kompresor

3.1 Peranan dan Fungsi Kompressor

Keberadaan sebuah kompressor di dalam industri yang berbasis sumberdaya alam (energi) sebagai bahan baku, terutama pada industri petrokimia, menjadikan peranannya tidak bisa digantikan oleh peralatan lain. Karena beberapa alasan, kompressor mempunyai karakter khusus yang digunakan sebagai mesin  pemindah gas pada tekanan yang lebih besar dari asalnya. Tekanan yang dihasilkannya  mulai dari 25 psig (17.237 Barg) sampai 60.000 psig (4136.88 Barg). Biasanya pada skala menengah, seperti halnya industri petrokimia kebutuhan tekanan (untuk udara, nitrogen dan gas-gas tertentu lainnya) hanya sampai 35 barg.

Kompressor dioperasikan untuk berbagai tujuan, antara lain:

• Memindahkan tenaga/daya, sebagaimana digunakan untuk peralatan yang menggunakan udara bertekanan.
• Menyediakan udara untuk pembakaran.
• Membawa dan mendistribusikan gas atau produk-produk yang

bersifat ringan (ρ rendah).

• Menjaga dan mensirkulasi gas di dalam suatu proses atau sistem.
• Memproduksi tekanan dan menjaga kondisinya dengan harapan agar di dalam reaksi kimia akan lebih kondusif.
• Memproduksi dan menjaga tekanan agar gas yang tidak diinginkan tidak masuk ke dalam suatu sistem yang bertekanan tersebut.

3.2 Klasifikasi Kompressor

Secara prinsip kompressor dikelompokkan menjadi 2 (dua) bagian besar, yaitu (1) menghasilkan aliran perpindahan tersendat-sendat (intermittent flow), lebih dikenal dengan  positive displacement  dan  (2) kontinyu  (continuous flow) biasa dikenal dengan kompressor jenis turbo.. 

Kompressor intermittent flow, menaikkan tekanan dengan memperkecil atau memampatkan volume gas yang dihisap ke dalam silinder atau stator oleh torak atau sudu. Sedang kompressor continuous flow,  menaikkan tekanan dan kecepatan gas dengan gaya sentrifugal yang ditimbulkan oleh  impeller atau dengan gaya angkat yang ditimbulkan oleh sudu.

Intermittent Flow (Positive Displacement)

Kompressor

Straight - Lobe

Continuous Flow

Liquid - Piston

Ejector

Centrifugal

Reciprocating

R o t a r y

Helical - Lobe

Dynamic

Sliding -Vane

Axial - Flow

Mixed - Flow

 

Gambar 3.1 Klasifikasi Kompreesor.

Ada juga mesin yang termasuk kompressor adalah fan atau blower jenis sentrifugal ataupun aksial. Fan atau blower digunakan bila kebutuhan akan kapasitasnya adalah kecil, tetapi bila kapasitas yang dihasilkan sangat besar, pada putaran yang sangat tinggi serta sistem dan fluida yang dimampatkan mempunyai nilai ekonomis yang tinggi, lebih efisien digunakan kompressor dynamic-sentrifugal.

3.3 Kompressor Screw         

Gambar  3.2 Kompressor Screw

Udara bertekanan (compressed air) digunakan untuk menggerakkan katup putar (remote operating valves), katup pengendali (control valves) dan katup torak (piston valves). Kebutuhan udara ini dapat dipenuhi dengan  screw compressor, seperti diperlihatkan pada Gambar 3.2, yang bisa menghasilkan tekanan sampai 8,5 barg. Akibat dari gerakan seperti sekrup ini, fluktuasi aliran dan moment puntir yang timbul menjadi sangat kecil. Selain itu, pasangan rotor yang berputar pada kecepatan tinggi, akan mengurangi getaran yang terjadi.                                                             

Gambar 3.3 Peralatan tambahan pada kompressor screw (BroomWade, Ltd.)

Kompressor jenis ini, pada aplikasi di lapangan, selalu dibutuhkan peralatan tambahan, seperti dperlihatkan pada  Gambar  2.3, antara lain, oil reclaimer berfungsi sebagai pemisah udara bertekanan dengan pelumas (yang terikut udara bertekanan), after cooler  berfungsi sebagai pengingin udara bertekanan dan  humidity drier unit  berfungsi sebagai pengering dan sekaligus menjaga kwalitas udara, karena secara umum udara bertekanan ini dipakai untuk menggerakkan peralatan instrumentasi yang harus bebas air (0,5 ppm).

3.4. Kompressor Sentrifugal

Gambar 3.4 Kompressor Sentrifugal

Kendati udara atau gas adalah fluida yang masih bisa dimampatkan, pentingnya digunakan centrifugal compressor (disebut juga dynamic compressor)  sebagai alat utama pada industri petrokimia, yaitu sebagai proses fluidisasi di dalam reaktor, karena proses produksinya adalah continue processing. Beberapa keuntungan dari kompressor sentrifugal, seperti diperlihatkan pada Gambar 3.4, adalah dihasilkan tekanan tetap (constant pressure), kapasitas bervariasi (variable-capacity) tergantung kebutuhan yaitu dengan cara mengatur bukaan  diaphragm guide van.

Gambar 3.5 Impeller  kompressor sentrifugal

Sebuah kompressor sentrifugal mempunyai sebuah  impeller  atau lebih searah tekanan radial. Gas/fluida ditekan dengan gaya/gerakan mekanik melalui  impeller  yang dihubungkan dengan poros daya motor. Kecepatan gas dibangkitkan berupa tekanan secara parsial ke dalam  impeller  yang dilengkapi dengan sebuah  radial diffuser  dan  volute gas collector. Gambar 3.5 memperlihatkan bagian  radial  dan  longitudinal.  

Sedangkan parameter-parameter yang harus dipertimbang-kan, pada kompressor sentrifugal antara lain:

• Tekanan dan suhu hisap  (suction pressure and temperature)
• Tekanan dan suhu tekan  (discharge pressure and temperature)
• Angka debit produksi (product/gas flow rate)
• Analisa gas  (gas analysis – mole weight)
• Kecepatan kompresor  (compressor speed)
• Tenaga penggerak  (driver power)
• Bantalan suhu pelumas  (bearing metal and oil drain tempera-tures).

3.5. Kompressor  Roots

Untuk proses  transfer  produk, pada industri petrokimia digunakan  roots compressors (atau blower) yang mempunyai dua buah sudu berbentuk seperti kacang tanah pada konstruksi 900 saling berpasangan, seperti diperlihatkan pada Gambar 2-4a. Agar tetap terjaga dalam kondisi 900, maka kedua poros dihubungkan dengan sepasang roda gigi.

                        

Gambar 3.6 Kompressor  roots  dua sudu

Ada juga  kompressor jenis ini mempunyai tiga buah sudu, seperti diperlihatkan pada Gambar 3.6. Tujuan utamanya adalah untuk mendapatkan energi yang lebih rendah pada putaran dan  flow rate yang sama. Unjuk kerjanya berkisar diantara kompressor sudu (centrifugal) dan torak. Dipilihnya kompressor (blower) jenis ini, karena mempunyai kelebihan-kelebihan sebagai berikut :

• Tidak menimbulkan  surging.
• Putarannya mudah dibuat variasi
• Kapasitas mudah diatur dengan bukaan  damper dan
• Bebas minyak

Sedangkan fluidanya bisa berupa oksigen (O2) atau nitrogen (N2) untuk hasil produk  yang  tidak  boleh  bereaksi  dengan  udara  (N2 = 79%  dan  O2 = 21%).

Gambar 3.7 Komprerssor  roots  tiga sudu (Feuille de Jeux)

Fungsi oksigen adalah sebagai “pembunuh”  kandungan  hydrocarbon  yang masih melekat pada produk akibat suatu prosesnya.

3.6. Kompressor Torak

Kompressor torak lebih dikenal dengan reciprocating compressor, yaitu suatu mesin yang mempunyai torak disusun untuk gerakan (move to and from) maju dan mundur  yang mempunyai kemampuan menekan fluida (gas) hampir sempurna, artinya, jumlah fluida yang dihisap pada suatu ruang tertentu akan di-transfer-kannya sejumlah itu pula. Dengan alasan kemampuannya yang tinggi inilah menjadikan pilihan utama digunakan kompressor jenis ini. Efisiensi keseluruhan secara  normal diperkirakan antara 85% sampai 90%.

Gambar 3.8 Kompressor Torak

Tingkat kerugian (losses) sekitar 10% – 15%, artinya, daya yang diberikan oleh penggerak utama untuk menekan fluida, diterima secara keseluruhan pula oleh fluidanya sebesar 85% - 90%. Keuntungan lain dari kompressor torak --- sebagai kompressor kerja langsung (direct-acting compressor) --- adalah mampu memberikan tekanan mulai dari 300 sampai 5.000 psig (20,41 Barg), tetapi juga bisa sampai 10.000 psig (689,48 Barg) untuk jenis multi guna (multi purpose), kapasitasnya yang besar (proporsional sesuai keinginan), dan bekerja dalam kondisi kering. Oleh karenanya untuk gas-gas yang mempunyai nilai tinggi (baik secara ekonomi ataupun proses) kompressor jenis ini sangat efisien.

Bagian kompressor torak yang terpenting adalah seperangkat “penekan”  (compressing unit), seperti diperlihatkan pada Gambar 3.9, yang terpasang pada seperangkat torak  (piston unit), yang terdiri dari cincin penegang  (piston ring)  dan cincin torak  (rider ring).                                 

 

Gambar 3.9 Compression rings & Seperangkat torak  (Loomis, halaman 14-8 dan Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd.).

Fungsi  compression rings  adalah :

·         Sebagai penekan fluida (gas)

·         Diharapkan fluida terkompressi  (compressed fluid/gas) bisa secara penuh dipindahkan dengan bebas dari minyak

·         Rider ring  sekaligus sebagai penopang seperangkat torak.

Agar  compressed fluid/gas  bebas dari minyak, umumnya bahan  “penekan” dibuat dari PTFE (poly tetra fluoro ethylene  atau  teflon). Bahan ini mampu  “melumasi sendiri”  selama gerakan bolak-balik berlangsung dan mampu betahan pada suhu  -2680 sampai 2600 C.

Khusus kompressor torak kerja bolak-balik  (double acting),  dipasang pula seperangkat  piston rod packing, pada sisi  crank end. Piston rod packing, seperti diperlihatkan pada Gambar 2-5c, berfungsi sebagai penahan dari fluida (gas) yang terkompressi agar tidak keluar dari sistem, bagian yang bersentuhan langsung dengan tuas torak (connecting rod) terbuat dari bahan PTFE dan keseluruhannya berada di dalam  stainless steel casing yang sangat presisi. 

                                                                           

Gambar 3.10  Piston rod packing (Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd).

 2.7. Teori Kompressi

2.7.1. Tekanan dan Volume

Bertambahnya tekanan adalah merupakan akibat dari mengecilnya volume udara di dalam silender karena proses pemampatan oleh torak (piston). Jika volume semakin dikecilkan, tekanan akan semakin besar. Dan jika selama kompressi, temperatur fluida dijaga tetap (tidak bertambah panas) maka pengecilan volume ½ (setengah) kali akan menaikkan tekanan menjadi 2 (dua) kali lipat. Demikian pula volume 1/3 , tekanan 3 kali dan seterusnya. Sesuai dengan Hukum Boyle: “Jika fluida (gas) dikompresi (diekspansi) pada temperatur tetap, maka tekanannya akan berbanding terbalik dengan volumenya” (disebut juga dengan hukum isothermal).

p1 v1  =  p2 v2  =  tetap (c)                                                 ……… (2.1)

Pada prinsipnya jumlah aliran isi  (volume flow),  daya ideal dipengaruhi oleh: (a) tekanan masuk  (inlet pressure), (b) harga  k  dari suatu gas dan (c) perbandingan kompressi  (compression ratio).

Untuk lebih jelasnya ditunjukkan dalam Gambar 2-6 berikut ini:

                                     Discharge loss

 

p2                                                                                 Inlet loss

 

       

        p1                                                                                                      ps

                                                                                                                                                                                        Vs

                   Vo                                         Vd

Gambar 3.11 Diagram  p – V   menunjukkan rugi-rugi (tekanan) masuk dan keluar

Idealnya seluruh volume dan tekanan yang dikompressikan adalah sama dengan  nol agar seluruh fluida dapat dipindahkan secara sempurna. Timbulnya rugi-rugi diakibatkan oleh adanya jarak  (clearance)  yang harus disisakan antara kepala silinder  (cylinder head) dengan kepala torak  (headend piston) yang bertujuan agar tidak saling berbenturan.

3.7.2. Temperatur dan Volume

Fluida (padat, cair dan gas) akan mengembang jika dipanaskan pada tekanan tetap. Dari ketiga fluida, gas adalah fluida yang mempunyai  koefisien  muai yang jauh lebih besar. Memperhatikan Hukum Charles ditemukan pernyataan bahwa  “semua macam gas bila dinaikkan terperaturnya sebesar 10 Centigrade pada tekan tetap, akan mengalami pertambahan volume sebesar 1/273 dari volumenya pada 00 C, demikian pula sebaliknya (tentu dengan proporsi yang sama)”.

Dirumuskan  sebagai berikut:

V1 = V0  +  * T1 *V0

V1 = V0                                                                  

Pada temperatur T2 (0 C) untuk tekanan yang sama, volumenya adalah:

V2 = V0                                                                  

Substitusi pembagiannya adalah :

             =                                                                    

dimana   273 + T (0C) = T  (K)  disebut dengan temperatur mutlak, maka persamaan (2.4) dapat ditulis sebagai berikut:

             =                                                                                 

sehingga Hukum Charles didefinisikan sebagai: pada proses tekanan tetap, volume gas berbanding lurus dengan temperatur mutlaknya.

Timbul pertanyaan sekarang, kapankah fluida yang terkom-pressi (panas) dihasilkan? Sebagai illustrasi yang paling mudah adalah dengan memperhatikan tukang tambal ban yang sedang mengkom-pressi ban otomobil, seperti diperlihatkan pada Gambar 3.12. Ini adalah persoalan besar di dalam mendisain kompressor agar panas tidak timbul terlalu tinggi. Jika panas dapat dibuang (atau bisa dieliminasi) secepat panas itu dihasilkan guna menjaga fluida (terkompressi) pada suhu tetap selama proses kompressi, maka hukum kompressi isotermal  (isothermal compression law)  akan diperoleh hubungan sebagaimana hukum Boyle. Bagaimanapun juga pada prakteknya sulit diperoleh, sebab sangat tidak mungkin menghilangkan panas secara keseluruhan secepat sebagaimana dihasilkan kompressi (tekanan).

Gambar 3.12 Contoh sederhana  panas yang timbul akibat proses kompressi   

               

2.7.3. Persamaan Gas Ideal

Biasanya pada proses pengkompressian fluida (udara/gas) ada dua elemen yang bekerja terhadap produksi tekanan yang lebih tinggi, yaitu :

1. Pengecilan volume sebagai akibat dari penekanan piston.
2. Kenaikan suhu dikarenakan naiknya tekanan berhubungan dengan volume yang mengecil.

     A                                                    cylinder liner   

                B                                                                                   torak

 

               ⅓ vol

                                    total vol.                                                                           

           

Gambar 3.13 Volume kompressi udara

Jika silinder, seperti diperlihatkan pada Gambar 2-8, diisi dengan udara bebas pada tekanan atmosfir (14,7 lbs/in2 mutlak) diwakili oleh volume A, dan torak digerakkan sehingga mengurangi volumenya hingga  1/3 A , diwakili oleh volume B; kemudian merujuk pada hukum Boyle, maka tekanan akan dilipatkan menjadi  =  14,7 X 3 = 44,1 lbs/in2 mutlak atau sama dengan  44,1 – 14,7 = 29,4 lbs/in2 gauge. Pada kenyataannya, disinilah hukum Charles masuk, sebuah tekanan (gauge) didalam silinder sebenarnya menunjukkan tekanan lebih besar dari 14,7 lbs/in2 gauge, karena kenaikan suhu, diproduksi pula tekanan udara. Inilah yang disebut dengan kompressi adiabatik.

                                                           

Loss due to heat of compression

Volume cold                                                                                                       

t1     Volume hot                                                  t11    t1             

 

                         Adiabatic line                                                                           Adiabatic line

                                                                       

t                               Isothermal line                                 t

                                                                        pendingin

 

                                                                                                            pendingin

Gambar 3.14 Kompressi adiabatic                               Gambar 3.15 Besarnya panas yang

tanpa pendinginan                                                                              diserap oleh pendinginan (Graham, halaman 35)

Pada Gambar 3.14 tampak jelas bahwa kompressi yang tidak disertai dengan pembuangan panas, maka terjadi kompressi adiabatik sebagaimana ditunjukkan oleh kurva  t – t1. Ketika seluruh panas diambil oleh pendinginan  (water jacket), kompressi yang terjadi adalah  isothermis  sebagaimana ditunjukkan oleh kurva  t – t1t11 ,  lihat pada      

Gambar 3.15, daerah yang dinaungi oleh arsiran adalah bentuk (besarnya) kerugian, oleh karena itu syarat utama konstruksi kompressor dibuat dengan menambahkan sebesar mungkin pendingin pembuang panas akibat kompressi,  sehingga kerja menjadi efektif.

Prinsip dasar dari semua teori kompressi udara termasuk pertimbangan praktiknya adalah hubungan yang ada antara tekanan, volume dan suhu. Kombinasi ketiga unsur ini diwujudkan dalam suatu persamaan keadaan gas ideal adalah  Hukum Boyle – Charles  didefinisikan sebagai berikut:

                                                pV  =  mRT                 ...................(2.9)

dimana,           p          =         tekanan mutlak  (Pa)

V          =          volume (m3)

m         =          massa (kg)

T          =          temperatur mutlak (K)

R          =         konstanta gas (Joule/kg K).

Karena besarnya R tetap dan harganya berbeda untuk masing-masing gas,maka persamaan (3.6) dapat dituliskan sebagai berikut:

                                                pv = RT                       .................. (2.10)

dimana,           v =  V/m  =     volume spesifik (m3/kg).

2.8. Syarat Pemilihan untuk Penggunaan

Sebelum memilih kompressor, hal yang penting harus diperhatikan adalah, fluida jenis apa yang akan dilayaninya. Karena beda fluida, beda pula jenis kompressornya. Dalam suatu pemilihan, angka yang tepenting adalah laju volume fluida (udara/gas) yang dikeluarkan/dikompressi serta tekanan kerjanya. Jika kedua hal ini sudah ditentukan/ditetapkan, maka daya kompressor dapat dihitung. Kemudian baru menghubungi pabrik pembuatnya untuk menentukan jenis dan tipe kompressor.

Beberapa syarat yang harus dipenuhi pada pemilihan sebuah kompressor adalah sebagai berikut: Maksud dan tujuan digunakannya kompressor yang akan dipasang.

1. Suction  dan  discharge pressure  yang dihasilkan.
2. Jenis dan karakteristik fluida yang dilayani.
3. Suhu, kelembaban dan kapasitas aliran fluida.
4. Peralatan  accessories  dan  peralatan pengaman yang cocok.
5. Sumber tenaga yang dibutuhkan serta korelasi terhadap penggeraknya.
6. Serta paket program perawatannya.