Evaluasi Performance Alat Proses Industri Dengan Analisis Termodinamika

Evaluasi Performance Alat Proses Industri Dengan Analisis Termodinamika.Performance (unjuk kerja) alat-alat proses di industri perlu diketahui, karena berhubungan dengan penggunaan energi, yang secara langsung akan mempengaruhi besarnya annual cost. Salah satu kriteria yang digunakan untuk menentukan efektivitas suatu alat proses adalah seberapa besar jumlah energi yang hilang (W_lost) dari alat proses tersebut. Semakin besar energi yang hilang, berarti semakin tidak efisien suatu alat proses. Penentuan W_lost dari suatu alat proses dapat dilakukan dengan analisis termodinamika. Analisis menggunakan konsep hukum termodinamika I, tentang konservasi energi (ketetapan energi), dan hukum termodinamika II, tentang kriteria proses berdasarkan nilai entropi. Dari kedua konsep ini akan diperoleh persamaan matematis yang dapat digunakan untuk menentukan besarnya W_lost, yaitu:

W_lost=To.ΔS_total

ΔS_total =ΔS_sys +ΔS_sorr..

 ΔS = entropy change ; To = temperature of sorrounding

Dengan mengetahui W_lost masing-masing alat proses, dapat menseleksi mana alat proses yang efisien dan mana alat proses yang tidak efisien. Sehingga langkah penting selanjutnya yang perlu dilakukan adalah bagaimana usaha untuk menaikkan efisiensi alat proses yang tidak efisien tersebut.

Kata kunci: performance, analisis termodinamika, entropi, efisien

PERMASALAHAN

Untuk menjamin berlangsungnya proses-proses di industri diperlukan alat-alat proses yang terkait dengan proses yang ada. Alat-alat proses yang digunakan dirancang minimal dapat menjalankan tugas sesuai dengan proses yang di-handle. Hal ini masih memberikan kemungkinan alat belum bekerja secara optimal dan efisien. Untuk beberapa jenis alat proses terdapat batasan-batasan tertentu di mana alat dikatakan dapat bekerja sesuai tugasnya. Sebagai contoh alat penukar panas (Heat Exchanger, HE) mempunyai batasan dirt factor (Rd) dan pressure drop (- ΔP), yang mana alat HE dikatakan dapat bekerja sesuai tugasnya jika mempunyai Rd yang lebih besar sedikit dari Rd_min yang disyaratkan, dan memberikan (- ΔP) yang lebih kecil dari (- ΔP)_maks yang diijinkan (Rubahman dan Rahmat, 1978). Tetapi secara umum performance (unjuk kerja) alat-alat proses sebenarnya dapat dievaluasi berdasarkan batasan termodinamika, yaitu jumlah energi yang hilang (unavailable) sebagai kerja musnah (lost work, W_lost). Semakin besar jumlah kerja musnah, semakin tidak efisien alat proses tersebut.

Penentuan jumlah kerja musnah dapat dilakukan dengan menggunakan
analisis termodinamika. Analisis didasarkan pada konsep-konsep hukum termodinamika I dan II. Dari analisis akan diperoleh persamaan matematis yang dapat digunakan untuk menentukan W_lost, di mana besarnya W_lost akan tergantung pada perubahan entropi total (ΔS_total) yang dihasilkan.

Dengan mengetahui kerja musnah yang ada pada tiap-tiap alat proses, dapat menentukan alat proses yang efisien dan yang tidak efisien. Dari kesimpulan awal ini dapat dilakukan langkah penting berikutnya, yaitu bagaimana usaha meningkatkan efisiensi alat proses yang tidak efisien tersebut. Usaha peningkatan efisiensi alat proses, jika dihubungkan dengan kerja musnah, tentunya diarahkan pada usaha memperkecil W_lost, yang berarti bagaimana untuk memperkecil nilai perubahan entropi total (ΔS_total).

ANALISIS TERMODINAMIKA

Termodinamika

Termodinamika berasal dari bahasa asing, “thermodynamics”, yang berarti tenaga yang dibangkitkan dari panas. Pada perkembangan berikutnya, termodinamika didefinisikan lebih luas, yaitu transformasi atau perubahan energi dari satu bentuk energi ke bentuk energi yang lain (Smith dan Van Ness, 1987).

Hukum Termodinamika I

Hukum Termodinamika I merumuskan tentang konservasi atau ketetapan energi. Berdasarkan konsep ini, besarnya energi sebenarnya tetap, hanya berubah bentuk dari satu bentuk energi ke bentuk energi yang lain.

Hukum Termodinamika II

Hukum termodinamika II antara lain merumuskan tentang kriteria berlangsungnya suatu proses. Suatu proses dikatakan dapat berlangsung secara reversible, atau irreversible, atau tidak dapat berlangsung, dapat ditunjukkan dengan suatu besaran termodinamika yang disebut entropi.

Kerja Ideal (W_ideal) dan Kerja Musnah (W_lost)

Untuk sistem yang menghasilkan kerja (W positip), kerja ideal didefinisikan sebagai kerja maksimum yang dapat dihasilkan sistem jika sistem tersebut mengalami proses reversible. Dalam hal ini kerja nyata lebih kecil dari kerja ideal, dan perbandingan antara keduanya disebut efisiensi termodinamika:

APLIKASI

Pada bagian ini diberikan contoh evaluasi performance alat proses di industri dengan menggunakan analisis termodinamika. Contoh diambil pada sebuah unit steam power plant yang terdiri dari beberapa alat proses, yaitu: boiler (furnace) dengan bahan bakar gas metana (CH₄), turbin, kondenser, dan pompa, sebagaimana terlihat pada gambar 1 (Smith dan Van Ness, 1987):

Data tambahan:

- udara pembakaran excess 25 %

- gas CH₄ terbakar sempurna menjadi gas CO₂ dan H₂O

- data ΔH^o_i , ΔG^o_i, dan sifat fisis diketahui

- jumlah steam 84,75 kg/ s

Evaluasi Performance Alat

Dengan menggunakan persamaan-persamaan matematika yang diperoleh dari analisis termodinamika yang telah diuraikan sebelumnya, performance alat-alat proses unit steam power plant pada contoh gambar 1 dapat ditentukan. Penentuan W_lost masing-masing alat dimulai dengan perhitungan perubahan entropi total yang terdiri dari perubahan entropi sistem dan perubahan entropi lingkungan di sekitar tiap alat. Pada alat turbin, kondenser, dan pompa, sistem berupa uap air (steam) atau air, sedangkan pada alat boiler (furnace), sistem berupa steam dan campuran bahan bakar. Untuk menyederhanakan perhitungan, pada beberapa alat (boiler, turbin, dan pompa) dianggap bekerja secara adiabatik, sehingga perubahan entropi lingkungan pada alat-alat tersebut sama dengan nol. Hasil selengkapnya perhitungan perubahan entropi total dan kerja musnah masing-masing alat disajikan pada tabel 2 dan 3 berikut:

Dari tabel 3 terlihat bahwa W_ideal merupakan jumlahan dari Ws dan W_lost (sebagaimana pers. ( 10a )). Hal ini disebabkan Steam power plant merupakan unit yang berfungsi untuk mengkonversi energi panas (dari bahan bakar) menjadi energi kerja mekanik. Oleh karena itu meskipun pada unit ini terdapat 2 (dua) Ws yang berlainan tanda (positip pada turbin dan negatip pada pompa), maka Ws netto keduanya akan bertanda positip. Hal ini berarti W_ideal lebih besar dari pada Ws, sehingga berdasarkan persamaan ( 8 ) diperoleh efisiensi termodinamika dari unit steam power plant ini sebesar 27,3 %. Dari hasil analisis terlihat bahwa alat proses pada unit tersebut yang paling tidak efisien adalah boiler (furnace), yang menghasilkan kerja musnah sebesar 59,8 % dari total W_lost yang dihasilkan semua alat. Untuk meningkatkan efisiensi boiler, berdasarkan jumlah W_lost, dapat dievaluasi dari nilai perubahan entropi totalnya. Karena boiler dianggap bekerja secara adiabatik, maka W_lost hanya ditentukan dari perubahan entropi sistemnya, yang terdiri dari steam dan campuran bahan bakar. Untuk mengubah perubahan entropi sistem pada boiler sehingga perubahan entropi totalnya menjadi lebih kecil, yang paling feasible adalah dengan mengubah kondisi sistem campuran bahan bakar. Perubahan entropi pada sistem campuran bahan bakar dari keadaan awal (suhu 298,15 K) ke keadaan akhir (campuran flue gas suhu 460 K) dipengaruhi oleh beberapa proses di dalamnya, yaitu: pemisahan (unmixing) dan pencampuran (mixing), reaksi pembakaran, dan perubahan suhu. Berdasarkan analisis perhitungan, di antara proses-proses tersebut yang paling memungkinkan dilakukan modifikasi untuk menghasilkan perubahan entropi sistem campuran bahan bakar menjadi lebih kecil adalah pada proses unmixing-mixing dan perubahan suhu, yaitu dengan memperkecil excess udara, idealnya perbandingan antara CH₄ dengan gas oksigen dari udara adalah stoikiometris (1 : 2), serta dengan menurunkan suhu keluar flue gas (artinya panas yang diserap steam lebih banyak). Usaha penurunan suhu flue gas keluar boiler (furnace) dapat dilakukan dengan menambah luas perpindahan panas alat, misal dengan menambah jumlah tube dalam boiler.

KESIMPULAN

1. Analisis termodinamika dapat mengevaluasi performance alat proses berdasarkan nilai W_lost.

2. Semakin besar kerja musnah (unavailable energy) yang dihasilkan suatu alat proses, berarti semakin tidak efisien alat proses tersebut.

3. Usaha peningkatan efisiensi alat proses diarahkan pada upaya memperkecil kerja musnah, yaitu dengan memperkecil perubahan entropi total yang dihasilkan alat proses.