Abstrak—Telah didesain economizer boiler 52 B 1/2/3 pada Unit Utilities Complex di PT. Pertamina RU IV Cilacap menggunakan metode Log Mean Temperature Difference (LMTD) yang bertujuan untuk mengetahui nilai perpindahan panas. Variasi yang digunakan adalah diameter luar tube, jarak transversal, dan jarak longitudinal. Dari hasil perhitungan diketahui nilai perpindahan panas tertinggi diperoleh dari variasi diameter luar tube 50 mm, jarak transversal 60 mm, dan jarak longitudinal 30 mm bernilai 2,4.106 W. Apabila economizer ini dipasang akan dapat menghemat penggunaan bahan bakar sebesar 7,8.1010 kkal/tahun.
Kata Kunci— boiler, economizer, LMTD I. PENDAHULUAN
enggunaan bahan bakar sangat mendominasi pembiayaan produksi di kilang minyak. Pengunaan energi untuk proses produksi di PT. Pertamina RU IV Cilacap mencakup bagian yang terbesar dari total biaya produksi. Peralatan yang ada di kilang minyak pada umumnya berumur lebih dari 30 tahun semenjak pendirian kilang minyak tersebut. Efisiensi peralatan tersebut menurun sejalan dengan bertambah umur peralatan tersebut. Ketika efisiensi menurun pemakaian bahan bakar dan hasil yang diperoleh tidak sesuai dengan target produksi. Penurunan efisiensi menyebabkan kerugian ekonomi dikarenakan harga bahan bakar semakin hari semakin meningkat. Oleh karena itu, perlu dilakukan peningkatan efisiensi untuk meningkatkan kinerja suatu peralatan, menghemat penggunaan bahan bakar, dan meningkatkan hasil produksi peralatan tersebut.
Efisiensi boiler 52 B 1/2/3 pada unit utilities complex di PT. Pertamina RU IV Cilacap diketahui mengalami penurunan efisiensi sebesar 1% - 4% karena pengaruh dari umur boiler, penggunaan bahan bakar, dan pembacaan alat instrument yang tidak akurat. Diketahui pula bahwa temperatur gas buang yang dihasilkan masih tinggi antara 300 – 340 OC [1]. Temperatur gas buang yang masih tinggi ini dapat dimanfaatkan kembali untuk memanaskan air yang akan masuk ke dalam boiler. Dengan memanfaatkan kembali gas buang akan dapat menurunkan konsumsi bahan bakar.
Salah satu pilihan dalam meningkatkan efisiensi steam boiler tekanan tinggi yang memiliki pembiayaan efektif adalah dengan pemasangan economizer. Economizer merupakan jenis tubular heat exchanger yang digunakan untuk
memanaskan air sebelum masuk ke steam drum. Economizer digunakan sebagai penukar panas untuk mengurangi biaya operasi atau mengekonomiskan biaya untuk bahan bakar dengan memanfaatkan kembali gas buang sisa dari pembakaran. Economizer dapat mengurangi fluktuasi temperatur air ketika air masuk ke steam drum [2].
Peningkatan efisiensi boiler dengan pemasangan economizer adalah 2% - 4 % tergantung rata-rata pembakaran [3]. Hasil perhitungan didapat bahwa gas buang dapat menaikkan efisiensi boiler sebesar 1,7%. Dan dapat menghemat biaya pembelian bahan bakar sebesar Rp. 524.442.720,- setiap tahun [4].
II. METODOLOGIPENELITIAN A. Alur Penelitian
Desain
Economizer
untuk Meningkatkan Efisiensi
Boiler
52 B 1/2/3 pada Unit
Utilities Complex
di PT.
Pertamina RU IV Cilacap
Esti Ratnasari, Dr. Ridho Hantoro, ST, MT, dan Nur Laila Hamidah, ST, M.Sc
Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
:
hantoro@ep.its.ac.id, nurlaila@ep.its.ac.id
Gambar 2.1. Alur penelitian B. Spesifik asi Proses
Spesifikasi desain atau proses adalah semua informasi yang dibutuhkan untuk mendesain heat exchanger.
C. Pemilihan Tipe Konstruk si
Tipe konstruksi yang digunakan dalam desain economizer ini menggunakan pola staggered, aliran countercurrent, fluida panas adalah gas, dan fluida dingin adalah air.
D. Geometri Permuk aan
Geometri permukaan yang dibutuhkan adalah desain jumlah tube yang digunakan, panjang economizer, lebar economizer.
E. Properti Termofisik
Properti termofisik yang dibutuhkan untuk analisis perpindahan panas adalah viskositas dinamik (μ), densitas (ρ), panas spesifik (Cp), dan konduktivitas panas (k).
F. Desain Termohidrolik
Desain termohidrolik melibatkan kuantitatif perpindahan panas dan evaluasi ukuran heat exchanger. Sebagian besar tahap pada bagian ini adalah perhitungan analisis dan evaluasi [5]. Langkah pertama dimulai dengan perhitungan keseimbangan energi antara bagian gas dan bagian air ditunjukkan pada persamaan 2.1. Dilanjutkan dengan
perhitungan perpindahan panas mencari nilai LMTD. Nilai LTMD diperoleh dari persamaan 2.2. Setelah didapatkan nilai LMTD dilanjutkan dengan perhitungan parameter yang berpengaruh terhadap perpindahan panas. Parameter-parameter yang berpengaruh adalah kecepatan gas buang ditunjukan oleh perumusan 2.3, kecepatan maksimal diperoleh dari perumusan 2.4, bilangan Reynold diperoleh dari perumusan 2.5, bilangan Nusselt diperoleh dari perumusan 2.6, koefisien perpindahan panas (h) diperoleh dari perumusan 2.8, dan total perpindahan panas (U) diperoleh dari perumusan 2.9 [6]. Variasi ditambahkan agar dapat melihat perbedaan antara variasi satu dengan variasi lain. Variasi yang diberikan adalah diameter luar tube 40 mm, 45 mm, dan 50 mm. Jarak transversal 50 mm, 55 mm, dan 60 mm. Jarak longitudinal sebesar 30 mm, 35 mm, 40 mm, dan 45 mm [2]. 2 1
(
)
a a a paq
m C
T
m C
T
T
2. 1 Dimana,ma : laju aliran massa fluida dingin (kg/jam atau kg/s) T1 : temperatur fluida panas masuk (
OC) T2 : temperatur fluida panas keluar (
OC) Cpa : kapasitas panas fluida dingin (J/m
3 K) T1 ' : temperatur fluida dingin masuk (
OC) T2' : temperatur fluida dingin keluar (
O C) ∆Tlm : rata-rata log perbedaan temperatur (
O C) atau K LMTD = 1 2 1 2 2 1 ( ) ln lm T T GTTD STTD T GTTD T T ln STTD T T 2. 2 gb gb gb gb
m
V
A
2. 3 Dimana,Vgb : kecepatan gas buang (m/s) ρgb : densitas gas buang (kg/m
3 ) Agb : luasan bagian gas (m
2 ) max
.
T gb T oS
V
V
S
D
2. 4 Dimana,Vm ax : kecepatan maksimal gas buang (m/s) Vgb : kecepatan gas buang (m/s)
ST : jarak transversal (mm) Agb : luasan bagian gas (m
2 ) Do : diameter luar (mm) max ,
Re
a o D o gbV
D
2. 5 Dimana,Vm ax : kecepatan maksimal gas buang (m/s) Do : diameter luar (mm atau m)
μgb : viskositas gas buang (Ns/m 2
) ReD,i : bilangan Reynold bagian gas
0,25 0,36 , ,
Pr
Re
Pr
Pr
m D o D o sNu
C
2. 6 Dimana, 0,20,35
T LS
C
S
2. 7m : konstanta bilangan Reynold = 0,6
kgb : konduktifitas gas buang = 0,0294 W/m K Pr : bilangan Prandtl = 0,7
Prs : bilangan Prandtl saat Ts = 0, 696
, ,
.
D o gb D o oNu
k
h
D
2. 8 Dimana,hD,o : koefisien perpindahan panas (W/m 2
K) NuD,o : bilangan Nusselt bagian air
Do : diameter luar (m) ReD,o : bilangan Reynold bagian gas kgb : kapasitas panas ga s (J/m 3 K)
1
totU
R
2. 9 Dimana,U : total perpindahan panas (W/m2 K) Rtot : resitansi termal (m K/W) G. Desain Economizer
Desain economizer ini dibantu dengan tools yang dapat menggambarkan secara detail gambar desain economizer baik secara 2D ataupun 3D. Pembuatan desain economizer diperlukan data awal yang lengkap. Data untuk mendesain diperoleh dari data desain boiler 52 B 1/2/3.
Berikut ini adalah gambar desain economizer.
Gambar 2.2. Desain economizer 2D
Gambar 2.3. Desain economizer 3D III. ANALISISDANPEMBAHASAN A. Variabel Simulasi
Parameter-parameter yang mempengaruhi nilai perpindahan panas untuk variasi desain economizer adalah kecepatan gas buang, kecepatan maksimal, bilangan Reynold, bilangan Nusselt, koefisien perpindahan panas, dan total perpindahanpanas . Nilai kecepatan maksimal tertinggi diperoleh dari variasi diameter luar tube sebesar 50 mm, dan jarak transversal 55 mm dengan nilai 6,6 m/s. Nilai bilangan Nusselt tertinggi diperoleh dari variasi diameter luar tube sebesar 50 mm, jarak transversal 55 mm, dan jarak longitudinal 30 mm dengan nilai 1993,6. Nilai koefisien perpindahan panas (h) tertinggi diperoleh dari variasi diameter luar tube sebesar 50 mm, jarak transversal 55 mm, dan jarak longitudinal 30 mm dengan nilai 1172,2 W/m2 K. Nilai total perpindahan panas (U) tertinggi diperoleh dari variasi diameter luar tube sebesar 40 mm, jarak transversal 50 mm, dan jarak longitudinal 30 mm dengan nilai 321,9 W/m2 K.
B. Korelasi
Setelah didapatkan hasil perhitungan yang telah dibahas pada subbab variabel simulasi. Selanjutnya, dikorelasikan variasi desain economizer dengan bilangan Nusselt, koefisien perpindahan panas (h), total perpindahan panas (U), dan perpindahan panas (Q). Gambar pertama menggambarkan hubungan antara diameter luar tube dengan bilangan Nusselt. Gambar kedua menggambarkan hubungan antara diameter luar tube dengan koefisien perpindahan panas (h). Gambar ketiga menggambarkan hubungan antara diameter luar tube dengan total perpindahan panas (U). Gambar keempat menggambarkan hubungan antara diameter luar tube dengan perpindahan panas (Q). Berikut ini adalah korelasi variasi desain economizer ditunjukkan pada gambar 3.1.
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 3.1. Korelasi variasi desain economizer (a) bilangan Nusselt ; (b) koefisien perpindahan panas ; (c) total perpindahan panas ; (d) perpindahan panas C. Validasi
Validasi desain economizer dibutuhkan agar desain sesuai dengan standar yang ada. Validasi desain ini dilakukan menggunakan tools yang sudah terpercaya untuk mendesain suatu heat exchanger. Hasil desain dari tools yang terpecaya digunakan untuk merekomendasikan desain economizer mana yang terbaik. Selain itu, perlu dilakukan perhitungan nilai error yang terjadi saat mendesain economizer. Dari hasil perhitungan diketahui bahwa range error antara 0,02% - 3,7%. Nilai rata-rata error sebesar 1,7%. Nilai standar deviasi sebesar 1,1. Desain economizer yang memiliki error terkecil sebesar 0,02% diperoleh dari variasi diameter luar tube sebesar 50 mm, jarak transversal sebesar 60 mm, dan jarak longitudinal sebesar 30 mm.
D. Penentuan Desain Terbaik Economizer
Dari pembahasan pada subbab sebelumnya telah dibahas parameter-parameter yang mempengaruhi nilai total perpindahan panas untuk variasi desain economizer. Untuk menentukan desain terbaik economizer digunakan perhitungan perpindahan panas dan validasi desain economizer.
Nilai perpindahan panas yang diperoleh dari variasi diameter luar tube sebesar 50 mm, jarak transversal sebesar 60 mm, dan jarak longitudinal sebesar 30 mm sebesar 2,4.106 W. Properti lain yang menjelaskan desain terbaik economizer dapat dilihat pada tabel 3.1.
Tabel 3.1. Tabel Properti Desain Terbaik Economizer
No Prope rti Nilai
1 Diameter Luar Tube 45 mm 2 Jarak T ransversal 60 mm 3 Jarak Longitudinal 30 mm 4 Kecepatan Gas Buang 0,6 m/s 5 Kecepatan Maksimal 6 m/s 6 Bilangan Reynold 13458,3 7 Bilangan Nusselt 1734,1 8 h 1132,9 W/m2 K 9 U 288,3 W/m2 K 10 Luas 24 m2 11 LMT D 348 K 12 Q 2,4.106 W
E. Heat Recovery dan Fuel Saving
Fuel saving adalah penghematan penggunaan bahan bakar [7]. Berikut ini perhitungan nilai fuel saving adalah
. .
p.
Q
V
C
T
3. 1 Dimana,
Q : kandungan panas dalam kkal V : laju aliran massa dalam kg/jam ρ : massa jenis gas buang dalam kg/m3 Cp : panas jenis bahan dalam kkal/kg oC ∆T : perbedaan temperatur dalam o
C 6 59290.1, 018.1, 018.151, 4 9,3.10 Q kkal
Energi yang dapat dihemat adalah 9,3.106 kkal per jam atau 2,2.108 kkal per hari atau 7,8.1010 kkal per tahun.
Apabila nilai kalori kotor (GCV minyak) = 10.200 kkal/kg Penghematan minyak = 7,8.1010 /10200 = 7,6. 106 liter
Harga minyak = 100 USD/barel = 0,62 USD/liter
Penghematan keuangan = 4.749.782 USD/tahun
IV. KESIMPULAN
Setelah dilakukan perhitungan dan simulasi untuk mengetahui variasi desain economizer terbaik maka dapat diperoleh kesimpulan:
1. Nilai LMTD desain economizer adalah 348,038 K.
2. Variasi desain terbaik economizer diperoleh dari variasi diameter luar tube sebesar 50 mm, jarak transversal sebesar 60 mm, dan jarak longitudinal sebesar 30 mm dengan nilai kecepatan gas buang sebesar 0,6 m/s, nilai kecepatan maksimal sebesar 3,6 m/s, nilai bilangan Reynold sebesar 13458,3, bilangan Nusselt sebesar 1410,1, koefisien perpindahan panas (h) sebesar 829,1 W/m2 K, total perpindahan panas (U) sebesar 289,1 W/m2 K, luas sebesar 24 m2, perpindahan panas sebesar 2,4.106 W.
3. Apabila desain economizer ini diaplikasikan pada boiler 52 B 1/2/3 ada unit utilities complex di PT. Pertamina RU IV Cilacap menghasilkan heat recovery dan fuel saving bahan bakar sebesar 7,8.1010 kkal per tahun. Penurunan penggunaan bahan bakar dapat mempengaruhi efisiensi bahan bakar dari boiler. Penghematan keuangan dalam pemakaian bahan bakar sebesar 4.749.782 USD/tahun.
UCAPANTERIMAKASIH
Alhamdulillah, terima kasih kepada Allah SWT yang telah memberikan kelancaran dalam pembuatan jurnal ini. Saya mengucapkan terimakasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam mengerjakan tugas akhir hingga seles ai. Semoga Allah membalas semua kebaikan yang telah diberikan kepada penulis.
DAFTARPUSTAKA
[1] E. Ratnasari, “Penerapan Metode Input Output Menghitung Efisiensi Boiler 52 B 1/2/3 pada Unit Utilities Complex di PT . Pertamina RU IV Cilacap,” Surabaya, 2013.
[2] J. B. Kitto and S. . Stultz, Steam its generation and use, 41st ed. Ohio: T he Babcock & Wilcox Company, 2006. [3] P. K. Ravindra, V. R. Raju, N. R. Kumar, and C. V. K. Kr,
“Investigation of Improvement in Boiler through
Incorporation of Additional Bank of T ubes in the Economiser for Supercritical Steam Power Cycles,” Int. J. Eng. Res. Dev., vol. 4, no. 8, 2012.
[4] Murni, “Menaikkan Efisiensi Boiler dengan Memanfaatkan Gas Buang untuk Pemanas Ekonomiser,” in Sem inar Sains dan Teknologi ke-2, 2011.
[5] T . Kuppan, Heat exchanger design handbook, vol. 126. Marcel Dekker New York, 2000.
[6] F. P. Incropera, A. S. Lavine, and D. P. DeWitt, Fundam entals of heat and m ass transfer. John Wiley & Sons, 2011.
