Kolom Pemisah -part 1

Kita telah mempelajari proses yang terjadi pada Acid Gas Removal Unit (AGRU) pada artikel sebelumnya. Fenomena yang terjadi pada proses AGRU meliputi absorbsi dan juga regenerasi yang telah kita bahas merupakan salah satu dari banyak cara pemisahan gas. Hal ini sebagai gambaran bahwa banyak cara dalam proses pemisahan gas.

Dalam tabel dibawah, disajikan beberapa alternatif cara pemisahan gas khususnya CO2 dari campuran gas

Pemisahan gas CO2 dengan menggunakan amine masuk ke dalam kategori chemical absorption. 

Selain itu, kita dapat mengetahui dari tabel tersebut, jenis pemisahan gas dengan menggunakan mekanisme yang lain dari yang pernah kita bahas sebelumnya, misalkan dengan menggunakan media membrane.

Siklus proses AGRU telah kita bahas sebelumnya. Namun, hal itu masih belum cukup untuk menjelaskan peristiwa apa yang terjadi di dalamnya. Bagaimana sebuah kolom didesain untuk bisa menjalankan tugasnya dalam memisahkan gas dan menghasilkan produk sesuai dengan yang kita kehendaki, terutama berkaitan dengan kualitas produk yang kita inginkan. Misalkan, dalam kasus AGRU, untuk dapat menghasilkan produk treated gas dengan konsentrasi dibawah 50 ppm H2S dari umpan yang mengandung 1-2% mol H2S. 

Tentu kita bertanya, bagaimana cara kita men-develop perpindahan massa H2S dari gas ke larutan amine untuk mendapatkan treated gas dengan kualitas sesuai dengan yang kita inginkan, dimana konsentrasi H2S pada gas umpan terkadang berubah-ubah. Hal ini akan berpengaruh terhadap tindakan yang harus kita lakukan untuk merespon hal tersebut.

Selain yang telah disebutkan diatas, alasan mengapa kita harus mempelajari kolom pemisah erat hubungannya dengan segi pengoperasian. Terutama yang berkaitan dengan timbulnya gejala-gejala yang tidak kita kehendaki dalam segi operasi. Misalkan, hilangnya pelarut (loss of solvent), peristiwa pembentukan busa (foaming), peristiwa keabnormalan kolom, seperti perbedaan tekanan atas dan bawah kolom (dP) yang terlalu tinggi. Hal ini bisa mengakibatkan proses tidak bisa berjalan dengan sempurna. Sehingga menyebabkan, kita tidak bisa mendapatkan produk yang kita inginkan.

Pemisahan yang terjadi pada sebuah kolom fraksinasi bisa terjadi atas dua sebab yang berbeda :

1. Distillation, jika pemisahan didasarkan atas perbedaan titik didih, misalkan kasus pada penyulingan minyak bumi
2. Pemisahan tidak didasarkan atas perbedaan titik didih.  Disebut Absorpsion, jika dengan menggunakan suatu pelarut tertentu untuk mengekstrak komponen tertentu dari campuran, atau Stripping, dengan mengandalkan tekanan parsial sebuah gas pembawa, dua jenis peristiwa ini kita dapatkan dalam kasus AGRU, yakni masing-masing terjadi pada kolom absorbsi dan regenerasi.

Perbedaan mekanisme ini akan sangat berpengaruh terhadap desain kolom dan juga cara pengoperasian sebuah unit   

Mari kita lihat gambar kolom berikut :

Diatas adalah sebuah tipikal gambar skematik sebuah kolom pemisah. Kolom ini berfungsi untuk memisahkan campuran fluida (mixture) menjadi beberapa kelompok, tergantung dari jumlah produk yang kita inginkan. Pada contoh diatas, kita hanya mendapatkan dua outlet produk, overhead product dan bottom product. Tentu saja, kita bisa membagi lagi salah satu produk yang dihasilkan dari contoh diatas jika memungkinkan, hal ini biasa dilakukan pada LPG recovery di LNG plant, dengan menyusun beberapa kolom fraksinasi secara seri menjadi sebuah train. Pada kasus yang lain, misalkan pemisahan minyak bumi, kita akan mendapatkan banyak sekali outlet produk. 

LPG recovery in LNG Plant 

Merujuk kembali pada diagram skematis fraksinasi, kita bisa melihat umpan (feed) yang dimasukkan ke dalam kolom. Umpan tersebut biasanya terdiri atas dua fase, cair dan uap. Dalam kolom, uap dari umpan akan naik ke atas kolom melewati rectifiying section. Setelah itu, uap tersebut akan didinginkan dengan condenser. Cairan yang terbentuk dari uap yang didinginkan tadi masuk ke dalam reflux drum, dimana cairan kondensasi tadi akan diumpankan lagi ke dalam kolom sebagai reflux dan sebagian diarahkan keluar kolom sebagai overhead product. Reflux tersebut secara otomatis akan kontak secara countercurrent dengan uap yang naik ke atas dari bawah kolom. 

Ada kalanya uap yang tidak terkondensasi di reflux drum, dikirim keluar dari sistem. Sistem ini disebut sebagai partial reflux, yang menghasilkan dua produk pada overhead kolom, sedangkan pada contoh skematik diatas merupakan full reflux. 

Umpan yang berbentuk cairan, akan menuju kebawah kolom melewati stripping section. Pada akhirnya ia akan ditampung sementara di dalam reboiler sebelum menuju ke bawah kolom dan keluar sebagai bottom product. Didalam reboiler, cairan tersebut dipanaskan dan sebagian membentuk uap yang akan naik ke atas kolom. Uap tersebut akan kontak secara countercurrent dengan cairan yang jatuh ke bawah kolom.

Apa pengaruh reboiler dan condenser terhadap hasil produk yang dihasilkan? Mutlaklah kedua alat tersebut diperlukan dalam proses pemisahan? Sebagaimana kita tahu, alat tersebut menghabiskan banyak energi ketika dijalankan?

Apakah yang terdapat dalam rectifying/stripping section? Peristiwa apakah yang melatarbelangi penyebutan rectifying section dan stripping section pada sebuah kolom pemisah? Fenomena apa yang terjadi pada section yang dimaksud sehingga harus dibedakan?   

Jawaban akan kita kupas minggu depan.

Gas Sweetening : Siklus Proses

Setelah membahas mengenai penggunaan solvent amine MDEA untuk menyerap gas H2S dan CO2 pada proses Acid Gas Removal Unit (AGRU), kali ini kita akan membahas mengenai siklus proses pada gas sweetening. Untuk mengetahui mengenai peran solvent amine MDEA bisa dilihat pada posting sebelumnya disini.

Pada proses gas sweetening dengan menggunakan reaktan Amine, secara umum diagram alirnya seperti ditunjukkan pada gambar dibawah:

AGRU Flow Diagram

Berikut penjelasan beberapa istilah untuk memudahkan kita mempelajari sistem AGRU ini :

- Feed gas         ==> Gas alam yang masih mengandung H2S dan CO2
- Lean Solvent  ==> Larutan Amine yang sedikit mengandung gas asam
- Rich Solvent   ==> Larutan Amine yang kaya akan gas asam
- Treated Gas    ==> Gas alam yang telah diambil H2S dan CO2, setelah melewati proses absorbsi

Kolom pertama pada bagian kiri disebut sebagai kolom absorber. Di kolom ini terjadi peristiwa absorbsi gas CO2 dan H2S dari feed gas dengan lean solvent Amine yang dikontakkan secara berlawanan atau counter-current. Dimana hasilnya adalah, treated gas yang sedikit mengandung gas asam yang keluar dari atas kolom dan rich solvent yang keluar dari bawah kolom.
Rich solvent tersebut kemudian ditransfer ke dalam flash vessel, dimana fungsi dari flash vessel tersebut adalah untuk menguapkan hydrocarbon fraksi ringan yang terikut ketika dalam proses absorbsi. Adanya hydrocarbon bisa menyebabkan peristiwa terbentuknya busa (foaming) pada larutan Amine yang menyebabkan proses absorbsi menjadi kurang sempurna karena efektifitas transfer massanya menjadi terganggu dan produk gas menjadi off-spec.
Setelah flash vessel, rich solvent akan mengalami pre-heating dengan cara dikontakkan dalam heat exchanger, dimana media yang menjadi pemanas adalah lean solvent yang keluar dari kolom regenerator. Oleh karena itulah alat penukar panas tersebut disebut sebagai lean-rich exchanger.
Rich solvent yang telah dipanaskan kemudian masuk ke dalam kolom regenerator. Disebut sebagai regenerator karena fungsinya adalah menghasilkan lean solvent yang bisa digunakan kembali untuk proses absorbsi. Di dalam regenerator, terdapat sebuah reboiler yang fungsinya adalah untuk menguapkan air yang tergantung di dalam larutan Amine. Sebagaimana kita ketahui bahwa larutan Amine merupakan larutan yang terdiri dari 40-45% Amine dan sisanya adalah air. Di dalam proses regenerasi ini akan dilepaskan gas asam yang terkandung dalam rich amine, sehingga didapatkan lean solvent. Lean solvent keluar lewat bagian bawah kolom regenerator kemudian dipompa masuk ke dalam kolom absorbser dan proses absorbsi terjadi kembali. Sebelum masuk ke dalam kolom absorbser, lean Amine akan terlebih dahulu didinginkan dengan menggunakan lean solvent cooler.

Pertanyaan sehubungan dengan siklus proses AGRU diatas adalah sebagaimana berikut: 

Mengapa kolom absorber bekerja pada kondisi suhu rendah dan tekanan tinggi sedangkan sebaliknya, pada regenerator bekerja pada kondisi suhu tinggi, namun dengan tekanan rendah?

Gas Sweetening : Reaktan yang Digunakan

Acid Gas Removal Unit (AGRU) merupakan sebuah unit pengolah yang biasanya ditempatkan di pabrik pengolahan gas untuk menyerap komponen asam yang biasa terkandung dalam gas bumi, terutama adalah H2S dan juga CO2.

H2S harus dipisahkan dalam gas bumi karena merupakan sebuah zat yang beracun, gampang terbakar (flammable) dan juga bersifat korosif. H2S tidak berwarna dan jika dibakar akan bereaksi untuk membentuk SO2 yang merupakan gas polutan yang bisa menyebabkan hujan asam. Maka dari itulah, keberadaan H2S dalam gas alam harus dikurangi seminimal mungkin. Biasanya gas alam yang telah diproses, treated gas/ sweet gas, memiliki kandungan H2S berkisar antara angka 10-100 ppm volume.

Disisi lain, CO2, yang merupakan gas asam selain H2S, juga harus dikurangi karena bisa menyebabkan berkurangnya nilai bakar (heating value) sehingga gas tidak dapat menghasilkan energi yang optimal ketika dibakar. Adanya CO2 juga tidak diinginkan pada proses pencairan (liquefaction) untuk menghasilkan LNG karena bisa menyebabkan peristiwa terbentuknya dry ice CO2 yang bisa menyebabkan penyumbatan

Sour Gas atau gas asam merupakan istilah yang sering digunakan pada inlet gas yang masuk pada AGRU. Biasanya suatu gas asam memiliki kandungan H2S pada kisaran 1-2% mol dan  CO2 hingga 45% mol dari jumlah total mol gas.

Gas yang telah keluar dari AGRU disebut sebagai sweet gas. Maka dari itulah, proses AGRU biasanya disebut sebagai Gas Sweetening.

Pada proses gas sweetening, reaktan Amine biasa digunakan untuk menyerap H2S dan CO2. Beberapa contoh Amine yang digunakan dalam AGRU :

- Diethanolamine (DEA)
- Monoethanolamine (MEA)
- Methyldiethanolamine (MDEA)
- Diisopropanolamin (DIPA)
- Aminoetoksietanol (Diglikolamina) (DGA)

Saat ini, banyak proses sweetening gas yang menggunakan MDEA sebagai reaktan yang digunakan untuk menyerap gas asam. Hal ini dikarenakan MDEA memiliki selektifitas yang tinggi terhadap gas H2S dibandingkan dengan CO2. Tentu saja hal ini sangatlah penting karena kita menginginkan produk dengan kandungan H2S seminimal mungkin. Jangan sampai CO2 yang terserap oleh reaktan lebih sempurna dibanding dengan H2S sehingga menyebabkan penyerapan terhadap H2S menjadi terganggu.

Reaksi Amine dengan H2S dan CO2

Power Generation : Generator

Pada bagian ini, kita akan membahas bagaimana listrik dihasilkan dari input yakni putaran shaft yang disebabkan gaya yang dilakukan pada turbin gas.

Sebelum membahas mengenai generator, mari kita lihat kembali gambaran secara keseluruhan generator turbin gas.

Generator turbin gas

Nah, dibagian sisi paling kiri pada gambar diatas adalah gambar generator, dimana pada generator ini energi mekanik akan diubah menjadi energi listrik berarus bolak-balik (AC). Arus AC yang dihasilkan oleh generator turbin gas memiliki tiga phase.

Mari kita lihat lebih jelas mengenai generator dalam generator turbin gas tersebut

Generator

Berikut adalah narasi mengenai prinsip kerja generator yang berfungsi untuk mengubah energi mekanik menjadi energ listrik:

Generator shaft terhubung ke poros turbin melalui gearbox, dan generator menerima energi mekanik dari turbin melalui koneksi ini. Fungsi dari gearbox adalah untuk menurunkan drive speed dari poros turbin ke poros generator. Hal ini penting karena putaran per menit (rpm) dari poros generator tersebut menentukan frekuensi (Hz) dari daya listrik yang dihasilkan.

Generator menghasilkan listrik dengan menggunakan prinsip elektromagnetik. Semua magnet memiliki medan magnet di sekitar mereka karena adanya kutub. Jika konduktor ditempatkan di hadapan medan magnet bergerak, arus listrik mengalir dalam konduktor. Sebaliknya, konduktor dengan arus listrik yang mengalir melalui itu menghasilkan medan magnet sendiri. Generator rotor dan stator keduanya ditutupi dengan gulungan kawat, yakni berupa gulungan konduktor.

Generator menghasilkan tenaga listrik dalam dua langkah. Pada langkah pertama, exciter memproduksi dan memasok arus eksitasi ke rotor generator. Exciter adalah sebuah perangkat yang menyediakan arus akibat proses pemagnetan untuk elektromagnet yang ada dalam motor atau generator. Pada langkah kedua, arus eksitasi di rotor generator tersebut kemudian menghasilkan medan magnet di generator dan rotasi poros generator yang berputar menghasilkan listrik AC tiga fase. Adanya medan magnet tesebut, ditandai dengan garis hijau yang membentuk berputar ditandai dengan arah medan magnet.

Exciter terdiri dari generator magnet permanen, exciter utama, dan rectifier. Generator magnet permanen memasok arus DC ke exciter utama, yang dipasang pada poros generator. Ketika poros generator berputar, exciter utama menghasilkan arus AC, yang dikirim ke rectifier. Rectifier tersebut berupa susunan dioda yang menyebabkan arus hanya berjalan satu arah, sehingga mengubah arus AC ke DC. Rectifier kemudian mengirimkan arus DC ke rotor generator sebagai arus eksitasi.

Eksitasi arus dari exciter menciptakan medan magnet di gulungan rotor generator. Selama poros generator berputar, rotor generator yang dipasang pada poros akan menciptakan medan magnet berputar yang menginduksi arus AC di stator pembangkit. Arus induksi dikumpulkan oleh kotak terminal generator dan dikirim ke sistem distribusi listrik. Generator menghasilkan listrik AC tiga fase karena ada tiga gulungan kawat terpisah pada stator pembangkit.

Berikut adalah bagian-bagian dalam eksitator untuk memperjelas bagaimana proses induksi ke rotor generator :

Eksitasi listrik

1. Permanent Magnet Generator

Generator magnet permanen menghasilkan arus DC untuk exciter utama. Generator magnet permanen adalah magnet permanen berbentuk cincin yang dipasang pada rotor generator.

2) Voltage Regulator

Voltage regulator mengontrol DC yang disuplai dari generator magnet permanen pada exciter utama.

3) Main Exciter

Exciter utama menghasilkan listrik AC dari arus DC yang dipasok oleh generator magnet permanen. Exciter utama terdiri dari stator dan dinamo yang digerakkan oleh rotor generator.

4) Rectifier

Rectifier mengubah arus AC dari exciter utama ke DC dan mengirimkannya ke rotor generator sebagai arus eksitasi.

Dari penjelasan diatas, kita bisa mengetahui bahwa main exciter, memiliki prinsip yang sama dengan rotor generator. Ia bertindak sebagai pilot yang berfungsi untuk menginduksi rotor generator supaya bisa menghasilkan listrik untuk disuplai ke power distribution.

Power Generation : Turbomachinery- turbin gas

Dalam tulisan sebelumnya telah kita bahas mengenai komponen-komponen yang ada dalam generator turbin gas yang berfungsi untuk menghasilkan listrik. Kali ini, kita akan lebih fokus pada komponen utamanya yakni turbin gas.

Turbin gas ini banyak digunakan dalam dunia penerbangan dengan berbagai variasi model. Kita mengacu sejenak pada turbin gas yang digunakan pada pesawat untuk mengetahui persamaan apa yang bisa kita dapatkan dari berbagai macam bentuk turbin gas. Sehingga, kita tahu prinsip kerja turbin gas tersebut.

Macam variasi turbin gas pada pesawat terbang

Diatas adalah berbagai macam variasi turbin gas yang digunakan pada pesawat terbang. Pesawat terbang untuk bisa terbang membutuhkan sebuah sistem pendorong yang bisa memberikan gaya dorong yang melawan gaya gravitasi sehingga ia mencapai angkasa.

Kita lihat ada beberapa bagian yang sama yang dimiliki oleh tiap turbin gas dalam berbagai variasi yang dikelompokkan berdasarkan warna-warna tertentu:

1. -       Warna biru menandakan bagian kompresor yang berfungsi untuk menekan udara yang masuk ke dalam turbin gas.
2. -       Warna merah menandakan bagian pembakaran dimana udara dicampur dengan bahan bakar dan disitu terjadi proses pembakaran yang menghasilkan sebuah ekspansi gas buang yang digunakan untuk memutar turbin.
3. -       Warna ungu menandkan bagian turbin. Disini, gas buang akan melakukan kerja untuk memutar turbin sehingga menghasilkan sebuah gaya penggerak mekanikal yang bisa digunakan sesuai dengan yang diinginkan, contohnya: energi dorong pesawat, memutar generator untuk menghasilkan listrik, memutar kompresor etc.