Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran

(1)

Helmon Sihombing : Mekanisme Proses Pemanasan Air Di Dalam Boiler Dengan Mempergunakan Heater Tambahan Untuk Efisiensi Pembakaran, 2010.

Karya Akhir

MEKANISME PROSES PEMANASAN AIR DI DALAM BOILER

DENGAN MEMPERGUNAKAN HEATER TAMBAHAN UNTUK

EFISIENSI PEMBAKARAN

O

L

E

H

Nim : 035203039

Nama : HELMON SIHOMBING

PROGRAM DIPLOMA – IV

TEKNOLOGI INSTRUMENTASI PABRIK

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

MEKANISME PROSES PEMBAKARAN DI DALAM BOILER

DENGAN MEMPERGUNAKAN HEATER TAMBAHAN UNTUK

EFISIENSI PEMBAKARAN

OLEH :

Nama : HELMON SIHOMBING Nim : 035203039

Disetujui oleh : Pembimbing Karya Akhir

Ir. ZULKARNAEN PANE Nip : 19570720 1983031 001

Pelaksana Harian Ketua Program Diploma – IV Teknologi Instrumentasi Pabrik

Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

Prof. Dr. Ir. USMAN BA’AFAI NIP : 19461022 1973021 001 PROGRAM DIPLOMA – IV

TEKNOLOGI INSTRUMENTASI PABRIK FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

(3)

ABSTRAK

Pada proses pemanasan air, air yang berasal dari raw water (air tanah) tidak

langsung dibakar didalam boiler. dalam hal ini digunakan peralatan instrumen

Deaerator dan economizer yang berfungsi untuk pemanasan awal sebelum dibakar

didalam boiler.

Fungsi deaerator dan economizer ini adalah sebagai komponen pembantu

untuk memanaskan air sebelum dibakar didalam boiler. Apabila pemanasan air

langsung dilakukan didalam boiler maka akan membutuhkan waktu yang cukup lama

dan menggunakan bahan bakar yang cukup banyak sehingga proses produksi tidak

(4)

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, atas berkah dan

rahmatnya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya akhir ini. Tidak lupa pula

penulis ucapkan ribuan terima kasih kepada Ayahanda Antonius Mangatur

Sihombing dan Ibunda Romauli Damanik serta kakanda Helen Sihombing, adindan Rimbun Sihombing, dan adinda Helmi Mariance Sihombing tercinta yang tak

pernah letih mengasuh, membesarkan, memberi dukungan moral maupun materil dan

selalu menyertai Ananda dengan do’a sampai Ananda menyelesaikan Karya Akhir Ini.

Dan tak luput pula penulis mengucapkan ribuan terima kasih kepada calon

pendamping hidup saya Veronika Dora Lina Pandiangan, SH yang senantiasa

mendampingi, memberikan semangat dan dorongan nya melalui cinta dan kasih

sayangnya dan selalu menyertai saya dengan do’a sampai saya menyelesaikan Karya

Akhir.

Dalam proses penyusunan karya akhir ini, penulis telah mendapat bimbingan

dan arahan dari berbagai pihak, maka untuk bantuan yang di berikan baik materil,

spiritual, informasi maupun administrasi. Oleh karena itu sepantasnya penulis

mengucapakan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Prof. Dr. Ir. Armansyah Ginting M.Eng. selaku Dekan Fakultas

Teknik Universitas Sumatera Utara.

2. Alm. Bapak Ir. Nasrul Abdi MT.

3. Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Ba’afai, selaku P.J.S ketua Jurusan Teknik

Elektro.

(5)

5. Bapak Ir. Zulkarnaen Pane. selaku dosen pembimbing dalam penyusunan

karya akhir ini.

6. Bapak Ir. Satria Ginting selaku Dosen Wali.

7. Rekan-rekan mahasiswa Jurusan Teknologi Instrumentasi Pabrik angkatan

2003 yang telah banyak membantu penulis.

Akhir kata tak ada gading yang tak retak, karena keterbatasan waktu dan

kemampuan, penyusun menyadari bahwa dalam pembuatan Karya Akhir ini masih

terdapat banyak kekurangan maupun kesalahan. Untuk itu penyususn membuka diri

atas segala kritik dan saran yang bersifat membangun agar dapat di diskusikan dan di

pelajari bersama demi kemajuan wawasan ilmu pengetahuann teknologi. Semoga

karya akhir ini dapat bermanfaat bagi kita semua.

Medan, November 2009

(6)

D A F T A R I S I

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... ii

DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR GAMBAR ... vii

DAFTAR TABEL ... ix

BAB I PENDAHULUAN... 1

I.1. Pendahuluan ... 1

I.1.1. Deaerator ... 2

I.1.1.1 Economizer ... 3

I.2. Tujuan Karya Akhir ... 4

I.3. Rumusan Masalah ... 5

I.4. Batasan Masalah ... 5

I.5. Metode Penulisan... 5

I.6. Sistematika Penulisan ... 6

BAB II LANDASAN TEORI ... 8

II.1 Teori Dasar ... 8

II.2. Diagram fase steam ... 12

II.3. Kualitas steam ... 14

II.4. Sistem Distribusi Steam ... 14

II.5. Pipa – Pipa ... 19

(7)

II.5.2 Tata Letak Pemipaan ... 19

II.6. Strainers... 20

II.7. Filter ... 23

II.8. Pemisah/Separator ... 25

II.9. Ventilasi udara ... 27

II.10. Pemanfaatan Kembali Kondensat ... 30

II.11 Jenis – Jenis Boiler Uap ... 32

II.11.1 Fire Tube Boiler ... 32

II.11.2 Water Tube Boiler ... 32

II.11.3 Boiler Paket ... 34

II.11.4 Boiler Pembakaran dengan Fluidized Bed (FBC) ... 35

II.11.5 Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler... 37

II.11.6 Pressurized Fluidized Bed Combustion (PFBC) Boiler ... 38

II.11.7 Atmospheric Circulating Fluidized Bed Combustion Boilers (CFBC) ... 38

II.11.8 Stoker Fired Boilers ... 39

II.11.8.1 Spreader stokers ... 40

II.11.8.2 Chain-grate atau traveling-grate stoker ... 40

II.11.9 Pulverized Fuel Boiler ... 41

II.11.10 Boiler Limbah Panas ... 43

II.11.11 Boiler Pemanas Fluida Termis ... 44

(8)

III.1 Proses Pemanasan Air ... 45

III.2 Keterpasangan alat deaerator ... 51

III.2.1 Data Teknis Deaerator ... 53

III.3 Keterpasangan Peralatan Pada Economizer ... 55

III.4 Data Teknis Boiler ... 57

III.5 Data Teknis Generator ... 58

BAB IV MEKANISME KERJA DEAREATOR DAN EKONOMIZER ... 58

IV.1. Deaerator Dan Economizer Sebagai Instrument Pembantu Dalam Pemanasan Air ... 58

IV.2 Mekanisme Deaerator Dan Economizer Merupakan Instrument Pendukung ... 61

IV.3 Analisa Performasi Dari Deaerator dan Economizer ... 64

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 75

V.1. Kesimpulan ... 75

V.2. Saran ... 75

(9)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Deaerator ... 4

Gambar 2.1 Kurva Steam Jenuh ... 13

Gambar 2.2 Diagram Fase Entalpi Suhu ... 14

Gambar 2.3 Contoh Sirkuit Steam ... 17

Gambar 2.4 Instalasi Pemipaan Steam ... 21

Gambar 2.5 Strainer Jenis-Y ... 22

Gambar 2.6 Strainer Jenis-Keranjang/basket ... 22

Gambar 2.7 Penggunaan untuk Steam atau Gas ... 23

Gambar 2.8 Penggunaan untuk Cairan ... 23

Gambar 2.9 Aliran Turun Secara Vertikal ... 24

Gambar 2.10 Filter In-line Horizontal ... 26

Gambar 2.11 Separator Tipe Baffle ... 28

Gambar 2.12 Ujung Ventilasi Udara Otomatis Utama... 30

Gambar 2.13 Sebuah Sirkuit Steam dan Kondensat ... 32

Gambar 2.14 Fire Tube Boiler ... 33

Gambar 2.15 Water Tube Boiler ... 34

Gambar 2.16 Boiler Paket ... 36

Gambar 2.17 Atmospheric Circulating Fluidized Bed Combustion Boilers (CFBC) ... 39

Gambar 2.18 Spreader Stoker Boiler ... 40

Gambar 2.19 Traveling Grate Boiler ... 41

Gambar 2.20 Pembakaran Tangensial untuk Bahan Bakar Halus ... 42

(10)

Gambar 2.22 Boiler Pemanas Fluida Termis ... 45

Gambar 3.1 Diagram Block Proses ... 48

Gambar 3.2 Kurva Steam Jenuh ... 53

Gambar 3.3 Konstruksi Deaerator ... 51

Gambar 3.4 Sootblower ... Gambar 3.5 Ash Handling Sistem ... Gambar 4.1 Mekanisme kerja Deaerator dan Economizer ... 52

Gambar 4.2 Penampang Economizer ... 54

(11)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Perbandingan Steam, Air Panas,Fluida Minyak ... 10

(12)

BAB I PENDAHULUAN

I.1 Pendahuluan

Didalam suatu pabrik yang mempunyai system pembangkit tenaga listrik

(Power Plant) terutama pada pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) sangat banyak

menggunakan peralatan instrumentasi sebagai komponen vital dalam

pengoperasiannya. Untuk itu peralatan tersebut harus dapat menghasilkan hasil

pengukuran dengan baik dan akurat. Pada prosesnya, PLTU menggunakan air sebagai

bahan baku yang dibakar didalam boiler dan menghasilkan steam (Uap) untuk

memutar turbin dan generator sehingga dapat menghasilkan listrik

Boiler uap atau boiler adalah pesawat atau bejana yang disusun untuk

mengubah air menjadi uap dengan jalan pemanasan, dimana energi kimia diubah

menjadi energi panas. Karena panas yang diperlukan untuk membuat uap air ini

didapat dari hasil pembakaran, maka boiler harus mempunyai dapur sebagai tempat

pembakar. Dimana boiler uap terdiri dari drum yang tertutup pada ujung serta pangkal

nya dan dalam perkembangannya dikenal dengan boiler pipa api dan boiler pipa air.

Konstruksi boiler uap berhubungan dengan sifat yang dimiliki oleh air

terutama uap serta peristiwa yang terjadi pada pembentukan uap. Naiknya temperature

air terjadi karena adanya panas yang diberikan nyala api terhadap air melalui dinding

boiler yang berisikan gas panas hasil pembakaran.

Akibat pemberian panas secara terus menerus maka akan terbentuk

gelembung-gelembung uap yang bergerak keatas permukaan. Hal ini akibat perbedaan

berat jenis antara uap air dan air, selanjutnya air pun turun, begitulah bersirkulasi

(13)

Pada boiler pipa air, dimana air mengalir didalam pipa-pipa, sedangkan

pemanasan air itu dilakukan oleh gas asap dinding-dinding pipa bagian luar.

Konstruksi dari boiler ini mempunyai beberapa kelompok pipa-pipa, pada boiler yang

sudah modern pipa-pipa airnya ditempatkan juga pada dinding dapur. Pipa-pipa air ini

terutama dari pipa baja yang berdinding tipis dan dipasang miring atau tegak dan

mempunyai garis tengah yang kecil. Kemiringan dari pipa-pipa ini minimum 15%.

Boiler pipa air ini lebih tepat untuk tekanan-tekanan uap yang besar, karena ukuran

bagian-bagian boiler yang kecil dan dinding-dinding dapat dikatakan tidak ada sama

sekali.

I.1.1 Deaerator

Deaerator adalah alat yang bekerja untuk membuang gas-gas yang terkandung

dalam air boiler, sesudah melalui proses pemurnian air (water treatment). Selain itu

deaerator juga berfungsi sebagai pemanas awal air pengisian boiler sebelum

dimasukkan kedalam boiler. Deaerator bekerja berdasarkan sifat dari oksigen yang

kelarutannya pada air akan berkurang dengan adanya kenaikan suhu.

Gambar I.1 Deaerator

Alat deaerator ini terdiri dari dua drum dimana drum yang lebih kecil

(14)

boiler, sedangkan drum yang lebih besar adalah merupakan tempat penampungan

bahan air boiler yang jatuh dari drum yang lebih kecil di atasnya.

I.1.2 Economizer

Economizer dapat diartikan sebagai penghemat bahan bakar dalam proses

pemanasan air pengisian pada boiler. Alat ini juga mempunyai keuntungan yang lain,

dimana air pengisian (feed water) masuk kedalam boiler dengan suhu yang lebih

tinggi, sehingga air boiler tidak banyak mengalami pendinginan ketika memasukkan

air pengisian yang baru. Dengan demikian pembuatan uap tidak banyak terganggu.

Economizer adalah sejenis alat penukar panas aliran silang dimana panas

dipindahkan dari gas asap (hasil pembakaran) ke air pengisian (feed water) yang

sedang masuk. Penyerapan di economizer ini juga dapat meningkatkan efisiensi

boiler.

Fungsi dari economizer sebagai pemanas awal feed water sebelum masuk

kedalam steam drum dimana panas yang diperoleh dari gas asap diserap oleh

dinding-dinding pipa economizer untuk memanaskan air dalam pipa sehingga air tersebut

menjadi saturated.

Jadi urutan mekanisme proses cara kerja boiler adalah sebagai berikut :

1. Air yang telah di filtrasi melalui Reverse Osmosis kemudian dialirkan ke

deaerator untuk dipanaskan awal dan memisahkan logam atau mineral

yang berada didalam air, dengan tujuan agar air dapat dibakar didalam

boiler dan meningkatkan efisiensi air dan menghindari korosi pada pipa

– pipa yang dilaluinya.

2. Setelah diproses dideaerator kemudian air dipompakan menuju

economizer menggunakan feeding pump. Pemanasan didalam

economizer menggunakan gas buang yang berasal dari dalam boiler. Gas

(15)

chimney. Tujuan gas panas dialirkan melalui economizer hanyalah untuk

pemanasan pembantu untuk air yang akan dibakar didalam boiler.

3. Setelah air dipanaskan melalui economizer, maka air tadi akan dialirkan

ke drum boiler dengan tujuan sebagai tempat penyimpanan sementara

untuk air sebelum dibakar didalam boiler.

4. Air didalam drum boiler merupakan air yang sudah panas yang bersuhu

sekitar 165 – 1800C yang akan segera dibakar didalam boiler untuk

menjadikan air menuju steam.

5. Setelah dibakar didalam boiler, air tadi berubah menjadi steam tapi

belum bisa digunakan disebabkan air masih menjadi steam basah, oleh

sebab itu steam basah tersebut dialirkan ke superheater dengan tujuan

untuk meningkatkan suhu dah mengubah steam basah menjadi steam

kering hingga dapat memutar turbin dan generator.

I.2. Tujuan Karya Akhir

Adapun tujuan dari karya akhir ini adalah

1. Untuk memenuhi syarat menyelesaikan masa studi sebagai Mahasiswa

program Diploma IV Teknologi Instrumentasi Pabrik.

2. Mengetahui dan memahami mekanisme cara kerja dari boiler dan

penggunaan perangkat tambahan serta penggunaannya pada proses

pemanasan air menjadi steam.

I.3. Rumusan Masalah

• Bagaimana proses pemanasan air menjadi steam

• Bagaimana cara kerja perangkat tambahan seperti dearator, ekonomizer,

elektostatic precipitator sebagai komponen ekonomis dalam konsumsi energi.

(16)

I.4. Batasan Masalah

Mengingat masalah yang akan diangkat sebagai karya akhir ini mempunyai

ruang lingkup yang relatif luas, maka penulis membatasi masalah karya akhir ini pada

:

• Hanya membahas prinsip kerja dari boiler

• Tidak membahas perhitungan secara mendetail

I.5. Metode Penulisan

Metode penulisan yang dipergunakan dalam penulisan Karya Akhir ini antara

lain sebagai berikut:

1. Dengan mempelajari teori dan pengamatan langsung di lapangan serta

melakukan diskusi dengan pembimbing dilapangan dan juga operator di

bagian pembangkit listrik tenaga uap.

2. Melakukan diskusi dengan Dosen Pembimbing Fakultas.

3. Dengan mencari buku-buku referensi dari beberapa pustaka dan mengambil

artikel – artikel dari website yang dapat menunjang penyusunan Karya Akhir.

I.7. Sistematika Penulisan

Untuk mempermudah pembahasan dalam penulisan karya akhir ini, maka

penulis membuat suatu sistematika penulisan. Sistematika penulisan ini merupakan

urutan bab demi bab termasuk isi dari sub – sub babnya. Adapun sistematika

(17)

BAB I : PENDAHULUAN

Bab ini berisi tentang latar belakang pemilihan judul, tujuan karya

akhir, Tinjauan umum, rumusan dan batasan masalah, metode

penulisan, dan sistematika penulisan.

BAB II : LANDASAN TEORI

Bab ini menjelaskan tentang teori-teori pembakaran air menjadi

steam, teori dasar mengenai boiler dan teori alat-alat pendukung

dalam proses pengontrolan pemanasan air menjadi steam.

BAB III : MEKANISME PERUBAHAN AIR MENJADI UAP DI DALAM BOILER

Bab ini berisikan penjelasan mengenai prinsip kerja, kontruksi alat,

gambar keterpasangan peralatan, data teknis.

BAB IV :MEKANISME KERJA DEAREATOR DAN EKONOMIZER SERTA ANALISA PERFORMASI DARI DEAERATOR DAN ECONOMIZER

Bab ini menjelaskan mekanisme kerja deareator dan ekonomizer dan

analisa penghematan penggunaan deaearator dan economizer

BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisikan tentang kesimpulan dan saran yang dapat diambil

penulis dari pengamatan dilapangan dan pada waktu penulisan karya

(18)

BAB II

LANDASAN TEORI

II.1 Teori Dasar

Steam merupakan bagian penting dan tidak terpisahkan dari teknologi modern.

Tanpa steam, maka industri makanan kita, tekstil, bahan kimia, bahan kedokteran,

daya, pemanasan dan transportasi tidak akan ada atau muncul seperti sekarang ini.

Steam memberikan suatu cara pemindahan sejumlah energi yang terkendali dari suatu

pusat, ruang boiler yang otomatis, dimana energi dapat dihasilkan secara efisien dan

ekonomis, sampai ke titik penggunaan. Steam yang bergerak mengelilingi pabrik

dianggap sama dengan transportasi dan penyediaan energi. Untuk beberapa alasan,

steam merupakan komoditas yang paling banyak digunakan untuk membawa energi

panas. Penggunaannya terkenal diseluruh industri untuk pekerjaan yang luas dari

produksi daya mekanis sampai penggunaan proses dan pemanasan ruangan. Alasan

dari penggunaan steam adalah:

• Steam dapat dengan mudah dan murah untuk didistribusikan ke titik

penggunaan

• Steam mudah dikendalikan

• Energinya mudah ditransfer ke proses

• Plant steam yang modern mudah untuk dikendalikan

• Steam bersifat fleksibel

Selain penggunaan steam adalah air dan fluida panas seperti minyak bersuhu

tinggi. Masing-masing metoda memiliki keuntungan dan kerugiannya, sebagaimana

(19)

Tabel 2.1 Perbandingan Steam, Air Panas, Fluida Minyak

Steam Air panas Minyak bersuhu tinggi

Kandungan panas

Untuk suhu yang tinggi

(20)

Dilakukan melalui

valve

Penurun suhu

Diperlukan steam traps Tidak diperlukan

steam traps

Tidak ada flash steam

Perlu blowdown boiler Tidak perlu

blowdown

Tidak perlu blowdown

Diperlukan pengolahan

air untuk mencegah

korosi

Sedikit terjadi korosi Korosi diabaikan

Diperlukan jaringan

Flens seperti biasa Flens seperti biasa

Tidak ada resiko

Dengan meningkatnya suhu dan air mendekati kondisi didihnya, beberapa

molekul mendapatkan energi kinetik yang cukup untuk mencapai kecepatan yang

membuatnya sewaktu-waktu lepas dari cairan ke ruang diatas permukaan, sebelum

jatuh kembali ke cairan. Pemanasan lebih lanjut menyebabkan eksitasi lebih besar dan

sejumlah molekul dengan energi cukup untuk meninggalkan cairan jadi meningkat.

(21)

densitas steam lebih kecil dari air, sebab molekul steam terpisah jauh satu dengan

yang lainnya. Ruang yang secara tiba-tiba terjadi diatas permukaan air menjadi terisi

dengan molekul steam yang kurang padat.

Jika jumlah molekul yang meninggalkan permukaan cairan lebih besar dari

yang masuk kembali, maka air menguap dengan bebasnya. Pada titik ini air telah

mencapai titik didihnya atau suhu jenuhnya, yang dijenuhkan oleh energi panas. Jika

tekananya tetap, penambahan lebih banyak panas tidak mengakibatkan kenaikan suhu

lebih lanjut namun menyebabkan air membentuk steam jenuh. Suhu air mendidih

dengan steam jenuh dalam sistem ya ng sama adalah sama, akan tetapi energi panas

per satuan massa nya lebih besar pada steam. Pada tekanan atmosfir suhu jenuhnya

adalah 100°C. Tetapi, jika tekanannya bertambah, maka akan ada penambahan lebih

banyak panas yang peningkatan suhu tanpa perubahan fase. Oleh karena itu, kenaikan

tekanan secara efektif akan meningkatkan entalpi air dan suhu jenuh. Hubungan

antara suhu jenuh dan tekanan dikenal sebagai kurva steam jenuh (Gambar 2.1).

Gambar 2.1 Kurva Steam Jenuh

Air dan steam dapat berada secara bersamaan pada berbagai tekanan pada

kurva ini, keduanya akan berada pada suhu jenuh. Steam pada kondisi diatas kurva

(22)

• Suhu diatas suhu jenuh disebut derajat steam lewat jenuh

• Air pada kondisi dibawah kurva disebut air sub- jenuh.

Jika steam dapat mengalir dari boiler pada kecepatan yang sama dengan yang

dihasilkannya, penambahan panas lebih lanjut akan meningkatkan laju produksinya.

Jika steam yang sama tertahan tidak meninggalkan boiler, dan jumlah panas yang

masuk dijaga tetap, energi yang mengalir ke boiler akan lebih besar dari pada energi

yang mengalir keluar. Energi berlebih ini akan menaikan tekanan, yang pada

gilirannya akan menyebabkan suhu jenuh meningkat, karena suhu steam jenuh

berhubungan dengan tekanannya.

II.2 Diagram fase steam

Data yang diberikan dalam tabel steam dapat juga dinyatakan dalam bentuk

grafik. Gambar 2.2 memberi gambaran hubungan antara entalpi dan suhu pada

berbagai tekanan, dan dikenal dengan diagram fase.

(23)

Ketika air dipanaskan dari 0°C sampai suhu jenuhnya, kondisinya mengikuti

garis cair jenuh sampai menerima seluruh entalpi cairannya, hf, (A - B). Jika panas

ditambahkan lebih lanjut, maka akan merubah fase ke steam jenuh dan berlanjut

meningkakan entalpi sambil tetap pada suhu jenuhnya, hfg, (B - C). Jika campuran

steam/air meningkat kekeringannya, kondisinya bergerak dari garis cair jenuh ke garis

uap jenuh. Oleh karena itu pada titik tepat setengah diantara kedua keadaan tersebut,

fraksi kekeringan (x) nya sebesar 0,5. Hal yang sama, pada garis uap jenuh steamnya

100 % kering. Begitu menerima seluruh entalpi penguapannya maka akan mencapai

garis uap jenuh. Jika pemanas dilanjutkan setelah titik ini, suhu steam akan mulai naik

mencapai lewat jenuh (C - D). Garis-garis cairan jenuh dan uap jenuh menutup

wilayah dimana terdapat campuran steam/air–steam basah. Dalam daerah sebelah kiri

garis cair jenuh, hanya terdapat air, dan pada daerah sebelah kanan garis uap jenuh

hanya terdapat steam lewat jenuh. Titik dimana garis cairan jenuh dan uap jenuh

bertemu dikenal dengan titik kritis. Jika tekanan naik menuju titik kritis maka entalpi

penguapannya berkurang, sampai menjadi nol pada titik kritisnya. Hal ini

menunjukkan bahwa air berubah langsung menjadi steam jenuh pada titik kritisnya.

Diatas titik kritis hanya gas yang mungkin ada. Keadaan gas merupakan keadaan yang

paling terdifusi dimana molekulnya hampir memiliki gerakan yang tidak dibatasi, dan

volumeenya meningkat tanpa batas ketika tekanannya berkurang. Titik kritis

merupakan suhu tertinggi dimana bahan berada dalam bentuk cairan. Pemberian

tekanan pada suhu konstan dibawah titik kritis tidak akan mngakibatkan perubahan

fase. Walau begitu, pemberian tekanan pada suhu konstan dibawah titik kritis, akan

mengakibatkan pencairan uap begitu melintas dari daerah lewat jenuh/ superheated ke

(24)

bars. Diatas tekanan ini steam disebut superkritis dan tidak ada titik didih yang dapat

diterapkan.

II.3 Kualitas Steam

Steam harus tersedia pada titik penggunaan :

• Dalam jumlah yang benar untuk menjamin bahwa aliran panas yang memadai

tersedia untuk perpindahan panas

• Pada suhu dan tekanan yang benar, atau akan mempengaruhi kinerja

• Bebas dari udara dan gas yang dapat mengembun yang dapat menghambat

perpindahan panas

• Bersih, karena kerak (misal korosi atau endapan karbonat) atau kotoran dapat

meningkatkan laju erosi pada lengkungan pipa dan orifice kecil dari steam

traps dan valve

• Kering, dengan adanya tetesan air dalam steam akan menurunkan entalpi

penguapan aktual, dan juga akan mengakibatkan pembentukan kerak pada

dinding pipa dan permukaan perpindahan panas.

II.4 Sistem Distribusi Steam

Sistem distribusi steam merupakan hubungan penting antara pembangkit

steam dan pengguna steam. Terdapat berbagai macam metoda untuk membawa steam

dari pusat sumber ke titik penggunaan. Pusat sumber mungkin berupa ruang boiler

atau pengeluaran dari plant kogenerasi. Boiler dapat menggunakan bahan bakar

primer, atau boiler limbah panas yang menggunakan gas buang dari proses bersuhu

tinggi, mesin- mesin atau bahkan insinerator. Apapun sumbernya, sistem distribusi

(25)

tekanan yang benar ke peralatan yang menggunakan steam. Pemasangan dan

perawatan sistem steam merupakan hal penting dan harus sudah dipertimbangkan

mulai tahap perancangan.

Diperlukan suatu pemahaman mengenai dasar sirkuit steam atau ‘loop

kondensat dan steam’. Ketika steam mengembun didalam proses, kondensat

dialirankan kembali kedalam pipa suplai air boiler. Kondensat memiliki volume yang

sangat kecil dibandingkan dengan steam, dan hal ini menyebabkan penurunan

tekanan, yang membuat steam mengalir melalui pipa-pipa. Steam yang dihasilkan

pada boiler harus dibawa melalui pipa kerja ke titik dimana energi panasnya

diperlukan. Pada awalnya hanya terdapat satu atau lebih pipa utama, atau ‘saluran

pipa steam’, yang membawa steam dari boiler kearah plant yang menggunakan steam.

Pipa-pipa cabang yang lebih kecil membawa steam ke masing- masing peralatan.

Ketika valve isolasi boiler utama (kadangkala disebut valve ‘mahkota’) dibuka, steam

dengan segera melintas dari boiler menuju dan sepanjang saluran pipa steam ke titik

pada tekanan rendah. Pipa kerja pada mulanya lebih dingin daripada steam, sesampai

panas dipindahkan dari steam ke pipa. Udara disekitar pipa-pipa juga sebelumnya

lebih dingin dari steam, kemudian pipa kerja akan mulai memindahkan panas steam

(26)

Gambar 2.3 Contoh Sirkuit Steam

Steam yang berkontak dengan pipa yang lebih dingin akan mulai mengembun

dengan segera. Pada saat start-up, laju kondensasi akan berada pada nilai

maksimumnya, hal ini merupakan waktu dimana terjadi perbedaan suhu yang

maksimum antara steam dan pipa kerja. Laju kondensasi ini biasanya disebut ‘beban

permulaan’. Begitu pipa kerja telah dihangatkan, perbedaan suhu antara steam dan

pipa kerja menjadi minimal, namun kondensasi akan terjadi kaerna pipa kerja masih

terus memindahkan panas ke udara sekitar. Laju kondensasi ini disebut ‘beban

berjalan’. Hasil dari kondensasi (kondensat/embun) jatuh ke bagian bawah pipa dan

dibawa oleh aliran steam yang dibantu oleh gaya gravitasi, karena sudut kemiringan

pada saluran pipa steam dibuat diatur turun pada arah aliran steam. Kondensat

kemudian harus dikeluarkan dari berbagai titik strategis pada saluran pipa steam.

Ketika valve pada pipa steam yang melayani bagian plant yang menggunakan

steam dibuka, steam mengalir dari sistem distribusi masuk ke plant dan terjadi lagi

kontak dengan permukaan yang lebih dingin. Steam kemudian memindahkan

energinya dan menghangatkan peralatan dan produk (beban permulaan), dan bila telah

mencapai suhunya, pemindahan panas berlanjut ke proses (beban berjalan). Sekarang

terdapat pasokan steam yang sinambung dari boiler untuk mencukupi beban

terhubung dan untuk menjaga pasokan ini, harus dihasilkan steam yang lebih banyak

lagi. Untuk memenuhi kebutuhan ini, dibutuhkan air yang lebih banyak (dan bahan

bakar untuk memanaskan air ini) untuk dipasok ke boiler sebagai air make up yang

sebelumnya sudah diuapkan menjadi steam. Kondensat yang terbentuk dalam pipa

distribusi steam dan dalam peralatan proses dapat dipakai sebakai pasokan sebagai air

(27)

ini juga merupakan komoditi yang sangat berharga yang tidak boleh dibiarkan untuk

menjadi limbah. Mengembalikan seluruh kondensat ke tangki umpan boiler akan

menutup loop energi steam, dan harus dilakukan bila memungkinkan.

Distribusi tekanan steam dipengaruhi oleh sejumlah faktor, dan dibatasi oleh:

• Tekanan kerja maksimum yang aman bagi boiler

• Tekanan minimum yang diperlukan pada plant

Ketika steam melewati pipa distribusi, maka steam tidak dapat menghindari

kehilangan tekanannya karena :

• Tahanan gesekan/friksi didalam pipa.

• Kondensasi/pengembunan yang terjadi didalam pipa ketika panas dipindahkan

ke lingkungan.

Oleh karena itu pada saat menentukan tekanan distribuís awal, harus ada

kelonggaran untuk kehilangan tekanan ini. Satu kilogram steam pada tekanan yang

lebih tinggi mempunyai volume lebih kecil dari pada pada tekanan rendah. Jadi, jika

steam dibangkitkan dalam boiler pada tekanan tinggi dan didistribusikan pada tekanan

yang tinggi pula, maka ukuran saluran pipa distribusi akan menjadi lebih kecil.

Pembangkitan dan pendistribusian steam pada tekanan tinggi memberikan tiga

keuntungan yang cukup penting:

• Kapasitas penyimpanan panas pada boiler meningkat, membantu boiler lebih

efisien dalam menangani beban yang berfluktuasi, meminimalkan resiko

terbentuknya steam basah dan kotor.

• Diperlukan saluran pipa steam yang lebih kecil, sehingga biaya investasinya

untuk pipa, bahan penunjang, bahan isolasi dan buruh lebih rendah.

(28)

Pada sistem distribusi tekanan tinggi, diperlukan penurunan tekanan steam pada

setiap zona atau titik penggunaan pada sistem untuk menyesuaikan dengan tekanan

maksimum yang diperlukan penggunanya. Penurunan tekanan tersebut juga akan

menghasilkan steam yang lebih kering pada titik penggunaan.

Komponen penting pada sistem distribusi akan dijelaskan pada bagian berikut:

• Pipa-pipa

• Titik pengeluaran

• Jalur cabang

• Saringan/ strainers

• Saringan/ filters

• Pemisah/ separator

• Steam traps

• Ventilasi udara

II.5 Pipa-pipa II.5.1 Bahan pipa

Pipa sistem steam biasanya dibuat dari baja karbon ANSI B 16.9 Al06. Bahan

yang sama juga dapat digunakan untuk jalur kondensat, walaupun pipa tembaga lebih

disukai oleh beberapa industri. Untuk saluran pipa steam lewat jenuh yang bersuhu

tinggi, ditambahkan bahan campuran seperti chromium dan molybdenum untuk

memperbaiki kuat tarik dan resistansi terhadap golakan pada suhu tinggi. Biasanya

(29)

II.5.2 Tata Letak Pemipaan

Saluran pipa steam harus dipasang dengan penurunan/slope tidak kurang dari

1:100 (turun 1 m untuk setiap 100 m), kearah aliran steam. Sudut kemiringan ini akan

menjamin bahwa gravitasi, dan juga aliran steam, akan membantu pergerakan

kondensat menuju titik pengeluaran dimana kondensat akan dengan aman dan efektif

diambil.

Gambar 2.4 Instalasi Pemipaan Steam

II.6 Strainers

Dengan semakin meningkatnya persaingan pasar, penekanan lebih banyak

ditujukan pada pengurangan penghentian/downtime pabrik dan perawatan. Dalam

sistem steam dan kondensat, kerusakan pabrik seringkali diakibatkan oleh

kotoran-kotoran pada saluran pipa seperti kerak, korosi, senyawaan pada sambungan,

pengelasan logam dan padatan lainnya, yang dapat masuk menuju sistem pemipaan.

Strainers adalah peralatan yang menangkap padatan tersebut dalam cairan atau gas,

dan melindungi peralatan dari pengaruh-pengaruh yang membahayakan, dengan

begitu mengurangi waktu penghentian dan perawatan. Strainer harus dipasang pada

(30)

Strainers dapat dikelompokkan kedalam dua tipe utama menurut bentuk dan susunan

badannya : yakni tipe-Y dan tipe keranjang/basket. Contoh khas dari tipe strainers

dapat dilihat dalam Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Strainer Jenis-Y

(31)

Untuk steam, strainer tipe-Y merupakan standar yang umum dan banyak

digunakan dimana-mana. Badannya berbentuk silinder yang kompak, sangat kuat dan

dapat menangani tekanan yang tinggi. Alat ini sebetulnya merupakan tangki

bertekanan, dan strainer tipe-Y ini mampu menangani tekanan sampai 400 bar/g.

Karena pada tekanan tersebut steam biasanya bersuhu sangat tinggi, maka untuk

mengatasi hal tersebut dibuat strainers yang menggunakan bahan yang luar biasa

seperti baja chrome-molybdenum. Walau terdapat berbagai pengecualian, ukuran

demi ukuran, strainer tipe-Y memiliki kapasitas penanganan kotoran yang lebih

rendah daripada strainer tipe keranjang, yang berarti memerlukan lebih seringnya

pembersihan. Pada sistem steam, hal ini tidaklah menjadi masalah, kecuali bila tingkat

korosinya tinggi, atau segera setelah commissioning ketika sejumlah besar kotoran

masuk. Pada penggunaan dimana terdapat sejumlah kotoran yang signifikan, sebuah

valve blowdown biasanya dapat dipasang pada tutup strainer, yang membuat strainer

mampu untuk mengunakan tekanan steam untuk membersihkan, dan tanpa harus

mematikan pabrik. Strainer tipe-Y pada steam horisontal atau jalur gas harus dipasang

dengan pocket nya berada dalam bidang horisontal. Cara ini mencegah air terkumpul

dalam pocket, membantu mencegah terbawanya tetesan air yang dapat menyebabkan

erosi dan mempengaruhi proses perpidahan panas. Bentuk pocket harus mengarah

turun secara tegak lurus.

(32)

Gambar 2.8 Penggunaan untuk cairan

Gambar 2.9 Aliran turun secara vertikal

Walau ada baiknya memasang strainer pada arah horisontal, tetapi hal ini tidak

selalu memungkinkan, dan strainer dapat dipasang pada saluran pipa vertikal jika

alirannya turun, dimana kotorannya akan secara alami menuju pocket.

Pemasangannya tidak memungkinkan pada aliran yang naik, dimana strainer harus

dipasang dengan bukaan pocket menuju kebawah dan kotorannya turun dalam pipa.

II.7 Filter

Filter digunakan untuk membuang partikel-partikel yang lebih kecil. Jika strainer

membuang seluruh partikel yang terlihat didalam steam, partikel yang lebih kecil juga

(33)

• Bila dilakukan injeksi steam langsung ke proses dimana kotoran dapat

menyebabkan pencemaran produk. Contoh : Pada industri makanan, dan untuk

sterilisasi peralatan proses dalam industri obat-obatan.

• Dimana steam kotor akan menyebabkan penolakan produk atau hasil proses

karena noda atau penumpukan partikel yang terlihat. Contoh : Mesin sterilisasi

dan mesin kertas/kardus.

• Dimana emisi partikel minimum diperlukan dari pelembab steam. Contoh :

Pelembab yang digunakan dalam lingkungan “bersih”.

• Untuk penurunan kandungan air steam, menjamin pasokan yang kering dan

jenuh.

Dalam penggunaan ‘steam bersih’ seperti itu, strainer tidaklah pas dan harus

digunakan filter. Filter yang digunakan dalam sistem steam biasanya terdiri dari

elemen filter dari baja tahan korosi yang disinter. Proses sinteringnya menghasilkan

struktur berpori yang sangat halus dalam baja tahan korosi, yang membuang berbagai

partikel dari fluida yang melewatinya. Filter yang tersedia mampu membuang partikel

sekecil 1/gym, sesuai dengan kebutuhan praktek yang baik yang berhubungan dengan

steam untuk makanan/ culinary.

Sifat pori-pori yang halus dari elemen filter akan menciptakan penurunan tekanan

yang lebih besar yang melintas filter daripada yang terdapat pada strainer dengan

ukuran sama, hal ini harus dipertimbangkan secara seksama ketika membuat ukuran

filter. Lagipula filter muda h rusak oleh laju aliran yang berlebih, dan batas-batas dari

fihak pembuatnya tidak boleh dilampaui.

Jika filter diterapkan dalam penggunaan steam, separator harus dipasang pada

aliran hulu filter untuk membuang berbagai tetesan kondensat yang tertahan dalam

(34)

akan memperpanjang umur filter. Strainer tipe-Y juga harus dipasang dibagian hulu

filter untuk membuang seluruh partikel besar dimana kalu tidak dipasang akan dengan

cepat menyumbat filter, meningkatnya kebutuhan pembersihan dan mengur angi umur

elemen filter. Dengan memasang pengukur tekanan pada sisi filter sebelah manapun,

penurunan tekanan yang melintasi filter dapat diukur, yang kemudian dapat digunakan

untuk mengidentifikasi saat filter memerlukan pembersihan.Sebagai alternatif

terhadap hal ini adalah dengan memasang saklar tekanan pada sisi aliran bawah filter.

Ketika tekanan aliran bawah berkurang dibawah tingkat yang sudah diatur sedemikian

rupa, cahaya tanda bahaya akan menyala didalam ruang kendali yang memberi sinyal

kepada operator yang kemudian dapat membersihkan filter.

(35)

II.8 Pemisah/Separator

Separator digunakan untuk menghilangkan tetesan air tersuspensi dari steam.

Steam basah mengandung sejumlah air, dan merupakan salah satu perhatian utama

pada berbagai sistem steam. Steam basah ini dapat menurunkan produktivitas pabrik

dan kualitas produk, dan dapat menyebabkan kerusakan pada hampir semua item

pabrik dan peralatan. Pengurasan dan trapping yang dilakukan secara hati- hati hanya

dapat membuang hampir seluruh air, namun tidak untuk tetesan air yang tersuspensi

dalam steam. Untuk menghilangkan tetesan air tersuspensi tersebut, dipasang

pemisah/separator pada jalur pemipaan.

Steam yang dihasilkan dalam boiler yang dirancang untuk menghasilkan steam

jenuh pada dasarnya memang basah. Fraksi kering pada steam biasanya bervariasi

tegantung dari tipe boiler, dan hampir semua tipe shell pada boiler akan menghasilkan

steam dengan fraksi kering antara 95 sampai 98 %. Kandungan air dari steam yang

dihasilkan oleh boiler akan terus meningkat jika terjadi priming dan pemindahan.

Selalu terjadi kehilangan panas pada pipa distribusi, yang menyebabkan steam

mengembun. Karena gaya gravitasi, molekul air yang mengembun akan mengendap

di bagian bawah pipa membentuk sebuah lapisan air. Steam yang mengalir diatas air

ini dapat meningkatkan riak-riak kecil yang dapat membesar menjadi gelombang.

Ujung gelombang tersebut cenderung untuk pecah, melemparkan tetesan kondensat ke

aliran steam.

Keberadaan air dalam steam dapat menyebabkan sejumlah masalah:

• Air merupakan penghalang yang sangat efektif terhadap perpindahan panas,

(36)

• Tetesan air yang berjalan pada kecepatan steam yang tinggi akan meng-erosi

ruang valve dan sambungan- sambungan, suatu kondisi yang dikenal dengan

wiredrawing. Tetesan air juga akan meningkatkan korosi.

• Pembentukan kerak yang meningkat pada pipa dan permukaan pemanasan dari

bahan pencemar terbawa dalam tetesan air.

• Operasi yang tidak menentu dari valve pengendali dan pengukur aliran/flor

meter.

• Kegagalan valve dan pengukur aliran karena pemakaian yang cepat atau

hantaman air.

Walaupun terdapat berbagai desain separator, namun pada dasarnya digunakan

untuk menghilangkan kadar air yang tersuspensi dalam aliran steam, yang tidak dapat

dihilangkan dengan pengurasan dan trapping steam.

(37)

II.9 Ventilasi udara

Jika udara tercampur dengan steam dan mengalir bersamaan dengannya,

kantong udara akan tetap tinggal pada permukaan penukar panas dimana steam

terkondensasikan. Secara perlahan, terhimpun sebuah lapisan tipis yang membentuk

sebuah selimut isolasi, yang menghalangi perpindahan panas sebagaimana

ditunjukkan dalam Gambar 2.12. Konduktivitas panas udara adalah 0,025 W/m °C,

sementara nilainya untuk air adalah 0,6 W/m °C, untuk besi sekitar 75 W/m °C dan

untuk tembaga sekitar 390 W/m °C. Sebuah lapisan udara dengan ketebalan hanya 1

mm memberikan resistansi terhadap aliran panas yang kurang lebih sama dengan

tembaga dengan tebal 15 meter.

Bilamana udara ditambahkan ke steam, kandungan panas dari volume

campuran lebih rendah dari steam murni dengan volume yang sama, sehingga suhu

campuran rendah. Jadi, keberadaan udara memiliki pengaruh ganda:

• Udara memberikan resistansi terhadap perpindahan panas melalui pengaruh

pelapisannya

• Udara menurunkan suhu ruang steam yang kemudian menurunkan gradien

suhu yang melewati permukaan perpindahan panas

Pengaruh keseluruhannya adalah mengurangi laju perpindahan panas yang

mungkin diperlukan oleh proses kritis, dan dalam kasus terburuknya mungkin dapat

mencegah tercapainya suhu proses akhir yang diperlukan. Dalam beberapa proses,

diperlukan suhu minimum untuk mendapatkan perubahan kimia atau fisik produk,

hanya suhu minimum diperlukan bagi alat pensteril/sterilizer. Kehadiran udara pada

prinsipnya merupakan masalah sebab udara akan mengakibatkan kacaunya alat

(38)

Udara yang ada didalam pipa steam dan peralatan steam pada saat start-up.

Bahkan jika sistem diisi dengan steam murni ketika digunakan, steam yang

terkondensasikan akan menyebabkan keadaan vakum dan menarik udara ke pipa pada

saat operasi berhenti. Udara dapat juga masuk ke sistem tercampur dalam air umpan.

Pada suhu 80°C, air dapat larut sekitar 0,6% volume, dari udara.

Tanda-tanda adanya udara adalah:

• Menurunnya hasil produksi secara berangsur -angsur pada berbagai peralatan

yang dipanaskan oleh steam

• Gelembung udara dalam kondensat

• Korosi

Cara memventilasikan udara yang paling efisien adalah dengan menggunakan

sebuah alat otomatis. Udara yang tercampur dengan steam akan menurunkan suhu

campuran. Dapat digunakan alat termostatik (berdasarkan tekanan seimbang atau

prinsip bimetallic) untuk memventilasikan sistem steam. Sebuah alat ve ntilasi udara

yang dipasang pada suatu tangki ruang steam atau pada ujung pipa saluran steam akan

terbuka ketika ada udara.

Untuk pembuangan udara yang maksimal, pembuangannya harus sebebas

mungkin. Sebuah pipa seringkali dipasang untuk membawa buangan ke lokasi yang

aman, lebih disukai yang bukan jalur pengembalian kondensat, yang dapat membatasi

(39)

Gambar 2.12 Ujung Ventilasi Udara Otomatis Utama

Bila sebuah ventilasi udara dipasang untuk mem-bypass sebuah steam trap,

maka ventilasi ini akan bertindak sebagai steam trap setelah udara diventilasikan, dan

dapat juga membuang kondensat dari waktu ke waktu. Dalam kasus seperti itu perlu

untuk menghubungkan ulang ventilasi udara ke jalur kondensat setelah trap. Jika jalur

buangan kondensat dari sebuah trap meningkat ke tingkat yang tertinggi, jalur yang

banjir akan mengganggu tekanan balik pada trap dan ventilasi udara. Kemampuan

ventilasi udara dalam membuang udara jadi berkurang, terutama pada saat start-up.

Hal ini sama juga bila ventilasi udara terintegrasikan didalam steam trap. Bila bentuk

penggunaan ruang steam dan lokasi saluran masuk steam menyebabkan hampir semua

udara meninggalkan saluran keluar kondensat, maka lebih disukai jika jalur

pembuangan steam trap dan ventilasi udara tidak ditempatkan pada tempat yang

(40)

II.10 Pemanfaatan Kembali Kondensat

Seperti halnya dengan kandungan panas, kondensat pada dasarnya merupakan

air suling, yang ideal untuk penggunaan air umpan boiler. Suatu sistem steam yan

efisien akan mengumpulkan kondesat ini dan mengembalikannya ke deaerator, tangki

umpan boiler, atau menggunakannya dalam proses lain. Hanya jika benar-benar

terdapat resiko pencemaran maka kondensat tidak boleh dikembalikan ke boiler.

Bahkan, memungkinkan untuk mengumpulkan kondensat dan menggunakannya

sebagai air proses panas atau melewatkannya melalui sebuah alat penukar panas

dimana kandungan panasnya dapat dimanfaatkan kembali sebelum air dibuang.

Kondensat dibuang dari plant dan peralatan steam melalui steam traps dari tekanan

yang lebih tinggi ke tekanan yang lebih rendah. Sebagai akibat dari turunnya tekanan,

beberapa kondensat akan menguap kembali menjadi ‘flash steam’. Bagian steam yang

akan ‘flash off’ dengan cara ini ditentukan oleh sejumlah panas yang dapat ditahan

dalam steam dan kondensat. Biasanya jumlah flash steam sekitar 10% sampai 15%,

tetapi dapat juga lebih dari itu. Kondensat pada tekanan 7 bar/g akan kehilangan

massanya sekitar 13% bila flashing ke tekanan atmosfir, namun steam yang dihasilkan

akan memerlukan ruang 200 kali lebih besar daripada kondensat darimana bahan ini

dibentuk. Kondensat ini berpengaruh terhadap penghambatan jalur pembuangan trap

yang berukuran lebih kecil dari yang semestinya, dan harus diperhitungkan ketika

menghitung ukuran jalur tersebut.

Suatu sistem pemanfaatan kembali kondensat yang efektif, mengumpulkan

kondensat panas dari steam dengan menggunakan peralatan dan mengembalikannya

ke sistem umpan boiler, dapat membayar dirinya sendirinya dalam jangka waktu yang

sangat cepat. Gambar 2.13 memperlihatkan sebuah sirkuit steam dan kondensat yang

(41)

Gambar 2.13 Sebuah Sirkuit Steam dan Kondensat

II.11 Jenis-jenis Boiler Uap II.11.1 Fire Tube Boiler

Pada fire tube boiler, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada

didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Fire tube boilers biasanya digunakan

untuk kapasitas steam yang relative kecil dengan tekanan steam rendah sampai

sedang. Sebagai pedoman, fire tube boilers kompetitif untuk kecepatan steam sampai

12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. Fire tube boilers dapat

menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam

operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar fire tube boilers dikonstruksi

(42)

Gambar 2.14

Fire Tube Boiler

II.11.2 Water Tube Boiler

Pada water tube boiler, air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk

kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakar membentuk steam

pada daerah uap dalam drum. Boiler ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan

steam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk pembangkit tenaga.

Water tube boiler yang sangat modern dirancang dengan kapasitas steam

antara 4.500–12.000 kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi. Banyak water tube boilers

yang dikonstruksi secara paket jika digunakan bahan bakar minyak bakar dan gas.

Untuk water tube yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang

(43)

Karakteristik water tube boilers sebagai berikut:

• Forced, induced dan balanced draft membantu untuk meningkatkan efisiensi

pembakaran

• Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari plant pengolahan air.

• Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panas yang lebih tinggi.

Gambar 2.15 Water Tube Boiler

II.11.3 Boiler Paket

Disebut boiler paket sebab sudah tersedia sebagai paket yang lengkap. Pada

saat dikirim ke pabrik, hanya memerlukan pipa steam, pipa air, suplai bahan bakar

dan sambungan listrik untuk dapat beroperasi. Paket boiler biasanya merupakan tipe

shell and tube dengan rancangan fire tube dengan transfer panas baik radiasi maupun

konveksi yang tinggi.

Ciri-ciri dari packaged boilers adalah:

• Kecilnya ruang pembakaran dan tingginya panas yang dilepas menghasilkan

(44)

• Banyaknya jumlah pipa yang berdiameter kecil membuatnya memiliki

perpindahan panas konvektif yang baik.

• Sistem forced atau induced draft menghasilkan efisiensi pembakaran yang

baik.

• Sejumlah lintasan/pass menghasilkan perpindahan panas keseluruhan yang

lebih baik.

• Tingkat efisiensi thermisnya yang lebih tinggi dibandingkan dengan boiler

lainnya.

Boiler tersebut dikelompokkan berdasarkan jumlah pass nya–yaitu berapa kali

gas pembakaran melintasi boiler. Ruang pembakaran ditempatkan sebagai lintasan

pertama setelah itu kemudian satu, dua, atau tiga set pipa api. Boiler yang paling

umum dalam kelas ini adalah unit tiga pass/lintasan dengan dua set fire-tube/pipa api

dan gas buangnya keluar dari belakang boiler.

(45)

II.11.4 Boiler Pembakaran dengan Fluidized Bed (FBC)

Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) muncul sebagai alternatif yang

memungkinkan dan memiliki kelebihan yang cukup berarti dibanding sistem

pembakaran yang konvensional dan memberikan banyak keuntungan–rancangan

boiler yang kompak, fleksibel terhadap bahan bakar, efisiensi pembakaran yang tinggi

dan berkurangnya emisi polutan yang merugikan seperti SOx dan NOx. Bahan bakar

yang dapat dibakar dalam boiler ini adalah batubara, barang tolakan dari tempat

pencucian pakaian, sekam padi, bagas & limbah pertanian lainnya. Boiler fluidized

bed memiliki kisaran kapasitas ya ng luas yaitu antara 0.5 T/jam sampai lebih dari 100

T/jam. Bila udara atau gas yang terdistribusi secara merata dilewatkan keatas melalui

bed partikel padat seperti pasir yang disangga oleh saringan halus, partikel tidak akan

terganggu pada kecepatan yang rendah. Begitu kecepatan udaranya berangsur-angsur

naik, terbentuklah suatu keadaan dimana partikel tersuspensi dalam aliran udara–bed

tersebut disebut “terfluidisasikan”.

Dengan kenaikan kecepatan udara selanjutnya, terjadi pembentukan

gelembung, turbulensi yang kuat, pencampuran cepat dan pembentukan permukaan

bed yang rapat. Bed partikel padat menampilkan sifat cairan mendidih dan terlihat

seperti fluida-“bed gelembung fluida/bubbling fluidized bed”. Jika partikel pasir

dalam keadaan terfluidisasikan dipanaskan hingga ke suhu nyala batubara, dan

batubara diinjeksikan secara terus menerus ke bed, batubara akan terbakar dengan

cepat dan bed mencapai suhu yang seragam. Pembakaran dengan fluidized bed (FBC)

berlangsung pada suhu sekitar 8400C hingga 9500C. Karena suhu ini jauh berada

dibawah suhu fusi abu, maka pelelehan abu dan permasalahan yang terkait

didalamnya dapat dihindari. Suhu pembakaran yang lebih rendah tercapai disebabkan

(46)

fluidized bed dan ekstraksi panas yang efektif dari bed melalui perpindahan panas

pada pipa dan dinding bed. Kecepatan gas dicapai diantara kecepatan fluidisasi

minimum dan kecepatan masuk partikel. Hal ini menjamin operasi bed yang stabil dan

menghindari terbawanya partikel dalam jalur gas.

II.11.5 Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler

Kebanyakan boiler yang beroperasi untuk jenis ini adalah Atmospheric

Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler. Alat ini hanya berupa shell boiler

konvensional biasa yang ditambah dengan sebuah fluidized bed combustor. Sistem

seperti telah dipasang digabungkan dengan water tube boiler/boiler pipa air

konvensional. Batubara dihancurkan menjadi ukuran 1–10 mm tergantung pada

tingkatan batubara dan jenis pengumpan udara ke ruang pembakaran. Udara atmosfir,

yang bertindak sebagai udara fluidisasi dan pembakaran, dimasukkan dengan tekanan,

setelah diberi pemanasan awal oleh gas buang bahan bakar. Pipa dalam bed yang

membawa air pada umumnya bertindak sebagai evaporator. Produk gas hasil

pembakaran melewati bagian super heater dari boiler lalu mengalir ke economizer, ke

pengumpul debu dan pemanas awal udara sebelum dibuang ke atmosfir.

II.11.6 Pressurized Fluidized Bed Combustion (PFBC) Boiler

Pada tipe Pressurized Fluidized bed Combustion (PFBC), sebuah kompresor

memasok udara Forced Draft (FD), dan pembakarnya merupakan tangki bertekanan.

Laju panas yang dilepas dalam bed sebanding dengan tekanan bed sehingga bed yang

dalam digunakan untuk mengekstraksi sejumlah besar panas. Hal ini akan

meningkatkan efisiensi pembakaran dan peyerapan sulfur dioksida dalam bed. Steam

(47)

panas dari cerobong menggerakan turbin gas pembangkit tenaga. Sistem PFBC dapat

digunakan untuk pembangkitan kogenerasi (steam dan listrik) atau pembangkit tenaga

dengan siklus gabungan/combined cycle. Operasi combined cycle (turbin gas & turbin

uap) meningkatkan efisiensi konversi keseluruhan sebesar 5 hingga 8%.

II.11.7 Atmospheric Circulating Fluidized Bed Combustion Boilers (CFBC)

Dalam sistem sirkulasi, parameter bed dijaga untuk membentuk padatan

melayang dari bed. Padatan diangkat pada fase yang relatif terlarut dalam pengangkat

padatan, dan sebuah down-comer dengan sebuah siklon merupakan aliran sirkulasi

padatan. Tidak terdapat pipa pembangkit steam yang terletak dalam bed.

Pembangkitan dan pemanasan berlebih steam berlangsung di bagian konveksi,

dinding air, pada keluaran pengangkat/riser. Boiler CFBC pada umumnya lebih

ekonomis daripada boiler AFBC, untuk penerapannya di industri memerlukan lebih

dari 75–100 T/jam steam. Untuk unit yang besar, semakin tinggi karakteristik tungku

boiler CFBC akan memberikan penggunaan ruang yang semakin baik, partikel bahan

bakar lebih besar, waktu tinggal bahan penyerap untuk pembakaran yang efisien dan

penangkapan SO2 yang semakin besar pula, dan semakin mudah penerapan teknik

(48)

Gambar 2.17 Atmospheric Circulating Fluidized Bed Combustion Boilers

(CFBC)

II.11.8 Stoker Fired Boilers

Stokers diklasifikasikan menurut metode pengumpanan bahan bakar ke tungku

dan oleh jenis grate nya. Klasifikasi utama nya adalah spreader stoker dan chain-gate

atau traveling-gate stoker.

II.11.8.1 Spreader stokers

Spreader stokers memanfaatkan kombinasi pembakaran suspensi dan

pembakaran grate. Batubara diumpankan secara kontinyu ke tungku diatas bed

pembakaran batubara. Batubara yang halus dibakar dalam suspensi; partikel yang

lebih besar akan jatuh ke grate, dimana batubara ini akan dibakar dalam bed batubara

yang tipis dan pembakaran cepat. Metode pembakaran ini memberikan fleksibilitas

(49)

cepat bila laju pembakaran meningkat. Karena hal ini, spreader stoker lebih disukai

dibanding jenis stoker lainnya dalam berbagai penerapan di industri.

Gambar 2.18 Spreader Stoker Boiler

II.11.8.2 Chain-grate atau traveling-grate stoker

Batubara diumpankan ke ujung grate baja yang bergerak. Ketika grate

bergerak sepanjang tungku, batubara terbakar sebelum jatuh pada ujung sebagai abu.

Diperlukan tingkat keterampilan tertentu, terutama bila menyetel grate, damper udara

dan baffles, untuk menjamin pembakaran yang bersih serta menghasilkan seminimal

mungkin jumlah karbon yang tidak terbakar dalam abu. Hopper umpan batubara

memanjang di sepanjang seluruh ujung umpan batubara pada tungku. Sebuah grate

batubara digunakan untuk mengendalikan kecepatan batubara yang diumpankan ke

tungku dengan mengendalikan ketebalan bed bahan bakar. Ukuran batubara harus

seragam sebab bongkahan yang besar tidak akan terbakar sempurna pada waktu

(50)

Gambar 2.19 Traveling Grate Boiler

II.11.9 Pulverized Fuel Boiler

Kebanyakan boiler stasiun pembangkit tenaga yang berbahan bakar batubara

menggunakan batubara halus, dan banyak boiler pipa air di industri yang lebih besar

juga menggunakan batubara yang halus. Teknologi ini berkembang dengan baik dan

diseluruh dunia terdapat ribuan unit dan lebih dari 90% kapasitas pembakaran

batubara merupakan jenis ini.

Untuk batubara jenis bituminous, batubara digiling sampai menjadi bubuk

halus, yang berukuran +300 micrometer ( m) kurang dari 2% dan yang berukuran

dibawah 75 microns sebesar 70-75%. Harus diperhatikan bahwa bubuk yang terlalu

halus akan memboroskan energi penggilingan. Sebaliknya, bubuk yang terlalu kasar

tidak akan terbakar sempurna pada ruang pembakaran dan menyebabkan kerugian

(51)

dengan sebagian udara pembakaran masuk menuju plant boiler melalui serangkaian

nosel burner.

Gambar 2.20 Pembakaran tangensial untuk bahan bakar halus

Udara sekunder dan tersier dapat juga ditambahkan. Pembakaran berlangsung

pada suhu dari 1300 - 1700°C, tergantung pada kualitas batubara. Waktu tinggal

partikel dalam boiler biasanya 2 hingga 5 detik, dan partikel harus cukup kecil untuk

pembakaran yang sempurna. Sistem ini memiliki banyak keuntungan seperti

kemampuan membakar berbagai kualitas batubara, respon yang cepat terhadap

perubahan beban muatan, penggunaan suhu udara pemanas awal yang tinggi dll. Salah

satu sistem yang paling populer untuk pembakaran batubara halus adalah pembakaran

tangensial dengan menggunakan empat buah burner dari keempat sudut untuk

menciptakan bola api pada pusat tungku.

II.11.10 Boiler Limbah Panas

Dimanapun tersedia limbah panas pada suhu sedang atau tinggi, boiler limbah

panas dapat dipasang secara ekonomis. Jika kebutuhan steam lebih dari steam yang

dihasilkan menggunakan gas buang panas, dapat digunakan burner tambahan yang

(52)

dipakai untuk memproduksi daya listrik menggunakan generator turbin uap. Hal ini

banyak digunakan dalam pemanfaatan kembali panas dari gas buang dari turbin gas

dan mesin diesel.

Gambar 2.21 Boiler Limbah Panas

II.11.11 Boiler Pemanas Fluida Termis

Saat ini, pemanas fluida termis telah digunakan secara luas dalam berbagai

penerapan untuk pemanasan proses tidak langsung. Dengan menggunakan fluida

petroleum sebagai media perpindahan panas, pemanas tersebut memberikan suhu

yang konstan. Sistem pembakaran terdiri dari sebuah fixed grate dengan susunan draft

mekanis. Pemanas fluida thermis modern berbahan bakar minyak terdiri dari sebuah

kumparan ganda, konstruksi tiga pass dan dipasang dengan sistem jet tekanan. Fluida

termis, yang bertindak sebagai pembawa panas, dipanaskan dalam pemanas dan

(53)

proses melalui penukar panas, kemudian fluidanya dikembalikan ke pemanas. Aliran

fluida termis pada ujung pemakai dikendalikan oleh katup pengendali yang

dioperasikan secara pneumatis, berdasarkan suhu operasi. Pemanas beroperasi pada

api yang tinggi atau rendah tergantung pada suhu minyak yang kembali yang

bervariasi tergantung beban sistem.

Keuntungan pemanas tersebut adalah:

• Operasi sistem tertutup dengan kehilangan minimum dibanding dengan boiler

steam.

• Operasi sistem tidak bertekanan bahkan untuk suhu sekitar 2500C

dibandingkan kebutuhan tekanan steam 40 kg/cm2 dalam sistem steam yang

sejenis.

• Penyetelan kendali otomatis, yang memberikan fleksibilitas operasi.

• Efisiensi termis yang baik karena tidak adanya kehilangan panas yang

diakibatkan oleh blowdown, pembuangan kondensat dan flash steam.

Faktor ekonomi keseluruhan dari pemanas fluida termis tergantung pada

penerapan spesifik dan dasar acuannya. Pemanas fluida thermis berbahan bakar

batubara dengan kisaran efisiensi panas 55-65% merupakan yang paling nyaman

digunakan dibandingkan dengan hampir kebanyakan boiler. Penggabungan peralatan

pemanfaatan kembali panas dalam gas buang akan mempertinggi tingkat efisiensi

(54)

(55)

BAB III

MEKANISME PERUBAHAN AIR MENJADI UAP DI DALAM BOILER

III.1 Proses pemanasan air

Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air

sampai terbentuk air panas atau steam. Air panas atau steam pada tekanan tertentu

kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang

berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan

sampai menjadi steam, volumenya akan meningkat sekitar 1.600 kali, menghasilkan

tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga boiler

merupakan peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan sangat baik.

Sistem boiler terdiri dari : sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan

bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan

kebutuhan steam. Berbagai valve disediakan untuk keperluan perawatan dan

perbaikan. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler.

Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem,

tekanan steam diatur menggunakan valve dan dipantau dengan alat pemantau tekanan.

Sistem bahan bakar adalah semua peralatan 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. Air yang disuplai ke boiler untuk dirubah menjadi steam disebut air umpan.

Dua sumber air umpan adalah: kondensat atau steam yang mengembun yang kembali

dari proses dan air make up (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari