PENGEMBANGAN DAN PENGUJIAN SISTEM VAPOR RECOVERY HAVIVAL MENGGUNAKAN TEKNOLOGI MEMBRAN PADA TANGKI TIMBUN DI SPBU

Transkripsi

1 PENGEMBANGAN DAN PENGUJIAN SISTEM VAPOR RECOVERY HAVIVAL MENGGUNAKAN TEKNOLOGI MEMBRAN PADA TANGKI TIMBUN DI SPBU TUGAS SARJANA Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh Erick Kamarga PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

2 Lembaran Pengesahan Tugas Sarjana Pengembangan dan Pengujian Sistem Vapor Recovery Havival Menggunakan Teknologi Membran pada Tangki Timbun di SPBU Oleh Erick Kamarga Program Studi Teknik Mesin Institut Teknologi Bandung Disetujui pada Tanggal: Februari 2008 Pembimbing Dr. Ir. IGN. Wiratmadja Puja NIP

3 Tugas Sarjana Judul Pengembangan dan Pengujian Sistem Vapor Recovery Havival Menggunakan Teknologi Erick Kamarga Membran pada Tangki Timbun SPBU Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung Abstrak SPBU merupakan salah satu sarana umum yang memiliki peranan penting dalam kehidupan masyarakat sehari hari. Namun, selain memiliki peranan penting, SPBU juga menimbulkan polusi udara akibat penguapan bensin yang terjadi pada tangki timbun maupun dispenser. Polusi udara tersebut dapat menimbulkan bahaya kebakaran, bahaya kesehatan, maupun kerugian ekonomi. Untuk itu, perlu dikembangkan sebuah sistem vapor recovery yang dapat mengurangi polusi udara sekaligus me-recover kehilangan akibat penguapan bensin yang tidak terkendali tersebut. Metodologi yang dilakukan untuk mengembangkan sistem vapor recovery tersebut adalah dengan melakukan studi literatur mengenai peralatan peralatan di SPBU, teknologi membran, maupun sistem vapor recovery yang telah dikembangkan di luar negeri. Kemudian dilakukan pengujian dalam skala laboratorium untuk menentukan material membran yang paling sesuai digunakan pada pengembangan sistem vapor recovery. Selanjutnya, penulis mengembangkan dan membuat prototipe rancangan lalu mengujinya pada skala laboratorium untuk mengetahui kinerja serta efisiensinya. Prototipe yang telah dikembangkan terdiri dari modul membran menggunakan material PVA (polyvinyl alcohol), pompa vakum, casing, serta check valve. Hasil dari pengujian prototipe menunjukkan bahwa sistem dapat bekerja dengan baik dengan efisiensi sebesar 67.93%. Penulis mengharapkan agar prototipe tersebut dapat dikembangkan lebih lanjut lagi agar kelak dapat diaplikasikan di lapangan sehingga dapat mengurangi berbagai masalah yang terjadi akibat penguapan bensin di SPBU.

4 Final Project Title Development and Experiment of Havival Vapor Recovery System Using Membrane Technology for Gas Station Underground Erick Kamarga Container Major Mechanical Engineering Faculty of Mechanical and Aerospace Engineering Institute of Technology Bandung Abstract Gas stations are one of the public facilities that have a major role for society in the daily life. Unfortunately, other than having a major role, gas station also creating air pollution caused by gasoline evaporation at the underground container and dispenser. The air pollution can cause danger of fire, hazardous environment for human health, and also financial loss. That is why it is needed to develop a vapor recovery system that can reduce the air pollution while recovering the loss caused by the uncontrollable gasoline evaporation. Methodology that was used to developed the vapor recovery system is by studying literature about equipments in the gas station, membrane technology, and also vapor recovery system that have been developed overseas. Next experiments were conducted on a laboratory scale to decide the suitable membrane material used for the development of vapor recovery system. Then writer developed and created design prototypes and then tests them on a laboratory scale to find out their performance and efficiency. The developed prototype consists of membrane module using PVA (polyvinyl alcohol) for the material, vacuum pump, casing, and check valve. The results from the experiment show that the system can perform well with 67.93% efficiency. Writer hopes that the prototype can be further developed thus in the future it can be implemented on the field so that it will decrease all the problem caused by the gasoline evaporation at the gas station.

5 KATA PENGANTAR Puji syukur kepada Tuhan Yesus atas segala rahmat dan kurnia-nya, sehingga laporan Tugas Sarjana yang berjudul Pengembangan dan Pengujian Sistem Vapor Recovery Menggunakan Teknologi Membran pada Tangki Timbun di SPBU ini dapat diselesaikan. Penulis menyadari besar campur tangan-nya dalam penyelesaian laporan tugas sarjana ini. Laporan Tugas Sarjana ini disusun sebagai salah satu syarat kelulusan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Mesin dari Program Studi Teknik Mesin, Institut Teknologi Bandung. Tugas Sarjana ini berisi tentang pengembangan serta pengujian sistem vapor recovery menggunakan teknologi membran yang bernama havival. Sistem ini akan digunakan pada PV Valve tangki timbun di SPBU. Dalam pengerjaan laporan ini, penulis menghadapi berbagai macam kesulitan. Namun berkat bimbingan Tuhan Yesus, semua kesulitan dapat teratasi. Di samping itu, dalam kesempatan ini, penulis juga hendak mengucapkan terima kasih kepada: 1. Dr. Ir. IGN. Wiratmaja Puja, selaku pembimbing yang telah mencurahkan perhatian, memberikan semangat dan dukungan moral serta saran-saran kepada penulis. 2. Dr. Ir. I Gede Wenten, sebagai ketua laboratorium hilir PAU ITB yang telah banyak membimbing dan memberikan masukan serta menyediakan fasilitas maupun peralatan selama penulis melakukan pengujian. 3. Dr. Ir. I Wayan Suweca, Dr. Ir. Bagus Budiwantara, dan Dr. Rachman Setiawan, ST sebagai dosen di laboratorium perancangan mesin. 4. Seluruh keluarga penulis yang selalu memberikan kasih sayang, perhatian, motivasi, dan dorongan yang begitu besar. 5. Erwin, yang telah bersama - sama berjuang dalam pengerjaan tugas sarjana ini dari awal hingga akhir. 6. Vincent, yang telah banyak membantu selama penulis melakukan pengujian serta pada saat pelaksanaan seminar tugas sarjana ini. i

6 7. Teman teman penulis: Koko Suherman, Johan S.G., Stanley Sujudi, Vincent, Eleazar Marvin, Erwin, P. Bowo. A. O., Hery, Hengky, dan Hans. Penulis berterima kasih atas dukungan moral selama pengerjaan tugas sarjana ini maupun atas kebersamaanya dalam perjuangan melewati masa kuliah selama 4 tahun terakhir ini. 8. Anton Yunius Hutahean yang telah memberikan banyak masukan dalam pengerjaan tugas akhir ini. 9. Teman-teman dari lab hilir PAU ITB : Mas Limbong serta Mbak Indah atas masukan-masukan dan ilmunya mengenai teknologi membran. 10. Staf, teknisi, dan teman-teman di Laboratorium EDC. 11. Teman-teman lain yang tidak dapat disebutkan satu per satu. Penulis berharap tugas sarjana ini dapat memberi manfaat bagi pembaca umumnya. Selain itu, penulis juga berharap agar prototipe havival yang telah dikembangan dalam pengerjaan tugas sarjana ini dapat dikembangkan dan diteliti lebih lanjut agar menjadi sebuah sistem vapor recovery yang sempurna dan siap dipakai pada skala lapangan. Seperti kata pepatah Tiada gading yang tak retak, demikian juga tugas sarjana ini jauh dari sempurna dan memiliki banyak kekurangan. Oleh karena itu, saran dan kritik membangun dari pembaca sangat diharapkan oleh penulis. Bandung, Februari 2008 Penulis ii

7 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR...i DAFTAR ISI...iii DAFTAR GAMBAR...vi DAFTAR TABEL...x BAB I PENDAHULUAN 1.1.Latar Belakang Tujuan Penulisan Ruang Lingkup Masalah Metodologi Pelaksanaan Sistematika Penulisan...5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Bensin Volatile Organic Compound (VOC) Stasiun Pengisian Bahan Bakar (SPBU) Peralatan Peralatan di SPBU Proses Terjadinya Penguapan Bensin Sistem Vapor Recovery yang Telah Dikembangkan Sistem Vapor Recovery Stage I Sistem Vapor Recovery Stage II Membran Klasifikasi Membran Mekanisme Kerja Membran Jenis Jenis Proses Pemisahan Membran Mikrofiltrasi, Ultrafikasi, dan Reverse Osmosis Pervaporasi Gas Separation Karakteristik Perfomansi Membran pada Proses Gas Separation..24 iii

8 2.5.5 Modul Membran Pompa Vakum...28 BAB III PEMILIHAN DAN PENGUJIAN MEMBRAN UNTUK SISTEM VAPOR RECOVERY 3.1 Metodologi Pemilihan dan Pengujian Pemisahan VOC dengan Teknologi Membran Pemilihan Membran yang Hendak Diuji Membran PVDF (polyvinylidene fluoride) Membran PVA (polyvinyl alcohol) Persiapan Peralatan Pengujian Prosedur Pengujian Pengolahan Hasil Pengujian Membran PVDF Analisis Permeabilitas Membran PVDF Analisis Selektivitas Membran PVDF Pengolahan Hasil Pengujian Membran PVA Analisis Permeabilitas Membran PVA Analisis Selektivitas Membran PVA Pemilihan Material Membran...50 BAB IV PENGEMBANGAN DAN PENGUJIAN PROTOTIPE SISTEM VAPOR RECOVERY 4.1 Sistem Peralatan SPBU Konvensional Metodologi Pengembangan dan Pengujian Design Requirement and Objectives Alternatif Pengembangan Sistem Vapor Recovery Perancangan Peralatan pada Sistem Vapor Recovery Perancangan Modul Membran Pemilihan Pompa Vakum Perancangan Casing Pemilihan Check Valve Pembuatan dan Pengujian Prototipe...65 iv

9 4.6.1 Pengujian Alternatif Rancangan Hasil Pengujian Prototipe Alternatif Rancangan Analisis Hasil Pengujian Prototipe Rancangan Pengujian Alternatif Rancangan Hasil Pengujian Prototipe Alternatif Rancangan Pengujian Alternatif Rancangan Hasil Pengujian Prototipe Alternatif Rancangan Analisis Hasil Pengujian Prototipe Alternatif Rancangan Pengambilan Keputusan Rancangan Sistem Vapor Recovery Process Flow Diagram Analisis Keuntungan Ekonomi...85 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Saran...88 DAFTAR PUSTAKA...89 LAMPIRAN A...91 LAMPIRAN B LAMPIRAN C v

10 DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Diagram alir pelaksanaan tugas akhir...4 Gambar 2.1 Peralatan peralatan pada SPBU...8 Gambar 2.2 Titik titik terjadinya penguapan bensin di SPBU...9 Gambar 2.3 Grafik fluktuasi tekanan di tangki timbun...10 Gambar 2.4 Penguapan di fillpot akibat tumpahan bensin...11 Gambar 2.5 Skema sistem vapor recovery tipe koneksi coaxial...12 Gambar 2.6 Skema sistem vapor recovery tipe koneksi dual point...13 Gambar 2.7 Skema sistem vapor recovery tipe koneksi manifolded...13 Gambar 2.8 Foto VAPORSAVER beserta skema cara kerjanya...14 Gambar 2.9 Foto PERMEATOR beserta skema cara kerjanya...15 Gambar 2.10 Selang coaxial pada sistem vapor recovery stage II...15 Gambar 2.11 Gambar dan skema non-booted nozzle...16 Gambar 2.12 Gambar dan skema booted nozzle...16 Gambar 2.13 Proses perpindahan pada membran...17 Gambar 2.14 Contoh membran biologis...17 Gambar 2.15 Contoh membran buatan...18 Gambar 2.16 Gambarn skematik dari membran simetrik dan asimetrik...18 Gambar 2.17 Skema proses membran...19 Gambar 2.18 Perbandingan diameter pori pada reverse osmosis, ultrafikasi, dan mikrofiltrasi...21 Gambar 2.19 Skema proses pemisahan model solution-diffusion...22 Gambar 2.20 Skema umum modul membran...25 Gambar 2.21 Modul membran flat & frame...27 Gambar 2.22 Modul membran spiral wound...27 Gambar 2.23 Modul membran shell & tube...27 Gambar 2.24 Modul membran hollow fiber...28 Gambar 2.25 Skema umum proses pemisahan VOC dengan udara...28 Gambar 2.26 Skema kerja pompa vakum jenis transfer pump...29 Gambar 3.1 Diagram alir pelaksanaan pelaksanaan dan pengujian membran.30 vi

11 Gambar 3.2 Gambar skema membran komposit...31 Gambar 3.3 Struktur umum polimer PVDF...33 Gambar 3.4 Struktur umum polimer PVA...34 Gambar 3.5 Skema model pengujian membran...34 Gambar 3.6 Foto wadah pengumpan...35 Gambar 3.7 Foto wadah umpan...36 Gambar 3.8 Material membran PVDF...36 Gambar 3.9 Proses pemasangan membran pada modul...37 Gambar 3.10 Foto modul membran...37 Gambar 3.11 Foto tabung kondensator beserta es kering...37 Gambar 3.12 Foto pompa vakum...38 Gambar 3.13 Foto pressure gauge digital...38 Gambar 3.14 Set-up pengujian membran...39 Gambar 3.15 Foto wadah bensin...39 Gambar 3.16 Foto sampel bensin cair dan uap bensin...40 Gambar 3.17 Grafik hasil GC bensin cair...41 Gambar 3.18 Grafik hasil GC uap bensin...41 Gambar 3.19 Grafik hasil GC air...42 Gambar 3.20 Foto sampel hasil pengujian membran PVDF...43 Gambar 3.21Grafik hasil GC permeat membran PVDF...45 Gambar 3.22 Grafik hasil GC retentat membran PVDF...45 Gambar 3.23 Perbandingan hasil pengujian membran PVDF dengan uap bensin...46 Gambar 3.24 Sampel hasil pengujian membran PVA...47 Gambar 3.25 Grafik hasil GC permeat membran PVA...49 Gambar 3.26 Perbandingan hasil pengujian membran PVA dengan uap bensin...49 Gambar 4.1 Skema peralatan di SPBU pada umumnya...52 Gambar 4.2 Diagram alir pengembangan dan pengujian prototipe...53 Gambar 4.3 Skema Alternatif Rancangan Gambar 4.4 Skema Alternatif Rancangan Gambar 4.5 Skema Alternatif Rancangan vii

12 Gambar 4.6 Skema aliran pada hollow fiber...58 Gambar 4.7 Pemodelan modul membran...60 Gambar 4.8 Foto pompa vakum pada sistem vapor recovery...62 Gambar 4.9 Foto prototipe casing...63 Gambar 4.10 Skema spesifikasi check valve...64 Gambar 4.11 Foto check valve...65 Gambar 4.12 Skema pengujian prototipe alternatif rancangan Gambar 4.13 Foto set-up pengujian prototipe alternatif rancangan Gambar 4.14 Foto bagian dalam casing alternatif rancangan Gambar 4.15 Foto wadah bensin beserta magnetic stirrer dan termometer...67 Gambar 4.16 Foto tabung kondensator beserta es kering...68 Gambar 4.17 Foto hasil pengujian prototipe alternatif rancangan Gambar 4.18 Grafik temperatur pengujian vs efisiensi sistem prototipe alternatif rancangan Gambar 4.19 Grafik efisiensi sistem vs debit penguapan prototipe alternatif rancangan Gambar 4.20 Grafik temperatur pengujian vs volume penguapan prototipe alternatif rancangan Gambar 4.21 Grafik nomor pengujian vs volume penguapan prototipe alternatif rancangan Gambar 4.22 Skema pengujian prototipe alternatif rancangan Gambar 4.23 Foto set-up pengujian prototipe alternatif rancangan Gambar 4.24 Foto sistem perpipaan alternatif rancangan Gambar 4.25 Skema pengujian prototipe alternatif rancangan Gambar 4.26 Foto set-up pengujian prototipe alternatif rancangan Gambar 4.27 Foto bagian dalam casing alternatif rancangan Gambar 4.28 Foto kerusakan pada tabung kondensator...76 Gambar 4.29 Foto pompa vakum pada pengujian prototipe alternatif rancangan Gambar 4.30 Foto set-up baru pengujian prototipe alternatif rancangan Gambar 4.31 Foto hasil pengujian prototipe alternatif rancangan viii

13 Gambar 4.32 Grafik efisiensi sistem vs temperatur pengujian prototipe alternatif rancangan Gambar 4.33 Grafik efisiensi sistem vs debit penguapan prototipe alternatif rancangan Gambar 4.34 Grafik nomor pengujian vs temperatur volume penguapan prototipe alternatif rancangan Gambar 4.35 Grafik temperatur pengujian vs volume penguapan prototipe alternatif rancangan Gambar 4.36 Process flow diagram dari sistem vapor recovery Havival...84 ix

14 DAFTAR TABEL Tabel 1.1 Kerugian Ekonomi Akibat Penguapan Tanpa Kendali...2 Tabel 2.1 Komposisi Bensin...7 Tabel 2.2 Jenis jenis proses pemisahan membran berdasarkan driving force20 Tabel 2.3 Perbandingan jenis modul membran dari beberapa aspek...26 Tabel 3.1 Konsentrasi Komponen Hasil GC dari Air...43 Tabel 3.2 Hasil Pengujian Membran PVDF...43 Tabel 3.3 Kandungan Air dan Hidrokarbon pada Sampel Membran PVDF...46 Tabel 3.4 Hasil Pengujian Membran PVA...47 Tabel 3.5 Kandungan Air dan Hidrokarbon pada Sampel Membran PVA...50 Tabel 3.6 Hasil Analisis Pengujian Membran PVDFdan PVA...50 Tabel 3.7 Tabel Keputusan Pemilihan Material Membran...51 Tabel 4.1 Luas Area per Volume Terhadap Radius Tube dari Hollow Fiber...59 Tabel 4.2 Spesifikasi Pompa Vakum pada Sistem Vapor Recovery Havival.63 Tabel 4.3 Spesifikasi Material Check Valve...64 Tabel 4.4 Spesifikasi Dimensi Check Valve...64 Tabel 4.5 Hasil Pengujian Pertama Prototipe Alternatif Perancangan Tabel 4.6 Perhitungan Analisis Hasil Pengujian Prototipe Alternatif Rancangan Tabel 4.7 Spesifikasi Pompa Vakum Pengujian Prototipe Alternatif Rancangan Tabel 4.8 Hasil Pengujian Pertama Prototipe Alternatif Perancangan Tabel 4.9 Perhitungan Analisis Hasil Pengujian Prototipe Alternatif Rancangan Tabel 4.10 Pengambilan Keputusan Perancangan Sistem Vapor Recovery Havival...83 x