Perancangan Tangki dan
Vessel (Bejana Tekan)
Kuliah
Tangki/Storage Tank
Tangki merupakan alat utama dalam proses
kimia, dimana hampir semua proses terjadi
didalamnya. Secara umum tangki dibedakan
menjadi dua menurut kegunaannya, yaitu:
a)Tangki penyimpanan (Storage tank/vessel)
b)Tangki pemprosesan (Process tank/vessel)
Sedangkan menurut tekanan operasinya
tangki dibagi menjadi tiga:
a)Tangki tekanan atmosferis (Athmospheric tank)
b)Tangki tekanan tinggi (Pressure tank)
TEKANAN/PRESSURE
Tekanan nol (zero pressure) Tekanan vakum (vacuum system) Tekanan atmosfer Tekanan tinggi (compressed system) Tekanan gauge positif (+) Tekanan gauge negatif (-) B A Tekanan absolut B Tekanan absolut AVessel (bejana)
Vessel merupakan basic part of processing
equipment.
Process equipment units dapat dipandang sebagai
vessels dengan bermacam-macam modifikasi yang
diperlukan sehingga dapat menjalankan fungsinya
sebagaimana yang diinginkan
(misalnya menara distilasi, reaktor, alat penukar
kalor, menara absorber dll).
Tangki Penyimpan Cairan
Atmospheric Tanks
• Yang dimaksud atmosferis adalah semua
tangki yang didesain untuk digunakan pada
tekanan atmosferis plus minus sekitar
beberapa ratus pascal atau beberapa Psi.
• Tangki dapat berupa tangki terbuka maupun
tertutup.
• Harga yang minimum biasanya didapat
dengan bentuk silinder vertikal dan dengan
dasar mendatar (flat bottom)
Standarisasi Tangki
American Petroleum Institute (API)
Institut ini telah mengembangkan standar
untuk tangki atmosferis, diantaranya adalah:
1.API Specification 12B, Bolted Production
Tanks
2.API Specification 12D, Large Welded
Production Tanks
3.API Specification 12F, Small Welded
Production Tanks
4.API Standard 650, Steel Tanks for Oil
Storage
American Water Works Association (AWWA)
• Asosiasi ini mengembangkan standar untuk penyimpanan air. Daftar lengkap setiap tahun diterbitkan didalam the AWWA Handbook
(annually).
• AWWA D100, Standard for Steel Tanks—Standpipes, Reservoirs, and Elevated Tanks for Water Storage contains rules for design and
fabrication.
• Meskipun AWWA ini dikhususkan untuk penyimpanan air, namun bisa juga digunakan untuk mendesain penyimpanan cairan lain.
Underwriters Laboratories Inc. juga telah menerbitkan beberapa standar
1. UL 58, Steel Underground Tanks untuk Flammable and Combustible Liquids
2. UL 142, Steel Aboveground Tanks untuk Flammable and Combustible Liquids
3. UL 58 covers horizontal steel tanks berukuran sampai dengan 190 m3 (50,000 gal), dengan diameter maksimal 3,66 m (12 ft), dan panjang maksimum 6 kali panjang diameter.
4. UL 142, mencakup UL 58, dan vertical tanks dengan panjang maksimum 10,7m. Ketebalan dinding dan detil lainnya diberikan
Posttensioned Concrete
• Material ini biasa dipakai untuk membuat tangki sampai
dengan kapasitas 57.000 m3, biasanya digunakan untuk
menyimpan air.
• Desain mereka disebutkan dalam (Prestressed Concrete
Cylindrical Tanks, Wiley, New York, 1961).
• Untuk desain yang paling ekonomis dari tangki besar di level
permukaan tanah direkomendasikan tinggi yang dipakai 6 m
(20 ft).
• Yang perlu diperhatikan adalah bisa jadi terjadi rembesan jika
menyimpan cairan tertentu dengan beton seperti gasoline.
Elevated Tanks
• Mampu mensuplai aliran dengan debit yang besar.
• Dapat mensuplai aliran jika terjadi kerusakan pompa
sehingga menjadi pertimbangan penting untuk sistem
pemadam kebakaran.
Open Tanks
• Jenis ini dapat digunakan untuk menyimpan material yang tidak rusak karena air dan polusi udara serta cuaca.
• Jika cairan dapat beruba karena pengaruh – pengaruh tersebut maka atap dibutuhkan.
• Atap bisa berupa fixed roof ataupun floating roof. • Fixed roof biasanya berbentuk dom atau konis
• Fixed roofs membutuhkan ventilasi untuk menghindari
perubahan tekanan akibat perubahan suhu, pengisian dan pengeluaran cairan didalam.
• API Standard 2000, Venting Atmospheric and Low Pressure Storage Tanks, memberikan petunjuk praktis untuk mendesain ventilasi.
• Prinsip – prinsip dari standar diatas dapat dipakai untuk
cairan selain cairan produk minyak bumi.
• Karena jika open vent ini digunakan untuk cairan dengan
flash point dibawah 38°C (100°F), maka akan terjadi
kehilangan yang cukup besar.
• Langkah mudah untuk menghindari kehilangan akibat
ventilasi adalah dengan memakai tangki jenis
variable-volume tanks (API Standard 650).
Floating Roofs
• Tangki jenis ini memiliki sekat antara atap dan dinding tangki.
• Jika tidak memakai fixed roof, maka dinding harus memiliki
―wind girder‖ untuk menghindari distorsi.
• Jenis atap tangki ini menyebabkan minimum kondensasi dan
lebih dianjurkan.
Pressure Tanks
• Standar untuk membuat tangki penyimpan cairan
dengan tekanan tinggi menggunakan API
Standard 620.
• Bentuk yang digunakan bisa bulat, elipsoidal,
toroidal dan sirkular silinder dengan bentuk head:
torispherical, ellipsoidal, or hemispherical heads.
• The ASME Pressure Vessel Code (Sec. VIII of the
ASME Boiler and Pressure Vessel Code) juga bisa
digunakan sebagai acuan.
• Tangki yang didesain untuk tekanan vakum dalam
operasinya harus dilengkapi dengan
Tangki Penyimpan gas
• Gas bisa disimpan dalam expandable gas holders bisa berupa tipe liquid-seal atau dry-seal type. Tipe liquid-seal holder lebih sering dijumpai.
• Tangki berupa container silinder, dan berubah volumenya dengan bergerak keatas dan kebawah dengan annular water-filled seal tank. • Tangki jenis ini bisa didesain sampai dengan volume 280,000 m3
(10 ´ 106 ft3).
• dry-seal holder memiliki atap yang terhubung dengan dinding tangki menggunakanflexible fabric diaphragm yang memungkinkan untuk bergerak keatas dan kebawah.
• Informasi yang lebih lengkap mengenai gas holder dapat dijumai di
Gas Engineers Handbook, Industrial Press, New York, 1966.
• Tangki penyimpan gas bertekanan biasanya terpasang permanen, tekanan biasanya diatas 7 kPa.
• Menyimpan gas dalam tekanan tidak hanya mereduksi volume tapi dapat juga mencairkan gas pada suhu lingkungan
• Beberapa gas yang seperti ini adalah carbon dioxide, beberapa petroleum gases, chlorine, ammonia, sulfur dioxide, Freon.
• Tangki bertekanan biasanya diinstal dibawh tanah
• Liquefied petroleum gas (LPG) penyimpanannya sesuai dengan standar API Standard 2510,.
• Standar yang lain adalah:
1. National Fire Protection Association (NFPA) Standard 58, Standard untuk Penyimpanan dan Handling dari Liquefied Petroleum Gases 2. NFPA Standard 59, Standard untuk Storage dan Handling dari
Liquefied Petroleum Gases di Utility Gas Plants
3. NFPA Standard 59A, Standard untuk Produksi, Penyimpanan, and Handling dari Liquefied Natural Gas (LNG)
• API Standard juga memberikan jarak minimum dari tangki ke peralatan lainnya.
Low-Temperature dan Cryogenic Storage
• Dalam penyimpanan cryogenic gas dalam tekanan atmosferis
yang dipertahankan cair karena diturunkan suhunya.
• Dalam sebuah sistem dapat dioperasikan dengan
mengkombinasikan tekanan dan suhu.
• Disebut ―cryogenic‖ biasanya berhubungan dengan
temperatur dibawah -101°C (-150°F).
• Penyimpanan cryogenic membutuhkan insulasi dan material
konstruksi yang khusus.
• Material untuk gas yang dicairkan perlu tahan terhadap
temperatur rendah dan tidak akan terjadi brittle.
• Carbon steels dapat digunakan sampai -59°C (-75°F), dan
low-alloy steels sampai -101°C (-150°F). Dibawah suhu ini
digunakan austenitic stainless steel (AISI 300 series) dan
aluminum adalah material penting.
Perancangan Tangki
beberapa faktor harus dipertimbangkan pada
perancangan setiap vessel atau unit.
• Tipe vessel untuk melaksanakan tugas yang diinginkan dan dapat bekerja sesuai dengan keinginan perancang.
• Hal lain yang perlu diperhatikan adalah bahan konstruksi, induced stresses, elastic stability, aesthetic appearance dan cost of production (terkait dengan penggunaan dan useful life)
SILINDER
•Bejana tekan bentuk silinder banyak dipakai di industri, dengan bermacam-macam heads, seperti flat, ellipsoidal (elliptical dished), standard dished, hemispherical atau conical.
•Kebutuhan proses menentukan jenis head yang akan dipakai •Misalnya head bentuk konis dipakai pada setlling drum.
•Untuk tekanan tertentu, maka tebal head dari tebal ke tepis dengan urutan: standard dished ellipsoidal dan hemispherical.
•Untuk tekanan >150 psig, dipilih ellipsoidal (elliptical dished) dengan perbandingan sumbu panjang berbanding sumbu pendek=2:1
Skema Tangki
Vessel (bejana)
Vessel (bejana)
Vessel (bejana)
Vessel (bejana)
Vessel (bejana)
Vessel
(bejana)
Vessel
(bejana)
Vessel
(bejana)
Vessel
(bejana)
Vessel (bejana)
Vessel (bejana)
9/7/2014 29
Aboveground Storage Tank Systems — Facilities with a Capacity of One Million Gallons or More
Vessel (bejana)
9/7/2014 30
Vessel (bejana)
Bentuk bola
Idealnya, vessel (bejana) berbentuk bola karena tebalnya lebih tipis dibandingkan bejana bentuk silinder untuk tekanan yang sama.
Tangki bentuk bola biasanya dipakai menyimpan bahan-bahan yang mudah menguap dan gas, tetapi tidak sesuai untuk alat-alat proses.
Vessel (bejana)
Vessel (bejana)
Vessel (bejana)
Pengelasan
Pengelasan merupakan hal yang umum untuk menyambung dua metal. Setelah pengelasan perlu dilakukan beberapa proses untuk
penyempurnaannya.
Operasi stress relieving tergantung pada bahan konstruksi. Misalnya baja karbon, dipanasi samapi 1100 oF dan kemudian didinginkan secara perlahan-lahan.
Stress Relieving
Akibat pengelasan sering ada residual stress yang perlu diperhatikan karena dapat menurunkan kekuatan bejana (vessel) terutama untuk vessel yang mempunyai tebal lebih besar 1,25 in.
Stress relieving dapat dilakukan dengan proses annealing, atau heat treating process.
Vessel (bejana)
Radiographing
•Jika diinginkan konstruksi vessel dengan kesempurnaan yang tinggi, maka perlu dilakukan proses radiographing untuk
melihat adanya kerusakan atau defect
•Untuk vessel ukuran dengan diameter 20-30 ft, biasanya difabrikasi di lapangan (dimana akan dibangun).
Vessel (bejana)
Efisiensi masing-masing tipe sambungan las dapat dilihat ada table berikut:
Vessel (bejana)
Tebal, inch Increment, inch 3/16 - 1 1/16
1 - 1,5 1/8
1,5 - 4,0 1/4
9/7/2014 37
Tebal tidak boleh lebih tipis dari tebal minimum yang diijinkan (Rase, F.H. and Barrow, M.H., 1957, Project Engineering of Process Plants, John Wiley &Sons, Inc, New York, pp.187-213)
Panjang plate dapat sampai 800 in, untuk plate yang lebih tipis. Lebar plate maksimum bisa 195 dan panjang diatas 100 in ada penambahan ongkos pembuatan ekstra.
Vessel (bejana)
Vessel Heads
Vessel (bejana)
Vessel (bejana)
Alat kelengkapan vessel (bejana)
Kelengkapan bagian luar vessel
•Nozzle
•Manholes
•Handholes dan kelengkapan lainnya, seperti
•Support untuk isolasi
•Ladders
•Skirt pada elevasi tertentu
•Lug,
•Dike
Vessel (bejana)
Kelengkapan bagian dalam vessel
•Tray
•Packing
•Packing support
•Distributor,
•Dan lain-lain
9/7/2014 41Vessel (bejana)
Kondisi operasi
Kondisi design:
Dimensi dasar
Low pressure tanks (50-75 psig):
Untuk tekanan >100 psig:
Faktor lain seperti plant lay out, appearance, foundation juga harus diperhatikan.
9/7/2014 43
1.10 1, 2
design operasip
p
50
o design operasiT
T
F
3
4
L
D
4
6
L
D
Vessel (bejana)
Bahan konstruksi
• Pemilihan bahan konstruksi didasarkan pada pertimbangan ekonomi dan tahan terhadap korosi.
• Pemilihan bahan konstruksi didasarkan pada pertimbangan berikut (Bakhurst, J.R. and Harker, J.H., 1983,Process
Plant Design, Heinemann, Educational Books, London, pp.230)
Vessel (bejana)
Pemilihan bahan konstruksi didasarkan
pada pertimbangan berikut
• cukup kuat untuk menahan beban yang ada
• tahan terhadap perubahan suhu yang ekstrim
• tahan terhadap bahan kimia yang berkontak
• harga
Vessel (bejana)
•Biasanya dibuat dari metal, alloy, bahan yang
dilapisi bahan yang sesuai dengan bahan yang
disimpan.
•Misalnya dilapisi karet atau gelas. Jika tidak
korosif, maka dipilih bahan baja dengan
kandungan karbon rendah (hot rolled mild (low
carbon) steel plate).
Vessel (bejana)
PEMILIHAN TIPE VESSEL
(Brownell, L.E. and Young, E.H., 1959, PROCESS EQUIPMENT DESIGN: Vessel Design, Wiley Eastern Limited, New Delhi).
Pertama yang harus diperhatikan adalah pemilihan tipe vessel yang sesuai dengan tugas yang akan dibebankan padanya
Faktor utama yang perlu diperhatikan adalah:
•Fungsi dan lokasi •Sifat fluida
•Kondisi operasi: suhu dan tekanan
•Volum yang diperlukan untuk penyimpanan atau untuk proses
Vessel (bejana)
Vessel juga dapat diklasifikasikan sesuai
dengan
• Fungsinya,
• Tekanan dan suhu operasi,
• Bahan konstruksi atau
• geometrinya.
Vessel (bejana)
UMUMNYA VESSEL DIKLASIFIKASIKAN
BERDASARKAN GEOMETRI-NYA
:• Open tanks (tangki terbuka)
• Flat-bottomed, vertical cylindrical tanks (tangki bentuk silinder vertical dengan dasar datar)
Vessel (bejana)
UMUMNYA VESSEL DIKLASIFIKASIKAN BERDASARKAN GEOMETRI-NYA:
• Vertical cylindrical and horizontal vessels with
formed ends (vessel bentuk silinder dipasang
horizontal atau vertical dengan formed ends)
• Spherical or modified spherical tanks(tangki
bentuk bola atau bola termodifikasi
)Vessel (bejana)
Vessel tersebut diatas umumnya dipakai
untuk storage atau processing vessels for
fluids.
Penggunaan vessel tersebut saling
overlaping (tidak jelas perbedaannya),
sehingga sangat sulit membuat klasifikasi
secara tegas.
Vessel (bejana)
Open tanks (tangki terbuka)
Biasanya dipakai untuk:
• surge tanks diantara dua unit operations
• tangki untuk proses batch (untuk mencampur bahan atau blending) • settling tank • decanter • reactor • reservoirs 9/7/2014 52
Vessel (bejana)
Closed tanks (tangki tertutup)
• Untuk menyimpan fluida yang mudah terbakar, fluida yang menghasilkan uap beracun dan gas harus disimpan di dalam tangki tertutup.
•Tangki yang dipakai untuk menyimpan minyak mentah dan petroleum products dirancang berdasarkan API Standard 12 C, API Specificaton for Welded Oil-Storage Tanks.
•Standar ini juga berlaku sebagai petunjuk untuk penggunaan lainnya.
Vessel (bejana)
Secara umum tangki dengan atap bentuk conical
adalah untuk tekanan atmosferik. Jika atap bentuk
dome tekanan operasi dapat berkisar antara 2,5
sampai 15 psig.
Umumnya perbandingan tinggi: diameter >1.
9/7/2014 54
Tipe atap Tekanan operasi, psig
conical 0
Vessel (bejana)
FLAT BOTTOM CYLINDRICAL VESSEL
• Nilai H/D optimum • Dimensi tangki
• Ukuran standar untuk tangki penyimpan pada tekanan atmosferik:
• Diameter: 10 sampai 220 ft • Tinggi: 6 sampai 64 ft
• Lihat Appendix E (B&Y)
Vessel (bejana)
Vessel (bejana)
Perbandingan diameter (D terhadap tinggi (H)
terletak diantara dua nilai
:
Batas bawah untuk: (D/H) optimum
Hal ini terjadi bila tangki volumnya kecil, hanya elastic stability dan corrosion allowance yang mengendalikan tebal shell
9/7/2014 57
Vessel (bejana)
Batas atas untuk:(D/H) optimum
Bila tebal shell sebagai fungsi d,
h ( ), dan unit area costs of the bottom dan
roofs tidak tergantung pada D dan H
9/7/2014 58
,
Vessel (bejana)
Misalkan:
D diameter dalam tangki, ft H tinggi tangki dalam, ft V volum tangki dalam, ft3
Volum tangki tertentu, sehingga H merupakan fungsi D
atau 9/7/2014 59 2
4
D H
V
H
4V
2D
Vessel (bejana)
Bila:
A1=luas shell, ft2, A2=luas bottom (projected area), ft2, C1= annual cost of fabricated shell, $/ft2
C2= annual cost of fabricated bottom, $/ft2 C3= annual cost of fabricated roof, $/ft2
C4= annual cost of installed foundation under the vessel, $/ft2bottom
C5= annual cost of land in the tank area chargeable to the tank area, $/ft2 bottom
C= total annual cost of the vessel, $/year
Vessel (bejana)
Jika tebal tangki
9/7/2014 61
2 1 2 3 4 54
4
VC
D
C
C
C
C
C
D
( ,
)
t
f D H
1 2 3 4 5 24
2
0
VC
C
D
C
C
C
C
D
d
dD
Vessel (bejana)
Jika tebal tangki
9/7/2014 62
2 3 1 4 5
2H
C
C
C
C
C
D
( ,
)
t
f D H
1 61
C
C
H
D
2 2 3 4 5 64
4
1
V
D
C
C
C
C
C
D
C
H
D
Vessel (bejana)
H diganti dengan
9/7/2014 63 24V
H
D
2 2 3 4 5 6 2 64
4
4
4
D
C
VC
V
VC
C
C
C
C
D
2 3 4 5
2 6 232
2
4
0
0
C
D
C
C
C
C
C V
d
dD
D
Vessel (bejana)
DidapatKasus khusus
Tangki kecil (small tank) terbuka harga tanah dan fondasi diabaikan. Biasanya tebal shell sama dengan tebal bottom. Jika
dan , didapat (C)
Tangki kecil (small tank) tertutup harga tanah dan fondasi diabaikan dan , didapat
(D) 9/7/2014 64
2 3 4 5
14H
C
C
C
C
C
D
1 2 C C C3 C4 C5 02H
D
1 2 3C
C
C
C
4
C
5
0
H
D
Vessel (bejana)
Tangki besar tertutup , atap dan shell harganya
dua kali harga bottom, dan
didapat
(E)
9/7/2014 65
2 3
24
2
0
0
2
8
3
H
C
C
C
D
H
12
2 3C
C
C
C
4
C
5
0
Vessel (bejana)
Shell design of small and medium sized
vessels (production tanks) pp.43 B&Y.
Vertical flat bottomsdisebut production tanks.
Tebal sama (single thickness).
Ukuran optimum:d (diameter=H(tinggi)
Lihat fig:3.7 dan tabel 3.3 (B&Y, pp.43-44)
Tebal:3/16‖ or ¼‖, lebar flat
60‖
Vessel (bejana)
Shell design of large storage tanks (pp.34
B&Y).
•
Tanks bentuk silinder, great structure strength
dan mudah dibuat
•
Several types of stresses yang mungkin terjadi
pada tangki bentuk silinder:
•
Longitudinal stressinternal pressure
•
Circumferential stressinternal pressure
•
Residual weld stresseslocalized heating
Vessel (bejana)
•
Stressessuperimposed loads seperti:
wind, snow, and ice, auxiliary equipment,
and impact loads
•
Stresses karena thermal differences
•
Others dijumpai didalam paraktek
Vessel (bejana)
Stress in thin shell based on membrane
theory
9/7/2014 69Longitudinal stress
4 p d t f Circumferential stress
2 p d t f Vessel (bejana)
Joint Efficiencies dan Corrosion Allowance
E= joint efficiency <1, c= corrosion allowance (korosif dan non korosif)
t= tebal shell, inches; p= internal pressure, psig;
d=diameter dalam, inches, f=allowable working
stress, psi; E=joint efficiency<1dan c= corrosion
allowance, inches
9/7/2014 70 Longitudinal stress 4 p d t c fE Circumferential stress 2 p d t c fE Vessel (bejana)
STRESS KARENA DEAD WEIGHT DAN BEBAN ANGIN
Pada windward side vessel, beban angin dan
internal pressure (dalam hal ini longitudinal stress)
mengakibatkan terjadinya tension pada dinding
vessel
sedangkan dead weight mengakibatkan
mengakibatkan terjadinya compression, sehingga
berlawanan dengan tension
(R_13)
9/7/2014 71
0
w
p
Vessel (bejana)
Pada leeward side vessel, beban angin dan dead weight mengakibatkan terjadinya compression internal pressure (longitudinal stress) mengakibatkan terjadinya tension, sehingga berlawanan dengan compression
(R_14)
9/7/2014 72
0
w
p
S
S
S
S
Allowable stress untuk buckling sama dengan stress karena beban angin dan dead weight
0
B
w
Vessel (bejana)
9/7/2014 73
Donell memberikan persamaan empiris sebagai berikut:
7 0, 6 10 1 0, 004 B y t R R t S E E S (R_17)
Vessel (bejana)
Jorgensen, menyerderhanakan rumus (R_4) untuk
baja karbon (usual carbon steel)
(R_18)
9/7/2014 746
2 10
B
t
S
x
D
Vessel (bejana)
9/7/2014 75Windward
allowable stress
Leeward allowable
stress
Buckling stress
Circumferential
stress
API_ASME CODE:
ASME CODE
2 2 ' 4 w m m P h W PD t D S D S S 2 2 ' 4 w m m P h W PD t D S D S S 22
'
w B m BP h
W
t
D S
D S
12
PD
t
c
SE
P
1 2 0, 6 PD t c SE P Vessel (bejana)
STORAGE TANK
Tangki dianggap berisi air pada suhu 60oF (densitas
=62,37 lb/ft3).
Tekanan hidrostatik pada tangki bentuk silinder, minimum pada bagian atas (top) dan maksimum pada bagian dasar (bottom).
Tekanan yang mana dipakai pada perancangan? Topunderdesign
Bottomoverdesign
Perancangan didasarkan pada tekanan 1 ft dari bottom, setiap course
Vessel (bejana)
Persamaan dasar:
9/7/2014 772
pd
t
c
fE
1
144
c
g
H
p
g
tekanan hidrostatik
Vessel (bejana)
t , dalam inches, dengan D dan H dalam ft
9/7/2014 78
1
12
144
2
H
D
t
c
fE
Vessel (bejana)
Tebal tidak boleh lebih tipis dari tebal minimum yang diijinkan (Rase, F.H. and Barrow, M.H., 1957, Project Engineering of
Process Plants, John Wiley &Sons, Inc, New York,
pp.187-213)
9/7/2014 79
Tebal, inch Increment, inch 3/16 - 1 1/16
1 - 1,5 1/8