LAPORAN SKRIPSI ANALISA DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA CAMPURAN GAS CH 4 -CO 2 DIDALAM DOUBLE PIPE HEAT EXCHANGER DENGAN METODE CONTROLLED FREEZE OUT-AREA Disusun oleh : 1. Fatma Yunita Hasyim (2308 100 044) 2. Novi Eka Mayangsari (2308 100 090) Dosen Pembimbing: Dr. Ir. Sumarno, M.Eng. Laboratorium Teknologi Material JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA
OUTLINE LAPORAN SKRIPSI 1. LATAR BELAKANG 2. TINJAUAN PUSTAKA 3. METODOLOGI PENELITIAN 4. KARAKTERISASI HASIL 5. HASIL DAN PEMBAHASAN 6. KESIMPULAN
LATAR BELAKANG
LATAR BELAKANG PENYEDIAAN ENERGI PERTAMBAHAN JUMLAH PENDUDUK MENINGKAT KEBUTUHAN ENERGI MENINGKAT
LATAR BELAKANG Tabel Konsumsi Energi di Indonesia Sumber Energi Konsumsi Minyak Bumi 64,5% Gas Alam 20,8% Batubara 8,7% Tenaga Air 5,4% Panas Bumi 0,6%
LATAR BELAKANG LPG (Liquefied Petroleum Gas) Gas Alam Hasil dari pencairan gas alam dimana komponen utamanya adalah propana (C 3 ) dan butana (C 4 ) LNG (Liquefied Natural Gas ) Hasil dari pencairan gas alam dimana komponen utamanya adalah metana (C 1 )
LATAR BELAKANG Komponen Fraksi Mol Methane 0,8407 Ethane 0,0586 Propane 0,0220 i-butane 0,0035 n-butane 0,0058 i-pentane 0,0027 n-pentane 0,0025 Hexane 0,0028 Heptanes and Heavier 0,0076 Carbon Dioxide 0,0130 Hydrogen Sulfide 0,0063 Nitrogen 0,0345 Total 1,0000 Tabel Komposisi Gas Alam Tidak menghasilkan Panas dan menyebabkan korosi serta masalah lain didalam proses pengolahannya.
PENELITI TERDAHULU Arthur dan William (2006) Proses penghilangan CO 2 dengan metode absorbsi sistem amina. Metode ini didasarkan pada Arthur reaksi dan William antara (2006) CO 2 dengan larutan amina (sebagai Proses penghilangan absorben). CO 2 dengan menggunakan membran, dimana semakin tinggi derajat kemurnian metana Jain al maka (2001) menggunakan membrane dengan stage Melakukan yang lebih penelitian tinggi. tentang pressure swing adsorption, dimana semakin tinggi tekanan operasi yang digunakan Jaime dan Beverly (2008) maka semakin baik hasil dari pemurnian metana. Merupakan proses cryogenic untuk pemisahan CO 2 dan H 2 S Chang dari gas et alam (2009) yang melibatkan pembekuan terkendali dan Melakukan hasil pencairan penelitian kembali CO tentang 2. distribusi temperatur dengan pengaruh komposisi CO 2 menggunakan metode controlled freeze out-area.
RUMUSAN MASALAH Gas Alam LNG CO 2 Metode CFO Fenomena yang terjadi dan Data-data pendukung belum dijelaskan lebih lanjut Distribusi temperatur campuran gas CH 4 -CO 2 Posisi terbentuknya CO 2 beku didalam Double Pipe Heat Exchanger
TUJUAN PENELITIAN Mendapatkan distribusi temperatur pada campuran gas CH 4 -CO 2 di dalam anulus heat exchanger. Mendapatkan posisi terbentuknya CO 2 beku dari ujung masukan double pipe heat exchanger MANFAAT PENELITIAN Memahami tentang proses penghilangan CO 2 dari gas alam dengan metode controlled freeze out-area dalam heat exchanger. Memperoleh metode alternatif pemurnian CH 4 dari Liquefied Natural Gas (LNG). Data yang diperoleh dapat digunakan sebagai dasar dalam desain dan operasional dalam heat exchanger.
TINJAUAN PUSTAKA
METHANA (CH 4 ) Sifat Titik didih Titik beku normal Temperatur kritis Tekanan kritis Harga -161,6 o C -182,5 o C -82,7 o C 45,96 bar Material Safety Data Sheet Air Liquide, 2009
Karbondioksida (CO 2 ) Sifat Harga Titik didih Titik beku normal Temperatur kritis -57,5 o C -78,4 o C 38 o C Tekanan kritis 0,6 Kg/cm 2.G Panas peleburan Panas penguapan 1900 Kal/mol 6030 Kal/mol (Perry, 2008)
METODE CFO-AREA (CONTROLLED FREEZE OUT-AREA) Konsep dasar dari metode ini adalah membekukan CO 2 untuk memisahkannya dari gas alam secara langsung didalam sebuah heat exchanger dengan tipe aliran counterflow dimana media pendingin untuk mendinginkan secara cryogenig. DIAGRAM FASA CO 2
Penentuan distribusi temperatur Gambar Sistem Pada Proses pembekuan CO 2 didalam double pipe heat exchanger
Persamaan perhitungan distribusi temperatur Persamaan neraca energi dalam steady-state untuk aliran pendingin ditulis sebagai:...(1) Komponen CO 2 yang mengalami perubahan massa selama proses pendinginan campuran gas alam tersebut bisa dihitung dengan :...(2)
Persamaan perhitungan distribusi temperatur Konveksi pendingin oleh alat pendingin dijumlahkan ke semua konveksi panas dari campuran dan panas yang timbul dikalikan dengan laju akumulasi CO 2 pada dinding, menjadi: Menghitung laju alir massa dan konsentrasi CO 2 sebagai berikut :..(3)..(4)
Data Properti fluida yang digunakan untuk perhitungan numerik diambil dari HYSYS Standard Reference Database. Persamaan perhitungan distribusi temperatur Koefisien transfer panas dan massa dalam persamaan (1) dan (2) dapat diestimasikan sebagai : Menghitung friction factor dengan korelasi Bilangan Reynold :..(5)..(6)
METODOLOGI PENELITIAN
BAHAN 1 Campuran gas CH 4 -CO 2 2 Gas Nitrogen HP 3 Nitrogen Liquid 4 Ethilen Glikol 5 Aquades
VARIABEL PENELITIAN Variabel Tetap 1. Temperatur zat keluar Waterbath Heater : 25 C 2. Temperatur CH 4 -CO 2 yang masuk Double Pipe Heat Exchanger = 25 C 3. Temperatur nitrogen gas = 25 C Variabel Berubah 1. Perbandingan campuran gas CO2 : CH4 = 5 dan 10 % (mol/mol) 2. Tekanan campuran gas CO2 - CH4 = 1, 5, 10 dan 20 bar
GAMBAR PERALATAN PENELITIAN 11 7 8 9 6 1 10 Keterangan : 1. Double Pipe Heat Exchanger 2. Portable Gas System (PGS) Nitrogen Liquid 3. Tangki Nitrogen gas 4. Tangki Campuran CH4-CO2 5. Water bath Heater 6. V (Valve) 7. Pressure Gauge 8. RTD ( Resistence Temperature Detector) 9. SV (Safety Valve) 10. VE (Vent) 11. S (Sampling) 2 5 4 3
METODOLOGI PENELITIAN 1. PERSIAPAN ALAT DAN BAHAN 2. FLUSHING IMPURITIES 3. START-UP PERALATAN 4. PROSES PEMBEKUAN CO 2 DAN SAMPLING GAS CH 4 KELUARAN DOUBLE PIPE HEAT EXCHANGER 5. SAMPLING GAS CO 2 BEKU DALAM DOUBLE PIPE HEAT EXCHANGER Skema Garis Besar Penelitian
FLUSHING IMPURITIES
START-UP PERALATAN
PROSES PEMBEKUAN CO 2 DAN SAMPLING GAS CH 4 KELUARAN DOUBLE PIPE HEAT EXCHANGER
SAMPLING CO 2 BEKU DALAM DOUBLE PIPE HEAT EXCHANGER
KARAKTERISASI HASIL
KARAKTERISASI HASIL Penentuan Distribusi Temperatur : Distribusi temperatur adalah perhitungan temperatur pada pada titik-titik yang belum diketahui temperaturnya. Analisa Gas Chromatography : Pengujian kemurnian suatu zat tertentu, atau memisahkan berbagai komponen campuran (jumlah relatif dari komponen tersebut juga dapat ditentukan).
PENENTUAN DISTRIBUSI TEMPERATUR CAMPURAN GAS CH 4 -CO 2 RTD sepanjang DPHE T campuran CH 4 -CO 2 T wall double pipe HE T N 2 T CO 2 beku Distribusi temperatur campuran gas CH 4 -CO 2 Posisi CO 2 beku
ANALISA GAS KROMATOGRAFI Persamaan Linier untuk Standarisasi gas CH 4 Persamaan Linier untuk Standarisasi gas CO 2 Metode Penentuan mol didalam gas Komposisi masing-masing gas CH 4 dan CO 2 dapat diketahui dari hasil Analisa GC (Gas Chromatography)
PEMBAHASAN
PENGARUH KOMPOSISI PADA TEMPERATUR CAMPURAN GAS CH 4 -CO 2 (a) (b) (c) (d) Hubungan antara temperatur campuran gas CH 4 -CO 2 (T mix ) dan temperatur gas N 2 dingin terhadap jarak axial pada berbagai komposisi CO 2 dan tekanan tetap: (a) 1 bar (b) 5 bar (c) 10 bar (d) 20 bar
PENGARUH TEKANAN PADA TEMPERATUR CAMPURAN GAS CH 4 -CO 2 (a) (b) Hubungan antara temperatur campuran gas CH 4 -CO 2 terhadap jarak axial pada berbagai tekanan dan komposisi tetap: (a) 5%CO 2 dan (b) 10% CO 2
Metode Penyelesaian Distribusi Temperatur Pada Campuran Gas CH 4 -CO 2 METODE NEWTON RAPHSON Untuk menghitung temperature wall double pipe heat exchanger h N2 + h mix T w 2 h N2 T N2 + h mix T mix + h d P mix m CO2 BM m CO2 BM + m CH 4 BM i ig R T mix T w + h d P mix m CO2 BM m CO2 BM + m CH 4 BM i ig METODE RUNGE KUTTA ORDE EMPAT Untuk menghitung temperature nitrogen double pipe heat exchanger R = 0.. (1).. (2)
DISTRIBUSI TEMPERATUR CAMPURAN GAS CH 4 -CO 2 (a) (b) (c) (d) Distribusi temperatur campuran gas CH 4 -CO 2 pada komposisi 5% CO 2 dan berbagai tekanan: (a) 1 bar dan (b) 5 bar (c) 10 bar dan (d) 20 bar
DISTRIBUSI TEMPERATUR CAMPURAN GAS CH 4 -CO 2 (a) (b) (c) (d) Distribusi temperatur campuran gas CH 4 -CO 2 pada komposisi 10% CO 2 dan berbagai tekanan: (a) 1 bar dan (b) 5 bar (c) 10 bar dan (d) 20 bar
PENENTUAN PREDIKSI POSISI TERBENTUKNYA CO 2 BEKU Data termodinamika temperatur CO 2 beku Komposisi CO 2 Tekanan (bar) Temperatur CO 2 beku (K) 1 163,60 5% 10% 5 178,15 10 184,43 20 190,32 1 169,82 5 185,49 10 192,60 20 199,37
PENENTUAN PREDIKSI POSISI TERBENTUKNYA CO 2 BEKU Data temperatur campuran gas CH 4 -CO 2 di sepanjang double pipe heat exchanger Jarak Axial HE, x (m) 5% CO 2 10% CO 2 1 bar 5 bar 10 bar 20 bar 1 bar 5 bar 10 bar 20 bar 0.00 298 298 293 294 294 296 294 289 0.24 249 260 251 258 244 256 254 243 0.47 212 227 227 236 236 223 226 204 0.71 194 204 205 224 186 202 210 172 0.95 176 187 203 211 164 191 188 171 1.19 163 179 197 195 155 191 188 168 1.43 146 165 190 159 148 180 174 165 1.66 135 148 177 153 133 173 171 165 1.90 131 140 172 139 124 172 129 163
ANALISA GAS KROMATOGRAFI No. Compound R.Time Height[Uv] Area[uV*S] Area % 1 CO 2 0,865 47 211 0,60095 2 Metana 1,641 3630 34831 99,39905 Total 35042 100,00000 Hasil analisa gas CH 4 pada campuran gas CH 4-5% CO 2 tekanan 1 bar
PERHITUNGAN ANALISA GAS KROMATOGRAFI Hasil analisa persentase mol kandungan gas CH 4 pada berbagai variabel Komposisi CO 2 5% 10% Tekanan (bar) 1 5 10 20 1 5 10 20 Komponen %mol CO 2 0.1159 CH 4 99.8841 CO 2 0.0000 CH 4 100.0000 CO 2 1.2751 CH 4 98.7249 CO 2 1.1800 CH 4 98.8200 CO 2 0.2234 CH 4 99.7766 CO 2 0.2055 CH 4 99.7945 CO 2 0.5006 CH 4 99.4994 CO 2 0.0000 CH 4 100.0000
KESIMPULAN
KESIMPULAN 1. Hasil pengukuran temperatur sepanjang double pipe heat exchanger dapat menunjukkan posisi CO 2 beku. 2. Dengan komposisi dan tekanan yang semakin tinggi mengakibatkan temperatur pembentukan CO 2 beku akan semakin tinggi sehingga posisi terbentuknya CO 2 beku semakin dekat dengan ujung masuk dari campuran gas CH 4 -CO 2. 3. Berdasarkan data hasil eksperimen, prediksi posisi terbentuknya CO 2 beku ketika temperatur campuran gas CH 4 -CO 2 sudah mulai konstan. 4. Pemisahan gas CH 4 dan gas CO 2 dengan metode controlled freeze out area berhasil dilakukan.