Vapor Liquid Equilibrium PROSES SEPARASI Vapor Liquid Equilibrium

Hydrocarbon dapat berbentuk : Berupa cair (condensat) Berupa gas Natural gas (gas alam) : Associated gas (gas alam yang keluar dengan crude oil) Non associated gas (gas alam yang keluar tidak dengan crude oil atau dry gas) Teknologi dan Rekayasa 2

Hukum-hukum gas ideal 1. Hukum boyle Volume dari sejumlah tertentu gas pada Temperatur tetap berbanding terbalik dengan tekanannya V = 1/P V = Ki / Pi atau PV = Ki, dimana V = Volume gas P = Tekanan gas Ki = Konstanta yang nilainya tergantung Jenis, tekanan dan temperatur Teknologi dan Rekayasa 3

Grafik hubungan P dan V Pada T Konstan Isotermis P Garis T1 T2 T3 T4 T4 < T3 < T2 < T1 V Teknologi dan Rekayasa 4

Hukum-hukum gas ideal 2. Hukum gay lussac. Semua gas pada pemanasan dengan tekanan Tetap, volumenya bertambah 1/273 x volume pada 0oC   V = Vo + t/273 x Vo = Vo (1 + t/273) = Vo (273 + T) / 273 T = (t + 273)K, dan To= 273 K Maka : V = Vo. T/TO atau V/Vo = T/To sehingga V2/V1 = T2/T1 Teknologi dan Rekayasa 5

Hubungan temperatur & volume Bila grafik hubungan vol dengan temperatur suatu gas pd berbagai tekanan diperoleh garis lurus yang disebut isobar T Garis Isobar P1 P3 P2 V Hubungan temperatur & volume Teknologi dan Rekayasa 6

Hukum-hukum gas ideal Hukum boyle gay lussac Gabungan dari kedua hukum untuk mendapatkan perubahan volume suatu gas thd perubahan suhu & tekanan. Koordinat titik 1 melukiskan tekanan dan volume suatu gas sempurna bermasa pd tekanan (po) = 1 atm dan suhu to = 0oc. Digambarkan arah anak panah dimana mula-mula gas mengembang dari keadaan awal ke keadaan lain (titik 3) yang bertekanan sama pd suhu t, lalu selanjutnya dimampatkan secara isothermik sampai titik 2. Teknologi dan Rekayasa 7

Karena titik 3 & 2 proses isotherm, maka menurut boyle : PV = Vo V3 Karena titik 1 dan 3 pd tekanan yang sama (isobar), maka menurut gay lussac : V3 = Vo ( 1 + t/273) Karena titik 3 & 2 proses isotherm, maka menurut boyle : PV = Vo V3 V3 dimasukkan akan didapat : PV = PoVo ( 1 + T/273) = PoVo T/To atau PV/T = Po Vo /To jadi persamaan gabungan : PV/T = Po Vo /To = P1V1/T1 K = ketetapan gas Teknologi dan Rekayasa 8

Hubungan volume, tekanan dan temperatur 1 Atm P0 P1 1 3 2 t T0 = 0oC Hubungan volume, tekanan dan temperatur Teknologi dan Rekayasa 9

Hukum-hukum gas ideal Hukum (persamaan) gas ideal. Dari persamaan boyle gay lussac didapat Pv/t = k, atau pv = rt Pv = n r t P = tekanan V = volume N = jumlah molekul R = ketetapan gas umum T = temperatur Sehingga persamaan pv = n r t adalah persamaan gas ideal dan dari rumus tersebut r dapat dicari pada kondisi standard british p = 14,7 psi, t = 60 of = 520or 1 lbmol gas gas volumenya 379 ft3 R = 1 atm. 22,4 L (1 grmol. 273 K) = 0,0821 atm/gramol ok Teknologi dan Rekayasa 10

GAS IDEAL DAN GAS RIIL Dari segi hukum yang berlaku untuk gas, maka gas ada 2 macam yaitu : gas ideal dan Gas non ideal 1. Gas ideal Gas ideal atau gas hipotesis adalah gas yang ada dalam bayangan saja, yaitu gas Yang memiliki sifat-sifat : Antara molekul gas saling tidak tarik menarik. Volume molekul gas diabaikan terhadap Volume tempat yang berada. Mengikuti secara sempurna semua hukum-hukum yang berlaku untuk gas. Teknologi dan Rekayasa 11

GAS IDEAL DAN GAS RIIL 2. Gas non ideal PV = z n RT Gas non ideal atau gas riil adalah gas yang benar-benar ada di alam, misalnya gas hydrogen, gas methane dll. Gas riil ini hanya mengikuti hukum gas tertentu, yakni antara lain hukum gas ideal yang dikoreksi dengan Compressibility factor (z) PV = z n RT Teknologi dan Rekayasa 12

COMPRESSIBILITY FACTOR PV = n RT   Hanya berlaku pada keadaan tertentu, Yakni pd suhu tinggi dan tekanan rendah. Sehingga ditemukan konsep lain yang disebut compressibility factor sehingga Persamaan keadaan atau persamaan gas menjadi   PV = Z n RT   harga z dipengaruhi :  jenis gas tekanan gas temperatur gas Teknologi dan Rekayasa 13

P = Tekanan operasi gas (absolute) Pc = Tekanan kritis gas (absolute) Dari persamaan van der waals dikemukakan suatu konsep hubungan keadaan, yaitu gas tereduksi (reduced pressure = pr), dan temperatur tereduksi (reduced temperatur = tr)   P = Tekanan operasi gas (absolute) Pc = Tekanan kritis gas (absolute) T = Temperatur operasi gas (absolute) Tc = Temperatur kritis gas (absolute)   P T Pr = ; Tr = Pc TC Teknologi dan Rekayasa 14

Dari persamaan van der waals dikemukakan suatu konsep hubungan keadaan, yaitu gas tereduksi (reduced pressure = pr), dan temperatur tereduksi (reduced temperatur = tr)   P = Tekanan operasi gas (absolute) Pc = Tekanan kritis gas (absolute) T = Temperatur operasi gas (absolute) Tc = Temperatur kritis gas (absolute)   P T Pr = ; Tr = Pc TC Teknologi dan Rekayasa 15

Untuk gas yang terdiri dari gas murni (single component), harga pc dan tc dapat langsung dicari dari tabel. Untuk sistem gas multi komponen maka pc adalah merupakan pseudo critical pressure dan tc adalah pseudo critical temperatur. Baik pc dan tc tidak dapat dibaca langsung dari tabel, tetapi harus dihitung dengan methoda key’s yaitu : Teknologi dan Rekayasa 16

Selanjutnya harga z dapat dibaca dari grafik.  Pc = Σ Yi Pci Tc = Σ Yi Tci P T Pr = ; Tr = Pc TC Yi = mole fraksi komponen i dalam campuran Pci = tekanan kritis komponen i dalam campuran Tci = temperatur komponen i dalam campuran  Selanjutnya harga z dapat dibaca dari grafik. Teknologi dan Rekayasa 17

Teknologi dan Rekayasa

SUHU KRITIS DAN TEKANAN KRITIS Suhu kritis (Tc) adalah suhu maksimum dimana suatu gas masih dapat cairkan dengan cara ditekan. Tekanan kritis (Pc) adalah tekanan yang diperlukan untuk mencairkan gas pada suhu kritisnya. Teknologi dan Rekayasa

TABEL SUHU DAN TEKANAN KRITIS BEBERAPA GAS HC & NHC   TABEL SUHU DAN TEKANAN KRITIS BEBERAPA GAS HC & NHC KOMPONEN SUHU KRITIS TEKANAN KRITIS MOLECULER WEIGHT oR oK Psia Mpa CH4 C2H6 343 550 191 305 668 708 4.60 4.88 16 30 C3H8 i-C4H10 665 735 370 408 616 529 4.25 3.65 44 58 n-C4H10 i-C5H12 766 829 425 460 551 490 3.80 3.38 72 n-C5H12 n-C6H14 846 914 470 507 489 437 3.37 3.01 86 n-C7H16 973 540 397 2.74 100 N2 227 126 493 3.40 28 CO2 H2S 548 673 304 374 1071 1306 7.38 9.01 34 O2 H2 279 60 155 33 737 188 5.08 1.30 32 2 Teknologi dan Rekayasa 20

RELATIF DENSITY Density dari suatu zat adalah perbandingan antara berat dengan volume dari zat tersebut. Relatif density adalah perbandingan antara density gas dengan density udara dan diukur pada kondisi yang sama. Relatif density sering disebut juga sebagai specific gravity (sg). Teknologi dan Rekayasa 21

CALORIFIC VALUE Calorific value atau heating value Adalah nilai kalori yang dihasilkan suatu pembakaran. Secara kimiawi proses Pembakaran adalah proses reaksi zat Dengan gas hydrogen sehingga dihasilkan CO2 dan H2O. Teknologi dan Rekayasa 22

Ada 2 (dua) pengertian calorific value yaitu : - net calorific value -         Gross calorific value   Net calorific value adalah panas yang dihasilkan oleh suatu senyawa apabila dibakar, sedangkan H2O hasil pembakaran keluar berupa uap air. Gross calorific value adalah panas yang dihasilkan oleh suatu senyawa apabila dibakar, sedangkan H2O yang dihasilkan keluar berupa cair (air). Teknologi dan Rekayasa 23

Ada 2 (dua) macam hydro carbon cair : Natural gas liquified (ngl) Contoh : lng, lpg dan condensat 2. Complex liquid hydro carbon Contoh : crude oil atau minyak bumi Tekanan uap : Molekul-molekul zat cair dipermukaan untuk melepaskan diri menjadi molekul-molekul uap, hal ini molekul-molekul tadi mempunyai tenaga kinetis rata-rata lebih besar dari molekul didalam cairan. Kalau zat cair berada dlm bejana tertutup pada suatu saat penguapan akan diikuti pengembunan uap, shg saat itu terjadi kesetimbangan dimana kecepatan penguapan sama dengan kecepatan pengembunan. Teknologi dan Rekayasa 24

Gambar : Kesetimbangan uap – cair Tekanan uap pada saat terjadi kesetimbangan ini disebut tekanan uap jenuh (saturated), atau disebut tekanan uap saja Apabila dalam bejana tadi hanya 1 macam zat cair disebut tekanan uap murni. tekanan uap murni C3 UAP C3 CAIR Gambar : Kesetimbangan uap – cair Teknologi dan Rekayasa 25

Teknologi dan Rekayasa 26

KESETIMBANGAN UAP-CAIR Pengertian Kesetimbangan. Kesetimbangan uap-cair dapat terjadi dalam suatu bejana tertutup dan cukup waktu sehingga kecepatan molekul cairan menguap sama dengan kecepatan molekul uap mengembun. Teknologi dan Rekayasa 27

Konsep Kesetimbangan Berdasar Tekanan Uap. Apabila zat cair tersebut terdiri dari beberapa komponen, maka kecepatan penguapan masing-masing komponen akan sama dengan kecepatan pengembunannya. Konsep Kesetimbangan Berdasar Tekanan Uap. Molekul-molekul zat cair yang berada dalam bejana tertutup sebagian ada yang melepaskan diri menjadi molekul uap. Banyaknya molekul uap pada suatu saat akan maksimum atau dalam kondisi jenuh (saturated). Teknologi dan Rekayasa 28

Pada kondisi ini tekanan uap yang terukur disebut tekanan uap jenuh, lazim disebut Tekanan uap. Besarnya tekanan uap masing-masing zat cair dipengaruhi oleh suhu. Makin tinggi suhu makin banyak terbentuk molekul uap sehingga makin tinggi pula tekanan uapnya. Tekanan uap yang dibaca dari grafik ini disebut tekanan uap murni (Po). Teknologi dan Rekayasa 29

Hukum Dalton. Hukum Dalton mengatakan bahwa tekanan total dari gas/uap yang terdiri dari beberapa komponen sama dengan jumlah dari tekanan partiil dari masing-masing komponen dalam campuran zat cair tersebut. Teknologi dan Rekayasa 30

Hukum Raoult. Hukum Raoult mengatakan bahwa tekanan uap total dari zat cair yang terdiri dari beberapa komponen sama dengan jumlah dari tekanan partiil dari masing-masing komponen dalam campuran zat tersebut. Teknologi dan Rekayasa 31

Misalkan dalam tangki bertekanan terdapat ethan dan propan cair dalam kondisi bersetimbang dengan uapnya. Fase cair komposisi XC2 dan XC3, sedangkan fase uap komposisinya YC2 dan YC3. Teknologi dan Rekayasa 32

Gambar : Kesetimbangan uap – cair Uap, Komposisi YC2, YC3 Cair, Komposisi XC2, XC3 Gambar : Kesetimbangan uap – cair Teknologi dan Rekayasa 33

Teknologi dan Rekayasa 34

Fase uap : Hukum Dalton : Puap = YC2.P + YC3.P Fase cair : Hukum Raoult : Pcair = XC2.PoC2 + XC3.PoC3 Dalam kondisi setimbang Puap = Pcair Untuk Komponen : C2 YC2.P = XC2.PoC2 YC2/XC2 = PoC2/P = KC2 C3 YC3.P = XC3.PoC3 YC3/XC3 = PoC3/P = KC3 Teknologi dan Rekayasa 35

Apabila tangki berisi sebanyak i komponen : Dimana : Ki = konstante kesetimbangan berdasarkan konsep tekanan uap - Poi = tekanan uap murni komponen i - P = tekanan total Karena hokum Raoult untuk tekanan uap diasumsi bahwa uap mengikuti persamaan gas ideal, maka Ki adalah konstante kesetimbangan ideal. Teknologi dan Rekayasa 36

Konsep konstante kesetimbangan dinamis dapat diaplikasikan dalam beberapa hal antara lain : - Untuk menentukan titik gelembung (bubble point) -  Untuk menentukan titik embun (dew point) Untuk perhitungan pemisahan komponen berdasarkan penurunan tekanan operasi (flash calculation) Teknologi dan Rekayasa 37

Penentuan Bubble Point Bubble point (boiling point) adalah suhu dimana cairan dalam suatu system mulai mendidih. Atau bubble point adalah suhu dimana system semua komponen dalam fase cair, kecuali satu titik gelembung yang berada dalam fase uap. Satu titik gelembung itu dianggap tidak berpengaruh terhadap jumlah mole fraksi cairannya. Teknologi dan Rekayasa 38

Dari persamaan kesetimbangan dimuka : Jumlah mole fraksi uap = 1 Jumlah mole fraksi semua komponen adalah 1 (satu), baik fase cair maupun uap. Mendidih adalah berubah fase, secara ideal berlangsung secara setimbang. Dari persamaan kesetimbangan dimuka :   Ki = Yi/Xi, dapat ditulis Yi = Ki.Xi  Jumlah mole fraksi uap = 1  Yi =  Ki.Xi = 1 Teknologi dan Rekayasa 39

Xi = Fraksi mole komponen i dalam cairan Dimana : Xi = Fraksi mole komponen i dalam cairan Ki = Konstante kesetimbangan komponen i , pada suhu dan tekanan tertentu. Jadi cairan dalam kondisi bubble point apabila memenuhi persamaan :    Ki.Xi = 1 Teknologi dan Rekayasa 40

Langkah-langkah perhitungan sebagai berikut : Cara penentuan bubble point suatu zat cair yang terdiri dari beberapa komponen adalah dengan metode trial & error. Langkah-langkah perhitungan sebagai berikut : 1. Asumsikan suhu bubble point pada tekanan yang diketahui. 2. Baca Ki masing-masing komponen pada suhu dan tekanan tersebut. Teknologi dan Rekayasa 41

3. Kalikan masing-masing Ki dengan mole fraksinya (Ki.Xi) 4.  Jumlahkan hasil dari langkah 3 ( Ki. Xi). Apabila jumlahnya = 1,00 berarti suhu yang diasumsikan tadi benar, sedangkan apabila tidak ulangi langkah 1 s/d 4. Aplikasi dari bubble point ini adalah penentuan suhu operasi dari Reboiler dalam system Stabilizer pada tekanan kolom Stabilizer bagian bawah. Teknologi dan Rekayasa 42

Teknologi dan Rekayasa 43

Teknologi dan Rekayasa 44

Teknologi dan Rekayasa 45

Teknologi dan Rekayasa 46

 Xi = 1  Xi =  Yi/Ki = 1 Penentuan Dew Point. Dew point atau suhu pengembunan adalah suhu dimana dalam system semua komponen berupa uap, kecuali satu titik berupa embun (cairan). Atau suhu dimana uap dalam kondisi akan segera mengembun pada tekanan tertentu. Pada konsisi ini jumlah mole fraksi cairan sama dengan satu atau :  Xi = 1  Xi =  Yi/Ki = 1 Teknologi dan Rekayasa 47

Aplikasi penentuan dew point ini adalah dalam kolom fraksinasi, yakni untuk menentukan kondisi operasi dari kondensor, sehingga uap yang keluar dari puncak kolom dapat dicairkan di kondensor. Cara penentuan dew point uap/gas yang terdiri dari beberapa komponen adalah dengan metode trial & error. Teknologi dan Rekayasa 48

Langkah-langkah perhitungan sebagai berikut : 1.   Asumsikan suhu dew point pada tekanan kolom bagian atas. 2.   Baca Ki masing-masing komponen pada suhu dan tekanan tersebut. 3.   Bagi masing-masing mole fraksi dengan Ki (Yi/Ki) Jumlahkan hasil dari langkah 3 ( Yi/Ki). Apabila jumlahnya = 1,00 berarti suhu yang diasumsikan tadi sudah benar, sedangkan apabila tidak diulangi langkah 1 s/d 4 Teknologi dan Rekayasa 49

Penyelesaian selanjutnya dengan ekstrapolasi, untuk menentukan suhu pada :  Yi/Xi = 1  Yi/Ki A E B D C TB 120 130 T 1,0000 Teknologi dan Rekayasa 50

FLASH CALCULATION T2,P2 V,Yi L,Xi T1,P1 F,Zi Flash calculation dimaksudkan untuk menghitung jumlah uap dan cairan yang terbentuk akibat penurunan tekanan dari campuran fluida cair dan uap. L,Xi T2,P2 V,Yi T1,P1 F,Zi 51

Diseparator tekanan turun dari p1 menjadi p2 Gambar diatas Menunjukkan skema pemisahan secara flash setimbang.Campuran mengalir kecepatan f molmasuk separator. Diseparator tekanan turun dari p1 menjadi p2 Bila waktu tinggal cairan dlm separator cukup akan terjadi kesetimbangan pada p2 & t2. Sewaktu penurunan tekanan, suhu sistem juga turun, akan tetapi relatif kecil, sehingga dlm flash calculation dianggap t1 = t2 Bila mole fraksi dari suatu komponen dlm feed z, dalam uap y dalam cairan x, maka neraca masa dapat ditulis : Teknologi dan Rekayasa 52

Bila Basis F = 1 Mole Maka : Konstante Kesetimbangan Untuk I : Neraca Overall : F = V + L Neraca Masa Komponen : F.Zi = V.Yi + L.Xi Bila Basis F = 1 Mole Maka : Zi = V.Yi x L.Xi Konstante Kesetimbangan Untuk I : Ki = Yi/Xi Yi = Ki. Xi Teknologi dan Rekayasa 53

TOTAL MOLE FRAKSI MASING-MASING HARUS = 1 MAKA : n n Zi = V.Ki.Xi +L.Xi = Xi(V.Ki + L) Zi Xi = V.Ki + L Yi = V + (L/Ki) TOTAL MOLE FRAKSI MASING-MASING HARUS = 1 MAKA : n n  Xi = 1  [Zi / (VKi + L)] = 1,0 i=1 i=1 Teknologi dan Rekayasa 54

KEMUDIAN DIHITUNG  Xi ATAU  Yi DAN BILA UNTUK MENGHITUNG L DAN V DILAKUKAN TRIAL AND ERROR DNG MENGASUMSIKAN L ATAU V KEMUDIAN DIHITUNG  Xi ATAU  Yi DAN BILA  Xi ATAU  Yi =1 MAKA ASUMSI BETUL. LANGKAH-LANGKAH : 1. CARI HARGA K UNTUK MASING-MASING KOMPONEN PADA SUHU DAN TEKANAN SISTEM. 2. ASUMSIKAN HARGA V ATAU L, INGAT UNTUK F =1 V = 1-L, ATAU L = 1-V 3. HITUNG  Xi ATAU  Yi 4. HITUNG  Xi =1.0 ATAU  Yi = 1.0, BERARTI ASUMSI TERSEBUT BENAR, BILA TIDAK ULANGI LANGKAH 3 DAN 4. Teknologi dan Rekayasa 55

Zi/(V.Ki+L) Zi Ki V.Ki + L C1 C2 C3 Cn  Zi =1.0 Xi = .......... PENYELESAIAN YG MUDAH DNG TABULASI: P = ....................... (TEKANAN OPERASI) T = ........................(SUHU OPERASI) ASUMSI : L =........................ V = 1 - L Zi/(V.Ki+L) COMPONEN Zi Ki V.Ki + L C1 C2 C3 Cn  Zi =1.0 Xi = .......... Teknologi dan Rekayasa 56

HITUNGLAH KOMPOSISI DARI KONDENSAT CAIR CONTOH SOAL : KONDENSAT MASUK SEPARATOR DGN FLOW RATE 1200.000 L/JAM. KOMPOSISI CONDENSAT C3 = 40 %, i-C4 = 30 % DAN n-C5 = 30 %. TEKANAN OPERASI SEPARATOR 170 Psi DAN SUHU 130oF. DENSITY CONDENSAT = 0.55 Kg/L HITUNGLAH KOMPOSISI DARI KONDENSAT CAIR YG KELUAR DARI SEPARATOR & COMPOSISI UAP KELUAR SEPARATOR HITUNGLAH FLOW RATE DARI VAPOR & LIQUID Teknologi dan Rekayasa 57

MENGHITUNG FLOW RATE DR FEED DLM KGMOL/JAM HITUNG BERAT FEED PENYELESAIAN : MENGHITUNG FLOW RATE DR FEED DLM KGMOL/JAM HITUNG BERAT FEED BM RATA-RATA JML FEED DLM KGMOL BASIS PERHITUNGAN = 1KG MOLE/JAM F = V+1 Teknologi dan Rekayasa 58

PEMISAHAN BERTINGKAT V1 V2 P1 P2 F2 F1 F3 Storage Tank L1 L2 Teknologi dan Rekayasa 59

Tekanan separator (P1) sudah pasti Tekanan Storage tank umumnya atm atau lebih sedikit. Tekanan (P2) harus diatur sehingga akan diperoleh produk liquid yang optimal di storage tank. Tekanan (P2) dapat diestimasi dengan rumus impiris sebagai berikut : - Untuk relative density fluida > 1,0 P2 = A (P1) 0,686 + C - Untuk relative density fluida < 1,0 P2 = A (P1) 0,768 + C P2 = Tekanan empiris A = Konstante diperoleh dari grafik Teknologi dan Rekayasa 60

Soal : Hitunglah tekanan optimum dari separator kedua untuk memisahkan gas cair dari fluida yang keluar dari sumur gas dengan komposisi berikut, tekanan 500 psia Kompoenen Mole fraksi Berat molekul Zi BMi (Zi) (BMi) C1 0,40 C2 0,20 C3 0,10 C4 0,10 C5 0,10 C6 0,05 C7 0,05 Σ Zi.BMi = 1 Teknologi dan Rekayasa 61

Teknologi dan Rekayasa 62

Teknologi dan Rekayasa 63

Teknologi dan Rekayasa 64

Teknologi dan Rekayasa 65

TERIMA KASIH Teknologi dan Rekayasa 66