SEMINAR TESIS
ANALISA THERMODINAMIKA TERHADAP BAHAYA LEDAKAN PADA TANGKI STORAGE AMONIAK CAIR
Disusun Oleh
Joko Siswanto 2307 201 201 Dosen Pembimbing Dr. Ir. KUSWANDI, DEA NIP. 131 651 422 LABORATORIUM THERMODINAMIKA JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2010
PENDAHULUAN Latar Belakang Permasalahan •
Kebakaran dan ledakan mengakibatkan kerugian materi serta korban yang banyak baik meninggal dunia, cacat seumur hidup Penyebab kebakaran dan ledakan: – Human eror (kesalahan faktor manusia) – Kesalahan prosedur kerja (SOP atau Instruksi kerja) – Disengaja ( pembakaran untuk mendapatkan asuransi, pengambilan sumber alam dengan peledakan dan lain-lain) Undang Undang Republik Indonesia No. 1 Tahun 1970 Tentang Keselamatan Kerja, pasal 3 ayat 1 berbunyi “ Dengan peraturan perundangan ditetapkan syarat-syarat keselamatan kerja untuk: a). mencegah dan mengurangi kecelakaan, b). mencegah, mengurangi dan memadamkan kebakaran, c). mencegah dan mengurangi bahaya peledakan”. Peraturan tersebut menjadi salah satu dasar diwajibkannya upaya pengendalian resiko terhadap bahaya kebakaran dan ledakan. Pelanggaran atas peraturan tersebut berimbas pada pemberian sanksi (tindakan hukum) (Pasal 15 ayat 1, 2 dan 3, UU RI No. 1 Tahun 1970).
Penelitian Terdahulu •
Penelitian Ledakan; – Lestari dan Nurdiansyah (2007) : potensi bahaya kebakaran dan ledakan pada tangki timbun premium – Marchini dkk (2008) : ledakan yang menimbulkan kobaran api, kecelakaan terjadi selama pengisian LPG dari tangki mobil ke dalam gudang penyimpanan (studi kasus) – Ercelebi dkk (2008) :parameter geologi dan operasional dalam memprediksi ledakan yang diakibatkan airblastoverpressure pada penggalian. – Zhang dkk (2008): karakteristik ledakan dari gas ClO2 dari berbagai macam konsentrasi. – Wu Zong-Zhi dkk (2008) : ledakan bahan pelarut uap air (CVE) dalam bangunan berbentuk cincin yang beratap dengan alas mengambang di atas kaki peyangga (studi kasus).
Penelitian Amoniak_Air; – Smolen dan Polling (1991): data VLE sistem amoniak_air untuk komposisi overall, tekanan dan suhu 20 OC – 140 OC – Kusnul dan Setia (2004) : identifikasi dan evaluasi sistem penyimpanan amoniak dalam upaya pencegahan pencemaran lingkungan hidup (studi kasus di PT.Pupuk Kaltim) – Gulthom (2009) : Data primer dari observasi diolah dengan dengan perangkat lunak ALOHA (Area Locations of Hazardous Atmosphere) dihasilkan perhitungan pola penyebaran bahan kimia amoniak.
• Penelitian ini bertujuan memperoleh perubahan
tekanan pada tangki storage yang menyebabkan ledakan, yaitu pada saat pengisian (loading) amoniak cair dari pipa I maupun pipa II ke dalam tangki storage. Ledakan tersebut disebabkan karena tekanan uap dari campuran amoniak air dalam tangki storage meningkat yang besarnya melebihi kemampuan tekanan logam yang ada dan kemampuan kompresor yang tidak maksimal dalam menyerap uapnya untuk dilakukan pendinginan menjadi amoniak cair (refrigerasi). Dalam studi ledakan tangki storage amoniak cair tersebut akan ditinjau dan dianalisa dari ilmu themodinamika.
Rumusan Masalah • Campuran amoniak dan air dengan flowrate yang tinggi akan terjadi perubahan properti pencampuran • Sifat amoniak dapat berubah menjadi uap tergantung pada kondisi suhu dan tekanan • Terjadi peningkatan dan penumpukan uap amoniak pada tangki yang tidak diimbangi dengan kemampuan pendinginan oleh kompresor • Terjadi build up pressure (tekanan uap meningkat) yang besarnya melebihi tekanan logam yang ada.
Tujuan Penelitian • Menentukan korelasi kesetimbangan uap_cair sistem amoniak air pada berbagai suhu. • Mempelajari pengaruh perubahan suhu (Suhu real -25.75 C dan suhu variasi -40 C) dan komposisi aliran masuk dari pipa I terhadap perubahan tekanan. • Menganalisa resiko bahaya ledakan pada tangki storage.
Manfaat Penelitian • Dengan pengelolaan, pemantauan, dan pengoperasian sistem penyimpanan amoniak secar benar, maka lingkungan di dalam pabrik dan lingkungan sekitar akan terhindar dari pencemaran uap amoniak maupun amoniak. • Memberi manfaat bagi pengembangan ilmu dan teknologi pengoperasian sistem penyimpanan amoniak.
Batasan Masalah • Penelitian dilakukan dalam skala simulasi • Teknik observasi • Dari data-data yang diperoleh dilakukan perhitungan dengan properti campuran amoniak air yaitu suhu campuran dan kesetimbangan uap_cair.
2 2
3
1
4
5 14
6 7
9 11 13
10
8 12
Uap Liquid
PROSES PENDINGINAN
PIPA III
PIPA I
TANGKI STORAGE
PIPA II
METODE PENELITIAN
Neraca Massa dan Neraca Energi Aliran Pipa III H3,EK3
PIPA III
H1,EK1
H2,EK2
PIPA I (-25.75oC
PIPA II
-40oC),
Rate, suhu dan konsentrasi Amoniak (variasi)
Rate, suhu, komposisi stabil
Rate pipa I + Rate pipa II = Rate pipa III ∑min( EK+EP+H) – (∑mout(EK+EP+H)+Q+(-∆H reaksi) =0 (HK BERNOULI)
H3 = (mCp∆T)
Pipa III
= [(mCp∆T)
NH3
+ (mCp∆T)
H2O
]
Pipa III
Dengan bantuan software Goalseek didapatkan suhu aliran pipa III
Neraca Massa dan Neraca Energi Tangki Storage Q
UAP
H AWAL H3,EK3
EK AWAL
PENDINGINAN
LIQUID
PIPA III
Massa Pipa III + Massa Tangki awal = Massa Tangki Akhir = Waktu x Massa Tangki Akhir
H3 + EK3 + HAWAL+ EKAWAL + (-Q) = H
TOTAL
Q = m λ, λ = ∆H Vaporation (Watson)
H 2 H 1
1 Tr2 1 Tr1
0.38
Menentukan Suhu Tangki Keadaan Akhir •
H total = (mCp∆T) Akhir = [(mCp∆T) NH3 + (mCp∆T) H2O] Akhir
•
Dengan bantuan software Goalseek didapatkan suhu tangki storage keadaan akhir (variasi waktu) Cp = koefisien panas pada tekanan konstan = aoT + 1/2a1T2 + 1/3a2T3 + 1/4a3T4 + 1/5a4T5
•
dimana = ao, a1, a2, a3, a4, a5 konstanta
Menentukan Tekanan Uap (P Buble) Tangki Storage
PBuble x P
sat 1 1 1
x2 2 P
sat 2
Menentukan Parameter Margules A12 dan A21 • Untuk mendapatkan nilai parameter Margules yaitu dengan fiting antara x1 terhadap GE/RT eksperimen dengan x1 terhadap GE/RT perhitungan dari data IV Vapor-Liquid Equilibrium Data for the NH3-H20 System and Its Description with a Modified Cubic Equation of State (Thomas M. Smolen, David B. Manley, and Bruce E.Poling,2002)
Menentukan Koefisien Aktifitaf amoniak dan air
ln 1 x2 [ A12 2( A21 A12 ) x1 ] 2
ln 2 x1 [ A21 2( A12 A21 ) x2 ] 2
Menentukan
•
log 10 Pvp
P1sat dan
B A T C 273.15
• A, B dan C suatu konstanta
• T = suhu
P2sat (Antoine)
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN • Perhitungan Tekanan Uap (P Buble) dengan suhu Aliran Pipa I • -25.75oC : Enthalpi (H1) dan Enthalpi (H3) nilainya semakin turun dengan kenaikan konsentrasi amoniak. Enthalpi (H2) - 3.1x1011 Joule , energi kinetik (EK2) 19.4 Joule Energi kinetik (EK1) dan energi kinetik (EK3) nilainya semakin turun dengan bertambahnya konsentrasi amoniak Suhu aliran pipa III relatif kecil atau hampir tidak ada perubahan yang signifikan dengan kenaikan konsentrasi amoniak Enthalpi tangki storage awal (H awal) -2.4x1012 Joule, energi kinetik tangki storage awal (EK awal) = tidak ada Panas laten (Q) yang diserap oleh kompresor 8124.49 Joule Suhu tangki storage keadaan akhir semakin naik dengan bertambahnya waktu. Perhitungan Parameter Margules Margules A12 -0.482 dan A21 -3.44 Tekanan uap (P Buble) naik dengan bertambahnya waktu
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN • Perhitungan Tekanan Uap (P Buble) dengan suhu Aliran Pipa I • -40oC : Enthalpi (H1) dan Enthalpi (H3) nilainya semakin turun dengan kenaikan konsentrasi amoniak. Enthalpi (H2) - 3.1x1011 Joule , energi kinetik (EK2) 19.4 Joule Energi kinetik (EK1) dan energi kinetik (EK3) nilainya semakin turun dengan bertambahnya konsentrasi amoniak Suhu aliran pipa III semakin turun dengan kenaikan konsentrasi amoniak Enthalpi tangki storage awal (H awal) -1.5X1012 Joule, energi kinetik tangki storage awal (EK awal) = tidak ada Panas laten (Q) yang diserap oleh kompresor 8015.89 Joule Suhu tangki storage keadaan akhir semakin naik dengan bertambahnya waktu. Perhitungan Parameter Margules Margules A12 -0.482 dan A21 -3.44 Tekanan uap (P Buble) naik dengan bertambahnya waktu
Suhu Aliran Pipa III (oC)
-28 Suhu Pipa I -25.75oC Suhu Pipa I -40oC -30
-32
-34 0
0.2
0.4 0.6 0.8 1 X1(NH3) Gambar 1 Kurva variasi konsentrasi amoniak terhadap suhu pipa III
Enthalpi Pipa III (Joule)
(1011) Suhu pipa I -25.75oC Suhu Pipa I -40oC -4
-5
-6
0
0.2
0.4 0.6 0.8 1 X1(NH3) Gambar 2. Kurva variasi konsentrasi amoniak terhadap variasi enthalpi pipa III
Energi Kinetik Pipa III (Joule)
(108) Suhu Pipa I -25.75oC Suhu Pipa I -40oC
1
0.5
0 0
0.2
0.4
0.6 X1(NH3)
0.8
1
Gambar 3. Kurva variasi konsentrasi amoniak terhadap energi kinetik (EK) aliran pipa III
Suhu Tangki (oC)
0 -20
Suhu Pipa I -25.75oC Suhu Pipa I -40oC
-40 -60 -80 0
5
10
Waktu (menit) Gambar 4. Kurva variasi waktu terhadap variasi suhu tangki storage akhir
Tekanan Tangki Storage (Kpa)
600
400
200 Suhu Pipa I -25.75oC Suhu Pipa I -40oC 0 0
5
Waktu (menit)
10
Gambar 5. Kurva variasi waktu terhadap variasi tekanan uap (P buble) tangki storage
0
GE/RT Eks. GE/Rt Cals.
GE/RT
-0.2
-0.4
-0.6
0
0.2
0.4
X1
0.6
0.8
Gambar 6. Kurva variasi x1 terhadap variasi GE/RT
1
KESIMPULAN •
Dari analisa dan pembahasan pada penelitian ini yang ditinjau dari ilmu thermidinamika dapat disimpulkan beberapa properti sebagai berikut ; 1. Enthalpi pada aliran pipa III (H3) semakin kecil dengan kenaikan konsentrasi amoniak dan tidak berpengaruh terhadap variasi suhu aliran pipa I. 2. Energi kinetik aliran pipa III (EK3) semakin kecil dengan kenaikan konsentrasi amoniak dan tidak berpengaruh terhadap variasi suhu aliran pipa I. 3. a. Suhu campuran aliran pipa III hampir tidak berpengaruh dengan kenaikan konsentrasi amoniak (suhu real aliran pipa I -25.75oC). b. Suhu campuran aliran pipa III semakin turun dengan kenaikan konsentrasi amoniak (suhu variasi aliran pipa I - 40oC). 4. Tekanan uap (P Buble) semakin naik dengan kenaikan waktu maupun variasi suhu aliran pipa I dan nilainya melebihi tekanan logam yang diijinkan pada spesifikasi tangki storage
• • •
•
• • • • • •
•
DAFTAR PUSTAKA
David M.HimmeblauStatistics,” Basic Principles and Calculations in chemical Engineering”, 7end Edition, Pearson Education International, 2004 Fthenakis, “Prevention and Control of Accident Releases of Hazardous Gases”,Van Nostrand Reinhold, New York, 1993. Kusnul Nurmanto dkk,”Identifikasi dan evaluasi system penyimpanan amoniak dalam upaya pencegahan pencemaran lingkungan,”Proseding Seminar Nasional Rekayasa Kimia dan Proses, Semarang 2004. Lestari & Nurdiansyah “ Potensi Bahaya Kebakaran dan Ledakan Pada Tangki Timbun Bahan Bakar Minyak (BBM) Jenis Premium Di Depot X Tahun 2007”, Makara Teknologi, Vol.11 No.2, November 2007. Lees, F.P., “Loss Prevention In The Process Industries: Hazard Identification, Assessment and Control”, Vol 1-3, 2nd Edition, Butterworth-Heinemann, Oxford, 1996. Poling & Prausnitz., “The Properties of Gases and Liquids”, Fifth Edition, Mc Graw-Hill International, Inc., 2001. Smith & Van Ness., “Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics”, Sixth Edition, Mc Graw-Hill International, Singapore, 2001. The International Association Shelia B Reed,”Pengantar Tentang Bahaya,”Program Pelatihan Manajemen Bencana,”Edisi ke-3, 1995. The International Association For The Study Of Insurance Economics (2006) World Fire Statistics, The Geneva Association Newsletter No 22, October 2006. Thomas M. Smolen, David B. Manley, and Bruce E. Poling,”Vapor-liquid equilibrium data for ammonia-water system and its description with a modified cubic, equation of state,”J. Chem. Eng. Data, 1991. Towler & Sinnott,” Chemical Engineering Design Principle Practice and Economics of Plant and Process Design,” Elseiver, 2008.
Tabel 1. Spesifikasi tangki storage Spesifikasi
Keterangan
1.
Kapasitas
7500 metrik ton.
2.
Bentuk Storage
Silinder tegak dengan tutup roof dished
3.
Diameter Shell
26 meter.
4.
Tinggi Shell
21.85 meter.
5.
Tinggi dished
2.84 meter
5.
Material
Carbon stell ASTM-516 GRADE 70.
6.
Temperatur Operasi
- 330C
7.
Tekanan Operasi
80 gram/cm2
8.
Tekanan Maksimum
100 gram/cm2
9.
Vakum Maksimum
5 gram/cm2
10.
Isolasi
Foam glass block 2 lapis, tebal 3” dan 4”
11.
Kapasitas Refrigeration system
1161 kg/jam
12.
Umur Storage
Sekitar 23 tahun
13.
Flowrate kompresor
0.387 ton/jam
13.
Amonia disyaratkan
NH3 = 99.8% ─ 99.5% Oksigen = 2.5 ppm H2O = 0.2% ─ 0.5%
No
Tabel 2. Data-data pipa I Pipa I
No.
Keterangan
1
Waktu Pengisian
Mulai pukul 16.57 s/d 17.08 WIB
2
Lama waktu pengisian
11 menit
3
Jumlah amoniak terkirim
10.2 Ton
4
Flow rate
56.636 Ton/jam
5
Suhu amoniak dalam pipa
- 25.75 C
6.
Jarak pipa
1600 m
7
Diameter Luas penampang
6” 0.0182 m2
8
Tekanan
1.7 kg/cm2
Tabel 3. Data-data pipa II Pipa II
No.
Keterangan
1
Waktu Pengisian
Mulai pukul 15.30 s/d 17.08 WIB
2
Lama waktu pengisian
1 jam 38 menit
3
Jumlah amoniak terkirim
79.002 Ton
4
Flow rate
64.54 ton/jam
5
Suhu amoniak dalam pipa
- 29 o C
6.
Diameter Luas penampang
6” 0.0182 m2
7
Flow rate yang diijinkan
70 ton/jam
8
Tekanan
1.7 kg/cm2
Tabel 4. Data-data pipa operasional tangki Tangki Storage
No.
Keterangan
1
Level isi amoniak dalam tangki
0.92 meter (=332 ton)
2
Tekanan operasional Tekanan Absolut
39 gram/cm2 s/d 138 gram/cm2 105.15 Kpa s/d 114.27 Kpa
3
Level isi amoniak menjelang ledakan pukul 17.08 WIB
1,14 meter (441 ton).
4
Skala level Indikator
0,2 s/d 1 Kg/cm2 = 0 s/d 20 meter level.
5
Skala level 1 ( satu ) Meter
375 Metrik Ton Amoniak
6.
Berat jenis amoniak
0,68 gram/cc.
7
Penambahan level amoniak dalam tangki akibat pengiriman dari pipa II
79.008 / 375 x 1 Meter = 0.2112213m = 21.12213 cm
8
Penambahan level amoniak dalam tangki akibat pengiriman dari pipa I
10,2 / 375 x 1 Meter = 0.0272 m = 2.72 cm
9
Total penambahan level amoniak dalam tangki
(0.2112213+0.0272)m = 0.238421 m= 23.8421 cm
10
Penambahan level/menit
0.238421/11=0.0216747 m/min
11
Suhu
20 oC
Foto Close Up suhu indikator tangki storage
yang meledak
Foto Close Up indikator tekanan uap amoniak dalam tangki storage
Foto Tangki storage yang meledak secara keseluruhan
Foto Bentuk tangki storage akibat ledakan
