KOMPRESOR
Perancangan Alat Proses Abdul Wahid Surhim
Rujukan
• Campbell, J. M. 1992.
Gas Conditioning and Processing:
Equipment Modules, Volume 2.
• Hanlon, Paul C. 2001.
Compressor Handbook.
McGraw-Hill Companies, Inc.Jenis-jenis Kompresor
Kompresor Positive Displacement Reciprocating Piston Plunger Rotary Gear Screw Vane Kinetic (Dynamic) Centrifugal Radial Flow Axial Flow Mixed FlowSpecial High Head, Low Flow
Peripheral (Regenerative Turbine)
Tahapan Perhitungan Kompresor
(Single Stage)
INPUT: 1. Tekanan Masuk (P1) 2. Suhu Masuk (T1) 3. Rasio Kompresi (R) 4. Laju Alir Gas (q) 5. Berat Molekul Gas 6. Efisiensi Isentropik,7. Tip Speed (u) HITUNG:
1. Specific Gravity ()
2. Rasio Kapasitas Panas (k) 3. Faktor Kompresibilitas (Z), 4. kW/stage 5. Compressor Speed (N), 6. Mechanical Losses (WL), 7. DAYA TOTAL 1. Discharge Temperature (TD) 2. Diameter Impeller
Figure 15.1 General Range of Application of
Compressor
Daya Kompresor
15.1
15.2
15.3
Persamaan termodinamika dasar
Daya aktual:
3 Jenis Efisiensi
• Efisiensi TERMODINAMIK (ISENTROPIK) – Reversibel (S1 = S2)
– Adiabatik (Q = 0)
• Efisiensi MEKANIK
– Frictional losses
– Other mechanical losses (mis. valve)
• Efisiensi POLITROPIK
– Irreversibel (S1 S2) – Non-adiabatik (Q 0)
Prosedur Kompresi
Isentropic compression Gas cooling Tahap berikutnyaPersamaan Umum
Figure 15.2(a) Enthalpy-Entropy Diagram for a 0.65-0.75 Relative Density Sweet Natural Gas (METRIC)
Figure 15.2(b) Enthalpy-Entropy Diagram for a 0.65-0.75 Relative Density Sweet Natural Gas (ENGLISH)
Compressor Head
1 1 1 2 1 1 P P MW R Z T h a constant
PV
Specific Gravity (SG)
SG
=
𝑀𝑊𝑔𝑎𝑠𝑀𝑊𝑎𝑖𝑟
Rasio Kapasitas Panas (
)
15.6
Bila fraksi komponen diketahui:
15.7
Bila fraksi komponen TIDAK diketahui, rumus empiris:
1.99
i i p i p i C y C y
0.31
0.55
3 . 1 SG Hubungan k dan MW
Laju Alir Masuk Kompresor
• Laju alir masuk kompresor yang actual:
– QG : laju alir gas actual (actual cfm)
– T1 : suhu masuk kompresor (oR)
– P1 : tekanan masuk kompresor (psia)
– Z1 : factor kompresibilitas fluida masuk kompresor
– q : laju alir volumetrik gas masuk kompresor (MMSCFD)
q
P
T
Z
Q
G 1 1 16506
.
19
Compression Power
Kombinasi Pers. (15.4) dan (15.5)
(15oC 0r 60oF) (100 kPa or 14.7 psia)
a s s Z P P T T P q E A Stage kW 1 1 / 1 1 2 1 15.8 Hubungan kW/Stage dan
h
R MW h Z P P T Z P P T MW R P P MW R Z T h a a a 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1
h T P R q MW E A Stage kW Z P P T T P q E A Stage kW s s a s s / 1 1 / 1 1 2 1 Discharge Temperature (T
D)
15.9
Nilai isentropic efficiency (Eisen)
• Kompresor sentrifugal: 0.7 – 0.75
• Kompresor resiprokal: 0.7 – 0.75 (HS = high speed) • Kompresor resiprokal: 0.83 – 0.90 (LS = low speed)
isen P P D E T T 1 1 1 1 1 2 1 1 1 2 1 1 P P T T T E D isen atauFigure 15.4(a) Simple Correlation for Estimating
Compressor Power (Metric)
Figure 15.4(b) Simple Correlation for
Estimating Compressor Power (English)
Konversi
15.10 15.11 s a a s a T T P P Q Q .10 5Relasi E
isendan E
poly 15.12 15.13 poly E n n . 1 1
1 1 1 1 1 2 1 2 n n P P P P isen E Mechanical Losses
TOTAL DAYA = kW/Stage + WL
2 1000 F N WL L
Polytropic Head per Impeller
Sonic Velocity
MW T R Z g us c Diameter Impeller (Estimasi)
u q d 050 . 0 Compressor Speed
d
u
N
60
Figure 15.9 Kurva Karakteristik Kompresor
Sentrifugal
SURGE
• SURGE: Fenomena ketidakstabilan yang terjadi pada
saat laju alir rendah (lihat Kurva Karakteristik Kompresor) • Surge melibatkan keseluruhan sistem, bukan hanya
kompresor, yakni semua kumpulan komponen yang dilewati oleh aliran masuk (upstream) dan keluar
(downstream) dari fluida
• Kompresor tidak dapat mencapai tekanan keluar
Choke (Sumbatan)
• Choke (efek “dinding batu” atau “stonewall” effect) membatasi kapasitas kompresor
• Kondisi ini disebabkan oleh laju alir membatasi gas yang melalui “mata” impeller pertama
• Aliran ini selalu lebih besar dari disain dan biasanya tidak akan terjadi di bawah 115-120% rated capacity
• Kecepatan maksimum dibatasi oleh bilangan MACH (kecepatan suara) dari gas
Choke (Sumbatan)
• Secara teori, efek choke akan terjadi pada harga ini,
tetapi prakteknya biasanya adalah membatasi disain pada bilangan Mach 0.80-0.90
• Gas terringan yang dikompresi di mana choke menjadi masalah yang signifikan adalah propylene
• Propana, butana, dan freon memiliki kecepatan Mach sekitar 200 m/s pada -40oC
• Kompresi gas yang lebih ringan dari propana, choke bukan menjadi perhatian praktis
1. Compressor Head
MWgas = ()(MWair)
1
/ 0.2126 27 . 1 55 . 0 65 . 0 31 . 0 3 . 1 2. Compressor Power
/s m 86400 /d m std 1 3 1 3 a s s Z T T P P q 3. Compressor Discharge Temperature (15.9) 4. Number of Impellers
5. Diameter Impeller (Estimasi)
/s m 86400 /d m std 1 3 1 3 a s s Z T T P P q RECIPROCATING
COMPRESSOR
Prinsip
Reciprocating
Compressor
Prosedur Kerja
Induced volume Swept/displacement volume Efisiensi volumetric (Evz) = Vl/Vd Delivery pressure Inlet pressure Clearance (C) = Vc/VdApproximate
Valve
Prosedur Kerja
• Titik A menggambarkan akhir dari gaya kompresi • Garis ABC menggambarkan gaya masuk total
– Bagian AB menggambarkan ekspansi gas yang terperangkap antara piston dan ujung silinder pada tekanan P2
– Tidak ada gas baru yang masuk silinder hingga gas ini berekspansi ke tekanan P1 (titik B)
– Volume V1 (garis BC) menggambarkan gas baru yang masuk pada gaya masuk (suction stroke)
– Kapasitas silender tetap pada volume V1
Perpindahan Piston
dan Efisiensi Volumetrik
• Volume yang digambarkan oleh garis ABC disebut
perpindahan piston (
piston displacement
): volume gas yang dapat dikompresi jika tidak ada ekspansi gas atau Vd• Besarnya tergantung pada ukuran piston, kecepatan dan panjang gaya, serta apakah piston tunggal atau ganda
• Efisiensi volumetrik = V1/Vd
Rasio Kompresi per Langkah (R)
• Harganya kadang melebihi 6:1
• Efisiensi volumetrik turun, suhu keluar naik, dan batasan tekanan mekanik (R) naik
• Prakteknya harga R kadang melebihi 4:1 saat mendorong gas dari tekanan rendah untuk
pemrosesan atau penjualan
Prosedur Perhitungan HP Mesin
1. Hitung R (Pers. 15.20) dan kalikan dengan P1 2. Estimasikan ∆P (P2 – P3)
3. P2 aktual = R(P1) + 0.5 ∆P
4. P3 aktual = P2 - ∆P antar langkah
5. Estimasikan T3 (suhu masuk ke langkah kedua)
Ambient dry bulb + 15oC (air cooling)
Wet bulb + 15oC (water cooling)
6. Hitung R aktual tiap langkah, hitung daya tiap langkah dan tambahkan untuk mendapatkan daya mesin total yang diperlukan
7. Beban panas total pada cooler adalah jumlah gas sensible heat dari T2 ke T3 dan panas laten total semua fluida yang dikondensasi (air ditambah minyak)
Figure 15.12 Efisiensi Menyeluruh (Kompresi
Udara)
Figure 15.13 Faktor Koreksi
• Kurva A untuk unit yang integral atau dapat dipisahkan yang besar, pada rasio kompresi rendah, operasi jalur perpipaan besar yang khas
• Kurva B untuk laju < 600 rpm • Kurva C untuk laju > 900 rpm
• Tekanan masuk > 200 kPa (abs.) efisiensi 15-20% lebih rendah dari yang ditunjukkan
Example 15.2
• 280 000 std m3/d (9.9 MMscfd) gas yang memiliki MW
20.3 ditekan dari 700 – 6000 kPa [101 – 870 psia] pada kompresor integral laju rendah (low speed integral
compressor).
• Suhu masuk langkah pertama dan kedua adalah 40oC
[104oF] dan 45oC [113oF].
• Jatuh tekanan antar-langkah sebesar 40 kPa. • Estimasikan keperluan dayanya!
2. E, Z, k, dan m
• Gunakan Fig. 15.12 dan 15.13
– Fig. 15.12 pada R = 2.96 line B, maka E = 0.852
– Fig. 15.13 pada = gas/udara = MWgas/Mwudara = 20.3/28.97= 0.70 line B, maka E = 0.98
E = (0.852)(0.98) = 0.835
• Faktor kompresibilitas (Fig. 15.3)
– 1st stage Z
I = 1.0 dan ZD = 0.98
– 2nd stage Z
I = 0.955 dan ZD = 0.945
• Rasio kapasitas panas (k) gunakan grafik di Rule of Thumb hlm. 115 pada MW = 20.3 k = 1.26 dan m = (k-1)/k = 0.206
Efisiensi Volumetrik
Volumetric Rate Gas
Example 15.3
• Menggunakan harga-harga pada contoh sebelumnya, estimasikan ukuran silinder untuk kompresor berikut • Speed = 400 rpm
• Stroke = 21.6 cm [8.5 in.] • Normal clearence
– 1st stage = 7%
– 2nd stage = 12%
• Asumsikan: 2 silinder per stage dan semua silindernya double-acting