LNG Cascade Process Optimasi

8/10/2019 LNG Cascade Process Optimasi

1/21

TK5046 TOPIK PILIHAN PERANCANGAN PROSES

Semester I2013/2014

Tugas

OPTIMASI SISTEM PENCAIRAN GAS ALAM OPTIMASI

Simplified Cascade Process

Kelompok 1

Raymond Adriel 13010095

Yohanes Rico 13010097

Anggi Febrina 13010107

Dosen Pengampu

Dr. Antonius Indarto

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

November 2013


2/21

i

DAFTAR ISI

DAFTAR ISI .................................................................................................................................... i

DAFTAR TABEL ........................................................................................................................... ii

DAFTAR GAMBAR ..................................................................................................................... iii

BAB I PENDAHULUAN ............................................................................................................... 1

1.1 Latar Belakang ................................................................................................................ 1

1.2 Permasalahan ................................................................................................................... 1

1.3 Tujuan ............................................................................................................................. 1

1.4 Basis Desain .................................................................................................................... 1

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ..................................................................................................... 4

2.1. Liquified Natural Gas...................................................................................................... 4

2.2. Teknologi Pencairan LNG............................................................................................... 4

2.3. Proses Pencairan LNG .................................................................................................... 4

2.4. Cascade LNG Process..................................................................................................... 4

BAB III METODOLOGI ................................................................................................................ 5

3.1 Pengumpulan Data .......................................................................................................... 5

3.2 Simulasi Cascade Process.............................................................................................. 5

3.2.1 Siklus pre-cooling dengan propana ......................................................................... 5

3.2.2 Siklus coolingdengan Etilen ................................................................................... 6

3.2.3 Siklus Sub-Coolingdengan Metana ........................................................................ 7

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN......................................................................................... 8

BAB V SIMPULAN ..................................................................................................................... 11

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................................... 12

LAMPIRAN .................................................................................................................................. 13


3/21

ii

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Parameter terikat beserta dengan pembatasnya ............................................................... 9

Tabel A Neraca Massa Setiap Aliran ............................................................................................ 13

Tabel B Komposisi Komponen Setiap Aliran ............................................................................... 15


4/21

iii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Prinsip dasar untuk evaporative cooling(Pettersen, 2009)Error! Bookmark not

defined.

Gambar 2.2 Jenis-jenis refrigeran untuk produksi LNG ................Error! Bookmark not defined.

Gambar 2.3 Sketsa sederhana cascade process(Pettersen, 2009) .Error! Bookmark not defined.

Gambar 3.1 Skema simulasi sikluspre-cooling.............................................................................. 6

Gambar 3.2 Skema simulasi sikluspre-coolingdan cooling.......................................................... 6

Gambar 3.3 Skema simulasi keseluruhan siklus (pre-cooling, cooling, dansub-cooling) ............. 7

Gambar 4.1 Diagram alir proses beserta parameter operasi yang penting ...................................... 8


5/21

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Gas alam merupakan sumber energi alternatif yang banyak digunakan oleh

masyarakat dunia untuk berbagai keperluan pada zaman sekarang. Penggunaan gas alam

terus meningkat dari tahun ke tahun. Hal ini disebabkan gas alam memberikan banyak

keuntungan jika dibandingkan dengan sumber energi lain. Salah satu keuntungannya

adalah gas alam memberikan efisiensi yang lebih tinggi. Jika dibandingkan dengan

minyak bumi dan batu bara, penggunaan gas alam lebih bersih dan ramah lingkungan.

Selain itu gas alam juga tidak berwarna, tidak berbau, tidak korosif, dan tidak beracun.

Gas alam sering ditemukan di lokasi terpencil yang jauh dari lokasi industri yag

maju. Untuk transportasi gas alam dari sumur produksi ke lokasi pengolahan, gas alam

dapat dikirim dalam bentuk cair dan gas. Jika memungkinkan gas alam dikirim dalam

bentuk gas menggunakan pipa. Jika lautan memisahkan sumber gas dan tempat

pengolahan, satu-satunya cara untuk mengangkut gas adalah mengubahnya menjadi gas

alam cair (LNG) dan mengangkutnya menggunakan tanker LNG.

1.2 Permasalahan

Pada kasus ini diberikan skema process flow diagram pencairan LNG dimana

data-data yang diketahui sangatlah minim. Untuk itu perlu dicari variabel operasi yang

memungkinkan hingga terbentuk produk LNG cair.

1.3 Tujuan

Tujuan dari sintesis dan simulasi sistem pencairan gas alam dari LNG cascade

processini adalah menentukan variabel proses (temperatur, tekanan, jenis, dan komposisi

refrigeran) sehingga diperoleh produk cair LNG.

1.4 Basis Desain

Dalam melakukan simulasi pencairan gas alam cascade process, digunakan

beberapa basis desain. Basis desain yang digunakan meliputi spesifikasi produk cair

LNG, spesifikasi umpan dry-basis, dan spesifikasi proses.


6/21

2

Spesifikasi produk cair LNG :

1) Tersimpan pada tekanan 1,2 bar dalam kondisi cair dengan temperatur antara -

158 hingga -162 oC.

2)

Jumlah boil-off gasmaksimum adalah 10% dari total volume gas masuk.

Spesifikasi umpan dry basis (telah bebas dari pengotor) :

Parameter Nilai

Laju Alir Gas 25 MMScfd

Suhu 40 oC

Tekanan 45 bar

Komposisi %-mol

Nitrogen 0.38%

Metana 91.11%

Etana 2.88%

Propana 3.41%

i-Butana 0.79%

n-Butana 1.00%

i-Pentana 0.15%

n-Pentana 0.08%

n-Hexana 0.08%

n-Heptana 0.11%

Spesifikasi Proses:

1.

Media pendingin menggunakan air laut/udara yang mampu mendinginkan

hingga 35 oC.

2. Tekanan maksimum yang bisa dicapai oleh kompresor adalah 100 bar dengan

rasio tekanan 3 bar.

3. Tekanan terendah dalam siklus refrigeran adalah 3 bar.

4. Pressure drop pada setiap unit operasi diasumsikan sebesar 5 psi.

5.

Temperatur minimum approach unit cold box adalah 2 oC dan 5 oC untuk HE

shell-tube


7/21

3

1.5 Ruang lingkup

1.5.1 Analisis pengaruh variabel operasi

P2 (bar) T10 (C) P13 (bar)

Case study 1 (pengaruh

kompresor)

16-42 -6,5 15

Case study2(pengaruh T10) 40 -10 sampai -5 15

Case study 3(pengaruh P13) 40 -6,5 15-17

1.5.2 Optimasi variabel operasi

Pembatas Nilai/rentang

Fraksi uap pada aliran masuk

kompresor

0,9991-1

Minimum approachpada 2nd cooler Minimal 3C

Tekanan aliran masukstabilizer 15-17 bar


8/21

4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Liquified Natural Gas

Dua tipe : optimasi parameter dan optimasi struktur.

Optimasi parameter: via pengubahan kondisi operasi unti-unit di dalam proses.

Optimasi struktur : via pengubahan penyusunan-ulang struktur/konfigurasi

proses.

Multistage compression

2.2. Teknologi Pencairan LNG

2.3. Proses Pencairan LNG

2.4.

Cascade LNG Process

Teknologi optimized cascade LNG processtelah dipatenkan oleh ConocoPhillips.


9/21

5

BAB III

METODOLOGI

3.1 Pengumpulan Data

Untuk memperoleh produk cair LNG, perlu diketahui nilai variabel proses seperti

temperatur, tekanan, jenis, dan komposisi refrigeran. Untuk itu hal yang pertama kali

dilakukan adalah pengumpulan data. Pengumpulan data dilakukan dengan pencarian

patent dan literature-literatur yang mendukung. Menurut Pettersen (2009), refrigeran

yang digunakan pada cascade LNG process adalah propana murni untuk siklus pre-

cooling, etilen murni untuk siklus liquefaksi / cooling, dan metana murni untuk siklus

sub-cooling. Data lain yang diperlukan adalah temperature aliran gas alam dan tekanan

aliran refrigeran.

3.2 Simulasi Cascade Process

Setelah mengumpulkan data-data variabel proses yang diperlukan, langkah

selanjutnya adalah membuat simulasi menggunakan simulator HYSYS. Simulasi

dilakukan secara bertahap, pertama mensimulasikan siklus pre-cooling, kemudian

dilanjutkan dengan mensimulasikan siklus liquifaksi, dan terakhir mensimulasikan siklus

sub-coolinghingga akhirnya terbentuk produk cair LNG dan boil-off gas.

3.2.1 Siklus pre-cooling dengan propana

Untuk sikluspre-coolingterdapat satu LNG exchanger dengan satu aliran dingin

dan tiga aliran panas. Aliran pendingin berasal dari siklus refrigerasi propana. Kompresi

refrigeran dilakukan dalam dua tahap dengan intercooling. Aliran panas terdiri dari

refrigeran etilen dan metana yang telah didinginkan sampai 35C serta aliran umpan gas

alam.


10/21

6

Gambar 3.1 Skema simulasi sikluspre-cooling

3.2.2 Siklus Coolingdengan Etilen

Gambar 3.2 Skema simulasi sikluspre-coolingdan cooling


11/21

7

Siklus coolingdibuat dengan penambahan siklus refrigerasi kedua (etilen). Pada

siklus cooling terdapat satu LNG exchanger dengan satu aliran dingin dan dua aliran

panas. Kompresi pada siklus etilen dilakukan dalam dua tahap dengan intercooling.

3.2.3 Siklus Sub-Coolingdengan Metana

Siklussub-coolingdibuat dengan penambahan siklus refrigerasi ketiga (metana).

Pada siklus ini terdapat satu LNG exchanger dengan satu aliran dingin dan satu aliran

panas. Kompresi dilakukan dalam dua tahap tanpa intercooling. Setelah diekspansi, boil-

off gas dipisahkan dari LNG dengan separator

Gambar 3.3 Skema simulasi keseluruhan siklus (pre-cooling, cooling, dansub-cooling)


12/21

8

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

Proses pencairan LNG dengan menggunakan cascade process pada kasus ini

memiliki basis desain yang berbeda dengan literatur yang didapatkan. Untuk itu,

beberapa variabel ditebak dengan mengacu pada literatur, namun tidak melanggar basis

desain yang telah ditetapkan di dalam soal. Process flow diagram untuk kasus ini

ditampilkan pada Gambar 4.1.

Gambar 4.1 Diagram alir proses beserta parameter operasi yang penting

Simulasi proses tidak dapat memenuhi spesifikasi persoalan yang diminta apabila

digunakan parameter operasi yang tertera pada Gambar 2.3. Oleh sebab itu nilai variabel

bebas untuk proses ini ditentukan melalui trial and error, dengan parameter operasi pada

Gambar 2.3 sebagai tebakan awal. Trial and error ini juga diusahakan agar memenuhi

batasan dari spesifikasi persoalan. Variabel bebas yang ditentukan dengan trial and error

antara lain:

Laju alir massa setiap refrigeran

Tekanan refrigeran setelah dikompresi (aliran Pr4, Et7, dan Me7)


13/21

9

Parameter-parameter terikat (variabel terikat) beserta parameter pembatasnya (variabel

tetap) tertera pada Tabel 4.1.

Tabel 4.1 Parameter terikat beserta dengan pembatasnya

Parameter terikat Parameter pembatas

Suhu aliran refrigeran pendingin

sebelum memasuki LNG exchanger

(aliran Pr6, Et3, Me4)

Tekanan terendah yang diperbolehkan untuk

aliran refrigeran (3 bar)

Suhu aliran panas keluar LNG

exchanger

(aliran G2, Et2, Me2, Me3, G3, G4)

Cold box minimum approach (2C)

Jumlah boil-off gas dan LNG Tekanan aliran LNG setelah diekspansi (1,2bar)

Laju alir massa refrigeran dapat bergantung pada tekanan refrigeran setelah

kompresi. Semakin tinggi tekanan kompresi, fraksi cair pendingin setelah ekspansi akan

bertambah. Fraksi cair pendingin juga semakin bertambah apabila suhu aliran sebelum

diekspansi semakin rendah. Peningkatan fraksi cair aliran pendingin dapat mengurangi

kebutuhan jumlah refrigeran. Oleh sebab itu tekanan kompresi dan jumlah refrigeran

adalah dua variabel yang dapat dioptimasi agar daya yang diperlukan kompresor dapat

dikurangi.

Pada siklus propana, tekanan kompresi minimal yang dibutuhkan adalah sebesar

12,545 bar. Namun pada simulasi ini, kompresi propana dibuat menjadi dua tahap sampai

pada tekanan 26 bar sebab rasio kompresi dibatasi pada 3 sampai 4. Selain untuk

mengurangi jumlah refrigeran, hal ini dilakukan agar tekanan refrigeran setelah

diekspansi menjadi seminimal mungkin. Jumlah refrigeran propana minimal adalah

sebesar 2100 ton/hari. Jumlah tersebut sangat besar karena siklus propana juga digunakanuntuk mendinginkan aliran etilen dan metana.

Pada siklus etilen, tekanan kompresi minimal adalah sebesar 35 bar sehingga

diperlukan kompresi dua tahap dengan intercooling. Jumlah refrigeran etilen yang

diperlukan adalah sebesar 1500 ton/hari.

Siklus metana membutuhkan tekanan kompresi minimal sebesar 47 bar sehingga

dibutuhkan kompresi dua tahap. Akan tetapi kompresi ini tidak membutuhkan

intercooling sebab aliran metana setelah kompresi pertama memiliki suhu 21C. Jumlah


14/21

10

metana yang dibutuhkan adalah sebesar 1100 ton/hari.

Suhu aliran pendingin sebelum memasuki LNG exchanger secara berturut-turut

untuk propana, etilen, dan metana adalah -10,9C; -80,47C; dan -144,8C. Tekanan

pada ketiga aliran tersebut bernilai sebesar 3,3447 bar sehingga tekanan aliran keluar

cold box tepat menjadi 3 bar. Tekanan terendah dalam siklus refrigeran memang tidak

boleh lebih rendah dari tekanan atmosfer untuk mencegah masuknya udara ke siklus

refrigerasi jika terjadi kebocoran. Jika terdapat kebocoran udara maka COP refrigerasi

akan menjadi rendah. Akibat batasan minimum approach sebesar 2C maka suhu aliran

panas keluar LNG exchangermasing-masing menjadi -8,9C; -78,47C; dan -142,8C.

Suhu aliran pendingin menurut literatur seharusnya lebih rendah lagi, yakni

mendekati titik didihnya masing-masing. Secara umum, suhu aliran pendingin propana

dan etilen yang diperoleh dari simulasi tidak bermasalah. Namun suhu aliran pendingin

metana ternyata masih terlalu tinggi. Hal ini terlihat dari jumlah boil-off gas sebesar 12%

(3,087 MMSCFD) dari umpan gas alam yang masuk. Akibat parameter pembatas, hasil

ini sukar untuk diubah. Semakin tinggi suhu aliran pendingin, fraksi uap LNG setelah

ekspansi akan semakin tinggi. Jika suhu metana pendingin dapat mencapai -148C

(tekanan terendah siklus refrigerasi sebesar 2 bar) maka jumlah boil-off gas akan

memenuhi batasan.


15/21

11

BAB V

SIMPULAN

Simulasi simplified cascade process ini dapat menghasilkan LNG sesuai dengan

batasan parameter operasi yang diperbolehkan, namun boil-off gas yang dihasilkan masih

melewati batas maksimum (12%>10%). Nilai parameter penting untuk proses telah

tertera pada Gambar 4.2.


16/21

12

DAFTAR PUSTAKA

Maulidiana, M. 2006. Liquefied Natural Gas (LNG), Sebuah Alternatif Transportasi Gas

Alam. Departemen Teknik Kimia. Fakultas Teknik Universitas Indonesia

Pettersen, J. 2009. LNG Compendium. TEP 4185 Industrial process and energy

technology. Department of Energy and Process Engineering, Norwegian University of

Science and Technology.


17/21

13

LAMPIRAN

A.

Neraca Massa

Tabel A Neraca Massa Setiap Aliran

Name G1 G2 Me1 Me2 Et2 Et1 Pr6 Pr3 Et3 Me3 G3 Et4

Vapour Fraction 1 0,990754 1 1 0 1 0,310974 1 0,500616 1 0,243674 1

Temperatur [C] 40 -8,897 35 -8,897 -8,897 35 -10,897 35 -80,4732 -78,47 -78,4728 -16,9679

Pressure pressure [bar] 45 44,65526 46,65526 46,31052 35,31052 35,65526 3,344738 8,655262 3,3447 45,96579 44,31052 2,999962

Molar Flow [kgmole/h] 1247,515 1247,515 2856,923 2856,923 2227,862 2227,862 1984,262 1984,262 2227,862 2856,923 1247,515 2227,862

Mass Flow [tonne/h] 553,3048 553,3048 1100 1100 1500 1500 2100 2100 1500 1100 553,3048 1500

Liquid Volume Flow [m3/h] 70,73985 70,73985 153,087 153,087 163,0891 163,0891 172,6935 172,6935 163,0891 153,087 70,73985 163,0891

Heat Flow [kW] -26895,9 -27724,7 -59784,6 -61230,5 25727,48 31521,45 -65488,4 -57411,9 25727,48 -64227,6 -30175,7 31175,62

Name Et5 G4 Me5 Me6 Me4 G5 BOG LNG Et6 Et7 Me7 Pr1

Vapour Fraction 1 0 1 1 0,991286 0,123474 1 0 1 1 1 1

Temperatur [C] 85,20147 -142,833 -81,9206 21,21332 -144,833 -158,671 -158,671 -158,671 35 126,1577 156,895 25,77859

Pressure pressure [bar] 12 43,96579 3 12 3,344738 1,2 1,2 1,2 11,65526 36 47 3

Molar Flow [kgmole/h] 2227,862 1247,515 2856,923 2856,923 2856,923 1247,515 154,0359 1093,479 2227,862 2227,862 2856,923 1984,262

Mass Flow [tonne/h] 1500 553,3048 1100 1100 1100 553,3048 60,40779 492,897 1500 1500 1100 2100

Liquid Volume Flow [m3/h] 163,0891 70,73985 153,087 153,087 153,087 70,73985 8,182434 62,55742 163,0891 163,0891 153,087 172,6935

Heat Flow [kW] 33846,37 -31963,4 -62439,9 -59723,6 -64227,6 -31963,4 -3393,99 -28569,4 32328,23 34722,48 -55704,8 -57419,7


18/21

14

Tabel A Neraca Massa Setiap Aliran (lanjutan)

Name Pr2 Pr4 Pr5

Vapour Fraction 1 1 0

Temperatur [C] 75,9445 92,91187 35

Pressure pressure [bar] 9 25,965 25,62026

Molar Flow [kgmole/h] 1984,262 1984,262 1984,262

Mass Flow [tonne/h] 2100 2100 2100

Liquid Volume Flow [m3/h] 172,6935 172,6935 172,6935

Heat Flow [kW] -55495,3 -55699,8 -65488,4


19/21

15

B.

Komposisi Komponen

Tabel B Komposisi Komponen Setiap Aliran

Component Mole Fraction G1 G2 Me1 Me2 Et2 Et1 Pr6 Pr3 Et3 Me3 G3 Et4

Nitrogen 3,80E-03 3,80E-03 0 0 0 0 0 0 0 0 3,80E-03 0

Metana 0,911191 0,911191 1 1 0 0 0 0 0 1 0,911191 0

Etana 2,88E-02 2,88E-02 0 0 0 0 0 0 0 0 2,88E-02 0

Propana 3,41E-02 3,41E-02 0 0 0 0 1 1 0 0 3,41E-02 0

i-Butana 7,90E-03 7,90E-03 0 0 0 0 0 0 0 0 7,90E-03 0

n-Butana 1,00E-02 1,00E-02 0 0 0 0 0 0 0 0 1,00E-02 0

i-Pentana 1,50E-03 1,50E-03 0 0 0 0 0 0 0 0 1,50E-03 0

n-Pentana 8,00E-04 8,00E-04 0 0 0 0 0 0 0 0 8,00E-04 0

n-Heksana 8,00E-04 8,00E-04 0 0 0 0 0 0 0 0 8,00E-04 0

n-Heptana 1,10E-03 1,10E-03 0 0 0 0 0 0 0 0 1,10E-03 0

Etilen 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1

Component Mole Fraction Et5 G4 Me5 Me6 Me4 G5 BOG LNG Et6 Et7 Me7 Pr1

Nitrogen 0 3,80E-03 0 0 0 3,80E-03 2,47E-02 8,47E-04 0 0 0 0

Metana 0 0,911191 1 1 1 0,911191 0,975204 0,902155 0 0 1 0

Etana 0 2,88E-02 0 0 0 2,88E-02 7,28E-05 3,29E-02 0 0 0 0

Propana 0 3,41E-02 0 0 0 3,41E-02 9,14E-07 3,89E-02 0 0 0 1

i-Butana 0 7,90E-03 0 0 0 7,90E-03 9,02E-09 9,02E-03 0 0 0 0

n-Butana 0 1,00E-02 0 0 0 1,00E-02 3,16E-09 1,14E-02 0 0 0 0

i-Pentana 0 1,50E-03 0 0 0 1,50E-03 2,32E-11 1,71E-03 0 0 0 0

n-Pentana 0 8,00E-04 0 0 0 8,00E-04 3,36E-12 9,13E-04 0 0 0 0

n-Heksana 0 8,00E-04 0 0 0 8,00E-04 5,51E-14 9,13E-04 0 0 0 0

n-Heptana 0 1,10E-03 0 0 0 1,10E-03 1,35E-15 1,26E-03 0 0 0 0

Etilen 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0


20/21

16

Tabel C Komposisi komponen setiap aliran (lanjutan)

Component Mole Fraction Pr2 Pr4 Pr5

Nitrogen 0 0 0

Metana 0 0 0

Etana 0 0 0

Propana 1 1 1

i-Butana 0 0 0

n-Butana 0 0 0

i-Pentana 0 0 0

n-Pentana 0 0 0

n-Heksana 0 0 0

n-Heptana 0 0 0

Etilen 0 0 0


21/21

1

LNG Cascade Process Optimasi

Documents

Transcript of LNG Cascade Process Optimasi