Gas Processing - Sumber Belajar
advertisement
Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan Republik Indonesia 2015 Gas Processing SMK / MAK Kelas XI dan XII GAS PROCESSING i DISKLAIMER (DISCLAIMER) Penulis : Editor Materi : Editor Bahasa : Ilustrasi Sampul : Desain & Ilustrasi Buku : Hak Cipta @2015, Kementrian Pendidikan & Kebudayaan Milik Negara Tidak Diperdagangkan Semua hak cipta dilindungi undang-undang, Dilarang memperbanyak (mereproduksi), mendistribusikan, atau memindahkan sebagian atau seluruh isi buku teks dalam bentuk apapun atau dengan cara apapun, termasuk fotokopi, rekaman, atau melalui metode (media) elektronik atau mekanis lainnya, tanpa izin tertulis dari penerbit, kecuali dalam kasus lain, seperti diwujudkan dalam kutipan singkat atau tinjauan penulisan ilmiah dan penggunaan non-komersial tertentu lainnya diizinkan oleh perundangan hak cipta. Penggunaan untuk komersial harus mendapat izin tertulis dari Penerbit. Hak publikasi dan penerbitan dari seluruh isi buku teks dipegang oleh Kementerian Pendidikan & Kebudayaan. ii GAS PROCESSING KATA PENGANTAR Salah satu faktor penting yang harus tersedia adalah bahan pelajaran yang dapat mengoptimalkan proses belajar mengajar. Dengan tulisan ringkas ini, penulis berharap dapat membantu kelancaran dalam proses belajar mengajar.Sesuai dengan jurusannya,maka disusunlah buku bahan ajar yang berjudul Gas Processing.Penulis menyadari akan segala kekurangan dan keterbatasn yang ada,oleh karenanya, saran dari semua pihak sangat kami harapkan untuk kesempurnaan tulisan ini. Mudah-mudahan dari tulisan yang sederhana ini dapat bermanfaat bagi para guru dan siswa dan dapat dikembangkan sebagaimana perkembangan teknologi saat ini. Penyusun GAS PROCESSING iii DAFTAR ISI HALAMAN SAMPUL .................................................................................................................. i DISKLAIMER (DISCLAIMER) ................................................................................................... ii KATA PENGANTAR ................................................................................................................ iii DAFTAR ISI.............................................................................................................................. iv DAFTAR GAMBAR .................................................................................................................. vi DAFTAR TABEL ..................................................................................................................... vii BAB I ........................................................................................................................................ 1 PENDAHULUAN ...................................................................................................................... 1 1.1 Pengertian Umum...................................................................................................... 1 1.2 Persenyawaan Kimia ................................................................................................. 1 1.3 Penggolongan Persenyawaan Organik .................................................................... 1 1.4 Persenyawaan Hidrokarbon ...................................................................................... 1 BAB II ....................................................................................................................................... 6 GAS .......................................................................................................................................... 6 2.1 Pengertian Gas Secara Umum ................................................................................. 6 2.2 Gas Bumi (Gas Alam) ............................................................................................... 6 2.3 Komposisi Gas Alam ................................................................................................. 7 2.4 Pengarus Zat-Zat Pengotor di dalam Gas Alam ....................................................... 8 BAB III .................................................................................................................................... 11 PEMROSESAN GAS BUMI / GAS ALAM ............................................................................. 11 3.1 Amine Gas Treating ................................................................................................ 11 3.2 Proses Pengeringan Gas ........................................................................................ 16 3.3 Proses Pemisahan (Penghilangan) Kandungan Mercury (Air Raksa) di dalam Gas Alam 25 BAB IV .................................................................................................................................... 28 PROSES PEMISAHAN HIDROKARBON BERAT ................................................................ 28 4.1 Pengertian Umum.................................................................................................... 28 4.2 Tujuan Proses Distilasi Bertekanan ........................................................................ 28 4.3 Bahan Baku dan Hasil-Hasilnya.............................................................................. 28 4.4 Peralatan Utama...................................................................................................... 28 BAB V ..................................................................................................................................... 34 PROSES PEMBUATAN GAS ALAM CAIR ........................................................................... 34 iv 5.1 Pendahuluan ........................................................................................................... 34 5.2 Tujuan Pencairan Gas Alam ................................................................................... 34 GAS PROCESSING 5.3 Sifat-sifat Hidrokarbon Ringan yang Terkait dengan Proses Pencairan ................ 35 5.4 Metode Pencarian Gas ............................................................................................ 35 5.5 Unit Proses Pembuatan Gas Alam Cair (LNG) ....................................................... 35 BAB VI .................................................................................................................................... 41 PROSES PEMBUATAN GAS HIDROGEN DENGAN STEAM REFORMING ...................... 41 6.1 Prinsip Proses .......................................................................................................... 41 6.2 Uraian Proses .......................................................................................................... 41 6.3 Kondisi Operasi pada Reforming Furnace .............................................................. 42 BAB VII ................................................................................................................................... 46 PROSES PEMBUATAN GAS NITROGEN ............................................................................ 46 7.1 Bahan Baku.............................................................................................................. 46 7.2 Produk ...................................................................................................................... 46 7.3 Prinsip Proses .......................................................................................................... 46 7.4 Peralatan utama....................................................................................................... 46 7.5 Uraian Proses .......................................................................................................... 46 BAB VIII .................................................................................................................................. 50 PROSES TERMO DINAMIKA UAP ....................................................................................... 50 8.1 Umum ....................................................................................................................... 50 BAB IX .................................................................................................................................... 80 SIFAT TERMO DINAMIKA UAP ............................................................................................ 80 9.1 Pendahuluan ............................................................................................................ 80 9.2 Keadaan Gas ........................................................................................................... 80 9.3 Istilah-Istilah Penting ................................................................................................ 82 BAB X ..................................................................................................................................... 85 DASAR - DASAR KOMPRESI ............................................................................................... 85 10.1 Kompresi .................................................................................................................. 85 10.2 Sifat-sifat Kompresi .................................................................................................. 87 BAB XI .................................................................................................................................... 91 PERSAMAAN ENERGI .......................................................................................................... 91 11.1 Proses Volume Konstan .......................................................................................... 91 11.2 Proses Tekanan Konstan. ....................................................................................... 96 11.3 Proses Suhu Konstan (Isoternis). .......................................................................... 101 GAS PROCESSING v DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Sumur Gas Bumi ................................................................................................ 7 Gambar 2.2. Sumur Minyak Mentah ........................................................................................ 7 Gambar 3.1. Proses Pemisahan CO2 dan H2S dari Gas Alam dengan Larutan Amine ..... 15 Gambar 3.2. Mekanisme Pembentukan Hidrat ..................................................................... 17 Gambar 3.3. Kondisi Gas Bumi yang Jenuh dengan Uap Air ............................................... 18 Gambar 3.4. Diagram Alir Proses Glycol Gas Dehydration .................................................. 21 Gambar 3.5. Mekanisme Adsorbsi ........................................................................................ 23 Gambar 3.6. Proses dan Regenerasi Adsorbent .................................................................. 24 Gambar 3.7. Diagram Alir Proses Adsorbsi dengan Menggunakan Solid Desiccant ........... 25 Gambar 3.8. Diagram Alir Proses Mercury ........................................................................... 26 Gambar 6.1. Diagram Alir Proses Distilasi Bertekanan ........................................................ 42 Gambar 6.2. Diagram Alir Proses Pembuatan LNG ............................................................. 43 Gambar 6.3. Proses Pembuatan Gas Hidrogen Dengan Steam Reforming ........................ 44 Gambar 7.1. Diagram Alir Proses Pembuatan Gas Nitrogen ............................................... 48 Gambar 8.1. Grafik Reduced Pressure ................................................................................. 63 Gambar 8.2. Reduced Pressure ............................................................................................ 75 Gambar 9.1. Mekanisme Pembentukan Uap ........................................................................ 81 Gambar 10.1. Sistem Pendingin Suction Cooling dan After Cooling .................................... 89 vi GAS PROCESSING DAFTAR TABEL Tabel 8.1. Physical Constanta ............................................................................................... 63 Tabel 8.2. Penghitungan Pc1 dan Tc1 .................................................................................... 70 Tabel 8.3. Penyelesaian ......................................................................................................... 72 Tabel 8.4. Penyelesaian lanjutan 8.3 ..................................................................................... 73 Tabel 8.5. Physical Constants ................................................................................................ 74 GAS PROCESSING vii viii GAS PROCESSING BAB I PENDAHULUAN 1.1 Pengertian Umum Semua zat yang terdapat di alam adalah persenyawaan kimia, misalnya air, garam dapur, gas asam arang dan sebagainya. Persenyawaan kimia terdiri atas unsur-unsur kimia, misalnya H(Hidrogen), O(Oksigen), K(Kalium), Na(Natrium), dan sebagainya. Unsur-unsur kima membentuk persenyawaan kimia. 1.2 Persenyawaan Kimia Persenyawaan kimia ada dua golongan, yaitu: 1.2.1 Persenyawaan Anorganik, seperti : a. H2O (air) b. NaCl (garam dapur) c. H2SO4 (asam sulfat) dan sebagainya. 1.2.2 Persenyawaan organik, seperti : a. Hidrokarbon. b. Karbohidrat c. Lemak. d. Minyak, dan sebagainya. 1.3 Penggolongan Persenyawaan Organik Persenyawaan Organik ada dua golongan yaitu: 1.3.1 Persenyawaan Hidrokarbon Yaitu persenyawaan yang tersusun oleh unsur hidrogen dan unsur karbon. 1.3.2 Persenyawaan bukan Hidrokarbon. 1.4 Persenyawaan Hidrokarbon Persenyawaan Hidrokarbon ada empat golongan yaitu: a. Hidrokarbon Parafin atau Alkana. b. Hidrokarbon Olefin. c. Hidrokarbon Naphthen. d. Hidrokarbon Aromatik. 1.4.1. Hidrokarbon Parafin atau Alkana Hidrokarbon Parafin dengan rumus molekul C nH2n+2, mempunyai ciri stabilitasnya yang tinggi. Senyawa parafin ini mempunyai nama dengan akhiran an, misalnya metan, etan, propan, butan dan seterusnya. Contoh- contoh senyawa parafin. GAS PROCESSING 1 Normal paraffin Nama Rumus Molekul Metana Struktur CH4 H Etana C2H6 Propana C3H8 Butana C4H10 Pentana C5H1 2 H H C H H H C H H H H C C H H H H H C H H H H C C H H H H H C C H H H H H H H H C C C C C H H H H H H Iso paraffin Nama Iso Butana Rumus Molekul Struktur C4H10 H IsoPentana 1.4.2. H C H H H H C C C H H H H C H H H H H H H C C C C H H H H C H H C5H12 Hidrokarbon Olefin Hidrokarbon olefin dengan rumus molekul C nH2n tersusun oleh senyawa hidrokarbon tidak jenuh, yang mempunyai kemampuan bereaksilangsung dengan chlorine, Bromine, tanpa menggantikan kedudukan atom hidrogen. Senyawa ini selalu menggunakan akhiran ene: Ethene (Ethylene), Propene (Propylene), Butene (Butylene), dan seterusnya. Contohcontoh senyawa olefin. 2 GAS PROCESSING Nama Rumus Molekul Ethene (Ethylene) Struktur C2H4 H Propene (Propylene) C3H6 1.4.3. C = C H H H C = C H H H C= C C H H H C H H C4H8 Iso Butene (Iso Butylene) H H H C H C4H8 Butene (Butylene) H H H H C H H H C = C H C H H Hidrokarbon Naphthen Senyawa Naphthen adalah senyawa hidrokarbon jenuh dengn rumus molekul CnH2n. Senyawa ini sering disebut senyawa sikoalkana atau siklopartin karena sifat kimianya sama hidrokarbon parafin, hanya saja kimianya dengan sama sifat dengan kimia sifat kimia hidrokarbon parafin, hanya saja struktur molekulnya melingkar (cincin). Nama Siklo Propana Rumus Molekul Struktur H C3H6 H H C H C C H Siklo Butana C4H8 H H H C C H H H H C Siklo Pentana C5H10 H H C H HH C H C H H C C H H C H GAS PROCESSING H 3 Siklo Heksana C6H1 2 H H H C C H C H H H H C C H C H H H 1.4.4. Hidrokarbon Aromatik Senyawa Aromatik (Aromat)adalah senyawa hidrokarbon tidak jenuh dengan rumus molekul CnH2n-6, dan ikatan rantainya melingkar. Disini atom-atom C tersusun dalam rantai tertutup dengan inti Benzen. Contoh-contoh senyawa Aromatik: Nama Rumus Molekul Benzen C6H6 Toluen C6H5-CH3 Xylen Struktur H C H H H CH3 C6H4 CH3 4 GAS PROCESSING Soal Latihan 1. Sebutkan dan jelaskan penggolongan dari persenyawaan kimia ! 2. Jelaskan perbedaan antara senyawa organik dan anorganik! berikan contohnya! 3. Tuliskan rantai dari : a. Etana b. Butana c. Pentana d. Oktana 4. Tuliskan rantai dari : a. Propena b. Heptena c. Nonena d. Dekena 5. Tuliskan rantai dari : a. Isobutana b. Isopentana GAS PROCESSING 5 BAB II GAS 2.1 Pengertian Gas Secara Umum Gas dapat didefinisikan sebagai fluida, umumnya dengan rapatan dan kekentalan yang rendah, tidak memiliki volume tertentu, melainkan mengisi penuh wadah apa saja, di dalam mana gas tersebut disimpan. 2.2 Gas Bumi (Gas Alam) Gas bumi adalah gas yang sebagian besar asal usulnya atau sumbernya diperoleh langsung dari perut bumi (dari dalam tanah /dari sumur minyak dan gas bumi) atau dari alam, dan disebut dengan Natural Gases. Gas bumi yang langsung didapat dari alam ini sering disebut dengan Gas Alam. Apabila gas bumi ini diperolah dari sumur yang hanya menghasilkan gas saja, maka gas ini disebut dengan Non Associated gas. Non associated gas ini paling-paling keluar dari sumur gas bersamasama kondensat, yaitu gas fraksi berat (C5+) yang berbentuk cairan. Sedangkan gas bumi yang diperoleh dari sumur minyak, dan keluar bersama-sama minyak mentah sering disebut dengan Associated gas (gas alam ikutan). Gas alam yang di dalamnya masih mengandung C 3H8 (propana), C 4H10 (Butana) dan C 5H12 (Pentana) atau yang lebih berat sering disebut dengan Gas alam basah (Wet Natural Gas). Sedangkan gas alam yang sudah dipisahkan dari C3H8 (propana), C4H10 (Butana), dan C5H12 (Pentana), jadi tinggal CH4 (Metana) dan C2H6 (Etana) saja, disebut dengan Gas Alam kering (Dry Natural Gas). Pada Gambar 2.1 dan Gambar 2.2 dapat dilihat perbedaan antara associated gas dan nonassociated gas. Gas bumi ini dapat dipakai sebagai bahan bakar atau sebagai bahan baku industri petrokimia.Apabila dibanding dengan BBM (Bahan Bakar Minyak) yang berbentuk cair, gas bumi ini pada suhu dan tekanan udara sekeliling (atmosfir) sudah berbentuk gas, sehingga dalam proses pembakaran akan terbakar dengan sempurna, lebih efektif, lebih efisien, pembakarannya bersih, asap dan jelaganya sedikit, sehingga lebih sedikit menimbulkan pencemaran. 6 GAS PROCESSING Gambar 2.1. Sumur Gas Bumi Gambar 2.2. Sumur Minyak Mentah 2.3 Komposisi Gas Alam Komposisi gas alam ditinjau dari senyawa molekul karbon adalah berapa jumlah ikatan-ikatan atom C serta kandungan senyawa lain yang menyertainya. Maka komposisi gas alam dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu kandungan senyawa molekul karbon dan kandungan senyawa lain. 2.3.1 Kandungan Senyawa Molekul Karbon Gas bumi atau gas alam komposisi kimianya juga seperti minyak mentah (Crude oil), hanya lebih sederhana, terdiri atas campuran GAS PROCESSING 7 persenyawaan yang unsur utamanya terdiri atas atom-atom Hidrogen (H) dan atom karbon (C) atau sering disebut dengan persenyawaan hidrokarbon, mulai dari C1 (metana) sampai C4 (Butana) kadang ada juga C5+ (pentana serta yang lebih berat) yang sudah ada dalam bentuk cair sebagai kondensat. Dari sini dapat disimpulkan, bahan komposisi gas alam ditinjau dari senyawa molekul karbonnya hanya terdiri dari C 1 sampai C 4. Jadi penyusun gas alam hanya terdiri dari CH 4 (metana), C2H6 (etana), C3H8 (prapana), serta C 4H10 (Butana). Maka dibanding dengan minyak bumi, pada gas alam jumlah rantai atom karbonnya lebih pendek. 2.3.2 Kandungan Senyawa Lain Gas bumi atau gas alam dapat terjadi dalam keadaan sendiri atau terdapat bersama-sama dengan minyak mentah. Selain itu senyawa lain yang sering terdapat bersamanya adalah gas asam arang (karbon dioksida atau CO2), gas helium (He), mercaphthan (RSH) dan uap air (H2O) serta logamlogam/ metal. Logam berat yang terdapat adalah Vanadium (V) dan mercuri atau air raksa (Hg) Kandungan senyawa lain yang terdapat di dalam gas alam tersebut tidak dikehendaki keberadaannya, karena senyawa-senyawa tersebut merupakan zat-zat pengotor atau sering disebut dengan impurities, yang dapat mengganggu proses gas selanjutnya. 2.4 Pengarus Zat-Zat Pengotor di dalam Gas Alam Zat-zat pengotor (impurities) yang terkandung di dalam gas alam harus dikurangi hingga kandungan impuritiesnya sekecil mungkin yaitu masih pada batasbatas yang diijinkan. Adapun dampak negatip dari zat-zat impurities tersebut adalah: 2.4.1 Asam Sulfida (H2S) Senyawa belerang sebagai gas H2S dapat menyebabkan: - Pencemaran karena berbau tidak enak. - Korosif pada peralatan-peralatan proses. 2.4.2 Karbon dioksida (CO2) Kandungan CO2 di dalam gas alam dapat menyebabkan kebuntuan pada sistem perpipaan, karena bersama H2S, CO2 dapat mendorong pembentukan hidrat apabila gas alam tersebut mengalami pendinginan. 2.4.3 Uap Air (H2O) Sama seperti CO2, uap air ini akan mengembun di dalam perpipaan dimana gas dialirkan, apabila gas alam tersebut mengalami pendinginan.Dengan 8 GAS PROCESSING adanya air bebas di dalam aliran gas tersebut juga berpotensi terbentuknya hidrat.Pada kondisi ekstrim, hidrat ini akan membuat buntu sistem perpipaan. 2.4.4 Mercury ( Hg ) Mercury atau air raksa (Hg) harus dibuang karena bahan ini dapat merusak peralatan-peralatan yang terbuat dari aluminium khususnya alat pendingin utama pada unit pencairan gas alam. Penjelasan: Hidrat adalah suatu kristal yang terbentuk antara molekul-molekul air dengan molekulmolekul hidrokarbon ringan (metana, etana, dan propana) di dalam gas bumi/alam. Disamping itu adanya molekul-molekul hydrogen sulfide) H2S) dan karbon dioksida (CO2) di dalam gas bumi/alam juga dapat membentuk hidrat. GAS PROCESSING 9 Soal latihan 1. Jelaskan pengertian gas secara umum ! 2. Jelaskan pengertian gas bumi ! 3. Jelaskan perbedaan antara wet gas dengan dry gas ! 4. Gambarkan secara singkat tentang : a. Associated gas b. Non associated gas 5. Jelaskan alsan keberadaan gas H2S sangat tidak diharapkan dalam gas bumi ! 10 GAS PROCESSING BAB III PEMROSESAN GAS BUMI / GAS ALAM Gas bumi ini sebelum digunakan untuk berbagai keperluan perlu dimurnikan (distreatment) lebih dulu untuk menghilangkan zat-zat pengotor yang terkandung di dalamnya. Jenis-jenis pemrosesan gas bumi yaitu: 3.1 Amine Gas Treating Proses Amine GasTreating merupakan proses pemurnian terhadap gas bumi/gas alam, dengan menggunakan metode proses, yaitu proses absorbsi. Proses absorbsi adalah proses pemisahan sebagian dari komponen-komponen di dalam campuran gas dengan menggunakan zat cair sebagai penyerap (absorbent) yang selektif. Pemisahan ini berdasarkan perbedaan daya larut komponen-komponen gas di dalam cairan penyerap. 3.1.1. Penggolongan Cairan Penyerap Cairan penyerap ada dua golongan, yaitu: Non Regenerative Absorbent Adalah absorbent yang tidak dapat diregenerasi, sehingga hanya dapat dipergunakan sekali pakai saja. Contoh: Larutan NaOH untuk menyerap gas H2S Regenerative Absorbent Adalah absorbent yang dapat diregenerasi, sehingga dapat dipergunakan lagi sebagai penyerap (absorbent) Contoh: Larutan Alkanol Aminr (Mono Ethanal Amine, Diethanol Amine, dan Trieshanol Amine) untuk menterap impurities CO2 dan H2S di dalam gas bumi/Gas alam. 3.1.2. Peralatan yang dipergunkan untuk proses absorbsi Peralatan yang dipergunakan untuk proses absorbi ini antara lain: Kolom absorber Kolom absorber ini disebut juga kolom kontaktor, yaitu tempat terjadinya penyerapan kandungan impurities di dalam gas alam oleh cairan penyerap. Di dalam kolom kontaktor ini gas umpan masuk dari bagian bawah kolom, lalu gas umpan tersebut menuju keatas (yaitu sesuai dari sifat gas) dan terjadi kontak dengan bahan penyerap berupa cairan yang dimasukkan dari bagian atas kolom kontaktor. GAS PROCESSING 11 12 GAS PROCESSING Kolom Regenerator atau Aktivator Kolom Regenerator atau kolom aktivator dipergunakan untuk mengaktifkan kembali zat penyerap yang sudah jenuh dengan impurities berupa CO2 dan H2S di dalam kolom absorber (Kontaktor). Zat penyerap berupa larutan alkohol amine ini dialirkan masuk melalui bagian atas kolom regenerator untuk dipisahkan dari senyawa belerang dan karbon dioksida yang telah terserap di dalam larutan alkanol amine dengan cara pemanasan. 3.1.3. Uraian Proses (Lihat diagram Alir) Umpan berupa gas alam yang mengandung senyawa H 2S dan CO2 dialirkan masuk melalui bagian bawah kolom absorber, sedang larutan alkanol amine yang masih segar (lean amine solution) dialirkan masuk melalui bagian atas kolom absorber, dan bertemu dengan aliran gas yang naik ke atas sehingga terjadi kontak sekaligus penyerapan. Gas alam yang telah bebas dari CO2 dan H2S keluar dari puncak kolom absorber sebagai “Parified gas “.Larutan alkanol amine yang telah menyerap CO 2 dan H2S disebut Rich Amine Solution keluar dari dasar kolom Absorber. Larutan Alkanol Amine ini setelah lebih dulu dipanaskan di dalam HE (Heat Exchanger), kemudian dialirkan masuk melalui bagian atas dari kolom regenerator untuk dipisahkan dari impurities (CO 2 dan H2S) yang telah terserap di dalamnya dengan cara pemanasan. Pemanasan dilakukan dengan sistim reboiler yang menggunakan steam (uap air) sebagai pemanas. Senyawa belerang sebagai H2S dan karbon dioksida CO2 dalam bentuk gas keluar dari puncak kolom regenerator sebagai Acid gas dan dialirkan ke Flare untuk dibakar. Larutan Alkanol Amine yang telah bebas dari impurities CO 2 dan H2S disebut Lean Amine Solution keluar dari bagian bawah kolom regenerator. Larutan ini setelah didinginkan di dalam HE dan Cooler, kemudian dikembalikan kedalam kolom Absorber untuk digunakan lagi sebagai penyerap. 3.1.4. Kondisi operasi pada kolom Pada kolom Absorber Type : Bubble Cap Try Coloum. Kondisi Operasi: Suhu absorbsi maksimum 100o F, minimum = 50o F. Bila diatas maksimum, maka kehilangan karena penguapan (Vapow loss) larutan Alkanol Amin terlalu GAS PROCESSING 13 besar. Bila dibawah minimum, maka viskositas kekentalan absorbent akan naik sehingga efisiensi kontak akan turun. Pada kolom Regenerator Type : Bubble Cap Try coloum. Kondisi Operasi: Suhu steam pemanas maksimum 1800 C. Bila diatas maksimum, larutan alcohol Amine akan terurai. Suhu regenerasi = 90 _ 95oC. 3.1.5. Variabel operasi pada proses pemisahan CO2 dan H2S dengan larutan Alkanol Amine Pada unit pemisahan CO2 dan H2S dengan larutan Alkanol Amine, variable operasi yang terjadi adalah: Suhu larutan alkanol amine yang masuk kekolom absorber Karena proses penyerapan CO2 dan H2S dengan larutan alkanol amine bersifat eksotermis, maka makin rendah suhu larutan alkanol amine, penyerapan terhadap CO2 dan H2S semakin baik, namun ada faktor lain yang perlu diperhatikan, yaitu: - Suhu larutan alkanol amine yang terlalu rendah dapat menyebabkan kondensasi hidrokarbon berat dari gas umpan, dan akan menimbulkan peristiwa foaming (Pembentukan Busa). Untuk mencegah terjadinya foaming, suhu larutan alkanol amine dijaga 8 - 10oC diatas suhu gas umpan yang masuk ke absorber. - Suhu larutan alkanol amine yang terlalu tinggi akan mengurangi kemampuan penyerapan terhadap CO 2 dan H2S, dan meningkatkan kehilangan alkanol amine karena menguap (amine losses). Konsentrasi Larutan Alkanol Amine - Konsentrasi larutan Alkanol Amine yang rendah menyebabkan kemampuan penyerapan CO2 dan H2S berkurang sehingga diperlukan penambahan jumlah larutan Alkanol Amine yang disirkulasikan. - Konsentrasi larutan Alkanol Amine yang tinggi menyebabkan kemampuan penyerapan CO2 dan H2S semakin baik, tetapi biaya operasinya naik. Jumlah (banyaknya) larutan Alkanol Amine yang disirkulasikan Pada dasarnya, dengan menaikkan jumlah larutan Alkanol Amine yang 14 GAS PROCESSING disirkulasikan, makin banyak CO2 dan H2S yang diserap dari gas umpan. Dengan pertimbangan biaya operasi, maka jumlah larutan Alkanol Amine yang digunakan perlu disesuaikan dengan jumlah gas umpan yang diproses serta kandungan CO2 dan H2S di dalam gas umpan. Keberhasilan Regenerasi larutan Alkanol Amine Keberhasilan di dalam regenerasi ditunjukkan oleh kandungan CO2 dan H2S di dalam larutan Alkanol Amine yang telah diregenerasi (Lean Amine): - Makin rendah kandungan CO2 dan H2S di dalam Lean Amine, kemampuan penyerapan terhadap C02 dan H2S semakin baik. - Makin tinggi kandungan CO 2 dan H2S di dalam Lean Amine, kemampuan penyerapan terhadap C02 dan H 2S semakin berkurang. Gambar 3.1. Proses Pemisahan CO2 dan H2S dari Gas Alam dengan Larutan Amine Keterangan Gambar: - Sour Gas : Gas alam yang kandungan CO2 dan H2S masih tinggi. - Purified Gas GAS PROCESSING : Gas alam yang telah bebas dari kandungan CO2 dan 15 H2S. - Lean Amine Solution : Larutan Alkanol Amine yang masih murni. - Rich Amine Solution : Larutan Alkanol Amine yang telah menyerap C02 dan H2O. - - Larutan Alkohol Amine dapat berupa : MEA, DEA, TEA Acid Gas MEA = MONO ETHANOL AMINE DEA = DIETHANOL AMINE. TEA = TRIETHANOL AMINE. : Gas yang kandungannya terdiri dari CO2 dan H2S (Gas yang bersifat asam). 3.2 Proses Pengeringan Gas Gas bumi yang baru keluar dari sumur, baik yang keluar dari sumur gas atau yang keluar bersama-sama minyak mentah, mengandung uap air cukup tinggi (jenuh). Bila gas tersebut mengalami pendinginan, maka akan terjadi kondensasi dari uap air membentuk air bebas. Adanya air bebas ini dapat berakibat: - Berpotensi terbentuk hidrat di sistem perpipaan dimana gas bumi dialirkan. - Bila suhunya minus, maka akan terbentuk kristal es. Apabila hidrat tersebut berada dalam sistem perpiaan, maka laju alir dari gas akan menurun dan dalam kondisi yang ekstrim hidrat tersebut akan membuntui aliran gas dalam perpipaan. 3.2.1. Pengertian Hidrat Hidrat adalah suatu kristal yang terbentuk antara molekul-molekul air dengan molekul-molekul gas hidrokarbon ringan (Metana, Etana, Propana, dan Butana) di dalam gas bumi (Gas alam). Disamping itu adanya molekul-molekul hidrogen sulfida (H2S) dan karbon dioksida (CO2) di dalam gas bumi juga dapat membentuk hidrat. 3.2.2. Mekanisme Pembentukan Hidrat Berikut ini akan dijelaskan bagaimana hidrat dapat terbentuk di dalam sistem perpipaan dimana gas bumi dialirkan. Urutannya adalah sebagai berikut: 16 GAS PROCESSING Gambar 3. 2. Mekanisme Pembentukan Hidrat 3.2.3. Faktor-faktor utama pembentukan hidrat Ada beberapa faktor yang dapat mendorong/memicu terbentuknya hidrat, yakni: Terbentuknya air bebas di dalam sistem perpipaan. Kapan akan terjadi air bebas dalam perpipaan? Bila gas bumi mengandung uap air cukup tinggi (jenuh) dan mengalami pendinginan, maka akan terjadi air bebas (Free Water) Atau: Suhu lingkungan dimana pipa gas lewat lebih rendah dari suhu pengembunan air (water dew point) Pada umumnya gas bumi yang baru keluar dari perut bumi kandungan uap airnya tinggi atau dalam kondisi jenuh.Banyaknya kandungan uap air di dalam gas bumi dipengaruhi oleh suhu pengembunan air (water dew point) dan tekanan gas. Suhu pengembunan air (water dew point) adalah suhu gas dimana pertama kali terjadi pengembunan uap air. Pada saat itu kandungan uap air di dalam gas bumi maksimum. Contoh kondisi gas bumi yang jenuh dengan uap air: GAS PROCESSING Gas bumi yang baru keluar dari sumur. 17 - Gas bumi yang keluar dari separator, dimana dari separator tersebut keluar air akibat kondensasi dari gas bumi. - Gas bumi yang keluar dari chiller (Pendingin /Evapator). Gambar 3.3. Kondisi Gas Bumi yang Jenuh dengan Uap Air Suhu operasi gas dalam pipa dimana gas dialirkan berada pada suhu pembentukan hidrat atau lebih rendah. Air bebas akan terjadi apabila gas mengandung uap air maksimum (jenuh) dan mengalami pendinginan. Sebaliknya apabila suhu lingkungan dimana pipa gas mengalir lebih tinggi dari suhu pembentukan hidrat, maka di dalam pipa tidak akan terbentuk hidrat meskipun pada saat itu ada air bebas di dalam pipa. 3.2.4. Pencegahan pembentukan hidrat Pada pelajaran sebelumnya sudah dijelaskan faktor utama pembentukan hidrat, yakni: 18 Ada air bebas (free wafer) disistem perpipaan. GAS PROCESSING Suhu operasi gas berada pada suhu pembentukan hidrat atau lebih rendah. Bagaimana cara mencegah terbentuknya hidrat ? Dengan menginjeksikan bahan kimia yakni methanol atau glycol, Banyaknya methanol atau glycol yang diinjeksikan kedalam pipa gas tergantung dari banyaknya air bebas yang akan tebentuk di dalam sistem perpipaan. Dengan menggunakan Proses Gas Dehidrasi. 3.2.5. Proses gas dehidrasi Tujuan Proses Proses dehidrasi terhadap gas bumi bertujuan memisahkan uap air yang terkandung di dalam gas bumi/gas alam. Pemisahan uap air dari gas bumi mempunyai beberapa alasan, yaitu: - Mencegah terjadinya hidrat di dalam sistem perpipaan. - Mencegah korosi apabila ada aliran acid gas, misalnya gas belerang (H2S) Jenis-Jenis proses gas dehidrasi. Ada 3 Jenis proses gas dehidrasi yang sering digunakan, yakni: o - Proses absorsi dengan zat cair (glysol gas dehydration) - Proses absorbsi dengan zat padat. - Proses pendinginan (Refrigerasi) Gycol Gas Dehydration Glycol merupakan zat cair yang mempunyai daya serap yang tinggi terhadap air. Ada tiga macam Glycol yakni: - Ethylene Glycol. - Diethylene Glycol. - Triethylene Glycol. Ketiga macam Glycol diatas mempunyai sifat-sifat yakni : - Efisiensi absorbsi tinggi. - Lebih ekonomis karena dapat diregenerasi. - Tidak korosif dan tidak beracun. - Tidak menimbulkan problem operasional apabila digunakan dalam konsentrasi yang tinggi. - Tidak berinteraksi dengan hidrokarbon dan acid gas. Dari ketiga macam glycol tersebut, yang paling umum digunakan adalah GAS PROCESSING 19 Triethylene Glycol (TEG) karena kehilangan penguapan lebih kecil. Peralatan yang digunakan: Pada proses Glycol gas dehidration, peralatan yang digunakan antara lain: - Kolom Kontaktor adalah tempat terjadinya penyerapan uap air oleh Glycol.Di dalam kolom kontaktor dipasang beberapa tray sebagai alat kontak antara gas dan cairan Glycol. - Kolom Regenerator adalah kolom yang digunakan untuk mengaktifkan cairan Glycol yang banyak mengandung uap air, dengan cara dipanaskan sehingga uap air akan terpisah dengan cairan Glycol. o Garis Besar Proses Tempat terjadinya penyerapan uap air oleh Glycol ini disebut kontaktor atau kolom absorber, yang di dalamnya berisi beberapa susunan tray Glycol yang mengandung sedikit uap air (lean Glycol) masuk kontaktor dari bagian atas kolom, dan gas umpan (wet gas) masuk kontaktor dari bagian bawah kolom. Di dalam tray inilah terjadi kontak antara gas yang menuju keatas dan cairan Glycol yang mengalir kebawah. Glycol yang keluar dari bagian bawah kolom kontaktor ini relatip banyak mengandung uap air, yang disebut wet glycol (Rich Glycol) Wet glycol ini agar dapat dipakai lagi sebagai penyerap harus dipisahkan airnya dengan jalan dipanaskan agar air dapat menguap sehingga diperoleh dry glycol (lean glycol). Alat untuk memanaskan rich glycol ini disebut reboiler. Proses absorsi dikolom kontaktor akan berjalan secara efektif apabila suhu glycol yang masuk kontaktor relative rendah. Oleh sebab itu lean glycol yang keluar dari reboiler harus didinginkan dulu dengan menggunakan beberapa HE (Heat Exchanger) sebelum masuk kontaktor. Variabel operasi pada unit proses glycol gas dehydration. Variabel-variabel operasi yang terjadi antara lain: - Temperatur Suhu Suhu operasi dari kontaktor ditentukan oleh suhu gas umpan atau suhu lean glycol masuk kontaktor. Makin glycol, makin tinggi daya rendah suhu serapnya terhadap uap air.Akan tetapi dibatasi minimum 70oF. 20 Konsentrasi dari Lean Glycol GAS PROCESSING Konsentrsi lean glycol yang digunakan tergantung dari suhu gas umpan (Wet Gas) masuk kontaktor (Suhu operasi kontaktor) Makin rendah suhu gas umpan yang masuk kontaktor, konsentrasi lean glysol semakin rendah, dan sebaliknya. - Jumlah (Banyaknya) Glycol yang Disirkulasikan Pada dasarnya, dengan menambah jumlah glycol yang disirkulasikan, maka banyak kandungan uap air yang dapat diserap dari gas umpan. Gambar 3. 4. Diagram Alir Proses Glycol Gas Dehydration o Proses Penyerapan dengan Menggunakan Zat Padat (Solid Desiccant) Adalah proses penyerapan uap air di dalam gas alam dengan menggunakan zat padat berupa buturan-butiran yang disebut solid desiccant. Proses dehidrasi dengan menggunakan solid dessiccant, prosesnya dinamakan proses adsorbsi, dan zat penyerapnya disebut adsorbent. Gas umpan yang mengandung uap air dilewatkan di dalam suatu kolom adsorber yang mempunyai kemampuan penyerapan tertentu. Pada suatu periode tertentu, desiccant akan jenuh dan perlu diregenerasi Tingkat penyerapan tergantung pada jenis desiccant dan waktu kontak yang digunakan. Pada materi berikutnya akan dibahas proses dehidrasi terhadap gas alam dengan menggunakan solid desiccant. GAS PROCESSING Mekanisme Adsorbsi 21 Keadaan solid desiccant di dalam kolom adsorber ketika menyerap air dapat digambarkan seperti pada gambar. Di dalam kolom adsorber, adsorbent yang berupa butiran-butiran dengan ukuran 30 - 60 mesh (pada luasan 1 cm 2 berisi butiran antara 30 60 biji) ditempatkan dalam suatu lapisan yang tidak bergerak (Fixed Bed) di dalam sebuah kolom yang disebut kolom adsorber. Umpan berupa gas alam yang mengandung uap air dimasukkan dari atas kolom dan menembus lapisan solid desiccant (adsorbent), sehingga uap air yang terkandung di dalam gas umpan akan terserap. Di dalam kolom adsorber, solid desiccant terbagi menjadi 3 (tiga) daerah (Zone). Ketiga daerah tersebut bertutut-turut adalah: - Saturation zone. Adalah daerah dimana solid desiccant pada daerah ini telah jenuh dengan air, sehingga tidak mampu lagi untuk menyerap uap air. - Mass Transfer Zone. Adalah daerah dimana solid desiccant belum jenuh dengan air. Pada bagian yang paling atas, keadaan solid desiccant hampir mencapai jenuh, sedangkan makin kebawah tingkat kejenuhan dari solid desiccant belum begitu tinggi (masih rendah). - Aktive Zone. Adalah daerah dimana pori pori pada solid desiccant belum terisi air. Pada daerah ini desiccant belum berfungsi menyerap uap air. 22 GAS PROCESSING Gambar 3.5. Mekanisme Adsorbsi Regenerasi Adsorbent Apabila lapisan adsorbent di dalam kolom adsorber sudah mencapai titik jenuh (saturated) dan operasi tetap dijalankan, maka kandungan uap air di dalam gas out let (gas yang keluar dari kolom) akan berangsur naik. Keadaan ini tidak diinginkan sehingga adsorbent harus diregenerasi. Untuk regenerasi adsorbent yang sering digunakan adalah dengan cara pemanasan. Cara pemanasan langsung dikontakkan ke susunan solid dessicant (timbunan adsorbent di dalam kolom) dengan menggunakan fluida panas yang suhunya 200 - 300 oC. Pada suhu tersebut, kandungan air di dalam solid dessicant akan terlepas dan menguap ikut bersama fluida panas tersebut. Pada saat proses regenerasi, kolom adsorber dalam keadaan berhenti (tidak dioperasikan untuk proses dehidrasi) dan dialihkan ke kolom adsorber lain yang sudah siap dioperasikan, sehingga proses dehidrasi dapat berjalan secara kontinyu (terus menerus). GAS PROCESSING 23 Gambar 3.6. Proses dan Regenerasi Adsorbent Keterangan : Value 1 : Wet feed gas inlet (gas umpan masuk) Value 2 : Fluida panas + uap air keluar Value 3 : Dry gas outlet (gas bebas air keluar) Value 4 : Fluida panas masuk Proses dan Regenerasi Pada proises dehidrasi, gas umpan masuk melalui valve no 1 (valve no 2 ditutup) dan masuk kedalam kolom kontaktor menembus lapisan solid dessicant sehingga kandungan uap air dalam gas akan terserap. Kemudian setelah melewati lapisan solid dessicant, gas tersebut keluar melewati valve no. 3 (valve no 4 ditutup). Begitu seterusnya, sampai pada suatu saat kondisi solid dessicant sudah jenuh dengan air, sehingga harus diregenerasi. Pada saat regenerasi adsorbent, aliran gas umpan ditutup dengan menutup valve no.1 dan value nomor 3, sehingga proses dehidrasi pada kolom ini berhenti. 24 GAS PROCESSING Agar proses dehidrasi dapat berlanjut, maka aliran gas umpan dialihkan kekolom adsorber yang lain dimana kolom tersebut sudah siap dioperasikan. Perlu diketahui bahwa proses dehidrasi dengan menggunakan solid dessicant (adsorbent), kolom adsorber yang dipergunakan lebih dari satu, yakni apabila kolom yang satu diregenerasi, kolom satunya dapat dioperasikan untuk proses dehidrasi sehingga proses dehidrasi dapt berjalan secara terus menerus (Kontinyu). Proses regenerasi solid desiccant ini dilakukan secara periodik, yakni pada saat solid desiccant sudah jenuh dengan air sehingga tidak mampu lagi menyerap kandungn uap air di dalam gas umpan. Waktu untuk regenerasi terhadap solid desiccant tergantung dari tingkat kejenuhan solid desiccant dan jumlah (volume) solid desiccant di dalam kolom. Secara umum regenerasi ini dilakukan selama 24 jam. Setelah solid desiccant selesai diregenerasi, sambil menunggu soliddesiccant pada kolom yang dioperasikan mencapai titik jenuh, maka solid desiccant yang selesai diregenerasi sementara diistirahatkan (standby) Gambar 3.7. Diagram Alir Proses Adsorbsi dengan Menggunakan Solid Desiccant 3.3 Proses Pemisahan (Penghilangan) Kandungan Mercury (Air Raksa) di dalam GAS PROCESSING 25 Gas Alam Pada proses pemisahan kandungan mercury (Hg) dari dalam gas alam, prosesnya disebut Mercury Removal Process (Hg Removal). Peralatan yang dipergunakan berupa vessel yang di dalamnya diisi dengan karbon aktif yang mengandung sulfur. 3.3.1. Uraian Proses Gas umpan yang yang telah bersih dari uap air ini kemudian dialirkan masuk kedalam alat penyerap mercury (Mercury Removal Vessel). Disini kandungan mercury yang terkandung di dalam gas umpan akan diserap oleh karbon aktif yang mengandung sukfur tersebut, walaupun pada kenyataannya jumlah mercury yang terkandung di dalam gas umpan sangat kecil sekali. Setelah gas umpan melewati proses mercury removal, gas alam kemudian masuk ke tahap proses selanjutnya. 3.3.2. Tujuan Penghilangan Kandungan Mercury di dalam Gas Tujuan penghilangan mercury adalah untuk mencegah kerusakan peralatan-peralatan yang terbuat dari bahan aluminium, khususnya alat pendingin utama (Main Heat Exchanger) pada proses pencairan gas alam. Gambar 3.8. Diagram Alir Proses Mercury 26 GAS PROCESSING Soal Latihan 1. Jelaskan tentang proses amine gas treating ! 2. Jelaskan tentang proses absorbsi dalam amine gas treating ! 3. Sebutkan dan jelaskan secara singkat tentang peralatan dalam proses absorbsi! 4. Sebutkan kondisi operasi yang digunakan dalam kolom absorber ! 5. Gambarkan flow sheet tentang proses pemisahan CO2 dan H2S dari gas alam dengan larutan amine ! GAS PROCESSING 27 BAB IV PROSES PEMISAHAN HIDROKARBON BERAT 4.1 Pengertian Umum Proses pemisahan hidrokarbon berat merupakan pemisahan antara hidrokarbon fraksi ringan yakni Metana, Etana dengan propana dan butana dengan cara distilasi bertekanan. Prinsip dasar distilasi bertekanan adalah bahwa titik embun dari setiap komponen akan naik pada tekanan yang lebih tinggi. Dengan demikian, apabila Metan, Etan, Propan dan Butan pada tekanan atmosfir berada dalam fase gas, maka dengan menaikkan tekanan sampai batas tertentu pada masing-masing komponen, maka butan+ akan berada dalam fase cair, sedangkan propan dan fraksi yang lebih ringan berada dalam fase gas, sehingga akan memudahkan dalam pemisahannya. 4.2 Tujuan Proses Distilasi Bertekanan Tujuan dari proses distilasi bertekanan adalah memisahkan fraksifraksi minyak bumi (Hidrokarbon) yang pada suhu ambient dan tekanan atmosfir berada dalam bentuk uap atau gas. 4.3 Bahan Baku dan Hasil-Hasilnya Bahan baku (umpan) berasal dari produk puncan kolom stabilizer pada unit plat former atau gas dari proses pemurnian. Adapun produk-produk yang dihasilkan adalah: Metana, Etana, Propana, dan Butana+. - Metana selanjutnya akan masuk ke proses pencairan gas alam sebagai produk LNG (liquefied Natural Gasses). - Etana dipergunakan sebagai bahan bakar, misalnya untuk bahan bakar dapur (Furnace) sebagai Fuel Gas. - Propana dipergunakan sebagai LPG propan - Butana dipergunakan sebagai LPG Butan. 4.4 Peralatan Utama Peralatan utama yang dipergunakan pada proses distilasi bertekanan adalah: 4.4.1. Kolom Distilasi Unit ini mempunyai 2 buah kolom distilsi, yaitu kolom Depropanizer dan kolom Deethanizer. Kolom Depropanizer Kolom ini dipergunakan untuk memisahkan antara butan dengan propan serta fraksi yang lebih ringan berdasarkan perbedaan titik didih. Di dalam 28 GAS PROCESSING kolom depropanizer ini, pada tekanan tertentu butan berada pada fase cair, sedangkan propan serta fraksi yang lebih ringan berada pada fase uap (Gas). Kolom Diethanizer Kolom ini dipergunakan untuk memisahkan antara propan dengan fraksi yang lebih ringan yakni: Etana dan Metana. Prinsip pemisahannya sama yakni berdasarkan perbedaan titik didih masing-masing komponen. 4.4.2. Peralatan Penunjang Unit Gas Compressor Compressor berfungsi mengempa (menekan) gas umpan untuk mendapatkan tekanan yang tinggi guna proses distilasi di dalam kolom. Tekanan yang diperlukn sekitar 22 kg/cm2. Overhead Accumator Alat ini dipergunakn untuk menampung cairan hasil kondensasi dari uap setelah penurunan suhu di cooler, condensor dan cooler. Reboiler Alat ini dipergunakan untuk penguapan kembali cairan dengan cara pemanasan, yakni menggunakan HE (Heat Exchaner) Type Kettle Reboiler. Sebagai pemanas digunakan fluida panas, pada umumnya menggunakan steam sebagai pemanas. Disini steam dilewatkn melalui tube side dan butan cair sebagai penerima panas dilewatkan melalui shell side Reboiler ini untuk memanaskan butan cair pada dasar kolom Depropanizer. Heater Alat ini berfungsi untuk menaikkan suhu propan cair didasar kolom Deethanizer. Pada unit ini hanya terdapat sebuah Heater dengan type Pipe Coil yang menggunakan fluida panas (biasanya Steam) sebagai pemanas. Steam Coil tersebut terendam di dalam propan cair yang terdapat didasar kolom Deethanizer. Condensor Berfungsi sebagai alat untuk merubah fase uap menjadi fase cair (mengembunkan), dimana dalam proses perubahan fase tersebut tidak disertai perubahan suhu (suhunya tetap) Cooler Berfungsi sebagai alat untuk menurunkan suhu, dimana dalam proses penurunan suhu (perubahan suhu) tersebut tidak disertai perubahan fase (fasenya tetap) GAS PROCESSING 29 Reflux Pump Pompa ini berfungsi untuk memindahkan cairan yang berasaldari Overhead Accumulator untuk dikirim ke puncak Kolom Depropanizer dan Deethanizer, guna mengatur suhu pada puncak Kolom Depropanizer dan Deethenizer. 4.4.3. Uraian Proses Umpan yang berasal dari produk puncak Kolom Stabilizer pada unit Platmormer atau dari proses pemurnian gas alam dimasukkan ke dalam Kolom Depropanizer dengan menggunakan kompresor. Di dalam Kolom Depropanizer terjadi pemisahan fraksi-fraksi berdasarkan titik didih masingmasing fraksi (komponen). Dengan adanya pemanasan pada Reboiler yang terdapat pada dasar Kolom, maka fraksi propan serta fraksi yang lebih ringan akan teruapkan dan keluar melalui puncak Kolom Depropanizer. Fraksi butan dan fraksi yang lebih berat keluar dari dasar Kolom, selanjutnya masuk ke Butan Cooler, kemudian mengalir ke tangki penampung dengan tekanannya sendiri. Uap propan dan fraksi yang lebih ringan dari puncak Kolom Depropanizer diembunkan di Overhead Condensor dan cairan hasil kondensasinya setelah diidinginkan di Cooler kemudian ditampung di dalam Overhead Accumulator bersama uap yang tidak mengembun. Uap yang tidak mengembun ini melalui bagian atas Overhead Accumulator dialirkan ke alat pendingin, kemudian masuk ke Scruber Kolom untuk dipisahkan antara Metan dan Etan. Metan yang berupa uap/gas keluar melalui puncak Scruber, untuk selanjutnya menuju ke unit proses pencairan gas alam. Sedangkan Etan yang berbentuk cair, keluar melalui dasar Kolom Scruber dan dialirkan ke tangki penampung, untuk selanjutnya ke Sistem Bahan Bakar Gas (Fuel Gas System). Cairan propan yang keluar dari dasar Overhead Accumulator, sebagian dikembalikan ke puncak Kolom Depropanizer sebagai Reflux dan sebagian ke puncak Kolom Deethanizer untuk dipisahkan antara propan dan fraksi Etan yang terikut. Dengan bantuan panas yang dihasilkan dari “propan heater” yang terdapat pada dasar Kolom Deethanizer, maka Etan dan fraksi yang lebih ringan akan teruapkan dan keluar melalui puncak Kolom Deethanizer, dan bergabung dengan uap dari puncak Kolom Depropanizer, selanjutnya masuk kembali ke Overhead Condensor dan setelah didinginkan di Cooler kemudian masuk ke Overhead Accumulator. Cairan propan yang keluar dari dasar Kolom Deethanizer, 30 GAS PROCESSING didinginkan di dalam Cooler dan selanjutnya dialirkan ke tangki penampung. 4.4.4. Variabel Proses Variabel proses adalah perubahan-perubahan kondisi yang dapat mempengaruhi jalannya proses. Variabel proses pada unit ini adalah: - Suhu puncak Kolom. - Suhu dasar (bottom) Kolom. - Tekanan Kolom. - Jumlah aliran reflux. - Suhu reboiler/heater Suhu Puncak Kolom Kenaikan suhu puncak Kolom dapat mengakibatkan terikutnya fraksi berat ke puncak Kolom sehingga titik didih akhir (End Point) produk puncak (Overhead Product) menjadi tinggi, dan titik didih awal (IBP) produk dasar juga menjadi tinggi. Demikian juga sebaliknya, bila suhu puncak Kolom turun, maka titik didih akhir produk puncak Kolom menjadi rendah, dan titik didih awal (Initial Boiling Point) produk dasar juga menjadi rendah karena terikutnya fraksi ringan ke produk dasar (bottom product). Suhu Dasar Kolom Bila suhu dasar Kolom naik, maka fraksi berat akan terikut ke puncak Kolom, sehingga produk puncak Kolom akan kemasukan fraksi yang lebih berat. Bila suhu dasar Kolom turun, maka fraksi ringan akan terikut ke produk dasar (bottom product). Tekanan Kolom Kenaikan tekanan di dalam Kolom dapat menyebabkan sulitnya penguapan sehingga produk dasar (bottom product) akan bertambah jumlahnya dan produk puncak akan berkurang, demikian pula sebaliknya bila terjadi penurunan di dalam Kolom. Jumlah Reflux Jika jumlah reflux yang masuk ke Kolom berkurang, maka suhu puncak Kolom akan naik sehingga produk puncak Kolom akan menjadi lebih berat dan titik didih akhir (Final Boiling Point) menjadi lebih tinggi. Dengan demikian jumlah aliran reflux harus diusahakan seoptimum mungkin guna mendapatkan kemurnian produk yang setingi-tingginya. GAS PROCESSING 31 Suhu Reboiler/Heater Suhu Reboiler/Heater dapat mempengaruhi suhu di dalam Kolom. Tingginya pemanasan di Reboiler/Heater dapat menaikkan suhu Kolom, demikian pula sebaliknya, rendahnya pemanasan di Reboiler/Heater dapat menurunkan suhu Kolom. 32 GAS PROCESSING Soal Latihan 1. Jelaskan tentang proses pemisahan hidrokarbon berat ! 2. Sebutkan tujuan dari proses distilasi bertekanan ! 3. Sebutkan umpan dan hasil yang didapatkan dari kolom stabilizer ! 4. Sebutkan variabel proses dalam kolom stabilizer ! 5. Jelaskan fungsi dan tujuan dari reflux ! GAS PROCESSING 33 BAB V PROSES PEMBUATAN GAS ALAM CAIR 5.1 Pendahuluan Kemajuan suatu bangsa dapat diukur dari banyak sedikitnya energi yang dikonsumsi oleh bangsa tersebut. Makin banyak energi yang dikonsumsi, makin maju bangsa tersebut. Penggunaan energi dapat meningkatkan kesejahteraan umat manusia, namun ada pula dampak negatif yang berupa pencemaran lingkungan. Dengan semakin ketatnya peraturan dan perundang-undangan mengenai perlindungan lingkungan, semakin dicari jenis bahan bakar atau energi yang tidak banyak menimbulkan pencemaran lingkungan. Bila dibandingkan dengan batubara dan minyak bumi/ BBM, maka bahan bakar gas (dalam hal ini adalah gas alam) paling sedikit dampak negatif terhadap lingkungan, sehingga negara-negara maju cenderung untuk menggunakan bahan bakar gas sebagai pengganti bahan bakar minyak. Karena berat jenisnya sangat rendah, maka gas yang alam memerlukan sarana penimbunan dan pengangkutan yang sangat besar untuk keperluan export. Sebagaimana diketahui, Indonesia memiliki cadangan gas alam dalam jumlah besar. Untuk mengatasi masalah tersebut, gas alam perlu dicairkan agar dapat menggunakan tangki timbul dan kapal tangker yang tidak terlalu besar. Untuk mencairkan gas alam menjadi LNG (Liquified Natural Gasses), gas alam yang telah dibebaskan dari kandungan impurities-nya harus mengalami proses pendinginan lanjut (Refrigeration) hingga suhu yang sangat rendah. Proses refrigerasi dengan media pendingin Propan dan Multi Component Refrigerant (MCR) inilah yang dipakai untuk mencairkan gas alam menjadi LNG. 5.2 Tujuan Pencairan Gas Alam Di Gas Plant Gas alam dicairkan agar dapat dipisahkan dari komponen komponennya dengan proses distilasi (fraksinasi) sehingga diperoleh produk yang diinginkan. Untuk Memudahkan dalam handling Apabila jarak antara produsen gas dengan pembeli relatif dekat, maka gas dapat disalurkan dengan pipa, tetapi bila jarak tersebut cukup jauh, maka penyalurannya dalam bentuk cair. Dalam hal ini, LNG (Liquified Natural Gasses) dan LPG (Liquified Petroleum Gasses) dicairkan dengan cara didinginkan pada tekanan atmosfer. Gas Metan bila dicairkan, volumenya akan menyusut sekitar 34 GAS PROCESSING 1/600 kali, sedangkan gas propan akan menyusut sekitar 1/300 kali. 5.3 Sifat-sifat Hidrokarbon Ringan yang Terkait dengan Proses Pencairan Hidrokarbon Atom C3 (Propana) dan C4 (Butana) dapat dicairkan dengan cara ditekan pada suhu atmosferis. Semua Hidrokarbon gas dapat dicairkan dengan cara didinginkan pada tekanan atmosferis. Jumlah atom karbon makin besar, maka gas hidrokarbon makin mudah dicairkan (C3 lebih mudah dicairkan daripada C2 dan C1). Semua gas dapat dicairkan dengan cara ditekan pada suhu atmosferis asalkan tidak di atas “Titik Kritis” dari gas tersebut. Titik Kritis adalah suhu maksimum dimana gas masih dapat dicairkan dengan cara ditekan. Apabila suhu penekanan di atas suhu kritis, maka gas tidak akan dapat mencair berapapun tekanannya. 5.4 Metode Pencarian Gas Proses pencairan gas secara umum dapat dilakukan dengan cara: 1. Didinginkan pada tekanan atmosfer. 2. Ditekan pada suhu atmosfer Semua gas dapat dicairkan dengan cara didinginkan pada tekanan atmosfer asalkan tersedia media pendingin yang sesuai, yaitu mencapai suhu pada titik embun gas itu, atau lebih rendah. Contoh: Titik embun C1 (Metana) pada tekanan atmosfer = -162˚C. Titik embun C2 (Etana) pada tekanan atmosferis = -89˚C. Dari keterangan di atas, maka untuk mencairkan C1 pada tekanan 1 atm Æ perlu media pendingin yang mampu mendinginkan gas tersebut sampai suhu -162˚C atau lebih rendah. Untuk mencairkan C 2 pada tekanan 1 atm Æ perlu media pendingin yang mampu mendinginkan gas tersebut sampai suhu -89˚C atau lebih rendah. 5.5 Unit Proses Pembuatan Gas Alam Cair (LNG) 5.5.1. Tahap-tahap dalam proses pembuatan Gas Alam Cair (LNG) Proses pembuatan Gas Alam cair (LNG) meliputi tahap-tahap sebagai berikut: Proses Penyerapan CO2 dan H2S Proses ini dilakukan di Plant-1 atau biasa disebut dengan “CO2 & H2S Absorbtion Unit”. Di Plant ini CO 2 & H2S dipisahkan dari dalam gas umpan (gas alam) dengan memakai larutan Alkanol Amine yaitu larutan GAS PROCESSING 35 MEA (Mono Ethanol Amine) sebagai bahan penyerap (absorbent). Kemudian larutan MEA yang telah jenuh dengan CO 2 dan H2S diregerasi /diaktifkan kembali. Proses Penghilangan Uap Air dan Air Raksa (mercury) Proses ini dilakukan di Plant-2 atau disebut dengan Dehidration Unit & Mercury Removal Unit. Di unit ini, uap air yang ada di dalam gas umpan dipisahkan dengan cara penyerapan oleh zat penyerap Molecular Sieve/Solid Desiccant, kemudian gas yang sudah bebas uap air dilewatkan melalui Mercury Removal Vessel untuk menyerap kandungan mercury (air raksa). Proses Penghilangan/Pemisahan Hidrokarbon Berat Proses ini dilakukan di Plant-3 atau disebut dengan Scrub Column & Fractionation Unit. Proses penghilangan hidrokarbon berat dilakukan dengan cara Fraksinasi Light End / Distilasi bertekanan. Proses Pendinginan atau Refrigerasi. Proses ini dilakukan di Plant-4 atau disebut dengan Refrigeration Unit. Ada 2 macam sistem refrigerasi yang dipakai yaitu: - Sistem refrigerasi dengan media pendingin propana (Propane Refrigeration Unit) Propana dipakai untuk mendinginkan gas umpan dan media pendingin MCR (Multi Component Refrigerant). - Sistem refrigerasi dengan media pendingin MCR (Multi Component Refrigeration Unit) Dalam proses ini, MCR yang telah didinginkan oleh propana, selanjutnya digunakan untuk mendinginkan lanjut gas umpan yang telah didinginkan terlebih dahulu dengan propana. Campuran bahan untuk MCR adalah Nitrogen, Metana, Etana dan Propana. Proses Pencairan. Proses ini dilakukan di Plant-5 atau disebut Liquefaction Unit. Gas umpan yang telah didinginkan lebih dulu oleh Propana Refrigeration Unit, selanjutnya oleh MCR Refrigeration Unit didinginkan lebih lanjut dan dicairkan di dalam Alat Pendingin lanjut yang disebut Main Heat Exchanger menjadi gas alam cair (LNG). 5.5.2. Uraian Singkat Proses pembuatan LNG Gas alam sebelum dicairkan menjadi LNG terlebih dahulu dibersihkan dari senyawa-senyawa yang tidak dikehendaki seperti CO 2, H2S, 36 GAS PROCESSING H2O, Hg dan hidrokarbon berat (C5H12+), yang gunanya untuk mencegah halhal yang dapat mengganggu proses pencairan pada suhu yang sangat rendah. Gas alam yang diterima dari lapangan-lapangan dan yang diterima dari proses lain, dengan melalui pipa saluran bergabung menjadi satu aliran yang selanjutnya dialirkan ke Unit Pencairan Gas (NGL) Plant pada tekanan sekitar 600 psig. NGL = Natural Gass Liquefaction 600 psig = • 42 kg/cm2 Gas umpan (gas alam) ini dilewatkan dalam sebuah kolom yang dinamakan CO2 & H2S Absorber, dimana kandungan CO2 & H2S akan diserap dari dalam gas umpan dengan memakai larutan Alkanol Amine yaitu MEA (Mono Ethanol Amine). Larutan MEA yang telah menyerap CO2 & H2S selanjutnya diaktifkan kembali atau diregenerasi di dalam suatu sistem regenerasi (Regenerator Column) untuk melepaskan CO2 & H2S dengan cara pemanasan (Stripping). Kemudian larutan MEA yang telah diregenerasi tadi dialirkan kembali ke Kolom Absorber untuk menyerap CO 2 & H2S yang lain dari dalam gas umpan. Demikian operasi ini berlangsung secara terus menerus. Tujuan dari pemisahan CO2 & H2S dari dalam gas umpan adalah untuk menghindari problema pembekuan di dalam peralatan-peralatan proses ketika gas dalam proses pendinginan dan pencairan. Selain itu adanya zaat yang bersifat asam dapat menyebabkan korosi pada peralatan Gas umpan yang telah bersih dari kandungan CO 2 & H2S selanjutnya dilewatkan melalui Unit Pengering (Drier) untuk menyerap kandungan uap air dengan memakai bahan penyerap Molecular Sieve (Solid Desiccant) sampai kadar air di dalam gas alam mencapai batas-batas maksimum yang diizinkan. Ada 2 buah Unit Pengering yang bekerja secara bergantian, apabila Drier yang satu sedang bekerja/beroperasi untuk menyerap uap air dari dalam gas umpan, maka Drier yang satu lagi sedang diaktifkan kembali/diregenerasi. Proses regenerasi Unit Pengering dilakukan dengan cara mengalirkan gas yang telah lebih dulu dipanaskan pada suhu sekitar 270˚C oleh suatu Heater, dengan cara berlawanan arah ke dalam Unit Pengering tersebut. Gas regenerasi yang telah mengandung uap air ini setelah dibuang/dipisahkan airnya dengan menggunakan alat pendingin Condensor, kemudian dikembalikan ke aliran gas umpan yang akan masuk ke Unit Pengering. Penghilangan uap air dari gas umpan juga dimaksudkan untuk mencegah terjadinya pembekuan di dalam peralatan-peralatan proses ketika GAS PROCESSING 37 gas alam dalam proses pendinginan dan pencairan. Selanjutnya gas alam yang telah bersih dari uap air dialirkan melalui alat penyerap mercury/ air raksa (Mercury Removal Vessel). Kandungan mercury di dalam gas alam diserap dengan menggunakan penyerap karbon aktif yang mengandung sulfur, sehingga sulfur akan mengikat mercury dari dalam gas alam yang melewati bahan penyerap karbon tadi, walaupun pada kenyataannya kandungan mercury dalam gas alam sangat kecil sekali. Mercury harus dibuang karena bahan ini dapat merusak peralatan- peralatan yang terbuat dari alumunium, khususnya alat pendingin utama yaitu Main Heat Exchanger. Gas alam (gas umpan) yang keluar dari Mercury Removal Unit kemudian dilewatkan melalui alat pendingin/Evaporator untuk didinginkan sampai pada suhu sekitar -27˚C agar dapat dipisahkan dari kandungan hidrokarbon beratnya. Pemisahan hidrokarbon berat dilakukan di dalam Scrub Column Unit, dimana fraksi ringan keluar dari bagian atas (top) Scrub Column, kemudian didinginkan di dalam alat pendingin/Evaporator sampai suhu sekitar -34˚C, lalu dialirkan ke alat pendingin utama (pendingin lanjut) untuk proses pencairan. Sedangkan fraksi-fraksi berat keluar dari bagian bawah (bottom) Scrub Column, dialirkan ke Unit Fraksinasi untuk selanjutnya dipisahkan ke dalam komponen-komponennya yaitu Ethana, Propana dan Butana serta hidrokarbon paling berat (C5+) . Komponen-komponen yang dihasilkan terutama propana dan butana sebagian dicampurkan ke aliran gas yang masuk ke alat pendingin utama (Main Heat Exchanger) untuk dicairkan bersama-sama dengan aliran gas umpan. Gunanya adalah untuk menaikkan nilai BTU (British Thermal Unit) atau nilai kalori dari LNG yang dihasilkan. Sedangkan sebagian dari komponen-komponen tersebut disimpan di dalam tangki timbun untuk bahan “Refrigerant Make Up” dan untuk bahan bakar LPG. Fraksi hidrokarbon paling berat (C5+) dari hasil akhir fraksinasi dikirimkan ke tangki penampung sementara, untuk selanjutnya dikirim kembali ke lapangan untuk dipakai sebagai bahan pencampur crude oil, atau dipakai sebagai komponen MOGAS (campuran bahan bakar bensin). Aliran gas umpan yang telah didinginkan oleh sistem refrigerasi dengan media pendingin propana kemudian di dalam Main Heat Exchanger (Main HE) didinginkan lebih lanjut dan dicairkan menjadi LNG dengan pertolongan Sistem Refrigerasi dengan media MCR (Multi 38 GAS PROCESSING Component Refrigerant). MCR dengan suhu sekitar -34˚C oleh sistem pendingin propana dan tekanan sekitar 35 kg/cm2 diekspansikan di dalan Shell dari Main Heat Exchanger menjadi sekitar 2,5 kg/cm2 sehingga terjadi penurunan suhu yang sangat rendah dari MCR di dalam Shell dan akhirnya MCR mampu untuk menurunkan suhu gas umpan dan mencairkannya menjadi LNG pada suhu sekitar -160˚C. Selanjutnya LNG yang dihasilkan dari Main Heat Exchanger ditampung di dalam tangki penampung sementara (Drum/Vessel), yang akhirnya dipompakan ke tangki timbun, menunggu saatnya didistribusikan/ dikapalkan untuk diexport. GAS PROCESSING 39 Soal Latihan 1. Apa yang dimaksud dengan LNG ! 2. Jelaskan tujuan dari proses pencairan gas alam ! 3. Sebutkan dan jelaskan 2 (dua) metode dari pencairan gas alam ! 4. Jelaskan bagaimana proses penghilangan uap air dan air raksa ! 5. Sebutkan dan jelaskan 2 macam proses pendinginan ! 40 GAS PROCESSING BAB VI PROSES PEMBUATAN GAS HIDROGEN DENGAN STEAM REFORMING 6.1 Prinsip Proses Reaksi kimia antara Metana dengan Steam (H2O) CH4 + H2O Æ CO + 3H2 CO + H2O Æ CO2 + H2 6.2 Uraian Proses Umpan berupa Metana (CH4) dan Steam (uap air) dipanaskan di dalam seksi konveksi dari Furnace dan dialirkan ke dalam Furnace Tube yang berisi katalis pada suhu 900˚C. Katalis yang dipakai : Nickel Oxide. Reaksi kimia yang terjadi : CH4 + H2O Æ CO + 3H2 Gas hasil reaksi yang didinginkan sampai 400˚C dan dialirkan ke dalam First Stage Reactor (Converter) yang berisi katalis. Katalis yang dipakai : Iron Oxide. Sebagian besar dari CO diubah menjadi CO2 dan H2O. Reaksi kimia yang terjadi : CO + H2O Æ CO2 + H2 Hasil yang keluar dari First Stage Reactor didinginkan sampai 200-250˚C dan dialirkan ke dalam Second Stage Reactor guna mengubah CO yang belum bereaksi. Gas yang keluar dari Second Stage Reactor dialirkan ke dalam Menara Penyerapan (Absorber) dimana CO2 akan diserap oleh larutan MEA (Mono Ethanol Amine). Gas yang keluar dari Absorber kemudian dialirkan ke dalam Methanator (Reaktor untuk proses methanasi yaitu pembentukan metana), dimana CO dan CO2 yang masih tersisa akan bereaksi dengan gas H 2 menjadi metana. Reaksi yang terjadi: CO + 3H2 Æ CH4 + H2O CO2 + 4H2 Æ CH4 + 2H2O Katalis yang dipakai : Nickel Gas yang keluar dari Methanator adalah gas Hidrogen yang mengandung sedikit CH4 dan diambil sebagai produk. Gas Hidrogen yang dihasilkan mempunyai kemurnian 95% dan banyak dipergunakan untuk berbagai macam keperluan. GAS PROCESSING 41 6.3 Kondisi Operasi pada Reforming Furnace Suhu umpan keluar dari Furnace Tube : 900˚C Tekanan umpan = 150 psig Steam/ HC ratio = 3:1 Gambar 6.1. Diagram Alir Proses Distilasi Bertekanan 42 GAS PROCESSING Gambar 6.2. Diagram Alir Proses Pembuatan LNG GAS PROCESSING 43 Gambar 6.3. Proses Pembuatan Gas Hidrogen Dengan Steam Reforming 44 GAS PROCESSING Soal Latihan 1. Tuliskan reaksi kimia antara metana dengan steam ! 2. Jelaskan kondisi operasi pada reforming furnace ! 3. Jelaskan proses yang terjadi pada flowsheet berikut ini : GAS PROCESSING 45 BAB VII PROSES PEMBUATAN GAS NITROGEN Proses pembuatan Gas Nitrogen dilakukan disuatu unit proses yang disebut Nitrogen Plant. 7.1 Bahan Baku Bahan pembuatan Gas Nitrogen adalah Udara. Di dalam udara terkandung Nitrogen yang cukup besar yakni sekitar 79 %, dan Oksigen sekitar 21 %. 7.2 Produk Dari proses ini akan dihasilkan Gas Nitrogen dan Cairan Oksigen. 7.3 Prinsip Proses Dalam pembuatan Gas Nitrogen ini memakai prinsip proses, yaitu udara dicairkan dengan cara kompresi dan ekspansi, kemudian udara cair tersebut dipisahkan menjadi Oksigen dan Nitrogen di dalam kolom Fraksinasi/ rektifikasi berdasarkan titik didih masingmasing komponen. Titik Didih Oksigen : - 183 0 C pada tekanan 1 atm. Titik didih Nitrogen : - 195 0 C pada tekanan 1 atm. 7.4 Peralatan utama Peralatan utama yang dipergunakan adalah kolom fraksinasi/reksifikasi, dimana kolom fraksinasi ini terbagi manjadi 2 (dua) bagian, yaitu kolom fraksinasi atas dan kolom fraksinasi bawah. 7.5 Uraian Proses 7.5.1. Urutan Proses (1) Udara umpan dengan tekanan sekitar 200 atm didinginkan di dalam HE (Heat Exchanger) oleh produk gas Nitrogen dingin, kemudian mengalir kedalam „pipe coil“ yang ada didasar kolom fraksinasi bawah, selanjutnya dieksponsikan melalui Expansion Valve (EV) dari tekanan 200 atm diturunkan menjadi 4-6 atm. (2) Udara tersebut menjadi dingin terus mencair dan masuk kekolom Fraksinasi bawah pada (C). (3) Didalam kolom Fraksinasi bawah tersebut, udara cair turun kebawah melalui tray-tray dan mengalami fraksinasi. Dasar kolom ini menerima panas dari aliran udara tekan yang mengalir di dalam pipe coil. Cairan yang kaya akan Oksigen mengumpul didasar kolom pada (b), sedang Nitrogen menguap keatas. 46 GAS PROCESSING (4) Cairan yang kaya akan Oksigen ini mengalir melalui katup keluar (e) dan masuk ke dalam kolom Fraksinasi atas pada (f) karena adanya perbedaan tekanan antara kolom Fraksinasi bawah (4-6 atm) dan kolom Fraksinasi atas (1,3 atm). (5) Di dalam kolom Fraksinasi atas, cairan yang kaya akan Oksigen tersebut turun melalui tray-tray sambil melepaskan uap Nitrogen yang terbawa dan terkumpul pada (h) sebagai cairan Oksigen dengan kemurnian diatas 90 %, dan dikeluarkan dari kolom sebagai produk. (6) Di dalam kolon Fraksinasi bawah, Uap Nitrogen naik keatas, masuk kedalam pipa tegak menuju keatap yang berbentuk kubah (dome). Uap Nitrogen pada waktu menyentuh atap terus mengembun dan mengalir pada sisi bawah atap dome menuju ketepi atap dan jatuh ketalang pada (k). (7) Cairan yang kaya akan Nitrogen ini mengalir melalui valve (e), masuk ke HE (m) kemudian mengalir keatas dan masuk ke Kolom Fraksinasi atas pada (n) karena adanya perbedaan tekanan. (8) Cairan yang kaya akan Nitrogen tersebut turun kebawah melalui tray-tray. Disini uap Nitrogen yang telah bebas dari oksigen keluar sebagai produk melalui puncak Kolom Fraksinasi atas pada (o), kemudian melalui HE (m) dan selanjutnya melalui HE (p) guna mendinginkan udara tekan (umpan) yang baru masuk. GAS PROCESSING 47 Gambar 7.1. Diagram Alir Proses Pembuatan Gas Nitrogen Keterangan gambar: a. Jalan masuk bagi udara dengan tekanan 200 atm. b. Tempat berkumpul udara cair yang kaya akan oksigen. c. Udara yang telah dingin dan cair memasuki Kolom Bawah. d. Kolom Rektifikasi Bawah. e. Katup keluar (exit valve) bagi cairan yang mengandung ±40 % oksigen. f. Cairan kaya akan oksigen yang memasuki Kolom Rektifikasi Atas. g. Kolom Rektifikasi Atas. h. Tempat berkumpulnya oksigen cair. i. Katup keluar bagi oksigen cair dengan kemurnian 90 % atau lebih. j. Sarana pengembun berupa kumpulan pipa dan kubah (condensing tubes and (dome) untuk Kolom Rektifikasi Bawah. k. Hasil puncak kolom Rektifikasi Bawah yang telah mengembun dan kaya akan nitrogen. l. Katup keluar (Relieve valve) bagi cairan yang kaya akan nitrogen yang akan mengalir ke Kolom Rektifikasi Atas. m. Alat Penukar Panas antara cairan yang kaya akan nitrogen dengan gas nitrogen. n. Cairan kaya nitrogen memasuki Kolom Atas. o. Gas nitrogen dingin keluar dari puncak Kolom Atas. p. Alat Penukar Panas antara udara tekan yang baru masuk dengan gas nitrogen yang keluar. 48 GAS PROCESSING Soal latihan 1. Sebutkan bahan baku dari proses pembuatan gas nitrogen ! 2. Jelaskan prinsip proses dari pembuatan gas nitrogen ! 3. Jelaskan uraian proses dari pembuatan gas nitrogen ! 4. Gambarkan diagram alir dalam proses pembuatan gas nitrogen ! 5. Sebjtkan kegunaan dari gas nitrogen tersebut dalam dunia industri ! GAS PROCESSING 49 BAB VIII PROSES TERMO DINAMIKA UAP 8.1 Umum Dalam bab ini akan dibahas tentang hukum-hukum termodinamika yang banyak diterapkan dalam proses termodinamika uap. Di dalam hukum termodinamika menjelaskan bahwa energi dapat dinyatakan dalam berbagai bentuk, yakni dapat berupa energi mekanik, energi panas, energi listrik, dll. Di dalam proses termodinamika, kemungkinan mengalami proses kompresi atau ekspansi yang dapat berlangsung pada volume konstan, tekanan konstan, temperatur/suhu konstan, adiabatis, dan politropis. Masing-masing proses tersebut mempunyai karakteristik yang berbeda antara satu dengan lainya. 8.1.1. Hukum Gas Sempurna. Sifat-sifat fisik gas sempurna dalam kenyataanya sangat dipengaruhi oleh tiga variabel berikut : (1) Tekanan. (2) Volume yang ditempati. (3) Suhu. Hubungan antara ketiga variabel tersebut telah dipelajari oleh tiga orang ahli fisika bernama Robert Boyle, Frenchnan Jacques A.C.Charles, Gay-Lusac, yang masing-masing menyatakan suatu hukum yang berlaku pada gas sempurna seperti berikut : (1) Hubungan antara Tekanan dan Volume. Hubungan antara tekanan dan volume gas dalam proses kompresi tersebut dapat diuraikan sebagai berikut: Jika selama kompresi suhu gas dijaga tetap, maka pengecilan volume menjadi ½ kali akan menaikkan tekanan menjadi 2 kali lipat. Demikian juga jika volume diperkecil menjadi 1/3 kali, maka tekanan akan naik menjadi 3 kali lipat, dst. Jadi secara umum dapat dikatakan sebagai berikut: “Jika gas dikompresikan (atau diekspensikan) pada suhu tetap, maka perubahan tekanan gas tersebut akan berbanding terbalik dengan volumenya“ Pernyataan ini dikenal dengan Hukum Boyle dan dapat dirumuskan pula sebagai berikut: 50 GAS PROCESSING Jika suatu gas mempunyai volume V1 dan tekanan P1 dimampatkan atau diekspensikan pada suhu tetap hingga volumenya menjadi V2, maka tekanan gas akan menjadi P2 dan hasil perkaliannya tetap, sehingga: P1 V1 = P2 P2 = tetap Disini tekanan dapat dinyatakan dalam satuan kg/cm 2 atau Pa. Dan volume dinyatakan dalam satuan m3. (2) Hubungan antara suhu dan volume. Seperti halnya zat padat dan zat cair, gas akan mengembang jika dipanaskan pada tekanan tetap. Dibandingkan dengan zat padat atau zat cair, gas mempunyai koefisien muai yang jauh lebih besar. Dari pengukuran koefisien muai berbagai gas, diperoleh kesimpulan sebagai berikut: “Semua jenis gas apabila dinaikkan suhunya sebesar 1ºC pada tekanan tetap, maka akan mengalami pertambahan volume sebesar 1/273 dari volume semula pada 0 oC. Dan sebaliknya, apabila suhunya diturunkan sebesar 1oC, maka akan mengalami penyusutan volume dengan proporsi /perbandingan yang sama“. Pernyataan tersebut dikenal sebagai Hukum Charles.Hukum ini dapat dirumuskan pula sebagai berikut: Jika suatu gas pada 0ºC mempunyai volume Vo, maka pada suhu t1oC untuk tekanan yang sama, gas tersebut akan mempunyai volume V1, dimana 1 V1 = Vo + —— 273 t1 t1. Vo = Vo ( 1 + — ) 273 Pada suhu t2oC untuk tekanan yang sama pula, gas mempunyai volume t2 ( 1 + —— ) 273 Jika kedua persamaan tersebut diperbandingkan, maka diperoleh persamaan V2 = Vo seperti berikut : V1 ( 273 + t1 ) —— = ————— V2 ( 273 + t2 ) Simbol „ t „ menyatakan suhu dalam skala oC (Celcius). Skala ini mempunyai harga 0 ºC pada titik beku air dan harga 100 ºC pada tiik didih air pada tekanan 1 atmosfir. Di samping skala Celcius, dapat juga dipakai skala GAS PROCESSING 51 o Kelvin (ºK) dimana 0 ºK = - 273 ºC. Suhu yang didasarkan pada skala ºK ini disebut suhu mutlak gengan simbol T. Adapun hubungan antara t dan T dapat ditulis sebagai berikut: T ºK = 273 + t ºC Jika suhu dinyatakan dalam suhu mutlak (ºK), maka diperoleh persamaan seperti berikut: V1 —— V2 = T1 —— T2 Jadi menurut persamaan ini, hukum Charles dapat pula dikatakan sebagai berikut: “Pada proses tekanan tetap, volume gas berbanding lurus terhadap suhu mutlaknya, dan harga perbandingannya tetap”. V1 —— T1 = V1 —— = tetap T2 (3) Hubungan antara Tekanan dan Suhu Jika gas dipanaskan pada suatu ruangan tertutup dimana ia tidak dapat berekspansi (mengembang), maka sebagai akibatnya tekanan di dalam ruangan tersebut akan naik. Perilaku gas seperti inilah yang telah diteliti oleh Goy Lusac, dan menyatakan sebagai berikut: “semua gas jika tekanannya berbanding dipertahankan pada lurus volume tetap, maka perubahan terhadap suhu mutlaknya, dan harga perbandingan tekanan terhadap suhunya konstan/tetap“. P1 —— T1 = P1 —— = tetap T2 (4) Persamaan Keadaan. Hukum Boyle, Charles dan Goy Lusac dapat digabungkan yang disebut hukum Boyle-Goy Lusac yang dapat dinyatakan sebagai berikut: P1.V1 P1.V2 ——— = ———— = tetap T1 T2 52 GAS PROCESSING Avogadro menyatakan bahwa semua gas pada tekanan dan suhu normal (p = 1 atm dan t = 0ºC atau T = 273ºK) setiap grol (grammol) menempati volume sebesar 22,4 liter atau V = 22,4 liter/grol. Dengan demikian besarnya konstanta gas umum (R) dapat dinyatakan sebagai berikut : P.V ——— T R= = 0,08205 1 atm.22,4 liter/grol = 273ºK ltr.atm ———— grol ºK R dengan satuan tertentu harganya tetap untuk semua gas, namun berbeda untuk satuan yang berbeda. Berikut beberapa harga R dengan berbagai satuan: Harga Numerik Satuan ltr.atm 0,08205 ———— grol. ºK 82,05 atm..cm3 ———— grol. ºK 10,73 psia.ft3. ———— lbmol ºR 0,73 atm,ft3 ———— lbmol ºR atm,ft3 ———— lbmol ºK BTU ———— lbmol ºR 1,315 1,985 cal ———— grol ºk 1,975 Dengan demikian, untuk n grol gas berlaku rumus berikut P.V = n.R.T dimana: GAS PROCESSING 53 P = Tekanan mutlak dari gas ( psia, atm) V = Volume gas ( m3, liter,ft3) n = Massa gas ( grol,kgmol, lbmol) R = Konstanta gas umum. T = Suhu mutlak dari gas (ºK, ºR) Contoh soal 1: Berapa besarnya Konstanta gas (R), kalau volume dalam liter, tekanan dalam atm, suhu dalam oK, sedangkan n = 1 grol. Penyelesaian : 1 grol setiap gas pada kondisi standart (1 atm, 0ºC), volumenya = 22,4 liter Æ Pernyataan Avogadro. Dari data di atas, dapat ditulis ; D1 : n = 1 grol P = 1 atm V = 22,4 liter T = 0 ºC = (0 + 273) ºK = 273 ºK D2 : R …? D3 : Persamaan gas P.V = n.R.T. 1 atm,22,4 liter R= 1 grol.273ºK ltr.atm R = 0,08205 ———— grol. ºK Contoh Soal 2: Berapa besarnya Konstanta gas (R), kalau volume dalam ft3, tekanan dalam psi, suhu dalam ºR (Renkine), dan massa (n) 1lbmol (lbm). Penyelesaian: 1lbm setiap gas pada kondisi standard volumenya = 359ft3. Dari data di atas, dapat ditulis D1 : n = 1 lbm P = 1 atm = 14,7 psi V = 359 ft3 T = 32 ºF = (32 + 460) ºR = 492ºR D2 54 : R …? GAS PROCESSING D3 : Persamaan gas P.V = n.R.T R = P V/n T R 14,7 psi. 359 ft = ——————— 1 lbm.492 ºR R psi ft3 = 10,73 ———— lbm ºR Contoh soal 3 : Suatu ruangan berukuran : Panjang = 5 m, lebar = 4 m, tinggi = 3m, suhu ruangan = 30 ºC, dan tekanan = 1 atm. Ruangan tersebut berisi udara. Berapa massa (n) udara di dalam ruangan tersebut, jika besarnya konstanta gas ( ) Penyelesaian : D1 :p =5m l =4m t =3m Volume = 5m x 4m x3m = 60m3 = 60.000dm3 Maka volume ruangan = 60.000 liter V = 60.000 liter P = 1 atm T = 30oC = (30 + 273) oK = 303 oK R = 0,08205 D2 : Massa udara (n) …? D3 : Persamaan gas P.V = n.R.T n = P.V/R.T 1 atm . 60000 ltr = ltr atm 0,08205 ————.303 ºK grol ºK n GAS PROCESSING = 2.413,404 grol 55 Contoh soal 4 : Tabung berisi oksigen mempunyai tekanan 1,5 atm, massa (n) = 0,61 grol, temperatur = 27 ºC, Konstanta gas Berapa volume gas oksigen tersebut ? Penyelesaian: D1 : P = 1 ,5 atm n V T = 0,61 grol = 359 ft3 = 27 ºC = (27 + 273) ºK = 300ºK D2 : V …? D3 : Persamaan gas P.V = n.R.T V = n.R.T ——— P ltr.atm 0,61 grol. 0,08205 ———— . 300ºK grol ºK = ——————————————— 1,5 atm = 10,01 liter. V = ~10 liter Contoh Soal 5 : Gas Hidrogen di dalam bejana mempunyai Tekanan =1,5 atm, Volome = 1000 liter Massa = 610 grol tr,atm Konstanta gas = 0,08205 ———— grol ºK Berapa ºC suhu gas Hidrogen didalam bejana? Penyelesaian: D1 56 : p = 1 ,5 atm V n = 1000 liter = 610 grol. R = 0,08205 ltr atm ———— grol ºK GAS PROCESSING D2 : T …? D3 : Persamaan gas P.V = n.R.T T PV = ——— n.R T 1,5 atm.1000 ltr = ————————————— ltr atm 610 grol.0,08205 ————— grol. ºK = 299,697 ºK = 300 ºK = (300-273) ºC T = 27 ºC Contoh soal 6 : Gas Nitrogen di dalam Vessel mempunyai : Volume = 359 ft3 Temperatur = 32 ºF Massa = 1 lbmol psia ft3 Konstanta gas = 10,73 ———— lbm. ºR Berapa tekanan gas Nitrogen di dalam Vessel ? Penyelesaian : D1 : V = 359 ft3 n T = 1 lbm = 32 .ºF = (32 + 460) ºR = 492 ºR psia ft3 = 10,73 ———— lbm. ºR R D2 : P …? D3 : Persamaan gas P.V P = n.R.T n.R.T = ——— V psia ft3 1 lbm.10,73 ————. 492 ºR lbm. ºR = -----------------------------------------359 ft3 GAS PROCESSING 57 P = 14,7 psia Soal-soal: 1. Gas oksigen di dalam suatu balon dengan Volume = 10 liter, Tekanan = 1,5 atm dan Temperatur = 300 ºK ltr.atm Konstanta gas ———— = 0,08205 grol. ºK Hitung masa gas oksigen (n) 2. Bila kemudian balon mengalami bocor, sehingga volume oksigen di dalam balon tinggal separuhnya, dan tekanannya tiggal 1,2 atm. Berapa massa (n) oksigen yang hilang (bocor), bila suhu awal sama dengan suhu akhir. 3. Berapa volume gas Hidrogen, bila diketahui : Suhu gas = 32 ºF Tekanan = 1 atm. Massa gas = 1 lbm psia ft3 Konstanta gas = 10,73 ———— lbm. ºR 4. Udara didalam ruangan mempunyai Massa gas = 965,362 grol. Temperatur = 30 ºC Tekanan = 1 atm ltr.atm Konstanta gas = 0,08205 ——— grol. ºK Hitung Volume udara. (5) Specific Gravity (SG) Gas Specific Gravity gas adalah perbandingan antara density udara pada suhu dan volume yang sama, pada suhu dan volume yang sama, r zat SG = ———— r dipilih 58 GAS PROCESSING - Untuk zat cair : Yang dipilih sebagai pembanding adalah air - Untuk Gas : Yang di[ilih sebagai pembanding adalah udara. Untuk gas, SG dapat dihitung dengan formula: SG = SG = BM BM gas ————— Æ untuk gas murni BM Udara BM gas ————— Æ untuk gas campuran. BM Udara = Berat molekul. BM gas dapat dilihat/dicari di tabel, sedangkn BM udara dapat dihitung dengan formula: BM udara = 21 %. BM 02 + 79 %..BM N2 = 0,21.32 + 0.79.28 = ~29 Satuan untuk BM: gram/grol, lb/lbmol, kg/kgmol. Contoh 1. Menghitung SG gas Metana (CH4). Dari tabel diperoleh harga BM CH4 = 16 lb/lbmol BM udara SG C1 = 29 lb/lbmol = 16lb/lbmol ————— 29lb/lbmol = 0,5517. Contoh 2. Menghitung SG N2 , Dari tabel diperoleh BM N2 = 28 lb/lbmol BM N2 = 28lb/lbmol ————— 29lb/lbm = 0,9655 (6) Densitas Gas Densitas gas sangat dipengaruhi oleh variabel operasi (suhu, tekanan, dan volume), dan dinyatakan sebagai banyaknya berat G (massa) per satuan volume ( r = ——— ) V Dimana: GAS PROCESSING 59 r (rho) = Densitas/Density Gas. G = Beras gas. V = Volume Gas. Dengan mengacu pada persamaan umum gas sempurna, maka persamaan tersebut dapat dimodifikasi untuk menentukan besarnya densitas gas sebagai berikut : P.BM r = ——— R.T Dimana : r = Densitas gas. P = Tekanan mutlak gas. BM = Berat molekul Gas T = Suhu mutlak gas. Contoh : - Berapa densitas Gas N2 pada kondisi : P = 20 atm. T = 27ºC = (27 + 273) ºK.= 300 ºK ltr.atm R= 0,08205 ——— grol. ºK Penyelesaian : Dari tabel, didapat harga BM N2 =28 gram/grol. r N2 P.BM = ——— R.T 20 atm. 28 gram/grol. = ————————————— ltr,atm 0,08205 —————.300 ºK Grol. ºK = 22,75 gram/liter. (7) Compreeibility Factor ( Z ) Compreeibility Factor (Faktor Kompresibilitas) Gas adalah merupakan faktor koreksi dari persamaan Gas sempurna (Gas Ideal). Setelah dikoreksi, persamaan menjadi: P.V = Z .n.R.T Harga Z dipengaruhi oleh: 60 Jenis Gas. GAS PROCESSING Tekanan dan suhu kritis. Jenis Gas Setiap gas mempunyai temperatur kritis (Critical temperatur) dan tekanan kritis (Critical pressure), yang dapat dicari/dilihat dalam table. Harga compressibility factor suatu gas dicari dari “compressibility Chart “ (grafik) asalkan suhu tereduksi (Tr) dan tekanan tereduksi (Pr) gas diketahui. Keterangan : Z = Compressibility Factor. Tr = Reduced Temperatus. Pr = Reduced Preeure. = Tekanan Tereduksi. Tc = Critical Temperature. = Suhu Kritis = Suhu tertinggi dimana gas masih dapat dicairkan dengan peningkatan tekanan. Pc = Critical Pressure = Tekanan kritis. = Tekanan yang diperlukan pada suhu kritis untuk mengubah fase gas menjadi cair. Untuk mencari harga Compressibility Factor (Z) dari grafik, dengan para meter : P Pr = ——— : Pc T Tr = ——— Tc Contoh soal 1 Tabung berisi gas H2 (Hidrogen) Volumenya = 20 liter. Tekanannya = 564 psia Suhunya = 50 º Hitung berat gas hidrogem dalam tabung tersebut ltr atm = 0,08205 ——— grol. ºK R Penyelesaian: D1 : Tabung berisi gas H2 V = 20 liter GAS PROCESSING 61 1atm P = 564 psia = 564 psia . ——— = 38, 37 atm 14,7 psia T = 50 º R = 0,08205 D2 : Berat Gas H2 (G) D3 : Lihat tabel 8.1. ltr.atm ———— grol. ºK : Dari tabel didapat: 62 BMH2 = 2 gram/grol. Tc = 33 ˚K Pc = 188 psia GAS PROCESSING Tabel 8.1 Physical Constanta Gambar 8.1 Grafik Reduced Pressure GAS PROCESSING 63 Mencari harga Z dengan parameter P 564 psia Pr = ——— = ——— Pc 188 psia T 50 ºK Tr = ——— = ——— Tc 30 ºK Dengan diperoleh harga : Pr =3 Tr = 1,5 =3 = 1,5 Dari grafik 8.1 didapat harga Z= 0,785. Untuk harga Z, kemungkinan perolehan dari masing-masing siswa tidak sama, tergantung dari ketelitian dalam menggunakan grafik. Selanjutnya harga Z masukkan kedalam persamaan P.V = Z.n.R.T. Untuk mencari berat, dapat langsung mengeliminer n. G = ——„ sehingga persamaan menjadi BM G n = Z . —— .R.T P.V BM P.V.BM G = G = Z.G.R.T P.V.BM ———— Z.R.T 38,37atm.20ltr.2 gram/grol = ——.————.——.——.—— = ltr. atm 0,785.0,08205 . ——.— ‚ 50 ºK grol. ºK 476,58 gram Contoh soal 2 Sebuah bejana berisi gas Nitrogen (N2) dengan 64 Volume = 5000 liter. Tekanannya = 1479 psia. Suhunya = 252 ºK GAS PROCESSING Hitung berat gas Nitrogen didalam bejana tersebut. ltr.atm R = 0,08205 ——.— grol. ºK Penyelesaian : D1 : Bejana berisi gas N2 V = 5000 liter P = 1479 psia T = 252 ºK ltr.atm R = 0,08205 ———— grol. ºK D2 : Berat Gas N2 D3 : Lihat tabel : Dari tabel 8.1 didapat : BMN2 = 28 gram/grol. Tc = 126 ºK Pc = 493 psia Mencari harga Z dengan parameter P Pr Tr 1479 psia = ——— = ———— Pc 493 psia T 252 ºK =3 = ——— = ———— = 2 Tc 126 ºK Dengan diperoleh harga : Pr =3 Dari grafik 8.1 didapat harga Z = 0,95. Tr =2 Selanjutnya harga Z masukkan ke dalam persamaan P.V = Z.n.R.T. n = P.V ——— Z.R.T atm 1479psia. . ——.—— . 5000 liter 14,7psia =. ——.———.——.——.———— ltr. atm GAS PROCESSING 65 0,95.0,08205 . ——.— ‚ 252 ºK grol. ºK n = 25.610,50 grol. Bila dijadikan satuan berat, maka G = n.BM = 25.610,50 grol.28 gram/grol. = 717.094 gram 1kg = 717.094 gram. ———— 1000 gram = 717,094 kg G Lanjutan contoh soal 2 Apabila suatu saat bejana yang berisi gas N2 bocor, sehingga tekanannya tinggal 986 psia, maka : a) Hitung berat gas N2 yang bocor ( hilang ) b) Hitung SG gas N2. c) Hitung density gas N2 sebelum dan sesudah bocor. Suhu awal sama dengan suhu akhir. R = 0,08205 Ltr.atm ——— grol. ºK Penyelesaian; D1 : P = 986 psia (p sisa) V = 5000 liter T = 252 ºK ltr.atm R = 0,08205 ———— grol. ºK D2 : a. Gas N2 yang bocor b. SG gas N2 c. desity (r) gas N2 sebelum dan sesudah bocor. D3 : Gas bocor Æ Tekanan berubah. Tekanan berubah Æ Harga Z berubah. Mencari harga Z yang baru dengan parameter P 986 psia Pr = ——— = ———— Pc 493 psia T 252 ºK Tr = ——— = ———— 66 =2 =2 GAS PROCESSING Tc 126 ºK Dengan diperoleh harga, Pr = 2 Dari grafik 8.1 didapat harga Z = 0,97. Tr = 2 Selanjutnya harga Z masukkan ke dalam persamaan a. P.V P.V P.V.BM G Sisa = Z.n.R.T. G = Z ——— . RT BM = Z.G.RT P.V.BM = ——— Z.R.T 1atm = 986psia . ——.—— . 5000 liter.289 gram/grol 14,7psia =. ——.———.——.——.——————.——— ltr. atm 0,97.0,08205 . ——.— ‚ 252 ºK grol. ºK = 468205,76 gram 1kg = 468205,76 gram ——.——— 1000 gram = 468,206 kg Jadi berat gas N2 yang bocor/hilang = G- G sisa = 717.094 kg - 468,206 kg = 248,888 kg b. Menghitung SG gas N2 Formula : SGN2 BMN2 = ——.———. BM Udara 28 gram/grol = ——.———.— 29 gram/grol SGN2= 0,955 GAS PROCESSING 67 c. Density awal gas N2 Density (r) P.BM = ——.— Z.R.T 1atm 1479 psia. ——.— .28 gram/grol 14,7 psia = ——.———.———.———.——— ltr.atm 0,95, 0,08205 ——.— . 252 ºK grol ºK = 143,42 gram/liter Atau: Density (r) G = ——. V 717094 gram = ——.———. 5000 liter = 143,42 gram/liter. Density akhirnya gas N2 Density (r) = P.BM ———. Z.R.T 1 atm 986 psia. ———.— .28 gram/grol 14,7 psia = ———.———.———.———.— ltr.atm 0,97.0,08205 ———. .252 ºK grol ºK = 93,64 gram/liter SOAL : Gas N2 di dalam bejana Volumenya = 35,32 ft3 Tekanannya = 986 psia Suhunya = 454 ºR psia.ft3 Harga Konstansa gas (R) = 10,73 ——— lbmol ºR Hitung : a. Hitung berat gas N2 di dalam bejana dalam satuan lb (Pound) b. Hitung density gas N2 68 GAS PROCESSING Perhitungan Gas Campuran - Gas bumi merupakan campuran senyawa hidrokarbon ringan, misalnya Methan, Ethan, Propan, Buthan, dan gas-gas ikutan lain, misalnya N2, CO2, dan H2S. - Sifat-sifat gas campuran ditentukan oleh komposisinya. - Untuk gas murni, harga Pc dan Tc dapat langsung dibaca dari Tabel, sedangkan untuk gas campuran (multi component), Pc diganti dengan Pc1 (pseudo critical pressure) dan Tc diganti Tc 1 (pseudo critical temperature). Demikian juga. Tr diganti Tr 1 (pseudo reduced temperature), dan Pr diganti Pr1 (pseudo reduced pressure). Pseudo = semu. Untuk menghitung Pc1 dan Tc1, akan lebih mudah bila dibuat table seperti berikut. GAS PROCESSING 69 Tabel 8.2 Penghitungan Pc1 dan Tc1 Untuk mencari harga Z , menggunakan parameter : P = ——— Pc1 T Tr1 = ——— Tc1 Sehingga : Pr1 Pr1 = Harga Z dapat dicari dari grafik. Tr1 = 70 GAS PROCESSING Contoh Perhitungan Gas Campuran. - Natural gas di dalam tangki silinder : Volumenya = 50 m3. Tekanan gas dalam tangki = 1000 psia Suhunya= 70°F. psia ft3 R = 10,73 ——— lbmol°R Komposisi Gas : Komponen : C02 H2S C1 % : 11 3 75 C2 C3 8 3 Hitunglah a. Berat gas di dalam tangki. Apabila pada suhu suatu saat, gas tersebut bocor dan tekanannya tinggal 806,3 psia, sedangkan volume, suhu dan konstanta gas (R) tetap, maka: b. Hitung berat gas yang bocor/hilang. c. Hitung SG gas. d. Hitung density gas mula-mula dan setelah bocor. Penyelesaian : Mula-mula kita buat tabel, atau mengisi kolom yang kosong pada tabel apabila sudah disediakan, dengan petunjuk yang ada pada kop masing-masing kolom. Bentuk tabelnya seperti berikut: GAS PROCESSING 71 Tabel 8.3. Penyelesaian 72 GAS PROCESSING Tabel 8.4 Penyelesaian lanjutan 8.3 GAS PROCESSING 73 Tabel 8.5. Physical Constants 74 GAS PROCESSING Gambar 8.2 Reduced Pressure GAS PROCESSING 75 Perhitungan : T = 70° = (70 +460) °R = 530°R psia.ft3 = 1000 psia, R = 10,73 ——— P lbmol°R Mencari harga Z dengan parameter P 1000 psia 1 Pr = ——— = ————— = 1,36 Pc1 733,1 psia T 530°R 1 Tr = ——— = ————— = 1,32 Tc1 401,8°R Pr1 = Dari grafik diperoleh harga Z = 0,81 1 Tr = Volume gas = 50 m3 Æ 1m = 3,281 ft (3,281 ft)3 = 50 m3 . ———— (1m)3 = 1766 ft3 a. Menghitung Berat Gas. P.V P.V P.V.BM G G = Z.n.R.T Æ n —— BM G = Z. —— . R.T BM = Z.G.R.T P.V.BM = ———— Z.R.T 1000 psia. 1766 ft3. 21,58 lb/lbmol = —————————————— psia.ft3 0,81.10,73 ———— . 530°R lb mol°R = 8273,55 lb Satuan di atas adalah satuan berat dalam lb (pound). Bila dijadikan satuan kg, maka harus dikonversi 76 GAS PROCESSING I kg = 2,205 lb G = 8273,35 lb 1 kg = 8273,35 lb. ———— 2,205 lb G = 3752,09 kg b. Gas bocor Tekanan berubah Tekanan berubah Æ berarti harga Z juga berubah. Kondisi setelah bocor ; P = 806,3 psia V = 50 m3 = 1766 ft3 T = 70 °F = 530 °R psia ft3 R = 10,73 ———— lb mol° R Mencari harga Z yang baru dengan parameter : Pr1 Tr1 P 806,3 psia = —— = ————— = 1,1 Pc1 733,1 psia T 530°R = —— = ———— = 1,32 Tc1 401,8°R Dari harga Pr1 = 1,1 Dari grafik diperoleh harga Z= 0,84 Tr1 = 1,32 Selanjutnya harga Z masukkan ke dalam persamaan P.V = Z.n.R.T P.V G = Z . —— . R.T BM P.V.BM = Z.G.R.T G P.V.BM = ———— Z.R.T 806,3 psia. 1766 ft3. 21,58 lb/lbmol = —————————————— psia.ft3 = 0,84.10,73 ———— . 530°R lb mol°R = 6432,56 lb GAS PROCESSING 77 1 kg = 6432,56 lb. ———— 2,205 lb G sisa = 2917,26 kg Jadi berat gas yang bocor/hilang = G - G sisa = 3752,09 kg - 2917,26 kg = 834,83 kg c. Menghitung SG gas. SG gas BM gas = ———— BM Udara 21,58 lb/lb mol = ——————— 29 lb/lb mol = 0,744 Setelah bocor, BM gas tetap, tidak dipengaruhi oleh tekanan gas, maka SG gas tetap. d. Menghitung density gas. (r) P.BM = ——— Z.R.T Density mula-mula : 1000 psia. 21,58 lb/lbmol r = Psia.ft3 0,81.10,73 ———— . 530°R lb mol°R = 4,685 lb/ft3 Setelah bocor Æ P = 806,3 psia Z = 0.84 r = 806,3psia. 21,58 lb/lbmol = 78 psia.ft3 0,84.10,73 ———— . 530°R lb mol°R 3,64 lb/ft3 GAS PROCESSING Soal Latihan 1. Sebutkan 3 (tiga) variabel yang mempengaruhi sifat fisik gas sempurna ! 2. Jelaskan hubungan antara tekanan dengan volume ! 3. Jelaskan hubungan antara suhu dengan volume ! 4. Tabung berisi oksigen mempunyai tekanan 2,5 atm, massa (n) = 0,61 grol, ltr atm temperatur = 30 ºC, Konstanta gas = 0,08205 grol/ºK Berapa volume gas oksigen tersebut ? 5. Apabila pada suhu suatu saat, gas tersebut bocor dan tekanannya tinggal 806,3 psia, sedangkan volume, suhu dan konstanta gas (R) tetap, maka : a. Hitung berat gas yang bocor/hilang. b. Hitung SG gas. c. Hitung density gas mula-mula dan setelah bocor. GAS PROCESSING 79 BAB IX SIFAT TERMO DINAMIKA UAP 9.1 Pendahuluan Dalam bab ini akan membahas tentang definisi uap serta sifat-sifat termodinamikanya yang sangat erat kaitannya dengan penggunaan refrigerant sebagai dasar pengetahuan dalam membahas tentang proses refrigerasi (proses pendinginan). Uap adalah suatu fluida (zat cair) yang berbentuk gas dan tidak dapat dilihat dengan mata apabila ia dalam keadaan murni dan kering. Pada proses refrigasi, uap dapat terbentuk melalui proses penguapan di dalam evaporator setelah sebelumnya diexpansikan melalui expantion valve. Uap tidak mengikuti hukum-hukum gas sempurna sebelum ia mencapai keadaan kering sempurna. Jika uap kering (Jenuh) dipanaskan lebih lanjut, ia akan menjadi superheated vapor (uap panas lanjut) yang mempunyai sift-sifat kurang lebih seperti halnya gas sempurna. 9.2 Keadaan Gas Keadaan gas pada umumnya dan uap refrigerant pada khususnya selalu beruban-ubah sesuai dengan perubahan suhu dan tekanan. Dalam pembahasan ini yang akan dibicarakan terbatas pada keadaan gas yang berhubungan dengan proses pendinginan. Untuk memudahkan dalam memberikan penjelasan tentang keadaan gas, maka diberikan gambaran bagaimana uap atau gas terbentuk dari cairannya sampai mencapai kondisi uap jenuh seperti terlihat pada gambar (9.1). Anggap 1 kg refrigerant pada suhu dibawah suhu didihnya dimasukkan kedalam silinder piston yang tersusun seperti dalam gambar (9.1). Piston dan beban menjaga tekanan di dalam silinder supaya tetap sebesar 1 atmosfir (1,033kg/cm3). Jika refrigerant di dalam silinder tersebut dipanaskan, maka suhunya akan naik terus-menerus sampai mencapai titik didihnya Tetapi titik didih tersebut akan naik jika tekanan di dalam silinder tersebut berada diatas 1 atmosfir. Jika titik didih sudah dicapai dan suhunya tidak berubah pada tekanan yang tetap stabil (Konstan), maka menguaplah refrigerant di dalam silinder dan akan mendorong piston keatas sebagai akibat terjadinya ekspansi (pengembangan volume) karena berubahnya refrigerant menjadi uap. Dengan demikian dapat dikatakan pula bahwa volume spesifik (specific volume) uap naik sebagaimana 80 GAS PROCESSING ditunjukkan dalam gambar (b) dalam gambar 9.1. Suhu pada saat refrigerant mendidih atau terjadi penguapan pada tekanan yang diberikan, dikenal sebagai saturation temperature (suhu Jenuh), dan tekanannya dikenal sebagai saturation pressure (tekanan Jenuh) Gambar 9.1 Mekanisme Pembentukan Uap Penjelasan Mekanisme Pembentukan Uap a. Uap Basah (Wet Vapor) Uap yang masih mengandung partikel-partikel cairan atau kondensat disebut sebagai wet vapor (uap basah). Pengertian uap basah adalah uap yang dihasilkan dari penguapan yang mana penguapannya belum sempurna sehingga masih mengandung partikel-partikel cairan. Pada tingkatan ini refrigerant belum berubah menjadi uap secara keseluruhan, tetapi masih ada beberapa partikel refrigerant dalam bentuk suspensi sebagaimana ditunjukkan pada gambar (b) pada gambar 9.1. Dengan demikian uap refrigerant yang terbentuk disebut wet vapor of refrigerant (uap refrigerant basah) b. Dry/Saturated vapor (uap Jenuh/kering). Jika uap basah dipanaskan lebih lanjut pada suhu jenuhnya, maka partikel-pertikel yang tersuspensi akan diuapkan secara sempurna. Dengan demikian uap yang terbentuk disebut sebagai dry vapor atau saturated vapor (uap kering atau uap jenuh). Kadang-kadang istilah saturated vapor digunakan untuk menekankan bahwa fraksi kekeringan uap adalah 1 atau prosen kekeringannya 100 %. Ini dapat dikatakan bahwa seluruh panas laten telah diserap semua dalam tahap ini. Dalam kenyataanya uap kering mempunyai sifat seperti gas sempurna. Jika ia dipanaskan lebih lanjut pada tekanan yang sama seperti saat GAS PROCESSING 81 jenuhnya, maka suhu dan volumenya mulai naik sesuai dengan hukum Charles, yaitu V1 V2 Vn —— = —— = … T1 Pada = —— = Konstan T2 Tn persamaan perbandingan volume uap tersebut terhadap di atas suhunya menunjukkan adalah bahwa konstan selama tekanannya konstan/tetap. c. Superheated Vapor (Uap lewat Jenuh). Pemanasan uap jenuh diatas suhu jenuhnya dikenal dengan istilah superheating (Pemanasan lanjut), dan dengan demikian uap yang terbentuk disebut superheated vapor (uap panas lanjut atau uap lewat jenuh). Panas yang diserap selama proses superheating disebut heat of superheat yang besarnya sama dengan panas sensibel uap (sensible heat of vapor). 9.3 Istilah-Istilah Penting Sifat termodinamika uap sangat penting peranannya dalam proses refrigerasi yang selalu melibatkan perhitungan-perhitungn yang berkaitan dengan panas. Beberapa sifat termodinamika yang perlu dipahami diantaranya adalah: a. Panas sensibel (Sensible Heat) Panas yang digunakan untuk menaikkan suhu tanpa diikuti perubahan fase dikenal sebagai panas sensibel (Sensible Heat). Panas sensibel cairan adalah panas yang digunakan untuk menaikkan suhu cairan, sedangkan panas sensibel uap adalah panas yang digunakan untuk menaikkan suhu uap. Panas yang diserap oleh cairan refrigerant hingga sampai titik didihnya dikenal sebagai sensible heat of liquid (Panas sensibel cairan). Ia juga dikenal sebaga total heat of liquid refrigerant. Besarnya panas sensibel dapat dihitung menurut persamaan seperti berikut: hf = Cp (t2 - t1) kkal/kg Dimana : hf = panas sensibel cairan refrigerant, kkal/kg. Cp = panas jenis refrigerant, kkal/kg.°C. t1t2 = Suhu cairan refrigerant sebelum dan sesudah dipanaskan. b. Panas Laten (Latent Heat) Panas yang digunakan untuk merubah fase (misalnya dari padat ke cair, dari cair ke uap) tanpa diikuti perubahan suhu dikenal sebagai panas laten.Panas 82 GAS PROCESSING laten yang digunakan untuk merubah fase padat menjadi cair disebut panas laten peleburan (panas laten pencairan), sedangkan panas laten yang digunakan untuk merubah fase cair menjadi uap disebut panas laten penguapan. Panas laten penguapan pada kondisi secara umum harganya jauh lebih besar dibanding dengan panas sensibel cairannya. Jadi dengan kata lain, untuk merubah fase cair menjadi uap dibutuhkan panas yang sangat besar. c. Entalpi (Enthalpy) Entalpi adalah panas yang dikandung oleh setiap massa zat pada kondisi suhu dan tekanan tertentu. Entalpi uap jenuh merupakan jumlah dari pnas sensibel cairan dari suhu acuannya hingga mencapai suhu jenuh airannya (suhu didih) dan panas laten penguapannya pada tekanan konstan. d. Volume jenis (Specific Volume) Volume jenis (specific Volume) adalah besarnya volume uap per satuan massanya (m3/kg, liter/kg, cm3/gram atau ft3/lb) Volume jenis suatu zat merupakan kebalikan dari densitasnya. Jika volume jenis (specific Volume) diberi simbul r (rho), maka dapat dirumuskan : vs = 1/ r Dengan mengetahui harga volume jenis suatu zat, maka besarnya energi mekanik dapat ditentukan. e. Panas Jenis (Spesific Heat) Panas jenis (Specific Heat) adalah jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan satu derajat sekala suhu setiap satuan massa zat. Semua zat cair dan zat padat hanya mempunyai satu macam panas jenis. Tetapi untuk gas mempunyai dua macam panas jenis, yaitu : - Panas jenis pada tekanan konstan yang diberi symbol Cp. - Panas jenis pada volume konstan yang diberi simbol Cv. Satuan untuk panas jenis adalah : kkal/kg.°C, BTU/lb.°F. GAS PROCESSING 1 BTU = 0,252 kkal 1 kg = 2,205 lb 83 Soal Latihan 1. Gambarkan mekanisme pembentukan uap ! 2. Jelaskan definisi dari : a. Wet vapor b. Dry vapor c. Super heated vapor 3. Apa yang dimaksud dengan panas sensibel ! 4. Tuliskan dan jelaskan rumus yang digunakan untuk menghitung panas sensibel! 5. Apa yang dimaksud dengan panas latent ! 84 GAS PROCESSING BAB X DASAR - DASAR KOMPRESI 10.1 Kompresi Kompresi gas dapat dilakukan dengan tiga cara yaitu: 1. Kompresi Isotermis (Isothermal). 2. Kompresi Adiabatis. 3. Kompresi Polotropis. Alat yang dipergunakan untuk proses kompresi adalah kompresor. Adapun perilaku masing-masing proses ini dapat diuraikan sebagai berikut : 1. Kompresi Isotermis Bila suatu gas dikompresikan (dimampatkan atau dikecilkan volumenya), maka ini berarti ada energi mekanik yang diberikan dari luar kepada gas. Energi ini sebagian diubah menjadi energi tekanan dan sebagian diubah menjadi energi panas, sehingga tekanan dan suhu gas akan naik. Jika proses kompresi ini dibarengi dengan pendinginan untuk mengeluarkan panas yang terjadi, maka suhu gas dapat dijaga tetap. Kompressi dengan cara ini disebut kompresi isotermis (Isothermal)/ suhu tetap. Pada suhu (T) tetap, hubungan antara P dan V dinyatakan dlam persamaan berikut: P.V = tetap ..... Hukum Boyle Atau dapat ditulis sebagai berikut : P1V1 = P2.V2 = Tetap Pada kompresi isotermis, jika volume diperkecil menjadi ½ kali volume semula, maka tekanan akan menjadi 2 kalilipat dari tekanan semula. Pada peralatan kompresor yang sesungguhnya, meskipun silinder didinginkan sepenuhnya, tidak mungkin untuk menjaga suhu gas supaya tetap (konstan) di dalam silinder. Hal ini disebabkan oleh cepatnya proses kompresi di dalam silinder (ratusan sampai ribuan kali per menit). 2. Kompresi Adiabatis Jika silinder diisolasi sempurna terhadap panas, maka kompresi akan berlangsung tanpa ada panas yang keluar atau panas yang masuk kedalam gas yang dikompresi. Dengan kata lain pada proses adiabatis, panasnya tetap. Proses semacam ini disebut Proses Adiabatis. Dalam praktiknya proses adiabatis tidak pernah terjadi secara sempurna karena isolasi terhadap silinder tidak GAS PROCESSING 85 pernah dapat sempurna pula. Hubungan antara tekanan dan volume dalam proses adiabatis dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan sebagai berikut: P.Vk = tetap Atau dapat ditulis sebagai berikut: P1.V1k = P2V2k = Tetap Dimana : K = Cp/Cv Cp = Panas jenis gas pada tekanan tetap. Cv = Panas jenis gas pada volume tetap. Jika rumus ini dibandingkan dengan rumus kompresi isotermis dapat dilihat bahwa untuk pengecilan volume yang sama, kompresi adiabatis akan menghasilkan tekanan yang lebih tinggi dari pada proses kompresi isotemis. Sebagai contoh, jika volume diperkecil menjadi ½ kali voleme semula, maka pada kompresi adiabatis tekanan akan menjadi sekitar 2,64 kali dari voleme semula, sedangkan pada kompresi isotermis hanya menjadi 2 kali lipat dari tekanan semula. Karena tekanan yang dihasilkan pada kompresi adiabatis lebih besar daripada kompresi isotermis untuk pengecilan volume yang sama, maka kerja yang diperlukan pada kompresi adiabatis juga lebih besar. 3. Kompresi Politropis Proses kompresi pada kompresor yang sesungguhnya bukan merupakan proses isotermis karena ada kenaikan suhu, namun juga bukan proses adiabatis karena ada panas yang dipancarkan keluar. Jadi proses kompresi yang sesungguhnya ada diantara keduanya dan disebut Kompresi Politropis Hubungan antara tekanan dan volume pada proses politropis adalan sebagai berikut : P.Vn = tetap Atau : P1.V1n = p2.V2n = Tetap Dimana n = indeks politropis dan harganya terletak antara 1 (pada proses isoternal) dan k (pada proses adiabatis). Jadi 1 > n < k Æ artinya : n > 1 n<k Untuk kompresor biasa, n = 1,25 —— 1,35 Dari rumus ini, dengan n = 1,25, misalnya untuk pengecilan volume sebesar 86 V2/V1 = ½ akan menaikkan tekanan menjadi 2,38 kali lipat. Harga ini terletak GAS PROCESSING pada 2 (pada kompresi isotermis) dan 2,64 (pada kompresi adibatis). 10.2 Sifat-sifat Kompresi a. Perbandingan Kompresi (Compression Ratio) Adalah perbandingan antara tekanan discharge (kempa) absolut dengan tekanan isap absolut. Contoh: Bila tekanan isap = 20 psia, dan tekanan discharge (kempa) = 50 psia, 50 maka perbandingan kompresi —— = 2,5 20 Perbandingan kompresi selalu lebih besar dari 1 (satu). Perbandingan kompresi juga disebut perbandingan tekanan atau pressure ratio. b. Panas Kompresi Panas kompresi adalah panas yang timbul akibat pemampatan gas. Akibat dari panas kompresi ini adalah naiknya suhu gas yang dimampatkan (dikompresi). Kenaikan suhu gas yang dimampatkan dipengaruhi oleh: 1. Suhu isapan (Suction Temperature) Semakin tinggi suhu isapan, semakin tinggi pula suhu gas yang dimampatkan. 2. Perbandingan kompresi. Semakin tinggi perbandingan kompresi, semakin tinggi pula suhu gas yang dimampatkan. 3. Sifat Gas. Gas hidrokarbon ringan memberikan panas kompresi yang lebih besar pada perbandingan kompresi yang yang sama. Suhu akhir gas yang dimampatkan tidak boleh melebihi batas-batas yang telahj ditetapkan, karena logam akan melemah pada suhu yang cukup tinggi dan akan mengalami deformasi (perubahan bentuk akibat pemuaian karena panas), sehingga akan merusak peralatan dan mesin. Suhu akhir gas yang dimampatkan dapat dikurangi dengan jalan: 1. Mendinginkan gas sebelum masuk kompresor. 2. Mendinginkan kompresor. 3. Memperkecil perbandingan kompresi. Kapasitas/Laju alir gas. Kapasitas atau laju alir gas adalah volume gas yang dialirkan melalui kompresor persatuan waktu. GAS PROCESSING 87 Misalnya: = Standart cubicfeet = standart ft3 SCF = adalah satuan yang dipakai untuk menyatakan volume gas dalam ft3 (cubic feet) yang diukur pada kondisi standart, yaitu pada suhu 60° F dan tekanan 14,7 psia. MSCF = 1000 SCF Contoh: 5 MSCF = 5000 SCF MMSCF= 1.000.000 SCF Contoh: 8 MMSCF = 8.000.000 SCF Satuan Kapasitas SCFM = Standart Cubic Feet per minute. = Standart ft3/minute. SCFD = Standart Cubic Feet per Day = Standart ft3/day. 1 MSCFD = 1000 SCF per day = 1000 standard ft3/day 1MMSCFD = 1.000.000 SCF per day. = 1.000.000 standart ft3/day Keterangan :M = 1000 kali MM = 1000.000 kali. Contoh: Sebuah kompresor untuk memampatkan gas mempunyai kapasitas 60 SCFM, artinya kompresor tersebut dapat mengalirkan (mendischarge) 3 60 ft gas setiap menit pada suhu isap 60° F dan tekanan isapnya 14,7 psia. Istilah-istilah pendinginan gas pada proses pemampatan (kompresi). 1. Suction Cooling. Suction cooling adalah pendinginan gas atau udara yang akan dimampatkan (dikompresi) sebelum masuk kedalam kompresor. Manfaat Suction Cooling: a. Menurunkan suhu akhir gas yang dimampatkan. b. Memperbesar jumlah (Volume) gas yang dapat dimampatkan pada masukkan daya (power input) yang sama bila dibandingkan dengan tanpa suction cooling. c. Mengurangi masukkan daya (Power input) yang diperlukan untuk memampatkan jumlah (volume) gas yang sama bila dibandingkan 88 GAS PROCESSING dengan tanpa suction cooling. 2. After Cooling. After cooling adalah pendinginan terhadap gas tekan yang keluar dari kompresor sebelum masuk ke RECEIVER. Tujuan After Cooling : Mengurangi kandungan uap air/kondensat didalam gas yang keluar dari kompresor. Prinsipnya adalah : Bahwa kemampuan suatu gas atau udara untuk mengandung uap air (moisture) akan naik bila suhunya naik, dan sebaliknya akan turun bila suhunya turun. Sebagai contoh: Apabila gas sebagian yang mengandung uap air didinginkan, maka dari uap air tersebut akan mengembun karena kemampuan gas untuk mengandung uap air turun sebagai akibat dari penurunan suhu. Gambar 10.1. Sistem Pendingin Suction Cooling dan After Cooling GAS PROCESSING 89 Soal Latihan 1. Sebutkan dan jelaskan macam macam kompesi gas ! 2. Jelaskan tentang perbandingan kompresi ! 3. Jelaskan tentang panas kompresi ! 4. Jelaskan definisi dari : a. Suction cooling b. After cooling 5. Sebutkan manfaat dari : a. Suction cooling b. After cooling 90 GAS PROCESSING BAB XI PERSAMAAN ENERGI Salah satu hukum termodinamika menyatakan bahwa pada dasarnya panas yang diberikan kepada suatu sistim (H) sebagian digunakan untuk melakukan kerja (W) dan sebagian lainnya digunakan untuk merubah energi dalam (E) yang digunakan untuk merubah suhu. Secara matematis dapat ditulis: H=W+E Dimana: H = Panas yang diberikan. W = Kerja yang dilakukan. E = Perubahan eneri dalam. Persamaan tersebut jika dinyatakan dalam bentuk diferensial menjadi : dH = dW + dE Hukum tersebut digunakan sebagai dasar perhitungan prosesproses termodinamika. Didalam proses termodinamika dikenal berbagai macam proses sesuai dengan kondisi operasinya, sejauhmana ketiga variable (tekanan, Suhu, dan Volume) berpengaruh. Berbagai macam proses termodinamika yang berkaitan dengan operasi gas antara lain: 11.1 Proses Volume Konstan Proses volume konstan disebut juga proses isovolume atau proses isochor. Pada proses volume konstan tidak terjadi perubhan volume, artinya V1 =V2 atau DV = 0, dengan demikian tidak ada kerja yang dilakukan (W = O). Dalam hal ini tekanan dan suhunya berubah.Oleh karena itu, H=W+E Karena tidak ada kerja yang dilakukan maka W = O, sehingga persamaan menjadi, H=O+E Perubahan energi dalam dapat dinyatakan, E = mCv (T2 - T1) Panas yang diberikan menjadi, H = E = mCv (T2 - T1) GAS PROCESSING 91 Contoh soal 1: Udara didalam reservoir yang berkapasitas 30 liter pada tekanan 2 ata dan suihu 30°C. Mengalami proses kenaikan tekanan menjadi 4 ata dengan proses isovolume. Bila diketahui: Panas jenis pada tekanan tetap (Cp) = 0,240 kkal/kg°K Panas jenis pada volume tetap (Cv) = 0,171 kkal/kg°K 1 kkal = 427 gram R = Cp - Cv 1 ata = 10000 kg/m 2 Hitung: a) Kerja yang dilakukan. b) Perubahan energi dalam Penyelesaian. 92 GAS PROCESSING D1 : Udara didalam reservois ditekan secara isovolume V = 30 liter P1 = 2 ata P2 = 4 ata T1 = 30° C = (30 + 273) °K = 303° K Cp = 0,240 kkal/kg°K Cv = 0,171 kkal/kg °K 1 kkal = 427 kgm D2 : R = Cp - Cv 1 ata = 10000 kg/m2 a. W …? b. E …? D3 : lihat gambar PV1V1 P2V2 ——— = —— T1 T2 T2 P2 = ——— P1 T1 4 ata = ——— 2 ata T2 = 606°K P1V1 = mRT1 303°K P1V1 m = ——— Æ n = massa udara RT1 R = Cp - Cv = (0,240 - 0,171) kkal/kg.k = 0,069 kkal/kg.k P1V1 m = ——— RT1 20000 kg/m2.0,03 m3 = 0,069 1 kkal ——— Kkal 427 kgM ——— 303°K Kg.k = 0,0672 kg m = G = 0,0672 kg GAS PROCESSING 93 a) W = 0 ( tidak ada kerja karena V1 = V2) b) E = H = n.Cv (T1-T2) kkal = 0,0672kg.0,171 ——— (606 - 303 )°K Kg°K = 3,48 kkal Contoh soal 2: Suatu gas ditekan secara isovolume dari 1atm menjadi 3atm. Volume gas dalam reservoir = 30 liter. Suhu akhir gas = 100°C R ( Konstanta gas) kal = 1,975 ——— grol°K R ( Konstanta gas) kal = 1,975 ——— dikonversi menjadi grol°K ltr.atm = 0,08205 ——— grol°K Cp 5 1 = —— R = 2 —— 2 2 Hitunglah : a. Kerja yang dilakukan. b. Panas yang diberikan. c. Perubahan energi dalam. Penyelesaian : 94 GAS PROCESSING D1 : P1 = 1 atm P2 = 3 atm V1 = 30 liter Cp = 2,5 R T2 = 100 °C = (100 +273)°K = 373°K Kal ltr.atm = 1,975 —— = 0,08205 ———— R grol°K D2 : grol°K a). W…? b). H…? c). E…? D3 : P1V1 ——— = T1 P2V2 —— T2 P1 ——— = T1 P2 ——— Æ P1T2 = P2 T1 T2 Æ karena isovolume DV = 0 T1 P1T2 1 atm.373 °K = ——— = —————— P2 3atm T1 = 124,33 °K Mencari massa Gas: P2V2 = n.R.T2. n n n P2V2 = ——— RT2 3 atm.30ltr = ————————— ltr,atm 0,08205 ——— grol °K = 2,94 grol a. W = 0 Æ karena tidak ada kerja (V1=V2) b. R = Cp - Cv ÆCp = 2½ R. R = 2½ R -Cv ÆCv = 2½ R.- R Cv = 1,5 R E = m. Cv ( T2-T1 ) = 2,94 grol . 1,5 R (373-124,33)˚K GAS PROCESSING 95 = 2,94 grol . 1,5 . 1,975 248,67˚K E = 2165,85 kalori c. H = E = 2165, 85 kalori 11.2 Proses Tekanan Konstan. Proses Tekanan Konstan disebut juga proses isobar/Isobaric. Dalam proses ini tidak mengalami perubahn tekanan, artinya P1 = P2 atau DP = O Namun suhu dan volumenya berubah, sehingga persamaan dasarnya : H=W+E Æ Panas yang diberikan: H = m.Cp (T2 - T1) Dan kerja yang dilakukan : W = P (V2 - V1) Atau W = m.R (T2 - T1) Contoh soal 1: Suatu gas dengan massa = 2 kg, Tekanan 2 atm, suhu 30°C, dan volume 20 liter diekspansikan secara isobar sehingga suhu dan volumenya meningkat.Volume akhir = 40 liter. Bila diketahui: kkal Cp = 0,24 ——— kg°K kgm R = 29,27 ——— kg °K 96 GAS PROCESSING Hitung : a. Kerjanya (W) b. Perubahan energi dalam (E). c. Panas yang diberikan (H) Penyelesaian : D1 : m = 2 kg T1 = 30 °C = 303°K V1 = 20 liter V2 = 40 liter P1 = 2 atm kkal Cp = 0,24 ——— kg°K kgm R = 29,27 ——— kg°K D2 : a). W ….? b). H ….? c). E ….? D3 : P1V1 ——— = T1 GAS PROCESSING P2V2 ——— Æ Karena isobar, maka P1 = P2 T2 97 V1 V2 ——— = ——— T1 V1T2 T2 = V2 T 1 V2 T2 = ——— T1 V11 40 ltr = ——— 303°K 20 ltr T2 a). = 606 °K W = m.R.(T2 -T1) kgm = 2 kg.29,27 . ——— (606 -505 ) °K kg°K = 17737,62 kgm b). H = m.Cp ( T2 -T1 ). kkal = 2 kg.0,24 ——— (606 - 303) °K Kg °K H = 145,44 kkal c.) H =W+E E =H-W W = 17737,62 kgm 1kkal = 17737,62 kgm ——— 427 kgm = 41,54 kkal E = H -W = 145,44 kkal - 41,54 kkal = 103,90 kkal. Contoh Soal 2: Suatu gas yang mempunyai massa 5 kg dikompresi secara isobaric, sehingga volumenya menyusut dari 50 liter menjadi 10 liter. Suhu awal gas = 70°C 98 GAS PROCESSING kkal Cp = 0,24 ——— kg °K kkal Cp = 0,177——— kg °K Hitunglah ; a. Kerja yang dilakukan (W) ….? b. Panas yang diberikan (H) ….? c. Perubahan energi dalam (E) ….? Penyelesaian : D1: m = 5 kg V1 = 50 liter V2 = 10 liter T1 = 70° C = (70 + 273 ) °K = 343°K kkal Cp = 0,250 ——— kg°K kkal Cv = 0,177 ——— kg°K D2 : a). W ….? b). H ….? c). E ….? D3 GAS PROCESSING 99 P1V1 P2V2 ——— = ——— Æ Karena isobar, maka P1 = P2 T1 T2 V1 V2 ——— = T1 ——— T2 V2 T2 = ———T1 V1 10 ltr = ——— 343°K 50 ltr T2 = 68,6 °K R = Cp - Cv Kkal = 0,250 kkal ——— - 0,177 ——— Kkg°K kg°K kkal = 0,073 ——— kg°K a). W = p (V1 -V2) = m.R (T2 -T1) kgm = 2 kg. 0,073 . ——— (68,6-343 ) °K kg°K W = ñ 100,156 kkal 427 kgm = - 100,156 kkal ——— 1 kkal b). W = - 42766,6 kgm. H = m.Cp ( T2 -T1 ). kkal = 2 kg. 0,240 ——— (68,6 - 343) °K Kg °K H 100 = - 343 kkal GAS PROCESSING c.) E = H -W = - 343 kkal - (-100,156 kkal) = - 343 kkal + 100,156 kkal E = - 242,844 kkal Keterangan : W bertanda +, bila dilakukan oleh sytem. W bertanda ñ, bila kerja dilakukan terhadap system. H bertanda +, bila pans diserap oleh system. H bertanda -, bila panas dikeluarkan oleh system E bertanda +‚ bila energi diserap oleh system E bertanda -, bila energi dikeluarkan oleh system 11.3 Proses Suhu Konstan (Isoternis). Proses Isotermis atau Isothermal adalah proses berlangsung pada temperatur/suhu tetap (konstan). Dalam proses ini tidak mengalami perubahan suhu (T1= T2 atau DT = 0), namun tekanan dan volumenya berubah. Dengan demikian tidak terjadi perubahan energi dalam, dan persamaannya dinyatakan : H = W + E Karena E = 0, maka H = W + o H=W Jika dideferensialkan menjadi dH = dW dW = P.dV Jika diintegralkan menjadi Ú dW = Ú PdV W = Ú V2 P.dV V1 Pada proses isotermis diketahui bahwa: PV = Konstan. P1V1 P.V P1.V1 Æ P = ——— V Dengan mensubstitusikan hara P maka diperoleh: dV W =⋃ P1.V1. ——— V GAS PROCESSING 101 V2 = P1.V1 ln ( ——— ) W V1 Karena P.V = m.R.T, mka dengan mensubstitusikan harga P.V akan diperoleh : V2 W = mRT ln (—— ) V1 Contoh soal 1: 1 kg udara berekspansi pada suhu 100° C, dan volumenya mengembang menjadi 5 kali volume semula. kgm Bila harga konstanta gas (R) = 29,27 —— Kg°K Hitung: a. Kerja yang dilakukan (W). b. Panas yang diberikan (H) c. Perubahan energi dalam (E) Penyelesaian: D1: m = 1 kg V1 ——— = 5 V2 102 Cp k gm = 29,27 ——— kg°K T1 = 100° C = (100 + 273 ) °K = 343°K GAS PROCESSING D2 a). W ….? b). H ….? c). E ….? D3 : V2 a). W = m R T ln ( ——) V1 kgm = 1 kg .29.27 ——— 373 °K.ln5 Kg °K kgm = 1kg. 29,27 ——— 373 °K .1,6094. Kg °K W = 17570,96 kgm. b). H = W Æ karena E = mCv (T2 - T1) T2 = T1 Æ DT = 0. Sehingga, E = 0. H =W = 17570,96 kgm 1kkal = 17570,96 kgm ——— 427kgm = 41,150 kgm. GAS PROCESSING 103 Contoh soal 2: 1 lb mol gas temperatur 60° F, volume 100 ft3, tekanan 1 atm ditekan secara isotermis hingga volumenya menjadi 50 ft3.Harga konstanta gas (R) = 1,981 BTU ——— Lbmol°R Hitunglah kerjanya. Penyelesaian: D1: n = 1 lbmol V1 = 100 ft3 V2 = 50 ft3 T1 = 60° F = (60 + 460 ) °R = 520°R BTU R = 1,981 ——— lbmol°R D2 : W …..? D3 : W (V2) = m R T ln ——— (V1) BTU 50 = 1lbmol 1,981 ———— 520 °R ln (———) lb mol°R 100 BTU = 1lbmol 1,981 ———— 520 °R (- 0,693) lb mol°R = - 714 BTU 104 GAS PROCESSING 0,252 kkal = - 714 BTU ———— 1 BTU = - 179,93 kkal 427 kgm = - 179,93 kkal ———— 1kkal W GAS PROCESSING = - 76830,11 kgm. 105 Soal Latihan 1. Jelaskan tentang hukum thermodinamika ! 2. Tuliskan rumus dari hukum thermodinamika ! 3. Jelaskan tentang proses volume konstan ! 4. Suatu gas ditekan secara isovolume dari 1atm menjadi 3atm. Volume gas dalam reservoir = 30 liter. Suhu akhir gas = 100°C kal R ( Konstanta gas) = 1,975 ——— grol°K kal R ( Konstanta gas) = 1,975 ——— dikonversi menjadi grol°K ltr.atm = 0,08205 ——— grol°K Cp 5 1 = —— R = 2 —— 2 2 Hitunglah : a. Kerja yang dilakukan. b. Panas yang diberikan. c. Perubahan energi dalam. 106 GAS PROCESSING