Evaluasi Kinerja Proses
-
Upload
rahma-wulandari -
Category
Documents
-
view
259 -
download
3
Transcript of Evaluasi Kinerja Proses
-
8/19/2019 Evaluasi Kinerja Proses
1/20
-
8/19/2019 Evaluasi Kinerja Proses
2/20
TINJUAN PUSTAA
1! Pr"s#s P#n$airan %as
Salah satu cara pengolahan gas alam adalah mengubah gas alam tersebut menjadi cair atau
disebut juga dengan Natural Gas Liquefaction. Gas alam yang telah dicairkan atau yang biasa
disebut LNG ( Liquefied Natural Gas) digunakan sebagai bahan bakar maupun diperdagangkan.
LNG secara umum merupakan gas alam yang telah dibersihkan dari pengotor-pengotor seperti
Hg, HS, H!, serta "!, serta dihilangkan dari #raksi beratnya sehingga sebagian besar dari
LNG terdiri dari metana.
$roses pembentukan LNG dimulai dengan penghilangan gas alam dari H S dan "! sebagai acid
gas, kemudian dilanjutkan penghilangan H! dan Hg. Setelah pengotor-pengotor dihilangkan,
gas alam di #raksionasi, untuk menghilangkan #raksi-#raksi berat yaitu butana, propana, serta
etana, dan sehingga hanya menyisakan metana. Gas metana yang tersisa selanjutnya dicairkan
dengan cara didinginkan dan dan dikondensasi sehingga menjadi cair (LNG). %iagram alir
proses dari pembuatan LNG secara umum ditampilkan pada Gambar &.
Gambar &. %iagram alir proses LNG
-
8/19/2019 Evaluasi Kinerja Proses
3/20
$roses pencairan gas metana, saat ini dikenal melalui beberapa paten teknologi yang telah ada,
antara lain Linde Process serta Claude Process. Secara umum kedua proses tersebut
menggunakan prinsip yang sama yaitu mencairkan gas metana dengan peningkatan tekanan gas
yang diikuti pendinginan, kemudian gas tersebut dikondensasi dengan cara menurunkan
tekanannya. Claude Process merupakan pengembangan dari Linde Process dimana terdapat
beberapa perbedaan yang berpengaruh pada e#ekti#itas prosesnya. 'erikut merupakan penjabaran
dari Linde Process serta Claude Process.
1!1! Pr"s#s &ind#
$roses Linde atau bisa disebut pula Joule-Thomson Process merupakan proses pencairan gas
yang dikembangkan oleh "arl Linde pada tahun &*, dan dapat digunakan pada proses
re#rigerasi pada le+el temperatur nitrogen. Linde Process merupakan proses pencairan gas
dengan prinsip self-refrigeration, dimana gas tersebut didinginkan menggunakan gas itu sendiri,
sehingga tidak memerlukan gas re#rigeran lain. nit utama yang digunakan pada proses ini
antara lain multistage compressor dengan intercoolers dan a#tercooler, heat echanger dengan
tipe counter-current, serta throttling +al+e (oule-/homson +al+e). %iagram alir prose dari $roses
Linde ditampilkan dalam Gambar .
Gambar . %iagram alir $roses Linde
-
8/19/2019 Evaluasi Kinerja Proses
4/20
$roses Linde dia0ali dengan mengkompresi gas umpan menggunakan kompresor multistage
sampai tekanan yang cukup tinggi, nilai dari tekanan yang dituju bergantung pada gas yang
digunakan. Gas bertekanan tinggi didinginkan menggunakan aftercooler hingga temperatur
rendah (ambient ). 1emudian gas didinginkan sampai temperatur yang sangat rendah (diba0ah
23") menggunakan heat exchanger . 4liran gas keluaran heat exchanger kemudian di ekspansi
secara isentalpi menggunakan JT-valve untuk menurunkan tekanannya (proses kondensasi)
sehingga dapat terbentuk #asa cairnya. 1emudian antara gas dan cairan yang terbentuk
dipisahkan menggunakan separator dua #asa. $roduk ba0ah dari separator dua #asa merupakan
produk LNG yang dikehendaki, sedangkan produk atas merupakan gas dingin. Gas dingin
tersebut dikembalikan ke aliran umpan, dan digunakan pula sebagai refrigerant pada heat
exchanger . Hal tersebut bertujuan untuk meman#aatkan gas keluaran atas separator yang bersuhu
sangat rendah untuk mendinginkan gas umpan melalui heat exchanger . Gambar 5 menunjukkan
siklus JT Thomson yang digunakan pada proses Linde.
Gambar 5. Siklus JT Thomson
-
8/19/2019 Evaluasi Kinerja Proses
5/20
$roses Linde memiliki beberapa kelebihan dibandingan proses pencairan gas menggunakan
teknologi lain, yaitu 6
• Gas tere+aporasi pada temperatur konstan, sehingga temperatur pendinginan relati# stabil
• %ensitas dari cairan lebih tinggi dibandingkan densitas gas, maka salah satunya dapat
menggunakan small cooling channel
• 1apasitas panas +olumetrik dari cairan lebih besar
• 1oe#isien perpindahan panas untuk boliling liquid tinggi
• 4danya kemungkinan untuk memperoleh cairan dari back-up purpose.
Selain itu kelemahan dari proses Linde adalah membutuhkan tekanan yang relati# tinggi, dimana
dibutuhkan high-pressure multistage compressor .
1!2! Pr"s#s 'laud#
$ada proses pencairan gas alam terdapat proses yang juga biasa digunakan, yaitu proses "laude.
$roses "laude menggabungkan keunggulan yang ada pada siklus oule-/homson (proses Linde)
dan siklus 'rayton sehingga terbentuk siklus seperti pada Gambar 7. $roses "laude dapat
mencairkan gas alam melalui tahap oule-/homson dan memiliki tahap pendinginan yang sangat
e#isien menggunakan turbin ekspansi. Hal ini membuat proses "laude lebih e#isien jika
dibandingkan dengan proses Linde.
Gambar 7. Siklus "laude
Seperti halnya proses pencairan gas lain, proses "laude terdiri dari tahap kompresi dan ekspansi
untuk mencapai tekanan #luida yang tinggi dan temperatur sangat rendah. /ahap kompresi pada
proses "laude dilakukan sebanyak satu kali untuk menaikkan tekanan gas alam sebelum
-
8/19/2019 Evaluasi Kinerja Proses
6/20
memasuki tahap penurunan temperatur maupun ekspansi. /ahap ekspansi pada proses "laude
dilakukan sebanyak dua kali melalui ekspansi isentropi menggunakan /urboepander dan
ekspansi isentalpi menggunakan / 8al+e. 9kspansi isentropi memungkinkan penurunan
temperatur yang lebih besar daripada ekspansi isentalpi pada nilai turun tekan yang sama.
%iagram alir proses "laude ditunjukkan pada Gambar * berikut.
Gambar *. %iagram alir proses "laude
$roses "laude dia0ali dengan mengkompresi gas umpan menggunakan kompresor sampai
tekanan tertentu. Gas bertekanan tinggi didinginkan menggunakan cooler hingga temperatur
rendah (ambient). 1emudian gas didinginkan sampai temperatur yang sangat rendah (diba0ah
23") menggunakan heat exchanger dengan meman#aatkan aliran pendingin produk yang didaur
ulang. 4liran gas keluaran heat exchanger kemudian dibagi menjadi dua aliran menggunakan
splitter 4liran pertama akan didinginkan kembali melalui heat exchanger! sedangkan aliran
kedua akan diekspansi menggunakan /urboepander untuk didaur ulang sebagai aliran pendingin
maupun umpan. 4liran pertama didinginkan oleh aliran produk yang didaur ulang, lalu
diekspansi secara isentalpi menggunakan /-+al+e untuk menurunkan tekanannya (proses
kondensasi) sehingga terbentuk #asa cairnya. 1emudian antara gas dan cairan yang terbentuk
dipisahkan menggunakan separator dua #asa untuk menghasilkan produk LNG.
-
8/19/2019 Evaluasi Kinerja Proses
7/20
$roduk ba0ah dari separator dua #asa merupakan produk LNG yang dikehendaki, sedangkan
produk atas merupakan gas dingin. Gas dingin tersebut merupakan #luida yang didaur ulang ke
aliran umpan, dan digunakan pula sebagai pendingin pada heat exchanger . Hal ini bertujuan
untuk meman#aatkan gas keluaran atas separator yang bersuhu sangat rendah untuk
mendinginkan gas umpan melalui heat echanger.
2! Spesifik Brake Horse Power (S)HP*
tekanan (bar)
SBHP (kWt!n)
%ari pembahasan
sebelumnya diketahui bah0a proses pencairan gas dapat dilakukan dengan beberapa teknologi
yang sudah ada, yaitu contohnya Linde Process dan Claude Process. %ari kedua proses tersebut
membutuhkan daya yang cukup besar, daya tersebut digunakan untuk kerja kompresor. %aya
pada proses pencairan gas, khususnya proses LNG dinamakan Spesi#ic 'rake Horse $o0er
(S'H$) dengan satuan k:att per ton produk yang dihasilkan (k:;ton). %isini nilai S'H$ dari
proses LNG dapat dioptimasi dengan mengubah tekanan keluaran kompresor sehingga nantinya
berpengaruh pada nilai S'H$nya. ntuk Claude Process S'H$ juga dipengaruhi oleh #lo0 rasio
splitter yang digunakan. Gambar < dan gambar = menunjukkan niali S'H$ terhadap parameter
yang mempengaruhi.
-
8/19/2019 Evaluasi Kinerja Proses
8/20
Gambar
-
8/19/2019 Evaluasi Kinerja Proses
9/20
RU+USAN +ASA&AH
%iketahui suatu gas metana pada suhu 52"" dengan tekanan &, kg;cm
akan dicairkan denganmenggunakan proses Linde. Gas umpan ditekan hingga $5 kg;cm, kemudian didinginkan hingga
/7 > 52"" dan diekspan menggunakan JT valve ke tekanan a0al. 9ksplorasi pengaruh
perubahan tekanan $5 dengan rentang 2-&22 kg;cm terhadap "pesific #rake $orse Po%er
(S'H$) untuk & ton;hari LNG. &inimal approach yang digunakan yaitu *"", serta ?$ peralatan
> 2 kg;cm . Process 'lo% (iagram proses Linde yang digunakan ditampilkan oleh gambar .
Gambar . $@% proses Linde
Setelah optimasi proses Linde selesai, kemudian dilanjutkan dengan membuat kasus tersebut
dengan proses "laude. $ada proses "laude digunakan parameter-parameter hasil optimasi dari
proses Linde, dan dioptimasi kembali. Process 'lo% (iagram proses "laude ditampilkan pada
gambar .
-
8/19/2019 Evaluasi Kinerja Proses
10/20
Gambar . $@% proses "laude
$roses Linde serta proses "laude yang telah dioptimasi dibandingkan kee#ekti#annya, sehingga
dapat ditentukan proses pembuatan LNG yang paling e#ekti#.
-
8/19/2019 Evaluasi Kinerja Proses
11/20
+,T-.-&-%I
-
8/19/2019 Evaluasi Kinerja Proses
12/20
P,+)AHASAN
1. Pr"s#s &ind#
$embuatan LNG menggunakan proses Linde sesuai rumusan masalah, disimulasikan
menggunakan soft%are $)")" **. Gambar &2 menampilkan $@% dari proses Linde yang dibuat.
Gambar &2. $@% proses Linde
$roses dia0ali dengan memasukkan umpan berupa gas metana murni kedalam mixer dimana
dicampur dengan aliran rec+cle gas metana. 1emudian aliran keluaran mixer dikompresi
menggunakan kompresor dan dilanjutkan dengan pendinginan menggunakan cooler . Gas yang
sudah bertekanan tinggi dan bersuhu rendah didinginkan kembali menggunakan heat exchanger .
$eat exchanger menggunakan gas metana rec+cle sebagai gas r efrigerant . Gas keluaran heat
exchanger kemudian dikondensasi menggunakan JT-valve sehingga tekanan gas turun dan
membentuk #asa cair. Gas dan cairan pada aliran dipisahkan menggunakan separator dua #asa,
dimana produk ba0ahnya adalah metana cair yang merupaka produk LNG, sedangkan produk
atas adalah gas metana yang bertemperatur rendah. Gas mentana dingin tersebut di alirkan
kembali sebagai aliran rec+cle ke mixer , namun sebelumnya gas ini diman#aatkan sebagai
refrigerant oleh heat exchanger . 1ondisi operasi tiap aliran pada simulasi proses Linde
ditunjukkan oleh tabel &.
-
8/19/2019 Evaluasi Kinerja Proses
13/20
/abel &. 1ondisi operasi aliran
Nomor
aliran
/emperatur ("") /ekanan (bar) Laju alir (ton;hari) 8apour #raction
&
5
7
*
<
=
$rod LNG
Nilai S'H$ dari proses ini akan menurun dengan meningkatnya tekanan aliran keluaran
kompresor. Hal tersebut dikarenakan semakin tinggi tekanan aliran keluaran kompresor maka
semakin banyak produk yang dihasilkan dan semakin sedikit aliran recycle yang masuk bersama
umpan. %ari optimasi proses Linde yang telah dibuat didapatkan nilai "pesific #rake $orse
Po%er (S'H$) sebesar & k:;ton.
2! Pr"s#s 'laud#
$roses "laude untuk mencairkan gas alam disimulasikan menggunakan HASAS . yang
ditunjukkan pada Gambar && berikut.
Gambar &&. Simulasi HASAS . proses "laude
-
8/19/2019 Evaluasi Kinerja Proses
14/20
mpan gas alam sebesar & ton;hari masuk pada aliran & dan bercampur dengan gas alam hasil
daur ulang produk LNG. 1emudian, gas dikompresi untuk menaikkan tekanan dan didinginkan
menggunakan cooler hingga temperatur *o". 4liran gas didinginkan melalui heat exchanger
sebelum memasuki splitter . 4liran keluraran splitter dibagi menjadi dua, yaitu aliran yang
didinginkan melalu heat exchanger lalu diekspansi menggunakan / 8al+e sehingga
menghasilkan #asa cair (LNG) dan aliran yang diekspansi menggunakan /urboepander untuk
didaur ulang. 4liran gas alam yang telah mengandung #raksi cair hasil ekspansi / 8al+e masuk
ke dalam separator dua #asa untuk dipisahkan #asa gas dan cairnya. $roduk atas dari separator
tersebut berupa gas yang akan didaur ulang menjadi umpan, sedangkan produk ba0ah berupa
produk LNG yang diharapkan dengan laju & ton;hari. 1ondisi operasi dan spesi#ikasi aliran dapat
dilihat pada /abel .
/abel . 1ondisi operasi aliran proses "laudeAliran T#m/#ratur ("'* T#anan (ar* &aju alir (t"nhari* a/"r fra$ti"n
&
5
7
*
*a
*b
*c
*d
<
$roduk
LNG
&2
&&
&
$ada proses ini dilakukan optimasi ob,ect function berupa S'H$ dengan mem+ariasikan +ariabel
proses berupa tekanan keluaran kompresor dan flo% ratio splitter . /etapi proses optimasi diberi
batasan berupa process constraint berupa minimum approach H9 9-&2& dan 9-&2 sebesar o"
serta vapor fraction aliran suction kompresor sebesar &,22. Hal ini dilakukan untuk menurunkan
nilai S'H$ sehingga proses pencairan gas alam menjadi e#isien. Hasil optimasi proses "laude
dapat dilihat pada /abel 5 berikut.
/abel 5. Hasil optimasi proses "laude
-
8/19/2019 Evaluasi Kinerja Proses
15/20
Param#t#r Nilai
S)HP .5
-
8/19/2019 Evaluasi Kinerja Proses
16/20
$2 $2% $2* $2*% $23 $23% $2+ $2+% $2% $2%%$
*
3
+
%
#
&
'
!/ rati! splitter
SBHP (./t!nne 0a1)
Gambar &5. $engaruh flo% ratio terhadap S'H$
Gambar &5. menunjukkan hasil pengaluran nilai S'H$ proses "laude terhadap +ariasi +ariabel
proses berupa flo% ratio dalam rentang 2,&-2,&7. 'lo% ratio merupakan perbandingan aliran *a
terhadap *b. 'erdasarkan hasil tersebut, nilai S'H$ cenderung turun seiring kenaikan flo% ratio
dan tidak didapatkan nilai minimum. Namun, berdasarkan hasil optimasi didapatkan flo% ratio
optimum sebesar 2,&2.
3! P#randinan Pr"s#s &ind# d#nan Pr"s#s 'laud#
%ari pembahasan sebelumnya diketahui bah0a proses "alude merupakan pengembangan dari
proses Linde, sehingga dapat dipastikan bah0a kedua proses tersebut berbeda untuk kondisi
operasi yang dihasilkan maupun daya yang dibutuhkan. /abel 7 menunjukkan perbedaan dari
+apour #raction aliran keluaran /-+al+e antara proses Linde dengan proses "laude.
/abel 7. $erbandingan +apour #raction keluaran /-+al+e proses Linde dengan proses "laude
/ipe proses 8apour #raction
keluaran /-+al+e
$roses Linde 2,
-
8/19/2019 Evaluasi Kinerja Proses
17/20
%ari tabel diketahui bah0a +apour #raction dari proses "laude lebih rendah dari proses linde.
Hal tersebut dikarenakan pada proses "laude gas didinginkan menggunakan heat echanger
sebanyak dua kali, sedangkan pada proses Linde hanya satu kali, sehingga menyebabkan gasyang masuk ke /-+al+e pada proses "laude memiliki temperatur lebih rendah. %ikarenakan gas
yang masuk pada /-+al+e memiliki suhu yang lebih rendah, dengan usaha /-+al+e yang sama
maka +apour #raction yang dihasilkan proses "laude lebih rendah dari proses Linde.
Selain +apour #raction, parameter pembanding lain antara proses Linde dengan proses "laude
adalah nilai S'H$ hasil optimasi proses. Benurut hukum & dan termodinamika, nilai S'H$
untuk proses Linde dinyatakan sebagai berikut.
Nilai S'H$ untuk proses "laude dinyatakan sebagai berikut
dengan merupakan flo% ratio splitter dan komponen xh.-he / merupakan energi yang dihasilkan
dari ekspansi /urboepander. 1omponen energi ekspansi ini dapat menurunkan nilai S'H$ pada
proses "laude. Hal ini mengakibatkan nilai S'H$ proses "laude lebih kecil jika dibandingankan
dengan nilali S'H$ proses Linde.
$ada proses "laude, energi yang dimiliki gas sebagian digunakan untuk menghasilkan kerja
melalui ekspansi isentropik menggunakan /urboepander. Sebagian lainnya diekspansi
menggunakan / 8al+e sehingga dapat menghasilkan #asa cair yang lebih tinggi. Selain itu,
proses "laude lebih e#isien karena gas hasil ekspansi isentropi mampu menurunkan temperatur
yang cukup besar sehingga menge#ekti#kan pendinginan gas yang akan dicairkan. 1erja yang
dihasilkan oleh /urboepander dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan kerja kompresor
sehingga dapat menurunkan nilai S'H$ pula seperti yang dapat dilihat pada /abel *. berikut.
-
8/19/2019 Evaluasi Kinerja Proses
18/20
/abel *. 1erja kompresor dan epander serta S'H$ yang dihasilkan
W$"m/ W#/Nilai S)HP d#nan
W$"m/8W#/
- .5*< k: &.5= k:
-
8/19/2019 Evaluasi Kinerja Proses
19/20
,SI+PU&AN
$roses pencairan gas khususnya pada pembuatan LNG dapat dilakukan melalui dua pilihan
proses yaitu proses Linde dan proses "laude. 1edua proses tersebut menggunakan prinsip
operasi yang sama yaitu menekan gas ke tekanan yang tinggi kemudian mendinginkan gas
tersebut, namun proses "laude merupakan pengembangan dari proses linde sehingga alur
prosesnya lebih rumit. Setelah memperoleh hasil optimasi kedua proses tersebut dapat
disimpulkan bah0a proses yang dinilai lebih e#ekti# adalah proses "laude karena memiliki nilai
S'H$ yang lebih kecil. %engan nilai S'H$ yang kecil maka daya yang dibutuhkan proses
"laude lebih sedikit dibandingkan dengan proses Linde dengan jumlah produk yang sama. Baka
dari itu proses "laude dinilai lebih e#ekti#.
-
8/19/2019 Evaluasi Kinerja Proses
20/20