Tuesday, October 13, 2015

makalah Pencairan Gas Alam

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
Proses Selexol untuk pengambilan gas asam: (1) absorber, (2) drum
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.

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.




1 comment: