LAPORAN SKRIPSI ANALISA DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA CAMPURAN GAS CH 4 -CO 2 DIDALAM DOUBLE PIPE HEAT EXCHANGER DENGAN METODE CONTROLLED FREEZE OUT-AREA

(1)

LAPORAN SKRIPSI

ANALISA DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA CAMPURAN

GAS CH

₄

-CO

₂

DIDALAM DOUBLE PIPE HEAT EXCHANGER

DENGAN METODE CONTROLLED FREEZE OUT-AREA

Disusun oleh :

1. Fatma Yunita Hasyim (2308 100 044)

2. Novi Eka Mayangsari (2308 100 090)

Dosen Pembimbing:

Dr. Ir. Sumarno, M.Eng.

Laboratorium Teknologi Material

JURUSAN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

(2)

OUTLINE LAPORAN SKRIPSI

1.

LATAR

BELAKANG

2. TINJAUAN PUSTAKA

3. METODOLOGI PENELITIAN

4. KARAKTERISASI HASIL

5. HASIL DAN PEMBAHASAN

(3)

(4)

PERTAMBAHAN

JUMLAH PENDUDUK

MENINGKAT

LATAR BELAKANG

PENYEDIAAN ENERGI

KEBUTUHAN

ENERGI

MENINGKAT

(5)

Sumber Energi

Konsumsi

Minyak Bumi

64,5%

Gas Alam

20,8%

Batubara

8,7%

Tenaga Air

5,4%

Panas Bumi

0,6%

LATAR BELAKANG

Tabel Konsumsi Energi di

Indonesia

(6)

Gas Alam

Hasil dari pencairan gas alam dimana komponen utamanya adalah metana (C₁)

Hasil dari pencairan gas alam dimana komponen utamanya adalah propana (C₃) dan butana (C₄)

LPG (Liquefied Petroleum Gas)

LNG (Liquefied Natural Gas )

(7)

Komponen Fraksi Mol Methane 0,8407 Ethane 0,0586 Propane 0,0220 i-Butane 0,0035 n-Butane 0,0058 i-Pentane 0,0027 n-Pentane 0,0025 Hexane 0,0028

Heptanes and Heavier 0,0076

Carbon Dioxide 0,0130 Hydrogen Sulfide 0,0063 Nitrogen 0,0345 Total 1,0000

Tidak

menghasilkan

Panas dan

menyebabkan

korosi serta

masalah lain

didalam proses

pengolahannya.

LATAR BELAKANG

Tabel Komposisi

Gas Alam

(8)

Arthur dan William (2006)

Proses penghilangan CO₂ dengan metode absorbsi sistem amina. Metode ini didasarkan pada reaksi antara CO₂ dengan larutan amina (sebagai absorben). Arthur dan William (2006) Proses penghilangan CO₂ dengan menggunakan

membran, dimana semakin tinggi derajat kemurnian metana maka menggunakan membrane dengan

stage yang lebih tinggi. Jain et al (2001) _{Melakukan penelitian tentang pressure swing adsorption,} dimana semakin tinggi tekanan operasi yang digunakan maka semakin baik hasil dari pemurnian metana. Jaime dan Beverly (2008) _{Merupakan proses cryogenic untuk pemisahan CO}

2 dan H2S dari gas alam yang melibatkan pembekuan terkendali dan hasil pencairan kembali CO₂.

Chang et al (2009)

Melakukan penelitian tentang distribusi temperatur dengan

pengaruh komposisi CO₂ menggunakan metode controlled freeze

out-area.

(9)

RUMUSAN MASALAH

Gas Alam

LNG

Metode

CFO

CO₂

Fenomena yang terjadi dan Data-data pendukung

belum dijelaskan lebih lanjut

Distribusi temperatur

campuran gas CH

₄

-CO

₂

Posisi terbentuknya CO

didalam Double Pipe Heat

2

beku

(10)

TUJUAN PENELITIAN

• Mendapatkan distribusi temperatur pada campuran gas

CH₄-CO₂ di dalam anulus heat exchanger.

• Mendapatkan posisi terbentuknya CO₂ beku dari ujung

masukan double pipe heat exchanger

MANFAAT PENELITIAN

 Memahami tentang proses penghilangan CO₂ dari gas alam dengan metode controlled

freeze out-area dalam heat exchanger.

 Memperoleh metode alternatif pemurnian CH₄dari Liquefied Natural Gas (LNG).  Data yang diperoleh dapat digunakan sebagai dasar dalam desain dan operasional

(11)

(12)

METHANA (CH

₄

)

Sifat

Harga

Titik didih

-161,6

o

_C

Titik beku normal

-182,5

o

_C

Temperatur kritis

-82,7

o

_C

Tekanan kritis

45,96 bar

(13)

Karbondioksida (CO

₂

)

Sifat Harga

Titik didih -57,5 o_C

Titik beku normal -78,4 o_C

Temperatur kritis 38 o_C

Tekanan kritis 0,6 Kg/cm2_.G

Panas peleburan 1900 Kal/mol Panas penguapan 6030 Kal/mol

(14)

Konsep dasar dari metode ini adalah membekukan CO₂ untuk

memisahkannya dari gas alam secara langsung didalam sebuah heat exchanger dengan tipe aliran counterflow dimana media pendingin untuk mendinginkan secara cryogenig.

METODE CFO-AREA (CONTROLLED

FREEZE OUT-AREA)

DIAGRAM FASA

(15)

Penentuan distribusi temperatur

Gambar Sistem Pada Proses pembekuan CO₂ didalam double

(16)

Persamaan perhitungan distribusi

temperatur

Persamaan neraca energi dalam steady-state untuk aliran pendingin

ditulis sebagai:

….……..(1)

Komponen CO

₂

yang mengalami perubahan massa selama proses

pendinginan campuran gas alam tersebut bisa dihitung dengan :

(17)

Persamaan perhitungan distribusi

temperatur

Konveksi pendingin oleh alat pendingin dijumlahkan ke semua konveksi panas

dari campuran dan panas yang timbul dikalikan dengan laju akumulasi CO₂ pada

dinding, menjadi:

………..(3)

Menghitung laju alir massa dan konsentrasi CO₂ sebagai berikut :

(18)

Persamaan perhitungan distribusi

temperatur

Koefisien transfer panas dan massa dalam persamaan (1) dan (2) dapat

diestimasikan sebagai :

………..(5)

Menghitung friction factor dengan korelasi Bilangan Reynold :

………..(6)

Data Properti fluida yang digunakan untuk perhitungan numerik

diambil dari HYSYS Standard Reference Database.

(19)

(20)

BAHAN

1

2

3

4

5 Campuran gas CH

₄

-CO

₂

Gas Nitrogen HP

Nitrogen Liquid

Ethilen Glikol

(21)

1. Perbandingan campuran gas CO

2

: CH

4

= 5 dan 10 %

(mol/mol)

2. Tekanan campuran gas CO

2

- CH

4

= 1, 5, 10 dan 20 bar

VARIABEL PENELITIAN

1. Temperatur zat keluar Waterbath Heater : 25°C

2. Temperatur CH

₄

-CO

₂

yang masuk Double Pipe Heat

Exchanger = 25°C

3. Temperatur nitrogen gas = 25°C

Variabel Tetap

(22)

GAMBAR PERALATAN

PENELITIAN

Keterangan :

1. Double Pipe Heat Exchanger 2. Portable Gas System (PGS) Nitrogen Liquid

3. Tangki Nitrogen gas

4. Tangki Campuran CH4-CO2

5. Water bath Heater 6. V (Valve) 7. Pressure Gauge 8. RTD ( Resistence Temperature Detector) 9. SV (Safety Valve) 10. VE (Vent) 11. S (Sampling) 1 3 2 ₅ 4 6 7 8 9 10 11

(23)

METODOLOGI PENELITIAN

1.

• PERSIAPAN ALAT DAN

_BAHAN

2.

• FLUSHING

_IMPURITIES

3.

• START-UP

PERALATAN

4.

• PROSES PEMBEKUAN CO

SAMPLING

GAS CH

4

KELUARAN

2

DAN

DOUBLE PIPE

HEAT EXCHANGER

5.

• SAMPLING GAS CO

BEKU DALAM DOUBLE

2

PIPE HEAT EXCHANGER

Skema Garis Besar

Penelitian

(24)

(25)

(26)

PROSES PEMBEKUAN CO

₂

DAN

SAMPLING GAS CH

₄

KELUARAN

(27)

SAMPLING

CO

₂

BEKU DALAM

(28)

(29)

KARAKTERISASI HASIL

Analisa Gas Chromatography : Pengujian kemurnian suatu zat tertentu, atau memisahkan berbagai komponen campuran (jumlah relatif dari komponen tersebut juga dapat ditentukan).

Penentuan Distribusi Temperatur : Distribusi temperatur adalah perhitungan temperatur pada pada titik-titik yang belum diketahui temperaturnya.

(30)

PENENTUAN DISTRIBUSI

TEMPERATUR CAMPURAN GAS

CH

₄

-CO

₂

_{RTD sepanjang}

DPHE

T campuran

CH

₄

-CO

₂ T wall double pipe HE T N2

T CO

2

beku

Posisi CO

₂

beku

Distribusi temperatur

(31)

ANALISA GAS KROMATOGRAFI

Metode Penentuan mol didalam gas

Komposisi masing-masing gas CH

₄

dan CO

₂

dapat diketahui dari hasil

Analisa GC (Gas Chromatography)

Persamaan Linier untuk Standarisasi gas CH

₄

(32)

(33)

PENGARUH KOMPOSISI PADA

TEMPERATUR CAMPURAN GAS CH

₄

-CO

₂

Hubungan antara temperatur campuran gas CH₄-CO₂(T_mix) dan temperatur gas N₂ dingin terhadap jarak axial pada berbagai komposisi CO₂ dan tekanan tetap: (a) 1 bar (b) 5 bar

(c) 10 bar (d) 20 bar

(a) (b)

(34)

PENGARUH TEKANAN PADA TEMPERATUR

CAMPURAN GAS CH

₄

-CO

₂

Hubungan antara temperatur campuran gas CH₄-CO₂ terhadap jarak axial pada berbagai tekanan dan komposisi tetap: (a) 5%CO₂ dan (b) 10% CO₂

(35)

Metode Penyelesaian Distribusi Temperatur

Pada Campuran Gas CH

₄

-CO

₂

METODE NEWTON RAPHSON

Untuk menghitung temperature wall

double pipe heat

exchanger

..……… (1)

METODE RUNGE KUTTA ORDE EMPAT

Untuk menghitung temperature nitrogen

double pipe heat

exchanger

..……… (2)

ℎ_𝑁₂+ ℎ_𝑚𝑖𝑥 𝑇_𝑤2_{− ℎ} 𝑁2𝑇𝑁2+ ℎ𝑚𝑖𝑥𝑇𝑚𝑖𝑥+ ℎ_𝑑 𝑃_𝑚𝑖𝑥 𝑚_𝐶𝑂₂ 𝐵𝑀 𝑚_𝐶𝑂₂ 𝐵𝑀+𝑚𝐶𝐻4 𝐵𝑀 𝑖_𝑖𝑔 𝑅 𝑇_𝑚𝑖𝑥 𝑇𝑤+ ℎ_𝑑 𝑃_𝑚𝑖𝑥 𝑚_𝐶𝑂₂ 𝐵𝑀 𝑚_𝐶𝑂₂ 𝐵𝑀+𝑚𝐶𝐻4 𝐵𝑀 𝑖_𝑖𝑔 𝑅 = 0

(36)

DISTRIBUSI TEMPERATUR

CAMPURAN GAS CH

₄

-CO

₂

Distribusi temperatur campuran gas CH₄-CO₂ pada komposisi 5% CO₂ dan berbagai tekanan: (a) 1 bar dan (b) 5 bar (c) 10 bar dan (d) 20 bar

(a) (b)

(37)

DISTRIBUSI TEMPERATUR

CAMPURAN GAS CH

₄

-CO

₂

Distribusi temperatur campuran gas CH₄-CO₂ pada komposisi 10% CO₂ dan berbagai tekanan: (a) 1 bar dan (b) 5 bar (c) 10 bar dan (d) 20 bar

(a) (b)

(38)

PENENTUAN PREDIKSI POSISI

TERBENTUKNYA CO

₂

BEKU

Data termodinamika temperatur CO

₂

beku

Komposisi

CO₂

Tekanan (bar) Temperatur CO₂ beku (K) 5% 1 163,60 5 178,15 10 184,43 20 190,32 10% 1 169,82 5 185,49 10 192,60 20 199,37

(39)

PENENTUAN PREDIKSI POSISI

TERBENTUKNYA CO

₂

BEKU

Data temperatur campuran gas CH₄-CO₂ di sepanjang double pipe heat

exchanger

Jarak Axial HE,

x (m)

5% CO₂ 10% CO₂

1 bar 5 bar 10 bar 20 bar 1 bar 5 bar 10 bar 20 bar

0.00 298 298 293 294 294 296 294 289 0.24 249 260 251 258 244 256 254 243 0.47 212 227 227 236 236 223 226 204 0.71 194 204 205 224 186 202 210 172 0.95 176 187 203 211 164 191 188 171 1.19 163 179 197 195 155 191 188 168 1.43 146 165 190 159 148 180 174 165 1.66 135 148 177 153 133 173 171 165 1.90 131 140 172 139 124 172 129 163

(40)

ANALISA GAS KROMATOGRAFI

Hasil analisa gas CH₄ pada campuran gas CH₄-5% CO₂ tekanan 1 bar

No. Compound R.Time Height[Uv] Area[uV*S] Area %

1 CO₂ 0,865 47 211 0,60095 2 Metana 1,641 3630 34831 99,39905 Total 35042 100,00000

(41)

PERHITUNGAN ANALISA GAS

KROMATOGRAFI

Komposisi Tekanan _Komponen _%mol CO₂ (bar) 5% 1 CO2 0.1159 CH₄ 99.8841 5 CO2 0.0000 CH₄ 100.0000 10 CO2 1.2751 CH₄ 98.7249 20 CO2 1.1800 CH₄ 98.8200 10% 1 CO2 0.2234 CH₄ 99.7766 5 CO2 0.2055 CH₄ 99.7945 10 CO2 0.5006 CH₄ 99.4994 20 CO2 0.0000 CH₄ 100.0000 Hasil analisa persentase mol kandungan gas CH₄ pada berbagai variabel