Aplikasi Perpindahan Panas Pada Industri Migas [PDF]

Citation preview

APLIKASI PERPINDAHAN PANAS PADA INDUSTRI MIGAS Heat Exchanger (HE) adalah suatu peralatan penukar panas antar dua fluida yang berbeda temperature dan panasnya. Satu fluida memberikan panas, sedangkan yang lainnya menerima panas. Kebutuhan fuida pada suhu tertentu merupakan tuntutan spesifikasi disain proses. Crude oil yang dialirkan secara kontinyu dari tangki adalah bersuhu sekitar 40oC. Sebelum crude ini difraksionasi menjadi beberapa komponen produk, terlebih dahulu harus dikurangi kadar garam dan kandungan air didalamnya hingga konsentrasi tertentu. Pemisahan ini dilakukan pada desalter yang berdasarkan sifat fisik crude akan efektif dan optimum pada suhu sekitar 145 oC. Bila kurang akan menghasilkan pemisahan yang kurang baik dan bila berlebihan akan menghambur-hamburkan



energi.



Selanjutnya



aliran



crude



akan



diproses



difraksionator dimana suhu inlet harus dijaga pada 350 oC. Setelah fraksionasi, produk-produk akan dikirim ke unit-unit proses selanjutnya atau langsung ke tangki penampungan sementara. Suhu penyimpanan di tangki tidak boleh melebihi 40oC. Gambaran proses tadi menunjukkan bagaimana perlunya suatu alat penukar panas, baik untuk menaikkan (dari 40 oC ke 145oC) atau menurunkan suhu fluida (dari 350oC ke 40oC).Syarat minimum terjadinya pertukaran panas adalah terdapatnya dua aliran media dengan suhu yang berbeda. Salah satunya sebagai penyuplai panas, sedang lainnya sebagai penerima panas.Sewaktu melepaskan panasnya, penyuplai panasa akan kehilangan panasnya atau menjadi lebih ringan, begitu juga sebaliknya sepenerima panas, akan mendapat tambahan panas. Secara logika, setelah proses perpindahan panas, suhu akhir penyuplai panas tidak akan lebih kecil dari suhu awal penerima panas. Begitu juga sebaliknya. Media perpindahan panas antar kedua fluida (penyuplai atau penerima panas) umumnya berupa tube atau pipa. Dalam konteks ini perpindahan panas secara langsung tidak dibahas, contoh jenis ini adalah cooling tower. Penyuplai panas untuk HE dapat berupa fluida proses itu sendiri atau media khusus penyuplai panas seperti steam atau media dari hasil pembakaran (fuel burning). Sedangkan penerima panas



dapat berupa media fluida proses yang harus diinginkan atau menggunakan media khusus pengambilan panas seperti air pendingin (cooling water) atau udara dari fan. Proses perpindahan panas berlangsung dengan salah satu, dua, atau semua dari prinsip konduksi, konveksi, dan radiasi. Beberapa jenis fungsi peralatan HE adalah sebagai berikut: a. Heat Excahnger Kedua sisi aliran merupakan fluida proses dan keduanya tidak mengalami perubahan fase, umumnya fase cair. HE berfungsi sebagai alat penukar panas antara minyak mentah yang akan masuk ke furnace dengan residu yang akan masuk ke cooler sehingga panas yang terkandung dalam residu dapat dimanfaatkan untuk menaikkan suhu minyak mentah dan beban furnace menjadi lebih ringan. Jenis HE yang digunakan adalah Shell and Tube Heat Exchanger, yang berjumlah 3 buah disusun secara seri. b. Cooler Peralatan tabung yang digunakan untuk mendinginkan liquid yang panas sampai suhu tertentu yang dikehendaki. Satu sisi aliran merupakan fluida proses yang akan didinginkan tanpa perubahan fase. Media pendinginan adalah dari sarana utilities seperti air pendingin atau udara (tanpa perubahan fase). Cooler berfungsi untuk menurunkan temperatur atau mendinginkan produk-produk minyak yang keluar dari kolom fraksinasi, kolom stripper, heat exchanger maupun condensor dengan air sebagai media pendingin sampai suhu yang dikehendaki tanpa adanya perubahan fase. c. Condenser Peralatan yang digunakan untuk menurunkan suhu dari uap atau vapour sampai ke suhu cair dengan menyerahkan panasnya kepada fluida yang lain. Salah satu aliran merupakan fluida (uap) yang akan dikondensasi, biasanya uap dari top kolom distilasi atau fraksionasi. Media pendingin adalah dari sarana utilities seperti air pendingin atau udara (tanpa perubahan fase). Kondensor berfungsi untuk mengembunkan uap yang keluar dari puncak kolom fraksinasi. Di dalam condensor terjadi perubahan fase,



yaitu dari fasa uap ke fase cair dengan bantuan air sebagai media pendingin yang melewati tube sedangkan uap fraksi ringan melewati shell. d. Reboiler Reboiler ialah heat exchanger yang secara tipikal dipasang pada kolom distilasi. Reboiler menghasilkan uap untuk separasi distilasi fraksional seperti condenser menghasilkan refluks liquid yang mana akan dikembalikan ke kolom distilasi. Secara umum reboiler merupakan alat penukar panas yang digunakan untuk menyediakan aliran panas untuk destilasi dan proses-proses lainnya yang serupa. Reboiler adalah salah satu bagian integral proses produksi, tetapi bukan merupakan bagian dari sistem steam, karena reboiler terletak jauh terpisah dari boiler utama (atau power house). Konsekuensinya, umumnya perhatian yang ditujukan pada reboiler lebih kecil bila dibandingkan dengan boiler utama hingga sebuah kegagalan terjadi. Prinsip kerja reboiler pada dasarnya sama dengan heat exchanger secara umum, namun reboiler digunakan untuk menguapkan cairan yang masuk sehingga uap yang dihaslikan masuk kembali dan naik ke column, dan cairan sisanya akan tertinggal di bagian column sebagai residu. Reboiler juga sebagai suatu sistem yang memerlukan peralatan tambahan lebih daripada sekedar heat exchanger sebagai instrumen, sehingga reboiler tidak dapat berdiri sendiri. Reboiler terdiri atas beberapa sistem yang berhubungan langsung, misalnya sistem heat exchanger dan sistem kolom (distilasi, evaporasi, dan yang sejenisnya). Kedua sistem ini terhubung menjadi sebuah sistem reboiler dengan adanya pengembalian fluida (panas) ke dalam kolom dari reboiler. e. Evaporator Evaporator merupakan salah satu alat yang sering digunakan dalam proses perindustrian. Evaporator adalah alat yang digunakan untuk mengevaporasi larutan. Evaporasi sendiri artinya adalah menghilangkan air dari larutan dengan mendidihkan larutan di dalam tabung evaporator. Evaporasi bertujuan untuk memekatkan larutan yang terdiri dari zat terlarut yang tidak mudah menguap dengan pelarut yang mudah menguap. Atau bisa dikatakan bahwa evaporasi adalah proses penguapan.



Evaporator berfungsi untuk mengubah sebagian atau keseluruhan pelarut dari suatu larutan dari betuk cair menjadi uap. Ada empat komponen dasar yang dibutuhkan untuk melakukan penguapan, yaitu sebuah tabung penguapan, sebuah alat pindah panas, sebuah kondensor dan sebuah metode untuk menjaga tekanan vakum. Keempat komponen ini harus diperhatikan dalam merencanakan suatu evaporator. Sistem tekanan vakumnya harus dapat mengalirkan gas yang tidak terkondensasi agar bisa menjaga tekanan vakum yang diinginkan di dalam tabung penguapan. Panas yang cukup harus dialirkan atau diberikan ke produk untuk penguapan sejumlah air yang diinginkan, serta sebuah kondensor yang berguna untuk mengembangkan dan memindahkan uap air yang diprosuksi melalui penguapan. Evaporator mempunyai berbagai macam jenis. Jika kita melihat dari penggunaan evaporator itu sendiri, terdapat tiga metode yang biasa digunakan. Yang pertama bila kita hanya menggunakan satu evaporator saja, uap dari zat cair yang mendidih dikondensasikan dan dibuang. Metode ini disebut dengan evaporasi efek-tunggal (single-effect evaporation). Walaupun metode ini sederhana, namun proses ini tidak efektif Dalam penggunaan uap. Untuk menguapkan llb air dari larutan, diperlukan 1 – 1.3 lb uap. Yang kedua, jika uap dari satu evaporator dimasukkan ke dalam rongga uap (steam chest) evaporator kedua, dan uap dari evaporator kedua dimasukkan ke dalam kondensor, maka metode ini akan menjadi efek dua kali atau biasa disebut eveporasi efek-dua (double-effect evaporation). Yang ketiga, ketika evaporator yang digunakan dalam suatu metode lebih dari satu, seperti misalnya uap dari evaporator kedua dimasukkan ke dalam rongga uap evaporator ketiga, dan berlanjut sampai beberapa evaporasi, maka metode ini disebut evaporasi efek-ganda (multiple-effect evaporation). f. Chiller Chiller adalah mesin yang memindahkan panas dari cairan melalui kompresi-uap atau pendingin siklus penyerapan . Chiller-kompresi uap air terdiri dari empat



komponen utama dari siklus pendingin kompresi uap-(kompresor, evaporator, kondensor, dan beberapa bentuk metering device. Mesin ini dapat melaksanakan berbagai refrigeran. Absorption Chillers use municipal water as the refrigerant and benign silica gel as the desiccant. Penyerapan pendingin menggunakan air sebagai pendingin dan silika gel



sebagai pengering tersebut. Penyerapan pendingin



menggunakan air sebagai pendingin dan bergantung pada hubungan yang kuat antara air dan larutan lithium bromide untuk mencapai efek pendinginan. Chiller juga merupakan mesin refrigerasi yang berfungsi untuk mendinginkan air pada sisi evaporatornya. Air dingin yang dihasilkan selanjutnya didistribusikan ke mesin penukar kalor ( FCU / Fan Coil Unit ). Dalam aplikasi industri air dingin atau cairan lainnya dari Chiller dipompa melalui proses atau peralatan laboratorium. Industri pendingin digunakan untuk mendinginkan produk yang dikendalikan, mekanisme dan mesin pabrik di berbagai industri. Chiller sering digunakan dalam industri plastik di injeksi dan blow molding, minyak pemotong logam, peralatan las, die-casting dan mesin perkakas, proses kimia, formulasi farmasi, makanan dan pengolahan minuman, kertas dan pengolahan semen, sistem vakum, X- difraksi sinar, pasokan listrik dan stasiun pembangkit listrik, peralatan analitis, semikonduktor, kompresi udara dan pendinginan gas. Chiller juga digunakan untuk mendinginkan panas yang tinggi, barang khusus seperti mesin MRI dan laser, dan di rumah sakit, hotel dan kampus. Pada dasarnya ada empat jenis kompresor yang digunakan dalam pendingin kompresi uap, yaitu : reciprocating kompresi, gulir kompresi, sekrup-didorong kompresi, dan sentrifugal kompresi semua mesin mekanik yang dapat didukung oleh motor listrik , uap , atau turbin gas . Alat – alat tersebut menghasilkan efek pendinginan mereka melalui " reverse-Rankine siklus ", juga dikenal sebagai 'uapcompression'. Dalam beberapa tahun terakhir, aplikasi Variable Speed Drive (VSD) teknologi telah meningkatkan efisiensi pendingin kompresi uap. The VSD pertama diterapkan untuk pendingin kompresor sentrifugal pada akhir tahun 1970 dan telah



menjadi norma sebagai biaya energi meningkat. Sekarang, VSD sedang diterapkan untuk sekrup rotary dan kompresor gulir teknologi. Pendingin adsorpsi didorong oleh air panas. Air panas ini dapat berasal dari sejumlah sumber industri termasuk limbah panas dari proses industri, panas utama dari instalasi panas matahari atau dari knalpot atau air panas jaket mesin piston atau turbin. Prinsip adsorpsi didasarkan pada interaksi antara gas dan padatan. Dengan pendinginan adsorpsi, interaksi molekul antara padat dan gas memungkinkan gas yang akan terserap ke dalam solid. Ruang adsorpsi Chiller diisi dengan bahan padat, gel silika, menghilangkan kebutuhan untuk memindahkan bagian dan menghilangkan kebisingan yang terkait dengan bagian-bagian bergerak. Silika gel menciptakan kondisi kelembaban yang sangat rendah yang menyebabkan pendingin air menguap pada suhu rendah. Ketika air menguap di evaporator, ini mendinginkan air pendingin. Penggunaan pengering silika gel dapat menjadabiaya pemeliharaan dan biaya operasi dari pendingin adsorpsi rendah. Siklus termodinamika chiller absorpsi didorong oleh sumber panas, panas ini biasanya dikirimkan ke Chiller melalui uap, air panas, atau pembakaran . Dibandingkan dengan pendingin bertenaga listrik, alat ini sangat rendah kebutuhan daya listrik - sangat jarang di atas 15 kW konsumsi gabungan untuk kedua solusi dan pompa pompa pendingin. g. Furnace Furnace merupakan dapur pemanas yang berfungsi untuk memanaskan minyak mentah sampai suhu tertentu. Di sini maksimal suhu yang diperbolehkan adalah 350oC, karena bila lebih dari 350oC dapat terjadi proses cracking atau rengkahan yang besar pada minyak bumi tersebut. Jumlah furnace di kilang Pusdiklat Migas Cepu ada 4 buah yang dipasang secara paralel. Tiga buah dioperasikan untuk memanaskan minyak mentah dan 1 buah untuk cadangan, yang baru dioperasikan bila salah satu furnace terjadi kerusakan.



Furnace sendiri sering di analogikan dengan furnace sebagai keperluan industri yang digunakan untuk banyak hal, seperti pembuatan keramik, ekstraksi logam dari bijih (smelting) atau di kilang minyak dan pabrik kimia lainnya, misalnya sebagai sumber panas untuk kolom distilasi fraksional Adapun bahan bakar yang paling umum untuk furnace modern adalah gas alam, termasuk LPG (liquefied petroleum gas), bahan bakar minyak, batu bara atau kayu. Dalam beberapa kasus pemanasan resistensi listrik juga sering digunakan sebagai sumber panas, jika saja biaya listriknya rendah furnace yang dibakar dengan minyak bakar hampir seluruhnya menggunakan minyak, terutama untuk pemanasan kembali dan perlakuan panas bahan. Prinsip kerja furnace adalah memanaskan sampel dengan memasukkan ke dalam ruang pemanas yang didalamnya terdapat filamen-filamen pemanas, termokouple dan alumina. Filamen-filamen pemanas tersebut diberi tegangan sehingga menimbulkan panas yang menyebabkan termokouple / sensor suhu dapat bekerja.panas yang dihasilkan tersebut merambat secara radiasi menuju sampel. Dinding furnace diberi alumina agar tahan terhadap suhu tinggi dan sampel tidak terbakar, terdapat fire gate di bagian bawah sebagai alas bahan bakar dan yang sekelilingnya adalah pipa-pipa air ketel yang menempel pada dinding tembok ru ang pembakaran yang menerima panas dari bahan bakar secara radiasi, konduksi, dan konveksi. Dimensi furnace dan kemampuan menghasilkan panasnya dapat ditentu kan berdasarkan perhitungan sesuai fungsi dan kebutuhannya. Misalkan furnace untuk kebutuhan pembangkit listrik sudah barang tentu memerlukan dimensi yang besar. Karena untuk menghasilkan uap melalui boiler diperlukan energi panas yang besar pula. Material furnace juga ditentukan sesuai dengan kebutuhan dan energi apa yang akan digunakannya. Bisa menggunakan dinding terbuat dari plat dengan isolasi ceramic fiber, atau menggunakan dinding bata tahan api. Furnace secara luas dibagi



menjadi dua jenis berdasarkan metoda pembangkitan panasnya: furnace pembakaran yang menggunakan bahan bakar, dan furnace listrik yang menggunakan listrik. Furnace pembakaran dapat digolongkan menjadi beberapa bagian, jenis bahan bakar yang digunakan, cara pemuatan bahan baku, cara perpindahan panasnya dan cara pemanfaatan kembali limbah panasnya. Tetapi, dalam prakteknya tidak mungkin menggunakan peng golongan ini sebab furnace dapat menggunakan berbagai jenis bahan bakar, cara pemuatan bahan ke furnace yang berbeda. h. Vaporizer Secara umum vaporizer digunakan untuk menguapkan cairan. Uap yang dihasilkan digunakan untuk proses kimia, bukan sebagai sumber panas seperti halnya steam dan menggunakan elemen pemanas listrik. Vaporizer adalah salah satu komponen dari mesin anestesi yang berfungsi untuk menguapkan zat anestesi cair yang mudah menguap. Alat ini dilengkapi dengan angka penunjuk (dial) yang berfungsi untuk mengatur besar kecil konsentrasi zat anestesi yang keluar. Anestetik volatil (Seperti halothan, isoflurane, desflurane atau sevoflurane) harus diuapkan sebelum diberikan ke pasien. Vaporizer mempunyai knob yang dikalibrasikan untuk konsentrasi yang secara tepat menambahkan anestetik volatil ke campuran aliran gas dari seluruh flowmeter. Terletak antara flowmeter dan common gas outlet. Lebih lanjut, kecuali mesin hanya bisa menampung satu vaporizer, semua mesin anestesi harus mempunyai alat inter locking atau ekslusi untuk mencegah penggunaan lebih dari satu vaporizer secara bersamaan. Prinsip kerja cairan diumpankan ke dalam vaporizer kemudian dipanaskan dengan suatu media pemanas (umpan tidak kontak langsung dengan media pemanas). Biasanya tidak semua umpan dapat teruapkan dengan sempurna. Produk yang dihasilkan (uap dan cairan) dipisahkan dalam suatu tangki pemisah. Uap yang dihasilkan kemudian digunakan untuk proses selanjutnya, cairan yang tidak menguap



di recycle kembali. Pada temperatur tertentu, melekul dari zat volatil dalam tempat tertutup akan berdistribusi dalam fase cair dan gas. Molekul gas menghantam dinding kontainer, menciptakan tekanan uap dari zat itu. Makin tinggi temperaturnya, makin tinggi kecendrungan molekul berubah dari cair ke gas, dan makin tinggi tekanan uapnya. Penguapan memerlukan energi, yang didapat dari kehilangan panas dari fase cair. Ketika penguapan berlangsung, temperatur zat cair turun dan tekanan uap menurun hingga terdapat kalor yang dapat masuk ke sistem. Vaporizer memiliki ruangan dimana gas pembawa akan larut bersama zat volatil. i. Boiler Salah satu peralatan yang sangat penting di dalam suatu pembangkit tenaga listrik adalah Boiler (Steam Generator) atau yang biasanya disebut ketel uap. Alat ini merupakan alat penukar kalor, dimana energi panas yang dihasilkan dari pembakaran diubah menjadi energi potensial yang berupa uap. Uap yang mempunyai tekanan dan temperatur tinggi inilah yang nantinya digunakan sebagai media penggerak utama turbin uap. Energi panas diperoleh dengan jalan pembakaran bahan bakar di ruang bakar. Boiler merupakan bejana bertekanan dengan bentuk dan ukuran yang didesain untuk menghasilkan uap panas atau steam. Steam dengan tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Proses perubahan air menjadi uap terjadi dengan memanaskan air yang berada didalam pipa-pipa dengan memanfaatkan panas dari hasil pembakaran bahan bakar. Pembakaran dilakukan secara kontinyu didalam ruang bakar dengan mengalirkan bahan bakar dan udara dari luar. Uap yang dihasilkan boiler adalah uap superheat dengan tekanan dan temperatur yang tinggi. Jumlah produksi uap tergantung pada luas permukaan pemindah panas, laju aliran, dan panas pembakaran yang diberikan. Pada unit pembangkit, boiler juga biasa disebut dengan steam generator (pembangkit uap) mengingat arti kata boiler hanya pendidih, sementara pada kenyataannya dari boiler dihasilkan uap superheat bertekanan tinggi.



Pada dasarnya boiler adalah suatu wadah yang berfungsi sebagai pemanas air, dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam. Steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air didihkan sampai menjadi steam, volumenya akan meningkat sekitar 1600 kali dari volume sebelumnya dan menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dengan baik. Bahan bakar yang digunakan untuk memanaskan boiler bisa berupa gas, minyak dan batu bara. Di Indonesia bahan bakar yang umum untuk digunakan pada kehidupan sehari-hari adalah solar.



j. Double Pipe Exchanger Double Pipe Exchanger adalah suatu peralatan penukar panas yang tersusun dari tube atau pipa ganda secara konsentris satu berdiameter lebih kecil dari lainnya (tube dalam tube).Umumnya Double Pipe Exchanger berbentuk hairpin (dua kaki yang dihubungkan), tetapi ada juga varian lainnya seperti multitube hairpin. Double Pipe Exchanger adalah termasuk alternative HE yang murah karena dapat dirangkai dengan pipa-pipa standar. Karena konfigurasinya, HE ini dapat mengatasi fluida bertekanan tinggi pada sisi tube (potensi bocor rendah karena tidak seperti Shell & Tube yang membutuhkan pertisi untuk pass-stream yang membutuhkan gasket). Selain itu dalam rangka pembersihan. Selain itu, dibandingkan HE jenis lain, alat ini mempunyai pendekatan lintas suhu counter-current murni. Salah satu kekurangannya yang cukup prinsip adalah rendahnya area permukaan perpindahan panas. k. Airfin Cooler Airfin Cooler adalah suatu alat pendingin fluida proses dengan menggunakan udara yang dialirkan menggunakan fan. Pertimbangan pemilihan HE jenis ini adalah murah dibandingkan harus menggunakan Shell & Tube Exchanger. Perbandingannya harus secara keseluruhan, karena dengan membangun Airfin Cooler, maka fasilitas pelengkap lain tidak diperlukan. Sedangkan penggunaan Shell & Tube Exchanger, berarti harus menyiapkan sarana air pendingin dalam jumlah besar, yang berarti penambahan secara cooling tower, bahan kimia, system perpipaan dengan instrumentasi dan kontrolnya, pompa, dan lain-lain. Secara ekonomis bila area memungkinkan, maka instalasi Airfin Cooler jauh lebih baik, karena hanya membutuhkan tambahan suplai listrik untuk power fan. Selain itu kualitas udara relative jauh lebih bersih dari air pendingin, sehingga biaya maintenance untuk cleaning jauh berkurang. Airfin Cooler terdiri dari serangkaian tube bundle, dimana masing-masing tube diberi lilitan spiral sirip metal (fin). Udara sebagai media pendingin dihembuskan dengan fan yang digerakkan oleh motor listrik. Posisi fan dapat diatas (induced) atau dibawah



(forced) tube bundle. Dalam aplikasinya Airfin Cooler banyak digunakan sebagai cooler dan condenser (top vapour stream distillation column). Lokasi Airfin Cooler harus cukup luas agar udara dapat bersirkulasi dengan baik, umumnya diletakkan di atas pipe-rack.