tugas 1 penggas_adiputra k,fahima,hana,hasbi,taufiq

UNIVERSITAS INDONESIA

Tugas 1 Pengolahan Gas Bumi

Gas Hidrat dan Nilai Kalor Gas

Disusun oleh :Adiputra Khomas (1006679390)

Fahima (1006660554)

Hana Nabila A. (1006660573)

Hasbi Priadi (1006679623)

Taufiq Abdurrahim (1006759416)

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA

DEPOK 2013

Tugas 1 Pengolahan Gas Bumi September, 2013

Tugas 1 Pengolahan Gas Bumi

GAS HIDRAT DAN NILAI KALOR GAS

A. Gas Hidrat

Gas hidrat merupakan bentuk dari clathrate yang pertama kali ditemukan oleh Davy

pada tahun 1810. Pada tahun 1888, Villard mempresentasikan data performa pada hidrat

hidrokarbon. Sejak saat itu, studi ilmiah dari senyawa fisik ini telah berlangsung secara

ekstensif.

Clathrate merupakan senyawa dimana guest molecules terjebak dalam struktur

berbentuk sangkar yang tersusun dari host molecules. Dengan gas alam hidrat lattice

terbentuk oleh molekul air seperti ditunjukkan oleh Gambar 1. Longkaran menggambarkan

molekul air dan garis menggambarkan ikatan hidrogen. Di dalam tiap lattice terkandung

sejumlah cavities atau sangkar yang harus ditempati oleh sejumlah guest molecules untuk

menstabilkan kristal lattice ini.

Gambar 1. Skematisasi Hidrat Lattice Gas Alam

Analisis difraksi sinar X menunjukkan struktur kristal gas hidrat merupakan derivatif

dari pentagonal dodecahedron, struktur bersisi dua belas yang memiliki lima titik sudut.

Karena sudut ikatannya adalah sebesar 180o dan sudut ikatan dari es adalah 109,5o,

strukturnya terlalu panjang untuk dianggap sebagai struktur dasar hidrat, namun tidak ada

susunan packing yang sesuai untuk pentagonal dodecahedron reguler. Claussen mengajukan

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia


dua kristal lattice yang terpisah dari konfigurasi dodecahedron yang dimodifikasi yang

didesain sebagai Struktur I dan II.

Lattice dasar dari struktur I memiliki konstanta sel sebesar 12 Ao dan terdiri dari 46

molekul air yang tersusun membentuk delapan ruang kosong, dua diantaranya merupakan

pentagonal dodecahedra. Enam ruang kosong yang tersisa memiliki cavities yang lebih besar

serta memiliki 14 sisi. Molekul metana mampu memasuki ruang kosong dengan beragam

ukuran, sementara hidrokarbon yang lebih besar seperti etana dapat terjebak hanya pada

ruang kosong yang lebih besar. Selama pembentukan, juga memungkinkan untuk cavities

dalam keadaan kosong tidak ditempati karena adanya pembentukan lattice serta penutupan

ketika tidak ada molekul hidrokarbon. Molekul hidrokarbon lainnya seperti propan dan

lainnya tidak dapat terjebak dalam struktur ini karena ukuran mereka yang tidak mencukupi.

Bentuk kristal yang kedua, Struktur II, didesain sebagailattice pentagonal

dodecahedral-diamond, yang terbentuk karena adanya hidrokarbon yang lebih besar dari

etana. Untuk struktur ini, satu unit sel memiliki 136 molekul air dan konstanta sel sebesar

17Ao. Terdapat 16 ruang kosong pentagonal dodecahedral kecil dan 8 ruang kosong lain

yang lebih besar. Ruang kosong yang besar, disebut hexakaidecahedron, mempunyai empat

hexagonal dan 12 sisi pentagonal. Terjebaknya propana, n-butna, dan isobutana terjadi pada

struktur ini seperti kemungkinan terjebaknya etana dan metana. Dapat diduga bahwa ketidak

hadiran propana dan molekul yang lebih berat akan menyebabkan hanya hidrat tipe 1 yang

terbentuk, sementara kehadiran baik etana dan propana akan menghasilkan terbentuknya

hidrat tipe 1 dan 2. Hal ini mungkin terjadi karena ketersediaan dari air yang berlebih dan

hidrokarbon selama pembentukan hidrat terbatas.

Dapat dilihat bahwa ukuran dari molekul merupakan faktor yang penting. Faktor

penting yang kedua adalah kelarutan gas. Kelarutan umumnya mempengaruhi laju dari

clathration karena hal tersebut menentukan kemungkinan bahwa molekul tertentu akan hadir

ketika lattice menutup. Maka dari itu, semakin besar kelarutan dari komponen, semakin cepat

hidrat terbentuk.

Diyakini bahwa guest molecule mendikte tipe struktur yang akan terbentuk, dan

kelarutannya menentukan laju pembentukan. Ukuran juga mempengaruhi laju pembentukan.

Hal ini dapat dilihat dari sifat metana, hidrogen sulfida, dan propana. Pada temperatur

tertentu metan hidrat murni memerlukan tekanan yang lebih tinggi untuk pembentukan

daripada propan hidrat, meskipun kelarutannya dalam air cenderung lebih besar daripada

propana. Lebih mudah bagi molekul berukuran kecil untuk menghindari terjebak ketika



sangkar menutup dibandingkan yang lebih besar. Terdapat molekul metana, tetapi

pergerakannya yang lebih aktif dan acak serta ukuran yang lebih kecil membuat clathration

lebih sulit. Molekul hidrogen sulfida yang berukuran sama jauh lebih mudah larut

dibandingkan metana, membentuk struktur yang sama, namun membutuhkan seperduapuluh

waktu yang lebih lama untuk membentuk hidrat.

Kondisi aktual penagkapan dikatakan terpenuhi ketika molekul gas terorientasi dalam

struktur air seperti agregasi air dan molekul gas telah menggunakan ruang yang tersedia

dengan baik. Hal ini berkaitan dengan keadaan potensial energi terendah untuk agregasi

sehingga gaya ikatan yang menarik dan memutar sedapat mungkin dalam keadaan

kesetimbangan. Ketika terbentuk, struktur ikatan hidrogen tidak akan putus sampai gaya-gaya

ini menjadi sangat tidak seimbang sehingga kekuatan dari ikatan hidrogen tersebut terlampaui

dan patahan terjadi.

Guest molecule menyediakan stabilitas pada struktur lattice dengan perilaku yang

sama dimana cairan pada pori dari sub-permukaaan pasir mencegah subsidence. Tidak semua

sangkar harus penuh. Oleh sebab itu, tidak ada rumus spesifik untuk hidrat.

Berikut ini merepresentasikan tipikal kristal hidrat yaang dibentuk dari komponen

tertentu :

CH4 5.9 H2O . C2H6 8.2 H2O . H2S 6.1 H2O . CO2 6.0 H2O

N2 6.0 H2O . C3H8 17.0 H2O . i-C4H10 17.0 H2O

Normal butana dapat membentuk hidrat namun sangat tidak stabil. Semula

hidrokarbon parafin yang lebih besar dari butana tidak dapat membentuk hidrat.

Campuran gas alam membentuk hidrat lebih mudah daripada komponen murni.

Diperlukan untuk semua ukuran dari sangkar untuk penuh untuk menstabilkan lattice.

Konstanta sel yang disebutkan di atas merupakan panjang dari satu sisi kubus yang akan muat

ke dalam cavities. Jadi campuran dari ukuran molekul sangat kondusif untuk pembentukan

hidrat.

Kristal hidrat individual terbentuk dalam fasa air liquid. Hanya dalam fasa cairhidrat

memiliki konsentrasi yang diperlukan serta level energi untuk pembentukan ikatan atom

hidrogen. Kristal-kristal ini berukuran sangat kecil. Tetapi, mereka dapat menjadi besat

dengan membagi sisi dari 5-6 molekul air. Ketika pembesaran ini berlanjut membentuk

bongkahan maka pembentuka hidrat dapat menjadi masalah.

Kesetimbangan Hidrat



Gambar 2 menunjukkan karakteristik pembentukan hidrat dari komponen gas alam.

Garis pada gambar menunjukkan kondisi pembentukan hidrat. Di bawah dan ke kanan dari

garis tidak ada hidrat yang terbentuk. Pada temperatur tertentu garis pembentukan hidrat

berbentuk vertikal. Hal ini terjadi pada keadaan dimana kurva pembentukan hidrat

berpotongan dengan kurva tekanan uap dari komponen tersebut.

Gambar 2. Kondisi Pembentukan Hidrat Untuk Komponen Gas Alam

Gambar 3 mengilustrasikan sifat umum dari propana. Di bawah 0oC (32oF) baik es

dan hidrat terbentuk di atas kurva; hanya uap dan es yang berada di bawah kurva. Di atas titik

beku, hidrat adalah satu-satunya fasa padat di bagian kiri dari kurva pembentuka hidrat. Pada

perpotongan dari tekanan uap dan kurva hidrat menjadi vertikal. Perpotongan ini merupakan

suhu maksimum pembentukan hidrat untuk komponen murni.



Gambar 3.Sifat umum untuk propane

Sifat umum yang sama terjadi untuk campuran gas, seperti ditunjukkan pada gambar

4. Garis FEGC merupan garis titik embun untuk campuran. Kemiringan dari kurva hidrat

(FGH) menjadi vertikal seiring dengangaris quadruple (FG). Kemiringan dari garis quadruple

tergantung pada jumlah hidrokarbon cair dalam sistem. Peningkatan jumlah cairan

mencuramkan kemiringan. Jika garis quadruple berpotongan dengan fasa envelope hingga

sebelah kiri dari titik kritis (garis titik didih) kurva hidrat akan menjadi vertikal dalam daerah

satu fasa.

Gambar 4. Karakteristik Pembentukan Hidrat Untuk Gas Campuran

Prosedur umum untuk memprediksi hidrat meliputi dua langkah dasar:

1. Menggunakan korelasi yang sesuai untuk membentuk posisi garis titik embun FEGC

2. Menggunakan korelasi yang sesuai untuk menentukian garis hidrat FGH

Langkah pertama akan dibahas pada Chapter 5. Korelasi di bawah ini digunakan untuk

langkah kedua.

Korelasi Prediksi Hidrat

Semua corelasi prediksi hidrat untuk sistem yang mengandung hanya gas dan air pada

tes statik sel untuk menyediakan kesetimbangan yang bagus. Pada kebanyakan kasus data

yang ditunjukkan merupakan kondisi pelelehan hidrat, data poin yang lebih dapat

direproduksi daripada data pembentukan, serta perhitungan yang dapat digunakan.



Korelasi awal menunjukkan kurva pembentukan hidrat sebagai fungsi dari densitas

relatif. Meskipun mudah digunakan dan dapat diaplikasikan untuk lean gas, namun tidak

direkomendasikan untuk perhitungan engineering.

Konstanta Kesetimbangan Uap-Padat

Katz dan rekannya mengembangkan sejumlah nilai Kv-5 untuk prediksi hidrat. Gambar

5-9 merupakan grafik yang digunakan untuk metode ini seperti telah dirangkum oleh GPSA

dan dimodifikasi.

Meskipun terdapat beberapa ketidaksempurnaan teoritis dalam metode ini namun

telah dibuktikan bahwa metode ini dapat diandalkan hingga tekanan 7 MPa (1000 psia).

Beberapa kurva tidak melebihi tekanan ini. Akurasi mulai berkurang seiring dengan nilai Kv-5

=1.0

Pada studi awal diasumsikan bahwa nitrogen merupakan pembentuk non hidrat dan n-

butana memiliki nilai Kv-5 yang sama dengan etana. Studi selanjutnya menunjukkan bahwa

hal ini salah. Kurva Kv-5 sekarang disediakan untuk n-butana, akan tetapi, penggunaan praktis

Kv-5 = tak terhingga untuk nitrogen memberikan hasil yang sangan memuaskan.

Gambar 5. Nilai K Uap-Padat Untuk Metana dan Etana



Gambar 6. Nilai K Uap-Padat Propana

Gambar 7. Nilai K Uap-Padat Iso-Butana


Gambar 8. Nilai K Uap-Padat CO2 dan H2S

Gambar 9.Konstanta Equilibrium Vapor-Solid untuk n-butana

Contoh perhitugan equilibrium vapor-solid untuk n-Butana

Pada perhitungan dew point menggunakan KV-S dapat dilihat pada table

dibawah ini. Nilai yi merupakan fraksi mol masing-masing komponen dalam gas.

Nilai KV-S sama dengan infinity untuk semua pembentuk nonhydrate.

Komponen yi Padasuhu 10oC [50oF]

KV-S yi/ KV-S

Nitrogen 0.094 inf 0.0

Metana 0.784 2.04 0.384

Etana 0.060 0.82 0.073


Propana 0.036 0.113 0.319

Iso-Butana 0.005 0.047 0.106

n-Butana 0.019 0.21 0.090

CO2 0.002 2.9 0.001

Total 1.000 0.974

Tentukan temperature dari hydrate formation pada gas dengan tekanan 2.0 MPa

atau 290 psia!

Pembahasan

Dengan asumsi bahwa terdapat temperature baru dan perulangan pada

perhitungan maka temperature dari hydrate formation sebesar 9.5oC atau 49oF.

Pada pendekatan awal ini dapat diaplikasikan menggunakan nilai dari KV-S dan

tergantung dari tiap komposisi dan tipe dari struktur hydrate I atau II.

MetodeTrekell-Campbell

Metode Katz mempunyai pembatasan tekanan dan metode ini kurang

berhasil dalam menemukan pengaruh dari hydrate depression untuk molekul yang

sangat besar untuk masuk ke dalam cavities atau rongga.

Molekul yang lebih besar dari metana akan meningkatkan kestabilan

hydrate formation. Pada metode ini digunakan metana sebagai kondisi

pembanding. Pengaruh penambahan pada molekul ini dapat dilihat pada Gambar

10 untuk tekanan yang berkisar antara 6.9MPa sampai dengan 41.4 MPa (1000-

6000 psia).

Pada masing-masing gambar dibawah ini terdapat tekanan spesifik dengan

variasi temperature pada methane hydrate forming. Garis absis merupakan

perpindahan dari suhu pada metana hydrate forming untuk persentase masing-

masing komponen pada garis ordinat.

Pada Gambar 10 dapat dilihat bahwa n-butana memiliki pengaruh positif

pada hydrate formation. Sedangkan pada gambar 11 dan 12 perpindahan

temperaturnya negative disebabkan karena n-butana menjadi non-hydrate former.



Perubahan ini terjadi karena adanya distorsi kisi dengan tekanan yang tidak

memiliki rongga yang cukup besar untuk menahan molekul yang sama besarnya

dengan n-butana.

Pada gambar 13terdapat negatif correction ataudepresiasi untuk non-

hydrate formers. Parameternya adalah sebagai berikut :

Rasio dari fraksi mol pentane ditambah dengan jumlah fraksi mol dari etana,

propane, dan butane. Peningkatan dari rasio ini sebenarnya tidak baik untuk

pembentukan hidrat karena terdapat beberapa molekul besar.

Dibawah ini terdapat prosedur umum yang direkomendasikan untuk

metode ini.

1. Perhitungan titik embun dari kurva hidrokarbon menuju garis FEGC

terdapat pada Gambar 4.

2. Menggunakan tekanan 6.9 MPa pada prediction chart, menentukan

temperature pembentukan hidrat secara aljabar dengan melihat

perpindahan temperaturnya. Selanjutny amenggunakan analisis dry gas

untuk garis ordinat dan menambahkan nilai dari pada garis absis

menuju temperature untuk metana hidrat yang diperoleh dari gambar.

Mencocokan hasil dari temperatur unuk pengaruh pentane dan senyawa

yang lebih ringan lainnya.

3. Mengulangi langkah sebelumnya untuk tekanan 13.8 MPa dan

mencocokan untuk pentane dan senyawa yang lebih ringan lainnya.

4. Menghitung temperature dari hidrat pada masing-masing tekanan dan

menarik garissampai ditemukan titik embun dari hidrokarbon.

5. Plot hasil perhitungan temperature dan cocokkan dengan kurva yang sama.

Prosedur diatas menunjukkan bahwa pentane dan senyawa lain yang lebih

ringan memiliki pengaruh perhitungan pada titik hidrat, dan nilai K merupakan

nilai yang infinit atau tidak memiliki batasan nilai.



Gambar10. Hydrate Prediction Correlation padatekanan 6.9 MPa

Gambar10a. Hydrate Prediction Correlation padatekanan 13.58 MPa





(a) (b)

Gambar 13. Hydrate Prediction Correlation untuk Pembentukan Non-Hydrate



Inhibitor yang hilang akibat pembentukan hidrokarbon

Inhibitor akan hilang akibat pengaruh kelarutan pada cairan hidrokarbon

dan fasa uap. Dengan penggunaan grafik 6.23 menunjukan adanya estimasi real

dari uap yang hilang pada tekanan yang kurang dari 6900 kpa dan pada kondisi

methanol cair yang kurang dari 40% massa. Dengan adanya pembacaan grafik

VLE untuk methanol dengan air, dapat diketahui persen berat MeOH dalam fasa

cair (X) dengan penggunaan rumus 6.7 ;

d : Titik temperatur depresi dari hidrat

X : Persentase berat inhibitor pada fasa cair

M : Berat molekul dari inhibitor

: konstanta

Dengan rumus ini akan diketahui penguapan metanol per volume gas yang

mengalir.

Pada tekanan diatas 6900 kPa dan konsentrasi berat metanol yang tinggi akan

mengakibatkan kehilangan inhibitor yang besar.



Gambar 14. VLE dari Metanol dengan air

Contoh Soal 6.6

Diketahui ;

Molar Flow gas Alam : 124 MMscf

Suhu Gas alam : 40˚C

Tekanan gas alam : 8000 kPa

Temperatur Hidrat : 17˚C

Temperatur gas on-shore : 5˚C

Tekanan gas on-shore : 6500 kPa

Produksi kondensat : 10.7 Bbl/MMscf

Ditanya :

Jumlah methanol dan 80% berat kebutuhan inhibitor EG untuk mencegah

pembentukan hidrat dalam pipeline ?

Jawab :

Langkah 1 : Menentukan temperatur hidrat = 17˚C

Langkah 2 : Mencari titik temperatur depresi dari hidrat

Langkah 3 : Kalkulasi jumlah air yang terkondensasi dengan menggunakan

titik embun air pada kondisi temperatur dan korelasi dengan

jumlah air



Langkah 4 : menghitung konsentrasi inhibitor dengan persamaan 6.7 dan

berat inhibitor dengan persamaan 6.9

Langkah 5 : kalkulasi hilang larutan karena pembentukan hidrokarbon dapat

dicari dengan penggunaan grafik 6.23, (losses = ). Jumlah uap yang

hilang dapat dicari dengan perkalian antara

Cairan yang hilang dengan asumsi adalah ;

Maka total Losses adalah

Untuk kondisi 80% berat EG didapatkan ;

Kristalisasi pada glikol



Glikol tidak membeku menjadi padat melainkan membentuk cairan yang

memiliki viskositas tinggi sehingga sulit untuk mengalir. Pada grafik 6.24

menunjukan titik beku dari tiga jenis glikol (TEG,DEG dan EG). Kurva pada

grafik menuju pada nilai minimum dimana pada saat temperatur tertentu

konsentrasi harus berada diantara garis kurva. Pada kosentrasi glikol 60%, glikol

aman dari berbagai temperatur (tidak mudah membeku/ membentuk cairan

dengan viskositas tinggi). Pembentukan lean glikol akan mengandung 15-25% air,

maka jumlah air harus dipertahankan dalam sistem dengan ditambahkan glikol.

Dengan jenis glikol EG dan DEG pada reboiler disarankan beroperasi pada suhu

dibawah 150-160˚C untuk menghindari adanya dekomposisi termal. Hilangnya

glikol tidak disebabkan oleh penguapan namun dari proses regenerasi glikol itu

sendiri, tumpahan, kontaminasu garam dan hilang karena proses pemisahan dari

minyak menjadi glikol pada fasa cair. Hilangnya glikol karena proses regenerasi

harus diminimalisir pada saat desain awal, kecuali untuk kontaminasi garam yang

cenderung melekat pada kolom penguapan. Garam dapat dihilangkan dari glikol

dengan destilasi dalam kondisi vakum.

Gambar 15. Titik Beku Larutan Glikol



B. Nilai Kalor (Heating Value)

Definisi dan Kegunaan

Nilai kalor adalah ukuran dari kesesuaian sebuah gas murni atau campuran

gas untuk digunakan sebagai bahan bakar. Dengan mengetahui nilai kalor maka

dapat diketahui jumlah energi yang dapat diperoleh sebagai panas pada

pembakaran sejumlah gas. Nilai kalor ini dapat digunakan sebagai perbandingan

antara gas yang berasal dari sumber yang berbeda dan komposisi yang berbeda

pula. Oleh karena itu, nilai kalor digunakan sebagai parameter untuk menentukan

harga gas. Selain itu nilai kalor juga dapat digunakan untuk menentukan nilai

efisiensi dari alat konversi energi seperti misalnya turbin bertenaga gas.

Metode Perhitungan

Reaksi Pembakaran Ideal

Sebuah reaksi pembakaran ideal untuk bahan bakar dan udara pada kondisi ideal

biasanya dinyatakan

(1)

di mana notasi id menandakan kondisi gas ideal dan l menandakan fasa cair

(liquid). Nilai kalor ideal bersih dihasilkan ketika seluruh air yang ada berada

pada kondisi gas ideal. Sementara nilai kalor ideal kotor dihasilkan ketika seluruh

air yang terbentuk dari reaksi pembakaran terkondensasi menjadi cairan.

Nilai Kalor Kotor Ideal

Nilai kalor kotol ideal per unit massa untuk sebuah campuran adalah

(2)



= Fraksi mol komponen j

= Massa molar komponen j (Tabel 1)

= Jumlah total komponen

= Nilai kalor per unit massa komponen j pada 60°F (Tabel 1)

Tabel 1. Sifat-Sifat Komponen Gas Alam pada 60°F dan 14.696 psia



Massa Jenis Gas Ideal

Massa jenis gas ideal adalah

(3)

= Massa molar campuran =

= Tekanan dasar dalam satuan absolut (psia)

= Konstanta gas, 10.7316 psia·ft3/(lb mol·°R)

= Suhu dasar dalam satuan absolut (°R = °F + 459.67)



Massa Jenis Relatif Ideal

Massa jenis relatif ideal adalah

(4)

= Massa molar udara

Nilai Kalor Kotor per Unit Volum

Nilai kalor kotor per unit volum adalah

(5)

= Nilai kalor kotor per unit volum komponen j pada kondisi ideal (Tabel1)

Untuk kondisi tekanan yang berbeda dilakukan konversi dengan cara

(6)

Nilai Gas Nyata (Faktor Kompresibilitas)

Faktor kompresibilitas adalah

(7)

= Massa jenis gas nyata dalam massa per unit volum



Untuk campuran gas dapat digunakan pendekatan perhitungan faktor

kompresibilitas

(8)

= Faktor sumasi komponen j (Tabel 2)

Massa Jenis Gas Nyata

Massa jenis gas nyata pada suhu dan tekanan tertentu adalah

(9)

di mana nilai dan dievaluasi pada suhu dan tekanan yang sama.

Massa Jenis Relatif Nyata

Massa jenis relatif nyata adalah

(10)

Nilai Kalor Kotor dari Water Wet Gas

Apabila gas mengandung air sebagai komponen namun analisis komposisi dalam

basis kering (dry basis), maka dilakukan koreksi terhadap fraksi mol

(11)



Nilai jenuh untuk diasumsikan dengan menggunakan hukum Raoult

(12)

= Tekanan uap air (0.235636 psia pada 60°F)

Sehingga hubungan antara gas kering (dry gas) dan gas basah (wet gas) adalah

(13)

Namun persamaan ini tidak mendeskripsikan secara akurat efek dari air pada nilai

kalor.

Perhitungan Energi Ideal yang Dilepaskan sebagai Panas

Energi ideal yang dilepaskan sebagai panas dinyatakan

(14)

= laju alir massa

Untuk gas ideal, laju alir massa berhubungan dengan laju alir volumetrik

(15)

dan

(16)

Laju alir ideal sendiri berhubungan dengan laju alir gas nyata



(17)

= Laju alir volumetrik gas nyata

Sehingga dengan menggabungkan persamaan (16) dan persamaan (17) maka

diperoleh :

(18)


tugas 1 penggas_adiputra k,fahima,hana,hasbi,taufiq

Documents