PPO05-1
EVALUASI FURNACE TIPE BOX, SEBAGAI PROYEKSI
PERHITUNGAN DESIGN FURNACE TIPE SILINDER
VERTIKAL TERHADAP KEBUTUHAN JUMLAH TUBE
DAN DIAMETER DENGAN KAPASITAS PRODUKSI
3800 BARREL/HARI DI PUSDIKLAT MIGAS CEPU
Fradikta Eri
Basuki Rahman
Irfin Zakiyah
Teknik Kimia Politeknik Negeri Malang
Jl. Veteran PO Box 04 Telp (0341)551340-551341 Pesawat 310 Malang 65145 Abstrak
Di Indonesia sekarang ini kebutuhan energi berupa Bahan Bakar Minyak cukup besar. Untuk itu PUSDIKLAT MIGAS Cepu sebagai salah satu industri minyak saat ini harus bekerja optimal dengan menaikkan kapasitas produksinya dari 1900 barrel/h menjadi 3800 brrel/h. Tentunya peningkatan kapasitas baru akan berpengaruh terhadap kinerja peralatan kilang yang ada. Salah satunya adalah Furnace. Furnace adalah suatu peralatan perpindahan panas yang sumber panasnya dihasilkan dari reaksi pembakaran bahan bakar oleh Burner di dalam Fire Box, baik itu berupa Fuel Gas, Fuel Oil atau jenis bahan bakar lain dengan udara, dimana panas yang dihasilkan dipindahkan ke dalam Crude Oil yang mengalir di dalam Tube. Efisiensi Furnace dapat dilihat dari panas yang dihasilkan. Panas dari pembakaran Fuel Oil dan Fuel Gas dalam Furnace tidak seluruhnya diserap oleh Crude Oil, tetapi ada yang pindah karena terbawa oleh Flue Gas yang mengalir dalam cerobong (Stack). Dari hasil perhitungan didapatkan efisiensi Furnace tipe Box sebesar 80 %. Hal ini dapat dijadikan basis perhitungan jumlah tube dan diameter furnace tipe silinder vertical, yang terlebih dahulu menghitung jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk kapasitas 3800 barrel/hari. Dari hasil perhitungan pada Design Furnace tipe silinder Vertikal di dapat Jumlah Tube 36 Tube, Tinggi Furnace 16,87 ft dan Diameter Furnace 8,41 ft. Hasil ini diperoleh dari trial & error di seksi radiant pada range heat flux yang masih memenuhi persyaratan yang diijinkan yaitu sebesar 10000 – 14000 BTU/jam.ft2.
Kata kunci : Evaluasi, jumlah bahan bakar, jumlah tube dan diameter Furnace
Abstract
Nowdays, the requirement of energy, specially liquid fuel in Indoensia is increasing. PUSDIKLAT MIGAS Cepu as an oil industry in has to work to optimum by increasing its production capacities from 1900 barrel/h to become 3800 barrel/h. The increasing of capacities will have an effect to equipment performance. One of the equipment units is Furnace. Furnace is a heat exchanger equipment which source of heat from combustion of reaction from burner in firebox furnace, that is a fuel gas, fuel oil, or kind of fuel other with air, which heat product moved into crude oil inside tube. Furnace efficiency be able to from heat production. Heat from combustion of fuel oil and fuel gas in furnace not all of it absorbed crude oil, but there are which change cause brought by flue gas in stack. From calculation result be able to get efficiency 80 %. This can be basis of the calculation number of tube in cylinder vertical furnace, previously calculation of fuel for capacity 3800 barrel/day. From calculation result for cylinder vertical furnace will get number of tube 36 tubes. The high of furnace is about 16,87 feet and diameter 8,14 feet. This result providable from trial and error method in radiant section in range of heat flux which still require allowable is about 10000 – 14000 BTU/hr.ft2.
PPO05-2
1. Pendahuluan Latar belakang
Meningkatnya jumlah penduduk di dunia tentunya banyak mempengaruhi berbagai sendi kehidupan. Termasuk di dalamnya adalah meningkatnya kebutuhan akan energi. Kebutuhan terhadap energi terus meningkat drastis terlebih lagi saat ini semua teknologi maju sangat membutuhkan energi yang besar. Tentunya hal ini menuntut kerja keras dalam upaya memaksimalkan secara efisien akan kebutuhan sumber-sumber energi tersebut. Salah satu sumber energi yang saat ini masih mendominasi dunia adalah minyak dan gas.
Di Indonesia sendiri dengan jumlah penduduk cukup besar, menuntut pemenuhan kebutuhan sumber energi dalam hal ini bahan bakar minyak yang cukup besar pula. Sehingga untuk memenuhi kebutuhan yang besar ini industri minyak bumi, termasuk PUDIKLAT MIGAS Cepu harus berupaya untuk meningkatkan kapasitas produksinya.
PUSDIKLAT MIGAS Cepu saat ini sebagai bagian dari mata rantai industri minyak sekaligus bagian dari pemerintahan merupakan industri pengolahan minyak dengan kapasitas produksi ± 310209 L/hari. Adapun pemisahan minyak mentah (crude oil) menjadi produk – produk minyak bumi dapat dilakukan dengan unit destilasi atmosferis yang didasarkan titik didihnya. Feed berupa crude oil sebelum dipisahkan dalam kolom fraksinasi terlebih dahulu dipanaskan dalam rangkaian alat – alat penukar panas.
Keterkaitan penelitian dan rujukan
Alat penukar panas merupakan suatu peralatan dimana terjadi perpindahan panas dari suatu fluida yang mempunyai temperatur yang lebih tinggi ke fluida lain yang temperaturnya lebih rendah atau sebaliknya. Di Pusdiklat Migas Cepu terdapat beberapa alat penukar panas seperti HE, Cooler, ataupun Furnace. Furnace adalah salah satu peralatan penukar panas dengan pembakaran bahan bakar (fuel oil dan fuel gas) dalam burner sebagai sumber panas.
Identifikasi permasalahan
Di PUSDIKLAT MIGAS Cepu jenis furnace yang digunakan adalah tipe box dengan dinding yang terbuat dari batu tahan api berlapis dua untuk menghindari adanya panas dan berkapasitas produksi ± 310209 L/hari, karena adanya permintaan pasar akan energi maka kapasitas produksi dinaikkan dari ± 310209 L/hari menjadi 604150 L/hari. Tentunya peningkatan kapasitas baru sesuai tuntutan pasar ini berpengaruh terhadap kinerja peralatan kilang yang
ada. Salah satunya adalah Crude Charge Heater atau Furnace.
Perumusan masalah
Dari permasalahan diatas, pihak PUSDIKLAT MIGAS Cepu berencana untuk melakukan design furnacedengan jenis yang lain. Jenis furnace yang dipilih adalah Furnace tipe Silinder Vertikal. Pemilihan ini berdasarkan perhitungan pada kapasitas 3800 barrel/h dan dari referensi yang menyatakan bahwa untuk duty dibawah 106 BTU/h disarankan untu menggunakan tipe ini.(Process heat transfer,Kern dan Evan Lobo)
Rumusan masalah yang ada antara lain: 1. Berapakah besar effisiensi panas Furnace Tipe Box yang terdapat pada Unit Pengolahan PUSDIKLAT MIGAS CEPU ?
2. Berapa bahan bakar yang dibutuhkan dan duty yang dihasilkan dengan kapasitas 3800 barrel/hari? 3. Berapa diameter dan jumlah tube yang dibutuhkan pada Furnace silinder vertical dengan kapasitas 3800 barrel/hari ?
Tujuan
Berdasarkan judul yang akan kami bahas, maka tujuan dari penulisan Laporan Akhir ini adalah untuk Mengevaluasi Furnace Tipe Box, sebagai proyeksi perhitungan design Furnace Tipe Silinder Vertical akibat adanya penambahan kapasitas produksi menjadi 3800 barrel/hari di Unit
Pengolahan PUSDIKLAT MIGAS Cepu.
Sedangkan tujuan khususnya adalah:
1. Menentukan nilai efisiensi Furnace Tipe Box kapasitas 1900 Barrel/hari berdasarkan perhitungan neraca massa dan neraca panas.
2. Menghitung jumlah bahan bakar yang digunakan pada kapasitas 3800 barrel/hari.
3. Menghitung kebutuhan nilai Duty pada Furnace Tipe Silinder Vertical berdasarkan jumlah bahan bakar, trial diameter dan jumlah tube dengan kapasitas 3800 Barrel/hari.
Ruang lingkup kajian
Adapun ruang lingkup masalah yang kami teliti adalah menghitung efisiensi Furnace Tipe Box dengan kapasitas 1900 barrel/h di Unit Pengolahan PUSDIKLAT MIGAS Cepu. Hasil perhitungan efisiensi pada Furnace itu sebagai dasar untuk menghitung jumlah tube dan diameter furnace pada furnace dengan tipe silinder vertikal. 2. Teori Dasar
Sebagaimana kita ketahui bahwa di dalam semua proses industri pasti akan melibatkan proses perpindahan panas. Termasuk dalam hal ini industri minyak dan gas bumi. Bahkan agar dapat memproduksi minyak sesuai dengan kebutuhan yang berasal dari crude oil diperlukan berbagai
PPO05-3
peralatan perpindahan panas. Salah satu jenis peralatan perpindahan panas yang ada di dalam kilang minyak adalah furnace.
Pengertian Furnace
Unit Furnace adalah suatu peralatan perpindahan panas yang sumber panasnya dihasilkan dari reaksi pembakaran bahan bakar oleh Burner di dalam fire box, baik itu berupa Fuel
Gas, Fuel Oil atau jenis bahan bakar lain dengan
udara, dimana panas yang dihasilkan dipindahkan ke dalam crude oil yang mengalir di dalam tube. Crude oil sebelum masuk ke kolom destilasi harus dipanaskan, agar mencapai suhu operasi distilasi yang diinginkan. Ada beberapa macam Furnace antara lain:
Tipe silinder vertical
Tipe ini berbentuk silinder tegak, tube pada daerah radiasi dipasang secara vertical. Tube yang satu dengan yang lainnya disambung dengan menggunakan U bend. Burner terletak pada lantai bagian bawah, sehingga nyala api sejajar dengan tube dapur. Bentuk lantai adalah lingkaran, sedang
Burner dipasang dilantai dengan arah pancaran api
vertikal. Tube di ruang pembakaran dipasang vertikal. Furnace jenis ini bisa didisain tanpa atau dengan ruang konveksi. Jenis tube yang dipasang di ruang konveksi bisa Bare Tube, Finned Tube; tetapi pada umumnya digunakan Finned Tube untuk mempercepat proses perpindahan panas karena konveksi.
Tipe box
Mempunyai bentuk kotak atau box, daerah radiasi dan konveksi dipisahkan oleh great wall. Dapur ini digunakan untuk kapasitas besar (lebih dari 100 MBtu/jam. Tube-tube dapur dipasang pada bagian atap, lantai dan sisi dari "brigde dapur”, burner dipasang secara horizontal pada dinding furnace. Pada heater jenis ini antara ruang pembakaran (radiant fire box) dengan ruang konveksi (convection section) dipisahkan oleh satu atau lebih dinding penyekat yang dinamakan
Bridge Wall. Burner dipasang pada dinding
dengan arah pancaran api mendatar. Semua tube dipasang pada arah mendatar. Box Heater sudah jarang dipakai karena harganya mahal.
Tipe kabin
Tipe kabin ini mempunyai kamar terdiri dari daerah radiasi dan konveksi. Tube-tube dipasang secara horizontal sedangkan burner terletak pada lantai furnace, sehingga nyala api tidak lurus dan sejajar dengan dinding dapur. Susunan tube di ruang pembakaran dibuat dekat dengan dinding atau dekat dengan penyekat (Baffle) dengan arah mendatar. Ruang konveksi terletak di atas ruang pembakaran . Dua lapis
pertama tube di ruang konveksi yang langsung “menghadap” ke ruang pembakaran (radiant fire
box) dinamakan Shield Tubes. Burner dipasang di
lantai heater sedang pancaran api diarahkan vertikal. Sering dijumpai heater jenis ini
mempunyai dinding penyekat di bagian tengahnya (Center Wall Baffle).
Prinsip Kerja Furnace
Pada dasarnya proses perpindahan panas yang terjadi lebih banyak menggunakan panas radiasi yang memancar ke crude oil yang mengalir di dalam tube-tube. Ruangan utama tempat panas radiasi berlangsung di dalam furnace disebut dengan radiant fire-box atau ruang bakar, dimana di dalam ruangan ini pembakaran dari bahan bakar terjadi. Bahan bakar cair atau gas (atau kombinasi dari keduanya) dimasukkan ke dalam Furnace setelah dicampur dengan udara pembakaran di dalam burner dan dinyalakan. Burner dapat diletakkan di lantai atau dinding samping.
Crude oil yang akan dipanaskan dialirkan
melalui bagian dalam tube yang tersusun pada bentangan horisontal atau vertikal di sepanjang dinding samping atau di atas pada bagian dalam ruang pembakaran, bergantung pada konfigurasi perencanaan tata letak yang memungkinkan penerimaan secara langsung radiasi panas dari nyala api pembakaran serta pemantulan kembali panas dari permukaan dinding refraktori ke permukaan tube.
Crude oil yang dipanaskan umumnya
dialirkan terlebih dahulu melalui seksi konveksi (convection section) yang terletak di antara ruang bakar dan cerobong, agar bisa memanfaatkan panas yang terkandung di dalam gas hasil pembakaran. Proses pertukaran panas
Pertukaran panas antara panas hasil reaksi pembakaran (api) Flue Gas dengan cairan yang mengalir dalam tube dilakukan menggunakan cara radiasi, konveksi, konduksi.
Radiasi
Proses perpindahan panas secara radiasi adalah perpindahan panas dari sumber panas ke penerima panas yang dilakukan dengan pancaran gelombang panas. Antara sumber panas dengan penerima panas tidak terjadi kontak. Bagian
furnace yang terkena radiasi adalah pada radiant-fire-box (ruang pembakaran). Di ruang ini terjadi
nyala api yang panasnya dipancarkan ke tube. Tube yang terdapat disekelilingnya akan menerima panas secara radiasi.
Konveksi
Proses perpindahan panas secara konveksi adalah perpindahan panas dari satu titik ke titik
PPO05-4
yang lain dalam fluida secara pencampuran dari sebagian fluida tersebut dengan bagian lainnya.
Di furnace, perpindahan panas secara konveksi terjadi di convection section (ruang konveksi). Sebenarnya di ruang konveksi terjadi perpindahan panas secara konveksi dan secara konduksi dimana kedua jenis perpindahan panas ini berlangsung secara bersamaan. Perpindahan panas secara konveksi berlangsung antara Flue Gas dengan dinding luar tube, antara dinding bagian dalam tube dengan cairan yang mengalir dalam
tube. Sedangkan perpindahan panas secara konduksi terjadi antara dinding luar tube dengan dinding dalam tube.
Konduksi
Konduksi adalah proses perpindahan panas yang mengalir dari tempat yang suhunya lebih tinggi ke tempat yang suhunya lebih rendah, tetapi media untuk perpindahan panas tidak mengalir ke tempat yang suhunya lebih rendah. Pada benda padat maka cara perpindahan panasnya dengan konduksi. Perpindahan panas konduksi yang dijumpai ada pada perpindahan panas dari permukaan dalam dinding furnace ke permukaan luarnya.
Neraca Massa (Material Balance)
Neraca massa dari suatu proses industri merupakan perhitungan tepat seluruh massa yang nasuk, meninggalkan, mengakumulasi atau yang dihabiskan dalam interval waktu pelaksanaan yang ditentukan.
Prinsip dasar dari neraca massa (bahan) adalah hukum kekekalan massa, yang prinsipnya bahwa di dalam suatu proses yang dilakukan dengan cara apapun tidak ada massa yang hilang percuma. Jadi, total massa yang masuk ke dalam suatu proses itu harus sama dengan total massa yang keluar dari proses ditambah akumulasi didalam proses (apabila terdapat akumulasi). Persamaan neraca massa secara umum:
Gambar Diagram Alir Furnace
Neraca Panas
Neraca panas adalah bentuk lain dari persamaan yang didasarkan pada bentuk dari neraca energi yang banyak digunakan dalam semua proses panas (thermal), dimana perubahan energi kinetik, potensial, dan kerja diabaikan. Untuk proses neraca panas diaplikasikan dalam aliran proses pada beberapa tekanan untuk flw process, sedangkan untuk nonflow process pada tekanan tetap.
Hukum hess berbunyi ”bahwa energi tidak bisa diciptakan atau dibinasakan, energi hanya dapat diubah dari satu bentuk kebentuk
lain”. Hukum Hess digunakan untuk
memprediksikan perubahan entalphi suatu reaksi. Transisi fase (phase transition) terjadi dari fase padat ke cair dan fase cair ke gas, dan sebaliknya. Selama transisi ini, terjadi perubahan besar dalam nilai entalphi untuk suatu unsur yang harus dihitung dengan akurat (juga disebut perubahan kalor laten). Untuk fase tunggal, entalphi bervariasi sebagai fungsi dari suhu. Perubahan entalphi yang terjadi pada fase tunggal sering disebut perubahan kalor sensibel. Perubahan entalphi untuk transisi fase diistilahkan kalor peleburan(untuk pelelehan) dan kalor penguapan (untuk penguapan)
Efisiensi thermal Furnace
Efisiensi thermal adalah suatu ukuran seberapa besar efektivitas kandungan panas dalam bahan bakar dapat dimanfaatkan selama proses pembakaran berlangsun. Furnace nerupakan alat yang bekerja menggunakan panas, maka salahsatu cara untuk menentukan efisiensinya adalah dengan menghitung jumlah panas tersebut. Efisiensi proses suatu lat adalah tidak tentu, tergantung pada perencanaan panas masuk dan panas keluar(efektif) yang digunakan. Dasar perhitungan efisiensi panas adalah neraca panas, dimana neraca ini dapat memberikan gambaran keseluruhan dari panas yang masuk dan panas yang keluar.
Terdapat dua metode dalam perhitungan efisiensi dapur (furnace)
a. Metode Heat absorbed
Metode ini menekankan panas yang diserap oleh fluida yang mengalir didalam tube, dimana panas tersebut merupakan selisih antara panas yang dibawa oleh fluida dikurangi panas yang masuk dapur
Efisiensi = x100% input heat total absorbed heat total
b. Metode Heat Loss
Metode ini menekankan panas yang hilang, dimana besarnya panas tersebut merupakan
PPO05-5
selisih anatara panas yang masuk kedalam dapur dari hasil pembakaran bahan bakar dikurangi panas yang hilang melalui stack dan dinding furnace serta panas yang tidak terhitung.
Efisiensi = % 100 x input heat total losses heat total input heat total Proses pembakaran
Pembakaran pada dasarnya adalah reaksi oksidasi antara hydro carbon dengan oksigen yang berasal dari udara. Reaksi tersebut menghasilkan panas (heat of reaction). Reaksi pembakaran berlangsung pada suhu tertentu dan pada perbandingan jumlah hydrocarbon dengan oksigen (udara) yang tertentu pula.
Reaksi pembakaran yang terjadi adalah :
1. C +O2 CO2 + H (panas)
2. C + ½ O2 CO + H (panas)
3. CO + 1/2O2 CO2 + H (panas)
4. H2 + 1/2O2 H2O + H (panas)
5. S + O2 SO2 + H (panas)
Tahapan design Furnace
Dalam mendesain furnace ada beberapa tahapan yang harus dilakukan. Tahapan tersebut disesuaikan dengan proses yang berlangsung pada
furnace itu sendiri Adapun tahapan yang biasa
dilakukan adalah :
Menentukan kapasitas Furnace
Furnace merupakan salah satu peralatan dengan kapasitas yang tidak dapat dengan mudah ditingkatkan kapasitasnya setelah dibuat. Untuk itu dalam menentukan kapasitas furnace harus mampu cermat memperhitungkan kebutuhan proses saat ini maupun prospek yang akan datang. Faktor lain yang juga akan mempengaruhi besarnya kapasitas
furnace adalah duty. Semakin besar duty yang
harus dicapai maka akan semakin besar luas perpindahan panas yang dibutuhkan proses. Jumlah panas yang dilepas (heat release rate) oleh furnace dipilih tergantung pada bahan bakar dan pengalaman sebelumnya yang menggunakan jenis bahan bakar yang sama. Juga dalam perencanaan desain kapasitas sebuah furnace sebaiknya memperhatikan beberapa hal, antara lain :
1. Bentuk dan tipe apa yang kemungkinan paling sesuai dengan proses (burner dan sebagainya). 2. Jenis dinding apa yang cocok dengan kondisi
setempat. Pemilihan Refractory
Refractory yang baik akan mencegah heat loss ke casing. Dalam mengadakan pemilihan
produk refractory di pasaran untuk dipakai pada suatu proses refinery sebaiknya memperhatikan beberapa faktor penting yaitu :
Temperatur Proses yang dihasilkan
Temperatur maksimal yang dapat ditanggung oleh desain refractory untuk mencegah terjadinya kerusakan dan dekomposisi material. Temperatur yang lebih tinggi dari service
temperatur yang mampu diberikan oleh refractory
akan mengakibatkan rusaknya lapisan terluar yang kontak langsung dengan media pemanas. Juga bila terjadi Slagg (bara) yang menempel pada
refractory dapat mengakibatkan tercapainya melting point dan menyebabkan refractory lepas dan jatuh lapis demi lapis.
Desain pipa/tube heater
Tube merupakan bagian yang sangat
penting dalam perhitungan furnace. Ia juga merupakan komponen yang paling menentukan mahal atau tidaknya suatu furnace.
Tata letak tube
Penyusunan tube dalam furnace juga akan mempengaruhi proses perpindahan panas yang terjadi. Untuk itu harus jeli memilih dan mengatur susunan tube agar efektif dari segi perpindahan panas juga mudah dalam perawatannya. Dalam mendesain susunan tube heater, secara umum ada dua jenis cara penyusunan tube, yaitu vertikal dan horizontal. Pada umumnya heater yang beroperasi pada kapasitas kecil akan menggunakan susunan vertikal. Sedangkan heater-heater dengan kapasitas besar biasanya akan menggunakan tube dengan susunan horizontal.
Burner
Fungsi burner adalah untuk mengabutkan bahan bakar dan mencampurnya dengan udara kemudian membakar bahan bakar tersebut. Pengabutan bahan bakar Fuel Oil dilakukan dengan menggunakan pompa tekanan tinggi (mechanical atomizing) atau ditekan dengan Steam (Steam Atomizing)/Udara (air atomizing).
Kriteria mendasar untuk memilih burner antar lain :
1. Kemampuan dalam menangani fuel yang memiliki nilai heating value berbeda.
2. Penyalaan yang aman dan perawatan yang mudah.
3. Besarnya flame yang dapat di perkirakan untuk semua jains fuel dan laju pembakaran.
PPO05-6
Adapun macam burner dilihat dari pengunaan Fuel adalah :
Gambar Raw Gas Burner
Gambar Oil Burner
Gambar Oil and Gas Burner Faktor koreksi perhitungan jumlah tube dan diameter Furnace
Dalam perhitungan furnace perlu sekiranya untuk memperhitungkan temperatur-temperatur yang akan terjadi di dalam proses. Sehingga rancangan yang dihasilkan merupakan
rancangan yang aman dan baik dalam
pengoperasiannya. Ada beberapa prinsip dalam perhitungan temperatur yang sebaiknya dipahami dengan baik antara lain.
Cold plane area (Acp)
Secara normal permukaan heat absorb pada fire heater atau furnace terdiri dari sejumlah susunan tube. Dari sini kita dapat mengasumsikan
tube area sebagai equivalent plane area untuk
menyederhanakan hitungan. Jadi, perhitungan cold plane area adalah area sepanjang tube, yang akan menerima panas radiasi dari pembakaran fuel. Atau dengan kata lain plane area yang memiliki kapasitas penyerapan panas yang sama dengan sejumlah tube tersebut.
Exchange factor (F)
Dikarenakan Flue Gas dalam Fire Box merupakan radiator yang buruk, sehingga persamaan perpindahan panas harus dikoreksi dengan menggunakan exchange factor (F) dimana nilai exchange factor tergantung dari emmisivity
gas dan ratio refraktory area dengan cold plane area. Overall radiant exchange factor dapat
diperoleh dari perhitungan rumus di Chemical
Process Equipment, Stanley M. Walas.
Relative Effectiviness Factor, (α)
Dikarenakan permukaan tube tidak dapat menyerap semua panas radiasi ke cold plane area, maka factor effektivitas absorpsi panas, α, dapat digunakan untuk mengoreksi cold plane area. Faktor koreksi (α) sendiri tergantung pada susunan
tube dan jarak center to center. Faktor relatif
efektivitas dapat diperoleh dengan mengunakan grafik berikut :
Gambar Efisiensi penyerapan panas (α) Untuk single row di depan refractory
wall, gunakan total one row. Untuk pembakaran
dari dua sisi gunakan direct one row. 3. Metodologi
Dalam mendesain furnace ada beberapa tahapan yang harus dilakukan. Adapun tahapan yang dilakukan yakni : Mengumpulkan data
Furnace tipe Box pada kapasitas 1900 barrel/hari,
Menghitung efisiensi pada Furnace tipe Box pada kapasitas 1900 barrel/hari, Menghitung bahan bakar yang digunakan pada Furnace tipe Box dengan kapasitas kapasitas 3800 barrel/hari, Menghitung Duty pada Furnace tipe silinder
PPO05-7
vertikal dengan kapasitas kapasitas 3800 barrel/hari berdasarkan hasil pada Furnace tipe
Box dengan kapasitas yang sama dan Menghitung
jumlah Tube & diameter Furnace pada Furnace tipe silinder vertikal dengan kapasitas kapasitas 3800 barrel/hari.
Tahapan yang pertama yakni
pengumpulan data pada Furnace tipe Box pada kapasitas 1900 barrel/hari. Data yang perlu diambil yakni temperatur, tekanan, flow rate, specific
gravity dan massa jenis. Pengumpulan data ini
bertujuan untuk menghitung efisiensi furnace pada kapasitas yang 1900 barrel/hari.
Setelah didapatkan data-data diatas, tahap selanjutnya yakni menghitung efisiensi pada
Furnace tipe Box pada kapasitas 1900 barrel/hari.
Tahapan ini dibagi lagi menjadi 2 bagian yakni : perhitungan neraca massa dan perhitungan neraca panas. Perhitungan neraca massa bertujuan untuk mengetahui seberapa besar massa yang dipindahkan/ ditranferkan dari pemanas terhadap bahan yang dipanaskan. Adapun tahapan perhitungan neraca massa yakni : perhitungan stokioetri, perhitungan uap air yang berada di flue
gas, perhitungan exces air dan perhitungan neraca
massa total. Sedangkan perhitungan neraca panas bertujuan untuk mengetahui efisiensi panas atau
kemampuan alat untuk menghantarkan/
mentransferkan panas dari pemanas ke bahan yang dipanaskan. Adapun tahapan perhitungan neraca panas yakni : menghitung nilai bakar fuel oil, mencari Lower Heating Value (LHV) fuel oil, menghitung panas masuk dapur, menghitung panas
losses dan menghitung efisiensi panas.
Dengan basis perhitungan efisiensi
Furnace tipe Box pada kapasitas 1900 barrel/hari,
dengan cara yang sama dapat dihitung kebutuhan
fuel oil dan fuel gas pada kapasitas 3800 barrel/hari
dengan cara menghitung mundur.
Setelah didapatkan kebutuhan fuel oil dan
fuel gas pada kapasitas 3800 barrel/hari, tahap
berikutnya yakni menghitung Duty pada Furnace tipe silinder vertikal dengan kapasitas kapasitas 3800 barrel/hari berdasarkan hasil pada Furnace tipe Box dengan kapasitas yang sama. Adapun tahapan perhitungan Duty yakni : mencari enthalpy
crude oil masuk dan keluar Heater, menghitung
panas crude oil masuk ke heater dan menghitung panas crude oil keluar ke heater. Perhitungan Duty bertujuan untuk mengetahui seberapa besar panas yang diserap oleh Crude Oil.
Tahapan yang terakhir yakni Menghitung jumlah Tube & diameter Furnace pada Furnace tipe silinder vertikal dengan kapasitas kapasitas 3800 barrel/hari. Tahapan ini dibagi lagi menjadi 2
bagian yakni : perhitungan panas pada seksi radian dan perhitungan panas pada seksi konveksi. Adapun tahapan perhitungan panas pada seksi radian yakni : menghitung panas yang diserap pada
radiant section, menghitung heat net release,
mengambil harga dari Average radiant rate, menghitung radiant surface yang dibutuhkan, menghitung total panjang tube yang dibutuhkan, menghitung jumlah tube yang dibutuhkan (trial sampai harga heat flux berada dalam range yang ditentukan), menghitung jumlah tube per pass, menghitung surface per tube, menghitung total
equivalent cold plane area, menghitung mean beam length (L), Trial perhitungan temperature fire box sesungguhnya dan heat flux yang diizinkan dan
menghitung temperature difference. Sedangkan tahapan perhitungan panas pada seksi konveksi yakni : menghitung panas yang diserap pada
convection section, menghitung mass velocity,
menghitung LMTD, menghitung mean gas film, menghitung overall transfer coefisient, menghitung
convection tube surface area dan menghitung
jumlah row dan jumlah tube yang diperlukan. Flowchart Perhitungan
Start
Mengumpulkan data Furnace tipe Box pada kapasitas 1900 barrel/hari
Menghitung bahan bakar yang digunakan pada Furnace tipe Box dengan kapasitas kapasitas 3800 barrel/hari
Menghitung efisiensi pada Furnace tipe Box pada kapasitas 1900 barrel/hari
Menghitung Duty pada Furnace tipe silinder vertikal dengan kapasitas kapasitas 3800 barrel/hari berdasarkan hasil pada Furnace
tipe Box dengan kapasitas yang sama
Menghitung jumlah Tube & diameter Furnace pada Furnace tipe silinder vertikal dengan kapasitas kapasitas 3800 barrel/hari
PPO05-8
4. Hasil dan Pembahasan
Furnace yang di efisiensi adalah tipe box dengan susunan tube horizontal diseksi radiant dan seksi konveksi berdasarkan kapasitas 1900 barre/h. Hasil perhitungan efisiensinya adalah:
Tabel 4.1. Perhitungan panas masuk dan panas hilang pada furnace type box
No . Panas masuk No t Jumlah (Btu) No . Panas Losses No t Jumlah Btu 1.a b. 2.a b. 3. 4.a b. Panas Pembakaran flue oil Panas sensible flue oil Panas pembakaran fuel gas Panas sensible fuel gas Panas otomazing stream Panas udara pembakaran Panas sensible air karena kelembaan udara Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 7656769,575 23172,007 1762563,067 5816,850 24049,692 142636,461 16837,275 1.a . b. c. d. 2.
Panas terbawa oleh gas asap kering
Panas terbawa oleh uap air di dalam gas asap karena kandungan air (H2O) dalam bahan bakar Panas terbawa oleh uap air dalam gas asap karena hydrogen dalam bahan bakar
Panas terbawa oleh uap air di dalam gas asap karena kandungan udara
Panas keluar dinding dapur Q’1 Q’2 Q’3 Q’4 Q’5 904836,243 206274,074 756912,400 37002,293 52494,027 Total panas masuk 9631844,928 Total panas losses 1957519,03 8 Maka :
= % 100 x masuk panas total losses panas total masuk panas total = 100% 928 . 9631844 038 . 1957519 928 . 9631844 x = 80 %Berdasarkan perhitungan efisiensi kondisi aktual untuk Furnace saat ini yang beroperasi dengan kapsitas 1900 barrel/h masih memenuhi kelayakan. Tetapi apakah furnace masih layak beroperasi jika kapasitas produksi akan dinaikkan sebesar 3800 barrel/h ? Secara nyata tentunya alat ini akan bekerja diluar kemampuannya (over
design). Untuk melakukan perhitungan dengan
kapasitas baru (3800 barrel/hari) hasil dari perhitungan pada kapasitas yang lama (1900 barrel/hari) dijadikan dasar untuk menghitung kebutuhan fuel oil dan fuel gas serta menghitung kebutuhan jumlah tube dan diameter pada tipe silinder vertikal pada kapasitas 3800 barrel/h.
Dari hasil perhitungan efisiensi pada type box, dilakukan perhitungan untuk mendapatkan nilai bahan bakar yang dibutuhkan dengan cara perbandingan langsung terhadap jumlah bahan bakar pada kapasitas 1900 barrel/h dan cara trial and error dengan mengubah flow rate crude oil pada efisiensi tetap.
Dari hasil perhitungan didapatkan nilai efisiensi Furnace Type Box yakni 80 %. Nilai ini dijadikan dasar sebagai nilai minimal efisiensi pada
Furnace Type Cylinder Vertical pada kapasitas
baru (3800 barrel/hari) dengan dasar pertimbangan nilai Duty yang dihasilkan. Selain itu, nilai efisiensi ini juga dapat diperbesar (dengan pertimbangan nilai Duty) agar dapat memperoleh
luas perpindahan panas yang lebih besar dan panas yang diberikan atau di transfer crude oil juga lebih besar.
Dari perhitungan dengan cara
perbandingan langsung didapatkan jumlah kebutuhan bahan bakar pada kapasitas 3800 barrel/hari yaitu:
Flow rate fuel oil dan fuel gas sudah ditetapkan sebesar:
1. Fuel oil = 0,248 m3/jam 2. Fuel gas = 71,21 m3/jam
Tabel. 4.2. Perhitungan jumlah bahan bakar metode perbandingan langsung
Masuk Keluar
Komponen lb/jam Komponen lb/jam
Fuel Gas Flue Gas
CH4 87,329 CO2 1384,485 C2H6 7,371 O2 487,349 C3H8 6,132 N2 8218,851 i-C4H10 1,822 H2O 900,309 n-C4H10 2,477 Total 10990,994 i-C5H12 1,276 n-C5H12 1,044 Losses 577,948 C6H14 4,226 CO2 89,646 N2 0,564 Total 201,889 Fuel Oil C 428,370 H2 72,823 H2O 0,5195 Total 501,193 Udara O2 2496,695 N2 8218,288 Total 10714,98 3 Atomizing steam H2O 150,358 TOTAL 11568,942 11568,942
Pada tabel 4.2. diperoleh hasil perhitungan berdasarkan perbandingan yang sama antara fuel oil dan fuel gas pada furnace tipe box
PPO05-9
dengan kapasitas 1900 barrel/hari. Tujuan dari perhitungan dengan metode perbandingan langsung yakni untuk mempermudah penentuan nilai fuel oil dan fuel gas. Perhitungan dengan metode ini bertujuan untuk memperoleh nilai efisiensi yang sama dengan kapasitas 1900 barrel/hari.
Dari tabel 4.2. sudah diketahui flow rate fuel oil adalah 0,248 m3/jam sehingga didapatkan nilai rate fuel oil sebesar 501,193 lb/jam, sedangkan flow rate fuel gas adalah 71,21 m3/jam sehingga didapatkan juga nilai rate fuel gas sebesar 201,889 lb/jam.
Dari perhitungan cara trial and error didapatkan jumlah kebutuhan bahan bakar pada kapasitas 3800 barrel/hari yaitu:
Flow rate fuel oil dan fuel gas di trial, dan hasil trial didapatkan nilai sebesar:
1. Fuel oil = 0,300 m3/jam 2. Fuel gas = 40 m3/jam
Tabel. 4.3. Perhitungan jumlah bahan bakar metode trial and error
Tabel 4.3 diatas diperoleh dari hasil perhitungan yang didasarkan pada metode trial & error antara fuel oil dan fuel gas. Tujuan dari perhitungan dengan metode trial & error yakni untuk menghemat penggunaan bahan bakar fuel gas karena lebih memperioritaskan penggunaan fuel oil yang lebih dimaksimalkan.
Dari 4.3 tabel diatas untuk menentukan flow rate dilakukan dengan trial. Nilai flow rate untuk fuel oil didapatkan 0,300 m3/jam sehingga dapat diketahui nilai rate sebesar 606,025 lb/jam.
Masuk Keluar
Komponen lb/jam Komponen lb/jam
Fuel Gas Flue Gas
CH4 49,055 CO2 1763,740 C2H6 4,141 O2 620,850 C3H8 3,445 N2 10549,877 i-C4H10 1,024 H2O 1127,999 n-C4H10 1,391 Total 14062,46 5 i-C5H12 0,717 n-C5H12 0.586 Losses 593.891 C6H14 2,374 CO2 50,356 N2 0,317 Total 113,40 5 Fuel Oil C 517,970 H2 88,055 H2O 0.628 Total 606,025 Udara O2 3204,93 0 N2 10549,5 60 Total 13754, 490 Atomizing steam H2O 181,81 TOTAL 14656,3 56 14656,356
PPO05-10
Nilai flow rate fuel gas juga didapatkan melalui trial sehingga didapatkan nilai rate sebesar 113,405 lb/jam.
Dari kedua hasil perhitungan diatas kami mengambil perhitungan pada tabel 4.3 karena bahan bakar yang dimaksimalkan adalah penggunaan fuel oil, fuel oil yang digunakan adalah residu yaitu produk bawah atau hasil samping dari proses pengolahan minyak bumi itu sendiri, sehingga dilihat dari segi biaya bisa mengurangi jumlah pengeluaran untuk fuel gas, secara langsung mengurangi biaya pengeluaran pada bahan bakar.
Hasil perhitungan jumlah tube dan diameter furnace tipe silinder vertikal dengan kapasitas 3800 barrel/h adalah :
Tabel 4.4.Hasil perhitungan pada langkah design furnace silinder vertikal
No Yang dihitung Hasil hitungan
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Heat duty
Panas yang diserap seksi radiant
Panas yang diserap seksi konveksi Net heat release Radiant surface area Total panjang tube yang dibutuhkan
Nilai mean beam
lenght (L) 10562546,667 BTU/jam 7393782,667 BTU/jam 3168764,000 BTU/jam 13203183,334 BTU/jam 528,127 ft2 304,572 ft 5,894 ft Dalam penentuan jumlah tube hal yang menjadi dasar dari perhitungan desain kali ini adalah Heat Flux yang diijinkan. Berdasarkan tahapan perhitungan teori yaitu pada langkah 11 diperoleh jumlah tube minimal sebesar 10. Hasil diatas tidak dapat diterapkan, karena heat flux yang dihasilkan tidak memenuhi syarat yang ada (Sebagaimana diketahui bahwa Heat Flux yang diijinkan berkisar antara 10000-14000 BTU/jam.ft2 (Applied Heat Transfer hal 392)). Untuk itu agar mendapatkan jumlah tube minimum yang sesuai dengan range atau syarat yang ada harus digunakan trial and error. Hasil perhitungan trial dan error jumlah tube terhadap jumlah Heat Flux yang dihasilkan bisa dilihat pada tabel 4.3 dan grafik perhitungan 4.1
Menentukan temperature Fire Box
dilakukan pada tahap perhitungan ke-17, dimana temperature Fire Box merupakan dasar dalam perhitungan Heat Flux selanjutnya, maka digunakan metode trial and error.
Asumsi : Temperatur Fire Box = 1800 ºF.
Selain memperhatikan efisiensi furnace juga harus diperhatikan Heat Flux yang terjadi. Berikut ini hasil perhitungan jumlah tube dengan Heat Flux
dan pengaruh diameter maupun tinggi furnace yang terjadi :
Tabel 4.5. Hasil perhitungan Heat Flux dengan jumlah tube, diameter serta tinggi furnace Jumlah Tube Heat Flux (Btu/jam/ft2) Tinggi Heater (ft) Diameter Heater (ft) 24 15104,571 25,31 5,84 26 13942,681 23,36 6,27 28 12946,775 21,70 6,70 30 12083,657 20,25 7,12 32 11328,428 18,98 7,55 34 10662,050 17,87 7,98 36 10069,714 16,87 8,41 38 9539,329 15,99 8,84
Grafik 4.6. hubungan antara jumlah tube dan Heat flux
Kami memilih 36 tube agar mendapatkan luas perpindahan panas yang lebih maksimal. Selain itu juga untuk pemilihan ini didasari dari luasnya area yang ada di PUSDIKLAT MIGAS Cepu sebesar 5 m2. Sehingga diameter 8,41 ft dan tinggi 16,87 ft lebih cocok untuk untuk menempati area tersebut.
Untuk memudahkan dalam melihat hasil perhitungan furnace tipe silinder vertikal maka secara tabel dapat dilihat spesifikasi dari furnace sebagai berikut :
Tabel 4.6. Hasil Perhitungan Desain furnace
silinder vertical
kapasistas 3800 barrel/h
Spesifikasi Furnace Desain Silinder Vertikal
Tipe Heater Silinder vertikal
Kapasitas per hari 3800 barrel per hari Jenis burner yang
digunakan
Combination mix Fuel Temperatur masuk heater 257 oF
Temperatur keluar heater 635 oF Jumlah tube pada seksi
radiant
36 tube
Pengaruh jumlah Tube terhadap Heat Flux
10 15 20 25 30 35 40 8000 10000 12000 14000 16000 Heat Flux (BTU/jam.ft2)
J u m la h T u b e
PPO05-11
Jumlah tube pada seksi konveksi
16 tube
Panjang tube 30 ft
Diameter tube 4 in
Jarak center to center 8.1 in Temperatur Fire Box 1800 oF Temperatur Stack Gas 392 oF
Excess air 24 %
Efisiensi 80 %
Konsumsi bahan bakar
Fuel Oil : 606,025
lb/jam
Fuel Gas :113,405 lb/jam
Dari perhitungan desain furnace di atas setidaknya dapat diketahui suatu hal penting bahwa untuk mendesain suatu furnace haruslah memperhatikan besarnya Heat Flux yang dihasilkan. Sedangkan hal utama yang mempengaruhi Heat Flux itu sendiri adalah jumlah
tube. Semakin besar jumlah tube yang ada maka
semakin kecil Heat Flux yang diperoleh. 5. Kesimpulan
Berdasarkan uraian-uraian maupun tahapan-tahapan perhitungan yang telah dilakukan pada bab diatas, terutama yang berkaitan dengan permasalahan dalam efisiensi dan desain furnace tipe silinder vertikal, maka setidaknya ada beberapa kesimpulan maupun saran yang dapat diberikan. Antara lain:
1. Efisiens Furnace Type Box pada
kapasitas 1900 barrel/hari di
PUSDIKLAT MIGAS CEPU sebesar 80 %. Berarti furnace ini layak untuk dijadikan dasar perhitungan untuk design furnace yang baru.
2. Jumlah bahan bakar yang digunakan untuk Furnace Type Box pada kapasitas 3800 barrel/hari adalah : fuel oil 606,025 lb/jam dan fuel oil 113,405 lb/jam. 3. Untuk memanaskan crude oil pada
Furnace Type Cylinder Vertical dengan
kapasitas 3800 barrel/hari di
PUSDIKLAT MIGAS CEPU diperlukan
duty sebesar 10562546,667 BTU/jam.
4. Jumlah Tube pada Furnace Type Cylinder Vertical dengan kapasitas 3800
barrel/hari di seksi radiant sebanyak 36 tube dan di seksi konveksi berjumlah 18 tube. Diameter dan Tinggi Furnace masing-masing yakni 8,41 ft dan 16,87 ft. 5. Jumlah tube dan besarnya diameter di trial dengan memperhatikan heat flux yang dihasilkan agar tetap pada batas yang diijinkan (10.000 - 14.000 BTU/jam.ft2) .
Daftar Pustaka 1. Fired Heaters. html
2. GANAPATHY. V, 1982, “Applied Heat Transfer”. PennWell Books, Oklahoma.
3. GEANKOPLIES. CJ.1997,”Transport
Processes and Unit Operations”.Third Edition, University Of Minnesota.
4. HARDJONO.1987, “Teknologi Minyak Bumi I”, Jutusan Teknik Kimia, Universitas Gadjah Mada.
5. HIMMELBLAU, DAVID M, “Basic
Principles and Calculations Engineering”. Sixth Edition, University Of Texas.
6. KERN, DONALD Q. 1988, “Process Heat Transfer” , McGraw-Hill book.
7. MAXWELL. J.B. Application To Process Engineering,“Data Book On Hydrocarbons”, Second Printing, D. Van Nostrand Company, Inc.
8. PERRY, ROBERT H. “Chemical
Engineerings Handbook”. Fifth Edition, The McGraw Hill Companies.
9. S.A, KARDJONO. “Ketel Uap dan Sistem Tenaga Uap”.
10. Walas, Stanley M, 1990.”Chemical Process Equipment Selection and Design”. Department of Chemical and Petroleum Engineering University of Kansas.
11. W.L NELSON,1985 “Petroleum Refinery Engineering” Fourth Edition, McGraw-Hill Book Company.
