J.Tek.Ling Edisi Khusus Hal. 66 - 72 Jakarta, Juli. 2006 ISSN 1441 – 318X
PERAWATAN SISTEM INTERCOOLER UNTUK
PENGHEMATAN ENERGI PADA INDUSTRI PUPUK
Djoko Padmono
Pusat Teknologi Lingkungan Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi
Abstract
The option of cleaner production of energy efficiency in the good maintenance on energy saving one of them was in the system of the water cooler from the intercooler system..The process unit of ammonia, urea production and the power house in the fertilizer industry needed 600 m3/jam cooling water approximately 60 % the requirement for cooling water from all over the requirement for the factory (reached 900 m3/jam).Several critical heat exchangers that use cooling water for process cooling, abnormally high process-out temperatures were noted. For example, the intercoolers (124CA & 124CB) of the Syn Gas Compressor (103J) are operating with Syn Gas outlet temperatures of 63°C and 51°C respectively, versus a target of 38.6°C. This excessive temperature will affect the performance of the downstream Chiller Plant and cause abnormally high-energy consumption. The improvement of system and equipment was carried out against intercooler 124CA in the fertilizer industry as well as was done by the replacement and maintenance that produced the decline temperature from 63 o C to 52 o C. This decline could be done by saving of energy of cooling water reached 2.62 MMBTU/hour so as to be able to reduce the disposal of greenhouse gases through to 422.293,733 tonne CO2/the year.
Keywords: Fertilizer industry, Cooling water system, intercoolers.
1. PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Salah satu unit produksi pada suatu pabrik pupuk adalah unit amonia yang menggunakan energi dari sistem pembangkit udara tekan untuk mengoperasikan sistem pengendalinya. Sistem pengendalian ini menggunakan sistem pneumatik yang pada umumnya membutuhkan udara tekan untuk menggerakkan peralatan pada
temperatur –3o hingga –10o. Sistem pengendali pneumatik sangat peka terhadap kehadiran air ataupun uap air yang dapat menimbulkan kesalahan kerja sistem tersebut. Oleh sebab itu, udara tekan yang dihasilkan perlu dilakukan penurunan temperatur hingga memenuhi kriteria yang dipersyaratkan.
Udara tekan yang dihasilkan dari kompresor udara pada umumnya keluar dengan temperatur yang sangat tinggi. Penurunan temperatur tahap awal disebut aftercooler, merupakan tahap
yang banyak membutuhkan energi. Unit inilah yang menjadi perhatian utama dalam upaya penghematan energi dengan pendekatan produksi bersih melalui pendekatan tidak membuang air panas ke lingkungan sehingga dapat diperoleh penghematan energi yang sangat berarti.
1.2. Tinjauan Pustaka
Udara tekan yang keluar dari kompresor udara mempunyai temperatur tinggi antara 93,3o
~ 176,6o
C. Udara tekan pada temperatur ini mengandung banyak air dalam bentuk uap, sehingga pada proses pendinginan udara tekan akan terjadi kondensasi uap air menjadi liquid. Sebagai gambaran jika tidak dilakukan pendinginan lanjut (aftercooler), pengoperasian kompresor 200 scfm pada tekanan 100 psig akan memunculkan 45 galon air di dalam sistem udara tekan setiap hari. (1,2)
Selain itu, melalui penurunan temperatur 2,7o hingga 11o terhadap ambien temperatur akan terbentuk kondensat, sehingga hampir 70 % uap air terkondensasi menjadi liquid.
Aftercooler (atau disebut juga intercooler) udara tekan mempunyai fungsi (3):
Ø Mendinginkan udara yang keluar dari kompresor udara melalui unit pemindah panas (heat exchanger). Ø Mengurangi resiko timbulnya api
(pipa udara tekan pada temperatur tinggi dapat menimbulkan bunga api). Ø Mengurangi tingkat kelembaban
udara tekan.
Ø Meningkatkan kapasitas sistem Ø Mengamankan peralatan berikut
(downstream) dari kelebihgan panas. Pendingin memiliki kemampuan Beda Temperatur Dingin (CTD - Cold Temperatur Difference/) sebesar 2.7o, 5,5o, 8,3o, atau 11o tergantung perancangan setiap pabrik pembuatnya. Dengan kata lain bahwa temperatur
udara tekan keluaran pada ujung aftercooler akan sama dengan temperatur media pendingin ditambah CTD tersebut.
Pembuat kompresor umumnya mengikutkan jenis aftercooler yang dipersyaratkan dalam paket kompresor-nya yang dikenal sebagai kompresor dengan integral aftercooler.
Salah satu jenis aftercooler yang banyak digunakan saat ini adalah Water-Cooled Pipe Line Aftercooler. Jenis yang banyak digunakan pabrik pada pengolahan lanjut udara tekan menggunakan jenis Shell and Tube Heat Exchanger/Aftercooler seperti terlihat dalam Gambar 1(3).
Gambar 1. Aftercooler Pendingin Air. Jalur pipa aftercooler terdiri dari tabung shell berisi pipa-tabung yang dibundel terpasang didalamnya. Udara tekan dialirkan melalui pipa-tabung dalam satu arah aliran sedangkan air pendingin dialirkan dalam tabung shell pada arah yang berlawanan, sehingga terjadi transfer panas dari udara tekan ke air pendingin yang mengakibatkan terbentuknya uap air dalam udara tekan dingin.
Umumnya aftercooler digunakan untuk mendinginkan udara hingga antara 2,7o~11o dari temperatur udara ambien atau air pendingin. Kondisi ini biasa
disebut temperatur pendekatan dan biasanya ditentukan pada kondisi hari terpanas dengan kelembaban relatif 100%. Udara yang keluar dari kompresor ditentukan berkisar antara 82,2o ~ 176,6oC. Pemilihan penggunaan aftercooler menetukan kebutuhan temperatur pendekatan (temperatur diatas media pendingin yang digunakan) bagi udara tekan. Dengan mempertim-bangkan kebutuhan temperatur dari peralatan lanjut seperti pengering dan peralatan lain, temperatur tersebut dispesifikasikan sebesar 2,7o
, 5,5o
, 8,3o
, 11o C di atas temperatur media pendingin. Kemudian berdasark an laju alir (CFM - cubic feet per minute) kompresor dan temperatur udara tekan dilakukan pemilihan aftercoller.
Tabel 2. Kebutuhan Temperatur Komponen Sistem Udara Tekan(3)
Temp. Operasi (? ) Komponen
Normal Maks. Standard
refrigerated air dryer 37,7 54,4 High temperatur
refrigerated air dryer 82,2 87,7 Heated dessicant dryer 37,7 48,8 Heated compresion dessicant dryer 176,6 190,5 Pressure swing dessicant dryer 37,7 48,8 Standard particulate filter 37,7 65,5 High temperture particulate filter 176,6 232,2 Coalescer filter65,5 37,7 65,5 Vapor filter (activated charecoal) 37,7 65,5 Oli/water separator 37,7 82,2 Drain valves 37,7 82,2 Dalam penggunaan aftercooler terdapat beberapa hal yang perlu diperhatikan (Rule of Thumb ), yaitu (3):
1. Instalasi aftercooler ditempatkan sedekat mungkin dari kompresor udara.
2 Perawatan yang cukup akan menjaga efisiensi aftercooler (aftercooler kotor mengakibatkan temperatur udara tekan lebih tinggi dan meningkatkan pressure drop).
3. Ukuran aftercooler untuk mendinginkan udara pada temperatur pendekatan antara 2,7 o
C ~11 o
C.
4. Ukuran didasarkan pada kondisi hari terpanas dan kelembaban relatif 100%.
5. Setiap kenaikan temperatur udara tekan hingga 11,1 oC akan meningkatkan kelembaban udara dua kali.
1.3. Tujuan.
Tujuan penelitian ini adalah penerapan bersih pada industri pupuk melalui pengelolaan sistem intercooler guna memperoleh penghematan energi dan biaya operasional serta upaya minimalisasi limbah yang dihasilkannya.
2. METODOLOGI.
Sistem instrumentasi udara membutuhkan udara kering dan bersih untuk keperluan pengendalian dan instrumentasi. Instrumen udara dibangkitkan dari tingkat pertama kompresor 101 ~ J dari sistem pembangkit udara tekan di unit amonia. Diestimasikan kebutuhan udara mencapai 1.020 m3
/jam untuk dicatukan kedalam sistem instrumentasi udara.
Syn gas dipompa melalui suatu kompresor dengan temperatur keluaran kompresor mencapai 69oC. Syn gas digunakan sebagai udara tekan untuk menggerakan sistem pengendalian pneumatik dalam unit amonia di pabrik pupuk. Pada pemakaiannya, temperatur udara tekan bekerja pada –3o ~ -10oC. Untuk itu udara tekan harus diturunkan
temperaturnya hingga memenuhi persyaratan tersebut. Penurunan tahap pertama adalah dengan menggunakan aftercooler (dalam pabrik disebut sebagai intercooler 124 CA dan 124 CB yang dipasang secara paralel. Aftercooler dirancang untuk dapat menurunkan temperatur hingga 38o
C, tetapi rancangan pabrik menetapkan temperatur keluaran pada 50oC.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1. Hasil Pengukuran
Sistem udara instrumentasi yang menjadi obyek penelitian, disajikan dalam Gambar 2. Sedangkan hasil pengukuran dengan menggunakan peralatan dari GERIAP(4)
terhadap temperatur keluaran intercooler pada pabrik pupuk disajikan dalam Tabel 3. Dari tabel tersebut tampak bahwa temperat ur keluaran intercooler 124 CA dan 124 CB masing-masing adalah 68o
C dan 52o
C. Tingginya temperatur keluaran ini akan sangat
pengaruh terhadap proses penurunan temperatur yang membutuhkan energi lebih besar.
Sistem pendingin yang digunakan pada unit amonia, urea dan pembangkit energi di pabrik pupuk ini membutuhkan catu air pendingin sebesar 600 m3
/jam, hampir 60% kebutuhan air pendingin dari seluruh pabrik. Salah satu bagian pemakaian air pendingin tersebut digunakan untuk mendinginkan udara tekan pada aftercooler saat pengukuran dilakukan.
Tabel 3. Temperatur keluaran Intercooler
No. Lokasi Temp.
(oC) 1 Outlet intercooler 124 CA 68 2 Outlet intercooler 124 CB 52 3 Standar Pabrik Pupuk 50 4 Standar manufaktur 38 C107 Syn Gas Compressor 103J 124CB 124CA C106 3rd Chiller 1st Chiller 117C 2nd Chiller 63°C 69°C Syn Gas 51°C 54°C Target 38.6°C 19°C -3°C -12°C Ammonia to Storage/Urea Plant
Gambar 2. Diagram Udara Intrumentasi pada Unit Amonia
.
Pada saat dilakukan pengukurandidapatkan bahwa temperatur air pendingin yang kembali dari afterooler mencapai 48oC menuju ke menara
pendingin air, sedangkan temperatur air yang keluar dari menara pendingin 32oC. (Lihat Tabel 4.)
Tabel 4. Pengukuran Temperatur pada Sistem Pendingin Air.
No. Lokasi Temp. (oC) 1. Outlet menara pendingin 32 2. Outlet Aftercooler 48 3. Seharusnya 36
Dalam proses ini diketahui terdapat beberapa panas kritis dari heat exchangers yang menggunakan air pendingin, memiliki temperatur tinggi pada keluaran proses. Beberapa data yang dicatat pada Syn Gas Compressor Intercoolers at the Ammonia Plant terlihat dalam Tabel 5.
Tabel 5 Data sistem Syn Gas Compresor intercoolers .
Lokasi Variabel 124CA 124CB
T in (oC) 32 32 T out (oC) 48 36 P (bar) 4,8 4,8 Tabung air pendingin
Laju alir (m3/jam) 375 374 T in (oC) 64 69 T out (oC) 63 51 P (bar) 140 140 Tabung pipa udara
Laju alir (m3/jam) 475.000 475.000
3.2. Pembahasan
Dalam penelitian ini, perbaikan pabrik pupuk dilakukan hanya pada intercooler 124 CA untuk memberikan gambaran pengaruh perlakuan pada pengelolaan lingkungan dengan melakukan sedikit upaya melalui pembersihan intercooler dan beberapa perbaikan. Upaya ini memberikan pengaruh manfaat yang sangat berarti pada penghematan energi yang pada akhirnya memberikan penghematan terhadap biaya operasional.
Dalam kondisi ideal(5), suhu udara masuk pada setiap tahap mesin multi tahapan harus sama dengan kondisi pada tahap awal (memasuki kompresor). Hal ini disebut sebagai proses
pendinginan sempurna atau kompresi isotermal. Tetapi pada kenyataannya, suhu udara memasuki setiap tahap berikutnya lebih tinggi dari nilai normal sehingga mengakibatkan pemakaian daya yang lebih besar. Hal ini disebabkan volume yang ditangani untuk tugas yang sama menjadi lebih besar seperti terlihat dalam Tabel 6.
Tabel 6. Temperatur pada kompresor dan pemakaian daya.
Item Cooling tak sempurna Cooling sempurna (nilai dasar) Chilled water Cooling Tahap awal 21,1 21,1 21,1 Tahap kedua 26,6 21,1 15,5 Kapasitas 15,5 15,6 15,7 Daya torak 76,3 74,3 74,2 Konsumsi energi spesifik 4,9 4,8 4,7 Prosentasi perubahan + 2,1 Referensi - 2,1
Penggunaan air pada suhu yang lebih rendah mengurangi pemakaian daya spesifik. Suhu air dingin yang sangat rendah dapat menyebabkan pengembunan kandungan air dalam udara, dimana apabila tidak dihilangkan akan menyebabkan kerusakan pada silinder kompresor.
Hal yang serupa(5), pendinginan yang tidak mencukupi pada aftercooler/ intercooler (disebabkan karena kotoran, pembentukan kerak, dll), akan membiarkan udara hangat dan lembab menuju ke penerima (alat -alat pengendali pneumatik), sehingga pengembunan pada unit penerima udara dan jalur distribusinya menjadi lebih banyak. Hal ini dapat menyebabkan korosi, penurunan tekanan dan kebocoran pada pipa dan peralatan pengguna akhir. Oleh karena itu, pembersihan secara berkala dan menjaga suhu aliran udara yang benar pada afteercooler/intercooler sangat penting untuk mempertahankan kinerja yang dikehendaki.
Setelah dilakukan pembersihan dan perbaikan pada intercooler 124 CA maka temperatur keluaran dapat dicapai hingga 50 oC, sehingga kebutuhan air pendingin menjadi lebih kecil dan proses pendinginannya lebih efisien dan efektif seperti terlihat dalam Tabel 7.
Tabel 7. Temperatur Keluaran
Intercooler 124 CA sebelum dan sesudah perawatan.
Variabel Sebelum Sesudah
Keluaran udara 63 oC 50 oC Keluaran air
pendingin 48
o
C 36 oC
3.3. Analisa Penghematan Energi dan Biaya Operasional
Aftercooler dirancang untuk dapat menurunkan temperatur hingga 38 o
C, tetapi rancangan pabrik menetapkan temperatur keluaran pada 50 oC. Pendinginan yang tidak mencukupi aftercooler/intercooler, akan membiarkan udara hangat dan lembab menuju ke penerima (alat-alat pengendali penumatik) sehingga menyebabkan terjadinya pengembunan pada unit penerima udara dan jalur distribusinya. Hal ini dapat menyebabkan penurunan tekanan dan kebocoran pada pipa dan peralatan pengguna akhir sehingga akan mempengaruhi kerja sistem pengendali penaumatik pada unit produksi amonia.
Upaya perawatan intercooler dapat menurunkan temperatur keluaran intercooler 124 CA hingga mencapai 50
o
C. Penurunan temperatur ini sangat mempengaruhi kerja unit pendingin yang mengharuskan temperatur udara tekan pada sistem pengendali penumatik bekerja pada 10 o
C, yang mengakibatkan beban pendinginan berikut ditanggung oleh Chilled Water system (1st Chilled 117C ). Penurunan temperatur yang harus ditangani oleh Chiller ini mengakibatkan energi yang dibutuhkan oleh sistem refrigerator menurun.
Kebutuhan refrigerator lebih kurang seperempat dari energi yang dibangkitkan oleh sistem pembangkit listrik dengan tenaga uap.
Biaya perawatan pada intercooler pada program ini membutuhkan Rp. 50.000.000,- dengan perioda pengembalian modal dibawah 2 bulan. Dengan adanya perawatan dan perbaikan pada sistem pengendali tersebut, telah terjadi penghematan penggunaan uap karena penurunan kebutuhan energi listrik, sedangkan kebutuhan bahan bakar gas menunjukan kesamaan seperti pada Tabel 8.
Tabel 8. Produksi Uap Dan Konsumsi Bahan Bakar Gas Pada Boiler 2007 UA
Konsumsi bahan bakar gas (m3
/hari) Sebelum Sesudah
Maks 142,4 150,2
Rata-rata 137,2 135,3
Min 129,4 102,8
Produksi uap (ton/hari) Sebelum Sesudah
Maks 1.691 1,764
Rata-rata 1.613 1,723
Min 1,487 1,680
Terlihat bahwa dengan penggunaan bahan bakar gas yang relatif sama dapat dihasilkan kenaikan produksi uap secara keseluruhan mencapai 100 ton/hari, atau labih kurang 4 ton/jam. Berarti untuk chilled water system sendiri terjadi penghematan hingga 1 ton uap perjam. Dengan harga uap adalah Rp 60.000,- perton maka dalam satu tahun telah dapat dihemat biaya operasi sebesar Rp. 518.400.000, -.
Selanjutnya, hasil pelaksanaan produksi bersih pada pabrik pupuk terhadap penanganan sistem pendingin udara, disajikan dalam Table 9.
Bila dikaitkan dengan pengelolaan lingkungan dalam arti bahwa upaya penerapan produksi bersih akan menjaga lingkungan, maka pelaksanaan
perawatan suatu peralatan secara tidak langsung akan menjaga lingkungan karena dapat mengurangi/menghindari adanya pembuangan uap panas kelingkungan, disamping itu dapat menghemat bahan bakar gas yang berarti mengurangi pelepasan gas rumah kaca (CO2). Dengan menggunakan GHG
Calculation yang diberikan oleh UNEP(6)
sebagai pedoman dalam program Greenhouse Emission from Industry in Asia and the Pasific (GERIAP), maka hasil penghamatan bahan bakar gas tesebut dapat mengurangi pelepasan gas rumah kaca sebesar lebih kurang 42 ribu ton CO2 pertahun.
Tabel 9. Hasil Pelaksanaan Produksi Bersih Pada Pabrik Pupuk.
Parameter Besaran
Temp. Udara Sebelum Sesudah 63 oC 50 oC Prod uap 1.613 1,723
Konsumsi Gas 137,2 135,3
Penghematan 518.400.000,- / tahun GHG 42 ribu ton / tahun
4. KESIMPULAN
Dari hasil penelitian ini dapat di simpulkan bahwa :
1. Penanganan lingkungan tidak hanya semata-mata ditangani melalui penanganan limbah dari suatu proses produksi, tetapi dapat dilakukan melalui mengelola bahan produksi, memperbaiki proses, atau mengganti peralatan yang kinerjanya dibawah standar.
2. Perawatan unit pembangkit udara tekan dalam pabrik pupuk dengan melakukan pembersihan pada intercooler dan pengantian beberapa peralatan, telah dapat mengurangi buangan cemaran panas ke lingkungan melaui penurunan temperatur udara tekan dari 63 o
C
menjadi 50 oC. Hasil ini selain dapat mencegah pencemaran lingkungan sebagai dampak pembuangan panas, dapat diperoleh pula manfaat ganda berupa efisiensi penggunaan bahan bakar dengan meningkatnya produksi uap hingga satu ton per jam.
3. Dari aspek ekonomi dan lingkungan, perawatan ini telah menghasilkan penghematan biaya produksi sebesar 500 milyard lebih, sekaligus telah mengurangi terjadinya pelepasan gas rumah kaca hingga 42 ribu ton CO2
pertahun.
DAFTAR PUSTAKA.
1. Kumar, P. 2004, Compressor and compressed air system, Materi pelatihan Produksi bersih untuk efisiensi energi, Kelompok Produksi Bersih – P3TL – TIEML - BPPT. 2. NN, 2004, Kompresor dan sistem
udara tekan , Pedoman efisiensi energi untuk industri di Asia. GERIAP – UNEP.
3. NN, 2006, Eco Compressed air, Aftercooler – compressed air, http://www.ecocompressedair. com/library/aftercooler.shtml
4. Kumar, P. 2004, Cleaner production toolkits, Materi pelatihan Produksi bersih untuk efisiensi energi, Kelompok Produksi Bersih – P3TL – TIEML - BPPT.
5. Asthana AK, 2004, Boiler & Thermic fluid heaters, Materi pelatihan Produksi bersih untuk efisiensi energi, Kelompok Produksi Bersih – P3TL – TIEML - BPPT.
6. Asthana AK, 2004, Greenhouse gas calculator, Materi pelatihan Produksi bersih untuk efisiensi energi, Kelompok Produksi Bersih – P3TL – TIEML - BPPT.
