Bab IV Tugas Khusus (Fixed)

(1)

Teknik Kimia Universitas Sriwijaya 53

BAB IV TUGAS KHUSUS

DESAIN SEPARATOR HORIZONTAL DUA FASA PADA PT. SURYA ESA PERKASA (SEP)

4.1 Latar Belakang

Separator merupakan salah satu peralatan utama yang mempunyai peranan penting dalam operasi pengolahan minyak bumi dan gas alam. Separator berfungsi memisahkan fluida produksi yang berasal dari sumur produksi menjadi dua atau tiga fasa. Separator yang digunakan pada PT. Surya Esa Perkasa (SEP) merupakan separator horizontal dua fasa. Separator ini memisahkan fluida menjadi dua komponen yaitu gas dan liquid.

Pemisahan menggunakan separator diperlukan sebagai langkah awal pengolahan minyak bumi maupun gas alam. Ukuran separator yang kecil menyebabkan kapasitas produksi minyak bumi maupun gas alam yang dihasilkan juga kecil. Tetapi, ukuran separator yang terlalu besar jika dibandingkan dengan laju produksi sumur yang ada juga merupakan suatu pemborosan biaya kapital. Oleh karena itu, perlu diketahuinya penentuan ukuran separator dua fasa yang ideal untuk pemisahan yang baik.

Disini penulis bermaksud melakukan perancangan ulang separator horizontal dua fase dalam proses produksi di PT. Surya Esa Perkasa (SEP), dengan menggunakan data-data yang ada sekarang, dan diolah dengan menggunakan perhitungan manual. Adapun beberapa alasan mengapa tidak digunakannya separator tiga fase yang selain mampu memisahkan gas dengan liquid juga dapat memisahkan komponen liquid, yaitu minyak dan air adalah bahwa separator horizontal dua fase memiliki keunggulan, dalam beberapa hal, yaitu :

1. Lebih murah untuk kapasitas gas yang sama

2. Diameter lebih kecil untuk kapasitas gas yang sama 3. Luas permukaan untuk gas dan cair lebih besar

(2)

4. Perubahan diameter dan panjangnya juga merubah kapsitas gas 5. Mudah untuk pemasangan pipa.

4.2 Perumusan Masalah

1. Bagaimana penentuan ukuran ideal separator horizontal dua fasa.

2. Bagaimana melakukan perancangan separator horizontal dua fasa, sesuai dengan data spesifikasi alat yang dihitung secara manual.

4.3 Tujuan

1. Mengetahui faktor-faktor yang menentukan ukuran ideal separator horizontal tiga fasa.

2. Membandingkan ukuran ideal separator yang didapat melalui perhitungan menggunakan data desain dengan ukuran separator yang terpasang.

3. Merancang separator horizontal dua fase untuk proses pemisahan aliran hidrokarbon dilapangan.

4.4 Manfaat

1. Mengetahui langkah-langkah dalam menentukan ukuran ideal separator horizontal dua fasa.

2. Memahami prinsip pemisahan yang terjadi pada separator.

4.5 Tinjauan Pustaka

Fluida yang berasal dari sumur-sumur produksi merupakan campuran komplek dari berbagai komposisi hidrokarbon dengan berat jenis, tekanan uap, dan sifat fisik yang berbeda-beda. Selama mengalir dari reservoir menuju tempat pengolahan, fluida mengalami penurunan tekanan dan temperatur. Sebagian gas berubah menjadi liquid dan aliran fluida berubah karakteristiknya. Dapat terjadi aliran gas yang membawa butiran liquid, dan aliran liquid membawa gelembung gas terlarut. Sebelum pengolahan lebih lanjut, maka fluida harus dipisahkan terlebih dahulu.

(3)

Separator merupakan peralatan awal dalam industri minyak yang digunakan untuk memisahkan fluida dari sumur produksi berdasarkan berat jenisnya. Separator dapat diklasifikasikan sebagai berikut :

 Berdasarkan fasa zat yang dipisahkan:

1. Separator dua fasa (memisahkan gas dari aliran liquid) 2. Separator tiga fasa (memisahkan gas, minyak,dan air)  Berdasarkanbentuknya:

1. Separator horizontal

Separator horizontal hampir selalu digunakan untuk aliran yang mempunyai rasio gas terhadap liquid (Gas-Oil Ratio) yang tinggi, untuk arus yang berbuih, atau untuk liquid yang keluar dari separator sebelumnya.

2. Separator vertikal

Separator yang vertical sering dipergunakan untuk aliran fluida yang rasio gas-liquid nya (Gas-Oil Ratio) rendah sampai sedang dan diperkirakan akan terjadi liquid yang datang secara kejutan (slug) yang relative sering.

3. Spherical Separator

Separator bundar biasanya hanya berukuran kecil dan digunakan untuk kapasitas produksi yang kecil-kecil saja.

 Berdasarkantekananoperasinya:

1. High pressure separator, tekanankerjanya 650 – 1500 psi, 2. Medium pressure separator, tekanan kerjanya 225 – 650 psi, 3. Low pressure separator, tekanan kerjanya 10 – 225 psi.

Separator bekerja berdasarkan prinsip pemisahan berdasarkan berat jenisnya dimana diperlukan volume bejana dan waktu retensi tertentu agar fasa-fasa yang ada terpisah. Penentuan desain separator merupakan hal penting yang akan menentukan kapasitas produksi dari seluruh fasilitas yang ada.

(4)

Gambar 4.1

Separator Horizontal Dua Fasa

Inlet Separator pada PT. Surya Esa Perkasa (SEP)

Pada system coldbox dan separasi, aliran umpan yang sudah kering (dry feed gas) dilakukan process pendinginan sampai temperature -31 Deg. F dan process separasi untuk memisahkan gas fraksi ringan dengan cairan fraksi beratnya.

Pendinginan(chilling process)dilakukan melalui 2 tahapan, yaitu;

1. Pendinginan pada Series Heat Exchanger/ Cold Box

2. Pendinginan melalui Joule Thomson-Valve (JT-Valve)

Pada Tahap pertama, mula-mula Gas kering dari Glycol contactor di alirkan kedalam Cold Box untuk didinginkan dengan Lean Gas dan vapor dari Fractionation

Refluk drum sebelum di kirimke Pipeline. Selanjutnya feed gas di dinginkan lebih

lanjut menggunakan propane refrigerant.

Cold Box adalah Plate-Fin Heat Exchanger yang terbuat dari bahan

aluminum yang berfungsi untuk mendinginkan feed gas, dengan cara yang sama seperti pada Series Heat Exchanger, tetapi memiliki heat transfer efficiency yang sangat tinggi.

(5)

Teknik Kimia Universitas Sriwijaya 57 Feed Gas keluar dari Series Heat exchanger/ Cold Box selanjutnya di alirkan

kedalam Very Low Temperature Separator untuk memisahkan cairan yang terbentuk selama process pendinginan.

Pendinginan pada tahap Kedua dilakukan dengan cara menurunkan tekanan gasnya melalui JT Valve sebelum gas masuk kedalam Very Low Temperature

Separator. Ukuran separator ditentukan agar dapat memisahkan secara baik gas dan air

dari aliran yang masuk ke separator tersebut. Inlet Separator yang terpasang di SEP merupakan separator horizontal dua fasa dengan diameter 42 inchi dan seam-to-seam length 10 ft.

A. Dasar Teori Perhitungan

Ukuran separator yang didesain untuk pemisahan yang baik harus memenuhi kondisi-kondisi berikut ini :

a.) Kapasitas Gas Tertampung

Pengaturan kapasitas gas yang tertampung harus dapat memenuhi kondisi yang memberikan waktu yang cukup bagi butiran liquid jatuh dari fasa gas menuju fasa liquid selama gas mengalir sepanjang separator. Kapasitas gas yang dibutuhkan memberikan persamaan untuk mendapatkan kombinasi diameter (d) dan panjang efektif separator(Leff).

Persamaan yang digunakan untuk separator yang 50% terisi liquid(one-half separator)dan untuk pemisahan butiran liquid berdiameter 100 mikron adalah sebagai berikut : 2 / 1 420                         m D g l g g eff d C P Q Z T L d    Keterangan : d = diameter separator,in

(6)

T = temperatur operasi, oR

Qg = laju alir gas, MMSCFD

P = tekanan operasi, Psia Z = kompresibilitas gas ρg = densitas gas, kg/m3

ρl = densitas liquid, kg/m3

CD = koefisien drag

dm = ukuran butiran likuid yang akan dipisahkan, micron

b.) Retention Time

Retention time dari air ikut menentukan ukuran dan kapasitas separator.

Retention time yang biasanya digunakan butiran air untuk mengendap di separator yaitu antara 3 – 30 menit. Alasan untuk menggunakan batasan retention time antara 3 – 30 menit tergantung pada data lab atau data lapangan. Jika informasi ini tidak tersedia, maka retention time air dirancang selama 10 menit.

Pengaturan retention time memberikan persamaan yang harus memenuhi kombinasi d dan Leff sebagai berikut :

7 . 0 2 r l eff Q t L d  Keterangan : Ql = lajualir air, BWPD

tr = retention time air yang diinginkan, menit

c.) Seam-to-Seam Length DanSlenderness Ratio

Seam-to-seam length dapat ditentukan dari panjang efektif separator. Jika

ukuran separator didasarkan pada kapasitas gas, maka slenderness ratio (Lss/d)harus

(7)

Teknik Kimia Universitas Sriwijaya 59 interface gas-cairan. Jika ukuran separator didasarkan pada kapasitas cairan, maka slenderness ratio yang lebih besar dipakai. Tetapi, umumnya slenderness ratio untuk

separator horizontal dua fasa digunakan antara 3 sampai 4.

Untuk kapasitas gas Untuk Kapasitas liquid

d.) Prosedur Perhitungan Ukuran Ideal Separator

Prosedur perhitungan ukuran separator horizontal tiga fasa adalah sebagai berikut :

1) Menyiapkan dataQl, Qg, ρg, ρl, m, P, dan T

2) Menentukan harga tr

3) Menghitung d.Leffmenggunakan persamaan (1) untuk d < dmax yang memenuhi

batasan kapasitas gas. Ukuran butiran (dm) yang digunakan ialah 100 micron jika informasi tentang hal itu tidak tersedia.Nilai Z didapatkan dengan grafik kompresibilitas gas (Lampiran G).

Dalam menghitung harga d.Leff untuk kapasitas gas, diperlukan harga drag cooficient(CD) dari butiran liquid yang akan jatuh dari gas. Harga CD ditentukan

dengan langkah iterasi sebagai berikut : 1. Menghitung Vt dengan rumus :





1/2 0204 , 0           g m g l t d V   

Applied Process Design for Chemical & Petrochemical Plants Vol 1

(8)

Teknik Kimia Universitas Sriwijaya 60  gdmVt 0049 , 0 Re

Applied Process Design for Chemical & Petrochemical Plants Vol 1

3. Menghitung nilai CD dengan nilai Re yang didapat :

34 , 0 Re 3 Re 24 2 / 1    D C

4. Menghitung kembali Vt dengan rumus :

2 / 1 0119 , 0                   D m g g l t C d V   

5. Menghitung kembali nilai Re (kembali ke langkah 2) dan iterasi sampai nilai CDyang didapat konstan.

4) Menghitung d.Leff untuk d < dmax yang memenuhi batasan retention time air

dengan persamaan (2).

5) Menentukanseam-to-seam lengthdengan menggunakan salah satu dari persamaan di bawah ini:

gas kapasitas untuk d L L_ss _eff 12   (7) cairan kapasitas untuk L Lss . eff 3 4  (8)

6) Dipilih kombinasi d dan Lss yang ideal dengan slenderness ratio (Lss/d) antara 3

sampai 4.

B. Perancangan Mekanis

Untuk perancangan suatu separator horizontal diperlukan untuk menghitung nilai ketebalan dinding pada shell, ketebalan head, dll. Adapun beberapa rumusan yang digunakan dalam perancangan separator dau fase adalah :

(9)

1. Ketebalan Dinding shell (Wall Thickness)

Dimana :

T = ketebalan dinding shell, inchi P = Tekanan desain, psig

Ro = Radius luar

S = Allowable stress, psi E = Efisiensi sambungan las

CA = Corrotion allowance (tergantung material)

2. Ketebalan Head (Head Tickness) Dimana :

t = ketebalan head , inches Do = Diameter luar , inches

3. Berat Shell

Shell weight =

Dimana :

= 0,29 lbs/in3

Do = Diameter luar , inches Dl = Diameter dalam , inches

L = Panjang vessel , inches

4. Berat Head

(10)

Dimana :

Tk = Ketebalan Head Do = Diameter luar , inches Dl = Diameter dalam , inches

5. Berat Vessel

Berat Vessel = (shellweight) + (Headweight)

4.6 Hasil dan Pembahasan

4.6.1 Ukuran Ideal Separator (Data Desain)

Tabel 4.1

Data Perhitungan Inlet Separator (Desain)

ITEM UNIT VALUE

Qg MMSCFD 53,36 Ql BLPD 3205,6711 Poperasi Psig 613,8 Toperasi oF 42,56 cp 0,0112 ρg kg/m3 59,8770 ρl kg/m3 529,6824 tr min 2

Mass flow gas (m) ton/day 1216 Mass flow liquid ton/day 277,8

Langkah-langkah perhitungan : 1) Menentukan tr

(11)

tr = 2 min

2) Menghitung d.Leff untuk d < dmax yang memenuhi batasan kapasitas gas. Disini

digunakan ukuran butiran (dm) 100 micron.

2 / 1 420                         m D g l g g eff d C P Q Z T L d    Menghitung harga CD

1. Menghitung Vt dengan rumus :





1/2 0204 , 0           g m g l t d V    =





2 / 1 8770 , 59 100 . 8770 , 59 6824 , 529 0204 , 0 _       = 0,571ft/s 2. Menghitung nilai Re dengan rumus :

 gdmVt 0049 , 0 Re = 0112 , 0 5710 , 0 . 100 . 8770 , 59 0049 , 0 Re = 1495,8023

3. Menghitung nilai CD dengan nilai Re yang didapat :

34 , 0 Re 3 Re 24 2 / 1    D C = 0,34 1495,8023 3 1495,8023 24 2 / 1   = 0,4336

4. Menghitung kembali Vt dengan rumus :

2 / 1 0119 , 0                   D m g g l t C d V    = 2 / 1 0,4336 100 8770 , 59 8770 , 59 6824 , 529 0119 , 0 _             = 0,8465 ft/s Iterasi *Untuk CD = 0,4336

(12)

Teknik Kimia Universitas Sriwijaya 64 Vt = 0,8465 ft/s Re = 2217,5073 CD = 0,4145 *Untuk CD = 0,4145 Vt = 0,8658 ft/s Re = 2268,0659 CD = 0,4136 *Untuk CD = 0,4136 Vt = 0,8667 ft/s Re = 2270,4236 CD = 0,4136

Dengan menggunakan perbandingan data tekanan (P) dan temperatur (T), maka didapatkan nilai Z (compressibility factor).

Dari grafik (Lampiran G) didapat Z = 0,84 (Mc Graw-Hill Second Edition)

2 / 1 420                         m D g l g g eff d C P Q Z T L d    2 / 1 100 4136 , 0 8770 , 59 6824 , 529 8770 , 59 8 , 613 36 , 53 . 84 , 0 ). 56 , 502 ( 420 _                    eff L d  eff L d 353,8188 (inch.ft)

(13)

Tabel 4.2

Kombinasi Harga d, Leff, Lss, dan Lss/d

Inlet Separator berdasarkan Kapasitas Gas (Desain)

d (m) Leff (m) Lss Slenderness Ratio

Gas (12Lss/d) 30 10,17673365 13,5689782 5,42759128 32 8,94439481 11,92585975 4,472197405 34 7,923062531 10,56408337 3,728500015 36 7,067176146 9,422901529 3,140967176 38 6,342839533 8,457119377 2,670669277 40 5,724412679 7,632550238 2,289765071 42 5,192211046 6,922948062 1,977985161 44 4,730919569 6,307892759 1,720334389 46 4,328478396 5,771304528 1,505557703 48 3,975286582 5,30038211 1,325095527 50 3,663624114 4,884832152 1,172359717

8) Menghitung d.Leff untuk d <dmax yang memenuhi batasan retention time minyak

dengan air. 7 , 0 . 2 R l eff Q t L d  7 , 0 ) 6711 , 3205 ( 2 . 2  eff L d = 9159,0603

Kombinasi harga d dan Leff untuk batasan retention time cairan ditabelkan

(14)

Tabel 4.3

Kombinasi Harga d, Leff, Lss, dan Lss/d

Inlet Separator berdasarkan Kapasitas Cairan (Desain)

d Leff Lss Slenderness Ratio

Gas (12Lss/d) 24 14,74245 16,74245 8,371225 30 11,79396 14,29396 5,717584 32 11,0568375 13,72350417 5,146314063 34 10,40643529 13,23976863 4,672859516 36 9,8283 12,8283 4,2761 38 9,311021053 12,47768772 3,940322438 40 8,84547 12,17880333 3,653641 42 8,424257143 11,92425714 3,406930612 44 8,041336364 11,70800303 3,193091736 46 7,691713043 11,52504638 3,006533837 48 7,371225 11,371225 2,84280625 50 7,076376 11,24304267 2,69833024

9) Menghitung seam-to-seam length (Lss) dengan persamaan untuk kapasitas cairan,

dikarenakan Leff yang dibutuhkan untuk kapasitas cairan lebih panjang

dibandingkan dengan kapasitas gas. Hasil perhitungannya juga ditabelkan pada table 4.3. eff ss L L . 3 4 

(15)

10) Dipilih kombinasi d dan Lss yang ideal dengan slenderness ratio antara 3 sampai

4. Dari table didapat bahwa ukuran separator yang ideal adalah diameter 38 inchi dan panjang12,4777ft.

Separator yang terpasang memiliki diameter 42 inchi dan panjang 10 ft memiliki volume 107,3814 ft3. Sedangkan pada hasil perhitungan dengan menggunakan data desain maka dipilih separator dengan diameter dalam 38 inchi. Panjang vessel (Lenght Seam-to-Seam) pada separator horizontal yang didapat dari perhitungan pada poin 10 adalah 12,4777 ft. Maka didapat volume separator (seam-to-seam volume) adalah 108,8131 ft3.Jika dilihat dari panjang atau ukuran separator yang ada, maka separator yang ada tidak jauh berbeda dengan yang didapat dari perhitungan. Untuk slenderness ratio pada diameter 38 inchi dan panjang vessel 12,4777 adalah 3,94032. Sedangkan untuk Slenderness ratio pada gas, nilai dibawah 3 sampai 4 dapat dikompensasi dengan penambahan mist extractor pada separator. Slenderness

ratio untuk liquid berkisar antara 3 sampai 4, tetapi ukuran yang lebih baik adalah

untuk slenderness yang mendekati 4.

4.6.2 Perancangan Mekanis

Didapatkan data dari design adalah sebagai berikut, Diketahui :

Design Pressure (P) = 875 psig Radius Outside (Ro) = 12 inchi

Joint Efficiency (Ej) = 1 (fully radiographed) (Plant Design And Economic For Chemical Engineers – Max S. Peters)

Allowable Stress(S) = 17.150 psi (Chemical Process Equipment -

Stanley M Walas)

Corrosion Allowance (CA) = 0 inchi (non-corrosive service)

(16)

1. Ketebalan Dinding shell (Wall Thickness)

Pemilihan type shell menggunakan Cylindrical shell, sehingga rumus design menjadi ts= ts = 0,6 inchi

2. Ketebalan Head (Head Tickness)

Pemilihan type head menggunakan ellipsoidal head, sehingga rumus design adalah sebagai berikut :

(Chemical Process Equipment - Stanley M Walas)

Dimana, Do = ID + 2t Do = 42 inchi + 2 (0,6 inchi) = 43,2 inchi ID = 42 inchi th = th = 1,054 inchi

(17)

3. Berat Shell

Dimana : L = 100 ft = 120 inchi

= 0,29 lbs/in3 ( Chemical Engineers – Perry’s) Shell weight = = = 2792,99 lbs 4. Berat Head Headweight = = = 870,705 lbs 5. Berat Vessel

Berat Vessel = (shellweight) + (Headweight) = 2792,99 lbs+ 870,705 lbs

(18)

Daftar Notasi

CD = koefisien drag

d = diameter separator, m

dm = diameter butiran likuid yang ingin dipisahkan, mikron

dmax = diameter maksimum separator, m

Leff = panjang efektif separator, m

Lss = panjang seam-to-seam, m

Lss/d = slenderness ratio

P = tekanan, psia

Qg = laju alir gas, MMSCFD

Ql = laju alir liquid, barrel

Re = bilangan Reynold SG = spesific gravity T = temperatur, oF (R)

tr = waktu retensi liquid, menit

Vt = kecepatan terminal butiran likuid, ft/s

Z = kompresibilitas gas

Z = rasio ketebelan lapisan minyak dan diameter separator (ho/d)

ρg = densitas gas, kg/m3

ρl = densitas liquid, kg/m3