SEMINAR TESIS

ANALISA THERMODINAMIKA TERHADAP BAHAYA LEDAKAN

PADA TANGKI STORAGE AMONIAK CAIR

Disusun Oleh Joko Siswanto 2307 201 201

Dosen Pembimbing

Dr. Ir. KUSWANDI, DEA NIP. 131 651 422

LABORATORIUM THERMODINAMIKA JURUSAN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA 2010

PENDAHULUAN

Kebakaran dan ledakan mengakibatkan kerugian materi serta korban yang banyak baik meninggal dunia, cacat seumur hidup

• Penyebab kebakaran dan ledakan: – Human eror (kesalahan faktor manusia) – Kesalahan prosedur kerja (SOP atau Instruksi kerja) – Disengaja ( pembakaran untuk mendapatkan asuransi, pengambilan

sumber alam dengan peledakan dan lain-lain) Undang Undang Republik Indonesia No. 1 Tahun 1970 Tentang

Keselamatan Kerja, pasal 3 ayat 1 berbunyi “ Dengan peraturan perundangan ditetapkan syarat-syarat keselamatan kerja untuk:

a). mencegah dan mengurangi kecelakaan, b). mencegah, mengurangi dan memadamkan kebakaran, c). mencegah dan mengurangi bahaya peledakan”. Peraturan tersebut menjadi salah satu dasar diwajibkannya upaya

pengendalian resiko terhadap bahaya kebakaran dan ledakan. Pelanggaran atas peraturan tersebut berimbas pada pemberian sanksi

(tindakan hukum) (Pasal 15 ayat 1, 2 dan 3, UU RI No. 1 Tahun 1970).

Latar Belakang Permasalahan

Penelitian Terdahulu • Penelitian Ledakan;

– Lestari dan Nurdiansyah (2007) : potensi bahaya kebakaran dan ledakan pada tangki timbun premium

– Marchini dkk (2008) : ledakan yang menimbulkan kobaran api, kecelakaan terjadi selama pengisian LPG dari tangki mobil ke dalam gudang penyimpanan (studi kasus)

– Ercelebi dkk (2008) :parameter geologi dan operasional dalam memprediksi ledakan yang diakibatkan airblast-overpressure pada penggalian.

– Zhang dkk (2008): karakteristik ledakan dari gas ClO2 dari berbagai macam konsentrasi.

– Wu Zong-Zhi dkk (2008) : ledakan bahan pelarut uap air (CVE) dalam bangunan berbentuk cincin yang beratap dengan alas mengambang di atas kaki peyangga (studi kasus).

Penelitian Amoniak_Air;

– Smolen dan Polling (1991): data VLE sistem amoniak_air untuk komposisi overall, tekanan dan suhu 20 OC – 140 OC

– Kusnul dan Setia (2004) : identifikasi dan evaluasi sistem penyimpanan amoniak dalam upaya pencegahan pencemaran lingkungan hidup (studi kasus di PT.Pupuk Kaltim)

– Gulthom (2009) : Data primer dari observasi diolah dengan dengan perangkat lunak ALOHA (Area Locations of Hazardous Atmosphere) dihasilkan perhitungan pola penyebaran bahan kimia amoniak.

• Penelitian ini bertujuan memperoleh perubahan tekanan pada tangki storage yang menyebabkan ledakan, yaitu pada saat pengisian (loading) amoniak cair dari pipa I maupun pipa II ke dalam tangki storage. Ledakan tersebut disebabkan karena tekanan uap dari campuran amoniak air dalam tangki storage meningkat yang besarnya melebihi kemampuan tekanan logam yang ada dan kemampuan kompresor yang tidak maksimal dalam menyerap uapnya untuk dilakukan pendinginan menjadi amoniak cair (refrigerasi). Dalam studi ledakan tangki storage amoniak cair tersebut akan ditinjau dan dianalisa dari ilmu themodinamika.

Rumusan Masalah

• Campuran amoniak dan air dengan flowrate yang tinggi akan terjadi perubahan properti pencampuran

• Sifat amoniak dapat berubah menjadi uap tergantung pada kondisi suhu dan tekanan

• Terjadi peningkatan dan penumpukan uap amoniak pada tangki yang tidak diimbangi dengan kemampuan pendinginan oleh kompresor

• Terjadi build up pressure (tekanan uap meningkat) yang besarnya melebihi tekanan logam yang ada.

Tujuan Penelitian

• Menentukan korelasi kesetimbangan uap_cair sistem amoniak air pada berbagai suhu.

• Mempelajari pengaruh perubahan suhu (Suhu real -25.75 C dan suhu variasi -40 C) dan komposisi aliran masuk dari pipa I terhadap perubahan tekanan.

• Menganalisa resiko bahaya ledakan pada tangki storage.

Manfaat Penelitian

• Dengan pengelolaan, pemantauan, dan pengoperasian sistem penyimpanan amoniak secar benar, maka lingkungan di dalam pabrik dan lingkungan sekitar akan terhindar dari pencemaran uap amoniak maupun amoniak.

• Memberi manfaat bagi pengembangan ilmu dan teknologi pengoperasian sistem penyimpanan amoniak.

Batasan Masalah

• Penelitian dilakukan dalam skala simulasi

• Teknik observasi

• Dari data-data yang diperoleh dilakukan perhitungan dengan properti campuran amoniak air yaitu suhu campuran dan kesetimbangan uap_cair.

1

2

4

5

6

7 9

10 11 8

2

3

12 13

14

PROSES PENDINGINAN

PIPA I PIPA II

PIPA III TANGKI

STORAGE

Uap

Liquid

METODE PENELITIAN Neraca Massa dan Neraca Energi Aliran Pipa III

PIPA I PIPA II

PIPA III

Rate, suhu (-25.75oC dan -40oC), konsentrasi Amoniak (variasi)

Rate, suhu, komposisi stabil

H1,EK1 H2,EK2

H3,EK3

∑min( EK+EP+H) – (∑mout(EK+EP+H)+Q+(-∆H reaksi) =0 (HK BERNOULI)

H3 = (mCp∆T) Pipa III = [(mCp∆T) NH3 + (mCp∆T) H2O ] Pipa III

Dengan bantuan software Goalseek didapatkan suhu aliran pipa III

Rate pipa I + Rate pipa II = Rate pipa III

Neraca Massa dan Neraca Energi Tangki Storage

PIPA III

H3,EK3

Q

H AWAL

EK AWAL PENDINGINAN

UAP

LIQUID

H3 + EK3 + HAWAL+ EKAWAL + (-Q) = H TOTAL

Q = m λ, λ = ∆H Vaporation (Watson) 38.0

1

2

1

2

1

1

r

r

T

T

H

H

Massa Pipa III + Massa Tangki awal = Massa Tangki Akhir

= Waktu x Massa Tangki Akhir

Menentukan Suhu Tangki Keadaan Akhir

• H total = (mCp∆T) Akhir = [(mCp∆T) NH3 + (mCp∆T) H2O] Akhir

• Dengan bantuan software Goalseek didapatkan suhu tangki storage keadaan akhir (variasi waktu)

• Cp = koefisien panas pada tekanan konstan

= aoT + 1/2a1T2 + 1/3a2T3 + 1/4a3T4 + 1/5a4T5

dimana = ao, a1, a2, a3, a4, a5 konstanta

Menentukan Tekanan Uap (P Buble) Tangki Storage

satsat

Buble PxPxP 222111

Menentukan Parameter Margules A12 dan A21

• Untuk mendapatkan nilai parameter Margules yaitu dengan fiting antara x1 terhadap GE/RT eksperimen dengan x1 terhadap GE/RT perhitungan dari data IV Vapor-Liquid Equilibrium Data for the NH3-H20 System and Its Description with a Modified Cubic Equation of State (Thomas M. Smolen, David B. Manley, and Bruce E.Poling,2002)

Menentukan Koefisien Aktifitaf amoniak dan air

])(2[ln 1122112

2

21 xAAAx

])(2[ln 2211221

2

12 xAAAx

Menentukan dan (Antoine)

•

• A, B dan C suatu konstanta • T = suhu

satP1

satP2

15.273log10

CT

BAPvp

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

• Perhitungan Tekanan Uap (P Buble) dengan suhu Aliran Pipa I

• -25.75oC :

Enthalpi (H1) dan Enthalpi (H3) nilainya semakin turun dengan kenaikan konsentrasi amoniak.

Enthalpi (H2) - 3.1x1011 Joule , energi kinetik (EK2) 19.4 Joule

Energi kinetik (EK1) dan energi kinetik (EK3) nilainya semakin turun dengan bertambahnya konsentrasi amoniak

Suhu aliran pipa III relatif kecil atau hampir tidak ada perubahan yang signifikan dengan kenaikan konsentrasi amoniak

Enthalpi tangki storage awal (H awal) -2.4x1012 Joule, energi kinetik tangki storage awal (EK awal) = tidak ada

Panas laten (Q) yang diserap oleh kompresor 8124.49 Joule

Suhu tangki storage keadaan akhir semakin naik dengan bertambahnya waktu.

Perhitungan Parameter Margules Margules A12 -0.482 dan A21 -3.44

Tekanan uap (P Buble) naik dengan bertambahnya waktu

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

• Perhitungan Tekanan Uap (P Buble) dengan suhu Aliran Pipa I

• -40oC :

Enthalpi (H1) dan Enthalpi (H3) nilainya semakin turun dengan kenaikan konsentrasi amoniak.

Enthalpi (H2) - 3.1x1011 Joule , energi kinetik (EK2) 19.4 Joule

Energi kinetik (EK1) dan energi kinetik (EK3) nilainya semakin turun dengan bertambahnya konsentrasi amoniak

Suhu aliran pipa III semakin turun dengan kenaikan konsentrasi amoniak

Enthalpi tangki storage awal (H awal) -1.5X1012 Joule,

energi kinetik tangki storage awal (EK awal) = tidak ada

Panas laten (Q) yang diserap oleh kompresor 8015.89 Joule

Suhu tangki storage keadaan akhir semakin naik dengan bertambahnya waktu.

Perhitungan Parameter Margules Margules A12 -0.482 dan A21

-3.44

Tekanan uap (P Buble) naik dengan bertambahnya waktu

X1(NH3)

Suhu

Alir

an P

ipa

III (

o C)Suhu Pipa I -25.75oC

Suhu Pipa I -40oC

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-34

-32

-30

-28

Gambar 1 Kurva variasi konsentrasi amoniak terhadap suhu pipa III

X1(NH3)

Ent

halp

i Pip

a II

I (Jo

ule)Suhu pipa I -25.75oC

Suhu Pipa I -40oC

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-6

-5

-4

(1011)

Gambar 2. Kurva variasi konsentrasi amoniak terhadap variasi enthalpi pipa III

X1(NH3)

Ener

gi K

inet

ik P

ipa

III (

Joul

e)Suhu Pipa I -25.75oC

Suhu Pipa I -40oC

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0

0.5

1

(108)

Gambar 3. Kurva variasi konsentrasi amoniak terhadap energi kinetik (EK) aliran pipa III

Waktu (menit)

Suhu

Tan

gki (

o C)

Suhu Pipa I -25.75oC

Suhu Pipa I -40oC

0 5 10

-80

-60

-40

-20

0

Gambar 4. Kurva variasi waktu terhadap variasi suhu tangki storage akhir

Waktu (menit)

Teka

nan

Tang

ki S

tora

ge (K

pa)

Suhu Pipa I -25.75oC

Suhu Pipa I -40oC

0 5 10

0

200

400

600

Gambar 5. Kurva variasi waktu terhadap variasi tekanan uap (P buble)

tangki storage

X1

GE/

RTGE/RT Eks.

GE/Rt Cals.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-0.6

-0.4

-0.2

0

Gambar 6. Kurva variasi x1 terhadap variasi GE/RT

KESIMPULAN • Dari analisa dan pembahasan pada penelitian ini yang ditinjau

dari ilmu thermidinamika dapat disimpulkan beberapa properti sebagai berikut ; 1. Enthalpi pada aliran pipa III (H3) semakin kecil dengan

kenaikan konsentrasi amoniak dan tidak berpengaruh terhadap variasi suhu aliran pipa I.

2. Energi kinetik aliran pipa III (EK3) semakin kecil dengan kenaikan konsentrasi amoniak dan tidak berpengaruh terhadap variasi suhu aliran pipa I.

3. a. Suhu campuran aliran pipa III hampir tidak berpengaruh dengan kenaikan konsentrasi amoniak (suhu real aliran pipa I -25.75oC).

b. Suhu campuran aliran pipa III semakin turun dengan kenaikan konsentrasi amoniak (suhu variasi aliran pipa I

- 40oC). 4. Tekanan uap (P Buble) semakin naik dengan kenaikan waktu

maupun variasi suhu aliran pipa I dan nilainya melebihi tekanan logam yang diijinkan pada spesifikasi tangki storage

DAFTAR PUSTAKA • David M.HimmeblauStatistics,” Basic Principles and Calculations in chemical Engineering”, 7end

Edition, Pearson Education International, 2004

• Fthenakis, “Prevention and Control of Accident Releases of Hazardous Gases”,Van Nostrand

Reinhold, New York, 1993.

• Kusnul Nurmanto dkk,”Identifikasi dan evaluasi system penyimpanan amoniak dalam upaya

pencegahan pencemaran lingkungan,”Proseding Seminar Nasional Rekayasa Kimia dan Proses,

Semarang 2004.

• Lestari & Nurdiansyah “ Potensi Bahaya Kebakaran dan Ledakan Pada Tangki Timbun Bahan

Bakar Minyak (BBM) Jenis Premium Di Depot X Tahun 2007”, Makara Teknologi, Vol.11 No.2,

November 2007.

• Lees, F.P., “Loss Prevention In The Process Industries: Hazard Identification, Assessment and

Control”, Vol 1-3, 2nd Edition, Butterworth-Heinemann, Oxford, 1996.

• Poling & Prausnitz., “The Properties of Gases and Liquids”, Fifth Edition, Mc Graw-Hill

International, Inc., 2001.

• Smith & Van Ness., “Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics”, Sixth Edition, Mc

Graw-Hill International, Singapore, 2001.

• The International Association Shelia B Reed,”Pengantar Tentang Bahaya,”Program Pelatihan

Manajemen Bencana,”Edisi ke-3, 1995.

• The International Association For The Study Of Insurance Economics (2006) World Fire Statistics,

The Geneva Association Newsletter No 22, October 2006.

• Thomas M. Smolen, David B. Manley, and Bruce E. Poling,”Vapor-liquid equilibrium data for

ammonia-water system and its description with a modified cubic, equation of state,”J. Chem. Eng.

Data, 1991.

• Towler & Sinnott,” Chemical Engineering Design Principle Practice and Economics of Plant and

Process Design,” Elseiver, 2008.

Tabel 1. Spesifikasi tangki storage

No

Spesifikasi Keterangan

1. Kapasitas 7500 metrik ton.

2. Bentuk Storage Silinder tegak dengan tutup roof dished

3. Diameter Shell 26 meter.

4. Tinggi Shell 21.85 meter.

5. Tinggi dished 2.84 meter

5. Material Carbon stell ASTM-516 GRADE 70.

6. Temperatur Operasi - 330C

7. Tekanan Operasi 80 gram/cm2

8. Tekanan Maksimum 100 gram/cm2

9. Vakum Maksimum 5 gram/cm2

10. Isolasi Foam glass block 2 lapis, tebal 3” dan 4”

11. Kapasitas Refrigeration system

1161 kg/jam

12. Umur Storage Sekitar 23 tahun

13. Flowrate kompresor 0.387 ton/jam

13. Amonia disyaratkan NH3 = 99.8% ─ 99.5% Oksigen = 2.5 ppm H2O = 0.2% ─ 0.5%

Tabel 2. Data-data pipa I

No.

Pipa I Keterangan

1 Waktu Pengisian Mulai pukul 16.57 s/d 17.08 WIB

2 Lama waktu pengisian 11 menit

3 Jumlah amoniak terkirim 10.2 Ton

4 Flow rate 56.636 Ton/jam

5 Suhu amoniak dalam pipa - 25.75 C

6. Jarak pipa 1600 m

7 Diameter Luas penampang

6 ” 0.0182 m2

8 Tekanan 1.7 kg/cm2

Tabel 3. Data-data pipa II

No.

Pipa II Keterangan

1 Waktu Pengisian Mulai pukul 15.30 s/d 17.08 WIB

2 Lama waktu pengisian 1 jam 38 menit

3 Jumlah amoniak terkirim 79.002 Ton

4 Flow rate 64.54 ton/jam

5 Suhu amoniak dalam pipa - 29 o C

6. Diameter Luas penampang

6 ” 0.0182 m2

7 Flow rate yang diijinkan 70 ton/jam

8 Tekanan 1.7 kg/cm2

Tabel 4. Data-data pipa operasional tangki

No.

Tangki Storage Keterangan

1 Level isi amoniak dalam tangki 0.92 meter (=332 ton)

2 Tekanan operasional Tekanan Absolut

39 gram/cm2 s/d 138 gram/cm2 105.15 Kpa s/d 114.27 Kpa

3 Level isi amoniak menjelang ledakan pukul 17.08 WIB

1,14 meter (441 ton).

4 Skala level Indikator 0,2 s/d 1 Kg/cm2 = 0 s/d 20 meter level.

5 Skala level 1 ( satu ) Meter 375 Metrik Ton Amoniak

6. Berat jenis amoniak 0,68 gram/cc.

7 Penambahan level amoniak dalam tangki akibat pengiriman dari pipa II

79.008 / 375 x 1 Meter = 0.2112213m = 21.12213 cm

8 Penambahan level amoniak dalam tangki akibat pengiriman dari pipa I

10,2 / 375 x 1 Meter = 0.0272 m = 2.72 cm

9 Total penambahan level amoniak dalam tangki

(0.2112213+0.0272)m = 0.238421 m= 23.8421 cm

10 Penambahan level/menit 0.238421/11=0.0216747 m/min

11 Suhu 20 oC

Foto Close Up suhu indikator tangki storage

yang meledak

Foto Close Up indikator tekanan uap amoniak dalam tangki storage

Foto Tangki storage yang meledak secara keseluruhan

Foto Bentuk tangki storage akibat ledakan