Gunawan Widiatmoko 20406317 Jurusan Teknik Mesin UNIVERSITAS GUNADARMA ANALISIS TERMODINAMIKA PROSES PENDINGINAN MULTI COMPONENET REFRIGERANT (MCR) PADA LAJU ALIRAN REFRIGERANT 633 kg/jam Gunawan Widiatmoko 20406317 Jurusan Teknik Mesin UNIVERSITAS GUNADARMA

ANALISA TERMODINAMIKA PENDAHULUAN GAS ALAM PROSES PENCAIRAN GAS ALAM ANALISA TERMODINAMIKA

PENDAHULUAN LATAR BELAKANG LNG (liquified natural gas) adalah gas alam yang dicairkan. LNG memiliki volume 600 kali lebih kecil dibandingkan fase gas-nya. Gas alam akan mencair pada suhu sekitar -160°C. Porses pencairan gas alam dapat dilakukan dengan sebuah proses refrigerasi. Dalam sebuah proses refrigerasi terdapat proses perpindahan panas yang dapat diukur untuk menentukan optimalisasi proses.

PENDAHULUAN PERMASALAHAN Untuk mengetahui apakah sebuah proses refrigerasi telah berjalan dengan optimal dapat dilakukan dengan cara menganalisa nilai efisiensi proses tersebut. Nilai efisiensi merupakan nilai yang didapat melalui perbandingan antara total daya yang dipergunakan (proses kompresi) terhadap total daya yang dihasilkan (efek refrigerasi). Untuk mendapatkan nilai efisiensi yang baik (sebanding) dari sebuah proses refrigerasi diperlukan analisa yang lebih mendetail mengenai kerugian-kerugian (losses) selama proses refrigerasi.

PENDAHULUAN PERMASALAHAN Pokok permasalahan dari analisa termodinamika sistem refrigerasi ini hanya dalam ruang lingkup analisa perpindahan panas yang terjadi pada proses refrigerasi dan analisa perhitungan koefisien prestasi dari sistem refrigerasi proses pendinginan gas alam, tanpa mempertimbangkan aspek kerugian panas yang mungkin dapat terjadi pada sistem.

PENDAHULUAN PEMBATASAN MASALAH Sistem refrigerasi bekerja dalam kondisi normal dan aliran refrigerant dalam kondisi tertutup tanpa adanya losses. Sistem refrigerasi bekerja pada kondisi laju aliran massa refrigerant sebesar 633 kg/jam. Persentase komponen zat penyusun refrigerant adalah nitrogen sebesar 2,2%, methane 43%, ethane 50% dan propane 4,8%. Analisa termodinamika sistem refrigerasi hanya berkaitan dengan perhitungan daya kompresi, laju perpindahan panas evaporasi, laju perpindahan panas kondensasi dan koefisien prestasi.

PENDAHULUAN TUJUAN PENULISAN Mengetahui tahapan-tahapan proses pencairan gas alam hingga menjadi gas alam cair (LNG). Mengetahui perhitungan termodinamika sistem refrigerasi pada komponen-komponen refrigerasi. Mengetahui prinsip kerja sistem refrigerasi dan sistem perpindahan panas yang terjadi pada proses pencairan gas alam hingga menjadi gas alam cair (LNG). Mengetahui proses analisa koefisien prestasi dari sistem refrigerasi pada proses pencairan gas alam menjadi gas alam cair (LNG).

PENDAHULUAN METODE PENELITIAN Metode penelitian yang dipergunakan bersifat deskriptif dan dilakukan melalui sebuah studi kasus. Proses pengumpulan data-data yang diperlukan dilakukan dengan teknik studi dokumenter. Macam-macam referensi pustaka yang dipergunakan berupa buku-buku teoritis, jurnal, artikel internet maupun dari buku-buku panduan (manual book). Proses pengolahan data dilakukan dengan pendekatan terhadap nilai entalphi pada tiap komponen sistem refrigerasi.

LANDASAN TEORI ( GAS ALAM ) Definisi : Gas alam sering juga disebut sebagai gas bumi atau gas rawa, merupakan bahan bakar fosil berbentuk gas yang terutama terdiri dari metana (CH4). Komponen Penyusun : Metana (CH4), Etana (C2H6), Propana (C3H8), Butana (C4H10), Nitrogen (N2), Helium (He), Hidrogen Sulfida (H2S), Karbon Dioksida (CO2) serta Air (H2O). Pemanfaatan Gas Alam : Sebagai bahan bakar, sebagai bahan baku, sebagai komoditas energi, sebagai media penyejuk ruangan.

LANDASAN TEORI ( PENGOLAHAN GAS ALAM )

LANDASAN TEORI ( PEMURNIAN GAS ALAM ) Merupakan tahapan proses guna menghilangkan senyawa– senyawa yang dapat mengganggu jalannya proses pencairan. Senyawa-senyawa tersebut dapat berupa gas asam (H2S dan CO2), Air (H2O) Merkuri (Hg), dll. Selain itu faktor keamanan lingkungan terhadap penggunaan gas alam juga menjadi faktor penentu dalam proses ini.

PEMURNIAN GAS ALAM ( GAS SWEETENING ) Merupakan proses untuk menghilangkan kandungan gas asam. Gas asam yang sering ditemukan dalam kandungan gas alam adalah Hidrogen Sulfida (H2S) dan Karbon Dioksida (CO2). Hidrogen Sulfida harus dihilangkan untuk menghindari sifat korosif dan toxic dari gas tersebut. Karbon Dioksida harus dihilangkan untuk menghindari sifat korosif dan sifatnya yang mengurangi heating value gas alam.

PEMURNIAN GAS ALAM ( GAS SWEETENING )

PEMURNIAN GAS ALAM ( GAS SWEETENING ) Faktor-faktor pertimbangan dalam memilih proses penghilangan gas asam yang optimal : Jenis dan konsentrasi impuritis serta komposisi hidrokarbon pada sour gas. Temperatur dan tekanan gas asam. Spesifikasi outlet gas alam. Volume gas asam yang akan diproses. Spesifikasi residu dari gas alam dan gas asam. Penghilangan gas asam selektif. Faktor biaya kapital dan operasi. Kebijakan/standar lingkungan, yang meliputi peraturan mengenai polusi udara dan bahan kimia berbahaya.

PEMURNIAN GAS ALAM ( DEHYDRATION ) Merupakan proses untuk menghilangkan kandungan air (H2O) pada gas alam. Air pada gas alam harus dihilangkan untuk menghindari terjadinya freezing yang dapat mengganggu jalannya proses pencairan. Proses dehidrasi pada gas alam sangat penting dilakukan berdasarkan tiga aspek berikut : Gas Gathering Product Dehydration Hydrocarbon Recovery

PEMURNIAN GAS ALAM ( MERCURY REMOVAL ) Merupakan proses untuk menghilangkan kandungan merkuri (Hg) pada gas alam. Merkuri pada gas alam harus dihilangkan untuk menghindari terbentuknya endapan (padatan amalgam) jika bereaksi dengan material almunium, dan sifatnya yang beracun (toxic) yang berbahaya bagi lingkungan. Proses penghilangan kandungan merkuri diklasifikasikan menjadi dua jenis, yaitu; Non Regenerative Processes Regenerative Processes

LANDASAN TEORI ( UNIT FRAKSINASI) Proses fraksinasi merupakan proses dimana kandungan material-material hidrokarbon berat (C+) dipisahkan dari gas alam berdasarkan perbedaan nilai titik didihnya.

LANDASAN TEORI ( UNIT REFRIGERASI ) Merupakan proses untuk menurunkan tempetatur gas alam dengan cara men-transfer panas dari gas alam ke media pendinginnya. Media pendingin (refrigerant) ini umumnya adalah zat yang memiliki titik didih pada suhu rendah atau bahkan dibawah O°C.

UNIT REFRIGERASI ( TEKNOLOGI PROSES PENCAIRAN ) Prinsip dasar untuk pendinginan dan pencairan gas alam adalah dengan menyesuaikan sedekat mungkin kurva pendinginan/pemanasan gas proses dengan media pendinginnya.

UNIT REFRIGERASI ( TEKNOLOGI PROSES PENCAIRAN ) Pemilihan teknologi proses dan peralatan pada sebuah kilang LNG dilakukan berdasarkan beberapa pertimbangan, diantaranya dari segi ; Teknis, Ekonomi, Resiko Teknis, Kondisi Lapangan dan Kandungan material pada gas alam itu sendiri.

TEKNOLOGI PROSES PENCAIRAN ( Propane Precooled Mixed Refrigerant )

TEKNOLOGI PROSES PENCAIRAN ( Optimized Cascade Process )

LANDASAN TEORI ( TERMODINAMIKA REFRIGERASI ) Refrigerasi merupakan sebuah metode pengkondisian temperatur ruangan agar tetap berada pada kondisi di bawah temperatur lingkungan. Pada refrigerasi proses pendinginan akan dilakukan dengan menggunakan bantuan zat pendingin (refrigerant) sebagai media pendinginnya. Beberapa komponen yang sangat diperlukan dalam refrigerasi diantaranya adalah ; kompresor, kondenser, evaporator, dan katup ekspansi.

LANDASAN TEORI ( TERMODINAMIKA REFRIGERASI )

LANDASAN TEORI ( TERMODINAMIKA REFRIGERASI )

LANDASAN TEORI ( TERMODINAMIKA REFRIGERASI ) Termodinamika : sebuah ilmu pengetahuan yang berkenaan tentang pergerakan daya dari panas (kalor), yaitu kemampuan benda panas untuk menghasilkan kerja (work).

LANDASAN TEORI ( TERMODINAMIKA REFRIGERASI ) Menentukan Kerja Kompresor (WC) WC = m (h2 – h1) [kJ/kg] dimana, WC = nilai kerja kompresor m = laju aliran massa h2 = entalphi pada outlet kompresor h1 = entalphi pada inlet kompresor

LANDASAN TEORI ( TERMODINAMIKA REFRIGERASI ) Menentukan Laju Aliran Kalor Pada Proses Kondensasi (Qout) Qout = m (h2 – h3) [kJ/kg] dimana, Qout = laju aliran kalor pada kondenser h2 = entalphi pada inlet kondenser h3 = entalphi pada outlet kondenser

LANDASAN TEORI ( TERMODINAMIKA REFRIGERASI ) Menentukan Laju Aliran Kalor Pada Proses Evaporasi (Qin) Qin = m (h4 – h1) [kJ/kg] dimana, Qin = laju aliran kalor pada evaporator h4 = entalphi pada inlet evaporator h1 = entalphi pada outlet evaporator

LANDASAN TEORI ( TERMODINAMIKA REFRIGERASI ) Menentukan Koefisien Prestasi (Coefficient Of Performance) COP = (ΔWC)/(ΔQin) = [Δ m(h2–h1)]/[Δ m(h4–h1)] dimana, ΔWC = jumlah total nilai kerja kompresor ΔQin = jumlah total laju aliran kalor pada evaporator

TERMODINAMIKA REFRIGERASI ( Menentukan Entalphi Refrigerant ) Menentukan Massa Total Refrigerant 100 % molmix = % molA + % molB +…+ % moln dimana, molmix = molaritas total refrigerant dalam 100% % mol = molaritas zat dalam persennya Sehingga perhitungan massa total refrigerant : mmix = ( mA + mB + mC + ... + mn ) mmix = massa total refrigerant m = massa zat penyusun refrigerant

TERMODINAMIKA REFRIGERASI ( Menentukan Entalphi Refrigerant ) Menentukan Entalphi (h) Refrigerant Pada Temperatur Tertentu Menggunakan Persamaan Interpolasi hx = [(h2 – h1)/(T2 – T1)] (Tx – T1) + h1 dimana, hx = nilai entalphi yang ingin diketahui h2 = nilai entalphi diketahui yang lebih besar h1 = nilai entalphi diketahui yang lebih kecil Tx = nilai temperatur yang ingin diketahui T2 = nilai temperatur diketahui yang lebih besar T1 = nilai temperatur diketahui yang lebih kecil

TERMODINAMIKA REFRIGERASI ( Menentukan Entalphi Refrigerant ) Menentukan Entalphi Refrigerant Campuran hmix = (mA.hA + mB.hB + mC.hC + ... + mn.hn)/(mmix) dimana, hmix = entalphi total refrigerant mmix = massa total refrigerant m = massa zat penyusun refrigerant h = entalphi zat penyusun refrigerant

PROSES PENCAIRAN GAS ALAM ( MULTI COMPONENT REFRIGERANT )

PROSES PENCAIRAN GAS ALAM ( MULTI COMPONENT REFRIGERANT )

ANALISA TERMODINAMIKA ( UNIT REFIGERASI MCR )

ANALISA TERMODINAMIKA ( UNIT REFIGERASI MCR ) Menentukan Massa Refrigerant (m) ⇒ 100 % molmix = % molA + % molB + % molC + % molD 100 % molmix = 2,2% molN2 + 43% molC1 + 50% molC2 + 4,8%molC3

ANALISA TERMODINAMIKA ( UNIT REFIGERASI MCR ) Menentukan Massa Refrigerant (m) Tabel Berat Molekul Komponen Penyusun Refrigerant MCR ⇒molar mass = (% mol)(molecular weight/mol) ⇒ N2 = (1 mol)(0,022) = 0,022 mol N2 = (0,022 mol)(28,134/mol) = 0,616 [gr/mol] ⇒ C1 = (1 mol)(0,43) = 0,43 mol C1 = (0,43 mol)(16,043/mol) = 0,898 [gr/mol]

ANALISA TERMODINAMIKA ( UNIT REFIGERASI MCR ) Menentukan Massa Refrigerant (m) ⇒molar mass = (% mol)(molecular weight/mol) ⇒ C2 = (1 mol)(0,50) = 0,50 mol C2 = (0,50 mol)(30,069/mol) = 0,15,035 [gr/mol] ⇒ C3 = (1 mol)(0,48) = 0,48 mol C3 = (0,48 mol)(44,086/mol) = 2,116 [gr/mol] Maka massa molekul total dari refrigerant MCR : ⇒ mmix = ( mA + mB + mC + mD ) [gr/mol] mmix = (0,616 + 0,898 + 15,035 + 2,116) [gr/mol] mmix = 24,666 [gr/mol] atau ≈ 24,666 [kg/kmol]

ANALISA TERMODINAMIKA ( UNIT REFIGERASI MCR ) Menentukan Nilai Entalphi (h) Pada Temperatur Tertentu Dengan Metode Interpolasi. ⇒ hx = [(h2 – h1)/(T2 – T1)] (Tx – T1) + h1 Contoh 1 : Untuk menentukan entalphi N2 pada temperatur 129°K. Berdasarkan tabel nilai entalphi diketahui entalphi N2 pada 0°K = 0 kJ/kmol dan pada 200°K = 5812,8 kJ/kmol. Maka, ⇒ hx = [(5812,8 – 0)/(200 – 0)] (129 – 0) + 0 hx = (29,064) (129) hx = 3749,26 [kJ/kmol]

ANALISA TERMODINAMIKA ( UNIT REFIGERASI MCR ) Menentukan Nilai Entalphi (h) Pada Temperatur Tertentu Dengan Metode Interpolasi. Contoh 2 : Untuk menentukan entalphi N2 pada temperatur 152°K. Berdasarkan tabel nilai entalphi diketahui entalphi N2 pada 0°K = 0 kJ/kmol dan pada 200°K = 5812,8 kJ/kmol. Maka, ⇒ hx = [(5812,8 – 0)/(200 – 0)] (152 – 0) + 0 hx = (29,064) (152) hx = 4417,73 [kJ/kmol]

ANALISA TERMODINAMIKA ( UNIT REFIGERASI MCR ) Tabel Hasil Perhitungan Nilai Entalphi Komponen Penyusun Refrigerant MCR Dengan Metode Interpolasi

ANALISA TERMODINAMIKA ( UNIT REFIGERASI MCR ) Menentukan nilai entalphi (h) campuran dari beberapa jenis refrigerant pada temperatur tertentu ⇒ hmix = (mA.hA + mB.hB + mC.hC + mD.hD)/(mmix) Contoh 1 : Perhitungan menentukan nilai entalphi refrigerant MCR pada temperatur 313°K. h1 = ((0,616)(9103,34)+(0,898)(10577,52)+(0,898)(12741,87)+(2,116)(15966,26)) 24,66 h1 = (303941,21) / (24,666) h1 = 12322,33 [kJ/kmol]

ANALISA TERMODINAMIKA ( UNIT REFIGERASI MCR ) Menentukan nilai entalphi (h) campuran dari beberapa jenis refrigerant pada temperatur tertentu Contoh 2 : Perhitungan menentukan nilai entalphi refrigerant MCR pada temperatur 344°K. h1 = ((0,616)(10007,67)+(0,898)(11756,76)+(0,898)(184570,56)+(2,116)(18570,88)) 24,66 h1 = (4345639,92) / (24,666) h1 = 14012,87 [kJ/kmol]

ANALISA TERMODINAMIKA ( UNIT REFIGERASI MCR ) Tabel Hasil Perhitungan Entalphi Refrigerant MCR Terhadap Temperatur

ANALISA TERMODINAMIKA ( UNIT REFIGERASI MCR ) Menentukan Kerja Kompresor (WC) WC = m (hout – hin) [kg J/s mol] ⇒WC1 = m (h2 – h1) = 0,175833 (14012,87-12322,33) = 297,25 [kg J/s mol] ⇒WC2 = m (h4 – h3) = 0,175833 (17263,46-12158,73) = 897,57 [kg J/s mol]

ANALISA TERMODINAMIKA ( UNIT REFIGERASI MCR ) Menentukan Laju Aliran Kalor Pada Proses Kondensasi (Qout) Qout = m (hin – hout) [kg J/s mol] ⇒ Qintercoler = m (h2 – h3) = 0,175833 (14012,87-12158,73) = 326,02 [kg J/s mol] ⇒ Qaftercooler = m (h4 – h5) = 0,175833 (17263,46-12158,73) = 897,58 [kg J/s mol]

ANALISA TERMODINAMIKA ( UNIT REFIGERASI MCR ) Menentukan Laju Aliran Kalor Pada Proses Kondensasi (Qout) ⇒ Qprop. evap. = m (h5 – h6) = 0,175833 (12158,73-8978,73) = 559,15 [kg J/s mol] ⇒ Qvapor = m (h6 – h7) = 0,175833 (8978,31-4611,735) = 767,79 [kg/s J/mol] ⇒ Qliquid = m (h6 – h8) = 0,175833 (8978,31-5417,28) = 626,15 [kg/s J/mol]

ANALISA TERMODINAMIKA ( UNIT REFIGERASI MCR ) Menentukan Laju Aliran Kalor Pada Proses Evaporasi (Qin) Qin = m (hin – hout) [kg J/s mol] ⇒ Qcold bundle = m (h8’ – h7’) = 0,175833 (5417,28-4611,73) = 141,64 [kg J/s mol] ⇒ Qcold shell = m (h1 – h8’) = 0,175833 (12322,33-5417,28) = 1214,13 [kg J/s mol]

ANALISA TERMODINAMIKA ( UNIT REFIGERASI MCR ) Menentukan Koefisien Prestasi (Coefficient Of Performance) ⇒ COP = (ΔWC)/(ΔQin) = (WC1 + WC2)/(Qcb +Qcs) = (297,25+ 897,57)/(141,64 +1214,13) = 1194,82/1355,77 = 0,8813 ≈ 88,13%

ANALISA TERMODINAMIKA ( UNIT REFIGERASI MCR ) Diagram Hubungan Tekanan Dan Entalphi (P - h)

KESIMPULAN Tahapan proses pada proses pengolahan gas alam hingga menjadi gas alam cair (LNG) adalah proses gas sweetening, dehydration, mercury removal, proses fraksinasi dan proses refrigerasi. Pada proses analisis termodinamika sistem refrigerasi diketahui bahwa : Massa total refrigerant pada sistem refrigerasi MCR ini adalah 24,66 kg/kmol Besar nilai entalphi refrigerant MCR pada temperatur tertentu dipengaruhi oleh besar nilai temperatur dari refrigerant MCR itu sendiri.

KESIMPULAN Untuk menaikkan tekanan laju refrigerant MCR sebesar 1127,76 KPa pada kompresor tingkat pertama diperlukan kerja kompresi sebesar 297,25 . Dan untuk menaikkan tekanan laju refrigerant MCR sebesar 3236,20 KPa pada kompresor tingkat kedua diperlukan kerja kompresi sebesar 897,57 . Besar laju aliran kalor pada proses kondensasi terbesar terjadi pada aftercooler yaitu sebesar 897,58 , dan laju aliran kalor kondensasi terkecil terjadi pada intercooler yaitu sebesar 326,02.

KESIMPULAN Besar laju aliran kalor pada proses evaporasi terbesar terjadi pada cold shell bundle yaitu sebesar 1214,13 , hal ini dikarenakan pada proses tersebut terjadi proses pencairan gas alam. Nilai koefisien prestasi (COP) dari sistem refrigerasi ini adalah 88,13 %, yang berarti menunjukkan bahwa sistem refrigerasi beroperasi dalam tingkat efisiensi yang sangat baik.

KESIMPULAN Prinsip kerja dari sistem refrigerasi dan sistem perpindahan panas yang terjadi pada proses pencairan gas alam ini adalah referigerasi dengan metode pemanasan uap lanjut.