Pengolahan air boiler dan blowdown: kesadahan, TDS, alkalinitas, oksigen terlarut, siklus konsentrasi, laju blowdown, busa, dan terbawa air

Setrika gulung sebuah laundry mulai meninggalkan noda kekuningan tipis pada sprei putih, dan perangkap uap di setrika dan pengering harus dibongkar dan dibersihkan hampir setiap bulan. Bagian kimia laundry sudah memeriksa deterjen dan pemutih, dan tidak menemukan masalah. Teknisi yang akhirnya menguji air boiler menemukan TDS hampir dua kali batas yang ditetapkan pabrik boiler. Katup blowdown hanya dibuka bila operator ingat, dan catatan blowdown kosong selama berminggu-minggu.

Air boiler yang terlalu pekat berbusa. Busa itu naik ke ruang uap dan terbawa bersama uap sebagai butiran air yang membawa garam, lumpur, dan karat sampai ke setrika, perangkap, dan katup. Noda pada linen, perangkap yang macet, dan uap yang basah berasal dari satu sebab: blowdown yang tidak dikendalikan. Bab ini menjelaskan mengapa air boiler harus diolah dan dibuang sebagian secara teratur, dan bagaimana menghitung berapa banyak.

Batas pembahasan

Bab ini membahas air umpan dan air boiler untuk boiler uap kecil dan menengah di laundry, dapur, dan rumah sakit: pengotor, akibatnya, pengolahan, pengujian lapangan, dan blowdown. Kimia kesadahan dan kecenderungan kerak ada di Bab 16 · Kimia tentang kelarutan dan pengendapan, kimia analitik lapangan seperti titrasi dan konduktometri di Bab 23 · Kimia tentang kimia analitik lapangan, dan pelunak serta kerak pada mesin pencuci piring di Bab 9 · Dishwashing tentang mutu air, pelunak, kerak, dan descaling mesin pencuci piring. Boiler dan perlengkapannya ada di Bab 4 tentang boiler tingkat pemeriksaan, uap basah di Bab 3 tentang sifat uap dan tabel uap, dan perangkap serta kondensat di Bab 5 tentang distribusi uap, perangkap uap, dan kondensat.

Batas mutu air boiler, dosis bahan kimia, dan jadwal blowdown ditetapkan oleh pabrik boiler dan penyedia pengolahan air. Angka di bab ini adalah nilai umum dari literatur teknik atau angka contoh untuk berhitung.

Apa yang dibawa air ke dalam boiler

Air baku membawa zat terlarut dan gas terlarut. Air tanah tinggi dalam padatan terlarut, kesadahan, alkalinitas, dan silika. Di dalam boiler, air diuapkan dan uapnya keluar hampir murni, sedangkan hampir semua zat terlarut tertinggal. Setiap kilogram air umpan yang menjadi uap meninggalkan zat terlarutnya di dalam boiler, sehingga kepekatan air boiler naik terus kecuali sebagian air boiler dibuang. Blowdown adalah pembuangan sebagian air boiler itu, untuk menahan kepekatannya.

Air umpan (feedwater) adalah air yang dipompa masuk ke boiler, dan TDS (total dissolved solids) adalah jumlah padatan terlarut dalam air, dinyatakan dalam mg/L. Pengotor dan akibatnya:

Kerak

Kalsium dan magnesium mengendap sebagai kerak ketika air dipanaskan, seperti dijelaskan di Bab 16 · Kimia tentang kelarutan dan pengendapan. Kerak di permukaan pemanas bersifat isolator: panas dari api harus menembus kerak sebelum sampai ke air, sehingga logam di bawah kerak menjadi lebih panas dan efisiensi turun. Bila kerak menurunkan efisiensi boiler dari 85 menjadi 82 persen, bahan bakar untuk panas uap yang sama naik $0{,}85/0{,}82 - 1 = 3{,}7$ persen. Logam yang terlalu panas di bawah kerak tebal dapat melemah, menggembung, dan pecah. Kerak juga menyumbat saluran gelas penduga dan menutupi elektroda pemutus air rendah, seperti kasus pembuka Bab 4 tentang boiler tingkat pemeriksaan.

Pelunakan (softening) adalah proses menghilangkan kesadahan. Pelunak penukar ion menukar kalsium dan magnesium dengan natrium, sehingga air umpan hampir bebas kesadahan, tetapi TDS-nya hampir tidak berubah. Karena itu pelunakan mencegah kerak, tetapi tidak menghilangkan kebutuhan blowdown. Kapasitas tukar pelunak menentukan berapa meter kubik air lunak yang dihasilkan sebelum pelunak harus diregenerasi (Contoh 4).

Korosi oleh oksigen dan karbon dioksida

Oksigen terlarut menyebabkan korosi sumuran (pitting), yaitu lubang-lubang kecil yang dalam, terutama di pipa air umpan, ekonomiser, dan bagian boiler tempat air umpan masuk. Kelarutan oksigen turun ketika air dipanaskan: air pada sekitar 25 °C dapat melarutkan sekitar 8 mg/L oksigen dari udara, sedangkan pada sekitar 90 °C hanya sekitar 1,6 mg/L. Karena itu tangki air umpan dijaga panas, dan pada boiler yang lebih besar dipakai deaerator yang memanaskan air umpan dengan uap sampai mendekati suhu jenuh.

Sisa oksigen diikat dengan bahan kimia penangkap oksigen, misalnya natrium sulfit, yang dosisnya dapat dihitung dari stoikiometri reaksi

$$2\,\text{Na}_2\text{SO}_3 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{Na}_2\text{SO}_4$$

Dengan massa molar natrium sulfit 126,04 g/mol dan oksigen 32,00 g/mol, setiap gram oksigen memerlukan $2 \times 126{,}04/32{,}00 = 7{,}88$ g natrium sulfit, ditambah sisa yang dijaga menurut program bahan kimia.

Karbonat dan bikarbonat dalam air umpan terurai di boiler dan melepaskan karbon dioksida yang ikut uap. Ketika uap mengembun, karbon dioksida larut dalam kondensat dan membentuk asam karbonat, sehingga pipa kondensat baja menipis dari dalam, terutama di bagian bawahnya. Pengendaliannya adalah mengurangi alkalinitas air umpan, membuang gas tak terkondensasi, dan bila perlu memakai bahan kimia penetral kondensat menurut penyedia pengolahan air.

Busa, priming, dan terbawa air

Air boiler yang TDS-nya tinggi, alkalinitasnya berlebihan, atau tercemar minyak mudah berbusa. Busa naik ke ruang uap dan butirannya terbawa uap, dan gumpalan air boiler dapat masuk ke saluran keluar uap. Priming (priming) adalah keadaan ketika air boiler terbawa ke saluran uap mendadak dalam jumlah besar, misalnya ketika katup uap dibuka cepat dan tekanan turun sehingga air mendidih hebat. Terbawa air (carryover) adalah keadaan ketika air boiler terbawa uap terus-menerus dalam jumlah kecil.

Akibatnya adalah uap basah seperti di Bab 3 tentang sifat uap dan tabel uap, ditambah kotoran: garam dan lumpur yang mengendap di perangkap, katup, dan permukaan pemanas peralatan, serta noda pada linen bila uap atau kondensatnya menyentuh linen. Air ketel dibuang bila ada zat yang tidak larut, misalnya busa yang mengganggu pengamatan gelas penduga. Busa di gelas penduga juga membuat level air terbaca lebih tinggi daripada sebenarnya.

Rantai pengolahan air umpan dan kondensat yang kembali

Air umpan dibentuk dari air pengganti dan kondensat yang kembali. Aliran pengganti ditambahkan untuk mengimbangi kehilangan karena penguapan, blowdown, dan kehilangan lain dari sistem. Pada boiler laundry, air masuk melalui pelunak, lalu pompa air lunak mengisi boiler. Rantai yang lazim untuk boiler laundry:

1. Saringan untuk padatan tersuspensi.
2. Pelunak untuk kesadahan, dengan regenerasi garam yang terjadwal dan uji kesadahan keluarannya.
3. Tangki air umpan yang panas, tempat kondensat kembali dan air pengganti bercampur, dengan ven untuk gas yang terlepas.
4. Bahan kimia yang dimasukkan dengan pompa dosis ke tangki atau saluran air umpan: penangkap oksigen, pengatur alkalinitas atau pH, dan bahan pengendali endapan menurut program penyedia pengolahan air.
5. Pompa air umpan dengan katup searah ke boiler, seperti di Bab 4 tentang boiler tingkat pemeriksaan.

Air dari unit osmosis balik dapat dipakai sebagai air pengganti dengan TDS yang jauh lebih rendah, tetapi sifatnya yang agresif terhadap logam memerlukan penyesuaian pH menurut penyedia pengolahan air.

Kondensat yang kembali hampir bebas zat terlarut, sehingga menurunkan TDS air umpan dan blowdown (Contoh 2), selain menghemat panas dan air seperti di Bab 5 tentang distribusi uap, perangkap uap, dan kondensat. Risikonya adalah pencemaran: kondensat dari penukar panas yang bocor dapat membawa air proses, deterjen, minyak, atau bahan kimia ke boiler, dan memicu busa atau korosi. Kondensat yang kembali dipantau dengan konduktivitas, dan bila nilainya melewati batas, kondensat dialihkan ke pembuangan secara otomatis sampai sumber pencemarannya ditemukan. Bab 1 tentang uap, udara tekan, air proses, dan neraca utilitas menekankan hal yang sama dari sisi neraca: kondensat dicatat sebagai aliran terukur, dan tidak semua kondensat layak dikembalikan.

Batas air boiler dan cara mengujinya

Batas mutu air boiler ditetapkan pabrik boiler menurut jenis dan tekanannya, dan dicatat di buku petunjuk atau program pengolahan air. Air umpan boiler bertekanan tinggi harus sangat murni, sehingga batas untuk boiler kecil bertekanan rendah tidak boleh dipakai untuk boiler bertekanan tinggi. Tabel berikut memberi gambaran nilai umum dari literatur teknik untuk boiler pipa api bertekanan rendah; batas yang dipakai harus dicocokkan dengan buku petunjuk boiler yang dipakai.

Alkalinitas perlu dikendalikan baik di air boiler maupun air pendingin, dan padatan terlarut dapat ditentukan dari konduktivitas sampel air. Konduktivitas (conductivity) adalah kemampuan air menghantarkan arus listrik, yang naik bersama jumlah garam terlarut. Di lapangan, TDS biasanya diperkirakan dari konduktivitas dengan faktor sekitar 0,5 sampai 0,9 yang bergantung pada jenis garamnya; faktor yang tepat ditetapkan oleh penyedia pengolahan air. Dengan faktor 0,7, sampel berkonduktivitas 4.500 µS/cm berisi sekitar 3.150 mg/L, di atas batas 3.000 mg/L pada Contoh 1, sehingga blowdown permukaan ditambah dan air diuji ulang.

Sampel air boiler diambil melalui pendingin sampel, karena air boiler yang dilepas langsung ke wadah terbuka sebagian menjadi uap kilat, sehingga sampelnya lebih pekat daripada air boiler dan berbahaya bagi pengambilnya. Pemeriksaan air umpan untuk TDS, kesadahan, dan pH termasuk perawatan boiler.

Jadwal uji yang lazim adalah harian untuk konduktivitas air boiler dan kesadahan air keluaran pelunak, dan mingguan untuk pH, alkalinitas, dan sisa penangkap oksigen, atau menurut program penyedia pengolahan air. Hasil uji dicatat bersama blowdown yang dilakukan pada hari itu, sehingga hubungan antara blowdown dan TDS terlihat dari minggu ke minggu. Catatan blowdown yang kosong, seperti pada kasus pembuka, adalah tanda pertama bahwa TDS tidak dikendalikan, jauh sebelum noda muncul di linen.

Siklus konsentrasi dan laju blowdown

Dalam keadaan tunak, zat terlarut yang masuk bersama air umpan sama dengan yang keluar bersama blowdown, karena uap hampir tidak membawa zat terlarut:

$F\,C_F = B\,C_B, \qquad F = S + B$

dengan $F$ laju air umpan, $S$ laju uap, dan $B$ laju blowdown, ketiganya dalam kg/jam, $C_F$ TDS air umpan, dan $C_B$ TDS air boiler yang dijaga, keduanya dalam mg/L. Dari kedua persamaan itu:

$B = \frac{S\,C_F}{C_B - C_F}$

Perbandingan $C_B/C_F$ disebut siklus konsentrasi (cycles of concentration). Rumus ini menganggap uap tidak membawa zat terlarut dan keadaan sudah tunak; bila ada terbawa air, sebagian zat terlarut ikut keluar bersama uap. Semakin bersih air umpan, misalnya karena lebih banyak kondensat kembali, semakin kecil blowdown yang diperlukan (Contoh 2). Blowdown yang kurang membuat TDS naik dan memicu busa; blowdown yang berlebihan membuang air panas, bahan kimia, dan bahan bakar (Contoh 3).

Blowdown permukaan, blowdown bawah, dan kendali otomatis

Blowdown permukaan atau blowdown kontinu mengambil air dari dekat permukaan air, tempat TDS dan busa paling tinggi, melalui katup yang diatur atau dikendalikan otomatis. Katup blowdown pada drum bagian atas dibuka ketika busa melewati batas. Tugasnya mengendalikan TDS.

Blowdown bawah membuang lumpur dan endapan dari dasar boiler melalui katup di titik terendah, dengan bukaan singkat dan cepat menurut petunjuk pabrik (Contoh 5). Tugasnya membuang padatan, bukan mengendalikan TDS. Satu prosedur pengurasan total berjalan begini: katup uap utama ditutup, boiler dinaikkan ke tekanan rendah sekitar 1,5 sampai 2 kg/cm², pembakar dimatikan, pompa air dimatikan setelah blower berhenti, katup blowdown dibuka perlahan sampai air boiler habis, lalu boiler dinyalakan kembali menurut prosedur, dengan catatan bahwa pengurasan total hanya dilakukan sebelum boiler dipakai untuk produksi. Prosedur boiler yang dipakai di lokasi tetap mengikuti petunjuk pabriknya.

Air blowdown panas dan bertekanan. Ia dibuang ke bejana atau bak blowdown yang membiarkan uap kilat keluar dengan aman dan mendinginkan air sebelum masuk saluran buangan, bukan langsung ke saluran lantai atau pipa plastik (Contoh 6). Katup blowdown bawah yang dibuka oleh satu orang harus dapat dilihat dari gelas penduga, atau dibantu orang kedua yang mengamati level air, agar level tidak turun di bawah batas aman.

Blowdown kontinu dapat dikendalikan otomatis dengan probe konduktivitas di boiler dan katup yang membuka ketika konduktivitas melewati setelan. Sistem ini menjaga TDS dekat batas atas yang diizinkan, sehingga blowdown tidak kurang dan tidak berlebihan. Probe konduktivitas perlu dibersihkan dan dikalibrasi berkala terhadap uji sampel manual.

Panas di air blowdown dapat dipulihkan. Air blowdown dilepas ke bejana kilat; uap kilatnya dipakai di tangki air umpan, dan air sisanya dilewatkan penukar panas untuk memanaskan air pengganti sebelum dibuang. Perhitungan uap kilat ada di Bab 3 tentang sifat uap dan tabel uap dan di Bab 5 tentang distribusi uap, perangkap uap, dan kondensat, dan penilaian proyek pemulihan panas ada di Bab 11 tentang efisiensi energi utilitas laundry.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Sifat air dan uap ($h_f$, massa jenis air jenuh, dan fraksi uap kilat) adalah nilai tabel uap IAPWS-IF97, seperti tabel di Bab 3 tentang sifat uap dan tabel uap.

Contoh 1: laju blowdown. Boiler menghasilkan 1.000 kg/jam uap. Air umpan ber-TDS 150 mg/L, dan TDS air boiler dijaga 3.000 mg/L. Siklus konsentrasi $3.000/150 = 20$. Laju blowdown $B = 1.000 \times 150/(3.000 - 150) = 52{,}6$ kg/jam, dan laju air umpan $1.000 + 52{,}6 = 1.052{,}6$ kg/jam; blowdown sekitar 5 persen dari air umpan.

Contoh 2: pengaruh kondensat yang kembali. Bila 60 persen air umpan berasal dari kondensat ber-TDS 10 mg/L, TDS air umpan menjadi $0{,}4 \times 150 + 0{,}6 \times 10 = 66$ mg/L. Laju blowdown turun menjadi $1.000 \times 66/(3.000 - 66) = 22{,}5$ kg/jam, kurang dari separuh Contoh 1.

Contoh 3: panas yang dibuang blowdown. Blowdown 52,6 kg/jam keluar sebagai air jenuh 8 bar ($h_f = 743$ kJ/kg) dan digantikan air 28 °C ($h \approx 118$ kJ/kg). Panas yang dibuang $52{,}6 \times (743 - 118)/3.600 = 9{,}1$ kW, terus-menerus selama boiler bekerja.

Contoh 4: pelunak. Air baku berkesadahan 200 mg/L sebagai CaCO₃ dilewatkan pelunak berkapasitas tukar 2.500 g CaCO₃ per regenerasi. Volume air lunak per regenerasi $2.500/200 = 12{,}5$ m³. Dengan air pengganti 40 persen dari Contoh 2, yaitu sekitar 0,41 m³/jam, regenerasi diperlukan sekitar setiap $12{,}5/0{,}41 = 30$ jam operasi.

Contoh 5: blowdown bawah. Permukaan air boiler pipa api berukuran sekitar 2,0 m kali 1,5 m. Menurunkan level 25 mm dengan blowdown bawah membuang sekitar $3{,}0 \times 0{,}025 = 0{,}075$ m³ air, yaitu sekitar 67 kg pada massa jenis air jenuh 8 bar sekitar 892 kg/m³.

Contoh 6: mendinginkan blowdown sebelum dibuang. Dari 52,6 kg/jam blowdown 8 bar, sekitar 14,4 persen menjadi uap kilat di bejana blowdown bertekanan atmosfer, sehingga sekitar 45,1 kg/jam air 100 °C tersisa. Mendinginkannya sampai 40 °C dengan air 28 °C memerlukan sekitar $45{,}1 \times (100 - 40)/(40 - 28) = 225$ kg/jam air pendingin, sehingga memulihkan panasnya melalui penukar panas lebih masuk akal daripada mencampurnya dengan air bersih.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan laporkan kepada pengawas atau penanggung jawab peralatan, yang memutuskan kapan pekerjaan boleh dilanjutkan, bila:

1. Uji air boiler menunjukkan kesadahan, TDS, atau pH di luar batas pabrik, dan penyebabnya belum diketahui.
2. Gelas penduga menunjukkan busa atau level yang naik turun cepat; ikuti Bab 4 tentang boiler tingkat pemeriksaan.
3. Blowdown bawah akan dilakukan tanpa ada yang dapat melihat level air.
4. Sampel air boiler akan diambil tanpa pendingin sampel.
5. Air blowdown dibuang langsung ke saluran lantai, pipa plastik, atau tempat orang lewat.
6. Bahan kimia pengolahan air akan dicampur, dipindahkan, atau ditambahkan tanpa lembar data dan APD; ikuti Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi.
7. Kondensat yang kembali berkonduktivitas tinggi atau berbau, karena itu tanda pencemaran.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Kesadahan dan kerak dijelaskan di Bab 16 · Kimia tentang kelarutan dan pengendapan, dan pengujian lapangan di Bab 23 · Kimia tentang kimia analitik lapangan. Pelunak pada mesin pencuci piring ada di Bab 9 · Dishwashing tentang mutu air, pelunak, kerak, dan descaling mesin pencuci piring. Perlengkapan boiler dan kasus gelas penduga ada di Bab 4 tentang boiler tingkat pemeriksaan, uap basah dan uap kilat di Bab 3 tentang sifat uap dan tabel uap, dan kondensat yang kembali di Bab 5 tentang distribusi uap, perangkap uap, dan kondensat. Neraca utilitas ada di Bab 1 tentang uap, udara tekan, air proses, dan neraca utilitas, pemulihan panas blowdown di Bab 11 tentang efisiensi energi utilitas laundry, dan penanganan bahan kimia pengolahan air di Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.