jump to navigation

Prinsip Termodinamika October 19, 2009

Posted by nzafee in DUNIA MIGAS.
trackback

Kemarin setelah saya mengunjungi Web Migas Indonesia, saya mendapatkan pembahasan yang menarik tentang prinsip termodinamika,,,

_________________________________________

Rangkuman Diskusi

Pembahasan – Cahyo Hardo

Prinsip termodinamika di valve, siapa berani menawar?

Ketika seseorang menciptakan sebuah valve ataupun control valve, apakah dia bermaksud agar kinerjanya mengikuti kaidah isentalpik? Lalu, begitupun dengan kompresor dan turbin, apakah ketika seseorang menciptakannya, dia ingin agar keduanya mengikuti kaidah termodinamika yang lain, yaitu isentropik?

Isentalpik, dari namanya, berarti harga entalpi, di masukan dan keluaran suatu control volume (=sistem) adalah sama. Sedangkan isentropik (atau ada beberapa orang menyebutnya sebagai adiabatic reversible) berarti masukan dan keluaran entropinya adalah sama.

Lalu, apa artinya semua itu bagi kita2 yang hidup di dunia nyata itu, sebab, jika cuma berbentuk indeks seperti itu, rasanya sulit membayangkannya.

Aplikasi dua prinsip ini yang paling sering terlihat di pabrik adalah operasi penurunan tekanan suatu gas hidrokarbon (isentalpik) serta operasi ekspansi-kompresi (turboexpander) yang bersifat isentropik.

Apa untung ruginyanya?

Operasi penurunan tekanan tekanan gas hidrokarbon, biasanya ditujukan untuk menurunkan titik embun hidrokarbon gas ke harga yang ditentukan oleh buyer. Alatnya, berupa control valve. Nah, karena prinsipnya adalah isentalpik, maka jika dibayangkan di dalam kurva kesetimbangan fasa multikomponen hidrokarbon, dimana sumbu –y-nya adalah tekanan serta sumbu –x-nya adalah temperatur, operasi penurunan tekanan ini, harga slope-nya hampir mendekati garis tegak lurus. (kemiringan yang terjadi adalah suatu tanda ketidakidealan, biasa, di dunia nyata memang susah cari yang ideal).

Akibat dari bentuk slope operasi control valve, yang hampir tegak lurus ini, tentu saja membuat kinerjanya menjadi terbatas, atau dibatasi oleh kaidah isentalpik. Tetapi benarkah? Apakah harus menggunakan turbin, seperti yang terangkai di unit turboexpander, sehingga harga titik embun yang dibutuhkan jadi bisa lebih rendah, relatif terhadap prinsip isentalpik?

Secara gampangnya saja, harga2 entropi tetap dari kurva kesetimbangan fasa tersebut di atas, mempunyai slope yang lumayan, sehingga harga titik embun keluaran unit turboexpander relatif lebih rendah dari unit control valve. Maklum, karena punya slope yang lumayan, keluaran unit turbin, jika di-plot-kan di dalam kurva itu akan menusuk jauh ke daerah dua fasa (gas-cair), akibatnya titik embun nya relatif lebih rendah.

Pertanyaannya adalah, mungkinkah dibuat suatu control valve atau valve yang kinerjanya mengikuti prinsip isentropik dan bukannya isentalpik. Minimal, punya harga slope yang miringlah??? Rasa2nya, buku2 termodinamika tidak pernah menyinggungnya atau mungkin terlewat oleh saya?

Bayangkan jika valve ini bisa dibuat, maka bisa terjadi reduksi ongkos besar2an dalam perancangan unit pemrosesan gas, mereduksi kesulitan operasi serta resiko2 operasi (termasuk safety) di unit refrijerasi serta turbo expander. Dan jika memang valve ini bisa dibuat, bagi anda para pecinta hysys, simulasi proses yang mengikutsertakan valve spesial ini nampaknya harus mengganti icon valve dengan expander supaya hasilnya engga ngawur ke mana-mana.

Atau, pastinya, tidak akan ada diskusi lagi sampai adu-mulut ketika meng-Hazop sistem refrijerasi yang menggunakan propan – apakah propane itu harus di-blowdown ketika terjadi fire atau ESD?, yang berarti setiap blowdown, harus re-charge propane kembali? Yang berarti US$, Rp, ???

Apakah ini bisa menjadi subyek penelitian yang menarik bagi kalangan perguruan tinggi, BPPT, dst? Bagi para vendor valve, gimana ini??

To be honest, I do not know You know better than me…..

Tanggapan 2 – cahyo hardo

Oopss maaf, sumbu-x yang dimaksud dari tulisan di bawah adalah entalpi dan bukan temperatur.

Tanggapan 3 – Teddy (Worley – Jakarta)

Saya ingin sedikit menanggapi apa yang disampaikan mas Cahyo, yang judul dan topiknya memang agak “ngejreng”. Kalaupun ada kesalahan tolong dikoreksi. Saya terpaksa mengawangkan kembali apa yang sudah dibumikan oleh mas Cahyo, tapi mudah-mudahan bisa mengembangkan wacana yang ada. Saya menuliskan dalam format rich text untuk menunjang simbol-simbol.

1. Untuk masalah ini mas Cahyo menyampaikan 2 grafik: satu grafik fasa multikomponen dan satu lagi grafik yang menggambarkan adanya “slope” proses isentalpik. Saya pikir justru yang benar yang pertama, sumbu-x temperatur (T), dan sumbu-y tekanan (P) atau sebaliknya, karena slope yang dimaksudkan disini adalah koefisien joule-thompson (m)=dT/dP pada entalpi (h) konstan. Sedangkan diagram P-h mungkin lebih cocok untuk siklus refrijerasi uap, yang memang bisa juga dipakai untuk menggambarkan keseluruhan (siklus penuh) sistim refirjerasi. Grafik fasa multikomponen justru ingin menggambarkan relasi T-P terhadap keseimbangan fasa cair, padat, gas. Jadi saya pikir terminologinya agak berbeda dengan diagram P-h.

2.Antara proses isentalpik dan isentropik. Sebenarnya apa sih yang menyebabkan suatu proses throttling pada valve menjadi isentalpik, dan turbo-expander isentropik?? tokh keduanya sama-sama melibatkan properti termodinamika yang sama: T, P, h, s(entropi), v (spesifik volume), Cp, Cv….untuk menjawab ini secara sederhana kita bisa meninjau kembali prinsip konservasi energi pada stady flow:

q-w = Dh + Dke + Dpe (dimana q=heat transfered, w= kerja, ke= kinetik energi, pe=potensial energi)………………………(1)

Pada throttling proses boleh dikatakan q~0, w=0, Dke =0, Dpe=0, sehingga (1) menjadi:

h2=h1 (entalpi konstan)………………………………………………………….. …………………………………………………………….(2)

Sedangkan pada turbo-expander q~0, Dpe=0, sehingga (1) menjadi:

-w =Dh + Dke (-w berarti sistem melakukan kerja)……………………………………………………………. …………………………(3)

Konsep entropi generation mengatakan bahwa entropi akan selalu konstan jika prosesnya adiabatis dan internally reversible. Pada turbo-expander bisa dikatakan bahwa syarat di atas terpenuhi sehingga dikatakan isentropik. Lalu dimana poinnya?? Poinnya adalah bahwa secara prinsipil yang membedakan keduanya adalah “melakukan kerja” (pada sudu turbin yang menghasilkan putaran) dan “tidak melakukan kerja” (pada throttle valve). Apakah kita menangkap semacam “peluang” disini??? saya kira iya. What’s the idea?

Jika kita bisa menambahkan semacam “mekanisme” yang membuat proses isentalpik sedikit dimodifikasi menjadi isentropik non-ideal dengan memaksa sistem melakukan kerja, mungkin pemikiran mas Cahyo bisa dicapai. Lalu mekanisme seperti apa ya yang pas? kalo kita menambahkan sistem rotari seperti “kitiran” misalnya wah jadi sama saja dengan turbo expnder dong?? atau mungkin kita bisa memodifikasi bentuk valvenya sehingga fluida bisa merubah sebagian momentumnya menjadi kerja dengan mengarahkan fluida melewati alur tertentu pada plug, sehingga fluidanya sendiri lah yang “mengatur” pendinginan melalui kerja pada besarnya pembukaan valve, yang diberi semacam balancer (yang dipasangi sensor-sensor dan aktuator sehingga kita bisa tetap punya kontrol trhadap proses kerja). Nah yang sulit adalah menentukan fungsi perubahan momentum terhadap besarnya bukaan valve yang secara implisit menentukan range pendinginan dan penurunan tekanan yang ingin dicapai.

Hemmm…….sepertinya memang tidak gampang…tapi jangan-jangan saya ngelantur nih…atau jangan-jangan sudah ada penelitian tentang ini??

Tanggapan 4 – patria indrayana

Mas Cahyo, Mas Teddy, dan para pemerhati esoterisme …..

Antara isentalpik dan isentropik, ternyata di belahan bumi yang lain udah ada orang pinter yang membuat proses alternatif yang punya performance hydrocarbon dewpoint depression seperti expander-recompression tapi dalam satu single unit tanpa rotating parts ….. nah lo, gimana caranya ?

Rahasianya adalah sebuah tube yang bentuknya mirip venturi tapi lehernya dibuat panjang. Jadi aliran gas dicekik di semacam nozzle sampai kecepatannya naik ke supersonik. Prosesnya isentropik. Kalau dalam expander si tekanan dikonversi jadi energi mekanik (kerja), di sini tekanan dikonversi menjadi energi kinetik (kecepatan). Proses ekspansi isentropik ” tanpa kerja ” ini hasilnya adalah naiknya kecepatan ke level supersonik, turunnya tekanan dan sekaligus turunnya temperature. (dalam thermodynamik textbook, term energi kinetik dalam energi balance equation seringkali tidak diperhitungkan, .. atau belum dimanfaatkan …).

Fluida berkecepatan tinggi yang dingin itu, masuk ke bagian ” leher ” di mana hidrokarbon dan air terkondensasi. Di mulut leher ini ada semacam ” wing ” yang memutar fluida sedemikian hingga si droplets hidrokarbon dan air bisa terlontar ke dinding oleh gaya sentrifugal. Di ujung leher yang lain, ada keluaran untuk liquid dan untuk gas, mirip prinsip pemisahan dengan hydrocyclone.

Gas yang keluar dari bagian ” leher ” yang sudah punya dew point dan temperature yang rendah masuk ke ” diffuser ” di mana diameternya membesar sehingga kecepatan turun dan energi kinetik terkonversi balik ke tekanan (efek recompression).

Manufacturer mengklaim unitnya berpotensi menggantikan gas plant konvensional yang terdiri dari ekspander, low temperatur separator, dan recompression. Dengan kelebihan : tanpa rotating machine dan tanpa chemical injection !

Sebagai contoh, satu unit kompak dengan panjang dua meter di dalam 6in casing bisa untuk 35 MMscfd dengan 100 bar inlet. Features yang lain : Tekanan outlet kira-kira 70% dari tekanan inlet, sensitif terhadap pasir … very tight specification untuk feed gas, turndown ratio sangat terbatas (harus pasang beberapa unit secara paralel), liquid carry over masih sangat mempengaruhi dew point performace, no hydrate risk (waktu tinggal yang minim dan kecepatan fluida yang sangat tinggi tidak memungkinkan terbentuknya hidrat).

Contoh aplikasi : Otorugu plant Nigeria (30 MMscfd), Malaysia offshore B11 (300 MMscfd) untuk 2003, dan tidak lama lagi modul percobaan untuk subsea akan keluar.

Kalau penasaran silakan kunjungi :

http://www.oilandgasinternational.com/departments/technical_reports/twister.html

http://www.oilonline.com/news/features/oe/20000701.Twist_in.67.asp

http://www.twisterbv.com/

http://www.shellnigeria.com/info/news_display.asp?Id=280

http://www.demo2000.net/prosjekter/c05.pdf

Tanggapan 5 – Cahyo Hardo

Ini bagus sekali Patria

Betul sekali, keliatannya prinsip kerjanya mirip2 hydrocyclone…..

Kalau berhasil, dia akan mendelete sederetan alat2 konvensional di unit processing gas…

Dari sisi inherently safer, mungkin alat ini adalah salah satu contoh terbaik selain pompa dua fasa.

Tapi, bagaimana cara mengontrolnya yach untuk mendapatkan harga titik embun yang diinginkan? Sebab, di hydrocylone, kita tidak bisa mengontrol langsung keluaran ppm minyak secara langsung. Hanya besaran2 seperti pressure drop across cyclone serta reject pressure. Jadi ppm keluarannya selalu berubah2.

Melihat artikelnya ttg twister, hidratnya itu sudah jadi atau belon jadi atau sudah lewat bentuk inti kristal hidrat? Sebab, pengolahan di downstream alat ini sangat tergantung informasi tersebut. Jangan sampai (mudah2an jangan), penghilangan hidrat yang biasa di proses di upstream gas processing unit, jadi malah harus di proses di downstreamnya.

Anyway, excellent information.

Tanggapan 6 – Teddy (Worley – Jakarta)

Tawaran petualangan berpikir yang disampaikan mas Cahyo soal apakah proses isentalpik pada throttling valve bisa disempurnakan dengan mengadopsi proses isentropik, mengingat karakteristik garis isentropic yang membuka range yang relatif lebar untuk pendinginan. Jadi tetep ada throttling valve disitu, this is the focus of attention.

Apa yang disampaikan mas Patria pagi ini adalah alternatif proses isentropic (bukan isentalpik) untuk pendinginan, yang mengganti komponen kerja pada turbin dan memaksimalkan tenaga kinetis untuk mengubah tekanan (eksplisit entalpi) sampai pada range supersonic. This is a very clever one, karena banyak menghilangkan komponen bergerak yang tentu saja mengeliminasi rugi-rugi dan mereduksi maintenance dan mungkin cost, dan dilihat dari output-nya juga nampaknya kompetitif dengan peralatan yang memliki fungsi sejenis. Salah satu invent point dari alat ini mungkin adalah panjang neck dan stagnant point yang menentukan range pendinginan yang diinginkan. Tapi sekali lagi nampaknya belum cukup mengakhiri petualangan berpikir soal si throttling valve ini.🙂.

Thanks berat mas Patria atas tambahan pengetahuannya.

http://www.migas-indonesia.com/

Comments»

1. dayat - June 11, 2010

ne prl pendekatan yang lebih jlz tentang jln procces nya?makasih


Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: