BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
LNG merupakan singkatan dari Liquefied Natural Gas atau bisa diartikan sebagai gas alam yang
dicairkan. Prinsip utama pencairan ini adalah menurunkan suhu gas dari
22 °C menjadi -160 °C dengan proses pendinginan dan expansi pada temperatur
rendah sekali yang disebut cryogenic temperatur yaitu 160 °C pada
tekanan di bawah 1 atm.
Tujuan dari pencairan adalah untuk
mempertinggi efesiensi pengangkutan dan penyimpanan (Loading & Storage),
karena volume gas sebelum dan sesudah dicairkan adalah 620:1 artinya kita akan
mendapatkan 1 cuft LNG jika kita mencairkan gas alam sebanyak 620 cuft. Pada
masa-masa lalu pemakaian gas alam sebagai sumber energi masih belum mendapat
perhatian karena kesulitan dalam pengangkutan dan penyimpanan.
LNG merupakan alternatif energi yang
mempunyai prospek cukup baik dewasa ini, karena hasil pembakarannya memiliki
tingkat polusi yang rendah, efisiensi pembakarannya cukup tinggi sehingga mudah
dikontrol.
Bagi masyarakat Indonesia, LNG merupakan
sumber daya alam yang potensial. Semula sumber daya
alam ini berbentuk endapan gas bumi sangat luas yang terpendam didalam perut
bumi. Kemudian gas bumi tersebut diproses menjadi bahan
bakar cair. Tanpa LNG, gas bumi yang berjumlah ratusan triliyun
kaki kubik akan tetap terperangkap di dalam perut bumi.
Gas alam selain mengandung gas-gas
hidrokarbon juga mengandung senyawa yang dapat mengkontaminasi seperti gas CO2
dan H2S, N2 serta uap air dengan kadar CO2
sebesar 19,2 % volume dan uap air yang relatif besar dibandingkan H2S
sebesar 10 ppm dan N2 yang bernilai trace.
Pada umumnya gas yang diperoleh dari
lapangan atau dari perut bumi, masih mengandung gas-gas atau materi lain yang tidak
diinginkan tersebut, ini disebut impurities atau
zat pengotor. Gas CO2 dan H2S tergolong
impurities yang sangat merugikan.
Seiring dengan menipisnya cadangan gas
alam dari sumber ladang gas, maka kadar CO2 dan H2S akan
semakin tinggi. Oleh karena itu harus dilakukan upaya untuk
meminimalisasikan kandungan gas-gas tersebut dengan meningkatkan
efisiensi proses penyerapan gas tersebut dengan
menggunakan larutan benfield.
1.2
Tujuan Penulisan
1.
Untuk
mengetahui proses pencairan gas alam.
2.
Untuk
mengetahui aplikasi dari hasil pencairan gas alam.
3.
Untuk
mengetahui alat-alat yang digunakan dalam
proses pencairan gas alam.
1.3 Manfaat
Penulisan
1.
Dapat
mengetahui proses dalam industri pencairan gas alam.
2.
Dapat mengenal
alat-alat dalam proses pencairan gas alam.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Gas Alam
Gas Alam atau yang sering disebut dengan gas bumi
adalah bahan atau materi yang terdiri dari fosil-fosil dan
terbentuk dalam wujud gas. Gas alam dapat
ditemukan di ladang minyak, ladang gas bumi dan juga tambang batu bara yang
diambil dengan cara pengeboran (drilling). Komponen (utama ) dalam gas alam yaitu metana
80-95%, etana 5-15%, propana dan butana <5%.
Gas alam juga merupakan campuran hidrokarbon ringan yang terbentuk secara alami yang bercampur
dengan beberapa senyawa non-hidrokarbon. Gas alam tak terasosiasi dihasilkan
dari cadangan yang tidak mengandung minyak (sumur kering). Di sisi lain, gas
alam terasosiasi bersinggungan dengan dan/atau terlarut dalam minyak bumi serta
merupakan produk yang dihasilkan bersama minyak. Komponen prinsip dari
kebanyakan gas alam adalah metana. Hidrokarbon parafinik berberat molekul lebih
tinggi (C2-C7) biasanya ada dalam jumlah kecil dalam campuran gas alam, dan
kadarnya sangat bervariasi tergantung pada lapangan gas asalnya. Gas alam
tak-terasosiasi normalnya mengandung kadar metana lebih tinggi daripada gas alam
terasosiasi. Gas alam terasosiasi mengandung hidrokarbon lebih berat dengan
kadar lebih tinggi.
Zat non-hidrokarbon dalam gas alam
bervariasi dari satu lapangan gas ke
lapangan lainnya. Beberapa senyawa ini merupakan asam lemah, seperti
hidrogen
sulfida dan karbon dioksida. Yang lain merupakan bahan inert, seperti
nitrogen,
helium dan argon. Beberapa cadangan gas alam berisi cukup banyak helium
untuk
diproduksi komersial.
Hidrokarbon berberat molekul lebih tinggi
dalam gas alam merupakan bahan bakar dan juga bahan baku kimia yang penting dan
biasanya dihasilkan dalam bentuk cairan gas alam. Sebagai contoh, etana mungkin
dipisahkan untuk dipakai sebagai bahan baku perengkahan kukus untuk memroduksi
etilena. Propana dan butana diambil dari gas alam dan dijual sebagai gas
petroleum dicairkan (LPG). Sebelum gas alam digunakan ia harus diproses atau
diolah untuk
Memisahkan zat pengotor dan mengambil hidrokarbon lebih berat (lebih
berat dari metana).
2.2 Proses Pengolahan Gas
Alam
Gas alam mentah mengandung sejumlah karbon
dioksida, hidrogen sulfida, dan uap air yang bervariasi. Adanya hidrogen
sulfida dalam gas alam untuk konsumsi rumah tangga tidak bisa ditoleransi
karena sifat racunnya. Zat ini juga menyebabkan karat pada peralatan logam.
Karbon dioksida tidak diinginkan,
karena zat ini akan mengurangi nilai panas gas dan akan memadat pada
tekanan tinggi dan temperatur rendah yang dipakai pada pengangkutan gas alam.
Untuk mendapatkan gas manis atau gas alam kering, maka gas-gas asam harus
diambil dan uap air dikurangi. Sebagai tambahan, gas alam dengan sejumlah
berarti hidrokarbon berat harus diolah untuk mendapatkan cairan-cairan gas
alamnya.
2.2.1 Proses
Pengolahan Gas Alam Cair
Pencairan gas alam menjadi LNG/LPG
bertujuan untuk memudahkan dalam penyimpanan dan transportasi. Gas alam yang
diolah di kilang LNG/LPG.
Proses awal yaitu Process Train
adalah unit pengolahan gas alam hingga menjadi LNG serta produk-produk lainnya
(pencairan fraksi berat dari gas alam). Dalam pengolahan gas alam di process
train dilakukan proses pemurnian, pemisahan H2O dan Hg, serta pendinginan
dan penurunan tekanan secara bertahap hingga hasil akhir proses berupa LNG.
Terdiri beberapa tahapan yaitu:
Plant 1 - Gas Purification
Proses di Plant 1 adalah pemurnian
gas dengan pemisahan kandungan CO2 (Karbon Dioksida) dari gas alam.
Kandungan CO2 tersebut harus dipisahkan agar tidak mengganggu proses
selanjutnya. Pemisahan CO2 dilakukan dengan proses absorbsi larutan
Mono Ethanol Amine (MEA), yang sekarang diganti dengan Methyl
De Ethanol Amine (MDEA) produksi Ucarsol. Proses ini dapat
mengurangi CO2 sampai di bawah 50 ppm dari aliran gas alam. Batas
maksimum kandungan CO2 pada proses selanjutnya adalah 50 ppm.
Plant 2 - Gas Dehydration And Mercury Removal
Selain CO2, gas alam juga mengandung uap
air (H2O) dan Mercury (Hg) yang akan menghambat proses pencairan
pada suhu rendah. Pada Plant 2, kandungan H2O dan Hg dipisahkan dari
gas alam. Kandungan H2O pada gas alam tersebut akan menjadi padat
dan akan menghambat pada proses pendinginan gas alam selanjutnya karena dapat
menyumbat pipa dan alat lainnya saat mengalami pembekuan, serta untuk mengurangi masalah karat dan mencegah terbentuknya hidrat. Hidrat
adalah senyawa padat berwarna putih yang terbentuk dari reaksi kimia-fisik
antara hidrokarbon dan air pada tekanan tinggi dan temperatur rendah yang
digunakan untuk mengangkut gas alam melalui jalur pipa. Hidrat mengurangi
efisiensi jalur pipa. Untuk mencegah pembentukan hidrat, gas alam bisa diolah
dengan glikol, yang melarutkan air secara efisien. Etilena glikol (EG),
dietilena glikol (DEG), dan trietilena glikol (TEG) merupakan contoh pelarut
untuk pengambilan air. Trietilena glikol (TEG) lebih baik jika dipakai pada
proses fasa-uap karena tekanan uapnya yang rendah, yang mengakibatkan sedikit
saja kehilangan glikol. Absorber TEG normalnya berisi 6 hingga 12 nampan (tray) bubble-cap untuk melakukan proses
absorpsi air.
Cara lain untuk
menghilangkan hidrat gas alam adalah dengan menyuntikkan metanol ke dalam jalur
gas untuk menurunkan temperatur pembentukan hidrat hingga di bawah temperatur
atmosfer. Air juga bisa dikurangi atau diambil dari gas alam dengan memakai
adsorben padat seperti saringan molekular atau gel silika.
Pemisahan kandungan H2O
(Gas Dehydration) dilakukan dengan cara absorbsi menggunakan molecullar sieve
hingga kandungan H2O maksimum 0,5 ppm. Kandungan mercury (Hg) pada
gas alam tersebut jika terkena peralatan yang terbuat dari aluminium akan
terbentuk amalgam. Sedangkan tube pada Main Heat Exchanger 5E-1 yang
merupakan alat pendingin dan pencairan utama untuk memproduksi LNG adalah
terbuat dari aluminium. Pemisahan kandungan Hg (Mercury Removal) dilakukan
dengan cara absorbsi menggunakan adsorben. Bed Mercury Removal yang berisi
Sulfur Impregnated Activated Charcoal dimana merkuri akan bereaksi
membentuk senyawa HgS, hingga kandungan Hg maksimum 0,1 ppm.
Plant 3 - Fractination
Sebelum gas alam didinginkan dan
dicairkan pada Main Heat Exchanger 5E-1 pada suhu yang sangat rendah hingga
menjadi LNG, proses pemisahan (fractination) gas alam dari fraksi-fraksi
berat (C2, C3, ..., dst) perlu dilakukan. Proses fraksinasi tersebut dilakukan
di Plant 3. Pemisahan gas alam dari fraksi beratnya dilakukan pada Scrub Column
3C-1. Setelah dipisahkan dari fraksi beratnya, gas alam didinginkan terlebih
dahulu hingga temperatur sekitar -50°C dan selanjutnya diproses di Plant 5
untuk didinginkan lebih lanjut dan dicairkan. Sedangkan fraksi beratnya
dipisahkan lagi sesuai dengan titik didihnya dengan beberapa alat (Deethanizer,
Deprophanizer dan Debuthanizer) untuk mendapatkan prophane, buthane dan
condensate.
Plant 4 - Refrigeration
Selain penurunan tekanan, proses
pencairan gas alam dilakukan dengan menggunakan sistem pendingin bertingkat.
Bahan pendingin yang digunakan: Propane dan Multi Component Refrigerant (MCR).
MCR adalah campuran Nitrogen, Methane, Ethane, Prophane dan Buthane yang
digunakan untuk pendinginan akhir dalam proses pembuatan LNG. Plant 4
menyediakan pendingin Prophane dan MCR. Baik prophane maupun MCR sebagai
pendingin diperoleh dari hasil sampingan pengolahan LNG.
Siklus Pendingin Prophane
Cairan prophane akan berubah fase
menjadi gas prophane setelah temperaturnya naik karena dipakai mendinginkan gas
alam maupun MCR. Sesuai dengan kebutuhan pendinginan bertingkat pada proses
pengolahan LNG, kondisi cairan prophane yang dipakai pendinginan ada 3
tingkat untuk MCR dan 3 tingkat untuk gas alam. Gas prophane setelah dipakai
untuk pendinginan dikompresikan oleh Prophane Recycle Compresor 4K-1 untuk
menaikkan tekanannya, kemudian didinginkan oleh air laut, dan selanjutnya
dicairkan dengan cara penurunan tekanan. Demikian siklus pendingin propane
diperoleh.
Siklus Pendingin MCR
Cairan MCR berubah fase menjadi gas MCR dengan
kenaikan temperatur karena dipakai pendinginan gas alam pada Main Heat
Exchanger 5E-1. Gas MCR tersebut dikompresikan secara seri oleh MCR First Stage
Compresor 4K-2 dan MCR Second Stage Compressor 4K-3 untuk menaikkan tekanannya.
Pendinginan dengan air laut dilakukan pada interstage 4K-2 dan 4K-3 serta pada
discharge 4K-3.
Plant 5 - Liquefaction
Pada Plant 5 dilakukan pendinginan dan pencairan
gas alam setelah gas alam mengalami pemurnian dari CO2, pengeringan dari
kandungan H2O, pemisahan Hg serta pemisahan dari fraksi beratnya dan
pendinginan bertahap oleh prophane. Gas alam menjadi cair setelah keluar
dari Main Heat Exchanger 5E-1 dan peralatan lainnya selanjutnya ditransfer ke
storage tank.
Diagram Alur dari Sebuah
Proses Pengolahan Gas Alam
Aliran blok diagram di atas adalah
konfigurasi umum untuk pengolahan gas alam mentah dari non-associated gas well dan bagaimana gas alam mentah diolah
menjadi gas jual kepada end user atau
pasar. Hasil pengolahan gas alam mentah dapat berupa :
1.
Gas alam kondensat
2.
Sulfur
3.
Etana
4.
Gas alam cair (NGL): propana, butana
dan C5 + (istilah yang umum digunakan untuk pentana ditambah dengan molekul
hidrokarbon yang lebih tinggi)
Proses yang dijelaskan pada diagram di atas:
1.
Gas alam mentah berasal dari
beberapa sumur yang berdekatan, dikumpulkan dan proses pengolahan pertama yang
terjadi adalah proses menghilangkan kandungan air dan gas alam kondensat. Hasil
kondensasi biasanya dialirkan kilang minyak dan air dibuang sebagai waste water.
2.
Gas alam mentah kemudian dialirkan
ke pabrik pengolahan di mana pemurnian awal biasanya menghilangkan
kandungan asam (H2S dan CO2). Proses yang dipakai pada umumnya adalah Amine Treating yang biasa disebut Amine Plant.
3.
Proses berikutnya adalah untuk
menghilangkan uap air dengan menggunakan proses penyerapan dalam
trietilen glikol cair (TEG).
4.
Proses berikutnya adalah untuk
mengubah menjadi fase gas alam cair (NGL) yang merupakan proses paling kompleks
dan menggunakan pabrik pengolahan gas modern.
2.2.2 Pengolahan
Gas Asam
Gas-gas asam dapat dikurangi atau diambil
dengan satu atau beberapa cara
berikut:
1.
Absorpsi fisik dengan memakai
pelarut absorpsi selektif.
Proses komersial penting yang digunakan
adalah proses Selexol, Sulfinol, dan Rectisol. Pada proses-proses ini, tidak
ada reaksi kimia yang terjadi antara gas
asam dan pelarutnya. Pelarutnya, atau absorben, adalah cairan yang
selektif menyerap gas-gas asam tetapi membiarkan hidrokarbonnya. Sebagai
contoh, pada
proses Selexol, pelarutnya adalah dimetil eter dari polietilena glikol.
Gas alam mentah dilewatkan berlawanan arah melalui pelarut yang mengalir ke
bawah. Ketika pelarut menjadi jenuh dengan gas-gas asam, tekanannya diturunkan,
sehingga hidrogen sulfida dan karbon dioksida dilepaskan kembali. Pelarutnya
kemudian didaur ulang ke menara absorpsi.
Gambar memperlihatkan proses Selexol
flash, (3) kompresor, (4) drum tekanan-rendah, (5) stripper, (6)
pendingin.
2.
Adsorpsi fisik dengan memakai
adsorben padat.
Pada proses ini, suatu padatan digunakan dengan luas
permukaan besar.
Saringan molekular (zeolita) banyak dipakai karena bisa menyerap
sejumlah besar
gas. Biasanya,
lebih dari satu unggun adsorpsi dipakai untuk operasi sinambung. Satu unggun
digunakan sedangkan yang lainnya diregenerasi. Regenerasi dilakukan dengan
melewatkan bahan bakar panas melewati unggun.
Saringan molekular hanya bisa bersaing jika jumlah hidrogen sulfida dan
karbon disulfidanya rendah. Saringan molekular juga bisa menyerap air, bukan
hanya gas asam.
3.
Absorpsi kimia (Chemisorption) dengan
memakai pelarut (suatu bahan kimia) yang bisa bereaksi reversibel dengan
gas-gas asam.
Proses ini dikenal akan kemampuannya yang tinggi dalam menyerap
sejumlah besar gas-gas asam. Proses ini memakai larutan basa yang relatif
lemah, seperti monoetanolamina. Gas asam akan membentuk ikatan lemah dengan
basa ini yang kemudian bisa mudah diregenerasi. Mono- dan dietanolamina sering
digunakan pada proses ini. Konsentrasi amina biasanya pada rentang 15 dan 30%.
Gas alam dilewatkan melalui larutan amina sehingga membentuk sulfida, karbonat,
dan bikarbonat. Dietanolamina adalah pelarut yang lebih disukai karena laju
karatnya rendah, kemungkinan hilangnya amina lebih kecil, memerlukan utilitas
lebih sedikit, dan memerlukan dietanolamina tambahan yang minimal.4
Dietanolamina juga bereaksi reversibel dengan 75% karbonil sulfida (COS),
sedangkan mono- bereaksi irreversibel dengan 95% COS serta membentuk produk
penguraian yang mesti dibuang. Diglikolamina (DGA), adalah pelarut amina lain
yang digunakan dalam proses Econamina (Gbr. 1-2).4 Absorpsi gas-gas asam
terjadi dalam absorber yang berisi larutan DGA aqueous, dan larutan panas yang kaya (jenuh dengan gas asam) dipompakan
ke regenerator. Larutan diglikolamina memiliki titik beku yang rendah, sehingga
cocok untuk digunakan di daerah beriklim dingin. Larutan basa kuat merupakan
pelarut gas-gas asam yang efektif. Namun, larutan ini biasanya tidak dipakai
untuk pengolahan gas alam volume besar karena gas-gas asam ini membentuk garam
stabil, yang tidak gampang diregenerasi. Sebagai contoh, karbon dioksida dan
hidrogen sulfida bereaksi dengan larutan natrium hidroksida aqueous
menghasilkan natrium karbonat dan natrium sulfida.
Namun, larutan basa kuat bisa digunakan
untuk mengambil merkaptan dari
aliran gas dan cairan. Sebagai contoh, pada Proses Merox, pelarut
kaustik yang mengandung katalis seperti kobalt, yang dapat merubah merkaptan menjadi
disulfida yang tak terlarut dalam kaustik, dipakai untuk aliran yang kaya merkaptan
setelah pengambilan H2S. Udara dipakai untuk mengoksidasi merkaptan menjadi
disulfida. Larutan kaustik kemudian didaur-ulang untuk regenerasi.
2.3 Produk Gas Alam
1.
LNG (Liquefied Natural Gas)
LNG atau gas alam adalah gas
hasil ekstraksi yang telah dipisahkan dari kandungan metananya, komponen
utamanya yaitu metana (CH4).
2.
LPG (Liquefied Petrolium Gas)
LPG (Liquefied Petrolium Gas) atau gas minyak bumi yang dicairkan adalah
campuran dari berbagai unsur hidrokarbon yang berasal dari gas alam, komponen
utamanya yaitu propana (C3H8) dan butana (C4H10).
3.
Dan lain
sebagainya seperti: CNG, HSD, MFO, IFO
CNG (Compressed Natural Gas) atau gas alam terkompresi adalah alternatif
bahan bakar selain bensin atau solar, komponen utamanya yaitu metana (CH4).
2.4 Peyimpanan dan Transportasi Gas Alam
Pada dasarnya
sistem transportasi gas alam meliputi:
1.
Transportasi melalui pipa salur.
2.
Transportasi dalam bentuk LNG (Liquefied Natural Gas)
dengan kapal tanker LNG untuk pengangkutan jarak jauh.
3.
Transportasi
dalam bentuk CNG (Compressed Natural Gas),
di daratan dengan road tanker sedangkan di laut dengan kapal tanker CNG, untuk
pengangkutan jarak dekat dan menengah (antar pulau).
2.5 Pemanfaatan Gas Alam
2.5.1 Sebagai bahan bakar, antara
lain:
1.
Bahan bakar Pembangkit Listrik Tenaga Gas atauUap (PLTU).
2.
Bahan bakar industri ringan, menengah dan berat.
3.
Bahan bakar kendaraan bermotor (BBG/NGV).
4.
Sebagai kebutuhan rumah tangga, hotel, restoran dan sebagainya.
2.5.2 Sebagai bahan baku, antara
lain;
1.
bahan baku pabrik pupuk
petrokimia dan metanol.
2.
bahan baku plastik (LDPE, LLDPE, HDPE, PE, PVC)
3.
industri besi
tuang, pengelasan dan bahan pemadam api
ringan
2.5.3 Sebagai komoditas energi untuk ekspor, yakni Liquefied Natural Gas (LNG).
2.6 Jenis
Sumur Gas Alam
Gas alam mentah terutama berasal
dari salah satu dari tiga jenis sumur:
1.
Sumur minyak mentah;
2.
Sumur gas;
3.
Sumur kondensat.
Gas alam yang keluar dari sumur
minyak mentah biasanya disebut associated gas. Gas ini ada sebagai gas di atas
minyak mentah yang terbentuk didalam tanah, atau bisa saja larut dalam
minyak mentah. Gas alam yang keluar dari sumur gas dan sumur kondensat, di mana
ada sedikit atau bahkan tidak ada kandungan minyak mentah disebut non-associated gas. Sumur gas
biasanya hanya memproduksi gas alam mentah, sedangkan sumur kondensat
menghasilkan gas alam mentah bersama dengan hidrokarbon berat molekul rendah.
Gas ini pada fase cair pada kondisi ambien contoh pentana disebut sebagai gas
alam kondensat (kadang-kadang juga disebut bensin alami atau hanya kondensat).
Gas alam bisa disebut sweet gas
ketika relatif bebas dari hidrogen sulfida, namun gas yang mengandung hidrogen
sulfida disebut sour gas.
Gas alam mentah juga dapat berasal
dari cadangan metana dalam pori-pori lapisan batubara, dan terutama
teradsorpsi ke permukaan batubara itu sendiri. Gas tersebut disebut sebagai coalbed gas atau coalbed methane. Coalbed gas telah menjadi sumber energi penting di akhir akhir ini.
2.7 Kontaminan
dalam Gas Alam Mentah
Gas alam mentah utamanya terdiri
dari metana (CH4), molekul hidrokarbon terpendek dan paling ringan
juga sejumlah:
1.
Gas hidrokarbon yang lebih berat:
etana (C2H6), propana (C3H8),
butana normal (n-C4H10), isobutana (i-C4H10),
pentana dan bahkan hidrokarbon dengan berat molekul yang lebih tinggi. Ketika
diproses dan dimurnikan menjadi produk jadi, semua ini secara kolektif disebut
sebagai NGL (Cairan Gas Alam).
2.
Gas asam: karbon dioksida (CO2),
hidrogen sulfida (H2S), methanethiol (CH3SH) dan
ethanethiol (C2H5SH).
3.
Gas lain: nitrogen (N2)
dan helium (He).
4.
Uap air. Juga sebagai larutan garam
dan gas terlarut (asam). Gas alam mentah harus dimurnikan untuk memenuhi
standar kualitas yang ditetapkan oleh perusahaan pipa transmisi utama dan
distribusi . Standar kualitas bervariasi dari pipa ke pipa dan biasanya
tergantung dari desain sistem pipa dan pangsa pasar yang dilayaninya.
2.8 Sifat-Sifat Gas Alam
Gas alam yang diolah terutama mengandung
metana; sifat keduanya (gas alam dan metana) hampir serupa. Namun, gas alam
bukanlah metana murni, dan sifatnya terpengaruh oleh adanya zat pengotor,
seperti N2 dan CO2 dan sejumlah kecil hidrokarbon lebih
berat yang tak terpisahkan. Salah satu sifat penting gas alam adalah nilai
panasnya. Jumlah nitrogen atau karbon dioksida yang relatif lebih tinggi akan
menurunkan nilai panas gas tersebut. Metana murni memiliki nilai panas 1.671
kJ/m3. Nilai ini turun menjadi hampir 1.490 kJ/m3 jika
gas mengandung sekitar 10% N2 dan CO2. (Nilai panas nitrogen
atau karbon dioksida adalah nol.) Pada sisi lain, nilai panas gas alam bisa melebihi
metana karena adanya hidrokarbon berberat molekul lebih tinggi, yang memiliki
nilai panas lebih tinggi. Sebagai contoh, nilai panas etana adalah 2.981 kJ/m3,
bandingkan dengan 1.671 kJ/m3 untuk metana. Nilai panas hidrokarbon yang
biasanya terkandung dalam gas alam ditunjukkan pada Tabel 1-4.
Gas alam biasa dijual sesuai dengan nilai
panasnya. Nilai panas satu produk gas merupakan fungsi dari zat yang ada dalam
campuran tersebut. Pada perdagangan gas alam, nilai panas satu juta BTU (1,055
juta kJ) hampir sama dengan 1.000 ft3 (28,3 m3) gas alam.
BAB III
TUGAS KHUSUS
3.1 Prinsip Kerja Heat Exchanger
3.1.1 Prinsip dan Teori Dasar Perpindahan Panas
Panas adalah salah satu bentuk energi yang dapat dipindahkan dari suatu
tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan sama
sekali. Dalam suatu proses, panas dapat mengakibatkan terjadinya kenaikan
suhu suatu zat dan atau perubahan tekanan, reaksi kimia dan kelistrikan.
Proses terjadinya perpindahan panas dapat dilakukan secara langsung, yaitu
fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin tanpa
adanya pemisah dan secara tidak langsung, yaitu bila diantara fluida panas dan
fluida dingin tidak berhubungan langsung tetapi dipisahkan oleh sekat-sekat
pemisah. Pada umumnya perpindahan panas dapat berlangsung melalui 3 cara yaitu
secara konduksi, konveksi, dan radiasi.
a. Konduksi
(hantaran)
Merupakan perpindahan panas antara molekul-molekul yang saling berdekatan
antar yang satu dengan yang lainnya dan tidak diikuti oleh perpindahan
molekul-molekul tersebut secara fisik. Molekul-molekul benda yang panas bergetar
lebih cepat dibandingkan molekul-molekul benda yang berada dalam keadaan
dingin. Getaran-getaran yang cepat ini, tenaganya dilimpahkan kepada molekul di
sekelilingnya sehingga menyebabkan getaran yang lebih cepat maka akan
memberikan panas.
Panas dipindahan sebagai energi kinetik dari suatu molekul ke molekul
lainnya, tanpa molekul tersebut berpindah tempat. Cara ini nyata sekali pada
zat padat.
Daya hantar panas konduksi (k) tiap zat berbeda-beda. Daya hantar tinggi
disebut penghantar panas (konduktor panas)
dan yang rendah adalah penyekat panas (isolator panas ).
Q = k * A * (T1-T2) / X
A : luas bidang perpindahan panas
X :
Panjang jalan perpindahan panas(tebal)
q ; panas yang dipindahkan
b. Konveksi (aliran/edaran)
Perpindahan panas dari suatu zat ke zat yang lain disertai dengan gerakan
partikel atau zat tersebut secara fisik.
Panas dipindahkan oleh molekul-molekul yang bergerak (mengalir). Oleh
karena adanya dorongan bergerak. Disini kecepatan gerakan (aliran) memegang
peranan penting. Konveksi hanya terjadi pada fluida
Q = h *
A * (T2 – T1)
h
= koefisien perpindahan panas suatu lapisan fluida.
Q = panas yang dipindahkan
A = luas perpindahan panas
Dalam melaksanakan operasi perpindahan panas, perlu diperhitungkan:
·
jumlah panas yang dipindahkan (q)
·
perbedaan suhu (T)
·
tahanan terhadap perpindahan panas (R).
Persamaan utama yg menghubungkan besaran – besaran diatas adalah::
q = A * (T2 – T1) / R = U * A * (T2 –
T1)
q = jumlah panas yang dipindahkan
R = tahanan terhadap perpindahan panasU = 1/R = Koefisien perpindahan panas keseluruhan, gabungan
antara konduksi dan konveksi (k.W / m2.
C )
Harga U atau R tergantung pada :
·
Jenis zat (daya hantar)
·
Kecepatan aliran
·
Ada tidaknya kerak.
c. Radiasi (pancaran)
Perpindahan panas tanpa melalui media (tanpa melalui molekul). Suatu
energi dapat dihantarkan dari suatu tempat ke tempat lainnya (dari benda panas
ke benda yang dingin) dengan pancaran gelombang elektromagnetik dimana tenaga
elektromagnetik ini akan berubah menjadi panas jika terserap oleh benda yang
lain.
Gambar 1. Perpindahan Kalor pada Heat Exchanger
Panas dipancarkan dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Perpindahan
seperti ini tidak memerlukan zat
antara/media.
Q = σ . T4
Q = jumlah panas yang dipancarkan
T = suhu mutlak
σ = tetapan Stefan – Boltzman, = 4,92 kkal / (jam. m2.K4 )
d. Hubungan U dengan k dan h
1/U = 1/ha
+ x/k + 1/hb
Atau
R = Ra +
Rk + Rb
Adanya kotoran/endapan (kerak) akan memperbesar tahanan terhadap
perpindahan panas atau memperkecil U, sehingga persamaan menjadi:
1/U = R = Ra + Rk + Rb + Rf
Rf
: tahanan karena fouling (kotoran)
e. Isolasi Panas
Mencegah kehilangan panas alat –alat, pipa-pipa steam/gas yang bersuhu
tinggi ke sekeliling yang suhunya lebih rendah, atau sebaliknya.
Untuk alat-alat dengan suhu rendah, isolasi mencegah masuknya panas karena
suhu sekitarnya yang lebih tinggi.Isolasi juga mencegah bahaya yang dapat
timbul bila orang menyentuh permukaan benda yang panas atau dingin sekali.
Bahan Isolasi: - daya hantar panas
rendah
- dapat menahan arus konveksi
- disesuaikan dengan
suhuPermukaan datar: makin tebal, makin sedikit panas yang hilang
f. Perbedaan Suhu
Rata-rata
Dalam perpindahan panas perbedaan
suhu mengendalikan laju pemindahan panas. Suhu fluida dalam alat sering tidak
tetap. Untuk perhitungan digunakan perbedaan suhu rata-rata.
(T2 – t2) – (T1 – t1)
∆T =
--------------------------
Ln (T2 - t2) / (T1 - t1)
Perbedaan suhu ini disebut perbedaan suhu rata-rata logaritma (log mean
temperature diffrence) disingkat LMTD
Q = U * A *(Δ T)
LMTD
Pada Dasarnya prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu memindahkan panas
dari dua fluida padatemperatur berbeda di mana transfer panas dapat dilakukan
secara langsung ataupun tidak langsung.
a.
Secara kontak langsung
panas yang dipindahkan antara fluida panas dan dingin melalui permukaan
kontak langsung berarti tidak ada dinding antara kedua fluida. Transfer panas
yang terjadi yaitu melalui interfase / penghubung antara kedua fluida. Contoh :
aliran steam pada kontak langsung yaitu 2 zat cair yang immiscible
(tidak dapat bercampur), gas-liquid, dan partikel padat-kombinasi fluida.
b.
Secara kontak tak langsung
Perpindahan panas terjadi antara fluida panas dandingin melalui dinding
pemisah. Dalam sistem ini, kedua fluida akan mengalir.
3.2 Jenis – jenis Heat Exchanger
Ada beberapa jenis heat exchanger yang banyak digunakan dalam industri,
yaitu:
a.
Penukar panas pipa rangkap (double
pipe heat exchanger )
Salah satu jenis penukar panas adalah susunan pipa ganda. Dalam jenis
penukar panas dapat digunakan berlawanan arah aliran atau arah aliran, baik
dengan cairan panas atau dingin cairan yang terkandung dalam ruang annular dan
cairan lainnya dalam pipa.
Alat penukar panas pipa rangkap terdiri dari dua pipa logam standart yang
dikedua ujungnya dilas menjadi satu atau dihubungkan dengan kotak penyekat.
Fluida yang satu mengalir di dalam pipa, sedangkan fluida kedua mengalir di
dalam ruang anulus antara pipa luar dengan pipa dalam. Alat penukar panas jenis
ini dapat digunakan pada laju alir fluida yang kecil dan tekanan operasi yang
tinggi. Sedangkan untuk kapasitas yang lebih besar digunakan penukar panas
jenis selongsong dan buluh ( shell and tube heat exchanger ).
Gambar 2 . Penukar panas jenis pipa rangkap
(double pipe heat exchanger )
b.
Penukar panas cangkang dan buluh ( shell and tube heat exchanger )
Alat penukar panas cangkang dan buluh terdiri atas suatu bundel pipa yang dihubungkan secara parallel dan ditempatkan dalam sebuah pipa mantel (cangkang ). Fluida yang satu mengalir di dalam bundel pipa, sedangkan fluida yang lain mengalir di luar pipa pada arah yang sama, berlawanan, atau bersilangan. Kedua ujung pipa tersebut dilas pada penunjang pipa yang menempel pada mantel. Untuk meningkatkan effisiensi pertukaran panas, biasanya pada alat penukar panas cangkang dan buluh dipasang sekat ( buffle ). Ini bertujuan untuk membuat turbulensi aliran fluida dan menambah waktu tinggal ( residence time ), namun pemasangan sekat akan memperbesar pressure drop operasi dan menambah beban kerja pompa, sehingga laju alir fluida yang dipertukarkan panasnya harus diatur.
Alat penukar panas cangkang dan buluh terdiri atas suatu bundel pipa yang dihubungkan secara parallel dan ditempatkan dalam sebuah pipa mantel (cangkang ). Fluida yang satu mengalir di dalam bundel pipa, sedangkan fluida yang lain mengalir di luar pipa pada arah yang sama, berlawanan, atau bersilangan. Kedua ujung pipa tersebut dilas pada penunjang pipa yang menempel pada mantel. Untuk meningkatkan effisiensi pertukaran panas, biasanya pada alat penukar panas cangkang dan buluh dipasang sekat ( buffle ). Ini bertujuan untuk membuat turbulensi aliran fluida dan menambah waktu tinggal ( residence time ), namun pemasangan sekat akan memperbesar pressure drop operasi dan menambah beban kerja pompa, sehingga laju alir fluida yang dipertukarkan panasnya harus diatur.
Gambar 3.Penukar panas jenis cangkang dan buluh
( shell and tube heat exchanger )
Tipe-tipe yang dikenal dari jenis heat exchanger ini adalah :
1. Fixed tube sheet
2. Floating tube sheet
3. Tipe pipa U
4. Tipe fixed tube sheet dengan
sambungan (bagian) ekspansi pada shellnya.
Dengan heat exchanger jenis ini dapat diperoleh luas bidang
perpindahan panas yang besar dengan
volume alat yang relative lebih kecil. Untuk pipa bisa dibuat dari berbagai jenis
bahan kontruksi, disesuaikan dengan alat sifat korosif fluida yang ditangani.
Heat exchanger ini dapat digunakan untuk
pemanasan/penguapan dan pendinginan atau kondensasi segala macam fluida.
1) Tubes
Pipa yang digunakan dalam heat exchanger
bukanlah pipa – pipa biasa, tetapi pipa-pipa yang khusus dibuat untuk
heat exchanger, dibuat dari berbagai material. Umumnya digunakan pipa
berukutran diameter luar ¾ inch atau 1
inch. Tetapi tersedia juga pipa-pipa dengan dengan diameter luar1/4; 1,75; 1,50 inch. Tebal pipa dinyatakan dengan
kode BWG (Birmingham Wire Gauge). Makin besar bilangan BWG, makin tipis
pipanya.
Misalnaya : untuk pipa 1 inch
BWG 8 mempunyai tebal 0,165 inch
BWG 10 mempunyai tebal 0,134 inch
BWG 16 mempunyai tebal 0,065 inch
Tersedia BWG mulai dari 8 sampai 18.
Tube terpasang pada tube – sheet dengan pitch 1,25 DO (diameter luar).
Formasi pipa dapat membentuk segitiga atau bujur sangkar.
2) Shell
Biasanya digunakan baja karbon untuk ukuran kecil dapat digunakan pada
standar baja karbon. Untuk ukuranbesardibuat dari pelat yang di roll atau di-
las. Untuk heat exchanger yang tidak beroperasi pada tekanan tinggi biasa
digunakan :
Tebal 3/8 in
untuk diameter 13 in
Tebal 7/8 in
untuk diameter 31 in
Sering diberi kelebihan 1/8 in untuk kemungkinan korosi.
3) Baffle
Dipasang dengan tujuan untuk
mengarahkan aliran didalam shell, sehingga seluruh bagian terkena aliran.
Adanya baffle juga memperbesar dan membuat turbulen aliran sehingga didapatkan
koefisien perpindahan panas yang besar. Luas baffle lebih kurang 75% penampang
shell. Spasi antar baffle tidak lebih dekat dari 1/5 diameter shell, bila
terlalu dekat alan didapat kehilangan tekanan yang besar.
c.
Penukar Panas Plate and Frame ( plate and frame heat exchanger )
Alat penukar panas pelat dan bingkai terdiri dari paket pelat – pelat tegak
lurus, bergelombang, atau profil lain. Pemisah antara pelat tegak lurus
dipasang penyekat lunak ( biasanya terbuat dari karet ). Pelat – pelat dan
sekat disatukan oleh suatu perangkat penekan yang pada setiap sudut pelat 10 (
kebanyakan segi empat ) terdapat lubang pengalir fluida. Melalui dua dari
lubang ini, fluida dialirkan masuk dan keluar pada sisi yang lain, sedangkan
fluida yang lain mengalir melalui lubang dan ruang pada sisi sebelahnya karena
ada sekat.
Gambar 4. Penukar panas jenis pelat and Frame
d. SDAdiabatic wheel heat exchanger
Jenis keempat penukar panas menggunakan intermediate cairan atau toko yang
solid untuk menahan panas, yang kemudian pindah ke sisi lain dari penukar panas
akan dirilis. Dua contoh ini adalah roda adiabatik, yang terdiri dari roda
besar dengan benang halus berputar melalui cairan panas dan dingin, dan penukar
panas cairan.
e. Pillow plate heat exchanger
Sebuah pelat penukar bantal umumnya digunakan dalam industri susu untuk
susu pendingin dalam jumlah besar langsung ekspansi tank massal stainless
steel. Pelat bantal memungkinkan untuk pendinginan di hampir daerah
seluruh permukaan tangki, tanpa sela yang akan terjadi antara pipa dilas ke
bagian luar tangki. Pelat bantal dibangun menggunakan lembaran tipis dari
logam-spot dilas ke permukaan selembar tebal dari logam.
Pelat tipis dilas dalam pola teratur dari titik-titik atau dengan pola
serpentin garis las. Setelah pengelasan ruang tertutup bertekanan dengan
kekuatan yang cukup untuk menyebabkan logam tipis untuk tonjolan di sekitar
lasan, menyediakan ruang untuk cairan penukar panas mengalir, dan menciptakan
penampilan yang karakteristik bantal membengkak terbentuk dari logam.
f.
Dynamic scraped surface heat
exchanger
Tipe lain dari penukar panas disebut "(dinamis) besot permukaan heat
exchanger". Ini terutama digunakan untuk pemanasan atau pendinginan
dengan tinggi viskositas produk, proses kristalisasi, penguapan tinggi dan
fouling aplikasi. Kali berjalan panjang yang dicapai karena terus menerus
menggores permukaan, sehingga menghindari pengotoran dan mencapai kecepatan
transfer panas yang berkelanjutan selama proses tersebut.
g.
Phase-change heat exchanger
Selain memanas atau pendinginan cairan hanya dalam satu fasa, penukar panas
dapat digunakan baik untuk memanaskan cairan menguap (atau mendidih) atau
digunakan sebagai kondensor untuk mendinginkan uap dan mengembun ke
cairan. Pada pabrik kimia dan kilang, reboilers digunakan untuk memanaskan
umpan masuk untuk menara distilasi sering penukar panas.
Distilasi set-up biasanya menggunakan kondensor untuk mengkondensasikan uap distilasi
kembali ke dalam cairan.Pembangkit tenaga listrik yang memiliki uap yang
digerakkan turbin biasanya menggunakan penukar panas untuk mendidihkan air
menjadi uap.
Heat exchanger atau unit serupa untuk memproduksi uap dari air yang sering
disebut boiler atau generator uap. Dalam pembangkit listrik tenaga nuklir yang
disebut reaktor air bertekanan, penukar panas khusus besar yang melewati panas
dari sistem (pabrik reaktor) primer ke sistem (pabrik uap) sekunder, uap
memproduksi dari air dalam proses, disebut generator uap. Semua pembangkit
listrik berbahan bakar fosil dan nuklir menggunakan uap yang digerakkan turbin
memiliki kondensor permukaan untuk mengubah uap gas buang dari turbin ke
kondensat (air) untuk digunakan kembali.
Untuk menghemat energi dan kapasitas pendinginan dalam kimia dan tanaman
lainnya, penukar panas regeneratif dapat digunakan untuk mentransfer panas dari
satu aliran yang perlu didinginkan ke aliran yang perlu dipanaskan, seperti
pendingin distilat dan pakan reboiler pra-pemanasan.
Istilah ini juga dapat merujuk kepada penukar panas yang mengandung bahan
dalam struktur mereka yang memiliki perubahan fasa. Hal ini biasanya padat
ke fase cair karena perbedaan volume kecil antara negara-negara
ini. Perubahan fase efektif bertindak sebagai buffer karena terjadi pada
suhu konstan tetapi masih memungkinkan untuk penukar panas untuk menerima panas
tambahan. Salah satu contoh di mana ini telah diteliti untuk digunakan
dalam elektronik pesawat daya tinggi.
3.
Tipe Aliran pada Alat Penukar Panas
Tipe
aliran di dalam alat penukar panas ini ada 4 macam aliran yaitu :
a.
Counter current flow
(aliran berlawanan arah)
b.
Paralel flow/co current flow (aliran searah)
c.
Cross flow (aliran silang)
d.
Cross counter flow (aliran silang berlawanan)
3.3 Komponen Heat Exchanger
Pemindahan panas dalam heat exchanger
dilakukan dengan mengkontakkan dua fluida melalui suatu bidang pemanas. Fluida
pemanas atau pendingin berada dalam suatu jaket, didalampipa atau diluar pipa.
Luas bidang pemanas harus cukup (sesuai persamaan perpindahan panas dan
kebutuhan panas ). Adapun komponen-komponen dari heat exchanger antara lain:
1.
Heat Exchanger
(HE)
Alat
untuk memanfaatkan panas suatu aliran fluida bagi pemanasan aliran
fluida lainnya.
2.
Heater
Untuk memanaskan (menaikkan suhu) suatu
fluida proses. Sebagai
pemanas digunakan steam atau fluida panas lain yang ada.
3.
Cooler
Untuk pendinginan (menurunkan suhu) suatu
fluida proses. Sebagai pendingin digunakan air, udara, atau fluida lain yg
perlu dipanaskan.
4.
Condensor
Pendingin (cooler) untuk mengembunkan
(mengambil) panas latennya.
5.
Evaporator
Untuk menguapkan air dari larutan dan
memperoleh larutan pekat.
6.
Vaporazer
Untuk menguapkan cairan/pelarut yang bukan
air.
7. Reboiler
Penyediankan
panas untuk menguapkan sebagian cairan,
misalnya untuk distilasi, absorpsi,
stripping.
3.4 Aliran Multi Pass
Alir fluida
dalam tube sering dibuat beberapa kali melewati shell. Dengan cara ini
penampang aliran dalam tube menjadi lebih kecil dan laju linier menjadi besar,
sehingga diperoleh koefisien perpindahan panas besar.
3.5 Aspek Operasi dan Pemeliharaan
Salah satu masalah utama dalam pemeliharaan
HE adalah pengendapan kotoran (fouling) pada permukaan bidang perpindahan
panas. Hal ini menyebabkan peningkatan tahanan panas ( koef perpindahan panas
mengecil). Fouling juga menambahntahanan terhadap aliran fluida. Bertambahnya
tambahan memperbesar beda suhu rata-rata(LMTD).
Endapan yang membentuk kerak pada suatu
tempat dapat mengakibatkan pemanasan (meningkatkan suhu) yang berlebihan pada
suatu tempat dan dapat merusak pipa/tube (over heating).
Biasanya ”shelland tube heat exchanger” dirancangdengan
luas bidang pemanas yang berlebihan dari seharusnya sehingga penurunan
koefisien perpindahan panas tidak langsung mengakibatkan penyimpangan besar
kinerja(performance) heat exchanger tersebut.
Bila fouling telah melewati harga tertentu
( kerak semakin tebal), kemampuan pelat/pipa sudah tidak lagi sebagaimana
disyaratkan. Sebelum hal ini terjadi ,
alat harus segera dihentikan untuk dibersihkan keraknya.
Kinerja (kemampuan kerja) heat exchanger
dapat dievaluasi dengan membuat neraca panas. Untukm itu dikumpulkan data.
Untuk memudahkan penetapan kapan penghentian harus dilakukan, dapat dilakukan
pengamatan perubahan LMTD dan kehilangan tekanan pada tube (lihat grafik Δ
P atau Δ T LMTD terhadap waktu. HE
Bila
P dan / atau LMTD telah mencapai suatu harga tertentu, berarti fouling
sudah cukup banyak dan harus dihentikan untuk dibersihkan.
Tiap heat exchanger punya harga batasnya
sendiri-sendiri yangb berlainan dan perlu diamati untuk menetapkan jadwal
pemvbersihan, operasi yang tepat (sesuai petunjuk yang diberikan) akan
memperpanjang selang waktu pembersihan dan umur heat exchanger.
Saat yang paling menentukan justru pada
saat ”start Up” dan ”shut down”, pada saat ini bisa terjadi kejutan panas
(perubahan panas tiba-tiba) dan hantaran hidrolik yang dapat menimbulkan
tegangan berlebihan dan tidak seimbang yang dapat merusak sambungan-sambungan,
pipa, packing dan atau timbul kebocoran.
Laju alir dalam sehell yang terlalu besar
(berlebihan dari seharusnya) dapat menimbulkan vibnrasi (getaran) yang sangat
membahayakan.
gambarnya tidak ada min
ReplyDelete