TK-4102 EVALUASI KINERJA PROSES

TUGAS 1 – EVALUASI SISTEM PERPIPAAN

Dikerjakan oleh:

1. Danan Joyo S. (13012012)

2. Teguh Setiawan (13012042)

3. M. Irfan Rafi S. (13012060)

Permasalahan

Seorang engineer pabrik pengolahan gas mempertanyakan kelayakan desain suatu sistem

perpipaan ditinjau dari regime aliran yang menghubungkan antara header manifold dengan HP

Separator. Karakteristik data umpan yang digunakan adalah sebagai berikut.

1. Laju alir massa : 65,22 MMSCFD

2. Temperatur : 120 oF

3. Tekanan : 497,2 psig

4. Komposisi (fraksi mol)

a. Hidrogen sulfida H2S 0,0053

b. Karbondioksida CO2 0,0362

c. Nitrogen N2 0,0131

d. Air H2O 0,0046

e. Metana CH4 0,8126

f. Etana C2H6 0,0131

g. Propana C3H8 0,0134

h. i-Butana iC4H10 0,0029

i. n-Butana nC4H10 0,0030

j. i-Pentana iC5H12 0,0015

k. n-Pentana nC5H12 0,0009

l. n-Heksana C6H14 0,0013

m. n-Heptana C7H16 0,0004

n. n-Oktana C8H18 0,0004

1

o. n-nonana C9H20 0,0003

p. n-dekana C10H22 0,0002

q. C11+ 0,0909

Untuk C11+, dilakukan pendekatan dengan MW = 208,1 dan densitas cair ideal = 46,88 lb/ft3

Dari sketsa tersebut, diperoleh profil perpipaan 12 inchi. Untuk mempermudah evaluasi yang

akan dilakukan, profil pipa akan dibagi menjadi 10 segmen yang didasarkan pada perubahan

ketinggian yang ada.

2

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Industri, terutama industri kimia, tidak lepas dengan kehadiran aliran fluida didalamnya. Aliran

fluida dapat berupa aliran satu fasa, dua fasa, maupun multi fasa. Perbedaan yang paling utama

antara aliran dua fasa dengan aliran satu fasa adalah bentuk alirannya. Aliran dua fasa gas-cair

banyak dijumpai pada industri kimia, contohnya industri pengolahan gas. Pada aliran dua fasa,

terdapat banyak jenis aliran salah satunya adalah slug flow. Slug flow atau sering juga disebut

aliran mampat adalah fenomena yang umum terjadi pada aliran dua fasa. Slug flow, terutama di

industri pengolahan gas sangat tidak diinginkan terjadi. Korosi pipa, kerusakan pada peralatan

proses, biaya perawatan yang tinggi, serta terlalu banyak cairan yang masuk ke dalam separator

menjadi alasan slug flow sangat dihindari. Evaluasi regime aliran pada jaringan pipa menjadi

penting dilakukan dengan tujuan mendeteksi kemungkinan slug flow yang dapat terjadi pada

jaringan pipa serta membuat sistem pencegahan slug flow pada jaringan pipa.

1.2 Tujuan

Tujuan dari evaluasi regime aliran pada jaringan pipa dari manifold ke HP separator adalah:

1. Mendeteksi kemungkinan slug flow yang dapat terjadi pada jaringan pipa.

2. Membuat sistem pencegahan slug flow pada jaringan pipa.

3

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Aliran Dua Fasa

Aliran dua fasa umumnya aliran yang terdiri dari fasa cair dan fasa gas.

2.1.1 Rejim aliran fasa gas-cair

Aliran dua fasa sering dijumpai pada industri kimia, salah satunya pada industri pengolahan gas.

Aliran dua fasa memiliki karakteristik bentuk rejim aliran yang bervariasi. Fraksi massa dari gas

atau cairan yang bisa berubah menjadi penyebab terbentuknya rejim aliran yang bermacam-

macam. Aliran dua fasa gas-cair memiliki bentuk rejim aliran dapat dilihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Rejim aliran fasa gas-cair seiring dengan peningkatan kecepatan gas

(Holland,1995)

4

2.1.2 Pemetaan rejim aliran

Pemetaan rejim aliran bersifat tidak pasti dikarenakan transisi antara rejim terjadi secara

bertahap. Pembedaan antara rejim aliran satu dengan yang lain juga bersifat subjektif karena

berdasarkan pengamatan yang dilkaukan. Banyak variasi pemetaan rejim aliran, diantaranya

ditunjukkan pada Gambar 2.2 dan 2.3.

Gambar 2.2. Peta Rejim Aliran Gas-Cair pada Pipa Vertikal (Holland, 1995)

5

Gambar 2.3. Peta Rejim Aliran Gas-Cair pada Pipa Horizontal (Holland, 1995)

Estimasi bentuk aliran didapatkan dengan meninjau besaran-besaran diantaranya adalah laju alir

gas, laju alir volum cairan, kecepatan superfisial gas, kecepatan superfisial cairan, fluks massa

superfisial gas, fluks massa superfisial cairan, luas penampang saluran, densitas gas, dan densitas

cairan.

2.2 Slug Flow

Slug flow atau sering juga disebut aliran mampat merupakan salah satu bentuk rejim aliran pada

aliran dua fasa gas-cair. Slug flow merupakan bentuk rejim aliran dengan fasa gas berbentuk buih

besar dan dipisahkan oleh fasa cair berupa slug. Kronologi slug flow contohnya dapat dilihat di

Gambar 2.4. Gambar 2.4 menunjukkan bagaimana slug flow pada riser dapat terjadi.

Gambar 2.4. Siklus slug flow pada riser (Sumber: cdn.intechopen.com/pdfs-wm/40523.pdf)

Beberapa hal yang mengakibatkan slug flow antara lain:

- Pembentukan: gravitasi menyebabkan fasa cairan terakumulasi pada bagian bawah pipa

vertikal ditambah pula dengan kurangnya kecepatan gas dan cair yang mempermudah

akumulasi tersebut.

- Produksi: Fasa cair menutup fasa gas dan slug pun teproduksi pada riser selama hydrostatic

head dari cairan didalam riser meningkat lebih cepat dibandingkan hilang tekan pipa.

- Blowout: Slug akan ditekan keluar dari sistem ketika hilang tekan pada pipa mengalahkan

hydrostatic head cairan di dalam riser.

6

- Liquid fall back: Akumulasi terjadi lagi pada riser akibat mayoritas fasa gas dan cair telah

meninggalkan riser, sehingga kurangnya kecepatan gas untuk mengangkat aliran pada riser.

7

BAB III

HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1. Rejim Aliran Pipa

Pada Gambar 3.1, ditunjukkan profil perpipaan 12 inci yang terdiri dari 10 segmen didasarkan

pada perubahan ketinggian.

Gambar 3.1. Profil sistem perpipaan dari manifold ke HP separator

Dari segmen 1 hingga segmen 10, rejim aliran yang dimiliki berbeda-beda. Rejim aliran masing-

masing segmen pipa dapat dilihat pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1. Rejim aliran sistem perpipaan 12 inci

Segmen Rejim Aliran1 Anular2 Slug flow3 Slug flow4 Slug flow5 Anular6 Slug flow7 Anular8 Slug flow9 Slug flow10 Slug flow

8

3.2. Rejim Aliran dengan Modifikasi Diameter Pipa

Evaluasi sistem perpipaan pada subbab 3.1 menunjukkan masih banyaknya slug flow di beberapa

segmen pipa. Hal ini akan ditangani dengan mengurangi diameter pipa. Dengan pengurangan

diameter pipa, maka kecepatan aliran gas akan lebih besar. Dengan demikian, berdasarkan

Gambar 2.3, rejim aliran akan bergeser dari slug flow menjadi anular atau bubble flow.

Pengurangan diameter yang dilakukan adalah sebesar 7 inci, yakni dari diameter semula sebesar

12 inci menjadi 5 inci. Pengurangan diameter ini akan berpengaruh terhadap rejim aliran. Hasil

simulasi menunjukkan bahwa pada diameter pipa 5 inci, rejim aliran pada setiap segmen pipa

adalah anular. Profil kecepatan gas disajikan pada Gambar 3.2.

Gambar 3.2. Profil kecepatan gas dalam pipa

Berdasarkan Gambar 3.2, kecepatan gas lebih besar dari 44 m/s. Kecepatan gas yang berada di

atas 20 m/s dapat memungkinkan terjadinya pengikisan (erosi) pipa karena memiliki erotional

velocity yang cukup signifikan. Ini merupakan kelemahan dari pengecilan diameter pipa.

9

3.3. Rejim Aliran dengan Penambahan Heater

Diagram kesetimbangan P-T aliran umpan disajikan pada Gambar 3.3 berikut ini.

Gambar 3.3. Diagram kesetimbangan P-T umpan

Berdasarkan Gambar 3.3, untuk mendapatkan aliran satu fasa, umpan harus memiliki temperatur

di atas 316,3oC. Oleh karena itu, ide yang diusulkan adalah dengan melakukan pemanasan.

10

Pemanasan tersebut dicapai dengan menambahkan heater sebelum sistem perpipaan yang

bertujuan meningkatkan temperatur gas. Harapan ini terbukti dengan melakukan simulasi dengan

memanaskan umpan hingga bertemperatur 320oC. Tampak hasil simulasi menunjukkan aliran

dalam setiap segmen pipa adalah aliran satu fasa. Di sisi lain, pemanasan umpan ini

membutuhkan energi 27,3 MW. Ini merupakan jumlah energi yang sangat besar. Oleh karena itu,

modifikasi dengan penambahan pemanas tidak ekonomis untuk dilakukan.

3.4. Rejim Aliran dengan Penambahan Cooler dan Separator (Sistem DPCU)

Salah satu cara untuk menjaga aliran menjadi satu fasa adalah dengan menggunakan DPCU atau

dew point control unit. Metode pada subbab 3.4 ini ialah menambahkan cooler dan separator

sebelum sistem perpipaan. Ilustrasinya disajikan dalam Gambar 3.4.

Gambar 3.4. Diagram alir penggunaan cooler dan separator sebelum sistem perpipaan

Cooler akan mendinginkan aliran sehingga akan semakin banyak fasa cair yang terbentuk pada

separator. Dengan kata lain, aliran atas dari separator semakin miskin akan kandungan rantai C

panjang. Efeknya adalah aliran atas akan (1) memiliki fraksi metana yang semakin besar yakni

mencapai 0,91 dan (2) memiliki titik didih yang semakin rendah (kubah P-T bergeser ke kiri).

Diagram P-T terkait disajikan dalam Gambar XX. Hasil simulasi menunjukkan bahwa aliran

11

pada sistem perpipaan adalah satu fasa kecuali pada posisi 20,26 dan 25,80 meter. Pada kedua

posisi ini, aliran stable 2 phase terdeteksi.

Penggunaan cooler menuai suatu usaha lebih karena aliran proses hendak didinginkan dari

temperatur 48,89oC menjadi 20oC. Tentu proses pendinginan tidak dapat menggunakan cooling

water. Alternatif cara pendinginan adalah dengan menggunakan refrigeran beserta sistem

refrigerasinya. Bila sebelumnya tidak ada sistem refrigerasi, sistem tambahan perlu dibangun

untuk mendukung utilitas ini.

Gambar 3.5. Diagram kesetimbangan P-T untuk aliran atas separator (dengan cooler)

3.5. Rejim Aliran dengan Penambahan Separator dan Heater (Sistem DPCU)

Pada modifikasi kali ini, sebuah separator dan heater ditambahkan sebelum memasuki aliran

perpipaan. Gambaran lebih jelasnya tampak pada Gambar 3.6.

12

Gambar 3.6. Diagram alir penggunaan heater dan separator sebelum sistem perpipaan

Separator berguna untuk memiskinkan komponen berat dari aliran atas separator. Ini bertujuan

untuk menurunkan titik didih dari campuran. Di samping itu, aliran atas separator juga akan

memiliki fraksi metana yang semakin besar (0,90), tetapi nilai ini sedikit lebih kecil daripada

kasus pada subbab 3.4 di mana terdapat cooler sebelum separator.

Diagram P-T untuk aliran atas separator ditunjukkan pada Gambar 3.7.

Gambar 3.7. Diagram P-T aliran atas separator (tanpa cooler)

13

Pada Gambar 3.7 tampak bahwa temperatur kritis aliran atas separator adalah 50,81oC. Aliran

akan menjadi satu fasa dan tidak bisa berubah menjadi dua fasa ketika memiliki temperatur lebih

dari 50,81oC, kondisi aliran satu fasa ini dapat menghilangkan slug flow pada sistem perpipaan.

Untuk meningatkan temperatur aliran atas separator ini maka harus ditambahkan unit heater

sesudah separator sebelum sistem perpipaan.

14

BAB IV

KESIMPULAN

Kesimpulan dari hasil dan pembahasan ditunjukkan pada Tabel 4.1.

Sistem PerpipaanDiameter dalam

pipa (inci)

Kecepatan

gas (m/s)

Jumlah segmen

dengan slug flow

Energi

tambahan (kW)

Unit operasi dan

utilitas tambahan

Erosional

velocity

Tanpa modifikasi 12 7 - 8 7 0 - Tidak ada

Modifikasi diameter 5 44 - 59 0 0 - Ada

Penambahan heater 12 17 - 18 0 27.430 Heater, HP steam Tidak ada

Penambahan cooler dan

separator12 6 - 7 0 2.300

Cooler, separator,

sisterm refrigerasiTidak ada

Penambahan separator

dan heater12 7 - 8 0 72,1

Heater, separator.

LP steamTidak ada

Dari Tabel 4.1 terlihat bahwa modifikasi yang paling optimal adalah modifikasi dengan penambahan separator dan heater. Hal ini

bisa dilihat dari kecepatan gas yang mengalir tidak lebih dari 20 m/s serta energi tambahan yang dibutuhkan relatif kecil. Sehingga

pada evaluasi ini, modifikasi yang dipilih adalah dengan penambahan separator dan cooler.

15

REFERENSI

1. http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/40523.pdf

2. Holland,F.A.; Bragg,H.1995. “Fluid Flow for Chemical Engineers 2nd ed”. Edward Arnold.

London.

3.

16