[Type text]
STUDI KASUS III
Chemical engineering
STUDI KASUS III 2014
BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Teknik kimia melibatkan aplikasi dari ilmu pengetahuan dalam industri proses yang terfokus pada konversi suatu material ke bentuk lain secra fisika ataupun kimia. Proses-proses ini membutuhkan penanganan dan penyimpanan material dalam jumlah besar yang terdiri atas bermacam variasi kontruksi, tergantung pada kondisi material yang digunakan, sifat-sifat kimia dan fisika material tersebut serta kebutuhan operasi. Untuk penanganan, seperti wadah penampung gas dan liquid digunakan tangki. Oleh karena itu, kami sebagai mahasiswa teknik kimia, perlu mempelajari dan mengetahui beberapa hal tentang tangki bertekanan. Selain itu hal yang melatarbelakangi dibuatnya makalah ini adalah agar kami dapat memenuhi tugas yang telah diberikan oleh dosen pengajar yang bersangkutan.
1.2
Tujuan Makalah dengan judul “Studi Kasus dalam Perancangan boiler ” ini dibuat bertujuan untuk menjelaskan dan memberikan beberapa informasi atau pengetahuan yang berkaitan dengan sebuah alat proses yang disebut dengan boiler yang memiliki fungsi menghasilkan steam dari water serta kegunaan dan jenisnya.
1.3
Ruang Lingkup Ruang lingkup dari pembahasan masalah dalam makalah ini ialah segala sesuatu yang berkenaan dengan masalah seputar Bagaimana merancang suatu boiler sesuai dengan kebutuhan energi dan kapasitas yang diinginkan
1
STUDI KASUS III 2014
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Instalasi tenaga uap dikenal dengan sebutan ketel uap yang berfungsi sebagai sarana untuk mengubah air menjadi uap bertekanan. Ketel uap dalam bahasa inggris disebut dengan nama boiler berasal dari kata boil yang berarti mendidihkan atau menguapkan,sehingga boiler dapat diartikan sebagai alat pembentukan uap yang mampu mengkonversikan energi kimia dari bahan bakar padat, bahan bakar cair, maupun bahan bakar gas yang menjadi energi panas. Energi kalor yang dibangkitkan dalam kete l uap (steam boiler) memiliki nilai tekanan, temperatur, dan laju aliran yang menentukan pemanfaatan uap yang akan digunakan. Berdasarkan ketiga hal tersebut sistem ketel uap mengenal keadaan tekanan temperatur rendah , dan tekanan-temperatur tinggi, dengan perbedaan itu pemanfaatan uap yang keluar dari ketel uap dimanfaatkan dalam suatu proses untuk memanaskan cairan dan menjalankan suatu mesin, atau membangkitkan energi listrik dengan merubah energi kalor menjadi energi mekanik kemudian memutar generator sehingga menghasilkan energi listrik.
Sistem ketel uap terdiri dari sistem air umpan, sistem uap, dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan uap. Berbagai kran (valve) disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan dari sistem air umpan, penanganan air umpan diperlukan sebagai bentuk pemeliharaan untuk mencegah terjadi kerusakan dari sistem uap. Sistem uap mengumpulkan dan mengontrol produksi uap dalam ketel uap. Uap dialirkan melalui sistem perpipaan ke titik pengguna.
Pada keseluruhan sistem, tekanan uap diatur menggunakan valve dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua perlatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem itu sendiri. Secara umum ketel uap dibagi kedalam dua jenis yaitu :
2
STUDI KASUS III 2014 a. Ketel pipa api (fire tube boiler) Pada ketel, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. ketel pipa api biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relatif kecil dengan tekanan uap rendah sampai sedang. Sebagai pedoman, ketel pipa api kompetitif untuk kecepatan uap sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. ketel pipa api dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar ketel pipa api dikonstruksi sebagai paket boiler (dirakit oleh pabrik) Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat Nuklir untuk semua bahan bakar.
Gambar Ketel uap pipa api 2 pass
Gambar Ketel uap pipa api 3 pass
b. Ketel pipa air Pada ketel pipa air proses pengapian terjadi diluar pipa, kemudian panas yang dihasilkan memanaskan pipa yang berisi air dan sebelumnya air tersebut dikondisikan terlebih dahulu melalui economizer, kemudian uap yang dihasilkan terlebih dahulu dikumpulkan di dalam sebuah tangki uap. Sampai tekanan dan temperatur sesuai, melalui tahap secondary superheater sekunder dan superheater primer baru uap dilepaskan ke pipa utama distribusi. Didalam pipa air, air yang mengalir harus dikondisikan terhadap mineral atau kandungan lainnya yang larut di dalam air tesebut. Hal ini merupakan faktor utama yang harus diperhatikan terhadap tipe ini. Gambar dibawah menunjukkan sistem kerja ketel uap pipa air.
3
STUDI KASUS III 2014
Gambar Ketel uap pipa air
DASAR TEORI
Uap yang dihasilkan dari sistem ketel uap merupakan gas yang timbul akibat perubahan fase cairan menjadi uap atau gas melalui cara pendidihan yang memerlukan sejumlah energi dalam pembentukannya. Zat cair yang dipanaskan akan mengakibatkan pergerakan molekumolekul menjadi cepat, sehingga melepas diri dari lingkungannya dan berubah menjadi uap. Air yang berdekatan dengan bidang pemanas akan memiliki temperatur yang lebih tinggi (berat jenis yang lebih rendah) dibandingkan dengan air yang bertemperatur rendah, sehingga air yang bertemperatur tinggi akan naik kepermukaan dan air yang bertemperatur rendah akan turun. Peristiwa ini akan terjadi secara terus menerus (sirkulasi) hingga berbentuk uap. Uap yang dihasikan oleh ketel uap dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan antara lain sebagai utilitas suatu daya pembangkit tenaga listrik dan untuk keperluan industri. Dalam menentukan sizing sistem ketel uap sesuai dengan kapasitas uap yang direncanakan maka perhitungan dilakukan dengan perkiraan kapasitas air umpan, kebutuhan panas dan kebutuhan bahan bakar.
Kebutuhan Air Umpan
Kapasitas air umpan yang diperlukan sebagai air pengisi boiler dihitung berdasarkan laju blowdown yang diperlukan dan air kondensat yang dikembalikan ke tangki air umpan serta air penambah atau makeup water. Ke tiga komponen air umpan pengisi boiler tersebut ditentukan dengan menghitung :
4
STUDI KASUS III 2014 a. Laju Blowdown Untuk menghindari masalah boiler, air harus dibuang secara berkala atau "blowdown" dari boiler untuk mengendalikan konsentrasi padatan terlarut/TDS dan total padatan tersuspensi dalam boiler. Blowdown dapat ditentukan dengan menghitung prosentase berdasarkan data tabel 1 dan rumus empiris :
()
Jadi laju blowdown yang diperlukan,
()
b. Air Kondensat dan Air Penambah Air Kondensat adalah air yang diembunkan oleh kondensor dan ditampung di dalam tangki kondensat yang selanjutnya disirkulasikan kembali ke boiler. Prosentase air kondensat ditentukan dengan kandungan silica dalam air umpan dan air penambah sebagai berikut: Dengan silica % Condensate Return, CR = 1- feedwater silica / Makeup silica atau dengan conductivity : % Condensate Return, CR = 1- feedwater conductivity / Makeup conductivity
Jadi laju aliran kondensat, QCR = % x kapasitas uap masuk kondensor, (kg/jam). Tabel dibawah menunjukkan data tentang kandungan silica dan coduktivitas makeup dan feedwater.
Untuk air penambah dapat ditentukan sebagai berikut : QMU = QFW – QCR (kg/jam) [8]
5
STUDI KASUS III 2014 Maka kapasitas air umpan yang diperlukan sebagai air pengisi boiler adalah: QFW = QMU + QCR (kg/jam) [8]
dimana : QMU = kapasitas air penambah, kg/jam QCR = kapasitas air kondensat, kg/jam QFW =kapasitas air umpan, kg/jam
Kebutuhan Energi Panas dan Boiler Horse Power Panas yang dibutuhkan untuk menghasilkan uap sebesar 4000 kg/jam dapat dihitung dengan formula : Q1 = qU (hu – ha) (kJ/jam) [9] Q2 = m x Cp x Δ.T (kJ/jam) Untuk Boiler Horse Power dihitung dengan formula empiris : BHP = Kilowatt /9,809 [11]
dimana : qU = m = kapasitas produksi uap dari boiler, kg/jam hu = enthalpy uap (kJ/kg) ha = enthalpy air (kJ/kg) Cp = panas spesifik air ΔT = selisih temperatur uap dan air umpan pengisi boiler, 0C Q1 = panas yang dibutuhkan untuk penguapan, kJ/jam Q2 = panas yang dibutuhkan untuk pemanasan, kJ/jam BHP = Boiler Horse Power
Kebutuhan Bahan Bakar
Bahan bakar yang dibutuhkan untuk memanaskan air dalam ketel dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut : FC = Sp (hS – hW ) / BE.VHI (gallon/jam) [12] dimana : FC = kebutuhan bahan bakar (kg/jam)
6
STUDI KASUS III 2014 Hs = enthalpy air (Btu/lb) hW = enthalpy air umpan (Btu/lb) Sp = kapasitas produksi uap (kg/jam) BE = efisiensi boiler (%) biasanya antara 70 – 90 % VHI = Nilai pembakaran bahan bakar minyak solar = 140.000 btu/gallon [13]
Kebutuhan Energi Panas Superheater
Superheater adalah komponen atau alat yang digunakan untuk menaikkan uap jenuh menjadi uap kering atau uap panas lanjut. Uap yang masuk ke superheater berasal dari pipa header. Dari header uap masuk superheater dan dari suoerheater uap digunakan untuk memanaskan fluida pada HE-0102. Selanjutnya uap dari HE-0102 dialirkan ke kondensor untuk dikondensasikan menjadi air condensate. Energi panas yang dibutuhkan untuk superheater dihitung dengan formula :
Q = m. Cp.ΔT (kJ/jam) [10] dimana : m = laju aliran uap superheated keluar superheater, kg/jam Cp = panas spesifik uap, kJ/kg.K ρ = kerapatan uap, kg/m3 ΔT = temperatur uap keluar superheater – temperatur uap masuk superheater, 0
7
STUDI KASUS III 2014
BAB III PEMBAHASAN DAN PENYELESAIAN
3.1 Studi Kasus
Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk uap panas atau steam. Uap panas ataun steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan sampi menjadi steam, volumenya meningkat sekitar 1600 kali, emnghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dengan sangat baik. Oleh karena itu perlu adanya perancangan bangun boiler yang yang sesai dengan industri. Pada sebuah industri direncanakan pembangunan boiler yang mampu menghasilkan 4ton/jam uap jenuh tekanan 15 bar. Air masuk ke boiler pada temperatur 27oCndan kondisi udara luar 33oC
8
STUDI KASUS III 2014 3.2 Data Hasil Perhitungan
Perhitungan entalpi saturated water dan saturated steam
Presure 15 bar= 1500kPa
9
STUDI KASUS III 2014
Saturated vapor enthalphy
Saturated liquid enthalphy
Temperature Vapour
Menghitung kapasitas air umpan dan air penambah
Kapasitas air umpan dihitung berdasarkan prosentase laju blowdown dan air kondensat (return condensate), sebagai betrikut: a. Untuk prosentase blowdown :
()
()
diambil 4% untuk faktor keamanan akibat losses,
10
STUDI KASUS III 2014 maka laju blowdown yang diperlukan adalah:
b. untuk make up diasumsikan bahwa jumllah blowdown dan make up water sama maka QMU=QBD=160 kg/hr
c. Feed water QFW = Steam capasity= 4000kg/hr
Menghitung energi panas yang dibutuhkan untuk mengubah air menjadi uap Energi panas yang dibutuhkan untuk menghasilkan uap sebesar 4000 kg/jam dihitung sebagai berikut :
( ) ( )
( ) Jadi panas yang dibutuhkan,
11
STUDI KASUS III 2014
Maka untuk boiler horse power
Maka untuk boiler horse power
= 10652538.58 kJ/jam x 0.000277 = 2950.7532 KW / 9,809 = 300.8209 HP
Menghitung kebutuhan bahan bakar Asumsi menggunakan natural gas Niali bakar Natural gas = 9.424 kkal/m3=39.4564032 kJ/m 3 Asumsi efisiensi boiler 85% Bahan bakar yang dibutuhkan untuk memanaskan air dalam ketel adalah :
Spesifikasi boiler yang dipilih dari produksi Hurst Boiler & Welding Company. Inc. series 300, 3 pass, Fire Tube Boiler
12
STUDI KASUS III 2014
Pada tabel dibawah ditunjukkan spesifikasi boiler yang dipilih dari produksi Hurst Boiler & Welding Company. Inc. series 300, 3 pass, Fire Tube Boiler Boiler
Heating surface Steam output Gross Output
Horse Power 300
Fire side
SQ. FT.
1500
FROM &@ 212°F
10350
-
LBS/H R MBH
10042
Firing rate gas Firing rate LP gas
1,000 BTU
CFH
12600
91,500 BTU
GPH
137.7
Firing rate oil # 2
140,000 BTU
GPH
90
Firing rate oil #5 & #6
150,000 BTU
GPH
84
A
Steam outlet size
150 PSI
IN
6
A
15 PSI
IN
10
B
Steam outlet size Water supply size
30 PSI
IN
10
C
Ukuran air kembali
30 PSI
IN
8
D
-
IN
2
E
Feedwater connection Blowdown connection
-
IN
(2)2
F
Stack outlet size O.D.
-
IN
20
G
-
IN
34
H
Furnace O.D Shell ID
-
IN
75.5
I
With without trim
-
IN
84.5
J
-
IN
93
K
With width trim Length, front to rear
-
IN
215
L
Length overall
-
IN
261
M
Skid length Skid width
-
IN
216
-
IN
60
N
13
STUDI KASUS III 2014 O
Steam supply location
-
IN
94
P
-
IN
53
Q
Water supply location Water return location
-
IN
161
R
Blowdown location
15 PSI AND UP
IN
S
Surface blow off connection Stack outlet location
-
IN
31135 36 1/2
-
IN
-
IN
V
Supply height Stack Height
196.8 8 98.5
-
IN
98.5
W
Shell to floor height
-
IN
15
X
Burner projection Door swing Skid to front plate
STND BURNER
IN
43
-
IN
43
-
IN
30.12
T U
Y Z AA
Tube removal
REAR
IN
169
BB
Tube removal
FRONT
IN
176
NWL
GALS
1764
FLOODED
GALS
2153
SHIPPING WEIGHT - HIGH PRESS.
DRY
LBS
28000
SHIPPING WEIGHT - LOW PRESS
DRY
LBS
25250
WATER CAPACITY - STEAM SERIES WATER CAPACITY - WATER SERIES FLOODED GALS
14
STUDI KASUS III 2014 3.3 Pembahasan
Hasil perhitungan sistem air umpan, didasarkan pada kapasitas uap yang direncanakan sebesar 4000 kg/jam dengan keseimbangan anatara flow rate blowdow dan air make up, dimana flow rate blowdown dihitung berdasarkan prosentase blowdown dari perbandingan kandungan total padatan terlarut feed water dikalikan dengan prosentase dengan total padatan terlarut air ketel yang diizinkan. Untuk return air kondensat diasumsikan tidak ada recycle, sehingga tidak ada air yang kembali. Untuk sistem steam, hasil perhitungan didasarkan pada dua metode perhitungan, yang pertama didasarkan pada selisih antara entalpi spesifik uap air pada temperatur 1980C dan entalpi spesifik air pada temperature 198 0C dikalikan dengan kapasitas uap yang direncanakan, sehingga diperoleh energi panas sebesar 7.788.654,8 kj/jam, sedang metode yang ke dua didasarkan pada panas spesifik uap dikalikan dengan selisih temperatur air boiler 1980C dengan temperatur air umpan 27 0C, sehingga diperoleh energi panas sebesar 2.863.883,784 kJ/jam. Besarnya energi panas dari ke dua metode ini dijumlahkan sehingga diperoleh panas sebesar 10.652.538,58 kJ/jam atau sama dengan 2950.7532 KW atau sama dengan 300.8209 bhp (boiler horse power= da ya boiler). Untuk daya boiler 300.8209 bhp spesifikasi teknis boiler ada pabrikan yang membuat, oleh karena itu dipilih daya boiler 300 bhp dengan kapasitas uap 4694.68103 kg/jam atau 10350 lb/jam, sedang kapasitas produksi uap yang dibutuhkan 4000 kg/jam, jadi untuk daya boiler 300 bhp cukup untuk memproduksi kapasitas uap yang diperlukan tersebut. Untuk Sistem bahan bakar, hasil perhitungan jumlah bahan bakar yang diperlukan untuk memanaskan air dalam boiler didasarkan energi total yang digunakan untuk membuat steam dibagi dengan efisiensi boiler dikalikan dengan enerki bakar natural gas. Sehingga diperoleh konsumsi NG adalah 317626.7466 m3/hr
15
STUDI KASUS III 2014
BAB IV KESIMPULAN
Dari Hasil perhitungan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut 4.1 Boiler yang digunakan adalah boiler produksi Hurst Boiler & Welding Company. Inc. series 300, 3 pass, Fire Tube Boiler 300bhp 4.2 Total Energi yang digunakan untuk membuat steam sebanyak 4000kg/hr adalah 10.652.538,58 kJ/jam atau sama dengan 2950.7532 KW atau sama dengan 300.8209 bhp 4.3 Konsumsi bahan bakar natural gas adalah sebesar 317626.7466 m3/hr
16
