pendahuluan 27.02.07
TRANSCRIPT
-
8/7/2019 pendahuluan 27.02.07
1/10
PAP TKS 3246 Martunus
Perancangan Alat Proses (TKS 3246)
Martunus, ST, MT.
Buku Acuan:
1. Brownell, L.E. & Young, E.H., Process Equipment Design, John Wiley &Sons, Inc., New York.
2. Buthod, P. & Megyesy, E.F., 1983, Pressure Vessel HandBook, 6 ed.,
Publishing Inc., Tusla, USA.
3. Moss, D.R., 1997, Pressure Vessel Design Manual, 2 ed., Gulf Publishing
Company, Houston.
4. Walas, S.M., 1988, Chemical Process Equipment, Butterworth Publisher
Inc., USA.
5. Coulson, J.M. & Richardson, J.F., Chemical Engineering: An
Introduction to Chemical Engineering Design, Vol. 6, Pergamon Press
Inc., Maxwell House, New York.
6. Das, D.K. & Prabhudesai, R.K., 1996, Chemical Engineering LicenseReview, 2 ed, Engineering Press, San Jose.
-
8/7/2019 pendahuluan 27.02.07
2/10
PAP TKS 3246 Martunus
PENDAHULUAN
Faktor utama yang mempengaruhi dalam pemilihan dan perancangan bejana
(vessel) adalah:
Fungsi dan lokasi bejana
Sifat fisis fluida yang akan digunakan
Suhu dan tekanan operasi
Volum/kapasitas penyimpanan atau proces
Bejana (vessel)
Berdasarkan bentuk geometrinya bejana dapat diklasifikasikan ke dalam 2
bentuk yaitu:
1. Open tanks (bejana terbuka)
Bejana jenis ini digunakan jika fluidanya: tidak bewujud gas, tidak mudah
menguap, tidak mudah terbakar, tidak menjijikkan, tidak berbahaya dan tidak
beracun. Bejana yang termasuk ke dalam katagori ini adalah berupa
tangki/vessel tanpa tutup atau bak terbuka yang beroperasi pada tekanan
atmosferis dan suhu kamar. Bejana terbuka biasanya digunakan pada: tangki-
tangki unit pengolahan air; tangki penampung bejana proses (separtor padat-cair,
dekanter, rotary drum, dll.) yang menghasilkan padatan/slurry yang tidak
berbahaya atau air yang ingin dipisahkan; bejana penyimpan bahan baku atau
produk yang berbentuk butiran dengan ukuran tertentu seperti: bin; dll. Bahan
konstruksi untuk bejana jenis ini biasanya adalah baja karbon, konsentrat dan
kayu yang tahan terhadap proses pelapukan.
-
8/7/2019 pendahuluan 27.02.07
3/10
PAP TKS 3246 Martunus
2. Closed vessels (bejana tertutup)
Bejana jenis ini digunakan jika fluidanya: berwujud gas, mudah menguap, mudah
terbakar, menjijikkan, berbahaya dan beracun. Bejana yang termasuk ke dalam
katagori ini adalah berupa tangki/vessel tertutup yang beroperasi pada tekanan
dan suhu tertentu. Closed vessels berdasarkan bentuk geometrinya dapat dibagi
menjadi:
Tangki silinder tegak dengan tutup atas berbentuk konikal dan
tutup bawah (alas) berbentuk flat.
Bejana ini hanya digunakan untuk menyimpan bahan baku atau
produk yang beroperasi pada tekanan atmosferis dan lokasi yang tersedia
cukup luas. Bejana jenis ini merupakan bejana yang paling ekonomis dalam
perancangannya karena shell/plate yang digunakan lebih tipis dibandingkan
dengan bejana yang beroperasi pada tekanan > 1 atm dan tutup (head) lebih
mudah dibuat dibandingkan jenis lainnya. Disamping itu setiap coursenya
dapat digunakan dengan ketebalan yang berbeda dan jenis bahan konstruksi
yang berbeda pula (lihat Fig. 2.6. Brownell & Young).
Pada perancangannya jika diameter tangki < 10 ft maka diameter
dapat dibuat sama dengan tinggi tangki (D = H) dan shell tanpa course atau
dengan satu ketebalan. Bahan konstruksi yang digunakan biasanya adalah
SA-7, SA-283 grade C atau D.
Untuk tutup bawah (flat battom) jika diameter tangki 20 ft dapat
digunakan head jenis flanged only. Jika diameter tangki > 20 ft maka flat
bottom ketebalannya disamakan dengan course shell paling bawah dan
dilebihkan sekitar 10 cm dari diameter tangki. Jenis sambungan atau
-
8/7/2019 pendahuluan 27.02.07
4/10
PAP TKS 3246 Martunus
pengelasan shell dengan flat bottom dapat dilihat pada Fig. 4.1. Brownell &
Young.
Sebelum tangki ini dipasang maka lokasi bejana ini harus diberi
fondasi terlebih dahulu sesuai dengan total stress yang diberikan tangki dalam
keadaan penuh.
Bejana silinder tegak atau horizontal dengan tutup ke dua ujunnya.
Bejana silinder horizontal dan tegak dapat digunakan sebagai bejana
penyimpan bahan baku/produk dan bejana proses. Bejana horizontal dan
tegak digunakan sebagai penyimpan bahan baku atau produk pada kisaran
tekanan operasi > 1 atm atau lokasi yang tersedia relatif kecil
Bejana horizontal dengan diameter < 12 ft dapat digunakan sebagai
bejana pengangkut bahan kimia pada truk trailer. Umumnya satu bejana
horizontal dapat digunakan sebagai bejana penyimpan bahan baku atau
produk dengan diameter 35 ft dan panjang 200 ft. Jika cairan ingin
disimpan jumlah sangat besar maka bejana horizontal dapat buat dalam
beberapa bejana dengan ukuran yang sama dan disusun seperti baterai (lihat
Fig. 1.3. Brownell & Young).
Sebagai tutup (head) bejana jenis ini dapat digunakan semua jenis
bergantung pada tekanan operasi seperti: conical, toriconical, torispherical,
elliptical dished dan hemispherical.
Semua industri kimia menggunakan bejana jenis ini, contoh bejana
silinder tegak: tangki penyimpan tekanan tinggi, kolom distilasi, absorber,
desorber, scrubber, striper, ekstraktor, heat exchanger, separator tegak,
-
8/7/2019 pendahuluan 27.02.07
5/10
PAP TKS 3246 Martunus
reaktor, dll. Sedangkan silinder horizontal: tangki penyimpan tekanan tinggi,
heat exchanger horizontal, ekstraktor horizontal, separator horizontal dll.
Bejana berbentuk bola (spherical vessel)
Bejana ini untuk menyimpan gas pada tekanan relatif tinggi sampai
200 psig dengan kapasitas cukup besar 42.000 sampai 1.050.000 gal. Pada
proses penyimpanan bejana ini dapat juga disusun secara baterai (lihat Fig.
1.4. Brownell & Young). Modifikasi ini dimaksudkan untuk pertimbangan
ekonomisnya yaitu dengan volum yang besar tetapi tekanannya diturunkan.
Bejana ini juga dapat dimodifikasi menjadi semi-ellipsiodal untuk kapasitas
penyimpanan yang sangat besar dengan tekanan vakum (lihat Fig. 1.5.
Brownell & Young).
Head
Head adalah bagian tutup suatu bejana (vessel), penggunaannya disesuaikan
dengan tekanan operasi bejana.
Berdasarkan bentuk geometrinya tutup (head) bejana dapat diklasifikasikan
sebagai berikut (lihat Fig. 5.7. & Fig. 5.15. Brownell & Young; Fig. 18.17. Walas;
hal. 18-26 Buthod & Megyesy; hal. 31-57 Moss; hal. 643-644 Coulson &
Richardson):
1) Flanged-only head
Perancangan head ini adalah yang paling ekonomis karena merupakan
gabungan antara flange dan flat plate.
Aplikasi dari flanged-only dapat digunakan sebagai tutup bejana penyimpan
jenis silinder horizontal yang beroperasi pada tekanan atmosferis. Tipe bejana
-
8/7/2019 pendahuluan 27.02.07
6/10
PAP TKS 3246 Martunus
dengan jenis head ini dapat digunakan untuk menyimpan antara lain: fuel oil (minyak
bakar), kerosin, minyak solar atau cairan yang mempunyai tekanan uap rendah. Di
samping itu dapat digunakan sebagai tutup bawah (alas) pada tangki silinder tegak
dengan tutup atas konikal, kisaran diameternya 20 ft.
2) Flanged standard dished & flanged shallow dished heads
Head jenis ini umumnya digunakan untuk bejana horizontal yang menyimpan
cairan yang mudah menguap (volatil) seperti: nafta, bensin, alkohol dll. Sedangkan
pada bejana silinder tegak biasanya digunakan sebagai bejana proses yang beroperasi
pada tekanan rendah (vakum).
Jika diinginkan diameter head diameter shell maka digunakan flanged
standard dished sedangkan jika diinginkan diameter head diameter shell maka
digunakan flanged shallow dished head.
3) Flanged & dished head (Torispherical head)
Head tipe ini digunakan pada bejana yang beroperasi pada tekanan 15 sampai
200 psig. Kisaran tekanan head ini (dari 15 psig sampai 200 psig) dapat dinaikan
dengan mengurangi lokal stress yang berada pada sudut head. Modifikasi ini
dilakukan dengan cara membuat icr head ini sekurang-kurangnya tiga kali tebal shell
atau 6% diameter dalam bejana. Perancangan head ini ada dalam kode-kode
standar yang wajib dipakai seperti ASME (American Society of Mechanical
Engineering) dll.
4) Elliptical dished head
Kode spesifikasi untuk head ini sudah dibakukan oleh ASME-API (American
Petroleum Institute) pada konferensi ASME. Head tipe ini digunakan pada bejana
yang beroperasi pada tekanan > 200 sampai 400psig.
-
8/7/2019 pendahuluan 27.02.07
7/10
PAP TKS 3246 Martunus
5) Hemispherical Head
Head tipe ini dapat digunakan sampai 2 kali kisaran tekanan operasi pada
head jenis elliptical pada bejana silinder dengan ketebalan dan diameter yang sama.
6) Conical & Toriconical head
Conical head digunakan sebagai tutup atas pada tangki silinder tegak dengan
dengan alas flat bottom yang beroperasi pada tekanan atmosferis. Disamping itu juga
digunakan sebagai tutup bawah pada alat-alat proses seperti: evaporator, spray drier,
crystallizer, bin, hopper dan tangki pemisah dll.
Besarnya sudut ( ) yang dibentuk pada jenis conical pada tutup atas tangki
silinder tegak dengan dengan alas flat bottom adalah < 45 o (menurut Moris) tetapi
menurut Buthod & Megyesy < 30o. Sebaiknya menggunakan < 30o, karena 30o P
operasi) supaya bejana mempunyai ketahanan dan dapat beroperasi sampai
waktu yang lama.
Maximum allowable stress value (f atau S)
Maximum allowable stress nilainya berbeda-beda untuk tiap bahan konstuksi
yang berbeda. Nilai f atau S ini dapat dilihat pada Tabel 13.1 Brownel &
Young atau Tabel pada hal. 148-149 Buthod & Megyesy.
Joint efficiency (E)
Joint efficiency atau efisiensi pengelasan dapat dilihat pada Tabel 13.2
Brownel & Young; Tabel pada hal 134 Buthod & Megyesy atau Tabel 13.3.
Coulson & Richardson.
-
8/7/2019 pendahuluan 27.02.07
9/10
PAP TKS 3246 Martunus
Corrosion allowance (c)
Corrosion allowance atau faktor korosi adalah faktor penambahan ketebalan
pada logam atau metal yang disebabkan hilangnya atau erosi dan scale pada
bejana. Kecepatan korosi per tahun diperkirakan sekitar 0,25 mm/tahun jika
umur alat 10 tahun maka nilai c = 2,5 mm, umumnya nilai c berkisar antara 1
sampai 4 mm. Sebagai contoh carbon steel yang sering digunakan adalah
SA-283 atau SA-285 grade C atau D faktor korosinya adalah c = 0,125 in.
Perancangan bejana berdasarkan tekanan luar bejana (vessel under external
pressure)
Perancangan ini dimaksudkan mengantisipasi kemungkinan adanya tekanan dari
luar shell karena adanya hoop stress (tekanan ke arah sekeliling shell) seperti
bejana yang meggunakan jacket. Penggunaan jacket sebagai pemanas atau
pendingin akan menimbulkan tekanan ke arah shell yang dibawa oleh media
pemanas atau pendingin tersebut. Disamping itu untuk menentukan apakah
bejana tersebut perlu penguat atau tidak, serta menentukan berat bejana.
-
8/7/2019 pendahuluan 27.02.07
10/10
PAP TKS 3246 Martunus
Metoda Perancangan Bejana
Metoda Perancangan Bejana menurut ASME dapat dibagi dalam 2 cara:
I. Design by rule (Perancangan dengan persamaan)
Perancangan cara ini menggunakan persamaan-persamaan sederhana untuk
menentukan ketebalan minimum (vessel under internal pressure) atau tekanan kerja
maksimum untuk kondisi tekanan beban (vessel external pressure). Perancangan
dengan metoda ini lebih: sederhana, cepat dan umumnya digunakan pada
perancangan bejana bertekanan, karena dapat mengurangi biaya teknis
perancangan.
II. Design by analysis
Perancangan ini berdasarkan teori maksimum shear stress. Teori ini menggunakan
metoda linear elastisitas, katagori persamaan stress dan pendekatan limit untuk
menentukan perancangan kondisi beban pada bejana. Metoda juga membutuhkan
analisis ketahanan bejana (fatigue analysis) dan evaluasi retak mekanis
(fracture
mechanics evaluations). Perancangan dengan cara analisis ini didasarkan pada
analisis plastik, analisis elastisitas plastik dan penelitian analisis stress. Design by
analysis membutuhkan derajad keteknikan (keahlian) yang lebih baik dari design
by rule karena semua aspek bejana harus dipertimbangkan dan dievaluasi.