang ketika

69

melewati bagian sisi membran katode. Hal inilah yang membuat meningkatnya konsentrasi Na pada bagian keluaran dari ruang katode (Du Pont, 2006). Efisiensi membrane dapat dihitung menggunakan rumus: Berikut adalah perhitungan dari produksi NaOH dan Efisiensi membran Data diambil pada 15 Februari 2019 (data terlampir): Jumlah sel (n)

= 22 sel

Waktu (t)

= 1 hari ( 24 jam )

Kuat Arus Listrik (I)

= 23,3 kA

Massa NaOH yang dihasilkan = Konsentrasi NaOH x Laju Alir keluar NaOH (F3) = 412 gram/liter x 35,389 liter/hour = 14, 50 ton hari. Dari data diatas kita dapat mencari efisiensi membrane dengan rumus : Massa NaOH yang dihasilkan =

ᶯxnxtxI 670

Maka, Efisiensi membrane adalah (ᶯ) = =

670 x 14,50 22 x 23,3 x 24

670 x massa NaOH nxtxI

x 100%

x 100%

= 79,405 %. Dari perhitungan diatas dapat dilihat bahwa efisiensi membrane dalam produksi NaOH adalah sebesar 79,405%. Dari Rumusan diatas, berikut adalah tabel efisiensi membran dalam jangka waktu 1 bulan dimulai dari 14 Februari 2018 sampai 11 Maret 2019.

70

Tabel 5.2 Efisiensi Membran dalam Jangka Waktu 1 Bulan Tanggal 14-Feb 15-Feb 16-Feb 17-Feb 18-Feb 19- Feb 20- Feb 21- Feb 22- Feb 23- Feb 24- Feb 25- Feb 26- Feb 27- Feb 28- Feb 01- Mar 02- Mar 03- Mar 04- Mar 05- Mar 06- Mar 07- Mar 08- Mar 09- Mar 10- Mar 11- Mar

Load (kA) 11.5 23.3 29.2 18.4 31.5 28.7 25.9 29.5 28.4 28.2 28.2 29.2 6.5 3.5 29.4 26.2 29.7 28.9 28.8 27.4 25.6 28.9 28.4 28.7 28.1 28.1

Voltage (Volt) 31 66.4 73.7 51 70.5 70.5 70.1 70.6 72.7 72.8 72.9 73.5 23.1 12.7 72.9 69.2 73.7 73.8 74 73.5 72.4 73.1 72.9 73.1 72.4 72.6

Number of Cell 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22

Time (hr) 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24

Efficiency of Membrane (%) 141.5601644 79.40547828 83.67828899 83.20239748 82.77831872 78.26216873 93.84098495 85.45712639 83.42942302 87.42538846 85.59067459 83.72929282 0 242.8469238 85.74358148 85.89372296 84.37510433 89.43092604 85.90032061 83.3553086 93.93239978 84.76664439 88.32106374 86.47561992 87.75191272 87.19062606

Dari tabel diatas dapat kita lihat bahwa rata-rata efisiensi dari membrane selama satu bulan diatas 80%. Pada tanggal 20 Februari dan 06 Maret efisiensi mencapai 93%, sedangkan pada tanggal 14,26 dan 27 Februari terjadi shut down pada pabrik sehingga data efisiensi membrane tidak normal. Secara teori membran pada PT Toba Pulp Lestari, Tbk memiliki efisiensi sebesar >95%. Adapun penurunan efisiensi pada membran ini disebabkan oleh beberapa hal, salah satunya diakibatkan oleh penyumbatan (sittering) pada bagian pori membran. Keberadaan ion Ca2+ akan mengganggu efek difusivitas pada permukaan membran. Keberadaan Ca2+ akan menyebabkan pori tertutup di mana ion Na+ tidak bisa berpindah dari anoda menuju

71

katoda. Pada sistem membran ini didapatkan driving force dari perpindahan ion Na+ yaitu akibat perbedaan konsentrasi serta perbedaan muatan listrik yang mampu membuat ion Na+ dapat bergerak melalui membran menuju katode. Keberadaan ion Ca2+ harus dikontrol pada masukan pure brine, di mana konsentrasi Ca2+ yang diinginkan adalah < 30 ppb. Kandungan Ca yang > 30 ppb mengakibatkan terjadinya penyumbatan pada bagian pori dari membrane sehingga diperlukan adanya penggantian membrane. Penggantian

membrane

dapat

meningkatkan

efisiensi

membrane

tersebut.

Penggantian Membran dapat dilakukan secara berkala tergantung dengan umur membrane. Pada PT. Toba Pulp Lestari, Tbk pergantian membrane dilakukan pada membrane yang sudah berumur 6 tahun karena efisiensi semakin menurun yaitu <80%.

5.6

Kesimpulan dan Saran

5.6.1

Kesimpulan

Adapun kesimpulan yang didapatkan pada tugas ini adalah: 1. Didapatkan efisiensi Na+ yang melewati membran secara aktual yaitu 21,9%. 2. Didapatkan laju perpindahan massa Na+ sebesar 6,60.10-5

kmol s.m2

.

3. Peneracaan massa dinyatakan sesuai dengan kondisi aktual dikarenakan error sebesar 1,53%. 4. Didapatkan efisiensi membran pada produksi NaOH yaitu 90,2%

5.6.2

Saran

Adapun saran yang dapat diberikan pada tugas khusus ini yaitu: 1. Dilakukan pembersihan membran secara berkala untuk meningkatkan efisiensi dari membran yang digunakan. 2. Ditambahkan alat pengontrol Ca2+ pada bagian alat ion exchanger untuk mendapatkan pure brine yang lebih murni dan bebas Ca2+. 3. Dilakukan penggantian membrane secara berkala agar produksi tercapai.

72