499948080 2 LAPORAN PRAKTIKUM DESAIN FURNACE

(1)

LAPORAN PRAKTIKUM DESAIN FURNACE DI KILANG HUMPUS

REFINERY 3A

Kelompok 1 :

1. Afifah Tiara Siska 15421003 2. Chaterine Dang Ayu 16421009 3. Ibram Setiawan A 15421016 4. Rediansyah Tito .B 15421023 5. Valendio Alfiansyah 15421028

KEMENTERIAN ENERGI DAN SUMBER DAYA MINERAL

BADAN PENGEMBANGAN SUMBER DAYA MANUSIA ENERGI DAN SUMBER DAYA MINERAL

SEKOLAH TINGGI ENERGI DAN MINERAL Akamigas Cepu, April 2018

(2)

I. DASAR TEORI

1.1 Pengertian dan Prinsip Kerja Fired Heater

Fired Heater atau Furnace adalah peralatan perpindahan panas yang sumber panasnya diperoleh dari reaksi pembakaran bahan bakar oleh burner dalam firebox. Panas pembakaran dihasilkan dari reaksi pembakaran fuel gas atau pun fuel oil dengan udara, dimana panas yang dihasilkan dipindahkan ke dalam feed yang mengalir dalam tube. Pada dasarnya proses perpindahan panas yang terjadi lebih banyak menggunakan panas radiasi. Ruangan utama tempat panas radiasi berlangsung di dalam heater disebut radiant fire-box. Feed yang dipanaskan dialirkan melalui bagian dalam tube yang tersusun pada bentangan horizontal atau vertikal di sepanjang dinding samping atau di atas bagian dalam ruang pembakaran. Feed yang dipanaskan umumnya dialirkan terlebih dahulu melalui seksi konveksi yang terletak di antara ruang bakar dan cerobong, agar bisa memanfaatkan panas yang terkandung di dalam gas hasil pembakaran

1.2 Dasar Perpindahan Panas a. Radiasi

Radiasi merupakan panas yang ditransfer melalui gelombang kecil. Saat pembakaran, terdapat cahaya yang dihasilkan dari api, ini disebut radiasi api.

Fuel gas terdiri dari Hidrokarbon. Saat hidrokarbon terbakar, karbon dioksida dan air diproduksi. Keduanya merupakan molekul polar yang bergetar dan menghasilkan radiasi gas panas pada suhu tinggi. Nitrogen tidak berkontribusi terhadap radiasi. Radiasi merupakan transfer panas utama di seksi radiasi.

Qr : Radiant Heat Transfer A : Area

F : Exchange Factor T : Absolute Temperature

(3)

b. Konveksi

Adalah perpindahan panas melalui gas panas di sekitar tubes. Media perpindahan panas ini adalah molekul gas yang bersirkulasi. Merupakan perpindahan panas utama di bagian konveksi.

Q : Convection Heat Transfer A : Area

T : Absolute Temperature c. Konduksi

Adalah perpindahan panas melalui benda padat, panas merambat di molekul benda padat tersebut

Q : Convection Heat Transfer A : Area

L : Panjang area

T : Absolute Temperature 1.3 Jenis-Jenis Heater

Ditinjau dari konstruksinya Heater secara umum dapat dibagi menjadi 3 kategori, yaitu Vertical Cylindrical Heater, Cabin Heater dan tipe Box.

a. Vertical Cylindrical Heater

Secara umum bentuk dari heater jenis ini ditandai dengan lantainya yang berbentuk lingkaran, sedangkan burner dipasang dilantai dengan arah pancaran api vertikal. Pada heater jenis vertical cylindrical ini sendiri ada beragam jenis susunannya, antara lain: vertical cylindrical – all radiant; tube tersusun vertikal dengan typical duty antara 0.5 – 20 ribuan Btu/jam, vertical cylindrical – helical coil; tube tersusun secara horizontal dengan typical duty antara 0.5 – 20 ribuan Btu/jam. Vertical cylindral – with crossflow convection section; terdapat dua seksi pemanasan yaitu seksi radiasi dengan tube tersusun

(4)

secara vertikal serta seksi konveksi dengan tube tersusun secara horizontal dan typical duty antara 10 – 200 ribuan Btu/jam.

b. Cabin Heater

Secara umum bentuk dari jenis heater ini adalah pada bagian seksi radiasi dan konveksi tube tersusun secara horizontal. Terdapat dua jenis susunan pada jenis cabin, yaitu cabin dengan posisi burner di lantai dan cabin dengan pembatas sel antar seksi radiasi dengan posisi burner terletak di dinding.

Untuk tipe cabin tanpa pembatas sel memiliki typical duty antar 10 – 100 ribuan Btu/jam, sedangkan untuk tipe cabin dengan pembatas sel memiliki typical duty 20 – 100 ribuan Btu/jam.

c. Box Heater

Pada heater jenis ini antara ruang pembakaran dan ruang konveksi dipisahkan oleh satu atau lebih dinding penyekat (Bridgewall). Terdapat beberapa jenis macam box heater berdasarkan letak susunannya, antara lain:

Two-cell box; terdapat tube yang tersusun horizontal pada seksi radiasi dan konveksi dengan jumlah seksi radiasi lebih dari satu ruang serta burner terletak pada lantai dan mempunyai typical duty 100 – 250 ribuan Btu/jam, End-fired box, tube tersusun secara horizontal dengan burner terletak pada ujung dinding ruang pembakaran dan mempunyai typical duty 5 – 50 ribuan Btu/jam.

II. HASIL PERHITUNGAN Perhitungan Furnace Humpuss

Kapasitas = 10000 BPD

= 66,24m³/hari

= 56145,83ft³/hari

SG Crude = 0.8639

Density (ρ) = 53,881443lb/ft³ Mass flow = 3025218,339lb/hari

(5)

= 126050,7641lb/jam

Temp. In = 227^oC

= 440,6^oF Temp. Out = 345^oC

= 653^oF 1. Karakteristik Umpan dan Feed

 Cut Point dari Crude Assay

Fraksi % Volume dari Crude Cut Point ( C )

Gasoline 4.86 25 - 160

Kerosene 12.85 160 - 250

Gasoil 34.61 250 - 350

Residu 47.64 > 350

Total 99.96

 SG, API, dan KUOP Crude dan Produk

Komponen SG 60/60 API Gravity KUOP

Crude Oil 0.8639 32.3

Gasoline 0.7728 51.6 11.4

Kerosine 0.8198 41.1 11.7

Gasoil 0.8533 34.3 11.8

Residu 0.8929 27 11.9

2. Menghitung Enthalphi Masing-Masing Produk a. Gasoline

H653 Koreksi H653 kor H440.6 koreksi H440.6 kor

490 12 478 235 0.967 227.245

Q = % vol × kapasitas × SG × (H653- H440.6)

(6)

= 1375317.949btu/jam b. Kerosene

480 4 476 225 0.985 221.625

= 3913231.989btu/jam c. Gasoil

470 3 467 220 0.99 112.24

= 15299883.29btu/jam d. Residu

460 1 337 210 0.995 105

= 14411616.19btu/jam

Beban Dapur (Qh) = Σ Q Produk

= 1375317.949+3913231.989+15299883.29+14411616.19

= 35000049.42 btu/jam

= 10255.01448 kWh

= 10.25501448 MWh

Menghitung Kebutuhan Fuel

(7)

Jumlah Fuel= beban dapur nilai kalori fuel gas

Jika diketahuin panas yang dikandung oleh fuel gas adalah 18347.72btu/lb fuel oil.

SG = 0.847

Density = 52.82739 lb/ft³ Fuel yang dibutuhkan =

a.

Beban dapur= 35000049.42btu/jam

18347.72btu/lb fuel oil=1907.596662lb/jam

¿1907.596662lb/jam

52.82739lb/ft3 =¿36.10999259 ft³/jam

= 1022.521135liter/jam

= 24540.50725liter/hari b. Nilai Kalori Fuel Gas =

Effiensi = 80% (dari Gross HV)

Jumlah Kebutuhan Fuel = 24540.50725/80%

= 30868.56258 L/d Q f= Q h

Effisiensi

Q f=35000049.42btu/jam

80 % = 44025219.4 BTU/jam

(8)

Didapat nilai beban 10,25MWh maka jenis Fired Heater yang digunakan adalah Vertical Cylindrical.

(9)

3. Perhitungan Seksi Radiasi a. Menentukan Flux Rata-Rata

Radiant flux = 12000Btu/jam.ft²

= 1114.83648Btu/jam.m² Mass Velocity = 250 min

ΔP = 150 psi

b. Menentukan Bridge Wall

BWT = 1520^oF

(10)

c. Menghitung Panas yang Diserap Radiasi = 75% × QH

= 26250037.0 Btu/jam Konveksi = 25% × QH

= 8750012.355Btu/jam d. Menghitung Cross Over Temperature

Cross over temp = temp fluida outlet – 0.7 temp inlet

= 344.58^oF

e. Menghitung temperature fluida rata-rata

Tavg = (cross over temp + temp fluida outlet) / 2

= 498.79^oF

f. Menghitung Tubewall Temperature TWT = Tavg + 100^oF

= 598.79^oF

g. Menghitung Radiant Surface Area Yang Dibutuhkan ART = QR/ HEAT FLUX RADIANT

= 2187.503089ft² h. Menentukan Jenis Tube

Dalam menentukan tube, ada persyaratan yang harus dipenuhi minimal 1, yaitu:

1) In-tube mass velocity ≥ 200lb/ft².s 2) Kecepatan linear fluida adalah 3 – 12 ft/s Mass flowrate = Mass velocity / Area

(11)

Asumsi Pass 2

Asumsi Tube

Sch 40 4 inch

OD 4.5 inch 0.3749985 ft

ID 4.026 inch 0.33549865

8 ft

OD

surface 1.178 ft2/ft

VCSA 0.0884 ft3/ft

RBL 1.087 ft

*Pipe factor table UOP

i. Perhitungan In-Tube Mass Velocity

j. ¿−tube mass velocity= laju alir massa 3600× jumlah pass ×VCSA

= 198.0435585 lb/ft².s^-1 k. Perhitungan Kecepatan Linear Fluida

V = Q/A

= 7.354489504ft/s l. Perhitungan Tube Spacing

TUBE SPACING = RBL .2 / PHI

= 0.692356688ft m. Perhitungan Tebal Tube

tmin = (P.D)/(2(S.E + P.Y)) dimana =

 P (internal fluid pressure = 2000 psi (asumsi)

 Allowable stress (S) = 15500 psi

 Material Coefficient (Y) = 0.4 (Ferritic Steel)

 Longitudinal joint factor (E) = 1 (ASME B313)

(12)

 Corrosrion allowance (CA) = 0.125 inch tmin = 0.27607362 inch

t = CA + tmin

= 0.40107362 inch n. Menghitung Total Effective Length

Total Effective Length = ART/ A PER TUBE

OD Surface = 1.178ft

Total Effective Length = 1856.963573ft

= 566.002497m o. Menghitung Jumlah Tube Yang Dibutuhkan

NT = TOTAL EFFECTIVE LENGTH / EXPOSE TUBE

Expose tube = 36ft

NT = 51.58232147buah

p. Menghitung Jumlah Tube Per Pass

Jumlah Tube Per Pass = Jumlah Tube Yang Dibutuhkan/ Jumlah Pass

= 25.79116073 buah

≈ 26 buah q. Tube Center To Center

Panjang Center To Center(L) = 2 × IPS

IPS = 4inch

= 0.333332ft

L = 8inch

= 0.6666664ft

r. Menghitung Tube Circle Diameter (TCD) TCD=Tube spacing × jumlah tube

π

(13)

TCD = 10.9460648 ft L/D = 3.288853178 s. Perhitungan Burner

1) Menghitung Jumlah Burner Yang Dibutuhkan Heat Release Per Burner = 10 MMBtu/jam

= 10000000Btu/jam

= 28000039.54Btu/jam Jumlah burner= Q_f

heat release per burner

= 4.40252194buah

≈ 5 buah

2) Menghitung Flame Length dan % Tube Coverage Flame length = heat release per burner × 2

= 20ft (no max) Max Flame length = Exposure tube/2

= 18ft

%Tube Coverage = Flame length/tube length ×100%

= 55.5556%

3) Menghitung Jarak Burner Dengan Tube

Vertical to centerline roof tubes or refractory (A) 7.3m 24.09ft horizontal to centerline wall tubes from burner centerline (B) 1.3m 4.29ft horizontal from centerline of burner to unshielded refractory (C) 1.1m 3.63ft between opposing burner (horizontal firing) (D) 9.8m 32.34ft horizontal distance to centerline of wall tubes from burner

centerline 1.95m 6.435ft

(14)

4) Menghitung Jarak Antar Burner

Untuk Burner yang berseberangan/Crossing Burner Centerline Spacing(CBCS)

Natural draft = 3.5

CBCS = TCD – (2 × burner tube spacing)

= 3.946064799ft

Untuk Burner yang berdampingan/Side Burner Centerline Spacing(SBCS) SBCS=

√

²

⁽

^CBCS²

⁾

²

SBCS = 2.790289179ft

(15)

4. Perhitungan Seksi Konveksi

a. Menentukan Furnace Stack Temperature

%Duty Stack = 25%

BWT = 1520

T Stack = 840

b. Log Mean Temperature Difference (LMTD)

LMTD = 603.2960226^oF c. Temperature Film Gas (Tf)

Tf = 0.5(Tinlet + Toutlet + LMTD)

= 848.4480113^oF d. Menghitung Flue Gas Rate

Flue Gas Rate = Fuel Gas Yang Digunakan × % Excess Air Fuel gas = 1907.596662lb/jam

(16)

Flue gas = 41814.51882lb/jam

= 11.61514412lb/detik Langkah 1 : Menghitung flue gas flow Flue gas linear flow=fg mass flow

density Asumsi

Komposisi Flue Gas

CO2 13%

H20 11%

N2 76%

T stack 840^oF

Density 0.8639 0.053916284

Flue gas linear flow = 215.4292423ft³/detik Langkah 2 : Menghitung Area Aliran Flue Gas

Area=flue gas linear flow fps

Fps = 25ft/s

Area = 8.617169693ft² Diameter = 3.313198792ft Langkah 3

Flue gas mass velocity=fg mass flow area

Flue gas mass velocity = 1.347907089lb/ft².s^-1 Flue gas mass = 11.61514412 lb/s e. Overall Heat Transfer Coefficient (Uc)

Uc = (a + bG + cG²) (4.5/OD)^0.25 G = flue gas flowrate

OD = outside tube diameter

(17)

Dimana :

a = 2.462 – 0.759z²

= 1.915623203

b = 0.7655 + 21.373z – 9.6625z²

= 11.94369318

c = 9.7398 – 30.809z + 14.333z²

= -6.082223668

z = Tf/1000, average outside film temperature (0.90107)

= 0.848448011 Uc = 6.964102418 A_convection= Q_convection

U c × LMTD

Qconvection = 8750012.355Btu/jam

Area konveksi = 2082.634482ft²

NT¿ A_convection

OD surface × panjang tube Panjang tube = 36ft

NT = 49.10947buah

≈ 49 buah

(18)

5. Perhitungan Diameter Stack a. Menentukan Nilai Draft

Draft per Foot of Height = 0.008 in H2O/ft b. Menentukan Velocity Head

Velocity Head = 0.003 × (fg mass vel)²× fg specific volume Fg mass vel² = 1.816853521lb²/ft⁴.s^-2

Fg specific vol = 18.54727244ft³/lb Velocity Head = 0.101093032inH2O

(19)

c. Menentukan Velocity Head Loss

Velocity Head Nilai

Bare Tubes 0.020218606

Finned Tubes 0.101093032

Damper 0.151639548

Stack Entrance 0.050546516

Stack Exit 0.101093032

Stack Friction 0.121311638

Bridgewall 0.151639548

Total 0.697541919 inH2O

d. Menentukan Tinggi Stack

Tinggi Stack = Total Velocity Head Loss/Velocity Head

= 87.19273983ft

= 26.15782195m Perbandingan Desain dan Perhitungan

Data

Desai n

Perhitung an Total Duty per heater (MM Btu/hr)

25.16

7 30

Radiant Flux (BTU/h.ft2)

1200

0 12000

Pass 2 2

Tube Spacing (ft) 0.83 0.69

Jumlah Tube 36 52

Jumlah Burner 4 5

(20)

Heating Section

Radiant Conv

Desai

n Perhitungan

Desai

n Perhitungan Heat Absorption (MM Btu/hr)

16.51

1 26.25 8.656 8.75

III. KESIMPULAN

Berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan dengan crude baru dapat disimpulkan bahwa :

1. Perlu adanya modifikasi jumlah tube pada bagian sesi radiasi yang pada desain 36 buah untuk dijadikan 52 buah.

2. Perlu adanya modifikasi pada jumlah burner pada desain 4 buah untuk dijadikan 5 buah