BAB IV PENGEMBANGAN DAN PENGUJIAN PROTOTIPE SISTEM VAPOR RECOVERY

Transkripsi

1 BAB IV PENGEMBANGAN DAN PENGUJIAN PROTOTIPE SISTEM VAPOR RECOVERY 4.1 Sistem Peralatan SPBU Konvensional Berikut merupakan skema peralatan peralatan yang terdapat di SPBU pada umumnya: Gambar 4.1 Skema peralatan di SPBU pada umumnya [] Keterangan: 1. Mobil tangki BBM untuk proses pengisian bensin ke dalam tangki timbun. Strainer &. Tangki timbun SPBU 4. Pompa submersible untuk pengisapan BBM 5. Check valve 6. Strainer kecil 7. Flow meter 8. Digital dispenser 9. Selang dan nozzle untuk dispensing ke mobil konsumen 10. Mobil konsumen penerima BBM 11. PV Valve Seperti yang telah dijelaskan pada subbab.., terjadi penguapan bensin pada beberapa titik di peralatan-peralatan SPBU tersebut. Pengembangan sistem vapor recovery Havival kali ini akan dikhususkan pada penguapan bensin yang terjadi pada PV Valve. 5

2 4. Metodologi Pengembangan dan Pengujian Metodologi yang akan dilakukan untuk melakukan pengembangan dan pengujian dari sistem vapor recovery Havival dapat dilihat pada diagram alir sebagai berikut: Mulai Penentuan Design Requirement & Objectives Pengembangan Alternatif Rancangan Analisis Hasil Pengujian Prototipe Sistem Vapor Recovery Pembuatan dan Pengujian Prototipe Alternatif Rancangan Perancangan Peralatan Prototipe Sistem Vapor Recovery Pengambilan Keputusan Rancangan Sistem Vapor Recovery Pembuatan Process Flow Diagram dan Modeling Sistem Vapor Recovery Selesai Gambar 4. Diagram alir pengembangan dan pengujian sistem vapor recovery Havival 4. Design Requirement and Objectives Sebelum menentukan alternatif perancangan sistem vapor recovery Havival yang hendak dikembangkan, perlu ditentukan terlebih dahulu kriteria yang harus dipenuhi (MUST) dan kriteria yang diinginkan (WISH). Kriteria tersebut perlu ditentukan terlebih dahulu agar alternatif rancangan yang dihasilkan dapat mencapai tujuan yang optimal. Kriteria kriteria tersebut antara lain: MUST: o Mencegah terjadinya emisi VOC (volatile organic compound) ke lingkungan sekitar. o Menekan penguapan bensin yang terjadi secara significant. o Tidak memerlukan penggantian peralatan yang ada atau hanya perlu dilakukan sedikit modifikasi. o Tidak mengganggu proses unloading maupun loading di SPBU. WISH: o Tidak terlalu besar dan berat. 5

3 o Pengoperasian mudah. o Perawatan mudah. o Bentuk menarik dan sederhana. o Biaya peralatan sistem dapat terjangkau. 4.4 Alternatif Pengembangan Sistem Vapor Recovery Havival Sistem vapor recovery yang hendak dirancang akan menggunakan teknologi membran. Alternatif perancangan desain prototipe awalnya berupa pengembangan dari sistem vapor recovery tipe modul membran yang telah beredar di pasar luar negeri, yaitu PERMEATOR dari perusahaan Arid Technologies, Inc [7] dan VAPORSAVER dari perusahaan Denaro. CO [14], LTD. Kedua produk sistem vapor recovery tersebut telah disebutkan dan dijelaskan pada subbab.4.1. Berikut beberapa alternatif desain sistem yang telah dikembangkan: Alternatif Rancangan 1 Gambar 4. Skema alternatif rancangan 1 Alternatif rancangan 1 ini menggunakan modul membran sebagai agen pemisah antara uap bensin dengan udara dan memanfaatkan pompa vakum sebagai penghasil driving force berupa perbedaan tekanan agar terjadi proses separasi. Campuran uap bensin dan udara yang terdorong keluar dari PV Valve pada saat proses unloading diatur oleh check valve 1,, dan sehingga arah alirannya hanya 54

4 akan menuju ke dalam masukan sistem saja. Selanjutnya modul membran akan memisahkan uap bensin dan udara tersebut. Udara yang telah bersih dari uap bensin akan dikeluarkan menuju lingkungan sekitar. Sedangkan uap bensin yang telah bersih dari udara akan ditarik oleh pompa vakum dan didorong menuju tangki timbun kembali. Check valve berfungsi untuk memasukkan udara luar untuk menstabilkan tekanan pada saat terjadi tekanan negatif di dalam tangki timbun. Alternatif Rancangan Gambar 4.4 Skema alternatif rancangan Alternatif rancangan ini merupakan pengembangan dari alternatif rancangan 1 untuk mengurangi modifikasi yang perlu dilakukan pada saat proses pemasangan sistem di lapangan. Konsep dasarnya adalah menggunakan check valve untuk mengatur arah aliran uap bensin agar saluran keluar dari tangki timbun dapat digunakan sebagai saluran masukan juga. Pada saat tekanan di dalam tangki timbun positif, maka campuran uap bensin akan terdorong keluar dari tangki timbun dan arah alirannya akan masuk ke dalam sistem. Sedangkan pada saat tekanan di dalam tangki timbun negatif, maka uap bensin yang telah bersih dari udara akan terdorong keluar dari sistem dan masuk ke dalam tangki timbun. 55

5 Alternatif Rancangan Gambar 4.5 Skema alternatif rancangan Alternatif rancangan ini juga merupakan pengembangan dari alternatif rancangan 1. Konsep dasarnya adalah dengan menukar antara letak modul membran dengan pompa vakum. Dengan begitu pompa vakum akan menarik campuran uap bensin dengan udara dan mendorongnya masuk ke dalam modul membran. Selanjutnya modul membran akan memisahkan antara uap bensin dengan udara, di mana udara akan dikeluarkan menuju ke lingkungan dan uap bensin dialirkan kembali ke dalam tangki timbun. Diharapkan dengan konfigurasi ini dapat meningkatkan efisiensi sistem. Untuk menentukan rancangan sistem vapor recovery Havival yang memiliki kinerja paling baik maupun efisiensi yang paling tinggi, selanjutnya akan dilakukan pengujian prototitipe ketiga alternatif perancangan tersebut dalam skala laboratorium. 4.5 Perancangan Peralatan pada Sistem Vapor Recovery Seperti yang dapat dilihat pada gambar 4., gambar 4.4, maupun gambar 4.5, semua rancangan sistem vapor recovery Havival tersebut terdiri dari beberapa peralatan utama yang sama. Peralatan peralatan utama tersebut terdiri 56

6 dari modul membran, pompa vakum, casing, serta check valve. Untuk itu, perlu dilakukan perancangan ataupun pemilihan dari setiap peralatan yang disesuaikan dengan kondisi pengoperasian sistem di lapangan. Untuk peralatan pendukung berupa pipa, dipilih pipa carbon steel dengan diameter 1 inch dan schedule standar. Pipa dengan diameter 1 inch tersebut dipilih karena disesuaikan dengan pipa dari saluran masuk dan keluar pada tangki timbun Perancangan Modul Memban Dari pengujian material membran pada skala laboratorium yang telah dijelaskan pada bab III, telah diambil kesimpulan bahwa material membran PVA sesuai untuk digunakan pada aplikasi sistem vapor recovery Havival karena memiliki selektivitas yang baik. Untuk itu, selanjutnya perlu dirancang modul membran yang sesuai untuk mengemas area membran ke dalamnya. Pada subbab., telah dilakukan studi literatur sebuah thesis dengan judul Separasi VOC dari Nitrogen oleh Membran Komposit Hollow Fiber yang disusun oleh Yujing Liu dari Universitas Waterloo di Kanada pada tahun 00. Dari studi literatur tersebut dapat ditarik kesimpulan bahwa modul membran jenis hollow fiber cocok dan efektif untuk menseparasi beberapa komponen VOC dari uap bensin. Alasan lainnya modul membran jenis hollow fiber tersebut dipilih juga karena beberapa keunggulan yang dimilikinya seperti packing density yang sangat tinggi, manajemen fluida yang baik, serta kemudahan pencuciannya. Hollow fiber dapat memiliki packing density yang sangat tinggi karena tersusun oleh fiber-fiber yang amat tipis. Masing-masing fiber memiliki struktur seperti pipa di mana aliran umpan masuk melalui bagian dalam pipa dan aliran permeate keluar melewati dinding-dinding pipa seperti terlihat pada gambar 4.7 di bawah. 57

7 Gambar 4.6 Skema aliran pada hollow fiber [0] Setelah menentukan jenis modul membran yang hendak digunakan, langkah selanjutnya adalah merancang dimensi yang sesuai dengan kondisi pengoperasian di lapangan. Dari survey lapangan yang dilakukan pada SPBU Wastukencana di Bandung, didapatkan bahwa proses unloading (pengisian bensin dari mobil tangki ke tangki timbun) sebanyak 8000 liter memerlukan waktu selama 15 menit. Dari data tersebut maka dapat dihitung debit (Q) dari bensin cair yang terjadi: Q ben sin 8000 L = 15menit 1m x 1000 L x 60 menit 1 jam (4.1) = m jam Diketahui massa jenis dari bensin sebesar.6 kg/m [11], maka laju aliran massa ( m& ) dari bensin dapat diketahui: m& bensin = ρ bensin kg =.6 m x Q bensin m x jam = 115. kg jam (4.) Dengan menerapkan hukum kesetimbangan massa pada tangki timbun, maka didapatkan laju aliran massa uap bensin yang keluar dari tangki timbun: m& masuk = m& keluar m& bensin cair = m& uap ben sin (4.) m& uap bensin = 115. kg jam 58

8 Selanjutnya, dengan menggunakan nilai fluks (Q) dari material membran jenis PVA sebesar 5.64 kg/m.jam yang didapat dari hasil perhitungan pada subbab.7.1, maka dapat ditentukan luas area membran (A) yang dibutuhkan: m A = & uap bensin Q 115. kg jam = (4.4) 5.64 kg m jam = 1.5m Tabel 4.1 Luas Area per Volume Terhadap Radius Tube dari Hollow Fiber [16] No Radius tube (mm) Luas area per volume (m²/m³) Tabel di atas merupakan daftar beberapa luas area per volume dari hollow fiber terhadap radius tubenya. Dengan menentukan radius tube yang akan digunakan sebesar 0.5 mm, maka didapatkan luas area per volume sebesar 600 m²/m³. Maka, dari data tersebut dapat ditentukan volume dari modul membran yang diperlukan: V A V m m = = = x 10 A V 1.5m V m 6 x 10 m (4.5) Dari data yang didapatkan melalui website dari Koch Membrane Systems, Inc [0], diketahui bahwa diameter standar untuk commercial cartridge adalah sebesar inch, 5 inch, 8 inch, dan 10 inch. Sedangkan panjang standar untuk commercial cartridge adalah sebesar 5 inch, 4 inch, 48 inch, 60 inch, dan 7 inch. Karena salah satu kriteria dari perancangan sistem vapor recovery adalah tidak terlalu berat dan besar, maka dipilih panjang standar yang paling kecil untuk modul membran hollow fiber yaitu 5 inch (0.6 m). 59

9 Setelah mendapatkan panjang modul yang akan digunakan, maka selanjutnya dapat ditentukan diameter yang diperlukan: πd V = 4 L 4V D = πl (4.6) 4.6 x 10 m = π x 0.65 m = 0.11 m Berikut gambar pemodelan modul membran jenis hollow fiber beserta dimensinya: L = 0.65 m Gambar 4.7 Pemodelan modul membran D = 0.11 m Pemilihan Pompa Vakum Pemilihan pompa vakum berdasarkan pada dua parameter, yaitu kapasitas pompa serta daya pompa. Kedua parameter tersebut harus memadai terhadap kondisi pengoperasian sistem di lapangan agar pompa vakum dapat bekerja secara optimal. Pemilihan kapasitas pompa yang memadai dihitung berdasarkan pada debit fluida yang perlu ditarik oleh pompa vakum. Dalam hal ini, debit fluida yang perlu untuk ditarik adalah debit fluida pada bagian permeat dari modul membran. Untuk menghitung besarnya debit pada bagian permeat tersebut dapat digunakan persamaan: Q fluida Q pompa = (4.7) x permeat 60

10 Di mana: Q pompa = kapasitas pompa minimum yang diperlukan (cfm) Q fluida = debit uap bensin masukan modul membran = m /jam X permeat = perbandingan stoikiometri massa mol udara terhadap bensin = 14.7 Maka didapat: Q pompa m / = 14.7 jam = 1.8 cfm 1 cfm x m 1.70 / jam (4.8) Selanjutnya, untuk menghitung daya pompa yang diperlukan dapat digunakan persamaan sebagai berikut [16] : nrt Pl E = ln η P h Di mana: E = daya pompa (W) n = laju mol ( mol / s ) R = konstanta universal gas = 8.14 J/m.k T = temperatur (K) P h = inlet pressure (bar) P l = outlet pressure (bar) η = effisiensi pompa (4.9) Beberapa asumsi yang digunakan untuk persamaan di atas: - Aliran berupa steady state flow. - Debit aliran konstan. - Massa jenis uap BBM sepanjang aliran konstan. - Gesekan pada dinding-dinding pipa diabaikan. - Efisiensi pompa sebesar 90%. - Pompa beroperasi pada temperatur 5 0 C = 98 K - Inlet pressure sama dengan tekanan terbesar yang terjadi di dalam tangki timbun yaitu sebesar 700 Pa. 61

11 - Outlet pressure sama dengan tekanan udara lingkungan yaitu sebesar 1 atm = 10 5 Pa. Untuk parameter laju mol (n) yang belum diketahui, dapat dihitung menggunakan persamaan berikut [16] : Di mana: Q. ρ n = (4.10) X. Mr Q = debit uap bensin = m /jam Ρ = massa jenis bensin =.6 kg/m [11] X permeat = perbandingan stoikiometri massa mol udara terhadap bensin = 14.7 Mr = berat molekul bensin = 105 gr/mol [11] Maka didapatkan: m. x.6 kg jam n = m 14.7 x 105 gr mol = mol s x 1 jam 600 s 1000 g x 1 kg (4.11) Setelah didapatkan besarnya laju mol yang terjadi, maka dapat dihitung besarnya pompa vakum yang diperlukan: mol x 8.14 J x 98 K 5 s m K 10 Pa E =. ln Pa (4.1) = 8.75Watt Berikut foto pompa vakum yang telah dipilih berdasarkan kapasitas dan daya yang diperlukan beserta spesifikasinya: 6

12 Gambar 4.8 Foto pompa vakum pada sistem vapor recovery Havival Tabel 4. Spesifikasi Pompa Vakum pada Sistem Vapor Recovery Havival Power Supply 0V / 50 Hz Pumping Rate cfm Limited Pressure 0.5 Pa Rotating Speed 1440 r/min Power 70 W Outer Figure 7.5 x 1 x 55 mm Weight 1 kg Perancangan Casing Fungsi dari casing adalah untuk melindungi peralatan yang berada di dalamnya, yaitu modul membran serta pompa vakum, dari lingkungan sekitar yang dapat mengotori maupun merusak. Selain itu, fungsi lainnya dari casing adalah agar sistem dapat terlihat lebih ringkas, padat, dan menarik. Karena itu, kriteria yang digunakan sebagai dasar perancangan casing adalah dimensinya yang disesuaikan dengan ukuran peralatan, material yang dapat melindungi dari lingkungan sekitar, serta bentuknya yang sederhana. Dimensi dari casing ditentukan berbentuk balok dengan ukuran 500 x 500 x 800 mm. Gaya gaya yang terjadi pada casing antara lain gaya akibat berat pipa, pompa vakum, dan modul membran. Untuk itu, dipilih carbon steel sebagai material casing. Pada kasus ini tidak dilakukan analisis tegangan karena tegangan yang ditimbulkan oleh gaya gaya yang terjadi dapat diabaikan. Pada sisi - sisi casing terdapat tiga saluran penghubung yang berfungsi sebagai saluran masukan, saluran keluaran dari permet, serta saluran keluaran dari retentat. Casing juga 6

13 dilengkapi dengan pintu pada salah satu sisinya agar dapat dilakukan maintenance pada modul membran dan pompa vakum. Berikut foto dari prototipe casing: Gambar 4.9 Foto prototipe casing pada sistem vapor recovery Havival Pemilihan Check Valve Agar kriteria perancangan sistem yang murah, tidak terlalu berat dan besar serta perawatan yang mudah dapat terpenuhi, perlu dipilih check valve yang sederhana dan terjangkau. Untuk itu, dipilih check valve dengan sistem kerja menggunakan pegas dan terbuat dari material kuningan. Berikut skema spesifikasi dimensi, material serta foto dari check valve yang telah dipilih: Gambar 4.10 Skema spesifikasi check valve Tabel 4. Spesifikasi Material Check Valve No Part Description Material Qty 1 Body Brass 1 End Cap Nylon 1 Stem-seat Nylon 1 4 Seat Brass 1 5 Stainless steel spring Steel 18/8 1 64

14 Tabel 4.4 Spesifikasi Dimensi Check Valve D (inch) 1 A (mm) 56 B (mm) 48 PN (Kg/cm ) 1 Gambar 4.11 Foto check valve 4.6 Pembuatan dan Pengujian Prototipe Setelah melakukan perancangan maupun, langkah selanjutnya yang dilakukan adalah membuat prototipe dari setiap alternatif rancangan sistem vapor recovery Havival tersebut dan mengujinya pada skala laboratorium. Seperti yang telah disebutkan pada subbab 4.4, tujuan dari pengujian tersebut adalah untuk mengetahui kinerja serta efisiensi dari setiap sistem. Perlu diingat bahwa pengujian dilakukan pada skala laboratorium sehingga aliran debit uap bensin yang akan ditangkap tidak sebesar yang terjadi pada kondisi lapangan. Karena itu pada setiap prototipe sistem vapor recovery Havival tersebut masih menggunakan modul membran tipe flat and frame Pengujian Alternatif Rancangan 1 rancangan 1: Berikut gambar skema dari model pengujian prototipe alternatif 65

15 5c 5b 7 5a 6 4a 4b 4c 1 Keterangan: 1. Magnetic Stirrer. Wadah Bensin. Termometer 4. Tabung Kondensator Permeat 5. Check Valve 6. Pompa Vakum 7. Modul Membran Gambar 4.1 Skema pengujian prototipe alternatif rancangan 1 Pada pengujian ini, wadah bensin diletakkan di atas magnetic stirrer yang dilengkapi dengan heater. Magnetic stirrer tersebut berfungsi untuk mengaduk sekaligus memanaskan bensin yang berada di dalam wadah bensin. Dengan begitu, diharapkan dapat dihasilkan campuran uap bensin dan udara yang banyak. Pada wadah bensin juga dilengkapi dengan termometer untuk mengamati temperatur bensin agar tidak sampai melewati temperatur nyala. Selanjutnya, campuran uap bensin dan udara akan melewati check valve dan masuk ke dalam sistem. Aliran permeat berupa uap bensin yang telah diseparasi dari udara ditarik dari modul membran dan didorong kembali ke dalam wadah bensin. Sebelum dikembalikan, aliran permeat tersebut dilewatkan pada tiga tabung kondensator secara berturut-turut agar uap bensin yang di-recover dapat dilihat secara langsung dan dianalisis lebih lanjut. Ketiga tabung kondensator tersebut menggunakan es kering sebagai media pendingin. Sedangkan aliran retentat yang diasumsikan berupa udara yang telah bersih dari uap bensin tidak ditangkap menggunakan tabung kondensator, melainkan langsung dilepaskan keluar dari sistem. Asumsi tersebut diambil berdasarkan hasil pengujian membran PVA pada subbab.7. Berikut prosedur yang perlu dilakukan dalam melakukan pengujian: a. Memastikan seluruh sistem pengujian berada dalam keadaan tertutup agar dapat dicapai keadaan vakum yang diperlukan sebagai driving force untuk 66

16 proses separasi pada membran. Keadaan tertutup tersebut dicapai dengan cara menyegel semua sambungan yang ada menggunakan selotip silikon. b. Menyalakan pengaduk beserta pemanasnya pada magnetic stirrer. c. Menyalakan pompa vakum untuk menghasilkan keadaan vakum. Apabila dilihat terdapat kebocoran pada sistem maka langkah (a) dapat diulang. d. Mencatat data pengujian berupa tinggi bensin pada wadah bensin dan temperatur bensin pada selang waktu tertentu, serta volume uap bensin hasil kondensasi. e. Apabila pada saat pengujian temperatur bensin di dalam wadah bensin dirasa sudah cukup tinggi, maka pemanas pada magnetic stirrer dapat dimatikan Hasil Pengujian Prototipe Alternatif Rancangan 1 Berikut foto foto dari set-up pengujian prototipe alternatif rancangan 1: Gambar 4.1 Foto set-up pengujian prototipe alternatif rancangan 1 Gambar 4.14 Foto bagian dalam casing alternatif rancangan 1 67

17 Gambar 4.15 Foto wadah bensin beserta magnetic stirrer dan termometer Gambar 4.16 Foto tabung kondensator beserta es kering Pengujian prototipe tersebut dilakukan selama 0-60 menit dengan pencatatan data dilakukan setiap selang waktu 5 menit. Pengujian dilakukan sebanyak enam kali dengan lamanya percobaan serta temperatur yang bervariasi. Contoh hasil pengujian pertama ditunjukkan pada tabel berikut: 68

18 Tabel 4.5 Hasil Pengujian Pertama Prototipe Alternatif Rancangan 1 Nomor Waktu Tinggi Tabung Temperatur Volume Permeate Pengujian (Menit) (cm) ( o C) (ml) Δt total T rata - rata Gambar 4.17 Foto hasil pengujian prototipe alternatif rancangan 1 Data hasil pengujian kedua hingga keenam dapat dilihat pada lampiran B Analisis Hasil Pengujian Prototipe Alternatif Rancangan 1 Seperti yang telah disebutkan pada subbab 4.4, salah satu dari tujuan pengujian ini adalah untuk mengetahui efisiensi dari prototipe sistem vapor recovery Havival yang telah dirancang. Efisiensi tersebut dinyatakan sebagai persentase perbandingan antara volume uap bensin yang di-recovery yaitu volume 69

19 uap bensin yang tertangkap pada permeat dengan volume bensin yang menguap keluar dari wadah bensin. Diketahui diameter wadah bensin sebesar 15 cm, maka volume bensin yang menguap keluar dari wadah bensin dapat dihitung menggunakan persamaan: V penguapan π =.. D. Δt total 4 π = x (15cm) 4 = 477.1mL x.7 cm (4.1) Setelah didapatkan volume bensin yang menguap, maka selanjutnya efisiensi sistem dapat dihitung menggunakan persamaan: V permeate Efisiensi Sistem = V penguapan 178mL = 477.1mL = 7.1% x 100% (4.14) Data hasil pengujian kedua hingga keenam dianalisis menggunakan prosedur perhitungan yang sama. Berikut tabel hasil perhitungan seluruh pengujian: Tabel 4.6 Perhitungan Analisis Hasil Pengujian Prototipe Alternatif Rancangan 1 Nomor Temperatur Volume Volume Debit Efisiensi Pengujian Pengujian ( 0 C) Permeat (ml) Penguapan (ml) Penguapan (ml/s) Sistem (%) Rata - Rata

20 Gambar 4.18 Grafik temperatur pengujian vs efisiensi sistem prototipe alternatif rancangan 1 Grafik pada gambar 4.18 menunjukkan hubungan antara temperatur pengujian terhadap efisiensi sistem. Trendline pada grafik tersebut menunjukkan bahwa efisiensi sistem menurun seiring dengan kenaikan temperatur operasi. Maka, dari grafik tersebut dapat ditarik kesimpulan bahwa sistem akan bekerja lebih baik pada temperatur operasi yang rendah. Gambar 4.19 Grafik efisiensi sistem vs debit penguapan prototipe alternatif rancangan 1 Grafik pada gambar 4.19 menunjukkan hubungan antara debit penguapan terhadap efisiensi sistem. Trendline pada grafik tersebut menunjukkan bahwa 71