separator tiga fasa

Contoh Kasus Dinamika Proses Separator Tiga Fasa Oleh : Tri P. Adhi, Program Studi Teknik Kimia - ITB

1. Pengantar

Naskah singkat ini ditulis sebagai tanggapan atas permasalahan riil yang dikirimkan oleh Pak Roeddy Setiawan dalam komunikasi melalui wahana milis Teknik Kimia dan Migas Indonesia. Tanggapan langsung telah ditayangkan pada tanggal 6 November 2006. Atas saran Owner Milis Migas Indonesia, agar komunikasi ini dapat dinikmati oleh banyak process engineer anggota milis, tanggapan tersebut diminta untuk dituliskan kembali secara lebih runtun dan dilengkapi dengan paparan hasil-hasil simulasi dalam bentuk visual. Semoga naskah ini memenuhi saran dan harapan tersebut. 2. Deskripsi Masalah

Permasalahan ini berkenaan dengan dinamika proses suatu Separator Tiga Fasa. Unit tersebut sebetulnya merupakan bagian dari suatu sistem proses yang besar. Namun dalam komunikasi ini, fokus kajian diarahkan hanya pada unit tersebut sebagai unit tunggal yang terisolasi dari sistem induknya. Skema PFD Simulasi Hysys unit tersebut disajikan pada Gambar 1 (Catatan: Aliran-aliran dan modul-modul dalam skema ini telah mengalami penomoran dan pelabelan ulang tanpa mengubah permasalahan awalnya).

Gambar 1. Skema Simulasi PFD Unit Proses Separasi Tiga Fasa

Meskipun diceritakan bisa mendapatkan pasokan dari beberapa sumur, namun Separator tersebut dimodelkan hanya dengan satu aliran umpan berikut:

Tri P. Adhi, Prodi Teknik Kimia ITB hal. 1/8

Contoh Kasus Simulasi Dinamika Proses Separator Tiga Fasa

Permasalahan utama dalam kasus ini adalah bagaimana dapat melakukan simulasi dinamika proses ketika terjadi perubahan tekanan umpan dari 180 psia --> 100 psia. Dalam praktek, peristiwa perubahan tekanan ini bisa muncul ketika terjadi kehilangan aliran umpan (misal dari 2 sumur). Dengan menggunakan file simulasi Hysys original yang telah disiapkan Pak Roeddy dan setelah diatur kembali tampilannya (lihat file 3phase_dynamic_orig.hsc terlampir), simulasi dinamika proses ketika terjadi perubahan tekanan tersebut dapat dilakukan dengan skenario sebagai berikut:

a. Simulasi dilanjutkan dari kondisi mantap yang telah tercapai sebelumnya. Ini dapat dilakukan dengan mengaktifkan integrator hingga waktu simulasi 720 menit. (File simulasi dr Pak Roeddy tersimpan dalam keadaan mode dynamic yang sebelumnya telah beroperasi mantap hingga sekitar 690 menit).

b. Ketika waktu simulasi telah mencapai 720 menit, tekanan umpan diubah secara mendadak dari 180 psia 100 psia. Kondisi operasi tekanan umpan 100 psia ini dibiarkan berlangsung selama 30 menit.

c. Ketika waktu simulasi telah mencapai 750 menit, tekanan umpan dikembalikan secara mendadak ke harga asalnya, yaitu diubah dari 100 psia 180 psia.

Dengan skenario tersebut, dinamika proses kemudian dimonitor untuk variabel-variabel proses berikut:

a. Variabel Tekanan (dimonitor dengan stripchart PRESSURE, Gb. 2.a), yaitu mencakup:

Tekanan aliran umpan (stream 2) warna merah darah. Tekanan operasi Separator warna merah jambu. Tekanan aliran produk fasa gas keluaran valve VLV-101 (stream 7)

warna hijau. Tekanan aliran produk fasa minyak keluaran valve VLV-102 (stream 9) warna biru.

Gambar 2.a. Stripchart Monitoring Variabel Tekanan Kasus Simulasi Awal

b. Variabel Laju Alir Molar (dimonitor dengan stripchart FLOWS, Gb. 2.b), yaitu mencakup laju alir molar:

aliran umpan (stream 2) warna merah darah. aliran produk fasa gas (stream 7): warna merah jambu. aliran produk fasa minyak (stream 9) warna biru tua. aliran produk fasa air (stream 12) warna biru muda.



Gb. 2.b. Stripchart Monitoring Variabel Laju Alir Molar Kasus Simulasi Awal

c. Variable Aras Permukaan Cairan (dimonitor dengan stripchart LEVEL, Gb. 2.c), yaitu mencakup aras permukaan cairan (dinyatakan sebagai persentase ketinggian bejana):

produk fasa minyak warna merah. produk fasa air warna biru.

Gb. 2.c. Stripchart Monitoring Variabel Aras Permukaan Cairan Kasus Simulasi Awal

3. Analisis Masalah

Berdasarkan pengamatan terhadap dinamika variabel-variabel proses seperti yang ditampilkan pada Gambar 2.a-c, permasalahan ketidak-sempurnaan simulasi dengan menggunakan file 3phase_dynamic_orig.hsc dapat disarikan sebagai berikut:

a. Ketika tekanan umpan berubah menjadi 100 psia, hasil simulasi menunjukkan bahwa bejana Separator seketika itu pula mengalami kehilangan tekanan dari 178.3 psia 100 psia (lihat Gb. 2.a). Selain secara praktek hal ini tidak layak, hasil simulasi ini memberikan indikasi bahwa terdapat permasalahan dalam memodelkan valve VLV-100. Bila ditinjau pada tab Dynamics untuk modul valve tersebut, maka dapat dimaklumi bahwa permasalahan tersebut dikarenakan VLV-100 tidak dispesifikasi untuk dapat berkelakuan sebagai check valve (lihat Gb. 3.a.).



b. Sementara itu, tekanan aliran produk fasa gas dan aliran produk fasa minyak memiliki harga yang konstan, tidak terpengaruh oleh adanya perubahan tekanan aliran umpan (lihat Gb. 2.a). Hal ini sebagai akibat kedua aliran tersebut dalam pemodelan ini memiliki spesifikasi dinamik berupa variabel tekanan yang konstan. Dengan demikian, tekanan operasi bejana Separator pada rentang waktu 720 750 menit selalu lebih rendah daripada tekanan aliran stream 7 dan stream 9 sehingga VLV-101 dan VLV-102 memiliki tekanan outlet yang lebih tinggi daripada tekanan inletnya. Bila kedua valve tersebut tidak dimodelkan dapat berkelakuan sebagai check valve, maka konsistensi perhitungan neraca massa Hysys akan menghasilkan laju alir yang berbalik (berharga negatif). Menyimak hasil simulasi untuk laju alir molar (lihat Gb. 2.b), aliran fasa gas pada rentang waktu tersebut memiliki laju alir nol sedangkan aliran fasa minyak memiliki laju alir negatif. Hasil simulasi ini memberikan indikasi bahwa VLV-101 telah sesuai untuk dispesifikasikan sebagai check valve, sedangkan VLV-102 terlupa untuk dispesifikasikan sebagai check valve. Kebenaran indikasi ini dapat dibuktikan dengan memeriksa tab Dynamics untuk kedua modul valve tersebut (lihat Gb. 3.b. dan Gb. 3.c).

c. Meskipun tidak layak dalam praktek, aliran negatif stream 9 dapat dimaknai seakan ada aliran balik fasa minyak melalui VLV-101. Aliran ini sebagian dikeluarkan lagi melalui VLV-103 sehingga laju alir aliran stream 12 berharga positif dan sisanya melalui VLV-100 sehingga laju alir aliran umpan berharga negatif (lihat Gb. 2.b). Perhitungan Hysys juga secara konsisten menanggapi adanya aliran balik fasa minyak tersebut dengan terjadinya kenaikan aras permukaan fasa minyak dalam bejana Separator dan hilangnya genangan fasa air dalam bejana karena terdorong habis oleh fasa minyak (lihat Gb. 2.c)

d. Bila tekanan umpan dikembalikan lagi menjadi 180 psia (pada waktu simulasi mencapai 750 menit), aras permukaan cairan fasa minyak dan fasa air dapat kembali ke harga semula. Namun hal ini tidak terjadi untuk laju alir aliran umpan dan ketiga aliran outlet lainnya (bahkan ditunjukkan terjadi overshoot laju alir umpan ke harga yang lebih tinggi dari harga semulanya (160,4 mmscfd). Dinamika seperti ini tentu saja tidak layak dalam praktek.

Gambar 3.a. Spesifikasi VLV-100 yang tidak sesuai.



Gambar 3.b. Spesifikasi VLV-101 yang sudah sesuai.

Gambar 3.c. Spesifikasi VLV-102 yang tidak sesuai.

4. Penyelesaian Masalah

Berdasarkan hasil analisis yang disajikan pada bab 3, ketidak-sempurnaan model simulasi dinamika proses yang tersusun dalam file 3phase_dynamic_orig.hsc pada dasarnya dikarenakan tidak dimodelkannya valve VLV-100 dan VLV-102 untuk dapat berkelakuan sebagai check valve ketika berada pada kondisi dimana tekanan outlet (downstream) menjadi lebih tinggi daripada inletnya (upstream). Dengan demikian, masalah simulasi ini dapat disempurnakan hanya dengan mengaktifkan opsi check valve untuk valve VLV-100 dan VLV-102 (diimplementasikan dalam file Hysys yang telah dimodifikasi, yaitu 3phase_dynamic_modif.hsc). Dengan skenario perubahan tekanan seperti yang telah diberlakukan untuk kasus awal (bab 2, hlm. 2), hasil-hasil simulasi untuk kasus modifikasi ini ditampilkan pada Gambar 4.a-d dan dapat disarikan sebagai berikut:



a. Setelah terjadi perubahan tekanan 100 psia, VLV-100 langsung tertutup sehingga tidak terjadi aliran umpan memasuki bejana Separator. Tekanan Separator secara dinamik akan mengalami pengurangan karena berkurangnya sisa tumpukan massa yang ada di dalamnya (lihat Gb. 4.a). Jalan keluar sisa massa dalam Separator bergantung pada harga tekanan separator, dengan urutan sebagai berikut:

Ketika tekanan berkurang pada rentang 178.3 psia 172.5 psia, pengeluaran massa separator berlangsung melalui aliran produk fasa gas (stream 7), aliran produk fasa minyak (stream 9) dan aliran produk fasa air (stream 12).

Ketika tekanan berkurang pada rentang 172.5 psia 162.5 psia, pengeluaran massa Separator berlangsung melalui aliran stream 9 dan aliran stream 12. Stream 7 tidak mengalir lagi karena VLV-101 menjadi tertutup (bertindak sbg check-valve).

Ketika tekanan berkurang pada rentang 162.5 psia 100 psia, pengeluaran massa Separator berlangsung hanya melalui aliran stream 12. Stream 9 tidak mengalir lagi karena VLV-102 menjadi tertutup (bertindak sbg check-valve).

b. Pada kasus modifikasi ini, fenomena laju alir negatif sudah tidak dijumpai lagi (lihat Gb. 4.b). Oleh karena perubahan tekanan 178.3 psia 162.5 psia berlangsung cepat, maka pengeluaran hampir seluruh sisa massa dalam bejana Separator adalah melalui nozzle bagian bawah bejana (stream 10, 11 dan 12). Pada awalnya, aliran bawah ini berupa fasa air (fraksi air 1, kurva warna biru pada Gb. 4.d). Karena tidak ada tambahan dari aliran umpan, maka aras permukaan cairan fasa air dan fasa minyak secara monoton mengalami penurunan. Bersamaan itu, fasa minyak juga ikut keluar melalui aliran bawah sehingga fraksi minyak dalam aliran tersebut meningkat (kurva hijau pada Gb. 4.d). Ketika sisa fasa minyak sudah menipis, maka sisa fasa gas dalam bejana tersebut akhirnya juga ikut keluar melalui aliran bawah sehingga aliran tersebut menjadi mengandung uap (kurva merah pada Gb. 4.d). Ketika hal ini terjadi, peringatan akan muncul pada unit pompa bahwa pompa tersebut mendapatkan umpan aliran yang mengandung fasa uap.

c. Setelah tekanan Separator menjadi 100 psia, maka aliran umpan muncul lagi dan simulasi akhirnya berlangsung dengan profil aliran yang mantap. Bila kemudian tekanan umpan dikembalikan lagi ke 180 psia, maka laju alir umpan akan kembali ke harga semula tanpa mengalami overshoot.

Gambar 4.a. Stripchart Monitoring Variabel Tekanan Kasus Modifikasi



Gb. 4.b. Stripchart Monitoring Variabel Laju Alir Molar Kasus Modifikasi

Gb. 4.c. Stripchart Monitoring Variabel Aras Permukaan Cairan Kasus Modifikasi

Gb. 4.d. Stripchart Monitoring Fraksi Fasa Kasus Modifikasi



5. Penutup

Meskipun tidak terjadi fenomena negative flow dan simulasi bisa berjalan mulus, tetapi dinamika proses seperti dijabarkan pada bab 4 mungkin juga masih kurang menggambarkan kondisi riilnya. Dengan memberikan spesifikasi tekanan aliran produk gas (stream 7) dan aliran produk minyak (stream 9) pada harga yang tetap, yaitu 172.5 psia dan 162.5 psia, ini berarti bahwa seakan kedua aliran tersebut menuju ke unit operasi (di bagian hilirnya) yang memiliki mekanisme penjagaan tekanan yang konstan. Bila kasus ini memang demikian adanya, maka spesifikasi dinamik untuk kedua aliran tersebut sudah tepat. Tetapi bila kasusnya tidak demikian, maka spesifikasi dinamik untuk kedua aliran tersebut menjadi tidak tepat. Untuk melakukan koreksinya, perlu dilakukan pemodelan yang melibatkan unit-unit operasi di bagian hilirnya. Selain tidak tersedia informasinya, penjelasan bagaimana koreksi pemodelan tersebut dapat dilakukan akan terlalu besar untuk disampaikan dalam naskah singkat ini. Untuk tujuan semula sekedar menguak ketidak-sempurnaan model simulasi dan kemudian menyampaikan langkah penyempurnaannya, maka kiranya pembahasan dalam naskah ini sudah mencapai sasaran. Komentar, saran dan pertanyaan atas bahasan dalam naskah ini sangat diharapkan.

________________________________ Semoga bermanfaat ________________________________


swasb0Migas Indonesia

separator tiga fasa

Documents