Analisa Eksergi Dan Termoekonomi Pada Plant Penstabilan Kondensat

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK FISIKA Vol. 1, No. 1, (212) Analisa Eksergi Dan Termoekonomi Pada Plant Penstabilan Kondensat Neni Opin Wijaya, Gunawan Nugroho, Sarwono. Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya, Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya gunawan@ep.its.ac.id Abstrak Telah dilakukan analisa eksergi dan termoekonomi pada sistem penstabilan kondensat untuk mengetahui nilai pemusnahan eksergi, efisiensi eksergi dan besar biaya rugi eksergi pada dalam sistem tersebut. Tujuan dari analisa ini adalah untuk mengetahui besar efisiensi yang mempengaruhi performansi sistem ini dengan menggunakan metode analisis eksergi dan termoekonomi. Besarnya nilai eksergi dan biaya rugi eksergi dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor, salah satunya adalah perbedaan fasa dan besar masukan juga keluaran proses yang dapat berimbas pada efisiensi dan besar biaya rugi eksergi tersebut. Dari hasil olahan data yang didapatkan,nilai pemusnahan eksergi berbanding lurus pada besarnya biaya rugi eksergi pada suatu. Pada plant penstabil kondensat ini, nilai pemusnahan eksergi dan rugi biaya eksergi paling tinggi didapatkan pada 1 st stage sebesar MW dan Rp/day. Sedangkan efisiensi total sistem ini sebesar 6%, sehingga dapat dikatakan bahwa performansi sistem penstabil kondensat ini cukup baik. Kata Kunci Eksergi, Efisiensi., Kondensat, Termoekonomi. I. PENDAHULUAN ADA industri pengeboran sumur gas, biasanya hasil akhir P atau produk jadi yang dijual kepada konsumen adalah gas alam murni dan kondensat. Namun yang terkandung dalam hasil pengeboran pada sumur gas tak hanya sebatas gas dan kondensat, terdapat pula lumpur, dan air. Oleh karenanya perlu dilakukan proses pemisahan untuk memisahkan antara fasa gas dan liquid. Kondensat adalah sebuah fraksi berat gas yang terkandung didalam aliran yang berupa cairan yang berasal dari hasil pengeboran sumur minyak. Pada umumnya, sebelum dijual kepada konsumen, kondensat diproses dan mengalami perubahan tekanan dan temperature tertentu sehingga berubah fasa menjadi cair. Data proses penstabilan kondensat yang akan digunakan pada tugas akhir ini merupakan data yang bearsal dari plant Onshore Processing Facilities milik PT Santos Indonesia Pty Ltd. Proses pemisahan atau separasi air, gas, dan kondensat yang terkandung dalam hasil pengeboran sumur minyak pada PT Santos Indonesia Pty Ltd ini membutuhkan dua fase pemisahan awal pada dua buah sebelum dilakukan pemrosesan lebih lanjut. Peralatan yang digunakan diantaranya adalah, heat exchanger, pompa, condensate tank, dan drain tank. Pada proses pemisahan antara air, gas dan kondensat di 1 dan 2, dibutuhkan heat exchanger untuk menjaga temperature agar tetap pada temperature tertentu yang telah ditentukan untuk menghasilkan kondensat yang lebih stabil. Namun, peralatan proses ini memiliki kekurangan, yaitu sifatnya yang korosif pada material yang digunakan untuk nya karena harus bekerja pada temperature tinggi dan adanya unsur kimia bahan bakar minyak yang korosif (sulfur, dll). Dalam perkembangan pengetahuan material yang terus berkembang, hal tersebut mulai dapat dikurangi meskipun tidak dapat secara keseluruhan dihilangkan. Hal ini dapat menyebabkan turunnya efisiensi energi dan performansi sistem untuk proses tersebut. Oleh karenanya, perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk menganalisa efisiensi dan performansi sistem ini. Adapun batas ruang lingkup dari penelitian ini antara lain, dalam analisis ini, proses-proses dipertimbangkan sebagai aliran stedi keadaan stedi (steady state steady flow). Sebagai tambahan efek energi kinetik dan energi potensial diabaikan. Software yang digunakan sebagai interface untuk perhitungan analisa ini adalah software Visual Basic. II. URAIAN PENELITIAN A. Tahap perhitungan Pada bab ini akan membahas mengenai analisa eksergi, rugi eksergi dan biaya rugi eksergi pada sistem penstabilan kondensat. Tahapan utama tersebut meliputi pemodelan per sistem penstabilan kondensat agar dapat dianalisa lebih lanjut, membuat perancangan dan simulasi software sebagai kalkulator sistem untuk mempermudah pengguna dalam mengetahui hasil perhitungan eksergi beserta rugi-rugi dan biayanya secara otomatis. Untuk membantu dalam tahap perhitungan, maka dilakukan penetapan inisialisasi masukan dan inputan pada setiap dengan cara penomeran untuk kondensat dan huruf untuk gas seperti yang tertera pada gambar 1 berikut ini.. Gambar. 1. Inisialisasi input output proses Rata-rata temperatur lingkungan saat pengambilan data

2 JURNAL TEKNIK FISIKA Vol. 1, No. 1, (212) secara acak pada bulan Mei 212 adalah 39.6 C atau K. Nilai T adalah tetap untuk perhitungan eksergi masing-masing. Tabel 1. Merupakan variabel eksergi pada masing-masing. N o. Komponen Variabel Fungsi 1. 1st stage T 1,h 1,s 1 masukan T 2,h 2,s 2 masukan T 3,h 3,s 3 keluaran T a,h a,s a keluaran 2. pre heater T 4,h 4,s 4 masukan T 5,h 5,s 5 masukan T 8,h 8,s 8 keluaran T 9,h 9,s 9 keluaran 3. 2nd stage T 6,h 6,s 6 masukan T 7,h 7,s 7E 7 keluaran T 1,h 1,s 1 keluaran 4. condensate tank T 11,h 11,s 11 masukan T 12,h 12,s 12 keluaran Keterangan : - penamaan masing-masing variabel dimulai dari a dan 1-12 membedakan jenis fluida kerjanya. Huruf menandakan gas, sedangkan angka menandakan kondensat. -T adalah temperatur, h adalah enthalpy, s adalah enthropy. Untuk menghitung pemusnahan eksergi, diperlukan berbagai macam variabel proses yang mendukung perhitungan sesuai dengan jenis masukan maupun keluarannya. Pada Tabel 3.2 dibawah ini dijelaskan variabel yang digunakan pada masing-masing untuk perhitungan pemusnahan eksergi. Tabel 2. Variabel yang digunakan dalam perhitungan No. Komponen Variabel Nilai Satuan 1. 1st stage ρ m.397 m 2 /s T a, T 1, T 2, 31.7 C T 3 2. pre heater ρ m.397 m 2 /s T C T C T 8 9 C T C 3. 2nd stage ρ m.397 m 2 /s T C T 7 9 C T 1 9 C 4. condensate ρ tank m.397 m 2 /s T 11, T C Keterangan : - penamaan masing-masing variabel dimulai dari a dan 1-12 membedakan jenis fluida kerjanya. Huruf menandakan gas, sedangkan angka menandakan kondensat. - ρ adalah density, m adalah flow rate, T adalah temperatur. B. Tahap perancangan desain dan simulasi program Perancangan dan simulasi software ini menggunakan Visual Basic 6. yang kemudian akan dikemas dalam bentuk aplikasi agar mudah digunakan oleh pengguna. Perancangan desain software ini meliputi perhitungan eksergi, efisiensi sistem, dan rugi biaya eksergi. Coding atau pengalamatan yang digunakan pada program ini. III. HASIL PENELITIAN A. Hasil Perhitungan Berikut yang tertulis pada tabel 1 adalah data sekunder plant yang diambil per bulan Mei 212. Pada tabel tersebut berisikan data dari Ist stage, 2nd stage, pre heater, dan condensate tank. Data variabel yang dicantumkan meliputi data pressure,temperature,flow rate, dan beberapa variabel pendukung proses lainnya yang digunakan dalam proses perhitungan. Tabel 3 Data Proses Komponen Variabel Desain satuan jam Ist stage Vessel Pressure 1216 Kpa Interface Level % 78. Vessel Level % Out Gas Pressure 1216 KPa 68. In Gas Pressure 6-9 KPa Purge Gas Pressure 152 KPa Gas Flow to HP scfm 13.4 Gas Flow to LP scfm 5.8 pre heater Condensate Flow <12.8 Lt/Hr 87.4 inlet press of E- 2 B (tube side) KPa 7. inlet temp of E- 2 B (tube side) 31.7 outlet press of E 2 B (shell s) KPa 4. outlet temp of E- 2 B (shell side) 36.8 inlet press of E- 2 A (shell side) KPa 4. inlet temp of E- 2 A (shell side) 9 outlet press of E- 2 A (tube side) KPa 7. outlet temp of E- 2 A (tube side) nd stage Press Vessel <45 KPa Vessel Level % 5. Heater Temp condensate Pressure mmh2o 71.6 tank Temperature environment Pressure 1 atm 1 Outlet Temp. < Setelah dilakukan perhitungan, didapatkan keseluruhan hasil data perhitungan yang meliputi perhitungan pemusnahan eksergi, efisiensi eksergi, dan biaya rugi eksergi sebagai berikut seperti yang tertera pada tabel 4 berikut ini. Tabel 4

3 JURNAL TEKNIK FISIKA Vol. 1, No. 1, (212) Hasil Perhitungan No. Komponen E Ė d (MW) η Cost (Rp/day) 1. 1 st Stage E 1 in Separator E 2 in E 3 out E a out 2. Pre Heater E 4 in E 8 in E 5 out E 9 out 3. 2 nd Stage E 6 in Separator E 7 out E 1 out 7 4. Condensate Tank E 11 in E 12 out Dari Tabel 2 diatas, dapat diketahui bahwa Condensate Tank mengalami dead state pada pemusnahan ekserginya. Hal ini dikarenakan besar jumlah masukan dan keluaran prosesnya sama besar, sehingga bernilai nol untuk semua perhitungan pada tersebut. Tingkat keadaan mati atau dead state terjadi bila tingkat keadaan sistem sama dengan tingkat keadaan lingkungan. Bila tingkat keadaan suatu zat berbeda dengan lingkungan, maka akan ada kesempatan untuk menghasilkan kerja. Makin dekat tingkat keadaan zat dalam condensate tank tersebut dengan lingkungan, makin hilang kesempatan melakukan kerja ini. Bila tingkat keadaan keduanya sama, maka diperoleh tingkat keadaan mati, dimana keduanya mempunyai energi,tetapi eksergi sistem terhadap lingkungan adalah nol. Hasil perhitungan untuk masing-masing berpengaruh pada efisiensi dan performansi tersebut. Seperti pada 1st stage, hasil pemusnahan eksergi yang didapatkan sebesar MW, berasal dari dua buah masukan yakni variabel E 1,E 2 dan dua buah keluaran, yakni variabel E 3,E a. Artinya jumlah eksergi yang hilang adalah sebesar MW. Nilai keluaran yang lebih besar dibanding nilai masukan pada tersebutlah yang menyebabkan besarnya kerugian eksergi. Semakin besar rugi eksergi yang hilang, maka biaya yang dibutuhkan juga semakin banyak. Efisiensi yang bernilai 71.8 didapatkan dari pembagian keluaran dan masukan pada 1st stage. Berikut pada Grafik 1 dibawah ini adalah grafik mengenai perbandingan besarnya pemusnahan eksergi pada tiap sistem penstabilan kondensat. Perbandingan besarnya pemusnahan eksergi pada tiap-tiap Ed (MW) st stage pre heater 2nd stage condens tank Grafik 1 Perbandingan besarnya pemusnahan eksergi pada tiap-tiap Dari grafik 1, dapat diketahui bahwa nilai pemusnahan eksergi tertinggi terdapat pada 1st stage, hal ini disebabkan karena nilai keluaran eksergi yang dihasilkan lebih besar bila daripada nilai masukan eksergi pada tersebut. Salah satu hal yang menyebabkan besarnya pemusnahan eksergi pada 1st stage ini adalah keluaran yang berbeda fasa pada salah satu outlet, yakni pada E a yang fasanya berupa gas. Sedangkan pada 2nd stage, pre heater, dan condensate tank fluida kerjanya memiliki fasa yang sama. Perbandingan besarnya efisiensi eksergi pada tiap-tiap η st Stage Separator Pre Heater 2nd Stage Separator Condensate Tank Grafik 2 Perbandingan besarnya efisiensi eksergi pada tiap-tiap. Dari grafik 2 diatas, dapat diketahui bahwa efisiensi tertinggi terdapat pada 1st stage, hal ini disebabkan karena nilai keluaran yang dihasilkan lebih besar bila dibandingkan dengan nilai masukan pada tersebut. Apabila nilai efisiensi semakin tinggi, maka sistem tersebut dapat dikatakan baik, karena energi yang dibutuhkan untuk memulai kerja pada sistem secara keseluruhan lebih kecil dari pada energi yang dihasilkan. Efisiensi sistem penstabilan kondensat ini secara keseluruhan adalah senilai 6.1%. Dengan efisiensi sistem tersebut, maka sistem secara keseluruhan masih memiliki performansi yang cukup baik untuk sebuat plant gas yang baru berdiri selama 3 tahun cost (Rp/day) Perbandingan besarnya biaya rugi eksergi pada tiap-tiap 1st stage pre heater 2nd stage condensate tank Grafik 3 Perbandingan besarnya biaya rugi eksergi pada tiap-tiap Pada Grafik 3 dapat diketahui bahwa biaya rugi eksergi yang paling tinggi adalah biaya untuk 1st stage hal ini berbanding lurus dengan besarnya jumlah pemusnahan eksergi atau eksergi yang hilang pada tersebut. Seperti yang dapat dilihat pada Tabel 1 dimana nilai

4 JURNAL TEKNIK FISIKA Vol. 1, No. 1, (212) pemusnahan eksergi tertinggi terdapat pada 1st stage, hal itu mepengaruhi besarnya biaya rugi eksergi pada tersebut. Berbeda dengan pre heater, nilai pemusnahan ekserginya kecil, sehingga biaya rugi eksergi yang dibutuhkan juga sedikit. Dari perancangan desain dan simulasi yang telah dilakukan, didapatkan hasil yang hamper sesuai dengan perhitungan manual. Terdapat error sebesar +- 3 angka di belakang koma. Hal ini disebabkan karena interpolasi yang dilakukan hanya sebatas 3 3 angka di belakang koma. Pada tahap awal perancangan desain software, interpolasi merupakan poin penting dan utama dalam perancangan desain, karena ketepatan hasil interpolasiu mempengaruhi hasil perhitungan eksergi dari awal hingga akhir. Interpolasi dilakukan untuk Tabel A.3 dan Tabel A.22 seperti yang telah disebutkan pada poin 3.1 sebelumnya. Nilai h dan s yang telah didapat dari hasil masukan temperature sebagai acuan pada Tabel A.3 dan Tabel A.22 baik dengan cara interpolasi maupun didapat secara langsung, kemudian digunakan sebagai masukan untuk perhitungan eksergi untuk masing masing. Hasil perhitungan eksergi disambungkan dengan perhitungan efisiensi. Begitu juga dengan hasil perhitungan efisiensi yang disambungkan dengan kolom perhitungan biaya. Setiap tahap perhitungan dilakukan untuk masing masing. Metode link atau penyambungan antar perhitungan yang dilakuka berguna agar apabila hasil perhitungan pemusnahan eksergi didapatkan, maka hasil untuk efisiensi dan biaya rugi ekserginya juga dapat langsung terlihat scara keseluruhan Berikut seperti yang terlihat pada gambar 1 adalah tampilan program perhitungannya secara keseluruhan. Gambar 2 Tampilan program perhitungan B. Persamaan Perhitungan eksergi dilakukan sesuai masukan dan keluaran proses pada tiap. Didapatkan dengan menghitung nilai e pada masing-masing dengan menggunakan persamaan : ṁ. e c = ṁ ( h T. s) (3.1) Maka untuk pemusnahan eksergi pada 1st stage didapatkan persamaan : E dsep1 = (e 1 + e 2 ) (e 3 + e a ) (3.2) Untuk pre heater didapatkan persamaan : E dpre = (e 4 + e 8 ) (e 5 + e 9 ) (1.3) Untuk 2nd stage didapatkan persamaan : E dsep2 = (e 6 ) (e 7 + e 1 ) Untuk condensate tank didapatkan persamaan : E dcond = (e 11 e 12 ) (3.4) Setelah didapatkan semua nilai pemusnahan ekserginya, kemudian mencari nilai efisiensinya. Sehingga untuk rumus umum untuk tiap didapatkan persamaan : η sep1 = (E dc / E dtotc ) x 1% (3.5) Untuk menghitung biaya rugi eksergi, acuan yang digunakan untuk biaya adalah tarif dasar listrik per kwh. Dengan perhitungan ini, dapat diketahui besarnya rugi biaya eksergi. Untuk menghitung biaya rugi eksergi, acuan yang digunakan untuk biaya adalah tarif dasar listrik Indonesia per bulan Mei 212 sebesar Rp. 796.,- per kwh. Perhitungan termoekonomi didapatkan dengan persamaan : Dengan : c = biaya Rupiah per hari E = eksergi MW TDL = tariff dasar listrik Hour = waktu proses IV. KESIMPULAN (3.6) Semakin tinggi nilai efisiensi suatu, maka menyatakan bahwa performansinya semakin baik. Nilai efisiensi tertinggi sebesar 71% terdapat pada pre heater dan terendah sebesar %, terdapat pada condensate tank. Sedangkan efisiensi sistem secara keseluruhan adalah sebesar 6% yang artinya adalah performansi system penstabilan kondensat ini masih cukup baik. Nilai tertinggi pada eksergi yang hilang terdapat pada 1st stage, yaitu sebesar MW. Hal ini disebabkan karena adanya perbedaan fasa yang terdapat pada tersebut. Sedangkan nilai terendah eksergi yang hilang terdapat pada condensate tank, yaitu sebesar %. Hal ini dikarenakan pada condensate tank terjadi dead state, karena keadaan proses sama dengan keadaan lingkungan disekitarnya, sehingga tidak ada selisih eksergi yang dapat dimanfaatkan UCAPAN TERIMA KASIH Penulis N.O.W (inisial nama mahasiswa) mengucapkan terima kasih kepada Bapak dosen Pembimbing dan segenap Kru OPF Grati Santoa atas segala bantuan hingga terwujudnya penelitian ini. Penulis juga diperkenankan menyampaikan ucapan terima kasih kepada sponsor penyedia dana penelitian. DAFTAR PUSTAKA [1] Agung Alexander, Santosa Waris.23. Analisis Cost- Effectiveness Sistem Pembangkit Uap Pada Pabrik Gula Madukismo Menggunakan Metode Exergi, Forum Teknik Jilid 27.

5 JURNAL TEKNIK FISIKA Vol. 1, No. 1, (212) [2] Çolpan, Can Özgür.25. Exergy Analysis Of Combined Cycle Cogeneration Systems, Repository Middle East Technical University. [3] Dincer,I.22. The Role Of Exergy In Energy Policy Making,Energy Policy,Vol.3,pp [4] Masanori Shukuya, Abdelaziz Hammache.22. Introducti on To The Concept Of Exergy, VTT TIEDOTTEITA Research Notes [5] Michael J. Moran, Howard N. Shapiro.24. Fundamentals of Engineering Thermodynamics, John Wiley & Sons. [6] Opin Wijaya, Neni Sizing Control Valve (982- Lv-151 A; 982-Lv-151 B; 982-Pv-151 A) Di Onshore Processing Facilities Pt Santos Indonesia Pty Ltd, Grati Pasuruan Jawa Timur. [7] Sigalingging, Riswanti.22. Analisis Energi Dan Eksergi Pada Produksi Biodiesel Berbahan Baku Cpo(Crude Palm Oil),Repository IPB.