BAB IV TUGAS KHUSUS
BAB IV TUGAS KHUSUS DESAIN SEPARATOR HORIZONTAL DUA FASA PADA PT. SURYA ESA PERKASA (SEP)
4.1
Latar Belakang Separator merupakan salah satu peralatan utama yang mempunyai peranan
penting dalam operasi pengolahan minyak bumi dan gas alam. Separator berfungsi memisahkan fluida produksi yang berasal dari sumur produksi menjadi dua atau tiga fasa. Separator yang digunakan pada PT. Surya Esa Perkasa (SEP) merupakan separator horizontal dua fasa. Separator ini memisahkan fluida menjadi dua komponen yaitu gas dan liquid. Pemisahan menggunakan separator diperlukan sebagai
langkah awal
pengolahan minyak bumi maupun gas alam. Ukuran separator yang kecil menyebabkan kapasitas produksi minyak bumi maupun gas alam yang dihasilkan juga kecil. Tetapi, ukuran separator yang terlalu besar jika dibandingkan dengan laju produksi sumur yang ada juga merupakan suatu pemborosan biaya kapital. Oleh karena itu, perlu diketahuinya penentuan ukuran separator dua fasa yang ideal untuk pemisahan yang baik. Disini penulis bermaksud melakukan perancangan ulang separator horizontal dua fase dalam proses produksi di PT. Surya Esa Perkasa (SEP), dengan menggunakan data-data yang ada sekarang, dan diolah dengan menggunakan perhitungan manual. Adapun beberapa alasan mengapa tidak digunakannya separator tiga fase yang selain mampu memisahkan gas dengan liquid juga dapat memisahkan komponen liquid, yaitu minyak dan air adalah bahwa separator horizontal dua fase memiliki keunggulan, dalam beberapa hal, yaitu : 1. Lebih murah untuk kapasitas gas yang sama 2. Diameter lebih kecil untuk kapasitas gas yang sama 3. Luas permukaan untuk gas dan cair lebih besar Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
53
BAB IV TUGAS KHUSUS
4. Perubahan diameter dan panjangnya juga merubah kapsitas gas 5. Mudah untuk pemasangan pipa.
4.2
Perumusan Masalah 1. Bagaimana penentuan ukuran ideal separator horizontal dua fasa. 2. Bagaimana melakukan perancangan separator horizontal dua fasa, sesuai dengan data spesifikasi alat yang dihitung secara manual.
4.3
Tujuan 1. Mengetahui faktor-faktor yang menentukan ukuran ideal separator horizontal tiga fasa. 2. Membandingkan ukuran ideal separator yang didapat melalui perhitungan menggunakan data desain dengan ukuran separator yang terpasang. 3. Merancang separator horizontal dua fase untuk proses pemisahan aliran hidrokarbon dilapangan.
4.4
Manfaat 1. Mengetahui langkah-langkah dalam menentukan ukuran ideal separator horizontal dua fasa. 2. Memahami prinsip pemisahan yang terjadi pada separator.
4.5
Tinjauan Pustaka Fluida yang berasal dari sumur-sumur produksi merupakan campuran komplek
dari berbagai komposisi hidrokarbon dengan berat jenis, tekanan uap, dan sifat fisik yang berbeda-beda. Selama mengalir dari reservoir menuju tempat pengolahan, fluida mengalami penurunan tekanan dan temperatur. Sebagian gas berubah menjadi liquid dan aliran fluida berubah karakteristiknya. Dapat terjadi aliran gas yang membawa butiran liquid, dan aliran liquid membawa gelembung gas terlarut. Sebelum pengolahan lebih lanjut, maka fluida harus dipisahkan terlebih dahulu. Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
54
BAB IV TUGAS KHUSUS
Separator merupakan peralatan awal dalam industri minyak yang digunakan untuk memisahkan fluida dari sumur produksi berdasarkan berat jenisnya. Separator dapat diklasifikasikan sebagai berikut : Berdasarkan fasa zat yang dipisahkan: 1. Separator dua fasa (memisahkan gas dari aliran liquid) 2. Separator tiga fasa (memisahkan gas, minyak,dan air) Berdasarkanbentuknya: 1.
Separator horizontal Separator horizontal hampir selalu digunakan untuk aliran yang mempunyai rasio gas terhadap liquid (Gas-Oil Ratio) yang tinggi, untuk arus yang berbuih, atau untuk liquid yang keluar dari separator sebelumnya.
2.
Separator vertikal Separator yang vertical sering dipergunakan untuk aliran fluida yang rasio gas-liquid nya (Gas-Oil Ratio) rendah sampai sedang dan diperkirakan akan terjadi liquid yang datang secara kejutan (slug) yang relative sering.
3.
Spherical Separator Separator bundar biasanya hanya berukuran kecil dan digunakan untuk kapasitas produksi yang kecil-kecil saja.
Berdasarkantekananoperasinya: 1.
High pressure separator, tekanankerjanya 650 – 1500 psi,
2.
Medium pressure separator, tekanan kerjanya 225 – 650 psi,
3.
Low pressure separator, tekanan kerjanya 10 – 225 psi.
Separator bekerja berdasarkan prinsip pemisahan berdasarkan berat jenisnya dimana diperlukan volume bejana dan waktu retensi tertentu agar fasa-fasa yang ada terpisah. Penentuan desain separator merupakan hal penting yang akan menentukan kapasitas produksi dari seluruh fasilitas yang ada.
Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
55
BAB IV TUGAS KHUSUS
Gambar 4.1 Separator Horizontal Dua Fasa
Inlet Separator pada PT. Surya Esa Perkasa (SEP) Pada system coldbox dan separasi, aliran umpan yang sudah kering (dry feed gas) dilakukan process pendinginan sampai temperature -31 Deg. F dan process separasi untuk memisahkan gas fraksi ringan dengan cairan fraksi beratnya. Pendinginan(chilling process)dilakukan melalui 2 tahapan, yaitu; 1. Pendinginan pada Series Heat Exchanger/ Cold Box 2. Pendinginan melalui Joule Thomson-Valve (JT-Valve) Pada Tahap pertama, mula-mula Gas kering dari Glycol contactor di alirkan kedalam Cold Box untuk didinginkan dengan Lean Gas dan vapor dari Fractionation Refluk drum sebelum di kirimke Pipeline. Selanjutnya feed gas di dinginkan lebih lanjut menggunakan propane refrigerant. Cold Box adalah Plate-Fin Heat Exchanger yang terbuat dari bahan aluminum yang berfungsi untuk mendinginkan feed gas, dengan cara yang sama seperti pada Series Heat Exchanger, tetapi memiliki heat transfer efficiency yang sangat tinggi.
Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
56
BAB IV TUGAS KHUSUS
Feed Gas keluar dari Series Heat exchanger/ Cold Box selanjutnya di alirkan kedalam Very Low Temperature Separator untuk memisahkan cairan yang terbentuk selama process pendinginan. Pendinginan pada tahap Kedua dilakukan dengan cara menurunkan tekanan gasnya melalui JT Valve sebelum gas masuk kedalam Very Low Temperature Separator. Ukuran separator ditentukan agar dapat memisahkan secara baik gas dan air dari aliran yang masuk ke separator tersebut. Inlet Separator yang terpasang di SEP merupakan separator horizontal dua fasa dengan diameter 42 inchi dan seam-to-seam length 10 ft. A.
Dasar Teori Perhitungan Ukuran separator yang didesain untuk pemisahan yang baik harus memenuhi
kondisi-kondisi berikut ini :
a.)
Kapasitas Gas Tertampung Pengaturan kapasitas gas yang tertampung harus dapat memenuhi kondisi yang
memberikan waktu yang cukup bagi butiran liquid jatuh dari fasa gas menuju fasa liquid selama gas mengalir sepanjang separator. Kapasitas gas yang dibutuhkan memberikan persamaan untuk mendapatkan kombinasi diameter (d) dan panjang efektif separator(Leff). Persamaan yang digunakan untuk separator yang 50% terisi liquid(one-half separator)dan untuk pemisahan butiran liquid berdiameter 100 mikron adalah sebagai berikut :
d Leff
T Z Qg g 420 P l g
CD d m
1/ 2
Keterangan : d
= diameter separator,in
Leff
= panjang efektif separator tempat terjadi pemisahan, ft
Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
57
BAB IV TUGAS KHUSUS
T
= temperatur operasi, oR
Qg
= laju alir gas, MMSCFD
P
= tekanan operasi, Psia
Z
= kompresibilitas gas
ρg
= densitas gas, kg/m3
ρl
= densitas liquid, kg/m3
CD
= koefisien drag
dm
= ukuran butiran likuid yang akan dipisahkan, micron
b.)
Retention Time Retention time dari air ikut menentukan ukuran dan kapasitas separator.
Retention time yang biasanya digunakan butiran air untuk mengendap di separator yaitu antara 3 – 30 menit. Alasan untuk menggunakan batasan retention time antara 3 – 30 menit tergantung pada data lab atau data lapangan. Jika informasi ini tidak tersedia, maka retention time air dirancang selama 10 menit. Pengaturan retention time memberikan persamaan yang harus memenuhi kombinasi d dan Leff sebagai berikut :
d 2 Leff
t r Ql 0.7
Keterangan : Ql
= lajualir air, BWPD
tr
= retention time air yang diinginkan, menit
c.)
Seam-to-Seam Length DanSlenderness Ratio Seam-to-seam length dapat ditentukan dari panjang efektif separator. Jika
ukuran separator didasarkan pada kapasitas gas, maka slenderness ratio (Lss/d)harus dibatasi kurang dari 4 atau 5, untuk mencegah kembalinya cairan pada gas melalui Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
58
BAB IV TUGAS KHUSUS
interface gas-cairan. Jika ukuran separator didasarkan pada kapasitas cairan, maka slenderness ratio yang lebih besar dipakai. Tetapi, umumnya slenderness ratio untuk separator horizontal dua fasa digunakan antara 3 sampai 4. Untuk kapasitas gas Untuk Kapasitas liquid
d.)
Prosedur Perhitungan Ukuran Ideal Separator Prosedur perhitungan ukuran separator horizontal tiga fasa adalah sebagai
berikut : 1) Menyiapkan dataQl, Qg, ρg, ρl, m, P, dan T 2) Menentukan harga tr 3) Menghitung d.Leffmenggunakan persamaan (1) untuk d < dmax yang memenuhi batasan kapasitas gas. Ukuran butiran (dm) yang digunakan ialah 100 micron jika informasi tentang hal itu tidak tersedia.Nilai Z didapatkan dengan grafik kompresibilitas gas (Lampiran G). Dalam menghitung harga d.Leff untuk kapasitas gas, diperlukan harga drag cooficient(CD) dari butiran liquid yang akan jatuh dari gas. Harga CD ditentukan dengan langkah iterasi sebagai berikut : 1.
Menghitung Vt dengan rumus :
l g d m Vt 0,0204 g
1/ 2
Applied Process Design for Chemical & Petrochemical Plants Vol 1 2.
Menghitung nilai Re dengan rumus :
Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
59
BAB IV TUGAS KHUSUS
Re 0,0049
g d mVt
Applied Process Design for Chemical & Petrochemical Plants Vol 1
3.
Menghitung nilai CD dengan nilai Re yang didapat : CD
4.
24 3 1 / 2 0,34 Re Re
Menghitung kembali Vt dengan rumus :
l g Vt 0,0119 g 5.
dm C D
1/ 2
Menghitung kembali nilai Re (kembali ke langkah 2) dan iterasi sampai nilai CDyang didapat konstan.
4) Menghitung d.Leff untuk d < dmax yang memenuhi batasan retention time air dengan persamaan (2). 5) Menentukanseam-to-seam
lengthdengan
menggunakan
salah
satu
dari
persamaan di bawah ini: Lss Leff
d 12
4 Lss .Leff 3
untuk kapasitas gas (7)
untuk kapasitascairan (8)
6) Dipilih kombinasi d dan Lss yang ideal dengan slenderness ratio (Lss/d) antara 3 sampai 4.
B.
Perancangan Mekanis Untuk perancangan suatu separator horizontal diperlukan untuk menghitung
nilai ketebalan dinding pada shell, ketebalan head, dll. Adapun beberapa rumusan yang digunakan dalam perancangan separator dau fase adalah : Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
60
BAB IV TUGAS KHUSUS
1.
Ketebalan Dinding shell (Wall Thickness)
Dimana : T = ketebalan dinding shell, inchi P = Tekanan desain, psig Ro = Radius luar S = Allowable stress, psi E = Efisiensi sambungan las CA = Corrotion allowance (tergantung material)
2.
Ketebalan Head (Head Tickness)
Dimana : t = ketebalan head , inches Do = Diameter luar , inches
3.
Berat Shell Shell weight =
Dimana : = 0,29 lbs/in3 Do = Diameter luar , inches Dl = Diameter dalam , inches L = Panjang vessel , inches
4.
Berat Head Headweight =
Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
61
BAB IV TUGAS KHUSUS
Dimana : Tk = Ketebalan Head Do = Diameter luar , inches Dl = Diameter dalam , inches 5.
Berat Vessel Berat Vessel = (shellweight) + (Headweight)
4.6
Hasil dan Pembahasan
4.6.1
Ukuran Ideal Separator (Data Desain)
Tabel 4.1 Data Perhitungan Inlet Separator (Desain)
ITEM
UNIT
Qg
MMSCFD
53,36
Ql
BLPD
3205,6711
Poperasi
Psig
Toperasi
o
F
VALUE
613,8 42,56
cp
0,0112
ρg
kg/m3
59,8770
ρl
kg/m3
529,6824
tr
min
Mass flow gas (m)
ton/day
Mass flow liquid
ton/day
2 1216 277,8
Langkah-langkah perhitungan : 1) Menentukan tr
Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
62
BAB IV TUGAS KHUSUS
tr
= 2 min
2) Menghitung d.Leff untuk d < dmax yang memenuhi batasan kapasitas gas. Disini digunakan ukuran butiran (dm) 100 micron.
d Leff
T Z Qg g 420 P l g
CD d m
1/ 2
Menghitung harga CD 1. Menghitung Vt dengan rumus :
l g d m Vt 0,0204 g
1/ 2
529,6824 59,8770.100 = 0,0204 59,8770
1/ 2
= 0,571ft/s 2. Menghitung nilai Re dengan rumus : Re 0,0049
3.
g d mVt 59 ,8770 .100 . 0,5710 = Re 0,0049 = 1495,8023 0,0112
Menghitung nilai CD dengan nilai Re yang didapat : CD
24 3 24 3 1 / 2 0,34 = 1495,8023 1495,8023 Re Re
1/ 2
0,34 = 0,4336
4. Menghitung kembali Vt dengan rumus :
l g Vt 0,0119 g
dm C D
1/ 2
529 ,6824 59 ,8770 = 0,0119 59 ,8770
100 0,4336
1/ 2
= 0,8465 ft/s
Iterasi *Untuk CD = 0,4336
Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
63
BAB IV TUGAS KHUSUS
Vt = 0,8465 ft/s Re = 2217,5073 CD = 0,4145 *Untuk CD = 0,4145 Vt = 0,8658 ft/s Re = 2268,0659 CD = 0,4136 *Untuk CD = 0,4136 Vt = 0,8667 ft/s Re = 2270,4236 CD = 0,4136 Dengan menggunakan perbandingan data tekanan (P) dan temperatur (T), maka didapatkan nilai Z (compressibility factor). Dari grafik (Lampiran G) didapat Z = 0,84 (Mc Graw-Hill Second Edition)
CD d m
1/ 2
d Leff
T Z Qg g 420 P l g
d Leff
59,8770 (502,56).0,84. 53,36 0,4136 420 613,8 529,6824 59,8770 100
1/ 2
d Leff 353,8188 (inch.ft)
Kombinasi harga d dan Leff untuk batasan kapasitas gas ditabelkan sebagai berikut:
Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
64
BAB IV TUGAS KHUSUS
Tabel 4.2 Kombinasi Harga d, Leff, Lss, dan Lss/d Inlet Separator berdasarkan Kapasitas Gas (Desain)
d (m)
Leff (m)
Lss
Slenderness Ratio Gas (12Lss/d)
30
10,17673365
13,5689782
5,42759128
32
8,94439481
11,92585975
4,472197405
34
7,923062531
10,56408337
3,728500015
36
7,067176146
9,422901529
3,140967176
38
6,342839533
8,457119377
2,670669277
40
5,724412679
7,632550238
2,289765071
42
5,192211046
6,922948062
1,977985161
44
4,730919569
6,307892759
1,720334389
46
4,328478396
5,771304528
1,505557703
48
3,975286582
5,30038211
1,325095527
50
3,663624114
4,884832152
1,172359717
8) Menghitung d.Leff untuk d
t R Ql 0,7
d 2 . Leff
2(3205 ,6711 ) = 9159,0603 0,7
Kombinasi harga d dan Leff untuk batasan retention time cairan ditabelkan sebagai berikut :
Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
65
BAB IV TUGAS KHUSUS
Tabel 4.3 Kombinasi Harga d, Leff, Lss, dan Lss/d Inlet Separator berdasarkan Kapasitas Cairan (Desain)
d
Leff
Lss
Slenderness Ratio Gas (12Lss/d)
24
14,74245
16,74245
8,371225
30
11,79396
14,29396
5,717584
32
11,0568375
13,72350417
5,146314063
34
10,40643529
13,23976863
4,672859516
36
9,8283
12,8283
4,2761
38
9,311021053
12,47768772
3,940322438
40
8,84547
12,17880333
3,653641
42
8,424257143
11,92425714
3,406930612
44
8,041336364
11,70800303
3,193091736
46
7,691713043
11,52504638
3,006533837
48
7,371225
11,371225
2,84280625
50
7,076376
11,24304267
2,69833024
9) Menghitung seam-to-seam length (Lss) dengan persamaan untuk kapasitas cairan, dikarenakan Leff yang dibutuhkan untuk kapasitas cairan lebih panjang dibandingkan dengan kapasitas gas. Hasil perhitungannya juga ditabelkan pada table 4.3. 4 Lss . Leff 3
Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
66
BAB IV TUGAS KHUSUS
10) Dipilih kombinasi d dan Lss yang ideal dengan slenderness ratio antara 3 sampai 4. Dari table didapat bahwa ukuran separator yang ideal adalah diameter 38 inchi dan panjang12,4777ft.
Separator yang terpasang memiliki diameter 42 inchi dan panjang 10 ft memiliki volume 107,3814 ft3. Sedangkan pada hasil perhitungan dengan menggunakan data desain maka dipilih separator dengan diameter dalam 38 inchi. Panjang vessel (Lenght Seam-to-Seam) pada separator horizontal yang didapat dari perhitungan pada poin 10 adalah 12,4777 ft. Maka didapat volume separator (seam-toseam volume) adalah 108,8131 ft3. Jika dilihat dari panjang atau ukuran separator yang ada, maka separator yang ada tidak jauh berbeda dengan yang didapat dari perhitungan. Untuk slenderness ratio pada diameter 38 inchi dan panjang vessel 12,4777 adalah 3,94032. Sedangkan untuk Slenderness ratio pada gas, nilai dibawah 3 sampai 4 dapat dikompensasi dengan penambahan mist extractor pada separator. Slenderness ratio untuk liquid berkisar antara 3 sampai 4, tetapi ukuran yang lebih baik adalah untuk slenderness yang mendekati 4.
4.6.2
Perancangan Mekanis Didapatkan data dari design adalah sebagai berikut, Diketahui : Design Pressure (P)
= 875 psig
Radius Outside (Ro)
= 12 inchi
Joint Efficiency (Ej)
= 1 (fully radiographed)
(Plant Design And
Economic For Chemical Engineers – Max S. Peters) Allowable Stress(S)
= 17.150 psi (Chemical Process Equipment -
Stanley M Walas) Corrosion Allowance (CA)
= 0 inchi (non-corrosive service)
Material
= SA-240-304SS
Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
67
BAB IV TUGAS KHUSUS
1.
Ketebalan Dinding shell (Wall Thickness) Pemilihan type shell menggunakan Cylindrical shell, sehingga rumus design menjadi
ts= ts = 0,6 inchi 2.
Ketebalan Head (Head Tickness) Pemilihan type head menggunakan ellipsoidal head, sehingga rumus design adalah sebagai berikut :
(Chemical Process Equipment - Stanley M Walas)
Dimana, Do = ID + 2t Do = 42 inchi + 2 (0,6 inchi) = 43,2 inchi ID = 42 inchi
th = th = 1,054 inchi
Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
68
BAB IV TUGAS KHUSUS
3.
Berat Shell Dimana : L = 100 ft = 120 inchi = 0,29 lbs/in3 ( Chemical Engineers – Perry’s) Shell weight = = = 2792,99 lbs
4.
Berat Head Headweight = = = 870,705 lbs
5.
Berat Vessel Berat Vessel = (shellweight) + (Headweight) = 2792,99 lbs+ 870,705 lbs = 3663,695 lbs
Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
69
BAB IV TUGAS KHUSUS
Daftar Notasi
CD
= koefisien drag
d
= diameter separator, m
dm
= diameter butiran likuid yang ingin dipisahkan, mikron
dmax
= diameter maksimum separator, m
Leff
= panjang efektif separator, m
Lss
= panjang seam-to-seam, m
Lss/d
= slenderness ratio
P
= tekanan, psia
Qg
= laju alir gas, MMSCFD
Ql
= laju alir liquid, barrel
Re
= bilangan Reynold
SG
= spesific gravity
T
= temperatur, oF (R)
tr
= waktu retensi liquid, menit
Vt
= kecepatan terminal butiran likuid, ft/s
Z
= kompresibilitas gas
Z
= rasio ketebelan lapisan minyak dan diameter separator (ho/d)
ρg
= densitas gas, kg/m3
ρl
= densitas liquid, kg/m3
µg
= viskositas gas, cP
Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
70
