Unit operasi yang berbasis perpindahan massa dan yang tidak

Air digunakan di berbagai unit proses seperti di reaksi-reaksi kimia, proses ekstraksi, steam stripping, steam ejector untuk produksi vakum, kebutuhan steam, cooling water, dan pembersihan peralatan dan perlengkapan proses [1]. Tentunya ada persyaratan-persyaratan tertentu seperti jumlah dan kualitas air, baik yang digunakan dan maupun yang dikeluarkan oleh operasi-operasi tersebut. Kondisi-kondisi ini memberikan akses bagi pemanfaatan konsep water reuse, regeneration, dan recycle untuk menghasilkan operasi-operasi yang lebih efisien dalam penggunaan air. Artikel kali ini hanya memberikan pemahaman mengenai dua jenis operasi penggunaan air.

Secara garis besar, operasi-operasi yang menggunakan air tersebut dapat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu berbasis perpindahan massa (mass-transfer based) dan tanpa perpindahan massa (non mass-transfer based). Untuk operasi-operasi yang berbasis perpindahan massa, mereka punya satu kesamaan yaitu air mengalami kontak dengan suatu material di unit operasi dan menjadi terkontaminasi atau mengalami peningkatan konsentrasi salah satu atau beberapa material di dalam aliran air tadi. Contoh umumnya adalah ekstraksi, stripping kolom, dan operasi-operasi pencucian (washing). Idealnya, aliran air bersih (tanpa material lain) masuk ke suatu unit proses  dan material yang ada di proses tersebut berpindah ke aliran air, sehingga aliran air tersebut mengalami peningkatan konsentrasi material yang diangkutnya tersebut. Ilustrasi proses mass transfernya terlihat seperti gambar di bawah.

Gbr 1

Gambar. 1 Ilustrasi operasi yang berbasis perpindahan massa

Gbr 2

Gambar. 2 Skema operasi berbasis perpindahan massa

Secara matematis, plot konsentrasi dan massa material (mass load of contaminant) yang dialami aliran air tersebut terlihat di gambar 2. Konsentrasi keluaran (Cout) lebih tinggi dari konsentrasi masuknya (Cin). Dari gambar 2, laju aliran airnya didefinisikan dengan:

Gbr 2a

Di mana Δmi adalah massa material yang dipindahkan dari proses (misalnya unit operasi itu sendiri atau kontak dengan material di dalamnya) ke aliran air. Sehingga untuk sejumlah beban tertentu, Δmi, jika laju aliran airnya berkurang, maka konsentrasi contaminant di aliran keluaran air tersebut akan meningkat. Hal ini diilustrasikan di gambar berikut, di mana jika laju alir air menurun maka kemiringan garisnya akan semakin tajam:

Gbr 3

Gambar. 3 Penurunan laju air

Penurunan laju air mungkin dibatasi oleh sejumlah keperluan tertentu di mana terdapat laju minimum untuk bisa beroperasi atau konsentrasi maksimum material tertentu. Batasan-batasan ini biasanya berupa kelarutan maksimum, batas korosi, fouling, minimum driving force untuk perpindahan massa, jumlah minimum keperluan air, dan konsentrasi maksimum yang bisa diterima oleh unit-unit di hilirnya.

Untuk menurunkan jumlah konsumsi airnya, masing-masing unit operasi tersebut dapat disuplai oleh air yang “bersih” atau air dengan level kontaminasi terendah yang ada. Akan tetapi, jika secara keseluruhan operasi tersebut menggunakan air, maka jumlah yang diperlukan tersebut bisa sangat tinggi.  Akibatnya biaya operasi juga akan tinggi (terutama di negara-negara yang sangat membatasi pemakaian air). Meskipun demikian, sejumlah unit operasi tertentu mungkin dapat menggunakan air yang tidak “bersih”, atau memiliki sejumlah kontaminasi tertentu. Menaikkan nilai konsentrasi inlet aliran air tersebut dapat membuka celah untuk menggunakan air limbah dari operasi lainnya. Jika konsentasi inlet ini dinaikkan ke nilai maksimum yang bisa diterima oleh unit-unit operasi tersebut, dan juga konsentrasi keluarannya ke nilai maksimal, maka laju alir air yang bersangkutan disebut sebagai laju alir pembatas (limiting water flowrate). Hal ini sering juga disebut sebagai konsep profil laju alir pembatas (limiting water profile), seperti gambar di bawah.

Gbr 4

Gambar. 4 Konsep jumlah air terbatas (Limiting Water Profile)

Konsep profil jumlah air terbatas (limiting water profile) ini digunakan untuk melihat daerah layak dan tak layak dalam menentukan laju alir air. Laju alir air akan disebut sebagai layak jika nilainya berada di bawah limiting water profilenya. Konsep ini, jika digunakan secara maksimal akan menurunkan jumlah laju alir air yang digunakan secara keseluruhan.

Sementara itu dalam perkembangan selanjutnya, konsep ini terlihat memiliki kelemahan yang cukup vital. Seperti yang telah dijelaskan di atas bahwa konsep limiting water profile ini menggambarkan proses di mana aliran air masuk dengan konsentrasi kontaminan tertentu, mengalami perpindahan massa, dan keluar dengan konsentrasi kontaminan yang lebih besar. Akan tetapi, banyak unit operasi yang tidak bisa dimodelkan seperti ini. Contohnya reaktor, boiler, cooling tower, dan unit-unit lainnya yang memiliki banyak inlet dan outlet stream untuk air. Ada juga yang hanya memerlukan air dan mengonsumsinya, alias tanpa aliran air keluar. Dan sebaliknya. Operasi sejenis ini disebut sebagai unit operasi yang tidak berbasis pada perpindahan massa (non mass-transfer based water-using operations). Di sini, yang jadi perhatian utama adalah jumlah air dan konsentrasi kontaminan yang dimilikinya. Bukan jumlah kontaminan yang diambil pada proses perpindahan massa di dalam unit operasi tersebut. Secara skematik, salah satu unit operasi yang bukan berbasis perpindahan massa adalah sebagai berikut:

Gbr 5

Gambar. 5 Sebuah reaktor yang tidak bisa dimodelkan sebagai mass-transfer based operations

Definisi-definisi ini penting untuk dipahami agar nantinya kita bisa menentukan dengan metode seperti apakah kita akan menganalisis sistem penggunaan air, dan bagaimana kita akan mengoptimalkannya.

Leave a Comment