analisa thermodinamika terhadap bahaya ledakan … · (tindakan hukum) (pasal 15 ayat 1, 2 dan 3,...
TRANSCRIPT
SEMINAR TESIS
ANALISA THERMODINAMIKA TERHADAP BAHAYA LEDAKAN
PADA TANGKI STORAGE AMONIAK CAIR
Disusun Oleh Joko Siswanto 2307 201 201
Dosen Pembimbing
Dr. Ir. KUSWANDI, DEA NIP. 131 651 422
LABORATORIUM THERMODINAMIKA JURUSAN TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA 2010
PENDAHULUAN
Kebakaran dan ledakan mengakibatkan kerugian materi serta korban yang banyak baik meninggal dunia, cacat seumur hidup
• Penyebab kebakaran dan ledakan: – Human eror (kesalahan faktor manusia) – Kesalahan prosedur kerja (SOP atau Instruksi kerja) – Disengaja ( pembakaran untuk mendapatkan asuransi, pengambilan
sumber alam dengan peledakan dan lain-lain) Undang Undang Republik Indonesia No. 1 Tahun 1970 Tentang
Keselamatan Kerja, pasal 3 ayat 1 berbunyi “ Dengan peraturan perundangan ditetapkan syarat-syarat keselamatan kerja untuk:
a). mencegah dan mengurangi kecelakaan, b). mencegah, mengurangi dan memadamkan kebakaran, c). mencegah dan mengurangi bahaya peledakan”. Peraturan tersebut menjadi salah satu dasar diwajibkannya upaya
pengendalian resiko terhadap bahaya kebakaran dan ledakan. Pelanggaran atas peraturan tersebut berimbas pada pemberian sanksi
(tindakan hukum) (Pasal 15 ayat 1, 2 dan 3, UU RI No. 1 Tahun 1970).
Latar Belakang Permasalahan
Penelitian Terdahulu • Penelitian Ledakan;
– Lestari dan Nurdiansyah (2007) : potensi bahaya kebakaran dan ledakan pada tangki timbun premium
– Marchini dkk (2008) : ledakan yang menimbulkan kobaran api, kecelakaan terjadi selama pengisian LPG dari tangki mobil ke dalam gudang penyimpanan (studi kasus)
– Ercelebi dkk (2008) :parameter geologi dan operasional dalam memprediksi ledakan yang diakibatkan airblast-overpressure pada penggalian.
– Zhang dkk (2008): karakteristik ledakan dari gas ClO2 dari berbagai macam konsentrasi.
– Wu Zong-Zhi dkk (2008) : ledakan bahan pelarut uap air (CVE) dalam bangunan berbentuk cincin yang beratap dengan alas mengambang di atas kaki peyangga (studi kasus).
Penelitian Amoniak_Air;
– Smolen dan Polling (1991): data VLE sistem amoniak_air untuk komposisi overall, tekanan dan suhu 20 OC – 140 OC
– Kusnul dan Setia (2004) : identifikasi dan evaluasi sistem penyimpanan amoniak dalam upaya pencegahan pencemaran lingkungan hidup (studi kasus di PT.Pupuk Kaltim)
– Gulthom (2009) : Data primer dari observasi diolah dengan dengan perangkat lunak ALOHA (Area Locations of Hazardous Atmosphere) dihasilkan perhitungan pola penyebaran bahan kimia amoniak.
• Penelitian ini bertujuan memperoleh perubahan tekanan pada tangki storage yang menyebabkan ledakan, yaitu pada saat pengisian (loading) amoniak cair dari pipa I maupun pipa II ke dalam tangki storage. Ledakan tersebut disebabkan karena tekanan uap dari campuran amoniak air dalam tangki storage meningkat yang besarnya melebihi kemampuan tekanan logam yang ada dan kemampuan kompresor yang tidak maksimal dalam menyerap uapnya untuk dilakukan pendinginan menjadi amoniak cair (refrigerasi). Dalam studi ledakan tangki storage amoniak cair tersebut akan ditinjau dan dianalisa dari ilmu themodinamika.
Rumusan Masalah
• Campuran amoniak dan air dengan flowrate yang tinggi akan terjadi perubahan properti pencampuran
• Sifat amoniak dapat berubah menjadi uap tergantung pada kondisi suhu dan tekanan
• Terjadi peningkatan dan penumpukan uap amoniak pada tangki yang tidak diimbangi dengan kemampuan pendinginan oleh kompresor
• Terjadi build up pressure (tekanan uap meningkat) yang besarnya melebihi tekanan logam yang ada.
Tujuan Penelitian
• Menentukan korelasi kesetimbangan uap_cair sistem amoniak air pada berbagai suhu.
• Mempelajari pengaruh perubahan suhu (Suhu real -25.75 C dan suhu variasi -40 C) dan komposisi aliran masuk dari pipa I terhadap perubahan tekanan.
• Menganalisa resiko bahaya ledakan pada tangki storage.
Manfaat Penelitian
• Dengan pengelolaan, pemantauan, dan pengoperasian sistem penyimpanan amoniak secar benar, maka lingkungan di dalam pabrik dan lingkungan sekitar akan terhindar dari pencemaran uap amoniak maupun amoniak.
• Memberi manfaat bagi pengembangan ilmu dan teknologi pengoperasian sistem penyimpanan amoniak.
Batasan Masalah
• Penelitian dilakukan dalam skala simulasi
• Teknik observasi
• Dari data-data yang diperoleh dilakukan perhitungan dengan properti campuran amoniak air yaitu suhu campuran dan kesetimbangan uap_cair.
1
2
4
5
6
7 9
10 11 8
2
3
12 13
14
PROSES PENDINGINAN
PIPA I PIPA II
PIPA III TANGKI
STORAGE
Uap
Liquid
METODE PENELITIAN Neraca Massa dan Neraca Energi Aliran Pipa III
PIPA I PIPA II
PIPA III
Rate, suhu (-25.75oC dan -40oC), konsentrasi Amoniak (variasi)
Rate, suhu, komposisi stabil
H1,EK1 H2,EK2
H3,EK3
∑min( EK+EP+H) – (∑mout(EK+EP+H)+Q+(-∆H reaksi) =0 (HK BERNOULI)
H3 = (mCp∆T) Pipa III = [(mCp∆T) NH3 + (mCp∆T) H2O ] Pipa III
Dengan bantuan software Goalseek didapatkan suhu aliran pipa III
Rate pipa I + Rate pipa II = Rate pipa III
Neraca Massa dan Neraca Energi Tangki Storage
PIPA III
H3,EK3
Q
H AWAL
EK AWAL PENDINGINAN
UAP
LIQUID
H3 + EK3 + HAWAL+ EKAWAL + (-Q) = H TOTAL
Q = m λ, λ = ∆H Vaporation (Watson) 38.0
1
2
1
2
1
1
r
r
T
T
H
H
Massa Pipa III + Massa Tangki awal = Massa Tangki Akhir
= Waktu x Massa Tangki Akhir
Menentukan Suhu Tangki Keadaan Akhir
• H total = (mCp∆T) Akhir = [(mCp∆T) NH3 + (mCp∆T) H2O] Akhir
• Dengan bantuan software Goalseek didapatkan suhu tangki storage keadaan akhir (variasi waktu)
• Cp = koefisien panas pada tekanan konstan
= aoT + 1/2a1T2 + 1/3a2T3 + 1/4a3T4 + 1/5a4T5
dimana = ao, a1, a2, a3, a4, a5 konstanta
Menentukan Tekanan Uap (P Buble) Tangki Storage
satsat
Buble PxPxP 222111
Menentukan Parameter Margules A12 dan A21
• Untuk mendapatkan nilai parameter Margules yaitu dengan fiting antara x1 terhadap GE/RT eksperimen dengan x1 terhadap GE/RT perhitungan dari data IV Vapor-Liquid Equilibrium Data for the NH3-H20 System and Its Description with a Modified Cubic Equation of State (Thomas M. Smolen, David B. Manley, and Bruce E.Poling,2002)
Menentukan Koefisien Aktifitaf amoniak dan air
])(2[ln 1122112
2
21 xAAAx
])(2[ln 2211221
2
12 xAAAx
Menentukan dan (Antoine)
•
• A, B dan C suatu konstanta • T = suhu
satP1
satP2
15.273log10
CT
BAPvp
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
• Perhitungan Tekanan Uap (P Buble) dengan suhu Aliran Pipa I
• -25.75oC :
Enthalpi (H1) dan Enthalpi (H3) nilainya semakin turun dengan kenaikan konsentrasi amoniak.
Enthalpi (H2) - 3.1x1011 Joule , energi kinetik (EK2) 19.4 Joule
Energi kinetik (EK1) dan energi kinetik (EK3) nilainya semakin turun dengan bertambahnya konsentrasi amoniak
Suhu aliran pipa III relatif kecil atau hampir tidak ada perubahan yang signifikan dengan kenaikan konsentrasi amoniak
Enthalpi tangki storage awal (H awal) -2.4x1012 Joule, energi kinetik tangki storage awal (EK awal) = tidak ada
Panas laten (Q) yang diserap oleh kompresor 8124.49 Joule
Suhu tangki storage keadaan akhir semakin naik dengan bertambahnya waktu.
Perhitungan Parameter Margules Margules A12 -0.482 dan A21 -3.44
Tekanan uap (P Buble) naik dengan bertambahnya waktu
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
• Perhitungan Tekanan Uap (P Buble) dengan suhu Aliran Pipa I
• -40oC :
Enthalpi (H1) dan Enthalpi (H3) nilainya semakin turun dengan kenaikan konsentrasi amoniak.
Enthalpi (H2) - 3.1x1011 Joule , energi kinetik (EK2) 19.4 Joule
Energi kinetik (EK1) dan energi kinetik (EK3) nilainya semakin turun dengan bertambahnya konsentrasi amoniak
Suhu aliran pipa III semakin turun dengan kenaikan konsentrasi amoniak
Enthalpi tangki storage awal (H awal) -1.5X1012 Joule,
energi kinetik tangki storage awal (EK awal) = tidak ada
Panas laten (Q) yang diserap oleh kompresor 8015.89 Joule
Suhu tangki storage keadaan akhir semakin naik dengan bertambahnya waktu.
Perhitungan Parameter Margules Margules A12 -0.482 dan A21
-3.44
Tekanan uap (P Buble) naik dengan bertambahnya waktu
X1(NH3)
Suhu
Alir
an P
ipa
III (
o C)Suhu Pipa I -25.75oC
Suhu Pipa I -40oC
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
-34
-32
-30
-28
Gambar 1 Kurva variasi konsentrasi amoniak terhadap suhu pipa III
X1(NH3)
Ent
halp
i Pip
a II
I (Jo
ule)Suhu pipa I -25.75oC
Suhu Pipa I -40oC
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-6
-5
-4
(1011)
Gambar 2. Kurva variasi konsentrasi amoniak terhadap variasi enthalpi pipa III
X1(NH3)
Ener
gi K
inet
ik P
ipa
III (
Joul
e)Suhu Pipa I -25.75oC
Suhu Pipa I -40oC
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
0.5
1
(108)
Gambar 3. Kurva variasi konsentrasi amoniak terhadap energi kinetik (EK) aliran pipa III
Waktu (menit)
Suhu
Tan
gki (
o C)
Suhu Pipa I -25.75oC
Suhu Pipa I -40oC
0 5 10
-80
-60
-40
-20
0
Gambar 4. Kurva variasi waktu terhadap variasi suhu tangki storage akhir
Waktu (menit)
Teka
nan
Tang
ki S
tora
ge (K
pa)
Suhu Pipa I -25.75oC
Suhu Pipa I -40oC
0 5 10
0
200
400
600
Gambar 5. Kurva variasi waktu terhadap variasi tekanan uap (P buble)
tangki storage
X1
GE/
RTGE/RT Eks.
GE/Rt Cals.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-0.6
-0.4
-0.2
0
Gambar 6. Kurva variasi x1 terhadap variasi GE/RT
KESIMPULAN • Dari analisa dan pembahasan pada penelitian ini yang ditinjau
dari ilmu thermidinamika dapat disimpulkan beberapa properti sebagai berikut ; 1. Enthalpi pada aliran pipa III (H3) semakin kecil dengan
kenaikan konsentrasi amoniak dan tidak berpengaruh terhadap variasi suhu aliran pipa I.
2. Energi kinetik aliran pipa III (EK3) semakin kecil dengan kenaikan konsentrasi amoniak dan tidak berpengaruh terhadap variasi suhu aliran pipa I.
3. a. Suhu campuran aliran pipa III hampir tidak berpengaruh dengan kenaikan konsentrasi amoniak (suhu real aliran pipa I -25.75oC).
b. Suhu campuran aliran pipa III semakin turun dengan kenaikan konsentrasi amoniak (suhu variasi aliran pipa I
- 40oC). 4. Tekanan uap (P Buble) semakin naik dengan kenaikan waktu
maupun variasi suhu aliran pipa I dan nilainya melebihi tekanan logam yang diijinkan pada spesifikasi tangki storage
DAFTAR PUSTAKA • David M.HimmeblauStatistics,” Basic Principles and Calculations in chemical Engineering”, 7end
Edition, Pearson Education International, 2004
• Fthenakis, “Prevention and Control of Accident Releases of Hazardous Gases”,Van Nostrand
Reinhold, New York, 1993.
• Kusnul Nurmanto dkk,”Identifikasi dan evaluasi system penyimpanan amoniak dalam upaya
pencegahan pencemaran lingkungan,”Proseding Seminar Nasional Rekayasa Kimia dan Proses,
Semarang 2004.
• Lestari & Nurdiansyah “ Potensi Bahaya Kebakaran dan Ledakan Pada Tangki Timbun Bahan
Bakar Minyak (BBM) Jenis Premium Di Depot X Tahun 2007”, Makara Teknologi, Vol.11 No.2,
November 2007.
• Lees, F.P., “Loss Prevention In The Process Industries: Hazard Identification, Assessment and
Control”, Vol 1-3, 2nd Edition, Butterworth-Heinemann, Oxford, 1996.
• Poling & Prausnitz., “The Properties of Gases and Liquids”, Fifth Edition, Mc Graw-Hill
International, Inc., 2001.
• Smith & Van Ness., “Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics”, Sixth Edition, Mc
Graw-Hill International, Singapore, 2001.
• The International Association Shelia B Reed,”Pengantar Tentang Bahaya,”Program Pelatihan
Manajemen Bencana,”Edisi ke-3, 1995.
• The International Association For The Study Of Insurance Economics (2006) World Fire Statistics,
The Geneva Association Newsletter No 22, October 2006.
• Thomas M. Smolen, David B. Manley, and Bruce E. Poling,”Vapor-liquid equilibrium data for
ammonia-water system and its description with a modified cubic, equation of state,”J. Chem. Eng.
Data, 1991.
• Towler & Sinnott,” Chemical Engineering Design Principle Practice and Economics of Plant and
Process Design,” Elseiver, 2008.
Tabel 1. Spesifikasi tangki storage
No
Spesifikasi Keterangan
1. Kapasitas 7500 metrik ton.
2. Bentuk Storage Silinder tegak dengan tutup roof dished
3. Diameter Shell 26 meter.
4. Tinggi Shell 21.85 meter.
5. Tinggi dished 2.84 meter
5. Material Carbon stell ASTM-516 GRADE 70.
6. Temperatur Operasi - 330C
7. Tekanan Operasi 80 gram/cm2
8. Tekanan Maksimum 100 gram/cm2
9. Vakum Maksimum 5 gram/cm2
10. Isolasi Foam glass block 2 lapis, tebal 3” dan 4”
11. Kapasitas Refrigeration system
1161 kg/jam
12. Umur Storage Sekitar 23 tahun
13. Flowrate kompresor 0.387 ton/jam
13. Amonia disyaratkan NH3 = 99.8% ─ 99.5% Oksigen = 2.5 ppm H2O = 0.2% ─ 0.5%
Tabel 2. Data-data pipa I
No.
Pipa I Keterangan
1 Waktu Pengisian Mulai pukul 16.57 s/d 17.08 WIB
2 Lama waktu pengisian 11 menit
3 Jumlah amoniak terkirim 10.2 Ton
4 Flow rate 56.636 Ton/jam
5 Suhu amoniak dalam pipa - 25.75 C
6. Jarak pipa 1600 m
7 Diameter Luas penampang
6 ” 0.0182 m2
8 Tekanan 1.7 kg/cm2
Tabel 3. Data-data pipa II
No.
Pipa II Keterangan
1 Waktu Pengisian Mulai pukul 15.30 s/d 17.08 WIB
2 Lama waktu pengisian 1 jam 38 menit
3 Jumlah amoniak terkirim 79.002 Ton
4 Flow rate 64.54 ton/jam
5 Suhu amoniak dalam pipa - 29 o C
6. Diameter Luas penampang
6 ” 0.0182 m2
7 Flow rate yang diijinkan 70 ton/jam
8 Tekanan 1.7 kg/cm2
Tabel 4. Data-data pipa operasional tangki
No.
Tangki Storage Keterangan
1 Level isi amoniak dalam tangki 0.92 meter (=332 ton)
2 Tekanan operasional Tekanan Absolut
39 gram/cm2 s/d 138 gram/cm2 105.15 Kpa s/d 114.27 Kpa
3 Level isi amoniak menjelang ledakan pukul 17.08 WIB
1,14 meter (441 ton).
4 Skala level Indikator 0,2 s/d 1 Kg/cm2 = 0 s/d 20 meter level.
5 Skala level 1 ( satu ) Meter 375 Metrik Ton Amoniak
6. Berat jenis amoniak 0,68 gram/cc.
7 Penambahan level amoniak dalam tangki akibat pengiriman dari pipa II
79.008 / 375 x 1 Meter = 0.2112213m = 21.12213 cm
8 Penambahan level amoniak dalam tangki akibat pengiriman dari pipa I
10,2 / 375 x 1 Meter = 0.0272 m = 2.72 cm
9 Total penambahan level amoniak dalam tangki
(0.2112213+0.0272)m = 0.238421 m= 23.8421 cm
10 Penambahan level/menit 0.238421/11=0.0216747 m/min
11 Suhu 20 oC
Foto Close Up suhu indikator tangki storage
yang meledak
Foto Close Up indikator tekanan uap amoniak dalam tangki storage
Foto Tangki storage yang meledak secara keseluruhan
Foto Bentuk tangki storage akibat ledakan