Desain Separator

TEKNIK PRODUKSI NO : TP.07.01

JUDUL : FASILITAS PERMUKAAN SUB JUDUL : Desain Separator

Halaman : 1 / 40 Revisi/Thn : 2/ Juli 2003

Manajemen Produksi Hulu

DESAIN SEPARATOR

1. TUJUAN

Memilih ukuran separator untuk memisahkan gas dan cairan.

2. METODE DAN PERSYARATAN

2. 1 METODE

Metode pemilihan dilakukan dengan perhitungan secara Trial and Error.

2.2 PERSYARATAN

• Temperatur kerja di atas titik kabut minyak (cloudpoint) dan titik hidrasi gas.

• Partikel cairan terkecil yang dapat dipisahkan berdiameter 10 micron.

• Tidak terjadi foaming.

3. LANGKAH KERJA

1. Siapkan data penunjang, sebagai berikut :

• Laju produksi gas, minyak dan air

• SG gas, minyak dan air

• Temperatur dan tekanan separator

• Faktor kompresibilitas separator dan kondisi standar

• Kadar air

2. Anggap suatu tinggi separator vertikal atau panjang separator horizontal L feet. Tabel 1 sampai

dengan 4 memperlihatkan harga L yang umum di pasaran.

3. Ubah laju produksi gas standar (Qg, SCF/hari) ke laju produksi gas pada kondisi separator (Vg,

cuft/detik) dengan menggunakan persamaan:

scscsep

sepsepscgg ZTP

ZTPQV

×××

×××=

86400 (1)

Bila Tsc = 520 oR atau 60 oF dan Psc = 14.7 psia maka :

scsep

sepsepgg ZP

ZTQ.V

×

×××= −710273 (2)

Harga Z dan Zsc dapat dicari dari Gambar 1, walaupun harga Z akan lebih teliti bila dicari dari





grafik Tekanan Reduced dan Temperatur Reduced (bila tersedia).

4. Ubah °API minyak menjadi SG minyak pada kondisi standar, dengan persamaan :

API

SG oo +=

5.1315.141

(3)

5. Koreksi SGo pada kondisi standar ke kondisi separator (SGosep), dengan Gambar 2.

6. Hitung SG campuran cairan (SG1s) dengan persamaan :

SG1S = Wc × SGw + (1-WC) SGosep (4)

7. Hitung densitas cairan di separator (BD1, Ib/cuft), dengan persamaan :

BD1 = (SG1s)(62.4) (5)

8. Hitung densitas gas pada kondisi separator (BDg, Ib/cuft), dengan persamaan :

sep

sc

sep

sc

sc

sepgg Z

ZTT

PP

.SGBD ××××= 07640 (6)

Bila kondisi standar 14.7 psia dan 60 °F atau 520 °R, maka :

sepsep

scsepgg ZT

ZPSG.BD

×

×××= 72 (7)

9. Hitung kecepatan maskimal gas (V, ft/detik) dengan menggunakan Hukum Stoke yang

dimodifikasi:

g

g

BDBDBD

KV−

= 1 (8)

K didapat dari Tabel 6, yang merupakan fungsi jenis, panjang dan diameter separator.

10. Hitung luas aliran gas (Ag, ft2) dengan persamaan :

VV

A gg = (9)

11. Hitung diameter-dalam separator berdasarkan kapasitas gas, (Dg, ft) dengan persamaan:

• Separator vertikal :

π

= gg

AD

4 (10)

• Separator horizontal single barrel :





π

= gg

AD

8 (11)

• Separator horizontal double barrel :

π

= gg

AD

4 (12)

• Untuk separator bola:

π

= gg

AD

42 (13)

12. Diameter luar (nominal) dapat dicari dengan menggunakan Gambar 3.

13. Tentukan waktu retensi (retention time) di dalam separator (t, menit):

• Untuk aliran 2 fasa, berlaku :

°API > 35°, t = l menit

°API ≤ 35°, t = - 0.058 ° API + 3.03 (14)

• Untuk aliran 3 fasa, berlaku :

°API > = 50° t = 3 menit

40° < °API ≤ 50° t = 3 - 4 menit

30° < °API ≤ 40° t = 4 - 5 menit

20° < °API ≤ 30° t = 5 - 7 menit

Tinggi kolom air minimum 6 in.

• Waktu retensi yang paling teliti ditentukan dari pengukuran langsung.

14. Hitung Reduced liquid capacity factor (C).

• °API ≥ 35°, C = 1

• °API < 35°, C = 0.029 °API – 0.015 (15)

15. Tentukan diameter separator berdasarkan volume cairan (D1, ft). Tinggi cairan di dalam separator

vertikal biasanya diambil 2 ft, dan dengan menggunakan faktor keamanan 2 ft untuk heading,

maka luas lingkar penampang separator (A1, ft2) adalah :

CtQ

A o

××

=2571 (16)

• Diameter Separator vertikal berdasarkan volume cairan :





π

= 11

4AD (17)

• Separator horizontal single barrel :

31 4650 C.

tQD o

××

= (18)

• Separator horizontal double barrel :

31 46502

1C.

tQD o

××

= (19)

• Separator bola :

2

51333

1D

tCDL.Q = (20)

atau

28570

104220 .

o

CtQ.

D

= (21)

15. Tentukan Rm yaitu hasil bagi L (butir 2) terhadap D1 (butir 14) atau L (butir 2) terhadap Dg (butir

10) yang terkecil.

• Bila 3 ≤ Rm ≤ 5 ukuran separator terdapat di pasaran.

• Bila Rm < 3, maka harga L di langkah 2 harus diperbesar, kemudian ulangi langkah. 8 sampai

dengan 15.

• Bila Rm > 5, maka harga L di langkah 2 harus diperkecil, kemudian ulangi langkah 8 sampai

dengan 15.

• Langkah 15 ini tidak perlu dilakukan untuk perhitungan separator bulat.





4. DAFTAR BACAAN

1. Burcik, E.J., “Properties of Petroleum Reservoir Fluids”, Boston : IHRDC, 1979.

2. Campbell. J.M., “Know Your Separator”, The Oil and Gas Journal. 53, No. 45, hal. 107-111,

March 14, 1955.

3. Campbell, J.M., “Gas Conditioning and Processing”, Norman J.M., Campbell, 1968, pp. 83-99.

4. Craft, B.C., Holden, W.R., and E.D., Graves, Jr., “Well Design Drilling and Production”,

Englewood Cliffs: Prentice. Hall, Inc., 1962, pp. 453 - 481.

5. Curfew, J., Johnstone, J. & D, Tolson, “Separation and Oil Treatment”, Presented at POETS,

AOGC, Dallas, 1980.

6. Frick, T. C., editor, “Petroleum Production Handbook”, Vol.1, New York: McGraw Hill Book

Co., 1962, pp. 11-1-11-40.

7. GPSA Handbook 1984

8. Katz, D.L. editor, “Handbook of natural Gas Engineering”, New York: McGraw Hill Book Co.,

1959.

9. Ludwig, E.E., “Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants”, Vol 1,

Houston: Gulf Publishing Co., 1964.

10. Uren, L.C., “Petroleum Production Engineering Exploitation”, New York: McGraw Hill Book

Co., Inc., 1953.

11. Rubiandini, Rudi, “TM-461 Peralatan Eksploitasi Migas”, Penerbit ITB, 2000.





5. DAFTAR SIMBOL

Ag = luas separator berdasarkan gas, ft2

A1 = luas separator berdasarkan cairan, ft2

BDg = densitas gas, lb/cuft

BD1 = densitas cairan, Ib/cuft

C = Reduce Liquid Capacity Factor

D = Diameter, ft

Dg = Diameter separator berdasarkan gas, ft

D1 = Diameter separator berdasarkan cairan, ft

K = Konstanta berdasarkan disain dan operasi separator.

L = panjang atau tinggi separator

Psep = tekanan separator

Psc = tekanan standard, psia

Qg = laju aliran gas, SCF/hari

Qo = laju aliran minyak, bbl/hari

Q1 = laju aliran cairan : minyak dan air, bbl/hari

SGg = Specific Gravity gas

SGls = Specific Gravity cairan

SGo = Specific Gravity minyak

SGosep = Specific Gravity minyak di separator (Gb.2)

SGw = Specific Gravity air

t = waktu retensi, menit

Tsc = temperatur standard, °R

Tsep = temperatur separator, °R





V = kecepatan maksimum gas, ft/detik

Vg = laju gas kondisi separator, SCF/hari

Wc = kadar air dalam cairan, fraksi

Zsep = compressibility factor separator (Gambar 1)

Zsc = compressibility factor pada kondisi standar (Gambar 1)

6. LAMPIRAN

6.1 LATAR BELAKANG

6.1.1 Teori

Pemisahan gas dan minyak di lapangan dilakukan dengan separator, yaitu tabung bertekanan dan

bertemperatur tertentu untuk memisahkan fasa gas dengan minyak (dan air untuk 3 fasa) secara

optimum.

6.1.2 Fungsi Utama dari Separator

a. Unit Pemisah utama antara cairan dengan gas.

b. Melanjutkan proses dengan memisahkan gas ikutan dari cairan.

c. Untuk mengontrol penghentian kemungkinan pelepasan gas dari cairan.

d. Memberikan waktu yang cukup pemisahan antara minyak dan air yang ikut

terproduksi.

6.1.3 Jenis - Jenis Separator

Tiga jenis separator, yaitu :

a. Separator vertikal.

b. Separator horizontal.

Single Barrel (satu tabung)

Double Barrel (dua tabung)

c. Separator bola (spherical).

Selain itu ada jenis separator filter (Gambar 9) yang tidak dibicarakan di sini. Gambar 5, 6,

7, dan 8, memperlihatkan jenis-jenis separator yang umum di pasaran. Pertimbangan,

penggunaan dari setiap jenis separator dapat dilihat pada Tabel 7.

Jenis separator ini masing-masing dibagi berdasarkan fasa yang dipisahkan, yaitu :





1. Separator dua fasa, memisahkan fluida formasi menjadi cairan dan gas, gas

keluar dari bagian atas sedangkan cairan keluar dari bagian bawah.

2. Separator tiga fasa, memisahkan fluida formasi menjadi minyak, air dan gas. Gas

keluar dari bagian atas, minyak dari tengah dan air dari bagian bawah.

6.1.4 Komponen-komponen Separator

Komponen pada separator adalah :

• Bagian pemisah utama, yang berfungsi memisah cairan secara cepat terutama tetesan

cairan yang besar.

• Bagian pengumpul cairan, untuk menampung cairan yang telah dipisahkan agar tidak

terganggu lagi oleh gas.

• Bagian pemisah kedua, tempat untuk memisahkan tetes cairan yang lebih kecil

(dengan prinsip gravitasi).

• Mist Extractor (pengumpul kabut) untuk menyerap kabut, yaitu: tetes-tetes kecil dari

cairan yang terbawa kabut agar tertahan dan bersatu jatuh ke bawah dalam bentuk

tetes lebih besar dan tidak ikut aliran gas keluar dari separator (Gambar 4).

6.1.5 Prinsip Pemisahan

Fluida yang mengalir dari sumur bisa terdiri dari gas, minyak, air dan padatan-padatan

lainnya. Pada saat fluida mencapai permukaan, dimana tekanan lebih rendah dibandingkan

dengan tekanan reservoir, kapasitas cairan melarutkan gas akan menurun sehingga akan

terpisah dari minyak, seperti di ilustrasikan pada gambar 1 berikut.





Gambar 6.1. Prinsip Pemisahan

Pemisahan cairan tergantung dari efek gravitasi, dan supaya terjadi proses

pemisahan, maka disyaratkan bahwa cairan tidak saling melarutkan satu dengan yang

lainnya. Juga salah satu fluida lebih ringan dari yang lainnya. Sebagai contoh, hasil

destilasi seperti minyak, kerosen dan minyak mentah tidak akan terpisah bila ditempatkan

pada suatu wadah, karena mempunyai kecenderungan melarutkan satu sama lainnya.

Pada dasarnya pemisahan separator, tergantung pada gaya gravitasi untuk

memisahkan fluida, yaitu dengan mengandalkan perbedaan densitas dari fluida. Gas jauh

lebih ringan dibandingkan dengan minyak, sehingga di dalam separator akan terpisah

dalam waktu yang sangat singkat. Sementara minyak dengan berat kira-kira 3/4 dari berat

air memerlukan waktu sekitar 40 sampai 70 detik untuk terpisahkan.

Perbedaan densitas antara minyak dan gas akan menentukan laju alir maksimum

cairan dalam separator. Proses pemisahan gas dengan minyak dapat dilihat seperti pada

Gambar 2.

GAS OUTLET

CRUDE OIL

VAPOURS





Gambar 6.2. Pemisahan dengan perbedaan densitas

Mist adalah butir-butir cairan yang sangat halus, dan akan terpisah dari gas pada

tekanan 750 psig, pada kecepatan gas kurang dari 1 ft/detik. Separator horizontal akan

memberikan kemungkinan kecepatan lebih rendah dari 1 ft/detik.

Pengaruh tekanan terhadap gas dan cairan adalah sangat penting. Misalnya, gas

dengan densitas 2.25 lb/cuft pada tekanan 750 psig, jika tekanannya diturunkan menjadi 15

psig, maka densitasnya kira-kira 0.10 lb/cuft. Dengan rendahnya densitas, butir-butir air

akan terkondensasi dan jatuh jauh lebih cepat, karena terjadinya perbedaan densitas yang

sangat besar sekali.

Gelembung-gelembung gas akan pecah berkisar antara 30 sampai 60 detik.

Dengan demikian, biasanya separator dirancang, agar cairan berada dalam separator antara

30 sampai 60 detik. Lama waktu pendiaman cairan di dalam separator sering disebut

dengan residence time (RT), yang dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut

ini :

QVRT =

V = Volume separator

Q = Flowrate

Sebagai contoh, sebuah separator mempunyai volume 60 m3 dan flowrate fluida

yang masuk separator 30 m3/menit, dari hasil perhitungan akan diperoleh waktu residence





selama 1 menit, lihat Gambar 3.

Telah dijelaskan sebelumnya bahwa flowrate dan tekanan akan mempengaruhi

efek pemisahan fluida. Faktor lain yang harus dipertimbangkan adalah temperatur.

Umumnya dengan turunnya temperatur operasi akan meningkatkan perolehan cairan di

dalam reservoir bila sebagai gas kondensat. Dengan menurunkan tekanan pada fluida,

maka akan terjadi pemisahan model flash.

Fluktuasi tekanan pada sistem pemisahan paling sering terjadi. Apabila terjadi

tekanan abnormal akan meningkatkan kecepatan fluida yang melalui separator. Kondisi ini

akan menyebabkan terbawanya butir-butir cairan ke dalam aliran gas.

Gambar 6.3. Separator Residence Time

Salah satu prinsip pemisahan fluida yang terpenting adalah coalescence

(penggabungan/penggumpalan), yang artinya penggabungan butir-butir cairan yang kecil

sehingga menjadi besar dan jatuh sebagai cairan karena terjadi perbedaan gravity.

Beberapa peralatan bagian dalam separator, seperti deflector plate, straightening vanes,

dan bahkan dinding separator, dapat berfungsi sebagai tempat pengembunan titik-titik air

tersebut.

Faktor-faktor yang mempengaruhi pemisahan fluida adalah :

a. Viskositas fluida

b. Densitas minyak dan air

FLOWRATE30m3/min

Crude Oil

RESIDENCETIME 1 MIN





c. Type peralatan dalam separator

d. Kecepatan alir fluida

e. Diameter dari titik air (droplets)

6.2 CONTOH SOAL

6.2.1 Contoh Separator Vertikal

Aliran fluida terdiri atas :

• Minyak = 45° API 1300 bbl/hari, Kadar air = 0 %.

• Gas = 7.22 MMSCF/hari, SGgas = 0.8

Rencanakan ukuran separator vertikal apabila

• Tekanan separator 400 psia

• Temperatur 80 °F

Jawab :

1. Misalkan tinggi separator L = 10 feet

2. Untuk kondisi tekanan dan temperatur separator, sebagai berikut :

Psep = 400 psia, Tsep = 80 oF Zsep = 0.87

Psep = 14.7 psia, Tsep = 60 oF Zsc = 0.98

maka :

ikdetft.

....Vg

367

832980400

8705401022710273=

××××××

=−

3. SGo = 8020455131

5141 ..

.=

+

4. SGo sep = 0.775 (Gambar 2)

5. SGls = 0 x 1 + (1 – 0) 0.775 = 0.775

6. BD1 = 0.775 × 62.4 = 48.36

7. 631970540

9804008072 ..

...BDg =×

×××=

8. ikdetft.

....V 890

63163136481670 =

−=

K = 0,167 untuk separator vertical 10 ft, (dari tabel 6.)





9. Ag = 2183890832 ft.

.

.VVg

==

10. ft..Dg 0121834=

π×

=

11. Diameter luar bola bila 2,01 ft ID adalah 2,1 ft, dari Gambar 3.

12. 45 °API, maka t = 1 (untuk 2 fasa)

13. 45 °API, maka C = 1

14. 065125711300

1 .A =××

=

inft..D 3054206541 ≈=

π×

=

15. D1 > Dg, jadi ambil D1 yang diambil untuk Rm :

943542

10

1.

.DLRm === 3 < 3,94 < 5

maka ukuran separator yang dicari adalah : 30 in × 10 feet.

6.2.2 Contoh Separator Horizontal

Disain suatu separator horizontal untuk aliran fluida yang terdiri atas :

• Minyak = 5000 B/D, SGo = 0.887

• Air = 1500 B/D, SGw = 1.04

• Gas = 7.5 MMSCF.SGg = 0.76

Bila : Tsep = 85 °F, Psep = 200 psig = 214.7 psia

Jawab :

1. Misalkan panjang separator L = 20 feet

2. Karena SGg = 0.76 dekat dengan 0.8, maka gunakan grafik 0.8

Psep = 214,7 psia Psc = 14.7 psia

Tsep = 545 °R Tsc = 60 °F

Zsep = 0.95, Zsc = 1.0

Vg = hari/SCF ..

... 91517214

9605451057102736

7 =××××

× −

3. SGo = 0.887





4. SGo sep = 0.88 (Gambar 2).

5. Wc = 50001500

1500×

SGls = 0.231 × 1.04 + (1 – 0.231) 0.88 = 0.917

6. BD1 = 0.917 × 62.4 = 57.22 lb/cuft

7. BDg = 970950545

1721487062 ..

...=

××××

8. Dari Tabel 6, karena L > 10 feet maka K = 0.0142 L = 0, 284

V = ikdetft.

.... 162

97097022572840 =

−

9. Ag = 7362162915 .

.

.VVg ==

10.Dg = feet..Ag 642736828=

π=

π

11. Diameter luar dari gambar 3 untuk ID = 2.64 feet, adalah 2.75 feet.

12. t = −0,058 × 28 + 3.03 = 1.406

13. C = (0.029 × 28) - 0,015 = 0.797

14. D1 = ( ) ft.... 167970465040616500

3 =××

15. Jadi Rm = 27316

20

1.

.DL

==

3 < 3.27 < 5 memenuhi syarat.

Jadi ukuran separator horizontal yang dicari 60 in × 20 ft

6.2.3 Contoh Separator Bola

Suatu separator bola didisain untuk tekanan kerja 100 psia.

• Gas = 3 MMSCF/hari , SGg = 0,65

• Minyak = 580 bbl/hari API = 45°

• Kadar air = 0 %

jawab :





1. Anggap D = 30”.

2. Psep = 100 psia Psc = 14,7 psia

Tsep = 80 °F Tsc = 60 °F

Zsep = 0,98 Zsc = 1,0

Vg = hari/SCF ... 1951100

980545103102736

7 =××××

× −

3. SGo = 8020455131

5141 ..

.=

+

4. SGo sep = 0.78 (Gambar 2)

5. SGls = 0.78 (Wc = 0)

6. BD1 = 0.78 × 62.4 = 48.7

7. BDg = 330980540

110065072 ..

.. =×

××

8. K = 0.35 dari Tabel 6

V = dt/ft..

.. 234330

330748=

−

9. Ag = 2231234915 ft.

.

.VVg ==

10. Dg = in ft.. 305223142 ≈=π

×

11. (diameter dalam pada separator bola berdinding lebih tipis dari pada Gambar 3, tetapi tidak

banyak berbeda, OD = 31 in).

12. t = 1

13. C = 1

14. D1 = ( )( ) fet.. .

49321

158004220 28570

=

(langkah. 15 tidak perlu dilakukan untuk separator bola)

Jadi diameter separator bola yang dicari = 2, 5 ft.

6.3 GAMBAR DAN TABEL YANG DIGUNAKAN





Gambar 1A. COMPRESIBILITY FACTORS UNTUK NATURAL GAS





Gambar 1B. COMPRESSIBILITY OF LOW MOLECULAR WEIGHT NATURAL GASES





Gambar 1C. COMPRESSIBILITY OF LOW MOLECULAR WEIGHT NATURAL GASES





Gambar 1D. COMPRESSIBILITY OF LOW MOLECULAR WEIGHT NATURAL GASES





gambar 1E

. CO

MPR

ESSIB

ILIT

Y O

F DE

W PO

INT

V

APO

RS

(BA

SED

ON

N-PE

NT

AN

E VA

POR

S CO

NT

AIN

ING

ME

TH

AN

E)





Gambar 2. HUBUNGAN SGSC VS SGSEP





Gambar 3. ID VS NOMINAL DIAMETER





Gambar 4. MACAM MIST EXTRACTOR





Gambar 5. SEPARATOR VERTIKAL





Gambar 6. SEPARATOR HORIZONTAL





Gambar 7. SEPARATOR HORIZONTAL





Gambar 8. SEPARATOR BULAT





Gambar 9. SEPARATOR FILTER





TABEL 1

SPESIFIKASI SEPARATOR VERTIKAL TEKANAN RENDAH





TABEL 2

SPESIFIKASI SEPARATOR VERTIKAL TEKANAN TINGGI





TABEL 2 (LANJUTAN)









TABEL 3

SPESIFIKASI SEPARATOR HORIZONTAL TEKANAN RENDAH





TABEL 4

SPESIFIKASI SEPARATOR HORIZONTAL TEKANAN TINGGI





TABEL 4 (LANJUTAN)





TABEL 5

SPESIFIKASI SEPARATOR BULAT STANDAR





TABEL 5 (LANJUTAN)

SPESIFIKASI SEPARATOR BULAT, TEKANAN RENDAH





TABEL 5 (LANJUTAN)

SPESIFIKASI SEPARATOR BULAT, TEKANAN TINGGI





TABEL 6

HARGA K UNTUK MENENTUKAN KECEPATAN MAKSIMUM





TABEL 7

KEUNTUNGAN DAN KERUGIAN BEBERAPA JENIS SEPARATOR

(dimulai dengan 1 terbaik, 2 tengah dan 3 terburuk)

Documents

Desain Separator