KOMPRESOR. Perancangan Alat Proses. Abdul Wahid Surhim 2015

KOMPRESOR Perancangan Alat Proses Abdul Wahid Surhim 2015

Rujukan • Campbell, J. M. 1992. Gas Conditioning and Processing:

Equipment Modules, Volume 2. • Hanlon, Paul C. 2001. Compressor Handbook. McGrawHill Companies, Inc.

Jenis-jenis Kompresor Piston Reciprocating

Plunger Positive Displacement

Gear Rotary

Screw Vane

Kompresor

Radial Flow Axial Flow Centrifugal

Mixed Flow

Kinetic (Dynamic) Peripheral (Regenerative Turbine)

Special High Head, Low Flow

Tahapan Perhitungan Kompresor (Single Stage) INPUT: 1. Tekanan Masuk (P1) 2. Suhu Masuk (T1) 3. Rasio Kompresi (R) 4. Laju Alir Gas (q) 5. Berat Molekul Gas 6. Efisiensi Isentropik, 7. Tip Speed (u)

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

HITUNG: Specific Gravity () Rasio Kapasitas Panas (k) Faktor Kompresibilitas (Z), kW/stage Compressor Speed (N), Mechanical Losses (WL), DAYA TOTAL

1. Discharge Temperature (TD) 2. Diameter Impeller

Panduan Seleksi Kompresor

Panduan Pemilihan Drivers Kompresor

Figure 15.1 General Range of Application of Compressor

Daya Kompresor Persamaan termodinamika dasar 15.1

Daya aktual: Daya teoritis:

15.2

15.3

3 Jenis Efisiensi • Efisiensi TERMODINAMIK (ISENTROPIK) – Reversibel (S1 = S2) – Adiabatik (Q = 0)

• Efisiensi MEKANIK – Frictional losses – Other mechanical losses (mis. valve)

• Efisiensi POLITROPIK – Irreversibel (S1  S2) – Non-adiabatik (Q  0)

Pers. (15.15)

Prosedur Kompresi Tahap berikutnya

Isentropic compression

Gas cooling

Persamaan Umum 15.4

Figure 15.2(a) Enthalpy-Entropy Diagram for a 0.65-0.75 Relative Density Sweet Natural Gas (METRIC)

Figure 15.2(b) Enthalpy-Entropy Diagram for a 0.65-0.75 Relative Density Sweet Natural Gas (ENGLISH)

Efisiensi Menyeluruh

Compressor Head 

PV  constant  T1Z a R  P2  h   1   MW   P1



  

 1 

  1  

∆h dan R

Specific Gravity (SG) SG= • MWair = 28.97

𝑀𝑊𝑔𝑎𝑠 𝑀𝑊𝑎𝑖𝑟

Rasio Kapasitas Panas () Bila fraksi komponen diketahui:



  y C  i

pi

  y C   1.99 i

15.6

pi

Bila fraksi komponen TIDAK diketahui, rumus empiris:

  1.3  0.31SG  0.55

15.7

Hubungan k dan MW (Rule of Thumb page 115)

Kapasitas Panas Molar HK

Laju Alir Masuk Kompresor • Laju alir masuk kompresor yang actual:

Z1T1 QG  19.6506 q P1 – – – – –

QG : laju alir gas actual (actual cfm) T1 : suhu masuk kompresor (oR) P1 : tekanan masuk kompresor (psia) Z1 : factor kompresibilitas fluida masuk kompresor q : laju alir volumetrik gas masuk kompresor (MMSCFD)

Compression Power Kombinasi Pers. (15.4) dan (15.5)  1     A     Ps   P2  q  T1     1 Z a  kW / Stage      E    1   Ts   P1   

(100 kPa or 14.7 psia) (15oC 0r 60oF)



15.8

Hubungan kW/Stage dan h    P      T1Z a R  P2  R  2    1   T1    1 Z a h   1   MW   P1   MW     1   P1    1

 1

      P2  hMW   T1    1 Z a  R     1   P1    1

 1     A     Ps   P2  q  T1     1 Z a  kW / Stage      E    1   Ts   P1   

 A  MW q   Ps  kW / Stage    h   R E  Ts 

Faktor Kompresibilitas (Z)

Discharge Temperature (TD)

atau

  TD  T1 1   

 

 1 P2 

 1  P1  Eisen  

15.9

  T1  P2     1  TD  T1  P1      1

Eisen

Nilai isentropic efficiency (Eisen) • Kompresor sentrifugal: 0.7 – 0.75 • Kompresor resiprokal: 0.7 – 0.75 (HS = high speed) • Kompresor resiprokal: 0.83 – 0.90 (LS = low speed)

Figure 15.4(a) Simple Correlation for Estimating Compressor Power (Metric)

Figure 15.4(b) Simple Correlation for Estimating Compressor Power (English)

Konversi  Ps  Ta  Qa  Q.10     Pa  Ts  5

15.10

15.11

Estimasi Daya Kompresor dengan Nomograf

Relasi Eisen dan Epoly n 1  1  n  .E poly

15.12

    

15.13

 1 P2 

Eisen

P1

P2 P1

n 1 n

1 1

Figure 15.6 Relasi Eisen dan Epoly

Relasi ds dan Ns

Mechanical Losses  N  WL  FL    1000 

2

TOTAL DAYA = kW/Stage + WL

Polytropic Head per Impeller

1 impeller sekitar 3200 m (10.500 ft)

Figure 15.8 Relasi ds dan Ns

Sonic Velocity us 



gc  Z R T MW

Diameter Impeller (Estimasi) q d 0.050u

Compressor Speed 60u N d

Figure 15.9 Kurva Karakteristik Kompresor Sentrifugal

SURGE • SURGE: Fenomena ketidakstabilan yang terjadi pada saat laju alir rendah (lihat Kurva Karakteristik Kompresor) • Surge melibatkan keseluruhan sistem, bukan hanya kompresor, yakni semua kumpulan komponen yang dilewati oleh aliran masuk (upstream) dan keluar (downstream) dari fluida • Kompresor tidak dapat mencapai tekanan keluar sedemikian rupa sehingga terjadi serangkaian aliran balik

Choke (Sumbatan) • Choke (efek “dinding batu” atau “stonewall” effect) membatasi kapasitas kompresor • Kondisi ini disebabkan oleh laju alir membatasi gas yang melalui “mata” impeller pertama • Aliran ini selalu lebih besar dari disain dan biasanya tidak akan terjadi di bawah 115-120% rated capacity • Kecepatan maksimum dibatasi oleh bilangan MACH (kecepatan suara) dari gas

Choke (Sumbatan) • Secara teori, efek choke akan terjadi pada harga ini, tetapi prakteknya biasanya adalah membatasi disain pada bilangan Mach 0.80-0.90 • Gas terringan yang dikompresi di mana choke menjadi masalah yang signifikan adalah propylene • Propana, butana, dan freon memiliki kecepatan Mach sekitar 200 m/s pada -40oC • Kompresi gas yang lebih ringan dari propana, choke bukan menjadi perhatian praktis

Anti Surge Control

Contoh 15.1

1. Compressor Head

  1.3  0.310.65  0.55  1.27   1 /   0.2126

MWgas = ()(MWair)

2. Compressor Power

 std m 3 /d  Ps  T1  q  86400   P   T  Z a   1  s 

m 3 /s

3. Compressor Discharge Temperature (15.9) 4. Number of Impellers

5. Diameter Impeller (Estimasi)  std m3 /d  Ps  q    86400  P1

 T1   Ts

  Z a m3 /s 

6. Specific Diameter and Speed

RECIPROCATING COMPRESSOR

Prinsip Reciprocating Compressor

Delivery pressure

Prosedur Kerja Induced volume Swept/displacement volume Efisiensi volumetric (Evz) = Vl/Vd Clearance (C) = Vc/Vd

Inlet pressure

Approximate Valve Losses

Prosedur Kerja • Titik A menggambarkan akhir dari gaya kompresi • Garis ABC menggambarkan gaya masuk total – Bagian AB menggambarkan ekspansi gas yang terperangkap antara piston dan ujung silinder pada tekanan P2 – Tidak ada gas baru yang masuk silinder hingga gas ini berekspansi ke tekanan P1 (titik B) – Volume V1 (garis BC) menggambarkan gas baru yang masuk pada gaya masuk (suction stroke) – Kapasitas silender tetap pada volume V1 – Volume ini, tergantung pada rasio kompresi (P2/P1) dan Volume Vc

Perpindahan Piston dan Efisiensi Volumetrik • Volume yang digambarkan oleh garis ABC disebut perpindahan piston (piston displacement): volume gas yang dapat dikompresi jika tidak ada ekspansi gas atau Vd • Besarnya tergantung pada ukuran piston, kecepatan dan panjang gaya, serta apakah piston tunggal atau ganda • Efisiensi volumetrik = V1/Vd – Turun dengan naiknya rasio kompresi dan naiknya Vc

Rasio Kompresi per Langkah (R) 15.20

• Harganya kadang melebihi 6:1 • Efisiensi volumetrik turun, suhu keluar naik, dan batasan tekanan mekanik (R) naik • Prakteknya harga R kadang melebihi 4:1 saat mendorong gas dari tekanan rendah untuk pemrosesan atau penjualan

Layout Kompresor Dua-Langkah

Prosedur Perhitungan HP Mesin 1. 2. 3. 4. 5.

6. 7.

Hitung R (Pers. 15.20) dan kalikan dengan P1 Estimasikan ∆P (P2 – P3) P2 aktual = R(P1) + 0.5 ∆P P3 aktual = P2 - ∆P antar langkah Estimasikan T3 (suhu masuk ke langkah kedua)  Ambient dry bulb + 15oC (air cooling)  Wet bulb + 15oC (water cooling) Hitung R aktual tiap langkah, hitung daya tiap langkah dan tambahkan untuk mendapatkan daya mesin total yang diperlukan Beban panas total pada cooler adalah jumlah gas sensible heat dari T2 ke T3 dan panas laten total semua fluida yang dikondensasi (air ditambah minyak)

Figure 15.12 Efisiensi Menyeluruh (Kompresi Udara)

Figure 15.13 Faktor Koreksi

• Kurva A untuk unit yang integral atau dapat dipisahkan yang besar, pada rasio kompresi rendah, operasi jalur perpipaan besar yang khas • Kurva B untuk laju < 600 rpm • Kurva C untuk laju > 900 rpm • Tekanan masuk > 200 kPa (abs.)  efisiensi 15-20% lebih rendah dari yang ditunjukkan

Example 15.2 • 280 000 std m3/d (9.9 MMscfd) gas yang memiliki MW 20.3 ditekan dari 700 – 6000 kPa [101 – 870 psia] pada kompresor integral laju rendah (low speed integral compressor). • Suhu masuk langkah pertama dan kedua adalah 40oC [104oF] dan 45oC [113oF]. • Jatuh tekanan antar-langkah sebesar 40 kPa. • Estimasikan keperluan dayanya!

1. Tekanan dan Rasio Kompresi

2. E, Z, k, dan m • Gunakan Fig. 15.12 dan 15.13 – Fig. 15.12 pada R = 2.96 line B, maka E = 0.852 – Fig. 15.13 pada  = gas/udara = MWgas/Mwudara = 20.3/28.97= 0.70 line B, maka E = 0.98 E = (0.852)(0.98) = 0.835

• Faktor kompresibilitas (Fig. 15.3) – 1st stage ZI = 1.0 dan ZD = 0.98 – 2nd stage ZI = 0.955 dan ZD = 0.945

• Rasio kapasitas panas (k) gunakan grafik di Rule of Thumb hlm. 115 pada MW = 20.3  k = 1.26 dan m = (k-1)/k = 0.206

3.a Daya Kompresor

3.b Daya Kompresor

3.c Daya Kompresor

Efisiensi Volumetrik 15.21

Volumetric Rate Gas 15.22

Displacement Volume

Example 15.3 • Menggunakan harga-harga pada contoh sebelumnya, estimasikan ukuran silinder untuk kompresor berikut • Speed = 400 rpm • Stroke = 21.6 cm [8.5 in.] • Normal clearence – 1st stage = 7% – 2nd stage = 12%

• Asumsikan: 2 silinder per stage dan semua silindernya double-acting

1st Stage

2nd Stage

Load 15.24