SIMULASI PROSES REFRIJERASI DENGAN KOMPRESI SATU TAHAP DAN LEBIH

PROSIDING SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2004 ISSN : 1411 - 4216

SIMULASI PROSES REFRIJERASI DENGAN KOMPRESI SATU TAHAP DAN LEBIH Johan Utomo Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri UNPAR Jl. Ciumbuleuit No. 94, Bandung-40141, Indonesia Telp. (022) 2032340 E–mail : [email protected]

Abstrak Penguasaan terhadap program simulasi khususnya di bidang teknik kimia menjadi hal yang absolut, karena persoalan yang aktual pasti memiliki kompleksivitas yang sangat tinggi dan membutuhkan analisis yang kuat. Makalah ini dibuat dengan tujuan untuk memperdalam pemahaman tentang analisis suatu proses refrijerasi mekanik, memberikan pertimbangan teknis tentang kelayakan proses tersebut jika ditinjau dari penggunaan energi dan meningkatkan sense of engineering dari mahasiswa peserta kuliah. Studi kasus terhadap proses refrijerasi menggunakan refrijeran propana murni. Proses kompresi yang dilakukan adalah kompresi satu, dua dan tiga tahap. Beban refrijerasi yang dihendaki telah dispesifikasi sebesar 1,45 MMBtu/hr. Yang hendak dipelajari adalah pengaruh dari jumlah tahap kompresi, temperatur kondensasi, dan temperatur evaporasi terhadap daya kompresor (kW), beban kondensor (kJ/jam) dan laju alir refrijeran (kgmol/jam) yang diperlukan. Dengan semakin rendahnya temperatur evaporasi maka laju alir refrijeran yang diperlukan akan semakin besar, begitu pula dengan daya kompresor dan beban kondensor yang diperlukan. Pengunaan kompresi yang lebih dari satu tahap akan mengurangi beban kompresor dan beban kondensor. Kata kunci : refrijerasi, tahap, daya kompresor, beban kondensor, jumlah refrijeran

Pendahuluan Perkembangan pendidikan dan penelitian di bidang teknik kimia mengalami perkembangan pesat dalam 30-40 tahun terakhir ini seriring dengan perkembangan sarana komputasi untuk melakukan perhitungan yang kompleks dalam waktu yang singkat. Dunia industri juga mengalami perubahan yang amat pesat, teknik operasi dan kontrol dapat dilakukan bahkan dari jarak yang tak terbatas dari pabrik yang beroperasi (Raman, 1985). Dunia pendidikan tinggi yang diharapkan akan menghasilkan sumber daya manusia yang handal harus mampu menjawab tantangan tersebut. Sarjana teknik kimia harus mampu menguasai dasar-dasar ilmu teknik kimia dan harus mampu melakukan analisis dari permasalahan suatu proses kimia. Penguasaan kemampuan komputasi menjadi tidak mutlak lagi, karena yang diperlukan adalah seorang sarjana yang mampu melakukan analisis yang tepat, menggunakan intuisi, pengetahuan dan pengalaman untuk mengambil keputusan di saat kondisi yang tidak menguntungkan sekalipun. Kempuan komputasi sudah dapat digantikan dengan bantuan komputer oleh karena itu penguasaan terhadap program simulasi menjadi hal yang absolut. Hal ini dikarenakan persoalan yang aktual pasti memiliki kompleksivitas yang sangat tinggi. Hampir tidak mungkin diselesaikan dengan waktu yang amat terbatas. Untuk menggunakan program simulasi proses tersebut, diperlukan dasar-dasar ilmu teknik kimia yang cukup seperti, termodinamika, teknik reaksi kimia, mekanika fluida, perpindahan panas, perpindahan massa dan lain-lain. Pada makalah ini akan diuraikan sebuah kasus proses di teknik kimia yang memerlukan gabungan dasar ilmu di atas. Uraian ini dibuat sebagai bahan lanjutan dari materi kuliah guna memperdalam pemahaman tentang proses tersebut dan meningkatkan sense of engineering dari mahasiswa peserta kuliah. Refrijerasi mekanik didefinisikan sebagai proses untuk menurunkan temperatur suatu sistem di bawah temperatur lingkungannya (Perry, 1984). Proses refrigrasi yang membutuhkan daya absorpsi panas yang kontinu dilakukan oleh cairan refrijeran yang terevaporasi pada temperatur rendah. Uap yang terbentuk biasanya dikembalikan ke keadaan awal dengan cara dikompresi dan kemudian dikondensasikan atau dengan cara diabsorp oleh cairan lain yang memiliki volatilitas yang rendah dan kemudian cairan tersebut dievaporasi pada temperatur yang lebih tinggi (Anonim, 1987). Proses refrijerasi biasanya lebih dikenal karena aplikasinya dalam proses air conditioning, pengawetan makanan dan minuman sampai pada industri kimia berskala besar seperti dehidrasi gas (Branan, 1994). Aplikasi yang lebih khusus lagi yaitu pada industri

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

A-3-1

petroleum yaitu proses lubricating-oil purification, reaksi-reaksi pada temperatur rendah dan pemisahan senyawa hidrokarbon ringan. Pada industri pengolahan gas alam, refrijeran yang biasa digunakan adalah propana dan etana, pada industri berbasiskan olefin kemungkinan refrijeran yang sering digunakan adalah etilen dan propilen (Anonim, 1987).

Simulasi Proses Pada proses yang akan dipelajari akan dilakukan simulasi menggunakan paket program simulator yang telah tersedia. Sistem refrigerasi yang akan disimulasikan antara lain terdiri dari kompresor, kondensor, evaporator, katup ekspansi, mixer dan flash tank. Kompresi yang dilakukan divariasikan menjadi kompresi tahap tunggal, 2 tahap dan 3 tahap. Sebelum dilakukan simulasi, derajat kebebasan (DOF) untuk seluruh rangkaian proses dan/atau masing – masing unit operasi harus bernilai nol. Jika DOF lebih besar dari nol, proses tersebut masih memerlukan 1 buah spesifikasi agar sistem dapat dipertelakan dengan lengkap. Sebaliknya jika DOF kurang dari nol, maka sistem kelebihan pertelaan atau kelebihan spesifikasi. Derajat kebebasan untuk proses yang akan dipelajari harus bernilai nol yang menandakan sistem telah dipertelakan dengan baik dan dan dapat diselesaikan. Untuk kompresi satu tahap, variabel yang dispesifikasi adalah fraksi uap dan temperatur pada keluaran kondensor dan keluaran evaporator atau chiller. Untuk kompresi dua tahap ditambah 1 spesifikasi tekanan pada masukan kompresor kedua, dan untuk kompresi tiga tahap ditambah 2 spesifikasi tekanan. Variabel yang akan dipelajari adalah kerja atau daya yang dibutuhkan kompresor (Q-Compressor), beban panas yang harus dikeluarkan oleh kondensor (Q-Cond) dan laju alir molar refrijeran propana yang dibutuhkan. Untuk kompresi tahap tunggal variabel yang divariasikan adalah temperatur kondensasi (T1) berkisar dari 15 oC – 60 oC dan temperatur evaporasi (T3) yang berkisar -40 oC – 60 oC. Pada saat T1 atau T3 divariasikan maka T3 atau T1 dijaga pada nilai konstan sebesar -40 oC dan 60 oC. Untuk kompresi 2 tahap dan 3 tahap, temperatur kondensasi dan evaporasi dijaga konstan sebesar 60 oC dan -40 oC. Beban evaporator sudah dispesifikasi sebesar 1,45 MMBtu/jam. Temperatur kondensasi (T1) dan temperatur evaporasi (T3) juga merupakan variabel bebas yang dispesifikasi. Fraksi uap pada alur keluaran kondensor dan pada keluaran evaporator dispesifikasi bernilai 0 dan 1 secara berurutan.

Studi Kasus

Gambar 1. Proses Refrijerasi Campuran Gas Campuran gas metana, etana, propana dan fraksi hidrokarbon yang lebih tinggi ditambah dengan pengotor lainnya hendak direfrijerasi menggunakan sistem kompresi-ekspansi seperti pada gambar 2, 3 dan 4 di bawah ini. Kompresi yang dilakukan pada lup refrijerasi adalah kompresi satu tahap, dua tahap dan tiga tahap. Campuran gas tadi kemudian dipisahkan dalam flash tank (V-101) dan kemudian siap untuk dijual atau dikirim ke tempat lain. Yang perlu dikendalikan dalam parameter Sales Gas tersebut diantaranya adalah temperatur dew dari Sales Gas tersebut tidak boleh lebih dari -15 oC pada tekanan 6000 kPa.

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

A-3-2

Siklus Refrijerasi Satu Tahap Perubahan pada temperatur kondensasi akan mengakibatkan jumlah panas yang perlu disingkirkan pada pada kondensor akan semakin berkurang. Hal ini dikarenakan semakin berkurangnya temperatur kondensasi (T1) akan menyebabkan nilai HV4 akan semakin kecil dan beda entalpinya juga akan semakin kecil. Hal juga ini akan meyebabkan jumlah energi yang perlu dipasok oleh kompresor untuk meningkatkan dari Hv3 menjadi HV4 akan semakin kecil pula karena nilai HV4 semakin kecil. Penurunan temperatur kondensasi dari 60 oC hingga 15 oC akan menyebabkan daya kompresor berkurang dari sekitar 498,2 kW hingga 166,2 kW dan beban kondensor berkurang dari 3,244.106 kJ/jam menjadi 2,048.106 kJ/jam.

Gambar 2. Siklus Refrijerasi Satu Tahap

Gambar 3. Siklus Refrijerasi DuaTahap

Gambar 4. Siklus Refrijerasi Tiga Tahap JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

A-3-3

Semakin tinggi temperatur evaporasi berarti akan semakin sedikit jumlah fraksi uap yang terbentuk pada alur 2. Hal ini berarti jumlah entalpi HV4 akan semakin kecil dan mengakibatkan jumlah daya kompresor dan jumlah panas yang harus dikeluarkan oleh kondensor juga semakin kecil. Pada temperatur evaporasi yang paling maksimum yaitu 60 oC maka beban kondensor dan jumlah energi yang harus dipasok ke dalam kompresor akan bernilai paling minimum yaitu sekitar 1,455.106 kJ/jam dan 1,418 kW. Karena nilainya sama dengan temperatur T1 maka kompresor hanya membutuhkan energi yang sangat kecil untuk mengembalikan ke P1 secara isentropik. Jumlah panas yang diberikan juga merupakan panas laten karena temperaturnya sudah sama. Jumlah fraksi uap yang semakin berkurang atau jumlah fraksi cair yang semakin bertambah akan memberikan “efek” yang lebih besar kepada perbedaan entalpi HV3 dan HL2. Sehingga untuk beban refrijerasi tertentu maka jumlah refrijeran yang dibutuhkan akan berkurang

Gambar 5. Diagram P-H

Perbandingan Kompresi Satu Tahap dan Lebih Parameter Laju alir refrigeran [kgmol/jam] Beban kondensor [kJ/jam] Daya kompresor-1 [kW] Daya kompresor-2 Daya kompresor-3

1 Tahap 217,78 3,244.106 498,2 -

2 Tahap 195,3 2,788.106 65,4763 306,303 -

3 Tahap 184,5 2,596.106 35,31 90,87 192,2

Secara umum dapat dikatakan dengan semakin banyak tahap maka jumlah refrijeran yang diperlukan akan semakin berkurang, demikian pula dengan beban kondensor dan daya kompresor total yang diperlukan. Pengurangan jumlah refrijeran dengan dari kompresi satu tahap dan dua tahap sekitar 10,3%, dibandingkan dengan pengurangan jumlah refrijeran pada kompresi satu tahap dan tiga tahap yaitu sekitar 15,3%. Pengurangan beban kondensor yang terjadi pada kompresi dua tahap dan 3 tahap adalah 14% dan 20%. Pengurangan total daya kompresor yang dibutuhkan berturut-turut adalah 25,4% dan 36,1% untuk kompresi satu tahap dan dua tahap. Penggunaan tahap kompresi paling besar yang sering digunakan adalah kompresi tiga tahap. Penggunaan kompresi lebih dari tiga tahap tidak memberikan penghematan energi yang signifikan sebaliknya membutuhkan tambahan investasi alat lain selain yang pasti 1 buah kompresor tambahan. Sebagai patokan awal pada desain sistem refrijerasi dengan kompresi multi tahap, rasio kompresi untuk tiap tahap diusahakan relatif sama sehingga total daya kompresor yang dibutuhkan akan lebih rendah. Pengunaan kompresi dua tahap akan memberikan pengurangan beban kondensor dan kompresor yang signifikan, hal ini disebabkan JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

A-3-4

adanya flash tank yang berfungsi sebagai economizer. Flash tank tersebut memiliki fungsi untuk mengurangi beban kompresor untuk memberikan energi kepada fluida yang tidak berperan dalam proses evaporasi. Demikian pula dengan proses kompresi tiga tahap, dengan tambahan 1 buah economizer lagi, maka terjadi penghematan tambahan sekitar 6 % untuk beban kondensor dan 10,7% untuk daya kompresor jika dibandingkan dengan kompresi dua tahap. Dapat terlihat disini bahwa penghematan yang terjadi dari kompresi dua tahap ke tiga tahap lebih kecil dibandingkan dari kompresi satu tahap ke dua tahap. Hal ini akan berlaku terus untuk empat tahap dan lebih. Kesimpulan Penggalian aspek yang lebih mendalam pada kasus proses refrijerasi ini bisa dengan mudah dilakukan dengan menggunakan simulasi komputer. Pada studi kasus proses refrijerasi ini diperoleh bahwa daya kompresor, laju refrijeran dan beban kondensor dipengaruhi oleh temperatur kondensasi dan evaporasi yang diinginkan. Semakin besar temperatur kondensasi dan semakin kecil temperatur evaporasi akan memberikan beban kondensor dan daya kompresor yang semakin besar. Jumlah refrijeran yang diperlukan akan semakin meningkat jika temperatur kondensasi semakin besar dan temperatur evaporasi semakin kecil. Penggunaan jumlah kompresi lebih dari satu tahap akan memberikan daya kompresor, beban kondensor dan jumlah refrijeran yang semakin rendah. Penghematan yang dapat diberikan pada proses kompresi satu tahap menjadi dua tahap lebih besar dibandingkan dengan dari dua tahap menjadi tiga tahap. Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Bapak Tri Partono Adhi yang telah memberikan masukan yang sangat berarti kepada penulis. Daftar Pustaka Anonim., (1987)., ”Engineering Data Handbook”, Vol II, Section 14, Gas Processor Association. Branan C.R., (1994)., “Rules of Thumb for Chemical Engineers”, Gulf Publishing Company. Perry R.H., Green D., (1984)., “Perry’s Chemical Engineers’ Handbook”, Edisi 6, Seksi 12, MsGraw Hill, New York. Raman., (1985)., “Chemical Process Computations” , Elsevier Applied Science, London. Smith, et.al., (2001)., “Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics” , Edisi 6, McGraw Hill, New York. Utomo J., (2004)., “Implementasi penggunaan komputer untuk simulasi proses dalam pengajaran teknik kimia (Studi Kasus : Proses Refrijerasi)”, Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia., D05-1 – D05-5.

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

A-3-5