bab ii tinjauan pustaka -...

5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Gas Alam

Gas alam terdiri dari campuran gas hidrokarbon yang terdiri dari metana

dengan kandungan lebih dari 20 % dari pada hidrokarbon lainnya. Secara umum

gas alam biasa digunakan sebagai sumber energi dalam berbagai aplikasi yaitu

pembangkit listrik, penyedia energi panas di industri, bahan bakar kendaraan

bermotor, bahan baku manufaktur plastik, dan bahan kimia organik penting

lainnya. Gas alam ditemukan dibawah tanah bersama dengan formasi bebatuan

atau bercampur dengan reservoir hidrokarbon lainnya dalam lapisan batu bara

maupun yang terperangkap bersama dengan kristal air (wikipedia, 2012).

Gas alam perlu diolah untuk dapat digunakan sebagai bahan bakar, maka

harus dilakukan pemrosesan terlebih dahulu untuk memisahkan kontaminan

berupa gas CO2, H2S, serta air yang terkandung dalam gas sehingga memenuhi

spesifikasi gas yang sesuai dengan kebutuhan pasar. Produk samping dari gas

alam adalah etana, propana, pentana dan hidrokarbon dengan berat molekul lebih

tinggi, H2S (dapat dikonversi menjadi sulfur murni), CO2, uap air dan terkadang

helium serta nitrogen.

Komponen yang menjadi fokus untuk memperbaiki kinerja pemisahan

CO2 dari gas alam adalah hexane atau heksana. Hexane merupakan senyawa

hidrokarbon dan terdapat secara alami dalam campuran gas alam. Sifat fisik dari

n-Hexane adalah sebagai berikut :

Rumus molekul : C6H14

Berat molekul : 86,18 g/mol

Titik didih : 68-69 oC

6

2.2 Amine Gas Treating

Gas alam yang mengandung senyawa acid gas seperti CO2 dan/atau H2S

disebut sour gas. Sour gas yang dihasilkan dari sumur gas alam, perlu dilakukan

suatu pengolahan untuk memisahkan acid gas agar tidak berdampak buruk

terhadap sistem yang mengolah atau menggunakan gas alam tersebut. Faktor

utama gas CO2 harus dikurangi kadarnya dari kandungan feed gas (sour gas)

adalah untuk menghindari pembekuan gas CO2 saat gas alam akan dicairkan.

Selain itu, adanya gas CO2 dalam gas alam mampu mengurangi nilai kalor gas

alam dalam ruang pembakaran karena gas CO2 dapat menyerap panas yang

dihasilkan dari pembakaran. Jika kontak dengan air, gas CO2 dapat membentuk

senyawa asam lemah sehingga beresiko menyebabkan korosi pada unit proses.

Kandungan H2S pada aliran gas alam akan beresiko menyebabkan korosi pada

sistem proses.

Metode pemisahan acid gas dari gas alam dengan menggunakan senyawa

amina sebagai media untuk menangkap acid gas disebut amine gas treating.

Proses yang berperan dalam amine gas treating adalah absorbsi. Senyawa amina

yang biasa digunakan adalah Monoethanolamine atau MEA, Diethanolamine atau

DEA, dan Monodiethanolamine atau MDEA (Younger,2004).

2.2.1 Proses Absorbsi di CO2 Removal Plant

Absorbsi merupakan proses terjadinya perpindahan massa dari fasa

gas ke fasa cair dengan cara mengontakan kedua zat tersebut dalam suatu

kolom. Senyawa yang berfungsi untuk menyerap fasa gas disebut absorben

yaitu MDEA sedangkan fasa gas yang berpindah ke fasa cair disebut absorbat

yaitu acid gas. Perpindahan massa tersebut terjadi karena adanya suatu gaya

dorong atau driving froce yang berasal dari kondisi tekanan proses.

Semakin besar tekanan operasi maka kesetimbangan absorbsi akan

terjadi lebih cepat. Selain itu, suhu operasi akan mempengaruhi kelarutan

senyawa gas yang akan diserap oleh absorben. Jika selisih suhu antara

absorben dengan absorbat terlalu tinggi maka kelarutan absorbat dalam

absorben akan berkurang. Oleh karena itu, kondisi operasi yang diterapkan

pada proses absorbsi diinginkan tekanan setinggi mungkin dan suhu serendah

7

mungkin. Process Flow Diagram sederhana mengenai proses di CO2 Removal

Plant Subang dapat dilihat dalam gambar 2.1.

Gambar 2.1 : Process Flow Diagram sederhana CO2

Removal Plant

Mekanisme absorbsi CO2 kedalam MDEA terdiri dari beberapa tahap yaitu :

1) Pelarutan Gas CO2 kedalam air :

CO2 + 3H2O ↔ HCO3- + H3O+ + H2O atau CO3

2- + 2H3O+..................(2.1)

2) Mekanisme protonasi amina :

R3N+ H3O+ ↔ (R3NH)+ + H2O............................................................. (2.2)

3) Mekanisme absorbsi keseluruhan :

CO2 + 3H2O ↔ HCO3- + H3O++ H2O...................................(2.3)

R3N + H3O+ ↔ R3NH+ + H2O..............................................(2.4)

CO2 + R3N + 3H2O + H3O+ ↔ HCO3- + H3O+ + 2H2O + R3NH+.... (2.5)

CO2+ R3N + H2O ↔ HCO3- + R3NH+.............................. (2.6)

Mekanisme reaksi Pembentukan Karbamat dapat ditulis sebagai berikut :

CO2 + MDEA + H2O ↔ HCO3- + MDEAH+.................................. (2.7)

8

Berdasarkan reaksi, dapat diketahui bahwa CO2 tidak bisa bereaksi

langsung dengan MDEA. CO2 harus bereaksi lebih dulu dengan air agar

berubah fasa menjadi cair dan dapat membentuk H3O+ sehingga MDEA yang

terprotonasi dapat mengikat CO32-. Reaksi antara MDEA yang terprotonasi

dengan gas CO2 yang telah berubah fasa akan menghasilkan senyawa garam

yang disebut karbamat. Reaksi tersebut merupakan reaksi yang reversible.

Reaksi reversible terjadi pada proses pelepasan CO2 dengan kondisi

operasi kebalikan dari absorbsi. Proses absorpsi terjadi di kolom absorber 101-

C dan 101-C2. Berdasarkan kondisi desain, absorpsi terjadi pada temperatur

antara 60-70,85oC dengan suhu feed gas sebesar 45oC dan tekanan 36,6

kg/cm2G yang merupakan tekanan alami dari sumur. Namun kondisi operasi

dari absorpsi telah berubah karena tekanan dan suhu dari sumur telah berubah

karena suhu gas alam telah meningkat yaitu menjadi 54oC dan tekanan gas

alam turun menjadi 35,85 kg/cm2gauge (PT. Rekayasa Industri, 2012).

2.3 Foaming

Foaming atau pembusaan terjadi akibat MDEA yang terkontaminasi oleh

kandungan mineral yang terbawa oleh make up water, inhibitor korosi yang

perpipaan dan senyawa hidrokarbon berat yang terkondensasi dalam kolom.

Foming dipengaruhi oleh senyawa C6+ (Febrianto dan Febriyanto). Adanya

senyawa C6+ akan mengakibatkan foam yang terbentuk akan sulit pecah atau stabil

sehingga foam akan lebih tinggi seiring dengan masuknya gas alam kedalam

kolom.

Senyawa C6+ memiliki sifat mudah larut dalam absorbent amina yang

bergugus sekunder dan tertier sedangkan dengan air tidak larut. Campuran larutan

MDEA dengan hidrokarbon berat dapat menyebabkan larutan berbuih ketika

adanya agitasi dari aliran gas alam berkecepatan tinggi yang mengalir di dalam

kolom (Pauley, 2003).

9

2.3.1 Tegangan Permukaan dan Kecendrungan Foaming

Tegangan permukaan merupakan suatu gaya yang bekerja pada

permukaan sehingga menyebabkan seluruh gaya yang akan menyebabkan

perluasa pada area permukaan akan tertahan. Senyawa C6+ dalam MDEA akan

menyebabkan tegangan permukaan menurun sehingga semakin banyak

kandungan C6+ yang terakumulasi dalam MDEA maka foam yang terbentuk

akan semakin stabil (Pauley, 2003).

2.3.2 Dampak Foaming

Foaming dapat mengakibatkan proses absorbsi yang terjadi menjadi

tidak maksimal karena terdapat gas CO2 yang terperangkap dalam gelembung

busa sehingga tidak dapat tertangkap oleh MDEA. Jika foam terbawa ke aliran

sweet gas maka akan menyebabkan terbawanya MDEA sehingga make up

MDEA akan lebih banyak dan pressure drop yang lebih besar akan terjadi pada

kolom absorber.

Foaming juga dapa menyebabkan terjadinya salah pengukuran tinggi

cairan dalam kolom dari tinggi yang seharusnya sehingga operator pada ruang

kontrol akan kesulitan dalam menentukan tinggi cairan yang sebenarnya. Saat

foaming terjadi, maka tinggi permukaan cairan akan menagalami penurunan

karena sebagian absorbent telah berubah menjadi busa. Sensor tinggi cairan

tidak dapat mengukur tinggi busa yang meningkat, melainkan tinggi cairan

yang tersisa (Pauley, 2003).

2.4 Efek Joule-Thomson

Efek Joule-Thomson menjelaskan tentang perubahan suhu suatu gas atau

cairan ketika melalui suatu valve atau suatu porous plug yang terinsulasi sehingga

tidak ada panas yang terpindahkan ke lingkungan. Prosedur tersebut disebut

proses throttling atau proses Joule-Thomson.

Proses Throttling menghasilkan enthapi yang konstan ketika terjadi

penurunan tekanan secara langsung jika proses berlangsung dari kiri ke kanan

dalam diagram T vs P. Ketika tekanan meningkat maka suhu juga akan ikut

10

meningkat sampai suhu inversi. Setelah itu, dilanjutkan dengan ekspansi sehingga

suhu fluida menjadi turun. (wikipedia, 2012)

Ketika gas di ekspansi, maka jarak rata-rata antar molekul akan

meningkat karena gaya antar molekul. Ekspansi menyebabkan peningkatan energi

potensial dari gas. Jika tidak ada kerja dari luar yang diberikan ke dalam sistem

dan tidak ada panas yang ditranfer, maka energi total dari gas akan tetap karena

konservasi energi. Peningkatan energi potensial akan berdampak terhadap

penurunan energi kinetik sehingga akan terjadi penurunan suhu. Pembuktian

enthalpi konstan dalam proses Joule Thomson yang diungkapkan oleh Vaness

adalah sebagai berikut :

P2.V2 = P1.V1 .................................................................................................... (2.8)

Dalam huku termodinamika yang pertama disebutkan bahwa energi

dalam sistem bersifat tetap. Dalam proses Joule-Thomson gas diinsulasi sehingga

tidak ada panas yang terserap sehingga dapat dituliskan dalam persamaan 2.9.

U2-U1 + P2V2 – P1V1 = 0.................................................................................. ..(2.9)

Dimana U1 dan U2 menujukan energi dalam. Dengan menggunakan

definis dari enthalpi

H= U +PV....................................................................................................... ..(2.10)

Maka persamaan (2.9) dapat ditulis menjadi :

U2 +P2V2 = U2 +P2V2........................................................................................(2.11)

H1 = H2.............................................................................................................. (2.12)

Persamaan diatas dapat menunjukkan bahwa efek Joule-Thomson

bersifat adiabatik. Laju perubahan temperatur yang bergantung kepada tekanan

dalam proses throttling di lambangkan dengan Koefisien Joule-Thomson ( ).

Koefisien ini dihasilkan dari volume gas, Cp dalam tekanan konstan dan koefisien

ekspansi termal menjadi :

........................................................................ (2.13) Koefisien joule thomson memiliki satuan oC/bar (satuan SI : K/Pa) dan

bergantung kepada jenis gas dan kepada kondisi suhu serta tekanan gas sebelum

mengalami ekspansi. Ketergantungan terhadap tekanan biasanya hanya beberapa

persen jika tekanan nya diatas 100 bar. Suhu inversi joule-thomson bergantung

11

pada tekanan dilakukan ekspansi. Saat gas di ekspansi, tekanan akan menurun.

Sehingga akan bernilai negatif.

2.5 Heat Exchanger

Heat Exchanger merupakan alat yang digunakan untuk menukarkan

energi panas antara dua fluida atau lebih. Desain heat exchanger terbagi menjadi

dua jenis yaitu shell and tube dan plate hear exchanger. (Viska,2010)

a. Shell and tube heat exchanger

Shell and tube heat exchanger yang merupakan alat penukar panas

yang biasa digunakan di industri pengolahan minyak bumi atau industri proses

lainnya. Desain dari shell and tube heat exchanger dapat dilihat pada gambar

2.2.

Gambar 2.2 Shell and Tube Heat Exchanger ( Counter Current)

Sumber :Viska,2010

Shell and tube heat exchanger cocok untuk digunakan pada tekanan

tinggi. Heat exchanger ini terdiri dari bagian shell dan bagian tube yang

merupakan tempat mengalirnya fluida sehingga terjadi perpindahan panas

diantara kedua fluida tersebut. Fluida yang untuk perpindahan panas dapat

berupa cair atau gas dan dapat dialirka dibagian shell atau tube. Pada alat ini

terdapat baffle yang berfungsi mengendalikan arah aliran dari fluida yang ada

di bagian shell. Heat exchanger memiliki kelebihan yaitu :

12

1) Shell and tube heat exchanger dapat beroprasi dengan tekanan maksimal

sebesar 600 kg/cm2.

2) Rentang pressure drop dapat divariasikan pada rentang yang tinggi,

untunk fluida gas yaitu berada pada rentang 0.05–0.2 kg/cm2 sedangkan

untuk fluida cair adalah 0.5–0.7 kg/cm2.

3) Fleksibilitas dalam pemilihan material sehingga dapat mengantisipasi

terjadinya korosi. Material untuk membuat bagian tube dapat berbeda

dengan bagian shell.

4) Kemudahan dalam melakukan pembersihan karena pipa tube berbentuk

lurus dan alat ini dapat dibongkar pasang dengan mudah.

Kekurangan dari shell and tube heat exchanger yaitu :

1) Resiko terjadi kebocoran pada sambungan peralatan karena tidak

menggunakan gasket

2) Fouling yang terbentuk pada bagian tube sulit di bersihkan

b. Plate and Frame Heat Exchanger

Plate and frame heat exchanger merupakan alat perpindahan panas

yang terdiri dari beberapa pelat logam yang disusun. Gasket yang dipasang

antara logam akan menyebabkan susunan pelat menjadi lebih rapat sehingga

akan menghasilkan sistem yang tertup. Kelebihan dari penggunaan plate heat

exchanger adalah sebagai berikut :

1) Efisiensi perpindahan panas yang tinggi untuk fluida jenis cair maupun

gas, tidak akan menyebabkan kebocoran dan beroperasi pada aliran

lawan arah.

2) Ukuran plate dapat disesuaikan desain aliran heat exchanger.

3) Perawatan yang mudah karena pelat dapat dengan mudah dibongkar dan

dibersihkan.

4) Jumlah pelat dapat disesuaikan dengan kebutuhan operasi.

5) Memiliki luas permukaan yang tinggi yaitu mencapai 15.000 ft2.

6) Resiko terjadinya fouling sangat rendah karena plate heat exchanger

akan menghasilkan aliran turbulen dan waktu tinggal setiap pelat yang

sangat rendah.

13

Plate and frame heat exchanger memiliki kerugian yaitu memiliki

keterbatasan dalam suhu dan tekanan operasi. Suhu operasi maksimum adalah

450oF dan tekanan maksimum adalah 335 psig. Perpindahan panas pada shell

and tube heat exchanger yang diunkapkan oleh Geankoplis dapat dihitungh

dengan menggunakan persamaan 2.14.

( ) ( ) ( )

( )............................................. (2.14)

Persamaan diatas melibatkan ( ) yang dapat di sebut CH dan

( ) yang dapat disebut CC. Penentuan kefektivan ε dapat ditentukan

dengan persamaan 2.15.

( )

( )

( )

( )............................................................ (2.15)

Apabila suhu air panas keluar sama denganair pendingin masuk ( -

) maka persamaan keefektivan ε menjadi :

( )

( )

( )

( )............................................................... (2.16)

Perpindahan panas aktual dapat dihitung dengan persamaan 2.17.

( ).................................................................................... (2.17)

2.6 Cooling Tower

Cooling tower atau menara pendingin merupakan alat yang digunakan

untuk menurunkan suhu air yang biasanya telah digunakan sebagai media

pendingin. Air didinginkan dengan cara dikontakan dengan udara. Penurunan

suhu air pada cooling tower terjadi akibat adanya penguapan atau konduksi

sehingga panas dalam air dapat berpindah ke udara. Cooling tower mampu

menurunkan suhu air dengan suhu 10oF atau12oC lebih tinggi dari suhu bola basah

di suatu daerah (Branan, 2002).

2.6.1 Jenis-jenis Cooling Tower

Cooling tower terbagi menjadi beberapa jenis bergantung dari cara

kerjanya. Berikut ini adalah penjelasan mengenai berbagai jenis cooling tower.

Cooling tower dapat dikalsifikasikan menjadi beberapa kategori yaitu

14

berdasarka bangunanya, cara mengalirkan udara, dan berdasarkan pola aliran

(Kolmetz, 2010).

2.6.2 Klasifikasi berdasarkan aliran udara

a. Menara Atmosferik

Cooling tower dengan jenis menara atmosferik biasanya terdiri dari

ruangan besar dengan dua dinding louver (ventilasi untuk mengalirkan

udara) yang berlawanan arah. Cooling tower jenis ini biasanya dilengkapi

dengan isian. Udara atmosferik masuk kedalam menara pendingin dengan

cara dorongan alami udara dengan kecepatan tertentu aliran udaranya

diarahkan oleh louver. Kinerja dari menara ini bergantung kepada arah dan

kecepatan angin sehingga penentuan posisi cooling tower jenis ini sangatlah

penting agar perpindahan panas terjadi dengan baik.

Gambar 2.3 Cooling Tower Atmosferik

Sumber :Kolmetz, 2010

b. Natural Draft Tower

Pada cooling tower jenis ini, udara mengalir kedalam udara secara

alami. Dua faktor yang memepengaruhi aliran udara alami adalah :

1) Peningkatan suhu dan kelembaban udara dalam kolom akan

menyebabkan penurunan densitas.

2) Kecepatan udara pada bagian bawah menara.

15

Berdasarkan desain menara, cooling tower ini tidak memerlukan

fan untuk mengalirkan udara dan tidak membutuhkan sirkulasi udara panas.

Tapi dalam kondisi tertentu, beberapa fan dipasang pada bagian bawah

menara untuk meningkatkan laju alir udara. Maka jenis cooling tower

tersebut dinamakan fan-assisted natural draft tower.

Cooling tower ini biasanya dibangun dalam bentuk hipebolik

karena beberapa alasan berikut :

1) Lebih banyak isian yang dapat dipasang pada bagian bawah menara yang

berukuran lebar.

2) Udara yang masuk kedalam menara akan diarahkan secara halus ke

bagian tengah menara karena bentuk dari dinding menara yang dapat

menghasilkan gaya geser keatas yang kuat.

3) Struktur yang lebih besar dan kerangka yang stabil dihasilkan dari bentuk

menara.

Gambar 2.4 : Natural Draft Cooling Tower


c. Mechanical Draft Cooling Tower

Ukuran natural draft cooling tower yang begitu besar membuat

konstruksi yang sulit dan biaya yang mahal, maka mechanical draft cooling

tower menjadi alternatif untuk mengantisipasi hal-hal tersebut. Mechanical

draft cooling tower memiliki ukuran kipas yang besar untuk mendorong

atau mengganti udara melalui sirkulasi air.

16

Air dialirkan ke bawah melewati permukaan isian dimana akan

membantu dalam waktu kontak antara air dengan udara. Laju pendinginan

menara pendingin bergantung pada pada beberapa parameter seperti

diameter baling-baling kipas dan kecepatan operasinya, jenis isian, dan lain-

lain. Mechanical draft cooling tower dibagi menjadi beberapa jenis.

d. Forced Draft

Cooling tower jenis ini memiliki beberapa kipas yang dipasang

pada bagian bawah menara yang berfungsi untuk untuk mendorong udara

kedalam menara. Selama operasi, kipas akan mendorong udara pada

kecepatan horizontal yang rendah melalui isian dan kemudian secara

vertikal melawan arah air yang mengalir ke bagian bawah menara. Drift

eliminator yang terpasang pada menara akan menahan air yang akan lepas

ke udara.

Gambar 2.5 : Forced Draft Cooling Tower


e. Induced Draft Cooling Tower

Cooling tower jenis ini bekerja dengan cara mendorong udara

melalui menara. Kipas yang dipasang dapat menghasilkan udara panas yang

lembab. Cara kerja kipas tersebut dapat mengakibatkan udara rendah masuk

dan udara keluaran berkecepatan lebih tinggi sehingga mengurangi

17

kemampuan untuk melakukan resirkulasi udara sehingga udara keluaran

kipas tidak akan berputar kembali ke bagian penghisapan udara.

Gambar 2.6 : Induced Draft Cooling Tower


2.6.3 Perancangan Cooling Tower

Aliran masuk dan keluar yang terlibat dalam proses penurunan suhu

dalam cooling tower digambarkan dalam rumus neraca massa yang terdapat

dalam persamaan 2.18 dan 2.19.

L2 + G.Y1 = L1 + G.Y2................................................................................. (2.18)

L2 - L1 = G. Y2 - G.Y1...................................................................................(2.19)

Berdasarkan rumus tersebut L2 merupakan laju alir air yang masuk

kedalam cooling tower. L1 merupakan laju alir air yang keluar dari cooling

tower. G merupakan udara yangdibutuhkan untuk mendinginkan air.

Persamaan neraca energi yang terlibat dalam perpindahan panas dalam cooling

tower terdapat pada persamaan 2.20 dan 2.21.

G.HY1 + L.HL2 = G.HY2 + L.HL1.................................................................. (2.20)

G.HY2 - G.HY1 = L.HL2 - L.HL1.................................................................... (2.21)

Lambang H pada persamaan 2.20 dan 2.21 merupakan entalphi.

Menentukan nilai gradien atau m dilakukan dengan menggunakan persamaan

2.22 dan 2.23.

18

................................................................................................... (2.22)

................................................................................... (2.23)

Penentuan tinggi karakteristik cooling tower dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan 2.24.

( )

∫

................................................................................. (2.24)

Lambang merupakan koefisien flux dan konversi perpindahan

masa yang diperoleh dari percobaan. Lambang s atau luas permukaan cooling

tower secara keseluruhan pada persamaan 2.24 dapat ditunjukan pada

persamaan 2.25 dengan D merupakan diameter cooling tower dan (phi)

memiliki nilai 3,14 atau

.

............................................................................................. (2.25)

2.7 Kompresor

Kompresor adalah peralatan mekanik yang digunakan untuk memberikan

energi kepada fluida gas/udara sehingga dapat mengalir dari suatu titik ke titik

lain secara berkelanjutan. Penambahan energi kepada fluida terjadi akibat dampak

gerakan mekanik impeller sehingga terjadi perubahan energi mekanik menjadi

energi potensial berupa tekanan dan energi panas. Kompresor dikalsifikasikan

menjadi beberapa jenis yaitu kompresor dinamik dan kompresor postitive

displacement (Khan, 1984).

2.7.1 Kompressor Dinamik

Kompresor dinamik bekerja dengan cara mengkonversi energi yang

dihasilkan dari kecepatan gas/udara yang dibangkitkan oleh aksi yang

dihasilkan impeller yang berputar dari energi mekanik unit penggerak menjadi

energi potensial berupa tekanan di dalam diffuser.

a. Kompresor sentrifugal

Kompresor sentrifugal atau biasa disebut kompresor radial.

Kompresor sentrifugal memiliki pompa didalamnya sehingga menghasilkan

tekanan lebih besar dari pada kipas dan blower. Hasil keluaran atau

19

discharge dari kompresor sentrifugal menghasilkan rentang tekanan dari

8.000 s/d 10.000 psi (55 s/d 69 MPa). Kompressor sentrifugal digunakan

ketika :

1) Rentang kecepatan spesifik antara 30 - 3.000 rpm.

2) Tingkat kepercayaan terhadap alat tinggi dan tidak ada spare train

yang diijinkan dalam alat.

Kompresor sentrifugal tidak digunakan pada kondisi :

1) Ketika laju alir masuk kurang dari 500 ACFM (actual cubic feet per

minute).

2) Ketika laju alir volum discharge berkurang menjadi 300-400 ACFM

sehingga mengakibatkan kompresi tidak dapat dilakukan.

3) Kapasitas yang dikompresi berada diatas 50.000 ACFM dan tekanan

discharege kurang dari 100 psig pada rentang kompressor axial.

4) Suhu discharge diatas 450oF (232oC) Suhu tersebut merupakan batas

kemampuan ketahanan dari material yang digunakan dalam

kompresor.

5) Gas belum terolah dan terdapat kandungan lumpur cair meskipun

terdapat fasilitas knock-out.

Kompresor sentrifugal memiliki kelebihan sebagai berikut :

1) Lebih efisien dari pada kompresor reciprocating

2) Laju alir tinggi

3) Membutuhkan area instalasi yang rendah

4) Kebutuhan perawatan rendah

5) Toleran terhadap cairan yang terbawa kedalam aliran gas

Kekurangan yang dimiliki kompresor sentrifugal yaitu Efisiensi

menurun saat laju alir rendah.

b. Kompressor Axial

Kompresor axial bekerja dengan memanfaatkan rotasi impeller

dengan struktur airfoil sehingga udara yang dikenai kerja akan mengalir ke

arah axial dari rotasi. Kompressor axial digunakan pada kondisi sebagai

berikut :

20

1) Ketika kapasitas inlet meningkat 50.000 ACFM.

2) Ketika efisiensi kompresi diatas 5-10 % diatas konfigurasi sentrifugal

karena akan mempengaruhi biaya pengoprasian.

3) Ketika pelapis mekanik tidak dibutuhkan dan jika kebocoran udara

atau gas melalui labirin diijinkan.

4) Ketika suhu kompresi mencapai 450oF, jika labirin dilengkapi dengan

pelapis mekanik maka suhu hasil kompresi dapat meningkat menjadi

700oF.

Kompresor axial tidak cocok digunakan pada kondisi :

1) Ketika inlet udara atau gas membawa udara partikel debu korosif.

2) Inlet dibawah 50.000 ACFM.

3) Ketika menginginkan biaya operasi yang rendah.

Kompresi yang dihasilkan terjadi dari aksi difusi dalam stator yang

mengkonversi energi kinetik fluida menjadi energi tekanan berupa tekanan.

Energi kinetik yang diberikan kepada gas dihasilkan oleh putaran rotor.

Rotor akan mereduksi energi kinetik dari gas dan kemudian akan

mengubahnya menjadi energi potensial sehingga akan menyebabkan

meningkatnya kecepatan alir udara. Berikut in adalah kelebihan yang

dimiliki oleh axial kompresor :

1) Effisiensi tinggi

2) Laju alir tinggi

3) Kompresor berukuran kecil

Kekurangan yang dimiliki kompresor axial antara lain :

1) Rentang operasi terbatas

2) Banyak masalah korosi dan endapan

3) Biaya modal tinggi

4) Head yang dihasilkan lebih rendah

2.7.2 Kompresor Positive Displacement

Kompresor positive displaceme kompresor yang mendorong fluida

searah dengan perpindahannya. Kompressor jenis ini digunakan ketika :

21

1) Laju alir fluida kurang dari 500 ACFM.

2) Tekanan Discharge diatas 5.000 psig.

3) Ketika membutuhkan biaya yang rendah.

4) Komposisi gas yang digunakan dalam keadaan yang fluktuatif.

5) Terdapat area yang cukup luas untuk menempatkan kompressor dan

operasi berlangsung selama tiga tahun berturut-turut.

6) Ketika dua atau lebih proses terpisah yang akan di kompresi secara

independent (gunakan kompressor reciprocating).

Kompresor positive displacement sebaiknya tidak digunakan pada

kondisi :

1) Laju alilr lebih besar dari 3.000 ACFM.

2) Proses kompresi tidak mengijinkan adanya pelumas silinder yang ter-

carryover dan pelumas non silinder tidak cocok untuk kompresor ini.

3) Ketika kecepatan gas menyebabkan pengoperasian valve menjadi

terganggu sehingga menyebabkan kebocoran pada aliran.

4) Ketika tidak diijinkan fluktuasi tekanan pada inlet kompresor.

Wilayah untuk membangun kompresor tidak mampu menahan

struktrur kompresor seperti :

1) Rasio tekanan diatas 5:1, akan menyebabkan defleksi rotor, efisiensi

volumetrik dan pembatasan kecepatan.

2) Ketika kapasitas gas menyebabkan kecepatan piston menjadi lebih cepat

diatas kecepatan batas normal.

3) Ketika kompressor yang digunakan dibuat dari bahan besi cor.

2.7.3 Perancangan Kompresor

Perancangan kompresor dilakukan dengan menggunakan rumus yang

dikemukakan oleh Branan. Rumus penentuan N (politropic exponent) terdapat

pada persamaan 2.26.

( )

................................................................................... (2.26)

22

Nilai K diperoleh dari perbandingan antara Cp dengan Cv gas atau

biasa disebut adiabatic exponent. Penentuan suhu keluaran kompresor dapat

dilakukan dengan menggunakan persamaan 2.27.

(

)

( ) ⁄ .......................................................................................... (2.27)

P2 merupakan tekanan gas yang keluaran kompresor dan P1

merupakan tekanan gas yang masuk kedalam kompresor. Faktor kompresi gas

(Z) dapat diketahui dengan memplotkan nilai Tekanan kritik (Pr) dan suhu

kritik (Tr). Nilai Pr dan Tr dapat diketahui dengan menggunakan persamaan

2.28 dan 2.29.

........................................................................................................ (2.28)

......................................................................................................... (2.29)

Nilai Faktor kompresi rata-rata atau Zav dilakukan dengan

menggunakan persamaan 2.30

............................................................................................ (2.30)

Menentukan nilai Entalphi pada kondisi politropik (Hpoly) dilakukan

dengan menggunakan persamaan 2.31 R merupakan konstanta gas ideal.

((

)

( ) ⁄

)................................................ (2.31)

Penentuan laju molar aliran gas dapat menggunakan persamaan 2.35.

....................................................................................... (2.32)

.................................................................................................... (2.33)

........................................................................................................(2.34)

........................................................................................ (2.35)

Menetukan daya (W) kompresor dilakukan dengan menggunakan

persamaan 2.36.

....................................................................................... (2.36)

23

Separator Vessel

Pemisah dua fasa

Pemisah Uap - Cair

Pemisah Cair - cair

Pemisah Uap - Padat

Pemisah Cair Padat

Pemisah tiga fasa

2.8 Separator Vessel

Terdapat dua jenis vessel dalam operasi pemrosesan kimia. Kategori

pertama biasa digunakan untuk sebuah penyimpanan tingkat menengah dari

sebuah proses untuk jangka waktu tertentu atau digunakan untuk memisahkan

suatu fasa dengan cara diendapkan. Kategori Kedua termasuk bagian shell dari

suatu peralatan seperti heat exchanger, reaktor, pengaduk, fraksionator dan

peralatan lain yang dapat dibangun secara besar.Separator vessel dapat

dikategorikan sebagai sebuah bejana atau atau tangki tanpa adanya isi dibagian

dalamnya untuk menghasilkan pemishan fasa (A Ling, 2010). Separator vessel

dapat dibagi kedalam beberapa jenis berdasarkan fungsinya. Pembagian jenis

separator vessel ditunjukan pada gambar 2.7.

Gambar 2.7 Klasifikasi Separator Vessel

Separator vessel dirancang secara horizontal, vertikal atau bola.

Separator vessel yang biasa digunakan di pabrik adalah jenis separator yang

dirancang secara horizontal atau vertikal. Separator berbentuk bola biasanya

digunakan untuk kondisi tekanan tinggi dengan volume fasa cair yang rendah.

2.8.1 Vapor- liquid Separator

Separator jenis ini digunakan untuk memisahkan senyawa campuran

gas-cair dengan memanfaatkan gaya gravitasi sehingga senyawa dengan fasa

cair dapat terpisah ke bagian bawah vessel dan senyawa dengan fasa gas akan

bergerak kebagian atas vessel. Vapor-liquid separator yang biasa digunakan

diindustri adalah sebagai berikut :

24

a. Gravity Separator

Proses pemisahan dalam gravity separator dihasilkan dari

pengendapan dan sedimentasi yang bergatung kepada gaya gravitasi.

Tetesan cair akan mengendap atau terpisah dari fasa gas jika dampak gaya

gravitasi pada tetesan cairan lebih besar dari pada gaya geser yang

dihasilkan oleh laju alir gas di sekitar tetesan cair.

Gaya gravitasi akan akan mengendalikan hasil pemisahan karena

kecepatan gas yang lebih rendah dan ukuran vessel yang lebih besar akan

menghasilkan effisiensi pemisahan yang lebih baik. Vessel berukuran besar

dibutuhkan untuk menghasilkan pengendapan dan gravity separator jarang

disain untuk memisahkan tetesan dengan ukuran lebih kecil dari 300

micron.

b. Centrifugal Vapor-Liquid Separator

Separator ini digunakan untuk memisahkan material dengan

densitas dan fasa yang berbeda. Gaya sentrifugal yang didapatkan oleh

tetesan cairan dalam gas dampak nya lebih besar dari pada gaya gravitasi.

Secara umum, Centrifugal vapor-liquid separator digunakan untuk

memisahkan tetesan cair dengan ukuran lebih besar dari 100 mikron.

2.8.2 Pertimbangan Perancangan Separator Vessel

Setiap bentuk atau posisi separator memiliki kelebihan tersendiri.

Separator yang dibangun secara vertikal cocok digunakan untuk laju rasio gas-

minyak menengah dan biasanya memiliki kandungan lumpur.

Separator yang dibangun secara horizontal cocok digunakan untuk

aliran yang memiliki rasio gas-minyak tinggi, minyak mentah yang berbusa

atau digunakan untuk pemisahan cair-cair. Separator berbentuk bola cocok

digunakan untuyk kondisi aliran yang meiliki dua fasa dengan rasio minyak-

gas rendah. Tabel 2.1 akan menjelaskan kekuranagn disain separator.

25

Tabel 2.1 Kekurangan setiap jenis Separator Vessel

Vertikal Horizontal Bola

1. Akan membutuhkan diameter separator yang lebih besar jika kapasitas gas lebih besar

2. Pembangunan lebih mahal

3. Sulit di transportasikan

1. Membutuhkan area yang luas

2. Pengendalian permukaan cairan lebih kritis

3. Ruang surge lebih terbatas 4. Lebih sulit untuk

dibersihkan (tidak cocok untuk wilayah berpasir)

1. Pengendapan fasa cair sangat terbatas dan sulit untuk memisahkan senyawa tiga fasa

2. Ruang Surge

sangat terbatas Sumber : A Ling, 2010

Kelebihan dari setiap separator diimbangi dengan kekurangan yang

terdapat pada Tabel 2.2.

Tabel 2.2 Kelebihan setiap jenis Separator Vessel

Vertikal Horizontal Bola 1. Mudah dibersihkan 2. Tidak membutuhkan

area luas 3. Pengendalian

permukaan cairan tidak kritis

4. Kecendrungan untuk terjadinya re-evaporasi cair menjadi gas rendah

1. Dapat menangani laju alir gas yang tinggi

2. Lebih murah dari pada separator yang dipasang vertikal

3. Lebih mudah untuk pentransportasian dan perakitan ulang

4. Membutuhkan sistem perpipaan yang lebih sedikit untuk koneksi di lapangan

5. Mengurangi turbulensi

1. Sangat murah 2. Cocok untuk laju

alir rendah 3. Sangat mudah

untuk ditransportasikan dan dipasang

4. Pembersihan lebih mudah

Sumber : A Ling, 2010

2.8.2 Perancangan Separator

Perancangan separator vertikal yang dilengkapi dengan mist

eliminator dilakukan dengan persamaan yang dikemukakan oleh Schweitzer.

Penentuan kecepatan terminal Vt terdapat pada persamaan 2.37.

√

............................................................................................... (2.37)

26

Lambang K pada persamaan 2.37 merupakan suatu konstanta

sedangkan merupakan densitas senyawa berfasa cair dan merupakan

densitas senyawa berfasa gas. Penentuan panjang separator dapat dihitung

dengan menggunakan persamaan 2.38 dimana QA merupakan laju alir gas

aktual dan DV merupakan diameter dalam separator.

...................................................................................................... (2.38)

2.9 Refrigerasi

Refrigerasi adalah sebuah proses untuk memindahkan panas dari

temperatur tinggi ke temperatur rendah.

a. Sistem Refrigerasi kompresi uap

Proses refrigerasi sistem kompresi uap melibatkan dua konsep

termodinamikia yaitu tekanan uap dan panas laten. Refrigeran berfasa cair

berkesetimbangan dengan uap pada tekanan tertentu yang disebut tekanan

penjenuhan yang bergantung pada temperatur. Jika tekanan meningkat,

refrigeran akan mendidih pada temperatur tinggi (Partho, 2006).

Gambar 2.8 Refrigerasi Sistem Kompresi Uap

Sumber : Partho, 2006

27

b. Sistem Refrigerasi Absorbsi

Refrigerasi sistem absorbsi aqua-ammonia ditemukan pada tahun

1860. Air merupakan absorben yang kuat untuk untuk menyerap NH3. Jika

NH3 dijaga agar tetap dalam vessel yang terhubung dengan vessel yang berisi

air, maka potensi absorbsi yang tinggi dari air akan terjadi dan akan

menyebabkan evaporasi dari NH3 sehingga tidak membutuhkan kompressor

untuk menggerkan uap. Larutan yang mengandung campuran amonia dan air

kemudian dipanskan dalam generator untuk memisahkan air dengan amonia

pada kolom pemisahan dan kemudian uap amonia akan terkondensasi dan akan

disrikulasikan kembali ke dalam vessel (Partho, 2006).

Gambar 2.9 Sistem Refrigerasi Absorbsi


c. Sistem refrigerasi uap jet

Jika air di semprotkan kedalam suatu ruangan dengan tekanan rendah,

maka sebagian air akan teruapkan. Entalphi dari penguapan akan

mendinginkan air menuju suhu jenuh pada tekanan di dalam ruang. Suhu yang

rendah akan membutuhkan tekanan yang rendah. Air akan membeku pada suhu

0oC sehingga suhu dibawah 4oC tidak dapat dicapai oleh air. Dalam sistem ini,

steam berkecepatan tinggi akan menghisap uap air yang teruapkan. Steam

berkecepatan tinggi akan melalui sebuah nosel dengan kecepatan sangat tinggi

dan tekanan rendah dan akan menghasilkan air dengan suhu 4oC (Partho,

2006).

28

Gambar 2.10 Sistem refrigerasi uap jet


2.9.1 Daur Kompresi Uap

Daur kompresi uap standar merupakan siklus, dimana pada siklus

tersebut mengasumsikan beberapa proses sebagai berikut :

Gambar 2.11 Daur kompresi uap


Penjelasan dari gambar 2.11 adalah sebagai berikut :

a. 1 – 2 merupakan proses kompresi adiabatik dan reversibel, dari uap jenuh

menuju ke tekanan kondensor.

b. 2 – 3 merupakan proses pelepasan kalor reversible pada tekanan konstan,

menyebabkan penurunan panas lanjut (desuperheating) dan pengembunan

refrigeran.

c. 3 – 4 merupakan proses ekspansi unreversibel pada entalpi konstan, dari

fase cair jenuh menuju tekanan evaporasi.

29

d. 4 – 1 merupakan proses penambahan kalor reversible pada tekanan konstan

yang menyebabkan terjadinya penguapan menuju uap jenuh.

2.9.2 Water Chiller

Water chiller merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk

mendinginkan air lebih rendah dari suhu normal. Suhu rendah dalam water

chiller dihasilkan dari pendinginan menggunakan refrigerasi. Penurunan suhu

dari masuk nya air kedalam unit water chiller adalah 10oF sekitar 12 oC

(daikinmcquay, 2012).

2.9.3 Refrigeran

Refrigeran merupakan senyawa yang digunakan sebagai media untuk

perpindahan panas pada sistem refrigerasi (NRI,2004). Dalam sistem

refrigerasi, refrigeran yang ideal memiliki sifat sebagai berikut :

a. Tekanan Penguapan positif.

b. Tekanan penguapan positif mencegah kemungkinan terjadinya kebocoran

udara kedalam sistim selama selama operasi.

c. Tekanan pembekuan yang cukup rendah.

d. Suhu pembekuan harus cukup rendah, agar pemadatan refrigerant tidak

terjadi selama operasi normal.

e. Tidak mudah terbakar. Uap refrigeran tidak boleh terbakar atau

mengakibatkan kebakaran apabila kontak dengan udara.

f. Mempunyai tekanan kondensasi yang tidak terlalu tinggi karena tekanan

kondensasi yang tinggi memerlukan kompresor yang besar dan kuat, juga

pipa-pipa harus kuat dan kemungkinan terjadinya kebocoran sangat besar.

g. Mempunyai struktur kimia yang stabil, tidak boleh terurai setiap kali

dimampatkan, diembunkan, dan diuapkan.

2.9.4 Jenis-jenis Refrigeran

Seiring dengan berkembangnya teknologi, refrigeran yang digunakan

untuk sistem refrigerasi semakin beragam jenis nya. Beberapa jenis refrigeran

yang biasa digunakan adalah sebagai berikut :

30

a) R22

b) R410a

Refrigeran R410a memiliki kapasitas pendinginan yang lebih tinggi

dibandingkan kapasitas pendinginan refrigeran R22 dan memiliki kapasitas

perpindahan panas yang tinggi. R410a tergolong kedalam A1/A1 oleh

ASHRAE (American Society of Refrigeration and Air Conditioning) maka

R410a tidak mudah terbakar dan tidak beracun (Leach, 2003). Perbandingan

sifat fisik antara R410a dengan R22 dijelaskan pada tabel 2.3. Tabel 2.3 Perbandingan Sifat Fisik R22 dengan R410a

Sifat Fisik Units R22 R410A

Komponen - CHCIF2 HFC-32 HFC-125

Komposisi % berat - 50/50 Berat molekul g/mol 86.5 72.6 Bubble Temperature (at 1.013 bar) °C -40.7 -52.2 Tekanan uap pada: 1) 25°C 2) 50°C

bar bar

10.4 19.4

16.4 30.5

Suhu kritis °C 96 72.2 Tekanan kritis bar 49.8 49.5 Panas laten penguapan (pada 1.013 bar) kJ/kg 233.7 271.5 Specific Heat pada 25oC dan 1.013 bar 1) Cair 2) Uap

kJ/(kg.K) kJ/(kg.K)

1.26 0.66

1.855 0.819

Rasio dari Specific Heat Cp/Cv (pada 25°c and 1.013 bar) - 1.185 1.172

Batas konsentrasi untuk terbakar diudara - - - Potensi merusak ozon - 0.055 0

Sumber : RSES Journal,2010

2.9.5 Penentuan Kebutuhan Refrigeran

Kerja dari perpindahan panas yang terjadi pada alat penukar panas

sistem refrigerasi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.39

....................................................................................................(2.39)

31

U merupakan koefisien perpindahan panas keseluruhan. Nilai A

merupakan luas permukaan perpindahan panas. merupakan selisih antara

suhu masuk ke penukar panas dengan suhu keluar penukar panas.

Menentukan Coeffisient of Performance (COP) dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan 2.40.

...................................................................... (2.40)

H1, H2, H3 dan H4 merupakan nilai entalphi pada titik tertentu sesuai

dengan gambar 2.11. W kompresor merupakan daya yang didibutuhkan oleh

kompresor. Laju sirkulasi refrigeran (MR) yang dibutuhkan dalam sistem

refrigerasi terdapat dalam persamaan 2.41

.................................................................................................(2.41)

2.10 Algoritma

Algoritma adalah kumpulan perintah untuk menyelesaikan suatu

permasalahan. Algoritma sering mempunyai langkah pengulangan (iterasi) atau

memerlukan keputusan (logika Boolean dan perbandingan) sampai tugasnya

selesai. Kompleksitas dari suatu algoritma merupakan ukuran seberapa banyak

komputasi yang dibutuhkan algoritma tersebut untuk menyelesaikan masalah.

Algoritma yang dapat menyelesaikan suatu permasalahan dalam waktu yang

singkat memiliki kompleksitas yang rendah, sementara algoritma yang

membutuhkan waktu lama untuk menyelesaikan masalahnya mempunyai

kompleksitas yang tinggi (Burgin,2005). Simbol-simbol yang digunakan dalam

algoritma terdapat pada gambar 2.12 dan 2.13.

http://id.wikipedia.org/wiki/Iterasi

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Aljabar_Boole&action=edit&redlink=1

http://id.wikipedia.org/wiki/Pertidaksamaan

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Kompleksitas&action=edit&redlink=1

32

Gambar 2.12 Simbol Dalam Flowchart Bagian 1

Gambar 2.13 Simbol Dalam Flowchart Bgaian 2

bab ii tinjauan pustaka -...

Documents