OPTIMALISASI PEROLEHAN MINYAK MENGGUNAKAN PEMISAHAN SECARA BERTAHAP. Abstrak

(1)

1 OPTIMALISASI PEROLEHAN MINYAK MENGGUNAKAN PEMISAHAN

SECARA BERTAHAP Reza Fauzan1

1_{Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe}

Abstrak

Penelitian tentang peningkatan jumlah produksi minyak yang diperoleh dari sumur produksi dengan penggunaan separator untuk memisahkan fluida pada fasa yang berbeda dengan metode bertahap dan tekanan yang optimum telah dilakukan. Untuk mendapatkan jumlah tahap dan tekanan yang optimum digunakan metode komputasi dengan perhitungan iterasi Newton dan perhitungan pemisahan secara flash dan menggunakan bahasa pemograman C++ dengan menggunakan data dari sumur produksi di Myanmar. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa produksi minyak yang optimum didapatkan dengan menggunakan tiga tahap separator dengan menggunakan tekanan 500 psia pada separator pertama, tekanan 30 psia pada separator kedua dan tekanan 14.7 psia pada tanki penyimpanan.

Kata Kunci: multistage separator, C++, oil recovery,

The enhancement of oil produced at the production well have been study by using separator for separating fluid in different phases with gradual and optimum pressure. To get the number of stages and the optimum pressure used computational methods using calculation of the Newton iteration with flash and separation calculations using the C++ programming language. The results showed that the optimum oil production obtained using the three-stage separator pressure of 500 psia at the first separator , the second separator 30 psia and 14.7 psia and the storage tank.

(2)

2 PENDAHULUAN

Hidrokarbon yang dihasilkan dari sumur mengandung komposisi dalam bentuk cair, gas dan juga pasir. Pasir ini harus dihilangkan untuk mengurangi pengaruh yang tidak diinginkan pada sumur produksi. Hidrokarbon yang dihasilkan juga akan dipisahkan ke dalam bentuk fase yang berbeda, terutama dalam fasa gas dan cair.

Dalam bentuk fasa seperti ini, fluida akan menghasilkan kondisi yang stabil dikarenakan hidrokarbon

yang terpisah berada pada

temperature dan tekanan pada

permukaan yang berbeda dengan kondisi di dalam sumur.

Operasi pemisahan fase gas dan cair akan melibatkan proses

separasi dan stabilisasi untuk

menghasilkan produk yang siap untuk dijual. Pemisahan gas dan cairan merupakan proses utama pada

unit proses minyak dan gas.

Separator digunakan untuk

melepaskan tekanan yang berlebih dikarenakan gas yang bergabung dengan minyak dan gas yang telah dipisahkan dari minyak.

Proses pemisahan dapat

berjalan dua, tiga atau lebih tahap, dimana dua tahap pemisahan berarti menggunakan satu separator dan tiga tahap menggunakan dua separator dan masing masing mempunyai satu tangki penyimpanan. Jumlah tahap

yang diperlukan untuk proses

pemisahaan ini tergantung pada karakteristik dan tekanan reservoir itu sendiri.

Perkiraan dari jumlah gas dan cairan di dalam proses separasi dapat

diperhitungkan dari komposisi

campuran hidrokarbon pada inlet separator. Hal ini dapat tercapai dengan menggunakan kesetimbangan uap-cair dan neraca massa. Teknik ini

yang akan digunakan untuk

memperkirakan sifat fluida pada berbagai tekanan dan temperatur.

Minyak mentah dari sumur produksi mengandung gas terlarut dan biasanya dalam tekanan yang tinggi, tetapi ketika minyak mentah

mendekati permukaan, tekanan

menjadi lebih rendah dan gas terlarut keluar dari cairan sehingga gas ini yang diharapkan agar terpisah dari minyak tanpa mengurangi jumlah minyak tersebut.

Pemisahan gas dan cairan

yang di peroleh menggunakan

pengaruh dari tekanan, temperature dan komposisi dari umpan fluida

yang menuju separator. Dari

referensi, ketika pressure meningkat atau temperature menurun, akan ada

sejumlah besar cairan yang

didapatkan, sampai pada titik

optimum. Perhitungan secara flash untuk kesetimbangan uap-cair akan

mendapatkan tekanan dan

temperature optimum secara mudah. Bagaimanapun, tidak memungkinkan mengoperasikan pada titik optimum ini dikarenakan masalah biaya, ketika

pelaksanaannya atau system

penyimpanannya. Secara umum,

dengan peningkatan tekanan,

kapasitas gas dari separator juga

meningkat. Sebagai akibat dari

pengaruh tekanan pada densitas gas dan cairan, volume fluida yang

(3)

3 (Kumar, 1987).

Fluida yang keluar dari sumur produksi akan menjadi dua fase, uap dan cair dalam kondisi tekanan tinggi. Didalam produksi, tekanan akan menurun dan fluida yang akan keluar sebagai campuran dari minyak mentah dan gas dimana sebagian dalam bentuk bebas dan dalam

bentuk larutan. Sebelum fluida

menuju ke gas oil separator, tekanan

fluida harus direndahkan dan

kecepatan dikurangi untuk

mendapatkan bentuk yang stabil di dalam separator.

Gambar 1. Klasifikasi hidrokarbon yang ditemukan pada sumur

Campuran hidrokarbon

terbagi dalam tiga group utama:

Light group, terdiri dari CH4

(methane) dan C2H6 (ethane),

Intermediate group, terdiri dari

propane/butane group and

pentane/hexane group dan Heavy group, terdiri dari C7H16 +.

Dalam dunia perminyakan,

target utama dalam pemisahan

minyak dan gas adalah untuk mencapai:

1. memisahkan C1 and C2 , light

group dari minyak

group dari intermediate group

dalam minyak mentah

3. mengambil heavy group dalam produk cair

Untuk mencapai target ini, ada dua metode yaitu pemisahan secara differential dan pemisahan secara flash.

Pemisahan secara differensial,

light gas dipisahkan dari minyak

secara bertahap, total tekanan dalam

keluaran sumur dikurangi (uap

dihilangkan segera setelah terbentuk) sedangkan pemisahan secara flash,

cairan dan uap tetap dijaga

kondisinya sampai titik

kesetimbangan tercapai. Gas bebas dari minyak dijaga tetap kontak dengan fase cair.

Perbandingan dari dua metode

ini, pada pemisahan secara

differential, group hidrokarbon

intermediate dan heavy group akan diperoleh maksimal dan volume minyak yang hilang didalam tanki penyimpanan akan minimal. Ini terjadi karena pemisahan dari gas light yang dominan terjadi pada tahap awal pada tekanan yang tinggi. Pemisahan secara flash tidak lah sebaik pemisahan secara diffential

karena berdasarkan pengalaman

kehilangan jumlah besar hidrokarbon heavy grup yang terbawa keluar dengan light gas dikarenakan kondisi

kesetimbangan. Tetapi konsep

pemisahan secara diffential tidak bisa

diimplementasikan pada kondisi

sebenarnya karena biaya yang sangat tinggi dan membutuhkan banyak tahapan pemisahan.

Ratio Kesetimbangan

Ratio kesetimbangan Ki untuk setiap komponen adalah fraksi mol dari Classification of HC C1/C2 Light Group Intermediate C3/C4 Group C5/C6 Group Heavy Group C7+

(4)

4

komponen dalam fase gas yi dibagi

dengan fraksi mol dari komponen dalam fase cair xi . dapat didefiniskan sebagai berikut:

𝐾𝑖 = 𝑦𝑖

𝑥𝑖 (1)

Dimana:

Ki = ratio kesetimbangan komponen i yi = fraksi mol komponen i dalam fase gas

xi = fraksi mol komponen i dalam fase cair

Jumlah mol total dalam system sama dengan jumlah mol cair dan gas, jika dipisahkan seperti pada persamaan ini: 𝑛 = 𝑛_𝐿 + 𝑛_𝑉 (2) 𝑧𝑖𝑛 = 𝑥𝑖𝑛𝐿+ 𝑦𝑖𝑛𝑉 (3) Dimana:

n = total mol umpan nL= total mole fase cair nV= total mole fase uap zi = fraksi mol dari setiap

komponen didalam total aliran umpan

Sehingga:

∑𝒎_𝒊=𝟏𝒙_𝒊= ∑𝒎_𝒊=𝟏𝒚_𝒊 = ∑𝒎_𝒊=𝟏𝒛_𝒊= 𝟏 (4)

Gambar 2. Proses pemisahan dengan tiga tahap

Ratio kesetimbangan dari

komponen i akan tergantung kepada kondisi dari temperature dan tekanan pada separator dan juga komposisi fluida dalam sumur. Nilai ini akan lebih akurat ketika diambil dari tes di laboratorium. Nilai dari Ki ditentukan dengan bantuan metode diagram.

Dengan metode ini akan

dihubungkan dengan komposisi dari system itu sendiri yang akan menuju tekanan yang konvergen. Jadi untuk menemukan nilai Ki, perlu ditentukan nilai tekanan konvergen terlebih dahulu.

Faktor yang mempengaruhi perolehan minyak dalam separator 1. Pemisahan secara bertahap

(Stage separation)

Jika jumlah tahap pemisahan lebih dari dua, proses pemisahan ini akan meningkatkan jumlah minyak dengan kondisi stabil dalam tangki. Oleh karena itu, kehilangan dalam bentuk uap dalam tangki terbuka

akan berkurang setelah tahap

pemisahan. Peningkatan jumlah tahap

dari 2 hingga 3 membawa

peningkatan yang cukup baik. Pada peningkatan jumlah stage 3 ke 4,

perbaikan dalam pemulihan

cenderung jauh lebih sedikit dan empat tahap pemisahan biasanya tidak ekonomis.

Dalam studi ini, peningkatan perolehan minyak dengan pemisahan bertahap akan dipelajari dengan

menggunakan pemodelan

perhitungan secara flash untuk

menemukan tekanan optimum yang digunakan dalam proses pemisahan pada separator. n1 nv1 nv2 nv3 nL1 nL2 nL3

(5)

5 Fluida yang berasal dari

sumur produksi berada dalam dua fase: uap dan cair pada tekanan yang relatif tinggi. Cairan yang muncul sebagai campuran minyak mentah dan gas yang sebagian bebas dan sebagian dalam larutan. Tekanan

fluida harus diturunkan dan

kecepatannya harus dikurangi agar mendapatkan minyak dalam kondisi

yang stabil dalam tanki

penyimpanan.

Setelah penurunan tekanan di proses pemisahan minyak dan gas,

beberapa komponen hidrokarbon

ringan dan lebih yang bernilai secara ekonomi akan terhindarkan hilang bersama dengan gas ke fase uap. Hal ini menempatkan langkah pemisahan minyak dan gas sebagai tahap

pertama di serangkaian operasi

perawatan lapangan minyak mentah. Di sini, tujuan utama adalah untuk memungkinkan sebagian besar gas

untuk membebaskan diri dari

hidrokarbon yang berharga, sehingga

meningkatkan recovery minyak

mentah (Abdel, 2003).

Proses pemisahan yang

dilakukan secara bertahap adalah proses campuran hidrokarbon yang akan terpisah menjadi fasa uap dan cair dengan menggunakan beberapa keseimbangan secara flash. Dimana proses pemisahan ini menggunakan

satu separator dan tangki

penyimpanan, hal ini yang disebut pemisahan dua tahap. Sedangkan pemisahan tiga tahap membutuhkan

dua pemisah dan satu tangki

penyimpanan. Tahap akhir dari pemisahan selalu menuju ke dalam tangki penyimpanan.

Penambahan tahap pemisahan

akan menaikkan biaya seperti

kompressor. Sehinga untuk setiap fasilitas yang ada perlu dicarikan jumlah optimal dari tahap pemisahan dan dalam beberapa kasus nilai ini sulit untuk ditentukan dikarekan perbedaan fluida antara sumur dan pengaruh penurunan tekanan dengan waktu (Arnold, 1999).

Dalam proses ini tekanan akan berkurang sedikit demi sedikit, dalam langkah-langkah atau tahapan, dan mengakibatkan cairan tangki lebih stabil. Kinerja separator dalam sistem pemisahan multistage dapat

diprediksi dengan menggunakan

model komputer dimana komposisi sumur awal dan suhu operasi dan tekanan di setiap tahap.

Separator Storage Tank

n

nL

nV

Gambar 3. Flow diagram untuk dua tahap pemisahan

Secara teori, meningkatnya

jumlah pemisahan tahap akan

meningkatkan perolehan minyak

seperti pada tahap 3 dan 4, pemisahan yang terjadi lebih baik dari dua tahap pemisahan namun proses ini memerlukan biaya yang

lebih. Persentase peningkatan

perolehan minyak untuk dua tahap

pemisahan dibandingkan dengan

pemisahan satu tahap biasanya

bervariasi dari 2 sampai 12 persen, meskipun 20 sampai 25 persen peningkatan perolehan minyak telah dilaporkan.

(6)

6

Separator-1 Separator-2 Storage Tank

nL1 nL2

nv1 nv2

n

Gambar 4. Flow diagram untuk tiga tahap pemisahan

Flash Calculation

Perhitungan secara flash

diperlukan untuk mengetahui jumlah hidrokarbon gas dan cair dalam reservoir atau tanki pada suhu dan tekanan tertentu. Perhitungan flash

dilakukan untuk menentukan

komposisi fase hidrokarbon yang ada atau secara umum untuk:

- mole fase gas nv

- mole fase cair nL

- Komposisi dari fase cair xi - Komposisi dari fase gas yi Langkah langkah perhitungan flash

untuk menentukan seperti yang

tertera diatas :

Langkah 1: Perhitungan nv Neraca massa dari komponen i :

𝑧_𝑖𝑛 = 𝑥_𝑖𝑛_𝐿+ 𝑦_𝑖𝑛_𝑉

(5) dimana :

zin = total moles Komponen i

pada sistem

xinL = total moles Komponent i

pada fase cair

yinv = total moles Komponent i

pada fase uap

untuk memperoleh nilai xi

𝑥_𝑖 = 𝑧𝑖 𝑛_𝐿+ 𝑛_𝑣𝐾_𝑖 (6) 𝑦_𝑖 = 𝑧𝑖𝐾𝑖 𝑛_𝐿+ 𝑛_𝑣𝐾_𝑖 = 𝑥𝑖𝐾𝑖 (7) dimana: ∑ 𝑥_𝑖 _𝑖 = ∑ 𝑧𝑖 𝑛𝐿+𝑛𝑣𝐾𝑖 = 1 𝑖 (8) ∑_𝑖 𝑦_𝑖 = ∑ 𝑧𝑖𝐾𝑖 𝑛𝐿+𝑛𝑣𝐾𝑖 𝑖 = 1 (9) oleh karena itu,

∑ 𝑧𝑖 𝑛𝐿+ 𝑛𝑣𝐾𝑖 − 𝑖 ∑ 𝑧𝑖𝐾𝑖 𝑛𝐿+ 𝑛𝑣𝐾𝑖 𝑖 = 0 (10) atau ∑𝑧𝑖(𝐾𝑖 − 1) 𝑛_𝐿+ 𝑛_𝑣𝐾_𝑖 𝑖 = 0 (11) menggantikan nL dengan (1-nv): 𝑓(𝑛_𝑣) = ∑ 𝑧𝑖(𝐾𝑖− 1) 𝑛_𝑣(𝐾_𝑖 − 1) + 1 𝑖 = 0 (12)

nv dapat diselesaikan dengan

menggunakan teknik iterasi Newton-Raphson : (𝑛_𝑣)_𝑛 = 𝑛_𝑣− 𝑓(𝑛𝑣) 𝑓′_(𝑛 𝑣) (13) 𝑓′(𝑛𝑣) = − ∑ 𝑧_𝑖(𝐾_𝑖 − 1)2 [𝑛𝑣(𝐾𝑖 − 1) + 1]2 𝑖 (14) dimana (nv)n = nilai nv yang baru

yang digunakan pada iterasi

(7)

7 dengan nilai nv yang baru sampai

nilainya mencapai konvergen. Langkah 2: Perhitungan nL: 𝑛𝐿 = 1 − 𝑛𝑣 (15) Langkah 3: Perhitungan xi menggunakan persamaan 2.8: 𝑥_𝑖 = 𝑧𝑖 𝑛_𝐿+ 𝑛_𝑉𝐾_𝑖 (16) Langkah 4: Perhitungan yi menggunakan persamaan 2.9: 𝑦_𝑖 = 𝑧𝑖𝐾𝑖 𝑛_𝐿 + 𝑛_𝑉𝐾_𝑖 = 𝑥𝑖𝐾𝑖 (17)

Gambar 5. Perbandingan antara mekanisme pemisahan (Abdel, 2003)

Metode

Peningkatan jumlah tahap pemisahan akan menghasilkan lebih banyak hidrokarbon tetapi dari sudut pandang ekonomi, tidak layak untuk

menggunakan banyak tahap

pemisahan. Jadi yang dibutuhkan adalah mencari jumlah optimal dari tahap separator dan tekanan optimum

untuk mendapatkan peningkatan

jumlah minyak dalam reservoir yang terbaik.

masing separator akan menggunakan model komputer yang merupakan

iterasi metode Newton dengan

menggunakan software Microsoft Visual C++.

Program ini dipilih untuk

membuat perhitungan matematis

yang lebih mudah pada pemisahan cairan dan gas dalam reservoir dengan input awal dari komposisi reservoir, suhu dan tekanan operasi. Data yang digunakan dalam kasus ini berasal dari sumur produksi di Myanmar. Data ini merupakan data input pada program yang digunakan untuk menentukan komposisi cairan

dan uap dan tekanan disetiap

separator.Data di sajikan dalam tabel

1.

Tabel 1. Mol feed pada separator

component mole fraction Methane 0.558 Ethane 0.0581 Propane 0.0642 I-Butane 0.0131 n-butane 0.0397 Pentane 0.0367 Hexane 0.0261 Heptane 0.2041

(8)

8 Hasil dan Pembahasan

Proses pemisahan dua tahap melibatkan satu separator dan satu tangki penyimpanan, cairan yang terpisah dengan metode flash dan outlet cairan dari separator ini akan terpisah lagi secara flash di tangki penyimpanan.

Hasil perhitungan jumlah mol dalam fase cair dalam separator dan tangki penyimpanan adalah 0,23 mol

dan 1,26 mol. Nilai-nilai ini

diperoleh dengan menggunakan

metode iterasi Newton. Total

perolehan cairan untuk contoh ini adalah L1 x L2 = 0,302549931 mol.

Perhitungan perolehan minyak

menggunakan tekanan yang berbeda dari 30 psia ke 700 psia dan recovery minyak yang optimal diperoleh ketika tekanan separator 50 psia dengan total perolehan minyak 0,302 mol.

Tekanan optimum pada

separator pertama dan kedua adalah hal penting untuk mendapatkan oil

recovery yang maksimum pada

pemisahan menggunakan tiga tahap. Metode penentuan tekanan optimum di mana tekanan separator pertama

adalah 500 psia, tekanan separator kedua adalah 50 psia dan tekanan tangki penyimpanan adalah 14,7 psia.

Program C++ digunakan untuk

mendapatkan tekanan optimum

dengan berbagai tekanan separator pertama dan kedua.

Hasil perolehan minyak

maksimum pada pemisahan tiga tahap dari contoh ini adalah 0.272 mol. Hal ini diperoleh dari L1 = 0.421mol , L2 = 0.714 dan L3 =

0.905 mol. Perolehan minyak

maksimum ditemukan dalam kondisi dimana tekanan separator pertama adalah 500 psia, tekanan separator kedua adalah 30 psia dan tekanan tangki penyimpanan adalah 14,7 psia, dimana perolehan minyak total 0.346 mol.

Rasio kesetimbangan untuk masing-masing komponen (K) untuk berbagai tekanan diambil dari grafik tekanan konvergensi. Nilai-nilai ini digunakan dalam perhitungan flash seperti dalam perhitungan iterasi menggunakan software C++.

Berdasarkan perhitungan di atas, maka dapat disimpulkan bahwa

(9)

9 semakin banyak komponen akan

lebih stabil dalam fase cair dan tekanan pemisahan terbaik adalah

pada kondisi pemisahan yang

menghasilkan produksi cairan

maksimum. Tiga-tahap pemisahan

mencapai produksi maksimum

dimana tekanan berkurang secara bertahap di setiap tahap tetapi jika penurunan tekanan terlalu besar pada

separator tunggal, maka akan

menyebabkan pemisahan akan

mengarah kepada ketidakstabilan.

Seperti pada perhitungan

kesetimbangan yang ditunjukkan

pada table dan grafik diatas, tekanan

separator sangat efektif pada

pemisahan gas dan cairan seperti referensi dari Arnold(1999). Tekanan separator awal akan berpengaruh terhadap efektif pemisahan.

Semakin tinggi tekanan pada pemisahan awal akan mendapatkan

separator. Jika tekanan untuk

pemisahan terlalu tinggi, terlalu banyak komponen ringan akan tetap dalam fase cair pada separator dan hilang ke fase gas di tangki. Jika tekanan terlalu rendah, tidak banyak dari komponen ringan akan stabil ke dalam cairan di separator dan mereka akan hilang ke fase gas.

Setiap komponen dalam

proses pemisahan menjadi fase uap tergantung pada tekanan parsial yang didefinisikan sebagai jumlah molekul dalam ruang uap dibagi dengan jumlah total molekul dari semua komponen dalam waktu ruang uap

tekanan dalam tanki.

Fase cair ditemukan lebih banyak ketika tekanan meningkat secara bertahap karena tekanan parsial untuk komponen akan tinggi dan komponen akan cenderung menjadi fase cair.

(10)

10

Tapi pada tangki

penyimpanan, terjadi penurunan dari fase cair setelah mencapai tekanan

optimal dengan meningkatkan

tekanan operasi separator karena keberadaan hidrokarbon ringan yang memiliki kecenderungan kuat untuk flash ke fase gas dan menciptakan tekanan parsial rendah untuk rentang

hidrokarbon menengah yang

kecenderungannya pada kondisi

tangki penyimpanan sangat rentan terhadap perubahan kecil dalam tekanan parsial.

Semakin banyak tahapan

pemisahan akan mendapatkan lebih stabil komponen ringan ke dalam fase cair karena molekul hidrokarbon ringan yang terpisah secara flash akan dikeluarkan pada tekanan yang relatif tinggi dan menjaga tekanan parsial hidrokarbon menengah bawah pada setiap tahap. Molekul-molekul komponen yang lebih ringan akan hilang ketika mereka terbentuk dan tekanan parsial komponen menengah dimaksimalkan pada setiap tahap. Simpulan

Perhitungan secara flash

merupakan perhitungan dasar untuk menemukan perolehan minyak dan komposisi cairan dan dalam fase uap yang optimum.

Tekanan yang optimum pada dua tahap pemisahan diperoleh 50

psia dengan maksimum total

perolehan 0.3025 mol. Sedangkan pada tiga tahap pemisahan diperoleh pada tekanan 500 psia pada separator pertama, 30 psia pada separator

kedua dan dengan maksimum

perolehan 0.346 mol. Kedua tahap menggunakan tanki penyimpanan dengan tekanan 14.7 psia.

Kenaikan jumlah tahap akan meningkatkan juga perolehan pada tanki penyimpanan dengan kondisi

yang stabil. Tetapi dengan

penambahan lebih dari tiga tahap,

akan memperlihatkan jumlah

peningkatan yang tidak ekonomis pada tanki penyimpanan. Pemisahan dengan menggunakan tiga tahap dianjurkan untuk digunakan karena

tingkat perolehan minyak pada

kondisi maksimal.

Daftar Pustaka

Arnold, K. (1999). Surface

Production Operations.

Houston: Gulf Publishing

Company.

Abdel, E. (2003). Petroleum and Gas

Field Processing. New York:

Marcell Dekker Inc.

Kumar, S. (1987). Gas Production

Engineering. Houston: Gulf

Publishing Company