BAB II TINJAUAN PUSTAKA

(1)

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Vapor Recovery Unit

Industri yang bergerak di bidang migas sekarang ini dituntut untuk meningkatkan hasil produksinya, dengan hasil produksi sebesar-sebesarnya dan meminimalisir kehilangan produk yang terjadi saat proses produksi.

Sekarang ini dikenal sistem vapor recovery unit yang banyak digunakan di industri pengolahan minyak dan gas di bagian hulu atau upstream. Vapor

Recovery Unit merupakan unit operasi yang bertujuan untuk menurunkan uap

minyak menjadi kondensatnya (Aal, 2003). Kehilangan uap hidrokarbon banyak terjadi saat penyimpanan, ataupun sesaat setelah dilakukannya proses produksi. Kehilangan uap tersebut akan tersalurkan melalui salauran pembuangan menuju

flare. Kehilangan uap hidrokarbon dalam jumlah besar dapat merugikan dan juga

mencemari udara. Uap hidrokarbon yang tidak terbakar di flare pasti mencemari lingkungan yang berdampak pada lingkungan dan masyarakat di selitar area plant. Berikut adalah ilustrasi kehilangan uap hidrokarbon dari tangki penyimpanan :

Gambar 2.1 Penggunaan vapor recovery unit di LNG

(2)

Dari ilustrasi tersebut ada tiga fungsi dari penerapan vapor recovery unit, antara lain:

1) menampung uap dari tangki penyimpan / fasilitas penampung; 2) mencairkan uap; dan

3) mengembalikan liquid hidrokarbon ke penyimpanan.

Pada dasarnya, Vapor recovery Unit tersebut berkaitan dengan sitem penyimpanan sementara seperti berikut:

Selama produksi, ketika suhu meningkat, penguapan hidrokarbon juga meningkat, kelebihan uap bisa dikeluarkan dan disalurkan ke Vapor

Recovery Unit.

Ketika malam, saat uap mendingin dan terjadi kondensasi akan disalurkan menuju tank penyimpan.

Saat pemompaan baik masuk atau keluar dari dan menuju tank penyimpan, uap dapat terkeluarkan.

2.1.1 Metode Vapor Recovery

Kebanyakan kehilangan uap hidrokarbon pada tangki penyimpanan yang bertekanan rendah sehingga idealnya digunakan tangki penyimpan bertekanan tinggi untuk menghindarinya. Meminimalisir penguapan yang akan terjadi, meskipun dibutuhkan modal dan tidak ekonomis.

Banyak cara yang digunakan untuk mendapatkan kembali vapor hidrokarbon (Aal, 2003).

Absorpsi, digunakan solvent berupa liquid yang memiliki berat molekul lebih tinggi dari uap hidrokarbon. Lalu uap dipisahkan dari solvent. Kondensasi, Uap secara total dapat dikondensasi dengan kompressi yang

kemudian didinginkan.

Pendinginan, pendinginan tanpa kompresi dapat dilakukan dengan memakai refrigerant, hanya saja tidak ekonomis.

(3)

Adsorpsi, Uap hidrokarbon dicampur dengan gas yang noncondensable kemudian dilewatkan pada molecular sieve, activated charcoal atau silica

gel. Pemanasan dan penurunan tekanan menghilangkan uap teradsorpsi

dari unggun padat (adsorben).

Diluar itu semua, Vapor Recovery Unit dapat dimanfaatkan juga untuk keluaran dari separator, scrubber, stripper dan unit operasi lain yang diinginkan banyak menghasilkan liquid hidrokarbon di industri minyak khususnya upstream.

2.2 Separator

Separasi merupakan proses pemisahan dua fasa atau lebih dengan memanfaatkan gaya gravitasi dan merekayasa kecepatan fluida, serta bergantung pada besarnya densitas fluida yang dipisahkan (Aal, 2003). Alat yang digunakan adalah separator. Dalam produksi minyak bumi (hidrokarbon) terdapat banyak hidrokarbon gas terlarut didalamnya. Pada saat minyak bumi masih berada di dalam sumur, sebelum diangkat ke permukaan memiliki tekanan yang tinggi, sedangkan setelah diangkat ke permukaan tekanannya jauh berkurang sehingga kandungan gas yang terlarutnya menguap keluar sehingga perlu dipisahkan.

Secara umum, keluaran dari sumur minyak memiliki dua fasa yakni gas dan

liquid pada tekanan tinggi. Fluida muncul sebagai campuran dari liquid dan gas

baik yang terpisah maupun terlarut. Tekanan dan laju alir fluida dari dalam sumur perlu diturunkan untuk dilakukan proses pemisahan dengan kondisi yang nantinya stabil. Hal ini sering dilakukan di industri eksplorasi dan produksi minyak bumi dengan sistem Gas-Oil Separation Plant (GOSP), dimana pemisahan dengan

gas-liquid separator.

Di lapangan, berdasarkan banyaknya fasa yang dipisahkan, separator dibagi menjadi dua jenis.

a. Separator dua fasa, untuk memisahkan gas dari liquid baik berupa hidrokarbon atau air di lapangan minyak.

(4)

b. Separator tiga fasa, untuk memisahkan antara gas, minyak dan air di lapangan.

Separasi dua fasa banyak dilakukan di downstream / separasi kedua setelah separasi tiga fasa di plant-plant pengolahan atau pretreatment minyak bumi, juga sering digunakan sebagai vapor recovery unit pada plant yang mengambil kembali uap hidrokarbon. Sedangkan separasi tiga fasa banyak dilakukan di

upstream, yang langsung memisahkan fluida keluaran sumur. Biasanya digunakan

di lapangan minyak yang banyak menghasilkan air dan merupakan proses separasi pertama.

2.2.1 Metode Separasi

Metode dalam separasi berdasarkan garis besarnya diklasifikasikan menjadi dua (Aal, 2003), yaitu:

1) metode konvensional; dan 2) metode modern/modifikasi.

Metode konvensional merupakan sistem pemisahan multi-stage yang dianjurkan untuk fluida bertekanan tinggi. Beberapa stage dioperasikan secara berurutan dari tekanan rendah sehingga bisa didapatkan hasil recovery minyak yang banyak, dan sedikit kehilangan.

Metode modifikasi dalam separasi menggunakan penambahan beberapa tahap sistem kompressi gas untuk mendapatkan liquid/minyak yang lebih banyak dari gas. Karena dengan menaikan tekanan fluida didalam suatu wadah dapat merubah fasanya dari gas menjadi liquid. Begitu pula di industri migas, kompressi terhadap fluida sering dilakukan baik untuk menjaga atau mendapatkan minyak yang lebih banyak dalam proses tertentu. Selain itu dalam metode modifikasi lainnya ada juga dengan mengganti metode konvensional dengan stabilizer dan unit rekompressi. Metode tersebut menggunakan colom stabilizer untuk umpan awal yang masuk sistem pemisahan. Metode tersebut banyak digunakan di

offshore.

(5)

2.2.2 Komponen Separator

Konfigurasi dari suatu separator biasanya terdiri atas empat bagian, yaitu:

Gambar 2.2 Konfigurasi komponen separator 1) Bagian A

Bagian awal dari proses separasi terjadi di bagian ini dan merupakan bagian terbesar dalam proses pemisahan minyak-gas. Umpan masuk dan menabrak diverter dan menyebabkan terjadinya perubahan momentum secara mendadak, dan dengan adanya gaya gravitasi menyebabkan minyak jatuh kebagian bawah dan gas terpisah ke atas karena memilki densitas yang lebih ringan.

2) Bagian B

Penurunan minyak akibat settling gravity selesai di tahap ini. Besarnya penurunan kecepatan gas dan perbedaan densitas menyebabkan droplet minyak turun dan terpisah dari gas.

3) Bagian C

Bagian ini dikenal dengan mist extractor, dengan mengeliminasi bagian teringan dari droplet minyak yang terbawa gas ke bagian atas separator yang tidak turun pada bagian B.

(6)

4) Bagian D

Bagian ini merupakan bagian pengumpul liquid / minyak. Fungsi utamanya adalah untuk menjaga keseimbangan dan level antara minyak dan gas. Minyak akan dikeluarkan pada periode waktu tertentu.

2.2.3 Tipe Separator Minyak – Gas

Berdasarkan konfigurasinya, tipe yang banyak biasanya tipe horizontal,

vertical, dan spherical (Aal, 2003).

Separator horisontal ukuran besar banyak digunakan di proses pengolahan

fluida di wilayah timur tengah yang memang memiliki kapasitas besar produksi minyaknya.

1) Test separator

Separator ini digunakan untuk memisahkan dan mengukur pada waktu

yang bersamaan fluida yang terproduksi dari sumur. Keuntungan test

separator adalah dapat menentukan banyaknya fluida terproduksi dalam

periode 24 jam pada kondisi steady state. Fluida terproduksi terukur melalui

flow meter pada liquid keluaran separator dan jumlah akumulasinya terukur

pada vessel penerima. Sebuah orifice juga dipasang untuk mengukur keluaran gas yang dihasilkan. Sifat-sifat fisik dari fluida terproduksi juga dapat ditentukan.

2) Low Temperature Separator

Separator ini digunakan untuk menghilangkan condensable hidrokarbon

pada aliran gas bertekanan tinggi. Pemisahan liquidnya dapat dengan mendinginkan aliran gas sebelum proses pemisahan. Penurunan suhu dihasilkan dari efek expansi ruang fluida yang mengalir dan mengalami penurunan tekanan dengan penambahan valve pada separator, atau dikenal dengan efek Joule-Thompson. Kondensasi uap fluida terjadi sesuai dengan besarnya expansi tersebut, dimana tempratur operasi berkisar pada 0 – 15 ˚F.

(7)

3) GOSPs

Fungsi utama separator jenis ini adalah memisahkan gas yang terasosiasi dari minyak. Dengan menigkatnya kandungan air yang terproduksi, fasilitas penanganannya pun harus ditambah. Ini merupakan fungsi kedua dari GOSP. Jika ada indikasi korosi akibat kandungan garam yang tinggi, maka ini merupakan kelebihan ketiga dari GOSP pula, yang terdapat pula dalam GOSP modern desain dapat mengantisipasi dengan adanya proses desalting didalamnya.

2.2.4 Komponen Internal dan Sistem Kontrol Separator Minyak-Gas

Gas-oil separator secara umum dilengkapi dengan sistem peralatan kontrol yang terdapat di dalamnya.

1) Liquid Level Control

LLC digunakan untuk menentukan dan mengatur level cairan di dalam

separator dengan nilai yang sudah ditentukan. Secara sederhana, LLC terdiri

atas pelampung pada permukaan liquid-gas dan mengirimkan signal kepada

valve otomatis pada keluaran liquid. Sinyal akan menyebabkan valve terbuka

atau tertutup tergantung dari kondisi levelnya. 2) Pressure Control Valve

PCV merupakan instrumen yang terdapat pada aliran keluar gas yang bekerja secara otomatis. Valve ini bekerja pada tekanan yang telah ditentukan dan akan terbuka atau tertutup secara otomatis.

3) Pressure Relief Valve

PRV merupakan instrumen yang berfungsi sebagai pengaman, yang bekerja secara otomatis apabila tekanan di dalam separator terus bertambah

(8)

melebihi tekanan design. Valve ini akan memberikan seperti ventilasi yang akan membuka tekanan sehingga mencegah kondisi tidak diinginkan.

4) Mist Extractor

Fungsi dari mist extractor adalah menghilangkan droplet liquid yang sangat ringan dari aliran gas sebelum keluar dari separator. Beberapa jenis

mist extractor antara lain :

a) Wire Mesh

Bagian ini terbuat dari kawat stainless steel yang teranyam yang terletak di bagian atas vessel separator dengan tebal sekitar 6 inchi.

Droplet liquid yang tidak turun dan tidak terpisahkan dari gas pada bagian gravity settling akan tersaring dan terkumpulkan pada permukaan kawat

yang tersusun dengan ukuran lubang kecil, yang hanya dapat melewatkan gas saja untuk keluar separator. Dengan bertambahnya droplet maka ukurannya akan terus membesar dan pada akhirnya akan turun ke bagian pengumpul liquid. Dengan kondisi kecepatan gas yang rendah, wire mesh memungkinkan untuk menghilangkan 99% dari droplet liquid yang berukuran 10μm dan di atasnya. Hal yang perlu diperhatikan, tipe ini cenderung menyumbat. Penyumbatan dapat terjadi karena pengendapan

paraffin atau muatan lain yang ukurannya lebih besar lagi, yang dapat

menghalangi aliran gas untuk keluar dari separator. b) Vane

Jenis ini terdiri atas susunan ruangan yang tertutup, pelat yang bergelombang. Gas dan muatan droplet yang terbawa mengalir diantara pelat mengubah arah aliran, karena cekungan-cekungan, droplet liquid mengenai permukaan pelat. Pada saat droplet telah terkumpul, akan jatuh ke bagian penampung liquid.

(9)

c) Centrifugal

Tipe ini menggunakan gaya sentrifugasi untuk memisahkan droplet dari aliran gas yang akan keluar separator. Bahkan jenis ini lebih effisien dan tidak ada kecenderungan untuk terjadinya penyumbatan daripada tipe yang lain. Tipe ini jarang digunakan karena performanya cenderung terpengaruh dengan perubahan laju aliran fluida.

5) Inlet Diverter

Inlet diverter digunakan di awal proses pemisahan liquid dan gas.

Biasanya jenis yang digunakan berupa pelat baffle diverter berbentuk pelat yang datar, spherical, atau kerucut. Jenis lain adalah diverter sentrifugal yang lebih effisien akan tetapi lebih mahal. Diverter menyebabkan terjadinya perubahan kecepatan secara mendadak dari momentum masukan fluida. Lalu dengan perbedaan densitas liquid dan gas dapat terpisahkan.

6) Wave Breaker

Pada separator horisontal, dapat terjadi gelombang pada permukaan

gas-liquid. Itu terjadi secara dinamis dan fluktuatif sehingga mempengaruhi

pengukuran level liquid dalam separator. Untuk menanganinya, wave breaker digunakan desusun secara vertical dan tegak lurus terhadap arah aliran.

7) Defoaming Plate

Berdasarkan tipe minyak dan kandungan pengotor yang terdapat di dalamnya, busa dapat terbentuk pada permukaan gas-cair. Sehingga dapat menyebabkan masalah besar dalam operasionalnya, diantaranya sebagai berikut:

(10)

Busa dapat menuntut tersedianya ruang yang lebih besar dari biasanya dalam separator yang “mengganggu” proses separasi. Effisiensi proses separasi akan menurun dan pada akhirnya separator akan kelebihan beban dan tidak cukup menampung busa.

Busa memiliki densitas diantara gas-liquid, sehingga dapat mengganggu level control.

Apabila volume busa terus meningkat, maka busa akan terbawa pada aliran liquid dan gas keluar dari separator sehingga proses pemisahan tidak efektif.

Masalah foaming atau terbentuknya busa dapat benar-benar teratasi dengan dilengkapinya separator dengan defoaming plate. Pada dasarnya defoaming

plate terbentuk dari pelat-pelat yang menciptakan dakian atau tanjakan.

Aliran busa melewati pelat, terkumpul dan menggelembung lalu memisahkan

liquid dari gas.

Pada situasi tertentu, penambahan zat kimia tertentu yang dapat mengatasi busa dapat dilakukan. Dengan harga yang relatif rendah memungkinkan untuk digunakan dalam jumlah produksi yang besar.

8) Vortex Breaker

Sebuah vortex breaker merupakan bagian dari separator yang menyerupai sumbat drainase di wastafel yang biasanya terpasang pada keluaran lubang

liquid untuk mencegah terjadinya pusaran. Pusaran dapat menarik muatan gas

yang terbawa pada keluaran liquid.

2.2.5 Prinsip Dasar Design Separator Minyak – Gas

Dalam design separator, dikenal adanya prinsip dasar dalam sizing untuk

separator gas-minyak. Misalnya parameter yang harus dipenuhi dalam sizing separator seperti diameter dan panjang vessel, serta kecepatan minimum aliran

fluida yang masuk.

(11)

1) Asumsi

Tidak terjadi foaming selama proses separasi.

Titik embun dan titik hidrat berada dibawah tempratur operasi.

Diameter terkecil droplet harus berbentuk bundar dengan ukuran tidak kurang dari 100 μm.

Cairan yang terbawa oleh gas yang terpisahkan tidak lebih dari 0,1 gallon/MMSCF.

2) Fundamental

Perbedaan densitas antara gas-cair digunakan sebagai dasar perhitungan kapasitas gas dari separator tersebut

Waktu retensi untuk memisahkan gas dari minyak normalnya berkisar antara 30 sekon dan 3 menit. Dalam kondisi foaming, dibutuhkan waktu lebih lama (5-20 menit)

Pada bagian gravity settling, liquid droplet akan turun pada kecepatan terminal yang terjadi ketika gaya gravitasi berkeseimbangan dengan gaya dorong oleh gas disekitar droplet minyak.

Pada separator vertikal, droplet minyak terpisahkan oleh penurunan butiran yang berlawanan dengan aliran gas yang menuju ke bagian atas

separator. Untuk separator horisontal, droplet minyak melintas seperti

peluru keluar dari senjata api secara horisontal

Pada separator vertikal, kapasitas gas mengisi bagian melintang dari

separator, sedangkan untuk separator horisontal kapasitas gas mengisi

pada area memanjang.

Penurunan droplet minyak

Pada pemisahan droplet minyak dari gas pada area gravity settling, terjadi pergerakan partikel yang merupakan droplet minyak dengan fluida di sekitarnya yang merupakan gas.

(12)

Sebuah droplet minyak densitasnya terus membesar melebihi gas, sehingga cenderung bergerak vertikal menurun karena gaya gravitasi. Di sisi lain, gas memberikan gaya dorong terhadap droplet minyak dengan arah yang berlawanan.

Droplet minyak akan terus mengalami percepatan sampai tahan terhadap gesekan

dari gas yang lama-lama akan seimbang dan berhenti mengalami percepatan sampai kecepatannya konstan. Gaya gesek akan mengisi permukaan area droplet secara tegak lurus dari aliran gas, sehingga :

Dengan : Cd = drag coeffisien d = diameter droplet (ft)

u = settling velocity droplet (ft/s) ρg = densitas gas (lb/ft3)

ρo = densitas gas (lb/ft3)

g = percepatan gravitasi (ft/s2)

Kecepatan tetap akan didapat saat gaya dorong sama dengan gaya gravitasi, sehingga :

Dengan diameter dalam micron, dan untuk masuk ke persamaan dengan satuan britis diameter diubah kedalam ft dan disubtiutsi dengan 32,17 untuk g sehingga persamaan diatas menjadi :

(2.1) (2.2) (2.3) (2.4)

(13)

Kapasitas gas dalam separator

Laju volumetrik gas yang diproses oleh gas-oil separator, erat kaitannya dengan bagian melintang dan dipengaruhi kecepatan gas malsimum, secara matematis dapat ditulis :

Dalam satuan lain:

Sehingga untuk kecepatan terminal gas adalah :

Dengan Z adalah factor kompressibilitas, dan Ag merupakan area aliran gas (ft2₎ Kapasitas Liquid dalam Separator

Hubungan dasar yang menyatakan kapasitas liquid dari separator antara lain debit (Qo), Volume separator (Vo) dan waktu retensi (t)

(2.5) bbl/hari (2.6) (2.7) (2.8) (2.9)

(14)

2.2.6 Sizing Separator Vertikal

Ukuran separator (diameter dan panjang) bisa ditentukan dari kebutuhan kapasitas dari gas dan minyak yang akan diproses.

Kapasitas gas

Untuk separator vertikal, peningkatan kecepatan rata-rata gas tidak boleh melebihi penurunan kecepatan terminal dari droplet minyak terkecil untuk dipisahkan. Kondisi tersebut dapat digambarkan :

Dimana D merupakan diameter dalam separator (inchi), dan untuk mendapatkan nilai D adalah :

Persamaan (2.12) diatas menggambarkan diameter minimum separator. Diameter semakin besar dan kecepatan gas semakin kecil, sehingga pemisahan gas berlangsung lebih baik. Diameter yang semakin kecil akan menyebabkan kecepatan gas yang tinggi sehingga droplet minyak akan terbawa oleh gas.

Untuk menyelesaikan persamaan (2.12) harus ditentukan dahulu koefisien dorongan Cd, yang dipengaruhi dengan bilangan Reynold.

µg = viskositas gas (2.10) (2.11) (2.12) (2.13) (2.14)

(15)

Cd hanya dapat ditentukan dengan prosedur iterasi sebagai berikut :

1) Mengasumsikan nilai Cd (biasanya dimulai dengan 0,34).

2) Menghitung kecepatan terminal (u). 3) Menghitung bilangan reynold (Re).

4) Menghitung Cd dan membandingkannya terhadap nilai asumsi awal.

5) Mengulangi langkah 2 sampai 4, sampai didapat satu nilai yang mendekati sama.

Kapasitas oil (liquid)

Separator harus dapat menahan oil untuk beberapa waktu retensinya. Dengan

persamaan berikut dapat ditentukan kapasitas oil suatu separator

Prosedur Sizing:

1) Persamaan (2.12) digunakan untuk menentukan diameter minimum vessel yang diinginkan

2) Untuk menentukan tinggi liquid digunakan persamaan (2.16)

3) Untuk menentukan panjang, Ls untuk setiap kombinasi D dan H ditentukan

dengan persamaan sebagai berikut: atau (2.15) (2.16) (2.17) (2.18)

(16)

Untuk setiap kombinasi D dan Ls, harus ditentukan slenderness ratio (SR)

yaitu Ls/D, yang biasanya kebanyakan separator memiliki nilai SR 3

sampai 4.

2.3 Cooler

Perpindahan panas erat kaitannya dengan industri proses termasuk pula di industri yang bergerak di bidang minyak dan gas. Untuk menangani masalah perpindahan panas maka ada digunakan alat pemindah panas atau yang dikenal dengan Heat exchanger. Heat exchanger biasanya dilakukan antara dua fluida yang memiliki energi berbeda dalam bentuk panas. Prinsip dasar dari proses perpindahan panas yang terjadi yaitu memindahkan energi berupa panas dari fluida yang memiliki energi panas lebih tinggi kepada fluida dengan energi panas lebih rendah yang terjadi dalam suatu wadah dimana proses perpindahan panas bisa terjadi secara langsung ataupun melalui media hantar.

Tipe-tipe dasar heat exchanger yang sering digunakan di industri proses adalah sebagai berikut (Sinnott, 2005) :

1) Double-pipe exchanger 2) Shell and Tube Exchanger 3) Plate and Frame Exchanger 4) Plate Tin Exchanger

5) Spiral heat exchanger

Dalam proses perpindahan panas ada konduksi, konveksi dan radiasi, yang merupakan jenis proses perpindahan panas itu sendiri. Konduksi terjadi apabila adanya eksitasi antara molekul yang letaknya berdekatan dengan memiliki pergerakan yang mendekati diam. Dengan kata lain konduksi merupakan proses perpindahan panas melalui media padat.

Konveksi merupakan perpindahan panas dimana energi yang dipindahkan merambat melalui molekul-molekul bergerak dari satu tempat ke tempat lain.

(17)

Konveksi sangat penting dan besar peranannya dalam proses perpindahan panas dalam media fluida.

Radiasi merupakan proses perpindahan panas yang dapat terjadi tanpa adanya media, karena proses radiasi merupakan gelombang panas yang dapat diserap, dibelokan dan ditransmisikan. Sinar matahari ke bumi berlangsung secara radiasi, karena energi dari matahari berupa gelombang elektromagnetik. Benda yang memiliki energi tinggi dapat memancarkan keseluruhan spektrum dari panjang gelombang.

Dalam dunia nyata, perpindahan panas bisa terjadi secara bersamaan baik itu konveksi, konduksi ataupun radiasi. Misalnya porses perpindahan massa pada suatu heat exchanger, panas berasal dari fluida panas merambat ke lapisan logam

heat exchanger dan dari logam kembali merambat ke fluida dingin. 2.3.1 Prinsip Dasar Design Heat Exchanger

Persamaan umum untuk heat exchanger yang melalui permukaan adalah :

(2.19)

Dengan : Q = panas yang dipindahkan, W

U = koefisien perpindahan panas keseluruhan, W/ m2 ˚C A = luas area perpindahan panas, m2

ΔTm = mean temprature, ˚C

Tujuan utama dalam merancang suatu heat exchanger adalah menentukan luas area yang dibutuhkan untuk setiap panas yang dipindahkan dengan menggunakan perbedaan suhu yang ada.

Koefisien perpindahan panas keseluruhan berbanding terbalik dengan resistansi keseluruhan perpindahan panas atau koefisien perpindahan panas individu. Berikut persamaan yang menggambarkan koefisien perpindahan panas keseluruhan dengan resistansi perpindahan panas :

(18)

(2.20) Dengan :

Uo = koefisien perpindahan panas total berdasarkan tube outside area, W/m2°C

ho = koefisien fluid film bagian luar, W/m2°C

hi = koefisien fluid film bagian dalam, W/m2°C

hod = koefisien dirt bagian luar (fouling factor), W/m2°C

hid = koefisien dirt bagian dalam, W/m2°C

kw = konduktivitas panas material tube, W/m°C

di = diameter dalam tube, m

do = diameter luar tube, m

Besarnya koefisien perpindahan panas individu pada proses perpindahan panas yang terjadi (konveksi, konduksi), sifat fisik dari fluida, laju alir fluida, dan sifat fisik media permukaan perpindahan panas. Gambaran secara fisik heat

exchanger tidak akan dapat ditentukan sampai area perpindahan panas diketahui

dahuku, biasanya dengan metode trial and error. Tahapan perancangan heat

exchanger (Sinnott, 2005):

1) Menentukan energi, laju perpindahan panas, laju alir fluida dan termpratur. 2) Menentukan sifat fisik fluida, densitas, viskositas, dan konduktivitas. 3) Menentukan jenis heat exchanger.

4) Menentukan U dengan trial and error.

5) Menentukan ΔTm.

6) Menentukan luas perpindahan panas. 7) Menentukan gambaran exchanger. 8) Menentukan koefisien individu.

9) Menentukan koefisien perpindahan panas dan membandingkannya dengan hasil trial and error.

10) Menentukan pressure drop.

(19)

11) Optimasi heat exchanger.

Koefisien perpindahan panas keseluruhan

Jenis jenis persamaan untuk menentukan koefisien perpindahan panas keseluruhan ditunjukan pada tabel berikut :

Tabel 2.1 Nilai koefisien perpindahan panas total (Sinnott, 2005)

(20)

Data koefisien perpindahan panas keseluruhan pada tabel di atas dapat digunakan dalam preliminary design untuk acuan evaluasi.

(21)

Driving force temperature / mean temperature

Mean Temperature harus ditentukan untuk menentuka area perpindahan

panas. Biasanya ditentukan dari perbedaan temparatur fluida masuk dan fluida keluar, dimana ada fluida panas dan juga ada fluida keluar. Utnuk menentukannya dicari dahulu logaritmic mean temperature dengan persamaan :

(2.21)

Dengan : ΔTlm = log mean temperature difference

T1 = suhu fluida panas masuk

T2 = suhu fluida panas keluar

t1 = suhu fluida dingin masuk

t2 = suhu fluida dingin keluar

Persamaan di atas digunakan untuk aliran berlawanan antara fluida panas dan fluida dingin (counter current), sedangkan untuk aliran searah adalah (T1-t1)

dan (T2-t2). Persamaan ini berlaku apabila tidak ada perubahan specific heat,

koefisien perpindahan panas keseluruhan tetap dan tidak ada kehilangan panas. Dalam perancangan kondisi diasumsikan perubahan tempratur tidak terlalu jauh.

(22)

Gambar 2.3 Aliran perpindahan panas

Setelah ditemukan logaritmic mean temperature, kemudian perbedaan mean

temperature bisa ditetukan dengan persamaan :

(2.22)

Dengan : ΔTm = true mean temperature difference

Ft = faktor koreksi suhu

Faktor koreksi merupakan fungsi dari tempratur shell dan tube, dan jumlah

tube.

Hubungan antara fungsi kedua tempratur adalah :

(2.23)

(23)

(2.24) R sama dengan laju alir fluida di shell dibagi dengan laju alir fluida di tube.

S menunjukan beda tempratur exchanger. Berikut persamaan faktor koreksi untuk 1 shell, 2 tube (Sinnott, 2005) :

(2.25)

Persamaan di atas dapat digunakan untuk berbagai exchanger dengan berbagai jumlah tube pass, dan diplotkan ke grafik dibawah ini :

Gambar 2.4 Grafik faktor koreksi suhu

Grafik diatas merupakan grafik plotting factor koreksi untuk 1 shell pass dan 2 tube pass. Untuk selain ukuran tersebut, persamaan (2.25) bisa digunakan dan mengganti plotting pada grafik yang mirip dengan grafik di atas, yang terdapat dalam Kern.

(24)

Berikut merupakan asumsi asal mula faktor koreksi suhu, Ft :

1) Penyamaan area perpindahan panas di tiap aliran

2) Koefisien perpindahan panas keseluruhan dianggap konstan di setiap aliran

3) Suhu fluida dalam shell konstan

4) Tidak ada kebocoran fluida antara shell pass

2.3.2 Rancangan Umum

1) Pembagian Fluida

Faktor-faktor berikut akan menentukan aliran fluida, apakah itu menuju

shell ataupun menuju tube.

Korosi

fluida yang lebih bersifat korosif sebaiknya dialirkan melalui bagian

tube. Hal ini bertujuan untuk menurunkan biaya material alloy yang

mahal ataupun perlengkapan lain yang dapat menahan korosi. Fouling

fluida yang memiliki kecenderungan terhadap fouling pada area permukaan perpindahan panas, sebaiknya ditempatkan di dalam tube. Dengan itu dapat dilakukan pengendalian yang lebih baik terhadap kecepatan fluida, dan dengan kecepatan fluida yang tinggi dapat menurunkan/menghambat terjadinya fouling. Selain itu, tube juga mudah untuk dibersihkan.

Suhu fluida

Apabila suhu terlalu tinggi melebihi batas ketentuan untuk material tertentu maka kelebihan suhu dalam tube akan menurunkan biaya keseluruhan. Penempatan fluida bursuhu lebih tinggi akan menurunkan suhu di area perpindahan panas, sehingga perlu diatur untuk menurunkan kehilangan panas atau untuk alasan safety.

(25)

Suhu operasi

Aliran bertekanan lebih tinggi sebaiknya diletakan pada tube, karena

high-pressure untuk tube lebih murah dari high-pressure untuk shell.

Pressure Drop

Untuk ukuran pressure drop yang sama, akan diperoleh koefisien perpindahan panas yang lebih besar di tube daripada di shell, dan fluida yang memiliki pressure drop lebih rendah harus ditempatkan dalam tube.

Viskositas

Fluida dengan viskositas tinggi hendaknya dialirkan ke shell, karena akan didapat koefisien perpindahan panas yang lebih tinggi apabila aliran dalam kondisi turbulen.

Laju aliran

Menempatkan fluida yang memiliki laju alir rendah pada bagian shell akan menghemat design unit.

2) Kecepatan Fluida Shell and tube

Kecepatan fluida yang tinggi dapat memberikan koefisien perpindahan panas yang tinggi, tetapi juga didapat pressure drop yang tinggi pula. Kecepatan fluida seharusnya tinggi untuk mencegah padatan tersuspensi mengalami pengendapan, tetapi tidak juga terlalu tinggi karena dapat menyebabkan erosi. Kecepatan tinggi dapat menurunkan fouling. Penggunaan bahan plastik pada inlet tube dapat menangani kerusakan akibat erosi. Berikut merupakan rancangan kecepatan secara tipikal :

Cair

Kecepatan pada bagian Tube, 1 - 2 m/s, maksimum 4 m/s apabila diperlukan untuk anti fouling; air 1,5 - 2,5 m/s. Kecepatan pada bagian

shell, 0,3 – 1 m/s

(26)

Uap

Pemilihan kecepatan untuk fasa uap bergantung pada tekanan operasi dan densitas fluida. Kecepatan untuk material yang memiliki berat molekul besar diberikan pada kisaran berikut ini (Sinnott, 2005).

3) Suhu aliran

Perbedaan suhu yang berdekatan antara outlet dan inlet suatu aliran dengan aliran lainnya membutuhkan area perpindahan panas yang lebih besar untuk melepas energi. Nilai optimum tergantung pada kebutuhan dan hanya bisa ditentukan dengan membuat analisa yang lebih hemat dalam perancangan. Umumnya perbedaan suhu terbesar paling tidak 20˚C, dan paling kecil beda suhunya adalah 5-7 ˚C.

4) Pressure drop

Dalam kebanyakan penggunaan, pressure drop dapat menentukan fluida yang melalui exchanger yang diset berdasarkan kondisi operasi, dan pressure

drop dalam kondisi vakum dapat bermacam-macam pada tekanan sistem

baik lebih atau kurang beberapa milibar.

Nialai yang direkomendasikan dibawah ini bisa digunakan sebagai garis besar (Sinnott, 2005).

Cair

Gas dan Uap

(27)

Hal yang perlu diperhatikan ketika adanya pressure drop yang tinggi yaitu benar-benar tidak menyebabkan korosi pada alat dan aliran tidak menggetarkan tube karena dapat menyebabkan kerusakan dan kebocoran. 5) Sifat fisik fluida

Sifat- sifat fisik yang diperlukan dalam merancang heat exchanger adalah, densitas, viskositas, konduktivitas dan hubungan entalpi. Berikut merupakan konduktivitas panas dari material yang sering digunakan :

Tabel 2.2 Konduktivitas panas material (Sinnott, 2005)

2.4 Kompresor

Kompresor merupakan alat yang digunakan untuk menaikan tekanan suatu fluida sehingga fluida yang ditekan dapat berpindah dari tempat yang bertekanan tinggi menuju tempat yang bertekanan rendah. Kompresi merupakan proses penambahan tekanannya. Kompressi mirip dengan pemompaan liquid. Tipe yang sering digunakan adalah tipe sentrifugal dan reciprocating. (Campbell, 1992)

(28)

2.4.1 Jenis-Jenis Kompresor

Gambaran umum pembagian kompresor disajikan pada gambar 2.5.

Gambar 2.5 Jenis-jenis kompresor

1) Kompresor Dinamik Sentrifugal

Dalam kompresor ini laju aliran udara terjadi secara axial. Perancangannya yang sederhana dan tidak ada perawatan sehingga cepat dalam perancangan. Kompresor jenis ini banyak digunakan dalam berbagai keperluan, seperti pendinginan dan pengeringan, kompresi gas, suplai udara pembakaran dan aerasi.

Kelebihan kompresor sentrifugal:

Lebih effisien dibandingkan dengan jenis reciprocating Laju alir tinggi

Kompatibel dan hemat ruangan Perawatan rendah

Toleran terhada cairan yang terbawa Kekurangan kompresor sentrifugal

Kapasitasnya rendah

Kapasitasnya rendah pada laju alir yang rendah

COMPRESSOR

Dynamic

Positive Displacement

Centrifugal

Type

Axial

Type

Reciprocatin

g

Rotary

(29)

2) Kompresor axial

Kompresor jenis axial memiliki preopeler yang memiliki struktur lapisan udara yang mendorong udara ke arah axial. Tipe axial memiliki kecepatan tinggi dan volume yang besar, sehingga tekanannya cukup rendah karena memiliki volume yang luas. Memiliki blade yang memiliki struktur airfoil dan diameter yang kecil

Setiap baris fasanya tetap dan mengarahkan aliran sehingga terkonversi menjadi satu tekanan. Dengan bertambahnya barisan maka bertambah pula tekanannya.

Kelebihan kompresor axial Effisiensi tinggi

Kapasitas / laju alir tinggi Ukuran kecil

Kekurangan kompresor axial Rentang operasi yang terbatas Banyak masalah korosi

Banyak masalah pengendapan Biaya awal cukup tinggi Tinggi tekan yang rendah 3) Kompresor reciprocating

Tipe kompresor reciprocating merupakan tipe tertua, memiliki biaya perawatan yang mahal dengan kapasitasnya yang rendah. Mempunyai silinder dengan katup isap dan buang. Ada tiga siklus yaitu siklus isap, kompresi dan buang. Tipe kompresor ini banyak sekali digunakan di industri yang membutuhkan aliran udara yang rendah. Piston melakukan gerakan yang bolak-balik untuk menghisap gas dan pada saat itu katup buang tertutup dan katup isap terbuka, lalu terjadi kompresi akibat gerakan

(30)

piston dan katup buang terbuka sedangkan katup isap tertutup. Pada

multistage reciprocating terjadi kompresi sampai tekanan antara, silinder

lainnya menaikan tekanan sampai tekanan operasi, lalu terjadi pendinginan.

4) Kompresor rotary

Kompresor tipe rotary bekerja dengan memutarkan komponen pengikat gas dalam suatu ruang lalu dibalas dengan perputaran komponen pelepas gas, sehingga terjadi perpindahan gas dari aliran masuk ke aliran keluar. Berikut merupakan ilustrasi kompresor rotary.

Gambar 2.6 Ilustrasi kompresor rotary

Kompresor rotary memiliki rentang kapasits dan rasio kompressi yang tinggi. Kompresor jenis rotary diklasifikasikan menjadi, lobed,

helical-screw, dan sliding vane.

2.4.2 Pemilihan Jenis Kompresor

Sebelum memilih jenis kompresor, harus dipertimbangkan beberapa faktor penting. Diantaranya yaitu:

(31)

Discharge pressure yang dibutuhkan Kapasitas yang dibutuhkan

Ketersediaan dan biaya air pendingin Ruang yang diperlukan untuk kompresor Berat kompresor

Jenis kontrol yang diperlukan Biaya pemeliharaan

Cara praktis untuk menentukan jenis kompresor adalah dapat dipertimbangkan dari daya dan tekanan yang dibutuhkan. Tabel 2.3 menunjukkan daya dan tekanan yang dibutuhkan oleh beberapa tipe kompresor.

Tabel 2.3 Karakteristik kompresor (Bloch, 1996)

Penentuan jenis kompresor juga dapat ditentukan dengan menggunakan grafik Approximate ranges of application for compressor yang menunjukkan hubungan antara inlet flow dengan discharge pressure.

(32)

Gambar 2.7 Approximate ranges of application for compressor

2.4.3 Kompresor Reciprocating

Kompresor reciprocating mencakup kisaran kapasitas terkecil yaitu 3000 ICFM, dan bisa digunakan untuk kapasitas yang lebih besar. Reciprocating digunakan untuk tekanan tinggi dan laju alir volume yang rendah.

Ukuran terkecil (daya yang dibutuhkan 100 HP) mempunyai silinder aksi tunggal (single-acting), yang menggunakan pendingin udara, dan memungkinkan bercampurnya uap pelumas dari dalam kompresor dengan udara/gas yang dikompresi. Jenis ini hanya digunakan untuk proses tertentu dengan adanya

design pada kompresor tersebut.

Kompresor dengan silinder tunggal (daya yang dibutuhkan 25 sampai 200 HP) mempunyai pendingin cairan (water cooled cylinder), piston aksi ganda, kotak isian yang terspisah yang memungkinkan kebocoraan akan terkontrol, dan dapat dilengkapi dengan konstruksi yang tidak menggunakan pelumas sehingga

(33)

tidak terjadi pencampuran antara uap pelumas dengan udara/gas yang dikompresi. Jenis ini digunakan pada instrument air atau pada gas proses dengan skala kecil.

Kompresor dengan daya yang lebih besar membutuhkan dua atau lebih silinder. Silinder ini akan diatur secara horisontal secara seri, membentuk dua atau lebih tahap kompresi.

Perhitungan daya

Metode yang cepat dan cukup akurat untuk menentukan kebutuhan daya untuk setiap tahap kompresor reciprocating adalah dengan menggunakan kurva "BHP/MMCFD" yang ditunjukkan pada gambar 2.8. Untuk hasil yang akurat pada gas yang jauh lebih ringan atau lebih berat daripada udara, faktor koreksi harus gunakan untuk menentukan perubahan dalam kerugian katup yang dihasilkan dari berat molekul gas yang sebenarnya. Faktor koreksi specific gravity (Fsg) ditunjukan pada gambar 2.9. Penentuan daya setiap stage kompresor reciprocating menggunakan persamaan (2.26) sebagai berikut (Neerken dalam

Greene, 1984).

(HP)st = (2.26)

Keterangan :

(HP)st = daya yang dibutuhkan setiap tahap kompresor (HP)

BHP/MMCFD = daya yang dibutuhkan untuk setiap rasio kompresi MMCFD = kapasitas kompresor (106 ft3/hari)

Fsg = faktor koreksi specific gravity

= faktor kompresibilitas rata-rata

(34)

Gambar 2.8 kurva penentuan BHP/MMCFD

Kurva yang ditunjukkan pada gambar 2.8 adalah kurva yang disetujui oleh industri untuk preliminary design. Untuk kurva yang lebih akurat dapat diperoleh dari produsen kompresor, yang akan memberikan hasil yang lebih akurat.

Gambar 2.9 kurva faktor koreksi specific gravity (Fsg)

(35)

2.5 Perpipaan

2.5.1 Diameter Pipa Gas

Untuk menentukan diameter pipa gas digunakan persamaan Panhandle B. Persaman Panhandle B merupakan pembaharuan dari persamaan Panhandle sebelumnya yang direvisi dan dipublikasi pada 1956. Persamaan Panhandle B adalah sebagai berikut (GPSA, 2004).

(2.27)

Keterangan : Q = laju alir gas pada kondisi standar (ft3_/hari)

Tb = Suhu pada kondisi standar (520°R)

Pb = Tekanan pada kondisi standar (14,73 psia)

P1 = tekanan inlet (psia)

P2 = Tekanan outlet (psia)

S = specific gravity gas Lm = Panjang pipa (miles)

Tavg = Suhu rata-rata

Zavg = faktor kompresibilitas

d = diameter pipa (inchi)

E = faktor efisiensi pipa (0,88 sampai 0,94)

2.5.2 Diameter Pipa Fluida Dua Fasa