ANALISA PENGARUH HOT BOX DAN PEMANASAN AWAL PADA SAMBUNGAN SHELL SKIRT UNTUK MENENTUKAN UMUR PAKAI
COKE DRUM
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
CHABIB MUHAMMAD (090401025)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N
2014
ANALISA PENGARUH HOT BOX DAN PEMANASAN AWAL PADA SAMBUNGAN SHELL SKIRT UNTUK MENENTUKAN UMUR PAKAI
COKE DRUM
CHABIB MUHAMMAD NIM. 09 0401 025
Diketahui / Disahkan Disetujui
Ketua Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing,
Fakultas Teknik – USU
Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri
NIP. 196412241992111001 NIP.197206102000121001
Dr.Eng.Himsar Ambarita, ST.MT
ANALISA PENGARUH HOT BOX DAN PEMANASAN AWAL PADA SAMBUNGAN SHELL SKIRT UNTUK MENENTUKAN UMUR PAKAI
COKE DRUM
CHABIB MUHAMMAD NIM. 09 0401 025
Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar Tugas Skripsi Periode ke-676 Tanggal 8 Januari 2014
Disetujui Oleh:
Dosen Pembanding I Dosen Pembanding II
Tulus B. Sitorus, ST. MT.
NIP. 197209231986011001 NIP. 195704121985031004 Ir. Tugiman, MT.
ANALISA PENGARUH HOT BOX DAN PEMANASAN AWAL PADA SAMBUNGAN SHELL SKIRT UNTUK MENENTUKAN UMUR PAKAI
COKE DRUM
CHABIB MUHAMMAD NIM. 09 0401 025
Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar Tugas Skripsi Periode ke-676 Tanggal 8 Januari 2014
Disetujui Oleh:
Pembimbing
NIP. 197206102000121001 Dr.Eng.Himsar Ambarita, ST.MT
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
MEDAN
KARTU BIMBINGAN
No : 2050 / TS / 2013
TUGAS SARJANA MAHASISWA
Sub. Program Studi : Konversi Energi
Bidang Tugas : Computational Fluid Dynamic (CFD)
Judul Tugas : Analisa Pengaruh Hot Box dan Pemanasan Awal Pada Sambungan Shell Skirt Coke Drum Untuk Menentukan Umur Pakai Coke Drum
Diberikan Tanggal: 22 Juli 2013 Selesai Tanggal : 12 Desember 2013 Dosen Pembimbing: Dr. Eng Himsar Nama Mhs : Chabib Muhammad
Ambarita, ST, MT Nim : 090401025
No. Tanggal KEGIATAN ASISTENSI BIMBINGAN
Tanda Tangan Dosen Pemb. 1 2 3 4 5 6 7 8 CATATAN
1. Kartu ini harus diperlihatkan kepada dosen Pembimbing setiap Asistensi
2. Kartu ini dijaga bersih dan rapi 3. Kartu ini harus dikembalikan
kedepartemen bila kegiatan Asistensi telah selesai
Diketahui,
KETUA DEPARTEMEN T.MESIN FT USU
Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri NIP. 19641224 199211 1 0
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : / TS/ 2013
FAKULTAS TEKNIK USU DITERIMA TGL : / / 2013
MEDAN PARAF :
TUGAS SARJANA
NAMA : CHABIB MUHAMMAD
NIM : 090401025
MATA PELAJARAN : COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD) SPESIFIKASI : Melakukan analisa pengaruh hot box dan
pemanasan awal pada coke drum
Melakukan perhitungan temepratur dan regangan dengan menggunakan perangkat lunak
Melakukan validasi hasil perhitungan numerik dengan eksperimen
DIBERIKAN TANGGAL : 22/07/2013 SELESAI TANGGAL : 12/ 12/ 2013
MEDAN, NOVEMBER 2013
KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, DOSEN PEMBIMBING
Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri
NIP. 1964 1224 199211 1001 NIP. 1972 0610 200012 1001 Dr.Eng.Himsar A, ST, MT
ABSENSI PEMBANDING BEBAS MAHASISWA
PADA SEMINAR SKRIPSI MAHASISWA
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FT. USU
PERIODE : ke- 676
HARI/TANGGAL : Rabu / 08 Januari 2014
NAMA : Chabib Muhammad
NIM : 090401025
No Nama Mahasiswa Tanda Tangan
Medan, 8 Januari 2014 Ketua Seminar
Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT. NIP. 197206102000121001
KATA PENGANTAR
Segala puji beserta syukur kepada Allah SWT Tuhan semesta alam atas segala berkat, rahmat, taufik, serta hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “ Pengaruh Hot Box dan Pemanasan Awal Pada Sambungan Shell Skirt untuk Menentukan Umur Pakai Alat Coke Drum”.
Skripsi ini diselesaikan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
Penulis menyadari bahwa dalam proses penulisan skripsi ini banyak mengalami kendala, namun berkat bantuan, bimbingan, kerjasama dari berbagai pihak sehingga kendala-kendala yang dihadapai tersebut dapat diatasi.
Untuk itu penulis menyampaikan ucapan dan terima kasih kepada :
1. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Jurusan dan Ir. Syahril Gultom MT , selaku Sekretaris Jurusan Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
2. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT., selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan ilmu serta motivasi, arahan, dan saran-saran selama menyusun skripsi
3. Bapak Tulus B.Sitorus, ST. MT. dan Bapak Ir. Tugiman MT , selaku dosen pembanding yang telah memberikan saran-saran dalam penyempurnaan skripsi
4. Bapak Masaki Oka, Himsar Ambarita, Mashasi Daimaruya dan Hiroyuki Fujiki yang telah melakukan perhitungan temperatur dan regangan secara eksperimen pada coke drum
5. Kedua orang tua saya Wismar Azial dan Harlina Siregar yang telah memberikan bantuan moral dan moril dalam penyelesaian skripsi ini, serta abangda Indrawan Azhary dan semua keluarga yang telah mendukung 6. Bapak dan Ibu dosen Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan ilmu pengetahuan dan pengalaman selama penulis menuntut ilmu disana
7. Abangda Munawir Siregar TM 08 yang telah bersedia meluangkan waktu dan memberikan ilmunya kepada penulis dalam menghadapi kesulitan dalam penelitian
8. Kawan-kawan mahasiswa Departemen Teknik Mesin Stambuk 2009, Ary, Indro, Tri, Ramadhan, Wahyu, Hari, Nazar, dan yang lainnya yang tidak bisa disebutkan satu persatu yang telah memberikan semangat dan masukan-masukan dalam menyelesaikan skripsi ini.
Akhrinya, dengan segala kerendahan hati penulis menyadari masih banyak terdapat kekurangan-kekurangan, sehingga penulis mengharapkan adanya saran dan kritik yang membangun untuk penyempurnaan skripsi ini
Medan, 14 Januari 2014
Penulis
ABSTRAK
Coke drum merupakan salah satu bejana dari delayed coke unit pada kilang minyak yang dalam prosesnya mengalami beban panas berulang tetapi ia tidak didesain untuk beban tersebut. Oleh sebab itu coke drum memiliki umur pakai yang lebih singkat dibandingkan bejana lainnya. Penelitian kali ini berfokus kepada pengaruh hot box dan pemanasan awal pada sambungan badan dan penyangga coke drum, yang merupakan daerah dengan kemungkinan terbesar mengalami kegagalan. Temperatur pada beberapa titik coke drum dihitung dengan
software FLUENT kemudian dengan ANSYS Mechanical temperatur tersebut
dijadikan sebagai beban untuk menentukan regangan akibat temperatur tersebut. Untuk menentukan umur pakai alat digunakan persamaan Coffin manson yang konstantanya dikeluarkan oleh National Institute for Material Science (NIMS). Hasil menunjukkan bahwa coke dengan hot box akan mengalami kerusakaan setelah 7142 siklus sedangkan tanpa hot box setelah 2755 siklus. Untuk coke drum tanpa pemanasan awal akan memperpendek umur pakai menjadi 4375 siklus.
Kata kunci : coke drum, kelelahan, software, umur pakai, hot box
ABSTRACT
Coke drum is one of vessel from delayed coke unit at an oil refinery are subjected cyclic thermla load but its not designed for cyclic load. Therefore coke drum has shorter lfe cycle tha the other vessel. This research focuses on effect of hot box and warming process on shell skirt junction as a high risk part of coke drum because of thermal cyclic load. Temperature and on several location measured using FLUENT and with ANSYS Mechanical software tod etermine strain because of the temperatur. Life cycle of coke drum detremine by Coffin manson’s equation issued by National Institute for Material Science (NIMS). The result show that coke drum with hot box will have fracture after 7142 cycles and coke drum without hot box after 2755 cycles. Coke drum with out warming process will decrease life cycle coke drum and will have fracture after 4372 cycles
Keywords : coke drum, fatigue, software, life cycle, hot box
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
ABSTRAK ... iii
ABSTRACT ... iv
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR TABEL ... viii
DAFTAR GAMBAR... ix
DAFTAR NOTASI ... xii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang Masalah ... 1
1.2 Perumusan Masalah ... 3
1.3 Tujuan Penelitian ... 3
1.4 Luaran Yang Diharapkan ... 4
1.5 Kegunaan Penelitian ... 4
1.6 Sistematika Penulisan ... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1 Pendahuluan ... 6
2.2 Kelelahan Bersiklus Rendah ... 12
2.3 Tegangan dan Regangan Termal... 17
2.4 Konveksi Paksa ... 20
2.5 Konveksi Bebas ... 21
2.6 Perpindahan Pansa Konduksi pada Dinding ... 23
2.6.1 Konsep Ketahanan Termal ... 26
2.6.2 Ketahanan Termal Dinding Berlapis ... 27
2.7 Perhitungan Dinamika Fluida ... 28
2.8 Persamaan Umum Untuk Aliran Fluida dan Perpindahan Panas ... 29
2.9 Konservasi Massa ... 30
2.10 Laju Perubahan pada Partikel Fluida dan Elemen Fluida... 32
2.11 Persamaan Momentum ... 34
2.12 Persamaan-Persamaan Energi ... 37
2.12.1 Kerja Yang Dilakukan Oleh Gaya Permukaan ... 37
2.12.2 Fluks Energi Akibat Panas Konduksi ... 39
2.12.3 Persamaan Energi ... 40
2.13 Konduksi Transien ... 42
2.13.1 Skema Eksplisit ... 44
2.13.2 Skema Crank Nicolson ... 44
2.13.3 Skema Implisit Penuh ... 44
2.14 Konveksi Transien ... 47
2.15 Kelebihan dan Kekurangan Relaksasi ... 50
2.16 Perhitungan Metode Elemen Hingga ... 51
BAB III METODE PENELITIAN ... 58
3.1 Pendahuluan ... 58
3.2 Diagram Alir Penelitian... 58
3.3 Set-up Eksperimental ... 60
3.4 Menentukan Praproses Simulasi... 61
3.4.1 Pembuatan Model ... 61 3.4.2 Pembuatan Mesh... 62 3.4.3 Analisa CFD ... 63 3.4.3.1 Temperatur ... 65 3.4.3.2 Kondisi Batas ... 65 3.4.3.3 Konveksi Bebas... 70 3.4.3.4 Konveksi Paksa... 72 3.4.3.5 Ketahanan Termal ... 73 3.4.3.6 Pengaturan Simulasi ... 74 3.3.4 Analisa ANSYS ... 76
3.4 Menjalankan Simulasi (Run) ... 78
vi
BAB IV HASIL DAN ANALISIS ... 79
4.1 Analisa Perpindahan Panas ... 79
4.1.1 Analisa Perpindahan Panas Coke Drum dengan Hot Box……….... 79
4.1.2 Analisa Perpindahan Panas Coke Drum Tanpa Hot Box ………. 81
4.2 Analisa Regangan pada Coke Drum ... 83
4.2.1 Analisa Regangan pada Coke Drum dengan Hot Box.. 83
4.2.2 Analisa Regangan pada Coke Drum tanpa Hot Box... 85
4.3 Validasi Terhadap Eksperimen ... 86
4.4 Analisa Umur Pakai Akibat Kelelahan Termal... 89
4.5 Analisa Umur Pakai Coke Drum Tanpa Mengalami Proses Pemanasan Awal ... 94
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 97
5.1 Kesimpulan ... 97
5.2 Saran ... 98
DAFTAR PUSTAKA ... xiii
LAMPIRAN ... xiv
vii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Sifat material coke drum ... 12
Tabel 2.2 Persamaan momentum dan energi ... 33
Tabel 2.3 Hasil dari pendekatan persamaan parameter θ ... 43
Tabel 2.4 Implisit untuk 1D, 2D, dan 3D ... 47
Tabel 2.5 Nilai volum dan luas permukaan cell ... 47
Tabel 2.6 Nilai-nilai koefisien untuk persamaan (2.71) ... 49
Tabel 2.7 Nilai F dan D untuk tabel 2.10 ... 49
Tabel 3.1 Kondisi batas ... 67
Tabel 3.2 Konduktifitas termal untuk mineral wool ... 68
Tabel 3.3 Konduktifitas termal untuk alumunium ... 68
Tabel 3.4 Hasil koeffisien konveksi natural (h) ... 70
Tabel 3.5 Hasil koeffisien konveksi paksa (h) ... 71
Tabel 3.6 Kondisi batas koeffisien konveksi(h) ... 73
Tabel 3.7 Pengaturan simulasi ... 73
Tabel 3.8 Sifat-sifat fluida ... 74
Tabel 4.1 Selisih regangan coke drum dengan hot box ... 90
Tabel 4.2 Selisih regangan coke drum dengan hot box ... 90
Tabel 4.3 Daftar konstan persamaan Coffin Manson ... 92
Tabel 4.4 Menentukan umur coke drum ... 93
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Proses cyclic load pada coke drum ... 7
Gambar 2.2 (a) needle coke (b) sponge coke (shot coke) ... 10
Gambar 2.3 Delayed cooker unit ... 11
Gambar 2.4 Pengangkatan sisa hidrokarbon ke fraksional tower dan pengeluaran coke dari drum ... 11
Gambar 2.5 Lingkaran histeris tegangan dan regangan ... 14
Gambar 2.6 Log-log umur kelelahan dikaitkan dengan amplitudo Regangan ……… 14
Gambar 2.7 Siklus nilai regangan terhadap waktu pada pembebanan berulang ... 16
Gambar 2.8 Ekspansi yang terjadi pada elemen akibat beban termal .... ... 18
Gambar 2.9 Pengaruh suhu terhadap nilai tumbukan ... 19
Gambar 2.10 Pengaruh nilai perpanjangan pada bahan tarik ... 19
Gambar 2.11 Daerah batas laminar dan turbulen suatu aliran pada pelat... 20
Gambar 2.12 Grafik yang menunjukkan koefisien perpindahan panas rata-rata untuk plat datar dengan campuran antara aliran laminar dan turbulen ... 21
Gambar 2.13 Distribusi temperatur pada dinding dengan arah garis lurus... 25
Gambar 2.14 Ketahanan termal dengan dinding dua lapis ... 27
Gambar 2.15 Elemen fluida ... 29
Gambar 2.16 Aliran massa masuk dan keluar elemen fluida ... 31
Gambar 2.17 Komponen viscous stress ... 34
Gambar 2.18 Tegangan pada komponen-komponen pada arah x ... 35
Gambar 2.19 Komponen dari vektor heat flux ... 39
Gambar 2.20 Kontrol volume untuk kondisi satu dimensi ... 42
Gambar 2.21 Kontrol volume untuk situasi dua dimensi ... 46
Gambar 2.22 Menentukan node dan elemen termasuk dalam tahapan preprocessing ... 52
Gambar 2.23 Diagram benda bebas pada node ... 53
Gambar 2.24 Gaya-gaya pada sebuah elemen ... 55
Gambar 3.1 Diagram alir (flowchart) penelitian ... 59
Gambar 3.2 Set up ekperimental pengukuran temperatur dan regangan ... 60
Gambar 3.3 Model coke drum (a) dengan outlet (b) tanpa outlet ... 62
Gambar 3.4 (a) mesh CFD tanpa outlet (b) mesh CFD dengan outlet (c) mesh ANSYS ... 63
Gambar 3.5 Mesh pada sambungan shell skirt pada (a) hot box (b) tanpa hot box CFD dan (c) ANSYY ... 63
Gambar 3.6 Aliran fluida yang masuk dan keluar coke drum ... 64
Gambar 3.7 Pengaturan patch temperatur ... 65
Gambar 3.8 Letak kondisi batas pada model (a) dengan outlet (b) tanpa outlet ... 66
Gambar 3.9 Coupled wall antara fluida dan solid ... 66
Gambar 3.10 Material berlapis pada dinding coke drum ... 69
Gambar 3.1 Titik-titik beban temperatur ... 75
Gambar 3.12 Lokasi perhitungan temperatur dan regangan ... 76
Gambar 3.13 Letak displacement pada model ... 76
Gambar 4.1 Temperatur operasi pada bagian shell skirt terhadap waktu ... 78
Gambar 4.2 Distribusi temperatur pada bagian skirt junction saat akhir pemanasan awal ... 79
Gambar 4.3 Temperatur operasi pada bagian shell skirt terhadap waktu tanpa menggunakan hot box ... 80
Gambar 4.4 Distribusi temperatur maksimal pada bagian shell skirt junction saat akhir pemanasan awal coke drum tanpa hot box ... 80
Gambar 4.5 Perbandingan temperatur dan reganga shell skirt pada coke drum ... 81
Gambar 4.6 Hasil perhitungan ekperimen regagangan aksial pada beberapa siklus ... 82
Gambar 4.7 Regangan arah x dan y pada bagian sambungan shell skirt coke drum dengan hot box ... 83
Gambar 4.8 Distribusi regangan pada bagian shell skirt coke drum dengan hot box pada regangan maksimal ... 84
Gambar 4.9 Regangan arah x dan y pada bagian sambungan shell skirt coke drum tanpa hot box ... 84
Gambar 4.10 Distribusi regangan axial pada bagian shell skirt coke drum dengan hot box pada regangan maksimal. ... 85 Gambar 4.11 Grafik perbandingan temperatur antara analisa numerik dan
eksperimen pada beberapa titik di shell skirt junction (a) proses pemanasan awal hingga pengisian (b) proses pendinginan oleh uap air hingga air. ... 86 Gambar 4.12 Grafik perbandingan antara analisa numerik dan beberapa
siklus secara eksperimen saat pemanasan ... 87 Gambar 4.13 Grafik perbandingan antara analisa numerik dan beberapa
siklus secara eksperimen saat pendinginan ... 87 Gambar 4.14 Titik regangan yang diambil untuk analisa umur pakai ... 88 Gambar 4.15 Perbandingan regangan aksial pada beberapa daerah di
shell skirt Junction (a) dengan hot box (b) tanpa hot box ... 89
Gambar 4.16 Distribusi regangan aksial pada shell skirt junction
(a) maksimum dan (b) minimum ... 91 gambar 4.17 Temperatur operasi pada bagian shell skirt terhadap waktu
tanpa pemanasan awal ... 94 Gambar 4.18 Hasil regangan arah x dan y pada coke drum tanpa
pemanasan awal ... 94
DAFTAR NOTASI
Notasi, simbol dan singkatan yang digunakan dalam laporan ini sebagai berikut :
T temperatur oC ε regangan m/m N umur pakai ρ densitas kg/m3 μ viskositas dinamik Ns/m2 ν viskositas kinemati m2/s k konduktifitas termal W/mK Pr bilangan Prandalt Re bilanga Reynold G percepatan grafitasi m/s2 Cp panas spesifik KJ/kg.K Ts temperatur permukaan oC T∞ temperatur lingkungan oC
β koefisien ekspansi volum
m aliran massa kg/s
R ketahanan termal W/K
h koeffisien konfeksi W/m2K
q heat flux W/m2
