Peralatan Utama Pada Sistem Kriogenik

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

5.1 HEAT EXCHANGER

KRIOGENIK BAB 5 PERALATAN UTAMA PADA SISTEM KRIOGENIK

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 kriogenik

akan 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 5.3 menunjukkan 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

tekanan tinggi.

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 :

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

= 2.289 kg/m3

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

Untuk menentukan apakah pola aliran laminer/turbulent maka

dihitung bilangan Reynoldnya:

Re = DeG/ = De.m/(A.) = (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.gcDe)

= 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.

172


Tipe ini banyak didapat 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

5.1.4Dasar 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

173


konstan untuk aliran panas dan dingin jika yang terjadi adalah

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:

(5.3)

(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

keluaran . Aliran gas bertekanan rendah, 0.101 MPa,

dihangatkan dari 82 K ke suhu . 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

175


exchanger yang 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. Jika

suhu 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, sehingga

menghilangkan 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.

178


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

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 menggantikan

motor 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.

179


Menggunakan bearing yang sesuai adalah sangat penting

dalam meningkatkan operasi mekanis dari sebuah kompresor turbo.

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

yang sedang 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.

180


Untuk meningkatkan ketahanan kompresor adalah sangat

kritikal untuk memilih bahan yang tepat ketika mengoperasikannya

pada lingkungan yang keras. Dengan menggunakan bahan yang

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-

181


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 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 didalamnya

menjadi semakin kecil (lihat Gambar 5.9c). Gas yang terkompresi

kemudian dibuang ke exit port setelah proses berlangsung semua.

182


Gambar 5.9 Langkah-langkah proses kompresi di dalam kompresor

screw. Bagian yang diarsir merepresentasikan satu volum gas ketika gas

tersebut melewati kompresor

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 meminimisasi

kebutuhan 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

183


pendinginan (atau pencairan) tujuannya adalah untuk mendinginkan

fluida proses, dan kerja yang dihasilkan merupakan kepentingan

sekunder.

5.3.1Ekspander reciprocating

Konsep dari ekspander reciprocating adalah mirip dengan

kompresor reciprocating. Umumnya, unit-unit ini digunakan dengan

tekanan 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

184


dan piston yang mengapung memberikan kesejajaran dan

ketahanan aus yang baik.

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

185


ketika piston berada pada posisi ekstrimnya memerangkap gas

yang nantinya harus di tekan ulang. Kerja yang digunakan untuk

menekan ulang gas yang tertinggal 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 umumnya memiliki 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

186


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

ekspander. Perhatian khusus juga perlu diambil untuk mencegah

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

refrigeran.

5.3.2Expander 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.

187


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

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

188


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

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 terkondensasi

ketika 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.

189


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

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

Peralatan Utama Pada Sistem Kriogenik

Documents

Transcript of Peralatan Utama Pada Sistem Kriogenik