penentuan sifat fisik gas

 

MODUL 1  

PENENTUAN SIFAT FISIK GAS

1.1TUJUAN PERCOBAAN

a.Memahami penentuan sifat-sifat fisik gas: Specific Gravity,

   Densitas,Viskositas dan Faktor kompresibilitas gas.

b.Menentukan specific gravity gas dengan menggunakan metode efusi.

c.Menentukan sifat-sifat fisik fluida gas.

d.Mengetahui kegunaan parameter SG gas dalam industri perminyakan.

1.2teori dasar

♦Specific Gravity Gas (γg)

Ada dua hukum tentang gas yang mendasari percobaan ini, yaitu hukumefusi/divusi dari Graham dan hukum Avogadro. Keduanya menghasilkanperbandingan waltu alir yang dapat digunakan untuk menentukan specificgravity suatu sampel gas. Hukum defusi/efusi gas dua gas padatemperatur dan tekanan yang sama berbanding terbalik dengan akar kuadrat massa jenisnya.Secara matematis dapat dinyatakan dengan:  

V_{1 = 2}

_{V2      1}

dimana:

v= kecepatan efusi/difusi gas

d= densitas gas

subscript 1 dan 2 menunjukkan gas yang berbeda.Sedangkan hukum Avogadro menyatakan bahwa pada kondisi tekanan,temperatur dan volume tertentu, massa jenis gas berbanding lurusdengan berat molekulnya, atau secara matematis dinyatakan sebagai:

D₁          M₁

      =

D₂             M₂ 

dimana:

M= berat molekul gas

Efusi dan difusi menyangkut proses bila ada dua konsisi fisik yangberbeda dan keduanya terjadi hubungan. Gejala ini dapat terjadi karena kecenderungan untuk saling menyamakan keadaan. Penentuan specificgravity gas pada percobaan ini dilakukana dengan cara membandingkanwaktu alir gas dengan udara kering. Asumsi yang digunakan adalahtekanan dan temperatur selama percobaan tetap.Difusi adalah suatu proses penyamaan keadaan-keadaan fisik secaraspontan. Bila difisu menyankut zat-zat yang berbeda, maka akan menujuke pencampuran partikel-partikel sehingga terdistribusi secara seragam.Sedangkan efusi adalah proses difusi melalui celah sempit (pori-pori),atau pada percobaan ini didefinisikan sebagai gerak partikel-partikel gasmelalui suatu celah sempit (pori-pori).Dalam percobaan ini akan ditentukan specific gravity gas dengan metodeefusi, sebagaimana dinyatakan dalam hukum efusi Graham, bahwakecepatan gerak molekul gas merupakan fungsi dari konsentrasi ataumassa jenis. Hal ini dapat diilustrasikan pada gambar di bawah ini:

   ....1....  . . . . .1. . .  . .   ....1. ...

   ....1....  . . . . .1. . .  . .   ....1. ...

   ....1...   . . . . .1. . .  ..    ....1. ...

     ( ₁ )           ( ₂)                 ( ₃)

Pada gambar (1) dan (2) perpindahan netto melekul-molekul melaluibidang normal EF sama dengan nol, artinya jumlah molekul yangberpindah dari kiri akan sama dengan jumlah molekul dari kanan. Inidisebabkan karena konsentrasi gas sebelah kiri akan sama dengankanan. Gambar (3) menunjukkan perpindahan netto molekul-molekultidak sama dengan nol, karena laju perpindahan dari kiri tidak samadengan dari kanan. Gabungan hukum Graham dan Avogadro untukproses efusi dengan jarak yang sama diperoleh:

     

v₁ ¹  =  t₂ ¹  =  m₂   =  d₂

v₂ ²  =  t₂ ²   = m₁   =  d₁

    

Dari persamaan di atas terlihat bahwa specific gravity gas dedefinisikansebagai perbandingan antara berat molekul gas tersebut terhadap beratmolekul udara kering pada tekanan dan temperatur yang sama

 

Faktor Deviasi Gas ( Z)

Suatu gas ideal adalah fluida yang ;

1. memiliki volume dari molekul relatif diabaikan dengan volume dari fluida yang menyeluruh

.2.Tidak memiliki gaya tarik atau gaya tolak antar sesama molekul atau antara  molekul dengan dinding dari tempat dimana gas itu berada.

3.Semua tumbukan dari molekul bersifat elastis murni, yang berarti tidak  ada  kehilangan energi dalam akibat tubrukan tadi.Dasar untuk menggambarkan suatu gas ideal datang dari percobaan-percobaan yang kemudian dikenal sebagai hukum-hukum gas.

1.Hukum BoyleBahwa perubahan

Suatu gas ideal adalah fluida yang:1.Memiliki volume dari molekul relatif dapat volume suatu gas ideal berbanding terbalik dengan tekanan pada temperatur konstan.

2.Hukum CharlesBahwa perubahan volume berbanding lurus dengan perubahantemperatur pada tekanan yang konstan.

3.Hukum AvogadroBahwa pada kondisi tekanan dan temperatur yang sama suatu gasideal dengan volume yang sama akan mempunyai jumlah molekulyang sama.

Dari gabungan antara hukum Boyle, Charles dan Avogadro maka didapatsuatu persamaan kesetimbangan:

PV= nRT

dimana:

 P= tekanan, psia

V= volume, cuft

T= temperatur,

o

Rn= jumlah mol gas

R= konstanta, dimana untuk satuan di atas harganya 10.732 psiacuft/lb mol R.

Beberapa asumsi telah digunakan untuk memformulasikan persamaangas ideal tersebut. Namun, asusmsi tersebut tidak tepat untuk gas yangberbeda pada kondisi jauh dari ideal atau standar. Untuk menanggulangihal tersebut digunakan suatu koreksi yang dinamakan sebagai faktor 

 

deviasi gas (Z). Faktor deviasi gas didefinisikan sebagai perbandinganantara volume gas pada keadaan tekanan dan temperatur sebenarnyadibagi dengan volume gas pada keadaan ideal/standar.

 Z = V_ACTUAL / V_IDEAL

Sehingga persamaan kesetimbangan menjadi:

PV= ZnRT

dimana

untuk gas ideal harga Z = 1.Harga faktor deviasi gas tergantung dari perubahan tekanan, temperatur atau komposisi gas.Katz dan Standing telah menghasilkan grafik korelasi Z = f(p_{pr ,}T_PC)

(Gambar 1.1).

Dimana:

P_pr­_P/P_pc

T_pr – T/T_PC

dan,

T_{pc  -} S g_{1 .} Ta

 P_{pc  =} S g₁  Pa

g₁       = fraksi mol komponen i

T_Cl    = temperatur kritis komponen ke i, ⁰R

 p_cl    = tekanan kritis komponen ke i, psia

         

 T_Pc  dan r_pc  dapat ditentukan dengan menggunakan Gambar 1.2, dimana perlu diketahui

 terlebih dahulu harga specific gravity gas, yaitu:

 g_g      - Ma / 28.97

adalah berat molekul total campuran gas dan 28.97 adalahberat molekul udara. Atau dapat juga ditentukan dengan menggunakanpersamaan:Untuk gas kering:

Tpc = 168 + 325 SG – 12,5 SG²

rpc = 677 +15 SG – 37,5 SG²

Untuk gas basah:T

pc  = 167 + 336 SG – 71,5 SG²

Ppc =  706 + 51,7 SG – 11,1 SG²

Grafik 1.1 memberikan hasil yang memuaskan bila gas tidakmengandung CO² dan H²S.Untuk gas yang mengandung kedua unsur

 

tersebut perlu dilakukan koreksi harga r_pc

dan T_PC terlebih dahulu sebelum menghitung  Pr dan Tr Koreksi tersebut adalah sebagai berikut:

T¹pc – Tpc – Î

P_{pc  =}  r_pc T_pc  /  ( T _{pc +} Î ( B – B² ))

Π = 120 ( A^0.9 – A^1.8 ) ÷ 15 ( B ^1.5 –B⁴ )

dimana :

B = fraksi mol H₂S

A = fraksi mol CO₂ + B

sehingga T_pr  = T / T_pc dan P_pr =  P / P¹ _pc

♦ Faktor Volume Formasi Gas (Bg)

Faktor volume formasi sas(Bg)didefinisikan sebagai perbandingan volume gas dalam kondisi reservoir dengan volume gas dalam kondisi permukaan:

        B_{g =}  V_p1  / V_PS

                 =  ZnRT / P

                Z_scnRT_sc / P                                     vol/vol std

Dengan menggunakan Tsc = 520

⁰R danP_sc = 14.7 psia serta Z_sc = 1, maka persamaan faktor volume formasi gas, Bg:

            Bg = 0.0283 ZT/P ft3 /scf 

atau

            Bg = 0.00504 ZT/P bbl/scf

♦        Kompresibilitas Gas (Cg)

Kompresibilitas isothermal dari gas diukur dari perubahan volume per unitvolume dengan perubahan tekanan dan temperatur konstan, atau dalampersamaan ditulis menjadi:

                 C = -1 / V ( dV /  dP ) _T

Untuk  gas  ideal :

                V =  nRT / P  maka (  dV / dP ) _{T   =}  ^-nRT /  P ²

sehingga:

           C - -P / nRT ( -nRT / P² ) – 1 / P

Untuk gas nyata:

 

      V = ZnRT / P

dimana Z = f(P), maka akan didapat:

      C – 1 / P – 1 / Z ( dZ / dP )

Harga ( δZ/δP) dapat ditentukan dg cara analitis, yaitu:

         ( dZ/dP ) = ( Z₁  - Z₂ ) /( P₁ – P₂ )

Persamaan (*) di atas dapat diubah menjadi:

        Cr  = CPpc

dimana

 Cr  = 1 / P _pr  -  1 / Z  (  dZ / dP_pr  ) _Tpr

Mattar telah membuat korelasi untuk menentukan Cr Tpr yang merupakan fungsidari Ppr  dan Tpr  seperti terlihat pada Gambar 1.3 dan1.4.Berdaarkan korelasi ini, maka harga kompresibilitas gas (Cg) dapatditentukan.

♦     Viskositas Gas (µg)

Viskositas adalah gesekan dalam fluida (resistance) untuk mengalir. Jikagesekan antara lapisan fluida kecil (low viscosity), gaya sharing yang adaakan mengakibatkan gradien kecepatan besar sehingga mengakibatkanfluida bergerak. Jika viskositas bertambah, maka masing-masing lapisanfluida mempunyai gaya gesek yang besar pada persinggungan lapisan,sehingga gradien kecepatan akan menurun.Viskositas dari fluida didefinisikan sebagai perbandingan shear force per unit luas dengan gradien kecepatan. Viskositas dinyatakan dengancentipoise atau mikropoise.Viskositas dari suatu gas campuran tergantung pada tekanan,temperataur dan komposisi. Carr-Kobayashi-Burrows telah menyusungrafik korelasi untuk menentukan viskositas dari gas seperti ditunjukkanoleh Gambar 1.5 dan 1.6. Kedua gambar tadi didasarkan pada hubungan:

                 m ₁   = f ( M, T ) = f ( g, T )

                   m/ m _{1  =}  f ( P_pr  ,  T pr )

dimana:

m ₁  = viskositas pada tekanan 1 atm

µ   = viskositas pada tekanan > 1 atm

 

Dengan mengetahui harga berat molekul M dari gas atau specific gravity gas, γ g, serta menggunakan grafik 1.5 maka diperoleh harga µ1. Harga µ / µ1diperoleh dari Gambar 1.6 bila diketahui harga Ppr dan Tpr 

.

♦    Densitas Gas ( ρg )

Densitas gas (ρg) didefinisikan sebagai massa gas per satuan volume.Dari definisi ini kita dapat menggunakan persamaan keadaan untukmenghitung densitas gas pada berbagai P dan T tertentu.

       P_g = M / V = PM / RT

Sifat fisik yang akan ditentukan pada percobaan ini adalah Specific Gravity Gas.

1.3PAPER PENUNJANGA  N.

Metoda Baru dalam Penentuan Specific Gravity Reservoir Gas untukRetograde Gas Pada penentuan specific gravity gas pada retograde gas ini akandiperkenalkan besaran-besaran baru ke dalam persamaan gas gravity,sehingga diperoleh hasil yang lebih eksak. Besaran ini terdisi daripertambahan produksi gas, menghitung produksi dari separator tekananrendah dan stock tank, dan korelasi untuk tekanan uap yang ekivalen dariseparator liquid primer Veq telah diperbaiki. Hal baru lain adalag Gpa danVeq, yang korelasinya telah dikembangkan untuk separator 2 dan 3 tahap sistem separator.Korelasi ini dikembangkan dengan metoda Flash Liberation dari 234 laboratorium yang menganalisa fluida. Model-model yang terbentukdimasukkan ke grafik dengan regresi non linier. Perkiraan specific garvity reservoir yang secara khusus dikembangkan Gpa dan mengembangkanhubungan Veq ke dalam persamaan GOR – Gravity.

Pendahuluan

Specific Gravity retograde gas dapat ditentukan dengan metoda:

•    Mensyaratkan sampel fluida dari separator liquid primer dan gas dipenuhi dan gas sumur, komposisinya diperoleh dari sumur dan ditentukan di laboratorium dan kemudian dikombinasikan ulangdengan berdasarkan GOR.

• Menggunakan informasi produksi lapangan dalam bentukpersamaan matematika. Analisa fluida laboratorium lebih akuratdalam penentuan SG. Bagaimanapun juga informasi produksilapangan dapat menyediakan perkiraan yang baik .

Persamaan untuk menghitung SG gas reservoir dari informasi produksimembutuhkan pengetahuan tentang separator gas, stock tank liquidproduction, dan SG dari fluida untuk separasi tingkat tiga, SG rata-rataproduksi dari separator primer dan separator sekunder. Untuk Gpa dan Veqdari separator liquid primer diperlukan untuk menghitung SG reservoir.Maksud hubungan Gpa adalah memprediksikan produksi gas setelahseparator primer sehingga produksi ini bisa digabungkan dalam persamaanuntuk SG reservoir gas. Veq menghitung gas dan liquid production setelahseparator primer. Hubungan Veq pertama kali ditemukan sebagaipenyempurnaan dari metoda Eiters dan Cotton.

SG untuk sistem tiga separator:

   W = ( R1g1 + 4,602 g₀  + R2g2 ) + R3 g3 ) /( R1 + ( 133,316 g₀ / M ₀ )

                                                                                                             ( 1 )                                   

SG untuk sistem dua separator:

   W = ( R1g1 + 4,602g₀ + R3g3 ) /( R1 + ( 133,316 g₀  / M₀  ) + R3 )

 (2)

Kadang hanya separator primer gas dan liquid production yang diukur. Olehkarena itu GOR separator primer R, SG separator primer γ 1 dan SG stocktank liquid γ₀ harus diketahui. Variabel-variabel yang tidak diketahui adalahGOR separator sekunder gas/liquid R2, untuk sistem 3 tahap separator GORST, R3, SG secondary separator gas,γ 2 (untuk 3 tahap separator) dan SGST gas γ 3.

Untuk   sistem    separator   tahap   tiga Gpa   didefinisikan sebagai fungsi dari

separator sekunder VST gas/liquid.

         G_pa  - R2 g2 + R3 g3                                                                                                    ( 3 )                                                                                                                                      

Gpa untuk dua sistem separator:

         G_Pa  - R3 g3                                                                                                                  ( 4 )

 

Veq separator liquid dipakai untuk menghitung produksi ST liquid danproduksi gas dari separator sekunder, dan dari ST. Ini didefinisikan sebagaifungsi SG, dan Mo (molecular weight of ST liquid).

          Veq = ( 133,316 g₀  / M₀ ) + R2 + R3                                                                      ( 5 )

 Untuk sistem dua separator:

          Veq = ( 133,316 g₀  / M ₀  ) + R3

( 6 )

 Penggabungan persamaan 3 dan 5 (untuk sistem tiga separator)

          W = ( R1g1 + 4,602 g₀  + Gpa ) ( R1 + Veq )                                                          ( 7 )

Perkiraan Mo dari persamaan 1 dan 2 bisa dipenuhi dengan persamaan:

              M ₀   =  5,954 / (  ¦ -8,811 )

                     =  42,43 g₀  / ( 1,008 - g₀   )                                                                                                                                    ( 8 )

Pengembangan Korelasi Gpa dan Veq

Korelasi Gpa dan Veq dikembangkan dengan analisis laboratorium fluid dari234 sampel retograde gas yang dikumpulkan dari seluruh dunia. Sampelretograde gas memiliki kurang dari 13% heptana plus. Dalam setiap kondisisampel memiliki dew point pada kondisi reservoir. Banyaknya nonhidrokarbon dibatasi kurang dari 5%.Sistem tiga separator memakai fluida pada P dan T ST dan separator yangkedua ditahan konstan karena pengaruhnya terhadap Gpa dan Veq. Tekanansekunder ditahan konstan 70 psia. Tekanan tinggi pada seperator keduadimaksudkan agar bisa menahan laju pembentukan gas, tapi hal ini akanmeningkatkan laju pembentukan gas di ST. Oleh karaena itu total gas tidakberubah. Tekanan separator primer antara 100 - 1500 psia. Temperatur separator primer, dan separator sekunder dan ST antara 60 – 120⁰ F. Untuksistem separator tingkat dua interval tekanan 100 – 700 psia untuk separator primer, tekanan ST ditahan konstan 14,65 psia dan temperatur ke duaseperator antara 60 – 120⁰ F.

Aplikasi

Dua aplikasi Gpa dan Veq correlation digunakan saling berhubungan padapersamaan (7), untuk menghitung SG reservoir gas yang kedua. Hubungan

 

pembersihan digunakan pada analisis gas. Fraksi heptana plus dikumpulkandan ditimbang seperti liquid. Densitas dan berat molekul telahdipertimbangkan jika cukup banyak didapatkan.

Faktor Kompresibilitas untuk Natural Gas

Densitas picnometer dan berat molekul dari dari gas, menunjukkan gravitygas di udara, digunakan untuk menghitung faktor kompresibilitas gas dari uap jenuh. Pada tekanan tinggi, penyimpangan data ditutup oleh harga dari tabelberdasarkan methana murni. Pertimbangan densitas dari ua jenuh pada 8220 psia dan 120⁰F diperiksa perhitungan densitasnya bersamaan dengankesalahan pada pembacaan tabel methana.

Hubungan Gravity Gas dan Densitas Gas

Gravity gas dan pseudocritical memberikan hubungan ketika dibandingkandengan kurva untuk gas tercampur. Semua gas yang mempunyaitemperature pseudocritical dan tekanan yang dicocokkan dengan kurvagravity ini mempunyai densitas sama untuk temperatur, tekanan dan gravitygas bebas dari komposisi. Kemudahan ini memungkinkan untuk menyusuntabel yang memberikan densitas gas sebagai fungsi dari temperatur, tekanandan gravity gas atau berat molekul.Gas hidrokarbon yang digunakan untuk menyusun kurva berisi lebih dari 83%kombinasi methana dan heptana dan fraksi berat. Gas berisi lebih dari 2 atau3% nitrogen atau konsentrasi yang tinggi dari ethana, propana, dan butanamenyimpang dari kurva yang diberikan.

1.4ALAT DAN BAHAN

1.Effusiometer 

2.Stopwatch

3.Thermometer 

4.Tabung gas CO2 dan Nitrogen

5.Compressor 

6.Air 

7.Udara

8.Gas CO2 dan Nitrogen

 

1   .   5   PROSEDUR PERCOBAAN SPECIFIC GRAVITY

Persiapan

1.Isi tabung dengan air hingga kurang lebih 1 cm di bawah batas.

2Buka skrup D sehingga air dalam tabung A dapat bersentuhandengan udara (atmosferik).

3.Buka skrup E.( Langkah ini tidak perlu dilakukan apabila peralatan telah memenuhi kondisi 1 – 3 dan telah siap untuk digunakan ).

A.Percobaan dengan Udara

1.Masukkan tabung B ke dalam tabung A dengan katup C pada posisi1. Diamkan selama beberapa menit.

2.Putar katub C pada posisi 2, catat waktu alir air di antara dua garis.

3.Ulangi percobaan beberapa kali sampai diperoleh waktu alir yang stabil.

B.Percobaan dengan Gas

1.Hubungkan sumber gas dengan pipa F.

2. Putar katub C pada posisi 3.

3. Buka katub pada sumber gas dan atur agar kecepatan penurunan air pada tabung B tidak terlalu besar, biarkan gas memasuki air dalamtabung A untuk beberapa saat.

4.Tutup katub pada sumber gas.5.Putar katub C pada posisi 1, diamkan beberapa menit (kurang lebih 2menit).6.Putar katub C pada posisi 2, catat waktu alir air antara dua garis acuan.7.Ulangi percobaan beberapa kali sampai diperoleh waktu alir yang stabil.

1.6DAFTAR PUSTAKA

1.Burcik, E.J “Properties of Petroleum Reservoir Fluid” InternationalHuman Resource Development Co., Boston, USA, 1979.

 

2.IP Standard for Petroleum and its Product, Part I, “Method for Analysis”, Section II, Applied Science Publisher Ltd., 1975.3.Keenam, Keyner dan Wood, “Kimia untuk Universitas”, jilid I, PenerbitErlangga, Jakarta 1986.4.Miryani, Neni, “Kimia Fisika Hidrokarbon”, Himpunan MahasiswaTeknik Perminyakan PATRA, Institut Teknologi Bandung, Bandung1980.5.William D. McCaic, Jr., “The Properties of Petroleum Fluids”, SecondEdition, Tulsa Oklahoma, 1989.