bab 5

5/16/2018 Bab 5 - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/bab-5-55ab58358bd18 1/26

Bab 5

Peralatan Utama Pada Sistem

Kriogenik

Peralatan utama pada sistem pencairan dan pendinginan pada suhu

rendah umumnya terdiri dari Heat Exchanger, Kompresor, dan

Expander. Ketiga alat tersebut memiliki prinsip kerja dan fungsi yang

berbeda pada sistem kriogenik. Kinerja sistem kriogenik akan

tergantung pada kinerja dan susunan dari alat-alat utama tersebut.

Skema sistem Linde-Hampson



KRIOGENIK BAB 5 PERALATAN UTAMA PADA SISTEM KRIOGENIK

5.1 HEAT EXCHANGER

Stabilitas fasa fluida pada HE suhu rendah sangat penting

mengingat aliran panas/dingin harus dapat mengalir dengan baik

(viscositas optimal). Pengaruh suhu, tekanan, dan jenis kriogenikakan sangat menentukan efektivitas pertukaran panas yang terjadi.

Beberapa kriteria utama HE yang dibutuhkan untuk penggunaan

pada suhu rendah:

1. Perbedaan suhu aliran panas dan dingin yg kecil guna

meningkatkan efisiensi

2. Rasio luas permukaan terhadap volume yg besar untuk

meminimalkan kebocoran

3. Perpindahan panas yang tinggi untuk mengurangi luas

permukaan

4. Massa yg rendah untuk meminimalkan waktu start up

5. Kemampuan multi channel untuk mengurangi jumlah HE

6. Kemampuan menerima tekanan yg tinggi

7. Pressure Drop yg rendah

Minimalisasi beda suhu aliran panas & dingin harus juga

memperhatikan pengaruh suhu terhadap panas spesifik (Cp) fluida.

Jika Cp menurun dengan menurunnya suhu fluida (contoh Hidrogen),

maka perbedaan suhu inlet & outlet harus ditambah dari harga

minimal beda suhu aliran. Gambar proses dapat dilihat pada

Gambar 5.1.

166




Gambar 5.1 Profil suhu pada HE countercurrent dimana Cp aliran panas

menurun dengan turunnya suhu.

Pemilihan HE untuk suhu rendah akan tergantung pada :

1. Kebutuhan disain proses

2. Batasan disain mekanik dan ekonomi

5.1.1 HE tabung konsentrik dan tipe Collins

Untuk skala laboratorium umumnya digunakan tabung

konsentrik dan Extended Surface (Collins-type) Exchanger.

Sedangkan untuk Industri banyak digunakan Coiled tube, Plate-fin,

Reversing dan tipe Exchanger Regenerator. Gambar 5.2 menunjukkan

beberapa konfigurasi HE Tabung konsentrik sedangkan Gambar 5.3menunjukkan HE tipe Collins.

167




Gb 5.2 Beberapa HE tabung konsentrik (a) HE sederhana; (b) HE tabung

berganda;

(c) Tabung konsentrik dengan kawat penyanggah; (d) Bundle HE

Gambar 5.3 HE Collins; LP = Aliran tekanan rendah ; HP = aliran tekanantinggi.

Efektivitas perpindahan panas mengikuti urutan sbb :

HE sederhana < HE tabung berganda < Tabung konsentrik dengan

kawat penyanggah < Bunddle HE < HE Collins.

Persamaan Empiris Koefisien heat transfer (h) dan Pressure

drop/panjang pipa untuk berbagai kondisi aliran dan jenis HE

diberikan pada Tabel 5.1.

168



Tb


Contoh 5.1 :

Gas nitrogen pada tekanan 0,101 Mpa dialirkan kedalam “smooth

straight circular pipe” dengan ID 0.0254 m. Suhu dinding pipa rata-rata 155 K, sementara suhu bulk nitrogen 145 K pada laju alir 0.1

kg/s. Hitung:

a. Koef heat transfer (h)

b. Laju heat transfer ke gas Nitrogen per satuan luas

c. Drop pressure per satuan panjang pipa

Solusi :

Properti gas nitrogen ditentukan dari suhu rata-rata film yaitu :

0.5 (Tw + Tb) = 0.5(155 + 145) = 150 K

Dari Lampiran (Appendix hal 566) didapat :

µ = 10.08 x 10-6 Pa.dt ; Cp= 1.047 kJ/kg K ; k= 13.77 x 10-3 W/m K ;

ρ= 2.289 kg/m3

Pr = Cp.µ/k = (1.047x103)(10.08x10-6)/913.77x10-3) = 0.766

Untuk menentukan apakah pola aliran laminer/turbulent maka

dihitung bilangan Reynoldnya:

Re = DeG/µ = De.m/(A.µ) = (0.0245)(197.3)/(10.08 x 10-6) =

4.97x105

Karena aliran yg didapat adalah turbulen, maka dari Tabel 5.1, harga

h dihitung menggunakan persamaan:

h = (0.023)Cp.G.Re-0,2.Pr-2/3 = 0.4118 kJ/m2 dt K

169

Tw

Gas Nitrogen




Laju Perpindahan kalor persatuan luas:

Q/A = h(Tw - Tb) = 0.4118(155 – 145) = 4.118 kJ/m2

Drop pressure per satuan panjang pipa berdasarkan Tabel 5.1

menggunakan persamaan:

∆p/∆L = 0.092.G2/(Re0,2.gcDeρ)

= 0.092(197.3)2/(4.97x105)0,2(1)(0.0254)(2.289) = 4470

Pa/m

Tabel 5.1 Hubungan antara perpindahan kalor empiris dengan pressure

drop pada HE tabung konsentrik dan extended surface.

5.1.2Coiled tube heat exchanger

HE jenis ini disusun dari tabung-tabung (tubes) dengan jumlah

besar mengelilingi tabung inti, dimana setiap HE terdiri dari lapisan-

lapisan tabung sepanjang arah aksial maupun radial. Aliran tekanan

tinggi diberikan pada tube diameter kecil, sementara untuk tekanan

170




rendah dialirkan pada bagian luar tube diameter kecil. Contoh alat

HE Coiled Tube dapat dilihat pada Gambar 5.4.

Gambar 5.4 Coiled-tube HE dengan area perpindahan panas seluas 12,000

m2

HE jenis ini memiliki keuntungan untuk kondisi suhu rendah

antara lain:

1. Perpindahan kalor dapat dilakukan lebih dari dari dua aliran

secara simultan.

2. Memiliki jumlah unit Heat transfer yang tinggi

3. Dapat dilakukan pada tekanan tinggi.

Geometri HE Coiled Tube sangat bervariasi, tergantung pada

kondisi aliran dan drop pressure yang dibutuhkan. Parameter yang

berpengaruh antara lain: kecepatan aliran pada shell dan tube,

diameter tube, jarak antar tube (tube pitch), layer spacer diameter.

Faktor lain yang juga harus diperhitungkan yaitu jumlah fasa aliran,

terjadinya kondensasi dan evaporasi pada shell atau tube.

Aplikasi HE Coiled Tube untuk skala besar telah banyak

diterapkan pada LNG Plant, dimana alat HE ini memiliki kapasitas

100,000 m3/h pada 289 K dan 0.101 Mpa. Luas permukaan heat

171




transfer 25,000 m2 dan panjang keseluruhan 61 m, diameter 4.5 m

dan berat 180 ton. Gambar Skematik alat tersebut dapat dilihat pada

Gambar 5.5.

Gb. 5.5 Skema HE Coiled Tube yang Digunakan Pada LNG Plant

5.1.3 Plate-fin heat exchanger

HE Plat-Fin umumnya mempunyai susunan plat alumunium

bergelombang dimana aliran-aliran panas/dingin dialirkan pada celah

gelombang tersebut. Setiap lapisan gelombang dibatasi dengan plate

pemisah (separator plate). Bentuk Plat-Fin ini sembilan kali lebih

lebih kecil dibanding HE Shell & tube konvensional untuk luas

permukaan yANg sama. Tekanan operasi dapat mencapai 6 MPa

pada suhu 4 hingga 340 K. Gambar 5.6 menggambarkan skema

sederhana Plate-Fin HE dan pola aliran. Untuk dapat melakukan multi

aliran dan multi arah aliran, maka Plate-Fin harus dilengkapi dengan

Internal seal, distributor, dan external header. Untuk tipe cross flow

akan sesuai jika harga beda suhu rata-rata efektif pada aliran silang

dan harga LMTD nya tidak berbeda jauh. Tipe ini banyak didapat

172




pada liquefiers (pencairan), hanya sedikit terjadi perbedaan suhu

pada sisi kondensing dan aliran gas yg besar pada sisi panas.

Gb.5.6 Beberapa susunan aliran pada plate-fin heat exchanger

5.1.4 Dasar perancangan heat exchanger

Ada dua pendakatan untuk perancangan HE yaitu :1. Pendekatan Efektivitas NTU: digunakan jika suhu masuk dan

laju alir HE diketahui

2. Pendekatan LMTD: membutuhkan data semua aliran,

dimana ukuran HE ditentukan

Laju perpindahan panas dapat dirumuskan sbb :Q = U.A.∆ Tm

(5.1)

Untuk pendekatan LMTD:

∆ Tm = LMTD = (∆ Tmax - ∆ Tmin)/ln(∆ Tmax - ∆ Tmin ) (5.2)

dimana ∆ Tmax adalah beda suhu lokal max, dan ∆ Tmin adalah beda

suhu lokal minimal antara dua aliran fluida pada inlet dan outlet HE.

Ditribusi suhu sepanjang HE ditunjukkan Gambar 5.7. Beda suhu

konstan untuk aliran panas dan dingin jika yang terjadi adalah

173




kondensasi di satu aliran dan evaporasi pada aliran lainnya (Gambar

5.7a).

Gambar 5.7 Profil Distribusi Suhu pada HE (a) Condenser Reboiler; (b)

salah satu fluida terkondensasi atau terevaporasi; (c) Counterflow; (d)

Paralel Flow

Kelebihan utama aliran Countercurrent dibanding Cocurrent

adalah suhu keluar aliran dingin dapat lebih tinggi dibanding suhu

aliran panas keluar HE.

Keefektifan suatu HE dapat dinyatakan sbb:

)/()(ndipindahkayang panasmaksimum

ndipindahkayangaktual panas1121 chhh

T T T T −−==ε (5.3)

)/1(exp()/(1

)/1(exp(1

maxminmaxmin

maxmin

C C NTU C C

C C NTU

−−−

−−−=ε (5.4)

174




5.1.5Bahan diskusi dan latihan soal:

5.1 Suatu heat exchanger dengan aliran countercurrent dalam

sistem pencairan Linde sederhana mendinginkan suatu aliran

gas bersuhu tinggi, 20.2 MPa, dari 300 K menuju ke suhu

keluaran2h

T . Aliran gas bertekanan rendah, 0.101 MPa,

dihangatkan dari 82 K ke suhu2c

T . Laju alir massa dari aliran

hangat adalah 1.0 kg/s, sedangkan laju alir massa untuk aliran

panas adalah 0.95 kg/s. Kapasitas panas rata-rata dari fluida

panas dan fluida dingin diasumsikan konstan pada rentang

suhu tersebut sebesar 1.599 kJ/kg K dan 1.013 kJ/kg K. Jika

koefisien perpindahan panas keseluruhan untuk heat

exchanger seluas 50 m2 ini diasumsikan konstan pada 110

W/m2 K, tentukan keefektifan heat exchanger, suhu keluaran

untuk kedua fluida, dan laju perpindahan panas untuk

exchanger ini.

5.2 Jika sebuah aliran paralel heat exchanger telah dipilih untuk

mendinginkan aliran gas bertekanan tinggi pada soal 5.1,

tentukan keefektifan heat exchanger, suhu keluaran kedua

fluida, dan laju perpindahan panas untuk exchanger ini. Asumsi

laju alir massa, kapasitas panas rata-rata, luas area exchanger

dan koefisien perpindahan panas keseluruhan adalah sama

dengan soal 5.1.

5.3 Aliran balik dalam plate-fin heat exchanger adalah gas helium

dingin dengan laju alir massa 0.3 kg/s dan tekanan masuk serta

suhunya adalah 0.101 MPa dan 110 K. Asumsi bahwa dimensi

exchanger untuk sisi dingin exchanger adalah identik dengan

bagian yang hangat dan sebuah permukaan bebas alir seluas

0.03 m2 juga tersedia untuk aliran countercurrent dari gas

helium dingin, hitung koefisien perpindahan panas keseluruhan,

jumlah unit perpindahan panas untuk heat exchanger, suhu

keluaran gas dingin, dan panjang heat exchanger yang

175




dibutuhkan jika efektifitas keseluruhan dari heat exchanger

tidak bisa kurang dari 0.85.

5.4 Suatu siklus Linde sederhana digunakan untuk mencairkan

nitrogen dan beroperasi di antara 0.101 dan 10.1 Mpa. Jikasuhu dari gas bertekanan tinggi yang meninggalkan kompresor

adalah 300 K dan kompresor bekerja secara isotermal dan

reversibel, apakah efek dari pengurangan efektifitas dari heat

exchanger dari 1.0 ke 0.95 pada yield cairan, kerja per unit

massa dicairkan, dan figure of merit?

Bahan bacaan: Cryogenic Process Engineering hal. 220-235

5.2 KOMPRESOR

Kompresi mengambil bagian yang sangat penting untuk

sebagian besar kebutuhan energi dalam produksi gas-gas industri

dan dalam pencairan gas alam. Untuk menekan biaya dan perawatan

fasilitas kriogenik, perlu dilakukan perhatian khusus ketika memilih

alat-alatnya. 3 tipe utama kompresor yang paling sering digunakan

adalah reciprocating, sentrifugal dan screw.

5.2.1Kompresor reciprocating

Sekarang ini banyak refrigerator dan liquifier yang besar-besar

menggunakan kompresor reciprocating. Walaupun efisien, kompresor

reciprocating cenderung besar, berisik, memiliki kebutuhan

perawatan yang tinggi, dan sering menimbulkan masalah

getaran/vibrasi.

Masalah-masalah ini telah membawa kita ke arah

perkembangan desain balanced-opposed. Desain ini menyediakan

keseimbangan operasi diantara silinder yang saling bertentangan

(lihat Gambar 5.8). Kedua gaya primer dan sekunder yang tidak

seimbang antara silinder yang bertentangan telah di hilangkan,

sehingga mengurangi getaran mesin. Hasil akhirnya adalah umur

kompresor yang lebih panjang, pondasi yang lebih ringan, dan

kebutuhan perawatan yang lebih rendah. Balance-opposed

176




kompresor juga memiliki kelebihan yaitu menggunakan ruangan yang

lebih sedikit karena instalasi yang lebih rapat antara pendingin dan

pipa-pipanya. Ruang kompresor juga dapat di hemat dengan cara

menggantung rotor untuk synchronous motor drive, sehinggamenghilangkan sambungan shaft yang panjang, outboard, bearing

dan flywheels.

Gambar 5.8 kompresor reciprocating balance-opposed

Kompresor reciprocating dapat digunakan untuk rentang

volume dan tekanan yang cukup luas. Balance-opposed kompresor

reciprocating dapat beroperasi hingga 11,200 kW (15,000 brake

horsepower) dalam satu unit yang menggunakan dua hingga sepuluh

kompresor silinder dan dapat menangani rentang tekanan yang

begitu luas karena kompresor ini beroperasi pada efisiensi maksimum

dalam seluruh kondisi load. Untuk aplikasi yang membutuhkan

horsepower dibawah 400 kW, digunakan motor induksi karena unit

tersebut biasanya memperbolehkan untuk start dibawah kondisi load,

memiliki desain yang lebih sederhana, dan memiliki kebutuhan

perawatan yang lebih rendah.

177




Digunakan tiga tipe piston seal dalam kompresor reciprocating

yang berhubungan dengan sistem pencairan helium, yaitu: cincin

Teflon, cincin logam yang dilumasi, atau segel labirin. Trend baru-

baru ini lebih mengarah ke kompresor tanpa pelumas. Silinder-silinder ini antara lain, cincin piston Teflon, cincin rider, dan pressure

packing.

Sebagai perbedaan dari kompresor Teflon dry-running,

keistimewaan khusus dari kompresor piston labirin adalah tidak

adanya friksi pada bagian gas-swept nya. Kedua dinding piston dan

silinder di buat dengan sejumlah besar lekukan. Hal ini menghasilkan

efek penyegelan labirin. Kompresor piston labirin memiliki rentang

kapasitas hingga 10,000 m3/h dengan tekanan hingga 25 Mpa.

Kompresor dengan pelumas, digunakan dalam sistem oksigen,

biasanya beroperasi pada kecepatan piston yang lebih rendah

sehingga mengurangi bahaya panas yang ditimbulkan. Sebagai

alasan keamanan dalam merawat mesin-mesin ini, dilakukan kontrol

yang keras akan prosedur pembersihan untuk meyakinkan bahwa

tidak ada oli di dalam silinder kerja dan pemasangan valve.

Baru-baru ini kompresor reciprocating telah dikembangkan

untuk menyesuaikan dengan kebutuhan untuk mengompresi uap

helium dingin. Suatu unit yang telah dikembangkan oleh Fermilab

terdiri atas sebuah pengaturan stainless steel piston/silinder dengan

pegas yang berisi poppet-style valve masukkan dan keluaran yang

kesemuanya terbuat dari logam. Valve-valve ini didesain sebagai

check valve. Suatu pengujian menunjukkan bahwa efisiensi adiabatik

dari kompresor ini beragam mulai dari 40 hingga 70 % sebagai fungsi

rasio tekanan dengan kebocoran panas (heat leak) 35 W ± 10 W.

Kompresor ini dapat menangani aliran massa daro 0 hingga 0.065

kg/s pada kecepatan 250 hingga 450 rpm. Helium dua fase pada

masukkan tidak menimbulkan masalah untuk kompresor ini.

Driver atau penggerak untuk kompresor reciprocating harus

dipilih menurut kebutuhan ekonomi dari tiap-tiap plant site. Driver

dengan gear (geared drives) adalah yang paling umum digunakan

178




ketika suplai steam yang cukup telah tersedia, sedangkan driver

dengan motor (motor drives) digunakan ketika utilitas lokal

menawarkan laju dengan daya rendah dalam jangka waktu yang

cukup lama. Motor drives ini telah digunakan untuk menggantikanmotor induksi pada wilayah-wilayah yang berbahaya. Gas prime

movers digunakan ketika memiliki suplai bahan bakar gas dengan

biaya rendah yang cukup.

Kebanyakan driver mesin adalah yang bertipe kecepatan.

Variasi kecepatan antara 50 dan 100 % dapat ditangani. Karena

kehilangan dari friksi akibat cairan pada kompresor berkurang pada

rpm yang lebih rendah, tipe kontrol seperti ini dapat digunakan untuk

memperoleh efisiensi yang tinggi.

5.2.2Kompresor sentrifugal

Kompresor sentrifugal telah dikembangkan selama beberapa

tahun terakhir untuk memiliki ketahanan yang lebih baik. Sekarang

ini banyak kompresor turbo digunakan dalam industri hidrokarbon

untuk pemisahan dan pencairan gas dalam pabrik pemisahan udara.

Efisiensinya yang tinggi juga membuat kompresor ini ideal untuk load

dasar dalam pabrik LNG.

Kompresor sentrifugal merupakan tipe axial ataupun radial.

Kompresor radial digunakan untuk suction volume antara 0.5 dan 70

m3/s, sedangkan kompresor axial digunakan untuk volum laju alir

yang sangat besar dimulai dari 20 m3/s hingga lebih dari 280 m3/s.

Untuk desain tekanan tinggi dan rapat, beberapa kompresor

axial harus memiliki impeler yang tertempel pada shaft. Diaphgram

digunakan untuk memisahkan stage-stage individual dan juga untuk

mengontrol ketinggian dan arah gas menuju ke stage berikutnya.

Tekanan dan aliran dikontrol melalui guide vanes, yang tertempel

pada masukkan dari tiap-tiap impeler.

Menggunakan bearing yang sesuai adalah sangat penting

dalam meningkatkan operasi mekanis dari sebuah kompresor turbo.

179




Untuk kompresor kecil dengan kecepatan putar diatas 10,000 rpm,

biasanya digunakan ruas bearing dengan bantalan miring.

Untuk menghilangkan kebocoran gas, segel shaft spesial telah

disediakan pada ujung akhir kopling. Tergantung pada jenis gas yangsedang ditangani, ada tiga tipe sistem penyegelan berbeda yang

dapat digunakan. Segel labirin (labyrinth seal) adalah yang paling

mudah dan hanya digunakan ketika kebocoran konstan ke atmosfir

dapat diatasi. Segel cincin mengapung (floating ring seal) biasanya

digunakan untuk gas-gas yang mudah terbakar, beracun, atau mudah

meledak dikarenakan kebocoran ke atmosfir dapat ditahan hingga

jumlah yang sangat sedikit. Segel mekanis (mechanical seal)

digunakan ketika sama sekali kebocoran gas yang terjadi tidak dapat

diatasi. Segel mekanis ini berupa segel cincin mengapung yang

kemudian dicocokkan dengan shaft mekanis. Shaft berfungsi sebagai

cincin karbon geser pada bagian gas.

Kompresor turbo dapat menjadi tidak stabil ketika mereka tidak

lagi dapat menahan tekanan kedalam sistem dibandingkan dengan

yang dikeluarkannya. Hal ini mengakibatkan penurunan dalam volum

aliran, dan terjadi gelombang. Gelombang-gelombang ini dapat

merusak kompresor. Sehingga, suatu sistem kontrol yang memadai

perlu dipasang untuk mengeluarkan gas berlebih atau

mengembalikannya ke bagian suction melalui sebuah pendingin

(cooler).

Kompresor turbo memiliki beberapa bagian yang harus

dipasang. Ketika di desain secara memadai, kompresor ini dapat

beroperasi untuk jangka waktu yang lama tanpa kegagalan atau

keausan yang signifikan. Pengotor di dalam gas yang sedang

diproses, dalam oli pelumas jika digunakan, dan dalam cooling water

dapat mengurangi jangka waktu operasi dari turbin secara signifikan.

Pengotor dapat menyebabkan erosi, korosi, dan pembentukan kerak.

Untuk meningkatkan ketahanan kompresor adalah sangat

kritikal untuk memilih bahan yang tepat ketika mengoperasikannya

pada lingkungan yang keras. Dengan menggunakan bahan yang

180




sesuai, kompresor sentrifugal dapat didesain untuk menangani gas-

gas yang korosif dan erosif. Untuk memilih bahan yang tepat, semua

kondisi operasi yang mungkin terjadi harus didefinisikan secara

akurat.Ketika memilih kompresor sentrifugal, faktor desain dan

ekonomi sangatlah penting. Pemilihan bahan juga sangat kritikal

untuk performa kompresor dan kebutuhan perawatan.

5.2.3Kompresor screw

Kompresor screw pertama kali di kembangkan di Swedia pada

awal tahun 1930-an. Desainnya dimodifikasi pada tahun 1958 untuk

memasukkan mekanisme oil injection. Svenska Rotor Maskiner adalah

pemegang terbesar dari paten kompresor screw; bagaimanapun,

beberapa perusahaan lain juga memiliki izin kebanyakan untuk

pembuatan aktual. Kompresor screw secara luas digunakan didalam

pendinginan dan pencairan freon dan helium. Mereka juga

berkompetisi dengan balance-opposed kompresor reciprocating di

beberapa aplikasi yang lebih besar.

Sebagian besar kompresor screw adalah jenis yang

menggunakan pelumas oli dan berupa semihermetic atau pun open

drive. Pada jenis semihermetic motornya terletak dalam tempat yang

sama dengan penutup kompresornya, sedangkan pada jenis open

drive motornya terletak diluar penutup kompresor sehingga

membutuhkan segel untuk shaftnya.

Satu-satunya bagian bergerak pada kompresor screw adalah

dua intermeshing helical rotors. Rotor tersebut terdiri atas sebuah

male lobe, yang berfungsi sebagai piston berputar, dan sebuah

female flute, yang berfungsi seperti silinder. Female rotor terdiri atas

enam flute sedangkan male rotor hanya memiliki empat lobe. Karena

kompresi screw berputar merupakan proses positive-displacement

yang kontinyu, maka tidak terjadi gelombang dalam sistem ini.

Sebuah siklus dari dari kompresi ditunjukkan pada Gambar 5.9.

Ketika rotor tertarik ke dalam melewati intake port, gas tertarik

181




secara axial ke dalam rotor kompresor (lihat Gambar 5.9a). Ketika

pisau rotor berputar melewati intake port, maka gas akan

terperangkap seperti terlihat pada Gambar 5.9b. Ketika rotor

mendorong gas kedepan, rongga dimana gas terjebak didalamnyamenjadi semakin kecil (lihat Gambar 5.9c). Gas yang terkompresi

kemudian dibuang ke exit port setelah proses berlangsung semua.

Gambar 5.9 Langkah-langkah proses kompresi di dalam kompresor screw.

Bagian yang diarsir merepresentasikan satu volum gas ketika gas

tersebut melewati kompresor

182




Kompresor screw membutuhkan perawatan yang sangat sedikit

karena rotor berputar pada kecepatan yang konservatif dan

terlumaskan dengan baik dengan oli pendingin. Kompresor screw

biasanya berjalan dengan kondisi dingin, sehingga meminimisasikebutuhan pergantian oli dan intercoolers.

Salah satu keuntungan utama dari kompresor screw adalah

kompresor ini mampu memperoleh rasio tekanan tinggi dalam mode

tunggal. Untuk memperoleh volume tekanan tinggi yang sama akan

membutuhkan mesin reciprocating stage ganda. Dikarenakan

keuntungan ini dan yang lainnya, kompresor screw sekarang lebih

diinginkan dibandingkan kompresor reciprocating untuk aplikasi

pendinginan dan pencairan helium. Kompresor ini bersaing dengan

kompresor reciprocating dalam beberapa aplikasi lainnya.

5.3 EKSPANDER

Fungsi utama dari peralatan ekspansi kriogenik adalah untuk

mengurangi suhu gas yang sedang diekspansi untuk menyediakan

kebutuhan akan pendingin. Ekspansi fluida untuk menghasilkan

pendinginan dapat dibedakan dengan jelas menjadi dua bagian: (1)

dalam valve Joule-Thomson dimana tidak ada kerja dihasilkan, dan (2)

pada ekspander dimana kerja mekanis dihasilkan. Walaupun kedua

jenis kompresor tadi akan dibahas, ekspander turbo juga akan

diberikan untuk kebanyakan aplikasi ekspansi kering.

Sebuah ekspander merupakan alat mekanik untuk merubah

sebagian energi dari sebuah aliran proses menjadi suatu kerja

mekanis yang berguna, sehingga menghasilkan penurunan pada suhu

dan tekanan fluida proses. Ada dua daerah aplikasi untuk

pengembalian daya ekspander dan pendinginan. Dalam

pengembalian daya, tujuannya adalah untuk menghasilkan energi

listrik dari “panas buangan/waste heat”, sedangkan dalam

pendinginan (atau pencairan) tujuannya adalah untuk mendinginkan

fluida proses, dan kerja yang dihasilkan merupakan kepentingan

sekunder.

183




5.3.1Ekspander reciprocating

Konsep dari ekspander reciprocating adalah mirip dengan

kompresor reciprocating. Umumnya, unit-unit ini digunakan dengantekanan masukkan antar 4-20 MPa, walaupun begitu ekspander ini

digunakan juga pada tekanan kurang dari 4 MPa untuk aliran yang

kecil atau gas-gas dengan berat molekul yang rendah. Mesin ini

beroperasi pada kecepatan hingga 500 rpm. Efisiensi termalnya

(perbedaan aktual entalpi/perbedaan entalpi maksimum yang

mungkin) berkisar antara 75 % untuk unit yang kecil hingga 85 %

untuk mesin-mesin besar. Sebuah keuntungan dari mesin

reciprocating adalah efisiensi mereka relatif kurang sensitif

dibandingkan perubahan substansial dalam kondisi operasi.

Ekspander reciprocating pertama kali dibuat oleh Georges

Claude pada tahun 1902. Pada tahun 1912, Heylandt

mengembangkan efisiensi ekspander dengan memperpanjang

silinder dan piston sehingga piston dapat di segel pada suhu kamar.

Sebuah gambaran skemaatik dari ekspander Heylandt diperlihatkan

pada Gambar 5.10. Piston terdiri atas dua bagian, sebuah penutup

yang terbuat dari bahan dengan konduktivitas panas yang rendah

dan sebuah piston penyegel. Pengembangan selanjutnya dilakukan

oleh Collins ketika ia memasukkan tongkat piston yang fleksibel yang

dijaga regangannya. Collins juga memperbaiki ketahanan aus dari

piston dengan memasang Micarta sleeve diantara silinder, piston, dan

tutup yang termodifikasi (lihat Gambar 5.11).

Beberapa keistimewaan perancangan ekspander reciprocating

termasuk dudukan valve keras yang baru, paking valve spesial yang

mencegah kebocoran, dan cincin rider piston yang berfungsi sebagai

pengarah bagi piston. Untuk ekspander tanpa pelumas, digunakan

cincin non-logam. Cylinder liner yang mudah dipindahkan dan piston

yang mengapung memberikan kesejajaran dan ketahanan aus yang

baik.

184




Gambar 5.10 Gambaran skematik dari pengaturan piston dalam ekspander

reciprocating Heylandt

Ada lima sumber utama penyebab ketidakefisienan (inefisiensi)

yang terkait dengan ekspander reciprocating, yaitu: (1) valve losses

dalam kaitannya dengan drop pressure yang melewati valve yang

disebabkan karena ketahanan aliran fluida; (2) ekspansi yang tidak

sempurna, karena valve masukkan dan keluaran tidak terbuka dan

tertutup ketika piston berada pada posisi ekstrimnya; (3) kebocoran

panas dalam kaitannya dengan panas yang sedang dipindahkan dari

lingkungan ke gas selama masa ekspansi; (4) ekspansi yang tidak

ideal karena panas yang terbentuk dari gesekan antara cincin piston

dan silinder juga dipindahkan ke gas yang sedang mengembang; dan

(5) kehilangan luas/ruang yang mengurangi efek pendinginan secara

keseluruhan. Ruang yang ada ketika piston berada pada posisi

ekstrimnya memerangkap gas yang nantinya harus di tekan ulang.

Kerja yang digunakan untuk menekan ulang gas yang tertinggal

185




harus berasal dari jumlah gas masukkan selanjutnya. Tiap-tiap losses

yang telah disebutkan diatas berkontribusi terhadap inefisiensi

sebesar 2 hingga 6 % pada mesin ekspansi reciprocating. Efisiensi

isentropik keseluruhan dari sebuah mesin reciprocating umumnyamemiliki rentang dari 75 hingga 82 %.

Gambar 5.11 Gambaran skematik dari sebuah ekspander Collins dengan

Micarta sleeve pada seluruh permukaan yang mudah aus

Dalam operasi normal, perlu diperhatikan agar tidak terbentuk

cairan selama siklus ekspansi pada ekspander reciprocating. Cairan

dalam ruang ekspansi dapat menyebabkan erosi dan korosi dari

peralatan tersebut. Masalah-masalah mekanis yang cukup serius juga

dapat muncul jika ada cairan yang membeku dalam silinder

186




ekspander. Perhatian khusus juga perlu diambil untuk mencegah

ekspansi gas ke daerah uap-cair dan daerah titik triple dari refrigeran.

5.3.2 Expander turbo (turboexpander)Ekspander turbo telah menggantikan ekspander reciprocating

dalam pemasangan daya tinggi begitu juga dengan pencair helium

kapasitas kecil. Ukurannya memiliki rentang dari 0.75 hingga 7500

kW dengan laju alir mencapai 28 juta m3/hari. Ekspander jenis ini

lebih dipilih dibandingkan peralatan kriogenik yang lain karena

kemampuannya untuk mengembunkan etana dan hidrokarbon-

hidrokarbon berat lainnya. Ekspander jenis ini biasanya memiliki

berat dan biaya yang lebih kecil dan juga membutuhkan ruang dan

operator yang lebih sedikit. Beberapa ekspander turbo telah

beroperasi selama lima tahun tanpa kegagalan.

Fungsi utama dari ekspander turbo adalah menyediakan

ekspansi dari sebuah gas dengan recovery dari kerja yang dihasilkan.

Kebanyakan desain dari turbo ekspander adalah gas-bearing dan

centripetal radial inflow. Sebuah potongan dari ekspander turbo

diperlihatkan pada Gambar 5.12. Sebuah shaft menyambungkan

brake compressor wheel pada ujung sisi hangat dengan roda turbin

pada ujung sisi dingin. Brake compressor wheel mengontrol

kecepatan putar shaft dengan sirkuit dayanya. Sirkuit daya terdiri

atas sebuah throttle valve dan sebuah heat exchanger. Sistem daya

ini mengambil kerja dari gas dalam ekspander dan memindahkan

energi ini sebagai panas dalam sebuah heat sink. Bearing radial

memiliki tiga bantalan miring yang di desain secara aerodinamis yang

menjaga lapisan pelumas gas antara bantalan dan shaft.

Ekspander turbo dapat diklasifikasikan sebagai axial mauupun

radial. Ekspander dengan aliran axial memiliki jenis pisau impulse

atau reaksi dan sangat cocok untuk ekspander multistage karena

memreka memberikan jalur aliran yang lebih mudah dari satu stage

ke stage yang lainnya. Lain halnya dengan ekspander turbo radial,

ekspander ini memiliki regangan yang lebih rendah pada kecepatan

187




yang diberikan, hal ini membuat ekspander untuk bekerja pada

kecepatan tinggi. Efisiensi yang lebih tinggi dengan kebutuhan energi

yang lebih rendah dapat dihasilkan oleh ekspander ini.

Gambar 5.12 Ekspander turbo kriogenik dengan sistem bearing self-acting

gas

Ketika mengoperasikan ekspander turbo, beberapa

wilayah/area perlu diperhatikan. Debu atau partikel-partikel padatan

dalam aliran gas dapat menyebabkan erosi pada ekspander. Ketika

mengoperasikan ekspander pada kecepatan sebesar 200 m/s,

resonansi frekuensi dapat terjadi sehingga dapat meretakkan rotor.

Biasanya, pabrikan akan melaporkan mode frekwensi terendah yang

188




merupakan four-node rim atau vibrasi saddle. Masalah lain

mengikutsertakan sebagian aliran yang terkondensasi, yang dapat

menyebabkan erosi pada rotor. Dalam kondisi operasi normal, tidak

lebih dari 15-20 % berat dari gas diperbolehkan untuk terkondensasiketika melewati ekspander turbo jika ingin meminimisasi kerusakan.

5.3.3 Joule-Thomson valve

Joule-Thomson valve (JT valve) sering juga disebut sebagai

expansion valve. Valve-valve ini merupakan komponen yang cukup

penting dalam kebanyakan sistem pendinginan. JT valve memberikan

pilihan yang cukup menarik terhadap ekspander turbo untuk aplikasi

gas recovery dalam skala kecil. Plant ini biasa disebtu sebagai Joule-

Thomson plant.

Fungsi prinsipal dari JT valve adalah untuk memperoleh

pendinginan isentalpik dari gas yang mengalir melalui valve. Sebuah

valve tipikal diberikan pada Gambar 5.13. Untuk mengurangi masalah

penyegelan pada valve dan meminimisasi kebocoran melalui valve-

stem packing, aliran bertekanan tinggi selalu dimasukkan secara

langsung pada bagian bawah valve jauh dari dudukan valve. Kontrol

positif pada posisi valve sangat disarankan diatas pegas balik valve

karena pengotor dapat menyebabkan dudukan valve melekat.

Gagang valve biasanya dibuat cukup panjang sehingga penyegelan

gagang berada pada suhu ambien. Dinding dari tube dengan sengaja

dibuat tebal dan berlubang untuk mengurangi perpindahan panas.

Fungsi lain dari expansion valve adalah untuk memisahkan cairan

yang terbentuk setelah ekspansi dari uap.

JT valve ini, selain telah digunakan secara luas untuk proses

pendinginan juga telah menawarkan suatu alternatif yang menarik

sebagai pengganti ekspander turbo untuk aplikasi recovery

hidrokarbon ringan skala kecil. Dalam Joule-Thomson plant,

ekspander dihilangkan, tapi untuk memperoleh level recovery yang

sama seperti pada plant ekspander turbo, kompresornya harus

dinaikkan skalanya terlebih dahulu (scaled up). Keuntungan lain dari

189




JT valve selain kesederhanaannya secara keseluruhan dalam

pengoperasiannya adalah kemampuannya untuk beroperasi dibawah

masukkan laju alir gas dengan rentang yang lebih luas dan beragam.

Gambar 5.13 Tipikal Joule-Thomson valve

190

bab 5

Documents