KOMPRESOR. Perancangan Alat Proses. Abdul Wahid Surhim 2015

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 Flow

Special 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 berikutnya

Persamaan 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

=

𝑀𝑊𝑔𝑎𝑠

𝑀𝑊_𝑎𝑖𝑟

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:

– Q_G : 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 1

6506

.

19



Compression Power

Kombinasi Pers. (15.4) dan (15.5)

(15o_{C 0r 60}o_F) (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 (E_isen)

• 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 atau

Figure 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 5

Relasi E

_isen

dan 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 + W_L

2 1000       F N W_{L L}

Polytropic Head per Impeller

Sonic Velocity

MW T R Z g u_s  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

MW_gas = ()(MW_air)









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 (E_vz) = V_l/V_d Delivery pressure Inlet pressure Clearance (C) = V_c/V_d

Approximate

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 V_d

• Besarnya tergantung pada ukuran piston, kecepatan dan panjang gaya, serta apakah piston tunggal atau ganda

• Efisiensi volumetrik = V₁/V_d

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 + 15o_{C (air cooling)}

 Wet bulb + 15o_{C (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 40o_C

[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 = MW_gas/Mw_udara = 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

Load