PROSIDING SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2004 ISSN : 1411-4216 SIMULASI PROSES REFRIJERASI DENGAN KOMPRESI SATU TAHAP DAN LEBIH Jhan Utm Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknlgi Industri UNPAR Jl. Ciumbuleuit N. 94, Bandung-40141, Indnesia Telp. (022) 2032340 E mail : j_utm@hme.unpar.ac.id Abstrak Penguasaan terhadap prgram simulasi khususnya di bidang teknik kimia menjadi hal yang abslut, karena persalan yang aktual pasti memiliki kmpleksivitas yang sangat tinggi dan membutuhkan analisis yang kuat. Makalah ini dibuat dengan tujuan untuk memperdalam pemahaman tentang analisis suatu prses refrijerasi mekanik, memberikan pertimbangan teknis tentang kelayakan prses tersebut jika ditinjau dari penggunaan energi dan meningkatkan sense f engineering dari mahasiswa peserta kuliah. Studi kasus terhadap prses refrijerasi menggunakan refrijeran prpana murni. Prses kmpresi yang dilakukan adalah kmpresi satu, dua dan tiga tahap. Beban refrijerasi yang dihendaki telah dispesifikasi sebesar 1,45 MMBtu/hr. Yang hendak dipelajari adalah pengaruh dari jumlah tahap kmpresi, temperatur kndensasi, dan temperatur evaprasi terhadap daya kmpresr (kw), beban kndensr (kj/jam) dan laju alir refrijeran (kgml/jam) yang diperlukan. Dengan semakin rendahnya temperatur evaprasi maka laju alir refrijeran yang diperlukan akan semakin besar, begitu pula dengan daya kmpresr dan beban kndensr yang diperlukan. Pengunaan kmpresi yang lebih dari satu tahap akan mengurangi beban kmpresr dan beban kndensr. Kata kunci : refrijerasi, tahap, daya kmpresr, beban kndensr, jumlah refrijeran Pendahuluan Perkembangan pendidikan dan penelitian di bidang teknik kimia mengalami perkembangan pesat dalam 30-40 tahun terakhir ini seriring dengan perkembangan sarana kmputasi untuk melakukan perhitungan yang kmpleks dalam waktu yang singkat. Dunia industri juga mengalami perubahan yang amat pesat, teknik perasi dan kntrl dapat dilakukan bahkan dari jarak yang tak terbatas dari pabrik yang berperasi (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 prses kimia. Penguasaan kemampuan kmputasi menjadi tidak mutlak lagi, karena yang diperlukan adalah serang sarjana yang mampu melakukan analisis yang tepat, menggunakan intuisi, pengetahuan dan pengalaman untuk mengambil keputusan di saat kndisi yang tidak menguntungkan sekalipun. Kempuan kmputasi sudah dapat digantikan dengan bantuan kmputer leh karena itu penguasaan terhadap prgram simulasi menjadi hal yang abslut. Hal ini dikarenakan persalan yang aktual pasti memiliki kmpleksivitas yang sangat tinggi. Hampir tidak mungkin diselesaikan dengan waktu yang amat terbatas. Untuk menggunakan prgram simulasi prses tersebut, diperlukan dasar-dasar ilmu teknik kimia yang cukup seperti, termdinamika, teknik reaksi kimia, mekanika fluida, perpindahan panas, perpindahan massa dan lain-lain. Pada makalah ini akan diuraikan sebuah kasus prses di teknik kimia yang memerlukan gabungan dasar ilmu di atas. Uraian ini dibuat sebagai bahan lanjutan dari materi kuliah guna memperdalam pemahaman tentang prses tersebut dan meningkatkan sense f engineering dari mahasiswa peserta kuliah. Refrijerasi mekanik didefinisikan sebagai prses untuk menurunkan temperatur suatu sistem di bawah temperatur lingkungannya (Perry, 1984). Prses refrigrasi yang membutuhkan daya absrpsi panas yang kntinu dilakukan leh cairan refrijeran yang terevaprasi pada temperatur rendah. Uap yang terbentuk biasanya dikembalikan ke keadaan awal dengan cara dikmpresi dan kemudian dikndensasikan atau dengan cara diabsrp leh cairan lain yang memiliki vlatilitas yang rendah dan kemudian cairan tersebut dievaprasi pada temperatur yang lebih tinggi (Annim, 1987). Prses refrijerasi biasanya lebih dikenal karena aplikasinya dalam prses air cnditining, pengawetan makanan dan minuman sampai pada industri kimia berskala besar seperti dehidrasi gas (Branan, 1994). Aplikasi yang lebih khusus lagi yaitu pada industri A-3-1
petrleum yaitu prses lubricating-il purificatin, reaksi-reaksi pada temperatur rendah dan pemisahan senyawa hidrkarbn ringan. Pada industri penglahan gas alam, refrijeran yang biasa digunakan adalah prpana dan etana, pada industri berbasiskan lefin kemungkinan refrijeran yang sering digunakan adalah etilen dan prpilen (Annim, 1987). Simulasi Prses Pada prses yang akan dipelajari akan dilakukan simulasi menggunakan paket prgram simulatr yang telah tersedia. Sistem refrigerasi yang akan disimulasikan antara lain terdiri dari kmpresr, kndensr, evapratr, katup ekspansi, mixer dan flash tank. Kmpresi yang dilakukan divariasikan menjadi kmpresi tahap tunggal, 2 tahap dan 3 tahap. Sebelum dilakukan simulasi, derajat kebebasan (DOF) untuk seluruh rangkaian prses dan/atau masing masing unit perasi harus bernilai nl. Jika DOF lebih besar dari nl, prses tersebut masih memerlukan 1 buah spesifikasi agar sistem dapat dipertelakan dengan lengkap. Sebaliknya jika DOF kurang dari nl, maka sistem kelebihan pertelaan atau kelebihan spesifikasi. Derajat kebebasan untuk prses yang akan dipelajari harus bernilai nl yang menandakan sistem telah dipertelakan dengan baik dan dan dapat diselesaikan. Untuk kmpresi satu tahap, variabel yang dispesifikasi adalah fraksi uap dan temperatur pada keluaran kndensr dan keluaran evapratr atau chiller. Untuk kmpresi dua tahap ditambah 1 spesifikasi tekanan pada masukan kmpresr kedua, dan untuk kmpresi tiga tahap ditambah 2 spesifikasi tekanan. Variabel yang akan dipelajari adalah kerja atau daya yang dibutuhkan kmpresr (Q-Cmpressr), beban panas yang harus dikeluarkan leh kndensr (Q-Cnd) dan laju alir mlar refrijeran prpana yang dibutuhkan. Untuk kmpresi tahap tunggal variabel yang divariasikan adalah temperatur kndensasi (T 1 ) berkisar dari 15 C 60 C dan temperatur evaprasi (T 3 ) yang berkisar -40 C 60 C. Pada saat T 1 atau T 3 divariasikan maka T 3 atau T 1 dijaga pada nilai knstan sebesar -40 C dan 60 C. Untuk kmpresi 2 tahap dan 3 tahap, temperatur kndensasi dan evaprasi dijaga knstan sebesar 60 C dan -40 C. Beban evapratr sudah dispesifikasi sebesar 1,45 MMBtu/jam. Temperatur kndensasi (T 1 ) dan temperatur evaprasi (T 3 ) juga merupakan variabel bebas yang dispesifikasi. Fraksi uap pada alur keluaran kndensr dan pada keluaran evapratr dispesifikasi bernilai 0 dan 1 secara berurutan. Studi Kasus Gambar 1. Prses Refrijerasi Campuran Gas Campuran gas metana, etana, prpana dan fraksi hidrkarbn yang lebih tinggi ditambah dengan pengtr lainnya hendak direfrijerasi menggunakan sistem kmpresi-ekspansi seperti pada gambar 2, 3 dan 4 di bawah ini. Kmpresi yang dilakukan pada lup refrijerasi adalah kmpresi 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 bleh lebih dari -15 C pada tekanan 6000 kpa. A-3-2
Siklus Refrijerasi Satu Tahap Perubahan pada temperatur kndensasi akan mengakibatkan jumlah panas yang perlu disingkirkan pada pada kndensr akan semakin berkurang. Hal ini dikarenakan semakin berkurangnya temperatur kndensasi (T 1) akan menyebabkan nilai H V 4 akan semakin kecil dan beda entalpinya juga akan semakin kecil. Hal juga ini akan meyebabkan jumlah energi yang perlu dipask leh kmpresr untuk meningkatkan dari H v 3 menjadi H V 4 akan semakin kecil pula karena nilai H V 4 semakin kecil. Penurunan temperatur kndensasi dari 60 C hingga 15 C akan menyebabkan daya kmpresr berkurang dari sekitar 498,2 kw 6 6 hingga 166,2 kw dan beban kndensr berkurang dari 3,244.10 kj/jam menjadi 2,048.10 kj/jam. Gambar 2. Siklus Refrijerasi Satu Tahap Gambar 3. Siklus Refrijerasi DuaTahap Gambar 4. Siklus Refrijerasi Tiga Tahap A-3-3
Semakin tinggi temperatur evaprasi berarti akan semakin sedikit jumlah fraksi uap yang terbentuk pada alur 2. Hal ini berarti jumlah entalpi HV 4 akan semakin kecil dan mengakibatkan jumlah daya kmpresr dan jumlah panas yang harus dikeluarkan leh kndensr juga semakin kecil. Pada temperatur evaprasi yang paling maksimum yaitu 60 C maka beban kndensr dan jumlah energi yang harus dipask ke dalam 6 kmpresr akan bernilai paling minimum yaitu sekitar 1,455.10 kj/jam dan 1,418 kw. Karena nilainya sama dengan temperatur T 1 maka kmpresr hanya membutuhkan energi yang sangat kecil untuk mengembalikan ke P 1 secara isentrpik. 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 3 memberikan efek yang lebih besar kepada perbedaan entalpi H V dan H L 2. Sehingga untuk beban refrijerasi tertentu maka jumlah refrijeran yang dibutuhkan akan berkurang Gambar 5. Diagram P-H Perbandingan Kmpresi Satu Tahap dan Lebih Parameter 1 Tahap 2 Tahap 3 Tahap Laju alir refrigeran [kgml/jam] 217,78 195,3 184,5 Beban kndensr [kj/jam] 3,244.10 6 6 2,788.10 6 2,596.10 Daya kmpresr-1 [kw] 498,2 65,4763 35,31 Daya kmpresr-2-306,303 90,87 Daya kmpresr-3 - - 192,2 Secara umum dapat dikatakan dengan semakin banyak tahap maka jumlah refrijeran yang diperlukan akan semakin berkurang, demikian pula dengan beban kndensr dan daya kmpresr ttal yang diperlukan. Pengurangan jumlah refrijeran dengan dari kmpresi satu tahap dan dua tahap sekitar 10,3%, dibandingkan dengan pengurangan jumlah refrijeran pada kmpresi satu tahap dan tiga tahap yaitu sekitar 15,3%. Pengurangan beban kndensr yang terjadi pada kmpresi dua tahap dan 3 tahap adalah 14% dan 20%. Pengurangan ttal daya kmpresr yang dibutuhkan berturut-turut adalah 25,4% dan 36,1% untuk kmpresi satu tahap dan dua tahap. Penggunaan tahap kmpresi paling besar yang sering digunakan adalah kmpresi tiga tahap. Penggunaan kmpresi lebih dari tiga tahap tidak memberikan penghematan energi yang signifikan sebaliknya membutuhkan tambahan investasi alat lain selain yang pasti 1 buah kmpresr tambahan. Sebagai patkan awal pada desain sistem refrijerasi dengan kmpresi multi tahap, rasi kmpresi untuk tiap tahap diusahakan relatif sama sehingga ttal daya kmpresr yang dibutuhkan akan lebih rendah. Pengunaan kmpresi dua tahap akan memberikan pengurangan beban kndensr dan kmpresr yang signifikan, hal ini disebabkan A-3-4
adanya flash tank yang berfungsi sebagai ecnmizer. Flash tank tersebut memiliki fungsi untuk mengurangi beban kmpresr untuk memberikan energi kepada fluida yang tidak berperan dalam prses evaprasi. Demikian pula dengan prses kmpresi tiga tahap, dengan tambahan 1 buah ecnmizer lagi, maka terjadi penghematan tambahan sekitar 6 % untuk beban kndensr dan 10,7% untuk daya kmpresr jika dibandingkan dengan kmpresi dua tahap. Dapat terlihat disini bahwa penghematan yang terjadi dari kmpresi dua tahap ke tiga tahap lebih kecil dibandingkan dari kmpresi satu tahap ke dua tahap. Hal ini akan berlaku terus untuk empat tahap dan lebih. Kesimpulan Penggalian aspek yang lebih mendalam pada kasus prses refrijerasi ini bisa dengan mudah dilakukan dengan menggunakan simulasi kmputer. Pada studi kasus prses refrijerasi ini diperleh bahwa daya kmpresr, laju refrijeran dan beban kndensr dipengaruhi leh temperatur kndensasi dan evaprasi yang diinginkan. Semakin besar temperatur kndensasi dan semakin kecil temperatur evaprasi akan memberikan beban kndensr dan daya kmpresr yang semakin besar. Jumlah refrijeran yang diperlukan akan semakin meningkat jika temperatur kndensasi semakin besar dan temperatur evaprasi semakin kecil. Penggunaan jumlah kmpresi lebih dari satu tahap akan memberikan daya kmpresr, beban kndensr dan jumlah refrijeran yang semakin rendah. Penghematan yang dapat diberikan pada prses kmpresi 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 Partn Adhi yang telah memberikan masukan yang sangat berarti kepada penulis. Daftar Pustaka Annim., (1987)., Engineering Data Handbk, Vl II, Sectin 14, Gas Prcessr Assciatin. Branan C.R., (1994)., Rules f Thumb fr Chemical Engineers, Gulf Publishing Cmpany. Perry R.H., Green D., (1984)., Perry s Chemical Engineers Handbk, Edisi 6, Seksi 12, MsGraw Hill, New Yrk. Raman., (1985)., Chemical Prcess Cmputatins, Elsevier Applied Science, Lndn. Smith, et.al., (2001)., Intrductin t Chemical Engineering Thermdynamics, Edisi 6, McGraw Hill, New Yrk. Utm J., (2004)., Implementasi penggunaan kmputer untuk simulasi prses dalam pengajaran teknik kimia (Studi Kasus : Prses Refrijerasi), Prsiding Seminar Nasinal Teknik Kimia., D05-1 D05-5. A-3-5