Karakteristik Ketel Pipa Api Kapasitas Uap 6000 Kg / Jam Berbahan Bakar Solar di PT. Mustika Ratu, Tbk.

Karakteristik Ketel Pipa Api

Kapasitas Uap 6000 Kg / Jam Berbahan Bakar Solar di PT. Mustika Ratu, Tbk.

Ridwan ST, MT*), Elbi Wiseno, ST, MT*), Firdaus**) E-mail : daoezz_26@yahoo.co.id

*)

Dosen Teknik Mesin Universitas Gunadarma

**)

Alumni Teknik Mesin Universitas Gunadarma

Abtraksi

Karakteristk ketel uap adalah petunjuk atau gambaran spesifik dari ketel uap melalui sifat-sifat pokoknya. Karakteristik ketel pipa api (Loos Basuki) dengan kapasitas 6000 kg / jam menggunakan bahan bakar solar, mempunyai Tekanan kerja 7 kg / cm2, dengan Temperatur uap 180 ºC, Beban ketel spesifik 240,96 kg uap/ m2. Jam, Faktor penguapan 14,375 kg uap / kg bahan bakar dan Efisiensi sebesar 83 %.

I. Pendahuluan

Seiring dengan berkembangnya zaman yang bersamaan dengan kemajuan teknologi dan industri proses produksi, dimana perkembangan itu nampak dengan adanya faktor penunjang didalam produktifitas perusahaan. Semakin banyaknya produsen suatu perusahaan yang menempati skala besar, hampir 90 % ketel uap masih tetap dominan untuk dipergunakan. Dimana ketel uap dipakai sebagai mesinproduksi baik secara langsung maupu tidak langsung. Salah satu contohnya PT. Mustika Ratu menggunakan ketel uap sebagai mesin produksi untuk mengolah produk-produknya. Melihat dari peranan ketel uap tersebut penulis tertarik untuk membahas peranan ketel uap di PT. Mustika Ratu, Tbk. Dengan demikian, diharapkan

mahasiswa dapat menerapkan dan

membandingkan teori yang didapat pada bangku kuliah dengan praktiknya.

II Landasan Teori 2.1 Definisi Ketel Uap

Ketel uap (boiler) adalah suatu bejana tertutup yang terbuat dari baja digunakan untuk menghasilkan uap. Didalam dapur (Furnace), energi kimia dari bahan bakar dirubah menjadi panas melalui proses pembakaran dan panas yang dihasilkan sebagian besar diberikan kepada air yang berada didalam ketel sehingga, pengaruh dari proses pemanasan air tersebut berubah menjadi uap. Uap yang dihasilkan dari sebuah ketel dapat digunakan sebagai fluida kerja maupun media pemanas untuk berbagai macam keperluan-keperluan rumah tangga sampai dengan keperluan industri[1].

2.2 Proses Terbentuknya Uap

Bila diatas sekeping logam terdapat beberapa tetes air, dan kita perhatikan molekul-molekul air tersebut, temperatur air pada saat itu ialah T0

o K atau oC. Molekul-molekul air tersebut bergerak bebas kesana-kemari dalam lingkungannya (lingkungan air) dengan kecepatan gerak V0 meter/detik. Molekul-molekul tersebut dalam gerakannya belum dapat meninggalkan lingkungannya karena adanya gaya tarik-menarik antara molekul-molekul air itu sendiri. Apabila di bawah kepingan logam tersebut dipasang api, batang lilin, korek api dan sebagainya sedemikian sehingga api tersebut memanasi kepingan logam yang diatasnya terdapat beberapa tetes air, maka temperatur air tersebut akan naik menjadi

T1 oK atau oC, dan ternyata kecepatan

gerak dari molekul-molekul air tersebut akan bertambah menjadi V1 meter/detik, namun belum mampu melepaskan diri dari lingkungannya.

Apabila kemudian api yang dipasang dibawah kepingan logam tersebut ditambah besarnya (menjadi dua batang lilin, dsb) maka temperatur air diatas kepingan logam tersebut akan bertambah menjadi T2 oK atau oC, sedangkan kecepatan gerak dari molekul-molekul bertambah menjadi V2 meter/detik, namun masih belum mampu melepaskan diri dari lingkungannya. Dan apabila api yang dipasang dibawah kepingan logam tersebut senantiasa ditambah besarnya, sedemikian hingga temperatur air diatas

kepingan logam tersebut mencapai Td oK

atau oC, sedangkan kecepatan gerak

molekul-molekul air tersebut telah mencapai Vd meter/detik, sehingga molekul-molekul air tersebut mampu melepaskan diri dari lingkungannya, dan mampu melepaskan diri dari gaya tarik-menarik antara molekul-molekul air tersebut. Molekul-molekul air yang melepaskan diri dari lingkungannya tersebut akan berubah menjadi molekul uap yang kecepatan gerakannya melebihi kecepatan gerak molekul-molekul air yang semula.

Proses yang demikian ini disebut “proses penguapan” atau “proses pembentukan uap”[1].

Gambar 2.1. Proses Terbentuknya Uap[1]

2.3 Klasifikasi Ketel Uap

secara umum ketel dibedakan dalam dua golongan utama yaitu ketel pipa api (Fire Tube Boiler) dan ketel pipa

air (Water Tube Boiler) [3]. Untuk

membedakan secara terpeinci, ketel dapat digolongkan menurut peninjauan dari berbagai segi terhadap ketel tersebut yakni :

2.3.1 Menurut Isi Pipanya

a) Ketel Pipa Api (Fire Tube Boiler)[3] Pada ketel jenis ini nyala api dan gas panas diperoleh dari hasil pembakaran bahan bakar untuk men-transfer

panasnya. Gas panas dilewatkan melalui pipa-pipa disekitar dinding luar yang dikelilingi oleh air atau uap yang telah terbentuk.

Gambar 2.2 Bagan Ketel Pipa Api[3]

b) Ketel Pipa Air (Water Tube Boiler)[3] Ketel yang termasuk kedalam pipa ini adalah ketel yang peredara airnya terjadi didalam pipa-pipa yang dikelilingi oleh nyala api dan gas panas dari luar susunan pipa. Kontruksi pipa-pipa yang dipasang didalam ketel dapat berbentuk lurus (Straight Tube) dan juga dapat berbentuk pengkolan (Bend Tube) tergantung dari jenis ketelnya. Pipa-pipa yang lurus dipasang secara paralel didalam ketel dihubungkan dengan Header, kemudian

Header tersebut dihubungkan dengan

bejana uap yang dipasang secara

horizontal diatas susunan pipa, lihat

gambar (2.3). Susunan pipa diantara kedua Header mempunyai kecondongan tertentu (sekitar 150dari garis datar) hal ini dimaksudkan agar dapat menimbulkan peredaran air dalam ketel. Contoh ketel yang termasuk kedalam golongan ini adalah Ketel Benson, Ketel Babcock and

Wilcox, Ketel Lamont, Ketel Yarrow, dan Ketel Loeffer.

Gambar 2.3 Bagan Ketel Pipa Air[3]

2.3.2 Menurut Posisi Dapur

Menurut posisi dapurnya, ketel dapat digolongkan sebagai[4]:

a) Ketel Pengapian Dalam (Internal Fired Boiler)

b) Ketel Pengapian Luar (External Fired Boiler)

Pada ketel jenis pengapian dalam, dapur (furnace) tempat pengapian ditempatkan didalam shell. Kebanyakan dari ketel pipa api memiliki pengapian dalam (Internal Fired Boiler) dimana pembakaran bahan bakar dilakukan didalam shell itu sendiri.dan hasil dari pembakarannya diterima langsung dari shell tersebut.

2.3.3 Menurut Penggunaan

a)

Utillity Boiler

Memproduksi uap untuk

pembangkit tenaga listrik. Kapasitas besar, tekanan dan temperatur uap tinggi, efisiensi tinggi, dapur dinding pipa air dengan burner, bila dengan tekanan lebih besar dari 14 Mpa biasanya dengan reheater.

b) Industrial Boiler

Memproduksi uap untuk

pemanasan dan proses. Biasanya memiliki kapasitas yang kecil, tekanan dan temperatur uap lebih rendah, dapur dengan burner, stoker atau fluidized bed, tanpa reheater.

c) Marine Boiler

Memproduksi uap sebagai sumber penggerak kapal. Bentuknya kompak, bobot lebih ringan, biasanya menggunakan bahan bakar minyak, tanpa reheater.

2.3.4 Berdasarkan Tekanan Kerja

a) Boiler Bertekanan Rendah dan Sedang (< 10 Mpa)

Digunakan sebagai industrial

Boiler, sirkulasi natural, beberapa

diantaranya dengan Boiler bank, dapur dengan burner atau stoker, tanpa reheater. b) Boiler Tekanan Tinggi (10-14 Mpa) Digunakan sebagai utillity boiler, biasanya dengan reheater hanya bila tekanannya > 14 Mpa, dan menggunakan sirkulasi natural.

c) Boiler Dengan Tekanan Sangat Tinggi (> 17 Mpa)

Digunakan sebagai utillity boiler, sirkulasi natura atau paksa, tergantung dari

pada engineering-economical aproach,

dengan reheater ; harus dipertimbangkan pencegahan terhadap film boilling dan korosi karena temperatur tinggi.

d) Boiler Tekanan Super Kritis (> 22,1 Mpa)

Digunakan sebagai utillity boiler, kapasitas besar, sirkulasi once-through atau kombinasi, dengan reheater ; harus dipertimbangkan pencegahan terhadap pseudo-film boilling dan korosi karena temperatur tinggi.

2.4 Bagian-bagian Ketel Uap

a) Pemanas Lanjut Uap (Steam Superheater)

Pemanas Lanjut Uap (Steam

Superheater) ialah alat untuk

memanaskan uap kenyang menjadi uap

yang dipanaskan lanjut. Uap

yangdipanaskan lanjut digunakan intuk melakukan kerja dengan jalan ekspansi didalam turbin atau mesin uap tidak akan

segera mengembun, sehingga

mengurangi kemungkinan timbulnya bahaya yang disebabkan timbulnya pukulan balik (Back Stroke) yang diakibatkan mengembunnya uap belum pada waktunya sehinnga menimbulkan vakum ditempat yang tidak semestinya didaerah ekspansi.

b) Ekonomiser

Gas asap setelah meninggalkan superheater temperaturnya masih sangat tinggi sekitar 500 oC hingga 800 oC, sehingga akan menimbulkan kerugian panas yang besar apabila gas asap tersebut langsung dibuang melalui cerobong. Gas asap yang masih panas ini dapat dimanfaatkan untuk memanasi air terlebih dahulu sebelum dimasukan kedalam drum ketel, sehingga air telah dalam keadaan panas, sekitar 30 hingga 50oC dibawah temperatur mendidihnya.

Air yang telah dalam keadaan panas pada saat masuk kedalam drum ketel membawa keuntungan karena ditempat air masuk kedalam drum, dinding tidak mengerut sehingga drum ketel dapat lebih awet dengan demikian biaya perawatannya akan menjadi lebih murah. Keuntungan yang kedua adalah dengan memanfaatkan

gas asap yang masih mempunyai

temperatur yang tinggi tersebut untuk memanasi air sebelum masuk kedalam drum ketel, berarti akan memperbesar efisiensi dari ketel uap, karena dapat memperkecil kerugian panas yang diderita oleh ketel.

c) Pemanas Udara (Air Preheater) Gas asap keluar dari memanasi ekonomiser masih bertemperatur 400 hingga 700 oC sehingga sayang bila dibuang langsung lewat ceobong, karena panas yang terkandung dalam gas asap tersebut masih dapat dimanfaatkan lagi

untuk memanaskan udara sebelum

dimasukan kedalam tungku, sehigga efisiensi thermis ketel uap masih dapat dinaikan lagi. Memanaskan udara pembakaran sebelum dimasukan kedalam tungku berarti mengurangi kebutuhan panas untuk menaikan temperatur udara didalam tungku, sehingga api didalam tungku tidak banyak mengalami penurunan temperatur, sehingga dapat mengurangi kemungkinan api didalam tungku yang tiba-tiba padam dengan sendirinya. Manfaat lain dengan memanaskan udara pembakar terlebih dahulu sebelum masuk kedalam tungku adalah udara yang telah

dalam keadaan panas masuk kedalam tungku, membantu untuk mempercepat penguapan air yang terkandung dalam

bahan bakar sehingga akan

mempercepat berlangsungnya

pembakaran bahan bakar didalam tungku.

d) Cerobong Asap

Cerobong digunakan untuk mengalirkan gas asap keluar dari ketel uap atau dengan kata lain digunakan untuk membuang gas asap setinggi mungkin sehingga tidak menggangu lingkungan disekitar.

2.5 Bahan Bakar

Segala sesuatu zat (padat, cair, gas) yang digunakan sebagai bahan yang dibakar pada berbagai cara atau metode proses pembakaran disebut bahan bakar. Menurut klasifikasinya bahan bakar terbagi dalam tiga kelompok, yaitu : bahan bakar padat, bahan bakar cair dan bahan bakar gas.

2.5.1 Bahan Bakar Padat

Bahan bakar padat yang terdapat dibumi kita ini berasal dari zat-zat organik. Bahan bakar padat mengandung unsur-unsur antara lain : Zat arang atau Karbon (C), zat lemas atau Nitrogen (N), Hidrogen (H), Belerang (S), zat asam atau Oksigen (O) Abu dan Air yang kesemuanya itu terikat dalam satu persenyawaan kimia.

2.5.2 Bahan Bakar Cair

Bahan bakar cair berasal dari minyak bumi. Minyak bumi didapat dari dalam tanah dengan jalan mengebornya pada ladang-ladang minyak, dan

memompanya sampai ke atas permukaan bumi, untuk selanjutnya diolah lebih lanjut menjadi berbagai jenis minyak bakar.

2.5.3 Bahan Bakar Gas

Didalam tanah banyak terkandung : Gas Bumi (Petrol Gas) atau sering disebut pula dengan gas alam, yang timbul pada saat proses pembentukan minyak bumi, gas tambang, dan gas rawa CH4 (Methane). Seperti halnya dengan minyak bumi, gas alam tersebut diperoleh dengan jalan pengeboran dari dalam tanah, baik di daratan maupun pada lepas pantai terhadap lokasi-lokasi yang diduga terdapat kandungan gas alam.

2.6 Pembakaran

Pembakaran ialah persenyawaan kimia antara bahan bakar dengan oksigen, dan untuk melakukan persenyawaan tersebut diperlukan suhu. Pada peristiwa pembakaran, proses yang terjadi adalah oksidasi dengan reaksi.

C + O2 = CO2 (2.1)

2 H + O2= 2H2O (2.2)

S + O2 = SO2 (2.3)

Dikatakan pembakaran sempurna apabila campuran bahan bakar dan oksigen (dari udara) mempunyai perbandingan yang tepat, sehingga tidak diperoleh sisa. Apabila oksigen terlalui banyak maka dikatakan campuran kurus, dan bila bahan bakarnya terlalu banyak (oksigen tidak cukup) maka dikatakan dengan campuran

kaya (rich). Sehingga dapat

mengakibatkan tidak sempurnanya pembakaran. Bila gas asap yang keluar dari cerobong berasap hitam, hal ini

menunjukan tidak cukup udara dan bila gas asap berwarna putih menunjukan terlalu banyaknya udara. Sedangkan untuk pembakaran yang sempurna gas asap berwarna cokelat.

Untuk mengetahui jumlah udara

pembakar dapat dilihat pada persamaan sebagai berikut :

 Karbon (C) terbakar sempurna menjadi CO2, menurut Persamaan

[1] C + O2= CO2 (2.4) 12 kg C + 32 kg O2= 44 kg CO2 1 kg C +

12

32

kg O2=

12

44

kg CO2 1 kg C + 2,67 kg O2= 3,67 kg CO2

 Hidrogen(H) terbakar sempurna menjadi H2O, menurut Persamaan

[1] 4 H + O2 = 2 H2O (2.5) 4 kg H + 32 kg O = 2 x 18 kg H2O 1 kg H +

4

32

kg O =

4

18

2 x

kg H2O 1 kg H + 8 kg O = 9 kg H2O

 Belerang (S) terbakar sempurna menjadi SO2, menurut persamaan

[1]

S + O2= SO2 (2.6)

32 kg S + 32 kg O2 = 64 kg SO2

1 kg S + 1 kg O2= 2 kg SO2

Disamping itu diketehui pula 1 kg udara mengandung 0,231 kg O2, sehingga

2.6.1 Pembakaran Bahan Bakar Padat

Pada pembakaran bahan bakar padat mula-mula akan membentuk gas atau yang biasa disebut mengegas (Ont

Gassing), pada waktu berlangsungnya

distilasi kering kemudian mengakibatkan terurainya gas-gas tersebut lebih lanjut menjadi CO2dan H2(Water Gas) dan akan terbakar [1]. Selanjutnya arang atau kokas yang tertinggal (yang semuanya terdiri dari karbon) akan menguap atau sublimasi terlebih dahulu, kemudian akan terbakar menjadi CO2 apabila oksigen mencukupi. Udara pembakar yang diperbolehkan untuk mengegaskan disebut udara primer, sedangkan udara untuk membakar CO menjadi CO2 disebut dengan udara skunder.

2.6.2 Pembakaran Bahan Bakar Cair

Sebelum pembakaran yang

sebenarnya berlangsung maka terlebih dahulu bahan bakar cair tersebut diuapkan dan diuraikan menjadi gas-gas [1]. Bahan bakar cair pada umumnya, terdiri dari karbon (85-87)% dan hidrogen (12-15)% ditambah sedikit O2, N2, dan S2. dalam hal ini karena kandungan hidrogen yang cukup tinggi, maka pada saat penguraian dengan temperatur yang cukup tinggi, karbon dan hidrogen lama masih dalam keadaan

terikat. Dengan demikian pada

pembakaran bahan bakar cair dapat dicapai bentuk bunga api yang hampir-hampir sempurna seperti halnya pada pembakaran bahan bakar gas.

2.6.3 Pembakaran Bahan Bakar Gas

Pembakaran bahan bakar yang berupa gas yang hampir keseluruhannya terdiri dari karbon dan hidrogen dimulai dengan menguraikan gas-gas, hingga menghasilkan CO dan H2apabila oksigen mencukupi. Penguraian gas-gas ini berlangsung didalam kerucut bunga api yang paling dalam, pada temperatur yang lebih rendah dari pada temperatur bila

pembakaran telah berlangsung

sepenuhnya. Pembakaran CO dan H2 yang terbentuk dilakukan oleh oksigen dari udara skunder yang mengalir disekeliling bunga api, akan berlangsung pada temperatur yang tinggi, pada lapisan yang tipis yang tidak bercahaya dari bunga api yang berlangsung sangat cepat, bila oksigen mencukupinya.

2.7 Perpindahan Panas Ketel Uap

Panas yang dihasilkan karena pembakaran bahan bakar dan udara, yang berupa api (yang menyala) dan gas asap (yang tidak menyala) dipindahkan kepada air, uap dan udara, melalui bidang yang dipanaskan (heating surface), pada suatu instalasi ketel uap dengan tiga cara, yaitu antara lain :

a) Perpindahan Panas Secara

Pancaran (Radiasi)

Perpindahan panas secara

pancaran atau Radiasi adalah

perpindahan panas antara suatu benda terhadap benda lain dengan jalan melalui gelombang-gelombang elektromagnetic tanpa tergantung kepada ada atau

tidaknya media maupun zat diantara benda

yang menerima pancaran panas

tersebut. Panas radiasi adalah panas yang dipancarkan dari suatu media panas ke media yang dingin dan besarnya

tergantung pada perbedaan

temperatur, dan warna media yang menerima panas tersebut. Penyerapan panas pada radiasi bertambah dengan naiknya temperatur dapur, hal ini bergantung dari beberapa faktor namun yang paling terutama adalah luas permukaan pipa (tube) yang terkena pancaran panas.

Adapun banyaknya panas yang diterima secara pancaran atau Qpberdasarkan dari rumus Stephan-Boltzman adalah sebesar : Qp= Cz. F . [(Tapi: 100) 4 – (Tbenda: 100) 4 ] kJ / jam[1] (2.7) Dimana,

Cz : Konstanta pancaran dari Stephan-Boltzman yang dinyatakan dalam

kJ/m2. Jam . K4.

Bila Czdinyatakan dalam Watt/m2. K4 maka harga Qp dinyatakan dalam

Watt[1]

F : Luas bidang yang dipanasi,

dinyatakan dalam m3.

T: Temperatur dalam Kelvin.

b) Perpindahan Panas Secara Aliran Perpindahan panas secara aliran atau konveksi adalah perpindahan panas yang dilakukan oleh molekul-molekul suatu fluida (cair ataupun gas) molekul-molekul fluida tersebut dalam gerakannya membawa sejumlah panas masing-masing

q Joule. Pada saat molekul fluida

menyentuh dinding ketel maka panasnya dibagikan sebagian, yaitu q1 Joule pada dinding ketel, selebihnya q2= q - q1Joule dibawanya pergi. Bila gerakan-gerakan molekul yang melayang-layang tersebut disebabkan kerena perbedaan temperatur didalam fluida itu sendiri, maka perpindahan panasnya disebut dengan konveksi bebas (Free Convection) atau konveksi alamiah (Natural Convection). Apabila gerakan-gerakan dari molekul tersebut sebagai akibat dari kekuatan mekanis (karena dipompa atau dihembus dengan fan) maka perpindahan panasnya disebut dengan konveksi paksa (Forced Convection).

Gambar 2.4 Perpindahan Panas Dengan Cara Aliran (Konveksi)[1]

Jumlah panas yang diserahkan secara aliran (Konveksi) adalah:

Qk =α . F . (Tapi- Tdinding) kJ/Jam[1] (2.8) Dimana,

α : Angka peralihan panas dari api ke dinding ketel dinyatakan dalam kJ/m2.

Jam . K

Bila α dinyatakan dalam kJ/m2.

Jam . K maka, Qk dinyatakan dalam

Sedangkan bilaα dinyatakan dalam Watt / m2. K, maka Qkdinyatakan dalam Watt.

F : Luas bidang yang dipanasi,

diyatakan dalam m3.

T: Temperatur dalam Kelvin.

c) Perpindahan Panas Secara

Rambatan (Konduksi)

Perpindahan panas secara

rambatan atau konduksi adalah

perpindahan panas dari suatu bagian benda padat ke bagian benda lain dari benda padat yang sama, atau dari benda padat yang satu ke benda padat yang lain karena terjadinya persinggungan fisik (menempel), tanpa terjadinya perpindahan molekul-molekul dari benda padat itu sendiri.

Jumlah panas yang dirambatkan (QR) melalui dinding ketel adalah sebesar :

QR=

x

F

x

S



(Td1– Td2) kJ / Jam[1]

(2.9)

Dimana,

λ : Angka peranbatan panas didalam dinding ketel dinyatakan dalam kJ/m x

Jam x K

Bila λ dinyatakan dalam kJ/m. Jam

.K, maka QRdinyatakan dalam kJ/Jam Apabila λ dinyatakan dalam Watt /

m2 x K, maka QR dinyatakan dalam

Watt.

S : Tebal dinding ketel dinyatakan dalam meter (m)

F : Luas dinding ketel yang

merambatkan panas.

Td1: Temperatur dinding ketel yang berbatasan dengan api (ºK)

Td2: Temperatur dinding ketel yang berbatasan denga air, uap atau udara (ºK).

2.8 Nilai Pembakaran

Nilai pembakaran biasanya dinyatakan dalam istilah nilai pembakaran tinggi atau Highest Heating Value (HHV) dan nilai pembakaran rendah atau Lowest Heating Value (LHV).

a) Nilai pembakaran tinggi atau Highest Heating Value (HHV)

Jumlah panas yang diperoleh dari hasil pembakaran sempurna disetiap 1 kg bahan bakar kemudian hasil dari pembakarannya didinginkan sampai pada temperatur kamar, maka jumlah panas yang dihasilkan disebut dengan nilai kalori tinggi. Dalam hal ini adalah uap air

yang terbentuk dari hasil

pengembunannya turut dihitung serta dinilai sebagai panas pembakaran yang terbentuk.

b) Nilai pembakaran rendah atau Lowest Heating Value (LHV)

Sedangkan nilai pembakaran rendah atau Lowest Heating Value, (LHV) uap air yang terbentuk dari hasil pembakaran tidak perlu dicairkan terlebih dahulu, sehingg panas pengembunannya tidak ikut serta untuk diperhitungkan sebagai panas pembakaran bahan bakar tersebut.

Untuk pembakaran cair dan gas dapat dihitung dengan menggunakan persamaan

HHV = 33915 C + 144033 (H – O/8) +

10468 S (kJ/kg)[1] (2.10)

LHV = 33915 C + 121423 (H – O/8 ) + 10468 S – 2512 (W +9xO/8) (kJ/kg) (2.11)

Sedangkan untuk bahan bakar padat dapat dihitung dengan menggunakan persamaan

HHV = 33823 x C + 144206 x (H2– O2/ 8)

+ 9419 x S (kJ/kg)[1] (2.12)

LHV = HHV – (9 H2x 586)

(kJ/kg)[1] (2.13)

III. Ketel Uap

3.1 Spesifikasi Ketel Pipa Api

(Loos Basuki Boiler)

 Ketel Uap : Loos Basuki Boiler

 Tahun Pembuatan : 1993

 Supllier : PT. Reka Boiler Utama.  Kapasitas Uap : 6000 kg / jam  Tekanan Operasi : 7 kg / cm2  Tekanan Maksimal : 10 kg / cm2  Bahan Bakar : Solar

 Panjang Ketel Uap : 3250 mm  Diameter Drum Dalam Ketel :

2050 mm

 Panjang Silinder Api : 2700 mm  Diameter Silinder Api : 1000 mm  Jumlah Pipa : 186 Pipa Api  Tebal Badan Ketel Uap :14 mm  Tebal Plat Tungku : 16 mm  Diameter Luar Pipa Api : 68 mm

 Tebal Pipa Api :3 mm  Luas Total Bidang Pemanas:

24,9 m2

 Panjang Ketel Uap Total : 2145 mm

 Tinggi Ketel Uap Keseluruhan: 3205 mm.

3.2 Kebutuhan Panas, Panas Penguapan, dan Pengertian Entalpi

Gambar 3.1 Sebuah Bejana yang Didalamnya Terdapat 1 kg air dan uap[1]

Didalam gambar tersebut sebuah bejana berisi 1 kg air dan uap, kemudian dipanaskan. Tekanan air dan uap tersebut konstan sebesar (P, kg/cm2) dan diberi pemberat (G) kg diatas torak (P). Apabila tekanan uap dalam bejana naik melebihi (P, kg/cm2), maka uap akan keluar melalui lubang E. Uap yang dihasilkan adalah uap jenuh karena uap dalam keadaan seimbang dengan air sehingga jumlah panas yang dibutuhkan sebanyak Q1kJ/kg air dan uap.

Q1= Panas jenis air x (T1-T0)[1] (3.1) = kJ / kg air dan uap. Dimana,

Panas penguapan adalah jumlah panas yang dinyatakan dalam (kJ/kg) yang dibutuhkan untuk memanaskan 1 kg air menjadi uap pada temperatur mendidihnya (TdºC) dan bertekanan (P, kg/cm2). Jika air dalam bejana dipanaskan terus-menerus maka, uap dalam bejana akan naik temperaturnya dan uap jenuh tersebut berubah menjadi uap panas lanjut.

 Jumlah panas (Qu1) yang

dibutuhkan untuk mengubah 1 kg uap jenuh pada tekanan (P1)

kg/cm2 dan temperatur (Td1) ºC,

menjadi uap panas lanjut dengan

tekanan (P1) kg/cm2 dan

temperatur (Tu1) ºC, dapat dihitung dari persamaan sebagai berikut[1]: Qu1= 1 x Cp x (Tu1– Td1)

kJ / kg[1] (3.2)

Dimana ; Cp = Panas jenis uap pada tekanan konstan (P1,kJ/kg). Tu1= Temperatur uap panas lanjut (ºC)

Td1= Temperatur air mendidih (ºC) pada tekanan (P1, kg/cm2).

Dengan demikian seluruh jumlah panas untuk :

 Memanaskan 1 kg air dari 0 ºC dengan temperatur (Tdk) dan tekanan, (P) kg/cm2adalah sebesar Wd (kJ/kg). Dimana, Wd = Entalpi air mendidih (kJ/kg), yaitu banyaknya panas yang dibutuhkan oleh 1 kg air pada temperatur 0 ºC untuk dijadikan air mendidih pada temperatur (Tdk) dan tekanan (P) kg/cm2.

 Memanaskan 1 kg air dari 0 ºC

menjadi uap jenuh pada

temperatur Tdk dan tekanan, P (kg/cm2) kg/cm2 sebesar I” kJ/kg menjadi :

I” = Wd + r[1] (3.3)

Dimana, I” =

Entalpi uap jenuh (kJ/kg).

 Memanaskan 1 kg air dari 0 ºC menjadi uap panas lanjut pada temperatur Tu(ºC) dan tekanan P (kg/cm2) sebesar I’ (kJ/kg) adalah I’ = I” – Cp (Tu- Td) = Wd + r + Cp

(Tu- Td)[1] (3.4)

Dimana, I’ =

Entalpi uap panas lanjut (kJ/kg), yaitu banyaknya panas yang dibutuhkan untuk mengubah 1 kg air pada temperatur 0 ºC untuk menjadi uap panas lanjut pada temperatur (Tu) ºC dan tekanan (P) kg/cm2.

 Jumlah Kebutuhan Panas (Q)

Banyaknya panas yang

dibutuhkan untuk pemanasan pada ketel uap, biasanya

dinyatakan dalam satuan (kJ/kg), biasanyamenggunakan

persamaan sebagai berikut : Q = S x (∆IK+∆IR)

(kJ/Jam)[2] (3.5)

Dimana,

S = Produksi uap

P = Tekanan kerja ketel uap tu = Temperatur uap keluar ketel ta = Temperatur air masuk

∆IK= Entalpi uap keluar ketel – Entalpi air masuk Ekonomiser

∆IR = Entalpi uap keluar reheater – Entalpi uap masuk reheater.

 Beban Ketel Spesifik (Le) Merupakan perbandingan antara uap yang dihasilkan oleh ketel uap terhadap luas bidang yang dipanaskan. Dapat dilihat dari persamaan :

Le =

F

S

(kg uap / m2Jam)[2]

(3.6)

Dimana ; F = 24,9 m2

 Luas Bidang yang Dipanaskan (F) Adalah luas bidang ketel uap yang dipanaskan api baik kepada air atau uap. Dapat digunakan persamaan sebagai berikut : F =

rata

rata

t

x

K

Q





(m 2 )[2] (3.7)

Dimana,∆t rata-rata= Selisih temperatur rata-rata api atau gas asap terhadap air maupun uap

K = Angka perpindahan panas

(kJ/m2Jam ºC)

 Faktor Penguapan (Ev)

Adalah perbandingan antara jumlah uap yang dihasilkan terhadap

pemakaian bahan bakar.

Dinyatakan dalam persamaan :

Ev

=

Be

S

(kg uap / kg bahan bakar)[2] (3.8)



Efisiensi Ketel Uap

(

η

k

)

Pada instalasi ketel uap terdiri dalam (entalpi) dari uap air yang dihasilkan pada mulanya berasal dari energi panas bahan bakar. Secara sederhana efisiensi dapat dijelaskan sebagai perbandingan energi keluaran dengan energi masukan (input – output). Energi masukan merupakan energi awal pada ketel uap berasal dari energi bahan bakar. Sedangkan energi keluaran pada ketel uap dinyatakan dengan banyaknya energi dalam bentuk panas yang terkandung oleh uap air didalam ketel uap, maka didapat rumus sebagai :

η

k

=

100

%

)

2

1

(

x

LHV

h

h





(3.9)

3.3

Instalasi Tenaga Uap

Air pada temperatur 29 oC (121,4 kJ/kg) masuk ke pemanas air pada temperatur 50 oC (209,3 kJ/kg) kemudian dipompa

masuk kedalam ketel, uap yang

dihasilkan sebesar 6000 kg / Jam dengan tekanan operasi 7 kg / cm2 pada temperatur 180 oC menuju mesin Dying. Uap bekas dari proses dying pada tekanan 0.004 Mpa (temperatur 29 oC) menuju kondensor. Air dari pompa kondensor menuju ke bak pengumpul air, seperti gambar dibawah ini :

Gambar 3.2 Instalasi Tenaga Uap

Keterangan Gambar : 1. Tangki air 2. Keran air

3. Bak air pengumpul

4. Air yang dihisap oleh pompa air pengisian

5. Pompa air pengisian ketel 6. Air dipompa masuk kedalam

pemanas air

7. Pemanas air

8. Air dipompa masuk kedalam ketel 9. Uap menuju kemesin Dying 10. Keran pengumpul uap 11. Mesin Dying (pengering uap)

12. Uap bekas menuju ke kondensor 13. Kondensor

14. Keran pendingin kondensor 15. Embun air yang terkumpul

kondensor

16. Pompa air kondensat 17. Air dari pompa kondensat 18. Bahan bakar yang dimasukan

kedalam tungku 19. Udara pembakar

20. Boiller

21. Gas asap keluar dari cerobong asap B O I L E R 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 16 13 14 15 17 18 19 21 20 14

3.4 Aliran Gas Pada Ketel Pipa Api

Gas panas dari hasil pembakaran bahan bakar dan udara didalam ruang bakar akan mengalir sepanjang silinder api dan memanasi air disekeliling silinder api. Api atau gas panas dari silinder menuju kamar nyala api melalui pipa api memanasi air pada bagian muka dari ketel dipasang ruang asap yang melingkungi seluruh ujung-ujung pipa api, dimana gas asap keluar dari pipa-pipa api dapat berkumpul. Gas asap keluar melalui cerobong asap, ditengah bagian atas drum ketel terdapat sebuah dom uap (Steram Dome), disinilah seluruh uap yang terbentuk dikumpulkan. Keran pipa tempat untuk pengambilan uap kenyang juga terdapat didalam steam dome[2]Perhatikan diagram alir berikut ini,

Gambar 3.3 Diagram Aliran Gas Panas Pada Ketel Pipa Api[2]

3.5 Termodinamika Ketel Uap

Gambar 3.4 Diagram T-S[5]

Keterangan Gambar :

A-B: Pemanasan air pengisi ketel (Sensibel Kalor)

B-C: Perubahan fase air ke fase uap pada temperatur konstan (Kalor Laten)

C-D: Uap berekspansi dalam penggunaannya (Proses Dying)

D-A: Kondensasi uap pada temperatur konstan dalam kondensor

K : Titik kritis

Pada umumnya ketel uap yang dipakai pada dunia industri terbatas pada temperatur uap jenuh, sedangkan ketel uap yang dipakai untuk pembangkit tenaga uap dalam skala besar umumnya menggunakan pemanas lanjut.

IV Analisa Perhitungan 4.1 Data Pengoperasian Bahan Bakar Loos Basuki Steam Boiler

Didalam menganalisa perhitungan-perhitungan karakteristik ketel uap, proses perhitungannya berdasarkan kepada jumlah pemakaian bahan bakar rata-rata pengoperasian ketel uap selama 10 jam di PT. Mustika Ratu, Tbk dimana data-data pada pengoperasiannya terdapat pada tabel berikut ini :

Tabel 4.1 Data Pengoperasian Bahan Bakar

Tabel 4.2 Bahan Bakar Untuk Ketel Uap

(ASTM Standart D-396)[4] Karbon (C) 86,10 % Hidrogen (H2) 11,90 % Oksigen (O2) 0,28 % Nitrogen (N2) 0,20 % Sulfur (S2) 1,3 % Abu (A) 0,02 % Air (W) 0,2 %

Tabel 4.3 Komposisi Unsur Kimia Didalam Bahan Bakar Yang Digunakan (Dalam % Berat)[4] Komposisi Berat Dalam % Perbandingan Molekul (kg) Berat Molekul C 86,10 0,861 12 H2 11,90 0,119 2 O2 0,28 0,0028 32 N2 0,20 0,002 28 S 1,3 0,013 32

4.2 Diagram Alir Perhitungan Ketel Uap F S Be S % 100 ) 2 1 ( X Low Q h h  

Gambar 4.1 Diagram Alir Perhitungan Ketel Uap Operasi Boiler Bahan Bakar (kg) Tekanan Uap (kg/cm2) Suhu Air Masuk (o_C) Uap Yang Dihasilkan (kg/Bb) 1 415,3 7,0 50 6000 2 415,8 7,0 50 6000 3 417,5 7,0 50 6000 4 418,2 7,0 48 6000 5 416,9 7,0 49 6000 6 417,3 7,0 50 6000 7 417,4 7,0 50 6000 8 418,8 7,0 50 6000 9 418,9 7,0 49 6000 10 417,8 7,0 50 6000

4.3 Nilai Pembakaran Bahan Bakar (Heating Value) HHV = 33915 x 0,861 + 144033 x (0,119 -0,0028 / 8) + 10468 x 0,013 = 46.426,41 kJ/kg LHV = 33915 x 0,861 + 121423 x (0,119 – 0,0028 / 8) + 10468 x 0,013 – 2512 x (0,002 + 9 x 0,0028 / 8 ) = 43.730,80 kJ /kg 4.4 Nilai Entalpi ∆IK= I“ – Wd

 Entalpi Uap (hu), Entalpi uap jenuh

(I“) pada tekanan kerja 7 kg/cm2

berdasarkan tabel uap jenuh maka didapat[1]:

I“ = 2.762 kJ /kg



Entalpi Air (ha), pada temperatur air masuk ekonomiser (50 ºC)

dengan menggunakan rumus

interpolasi, maka didapat

:

Wd = 192 + (251 - 192) x

8

,

45

1

,

60

8

,

45

50





Wd = 209,11 kJ /kg Sehingga : ∆IK= I“ – Wd = 2.762 kJ /kg – 209,11 kJ/kg = 2552,89 kJ /kg 4.5 Perhitungan-perhitungan Karakteristik Ketel Uap

 Kebutuhan Panas (Q) Q = S x (∆IK+∆IR) kJ/jam

= 6000 kg/jam x 2252,89 kJ /kg Q = 15.317.340 kJ/jam

Dimana:

S : Produksi uap = 6000 kg/jam P : Tekanan kerja = 7 kg/ cm2 tu: Temperatur uap keluar ketel =

180oC

ta: Temperatur air masuk

ekonomiser = 50oC

∆IK :Entalpi uap keluar ketel – Entalpi air masuk ekonomiser ∆IR: Entalpi uap keluar reheater – Entalpi uap masuk reheater ∆IK: 2252,89 kJ /kg

∆IR: 0, (tanpa reheater).

 Beban Ketel Spesifik (Le) Le =

F

S

(kg uap / m2Jam) =

2

9

,

24

/

6000

m

jam

kg

Le = 240,96 kg uap / m2Jam

 Faktor Penguapan (Ev) Ev =

Be

S

=

bakar

bahan

kg

jam

kg

39

,

417

/

6000

Ev = 14, 375 kg uap / kg bahan bakar

 Efisiensi Ketel Uap(ηk)

ηk=

(

1

2

)

x

100

%

LHV

h

h





=

100

%

80

,

730

.

43

)

11

,

209

762

.

2

(

375

,

14

x



ηk= 83 %

V Penutup 5.1 Kesimpulan

Dari hasil analisa perhitungan-perhitungan yang telah dilakukan pada karakteristik ketel pipa api tipe Loos Basuki yang terdapat di Pt. Mustika Ratu Tbk, maka dapat di simpulkan sebagai berikut :

1. Secara garis besar perhitungan dari karakteristik ketel uap sebagai melihat efek pemakaian bahan bakar terhadap kerja ketel uap. Hasil yang ditampilkan berupa kondisi operasi, yaitu : tekanan kerja, uap yang dihasilkan, luas pemanas, beban ketel spesifik, dan efisiensi ketel uap.

2. pada sistem ketel uap pipa api, gas panas hasil pembakaran bahan bakar pada ruang bakar digunakan untuk memanasi air, lalu gas panas mengalir melalui pipa-pipa yang dibagian luarnya terdapat air.

3. berdasarkan perhitungan efisiensi terhadap ketel uap dengan bahan bakar solar yang terdapat di PT.

Mustika Ratu Tbk, untuk

pengoperasian tiap-tiap jamnya adalah 83 %.

DAFTAR PUSTAKA

[1]. Djokosetyardjo, MJ. Ketel Uap, 1987, Pradnya Paramitha ; Jakarta.

[2]. Kardjono, Ketel Uap dan Sistem Tenaga Uap ; Cepu.

[3] Hutagalung, Boiler Operator Course, 1992 ; Jakarta.

[4]. Djokosetyardjo, MJ. Pembahasan Lanjut Ketel Uap, 1990, Pradnya Paramitha ; Jakarta.

[5] Fritz Dietzel, Turbin, Pompa dan Kompresor, 1996 ; Jakarta.