fakultas teknik mesin dan dirgantara institut teknologi ... · di spbu, teknologi membran, maupun...
TRANSCRIPT
PENGEMBANGAN DAN PENGUJIAN SISTEM VAPOR RECOVERY ‘HAVIVAL’ MENGGUNAKAN TEKNOLOGI MEMBRAN PADA TANGKI TIMBUN
DI SPBU
TUGAS SARJANA
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
Oleh
Erick Kamarga 13103053
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
Lembaran Pengesahan
Tugas Sarjana
Pengembangan dan Pengujian Sistem Vapor Recovery ‘Havival’ Menggunakan Teknologi Membran pada Tangki Timbun di SPBU
Oleh
Erick Kamarga 13103053
Program Studi Teknik Mesin Institut Teknologi Bandung
Disetujui pada Tanggal: Februari 2008
Pembimbing
Dr. Ir. IGN. Wiratmadja Puja NIP 131 835 240
Tugas Sarjana
Judul Pengembangan dan Pengujian Sistem Vapor Recovery ‘Havival’ Menggunakan Teknologi
Membran pada Tangki Timbun SPBU Erick Kamarga
Program Studi Teknik Mesin 13103053 Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara
Institut Teknologi Bandung
Abstrak
SPBU merupakan salah satu sarana umum yang memiliki peranan penting
dalam kehidupan masyarakat sehari – hari. Namun, selain memiliki peranan
penting, SPBU juga menimbulkan polusi udara akibat penguapan bensin yang
terjadi pada tangki timbun maupun dispenser. Polusi udara tersebut dapat
menimbulkan bahaya kebakaran, bahaya kesehatan, maupun kerugian ekonomi.
Untuk itu, perlu dikembangkan sebuah sistem vapor recovery yang dapat
mengurangi polusi udara sekaligus me-recover kehilangan akibat penguapan
bensin yang tidak terkendali tersebut.
Metodologi yang dilakukan untuk mengembangkan sistem vapor recovery
tersebut adalah dengan melakukan studi literatur mengenai peralatan – peralatan
di SPBU, teknologi membran, maupun sistem vapor recovery yang telah
dikembangkan di luar negeri. Kemudian dilakukan pengujian dalam skala
laboratorium untuk menentukan material membran yang paling sesuai digunakan
pada pengembangan sistem vapor recovery. Selanjutnya, penulis mengembangkan
dan membuat prototipe rancangan lalu mengujinya pada skala laboratorium untuk
mengetahui kinerja serta efisiensinya.
Prototipe yang telah dikembangkan terdiri dari modul membran
menggunakan material PVA (polyvinyl alcohol), pompa vakum, casing, serta
check valve. Hasil dari pengujian prototipe menunjukkan bahwa sistem dapat
bekerja dengan baik dengan efisiensi sebesar 67.93%. Penulis mengharapkan agar
prototipe tersebut dapat dikembangkan lebih lanjut lagi agar kelak dapat
diaplikasikan di lapangan sehingga dapat mengurangi berbagai masalah yang
terjadi akibat penguapan bensin di SPBU.
Final Project
Title
Development and Experiment of ‘Havival’ Vapor Recovery System Using Membrane Technology for Gas Station Underground
Container
Erick Kamarga
Major Mechanical Engineering 13103053 Faculty of Mechanical and Aerospace Engineering
Institute of Technology Bandung
Abstract
Gas stations are one of the public facilities that have a major role for
society in the daily life. Unfortunately, other than having a major role, gas station
also creating air pollution caused by gasoline evaporation at the underground
container and dispenser. The air pollution can cause danger of fire, hazardous
environment for human health, and also financial loss. That is why it is needed to
develop a vapor recovery system that can reduce the air pollution while
recovering the loss caused by the uncontrollable gasoline evaporation.
Methodology that was used to developed the vapor recovery system is by
studying literature about equipments in the gas station, membrane technology, and
also vapor recovery system that have been developed overseas. Next experiments
were conducted on a laboratory scale to decide the suitable membrane material
used for the development of vapor recovery system. Then writer developed and
created design prototypes and then tests them on a laboratory scale to find out
their performance and efficiency.
The developed prototype consists of membrane module using PVA
(polyvinyl alcohol) for the material, vacuum pump, casing, and check valve. The
results from the experiment show that the system can perform well with 67.93%
efficiency. Writer hopes that the prototype can be further developed thus in the
future it can be implemented on the field so that it will decrease all the problem
caused by the gasoline evaporation at the gas station.
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Tuhan Yesus atas segala rahmat dan kurnia-Nya,
sehingga laporan Tugas Sarjana yang berjudul “Pengembangan dan Pengujian
Sistem Vapor Recovery Menggunakan Teknologi Membran pada Tangki Timbun
di SPBU” ini dapat diselesaikan. Penulis menyadari besar campur tangan-Nya
dalam penyelesaian laporan tugas sarjana ini.
Laporan Tugas Sarjana ini disusun sebagai salah satu syarat kelulusan
untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Mesin dari Program Studi Teknik Mesin,
Institut Teknologi Bandung. Tugas Sarjana ini berisi tentang pengembangan serta
pengujian sistem vapor recovery menggunakan teknologi membran yang bernama
‘havival’. Sistem ini akan digunakan pada PV Valve tangki timbun di SPBU.
Dalam pengerjaan laporan ini, penulis menghadapi berbagai macam
kesulitan. Namun berkat bimbingan Tuhan Yesus, semua kesulitan dapat teratasi.
Di samping itu, dalam kesempatan ini, penulis juga hendak mengucapkan terima
kasih kepada:
1. Dr. Ir. IGN. Wiratmaja Puja, selaku pembimbing yang telah mencurahkan
perhatian, memberikan semangat dan dukungan moral serta saran-saran
kepada penulis.
2. Dr. Ir. I Gede Wenten, sebagai ketua laboratorium hilir PAU ITB yang telah
banyak membimbing dan memberikan masukan serta menyediakan fasilitas
maupun peralatan selama penulis melakukan pengujian.
3. Dr. Ir. I Wayan Suweca, Dr. Ir. Bagus Budiwantara, dan Dr. Rachman
Setiawan, ST sebagai dosen di laboratorium perancangan mesin.
4. Seluruh keluarga penulis yang selalu memberikan kasih sayang, perhatian,
motivasi, dan dorongan yang begitu besar.
5. Erwin, yang telah bersama - sama berjuang dalam pengerjaan tugas sarjana
ini dari awal hingga akhir.
6. Vincent, yang telah banyak membantu selama penulis melakukan pengujian
serta pada saat pelaksanaan seminar tugas sarjana ini.
i
7. Teman – teman penulis: Koko Suherman, Johan S.G., Stanley Sujudi,
Vincent, Eleazar Marvin, Erwin, P. Bowo. A. O., Hery, Hengky, dan Hans.
Penulis berterima kasih atas dukungan moral selama pengerjaan tugas sarjana
ini maupun atas kebersamaanya dalam perjuangan melewati masa kuliah
selama 4 tahun terakhir ini.
8. Anton Yunius Hutahean yang telah memberikan banyak masukan dalam
pengerjaan tugas akhir ini.
9. Teman-teman dari lab hilir PAU ITB : Mas Limbong serta Mbak Indah atas
masukan-masukan dan ilmunya mengenai teknologi membran.
10. Staf, teknisi, dan teman-teman di Laboratorium EDC.
11. Teman-teman lain yang tidak dapat disebutkan satu per satu.
Penulis berharap tugas sarjana ini dapat memberi manfaat bagi pembaca
umumnya. Selain itu, penulis juga berharap agar prototipe ‘havival’ yang telah
dikembangan dalam pengerjaan tugas sarjana ini dapat dikembangkan dan diteliti
lebih lanjut agar menjadi sebuah sistem vapor recovery yang sempurna dan siap
dipakai pada skala lapangan.
Seperti kata pepatah “Tiada gading yang tak retak”, demikian juga tugas
sarjana ini jauh dari sempurna dan memiliki banyak kekurangan. Oleh karena itu,
saran dan kritik membangun dari pembaca sangat diharapkan oleh penulis.
Bandung, Februari 2008
Penulis
ii
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ........................................................................................i
DAFTAR ISI.....................................................................................................iii
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................vi
DAFTAR TABEL .............................................................................................x
BAB I PENDAHULUAN
1.1 .Latar Belakang…………………………………………………………..1
1.2 .Tujuan Penulisan .....................................................................................3
1.3 .Ruang Lingkup Masalah .........................................................................3
1.4 .Metodologi Pelaksanaan .........................................................................4
1.5 .Sistematika Penulisan..............................................................................5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Bensin.......................................................................................................6
2.2 Volatile Organic Compound (VOC) ........................................................7
2.3 Stasiun Pengisian Bahan Bakar (SPBU) ..................................................8
2.3.1 Peralatan – Peralatan di SPBU ........................................................8
2.3.2 Proses Terjadinya Penguapan Bensin...............................................9
2.4 Sistem Vapor Recovery yang Telah Dikembangkan..............................11
2.4.1 Sistem Vapor Recovery Stage I ......................................................11
2.4.2 Sistem Vapor Recovery Stage II .....................................................15
2.5 Membran ................................................................................................17
2.5.1 Klasifikasi Membran ......................................................................17
2.5.2 Mekanisme Kerja Membran ...........................................................19
2.5.3 Jenis – Jenis Proses Pemisahan Membran ......................................20
2.5.3.1 Mikrofiltrasi, Ultrafikasi, dan Reverse Osmosis.....................21
2.5.3.2 Pervaporasi.............................................................................21
2.5.3.3 Gas Separation........................................................................22
2.5.4 Karakteristik Perfomansi Membran pada Proses Gas Separation..24
iii
2.5.5 Modul Membran .............................................................................25
2.6 Pompa Vakum ........................................................................................28
BAB III PEMILIHAN DAN PENGUJIAN MEMBRAN UNTUK SISTEM
VAPOR RECOVERY
3.1 Metodologi Pemilihan dan Pengujian ...................................................30
3.2 Pemisahan VOC dengan Teknologi Membran .....................................31
3.3 Pemilihan Membran yang Hendak Diuji ..............................................32
3.3.1 Membran PVDF (polyvinylidene fluoride) ..................................32
3.3.2 Membran PVA (polyvinyl alcohol)..............................................33
3.4 Persiapan Peralatan Pengujian ..............................................................34
3.5 Prosedur Pengujian ...............................................................................39
3.6 Pengolahan Hasil Pengujian Membran PVDF......................................43
3.6.1 Analisis Permeabilitas Membran PVDF ......................................43
3.6.2 Analisis Selektivitas Membran PVDF .........................................44
3.7 Pengolahan Hasil Pengujian Membran PVA ........................................47
3.7.1 Analisis Permeabilitas Membran PVA ........................................47
3.7.2 Analisis Selektivitas Membran PVA ...........................................48
3.8 Pemilihan Material Membran ...............................................................50
BAB IV PENGEMBANGAN DAN PENGUJIAN PROTOTIPE SISTEM
VAPOR RECOVERY
4.1 Sistem Peralatan SPBU Konvensional..................................................52
4.2 Metodologi Pengembangan dan Pengujian...........................................53
4.3 Design Requirement and Objectives .....................................................53
4.4 Alternatif Pengembangan Sistem Vapor Recovery ...............................54
4.5 Perancangan Peralatan pada Sistem Vapor Recovery ...........................56
4.5.1 Perancangan Modul Membran .....................................................57
4.5.2 Pemilihan Pompa Vakum.............................................................60
4.5.3 Perancangan Casing .....................................................................63
4.5.4 Pemilihan Check Valve ................................................................64
4.6 Pembuatan dan Pengujian Prototipe .....................................................65
iv
4.6.1 Pengujian Alternatif Rancangan 1 ...............................................65
4.6.1.1 Hasil Pengujian Prototipe Alternatif Rancangan 1...............67
4.6.1.2 Analisis Hasil Pengujian Prototipe Rancangan 1 .................69
4.6.2 Pengujian Alternatif Rancangan 2 ...............................................73
4.6.2.1 Hasil Pengujian Prototipe Alternatif Rancangan 2...............73
4.6.3 Pengujian Alternatif Rancangan 3 ...............................................74
4.6.3.1 Hasil Pengujian Prototipe Alternatif Rancangan 3...............75
4.6.3.2 Analisis Hasil Pengujian Prototipe Alternatif Rancangan 3.80
4.7 Pengambilan Keputusan Rancangan Sistem Vapor Recovery ..............83
4.8 Process Flow Diagram .........................................................................84
4.9 Analisis Keuntungan Ekonomi .............................................................85
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan ...........................................................................................87
5.2 Saran......................................................................................................88
DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................89
LAMPIRAN A .................................................................................................91
LAMPIRAN B ...............................................................................................101
LAMPIRAN C ...............................................................................................104
v
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Diagram alir pelaksanaan tugas akhir ............................................4
Gambar 2.1 Peralatan – peralatan pada SPBU ..................................................8
Gambar 2.2 Titik – titik terjadinya penguapan bensin di SPBU .......................9
Gambar 2.3 Grafik fluktuasi tekanan di tangki timbun ...................................10
Gambar 2.4 Penguapan di fillpot akibat tumpahan bensin ..............................11
Gambar 2.5 Skema sistem vapor recovery tipe koneksi coaxial.....................12
Gambar 2.6 Skema sistem vapor recovery tipe koneksi dual point ................13
Gambar 2.7 Skema sistem vapor recovery tipe koneksi manifolded...............13
Gambar 2.8 Foto VAPORSAVER beserta skema cara kerjanya ....................14
Gambar 2.9 Foto PERMEATOR beserta skema cara kerjanya......................15
Gambar 2.10 Selang coaxial pada sistem vapor recovery stage II ...................15
Gambar 2.11 Gambar dan skema non-booted nozzle........................................16
Gambar 2.12 Gambar dan skema booted nozzle ...............................................16
Gambar 2.13 Proses perpindahan pada membran .............................................17
Gambar 2.14 Contoh membran biologis ...........................................................17
Gambar 2.15 Contoh membran buatan .............................................................18
Gambar 2.16 Gambarn skematik dari membran simetrik dan asimetrik ..........18
Gambar 2.17 Skema proses membran...............................................................19
Gambar 2.18 Perbandingan diameter pori pada reverse osmosis, ultrafikasi,
dan mikrofiltrasi ........................................................................21
Gambar 2.19 Skema proses pemisahan model solution-diffusion ....................22
Gambar 2.20 Skema umum modul membran ...................................................25
Gambar 2.21 Modul membran flat & frame .....................................................27
Gambar 2.22 Modul membran spiral wound ....................................................27
Gambar 2.23 Modul membran shell & tube .....................................................27
Gambar 2.24 Modul membran hollow fiber......................................................28
Gambar 2.25 Skema umum proses pemisahan VOC dengan udara..................28
Gambar 2.26 Skema kerja pompa vakum jenis transfer pump .........................29
Gambar 3.1 Diagram alir pelaksanaan pelaksanaan dan pengujian membran .30
vi
Gambar 3.2 Gambar skema membran komposit...............................................31
Gambar 3.3 Struktur umum polimer PVDF......................................................33
Gambar 3.4 Struktur umum polimer PVA ........................................................34
Gambar 3.5 Skema model pengujian membran ................................................34
Gambar 3.6 Foto wadah pengumpan ................................................................35
Gambar 3.7 Foto wadah umpan ........................................................................36
Gambar 3.8 Material membran PVDF..............................................................36
Gambar 3.9 Proses pemasangan membran pada modul....................................37
Gambar 3.10 Foto modul membran ..................................................................37
Gambar 3.11 Foto tabung kondensator beserta es kering .................................37
Gambar 3.12 Foto pompa vakum......................................................................38
Gambar 3.13 Foto pressure gauge digital ........................................................38
Gambar 3.14 Set-up pengujian membran..........................................................39
Gambar 3.15 Foto wadah bensin.......................................................................39
Gambar 3.16 Foto sampel bensin cair dan uap bensin......................................40
Gambar 3.17 Grafik hasil GC bensin cair.........................................................41
Gambar 3.18 Grafik hasil GC uap bensin .........................................................41
Gambar 3.19 Grafik hasil GC air ......................................................................42
Gambar 3.20 Foto sampel hasil pengujian membran PVDF.............................43
Gambar 3.21Grafik hasil GC permeat membran PVDF ...................................45
Gambar 3.22 Grafik hasil GC retentat membran PVDF...................................45
Gambar 3.23 Perbandingan hasil pengujian membran PVDF dengan
uap bensin ...................................................................................46
Gambar 3.24 Sampel hasil pengujian membran PVA ......................................47
Gambar 3.25 Grafik hasil GC permeat membran PVA ....................................49
Gambar 3.26 Perbandingan hasil pengujian membran PVA dengan
uap bensin ...................................................................................49
Gambar 4.1 Skema peralatan di SPBU pada umumnya....................................52
Gambar 4.2 Diagram alir pengembangan dan pengujian prototipe ..................53
Gambar 4.3 Skema Alternatif Rancangan 1......................................................54
Gambar 4.4 Skema Alternatif Rancangan 2......................................................55
Gambar 4.5 Skema Alternatif Rancangan 3......................................................56
vii
Gambar 4.6 Skema aliran pada hollow fiber .....................................................58
Gambar 4.7 Pemodelan modul membran .........................................................60
Gambar 4.8 Foto pompa vakum pada sistem vapor recovery ..........................62
Gambar 4.9 Foto prototipe casing ....................................................................63
Gambar 4.10 Skema spesifikasi check valve ....................................................64
Gambar 4.11 Foto check valve .........................................................................65
Gambar 4.12 Skema pengujian prototipe alternatif rancangan 1 .....................66
Gambar 4.13 Foto set-up pengujian prototipe alternatif rancangan 1...............67
Gambar 4.14 Foto bagian dalam casing alternatif rancangan 1........................67
Gambar 4.15 Foto wadah bensin beserta magnetic stirrer dan termometer .....67
Gambar 4.16 Foto tabung kondensator beserta es kering ...............................68
Gambar 4.17 Foto hasil pengujian prototipe alternatif rancangan 1.................69
Gambar 4.18 Grafik temperatur pengujian vs efisiensi sistem prototipe
alternatif rancangan 1 ................................................................70
Gambar 4.19 Grafik efisiensi sistem vs debit penguapan prototipe alternatif
rancangan 1................................................................................71
Gambar 4.20 Grafik temperatur pengujian vs volume penguapan prototipe
alternatif rancangan 1 ................................................................71
Gambar 4.21 Grafik nomor pengujian vs volume penguapan prototipe
alternatif rancangan 1 ................................................................72
Gambar 4.22 Skema pengujian prototipe alternatif rancangan 2......................73
Gambar 4.23 Foto set-up pengujian prototipe alternatif rancangan 2...............73
Gambar 4.24 Foto sistem perpipaan alternatif rancangan 2..............................74
Gambar 4.25 Skema pengujian prototipe alternatif rancangan 3......................74
Gambar 4.26 Foto set-up pengujian prototipe alternatif rancangan 3...............75
Gambar 4.27 Foto bagian dalam casing alternatif rancangan 3........................75
Gambar 4.28 Foto kerusakan pada tabung kondensator .................................76
Gambar 4.29 Foto pompa vakum pada pengujian prototipe alternatif
rancangan 3 ..............................................................................78
Gambar 4.30 Foto set-up baru pengujian prototipe alternatif rancangan 3 .....79
Gambar 4.31 Foto hasil pengujian prototipe alternatif rancangan 3 ...............80
viii
Gambar 4.32 Grafik efisiensi sistem vs temperatur pengujian prototipe
alternatif rancangan 3 ................................................................81
Gambar 4.33 Grafik efisiensi sistem vs debit penguapan prototipe alternatif
rancangan 3................................................................................81
Gambar 4.34 Grafik nomor pengujian vs temperatur volume penguapan
prototipe alternatif rancangan 3.................................................82
Gambar 4.35 Grafik temperatur pengujian vs volume penguapan prototipe
alternatif rancangan 3 ................................................................82
Gambar 4.36 Process flow diagram dari sistem vapor recovery ‘Havival’ .....84
ix
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1 Kerugian Ekonomi Akibat Penguapan Tanpa Kendali .......................2
Tabel 2.1 Komposisi Bensin ...............................................................................7
Tabel 2.2 Jenis – jenis proses pemisahan membran berdasarkan driving force20
Tabel 2.3 Perbandingan jenis modul membran dari beberapa aspek ................26
Tabel 3.1 Konsentrasi Komponen Hasil GC dari Air .......................................43
Tabel 3.2 Hasil Pengujian Membran PVDF .....................................................43
Tabel 3.3 Kandungan Air dan Hidrokarbon pada Sampel Membran PVDF ....46
Tabel 3.4 Hasil Pengujian Membran PVA........................................................47
Tabel 3.5 Kandungan Air dan Hidrokarbon pada Sampel Membran PVA.......50
Tabel 3.6 Hasil Analisis Pengujian Membran PVDFdan PVA.........................50
Tabel 3.7 Tabel Keputusan Pemilihan Material Membran ...............................51
Tabel 4.1 Luas Area per Volume Terhadap Radius Tube dari Hollow Fiber...59
Tabel 4.2 Spesifikasi Pompa Vakum pada Sistem Vapor Recovery ‘Havival’.63
Tabel 4.3 Spesifikasi Material Check Valve .....................................................64
Tabel 4.4 Spesifikasi Dimensi Check Valve .....................................................64
Tabel 4.5 Hasil Pengujian Pertama Prototipe Alternatif Perancangan 1 ..........68
Tabel 4.6 Perhitungan Analisis Hasil Pengujian Prototipe Alternatif
Rancangan 1 ..............................................................................70
Tabel 4.7 Spesifikasi Pompa Vakum Pengujian Prototipe Alternatif
Rancangan 3 ..............................................................................78
Tabel 4.8 Hasil Pengujian Pertama Prototipe Alternatif Perancangan 3 ..........79
Tabel 4.9 Perhitungan Analisis Hasil Pengujian Prototipe Alternatif
Rancangan 3 ..............................................................................80
Tabel 4.10 Pengambilan Keputusan Perancangan Sistem Vapor Recovery
‘Havival’ ...................................................................................83
x