DAFTAR ISI
BAB 1... 3
PRINSIP KERJA ALAT...3
1.1 Furnace... 3
BAB II...6
BAGIAN BAGIAN ALAT...6
2.1 Bagian-Bagian Furnace... 6
BAB III...9
PERHITUNGAN... 9
3.2 Neraca Massa dan Neraca Energi Furnace...9
1. Neraca Massa...9
2. Neraca Energi...10
BAB IV... 12
KESIMPULAN...12
BAB 1
PRINSIP KERJA ALAT
1.1 Furnace
Furnace (fired heater) adalah suatu peralatan yang digunakan untuk memanaskan fluida kerja di dalam tube hingga mencapai suhu yang dibutuhkan pada proses berikutnya dengan menggunakan sumber panas yang berasal dari pembakaran bahan bakar gas, bahan bakar minyak atau keduanya secara terkendali oleh burner di dalam fire box. Konstruksi dasar furnace biasanya terdiri dari ruang baja yang berbentuk persegi panjang atau silinder yang dilapisi dengan bata tahan a pi, sedangkan pipa-pipa pembuluh yang digunakan merupakan baja tahan karat atau baja paduan khusus untuk suhu tinggi dengan konfigurasi penyusunan tube dapat di lakukan secara vertikal maupun horizontal pada dinding furnace.
Furnace terdiri dari dua bagian utama yaitu bagian yang menerima panas secara konveksi (convection section) dari panas yang terbawa oleh aliran flue gas da n bagian yang menerima panas langsung secara radiasi (radiation section atau combustion chamber) dari panas reaksi pembakaran bahan bakar. Perpindahan panas yang terjadi di dalam furnace menggunakan panas radiasi dan panas konveksi dengan sekitar 70% beban proses diserap di daerah radiasi dan 30% diserap di daerah konveksi. Fluida yang akan dipanaskan terlebih dahulu masuk ke dalam convection section untuk menghindari terjadinya termally shock karena pertambahan suhu yang tiba-tiba kemudian fluida akan dialirkan ke radiation section hingga mencapai suhu yang diinginkan. (Pertamina, 2010)
Furnace 15-F-102 merupakan furnace dengan tipe silinder tegak dengan konfigurasi tube pada seksi konveksi dipasang secara horizontal dan tube pada seksi radiasi dipasang secara vertikal dengan burner sebanyak enam buah terletak pada lantai bagian bawah furnace. Furnace tipe ini umum digunakan untuk pemanasan f luida dengan perbedaan suhu fluida masuk dan keluar tidak lebih dari 90℃. Furnace 15-F-102 digunakan untuk meningkatkan suhu saturated steam menjadi superheated steam dengan perbedaan suhu steam masuk dan keluar sekitar 80℃. Il ustrasi furnace dengan tipe silinder tegak dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Furnace tipe silinder tegak (Trambouze, 1999)
Keuntungan menggunakan furnace dengan tipe silinder tegak adalah konstruksi yang sederhana sehingga harga relatif murah, kebutuhan tempat lebih sedikit, luas permukaan besar sehingga efisiensi termalnya besar, jenis silinder vertikal ini memiliki bagian radiasi yang lebih tinggi dan cocok untuk burner yang menghasilkan nyala api tinggi dan rendah NOx. sedangkan kekurangannya adalah kapasitas yang kecil sehingga tidak efisien pada batas tertentu dan jarak antara tube dengan burner terlalu dekat sehingga rentan membuat tube terkena sentuhan api.
Pasokan udara untuk keperluan pembakaran bahan bakar di combustion chamber pada furnace 15-F-102 didapatkan dengan memanfaatkan perbedaan tekanan yang diakibatkan oleh perbedaan densitas udara panas di dalam furnace dan chimney stack dibandingkan dengan udara ambien, sehingga perbedaan ini menyebabkan udara mengalir tanpa memerlukan bantuan fan/blower. Furnace dengan prinsip air draft seperti ini disebut dengan natural draft furnace.
Keuntungan menggunakan furnace dengan natural draft adalah tidak dibutuhkannya perlatan tambahan seperti fan/blower untuk menghasilkan draft sehingga biaya investasi dan maintenance cenderung lebih murah, namun pemaanfaatan panas pada furnace dengan natural draft tidak maksimal terlihat pada nilai temperature stack yang cukup tinggi.
Spesifikasi lain furnace 15-F-102 selain memiliki tipe silinder tegak dan natural draft dapat dilihat pada Tabel 2.1
Tabel 2.1 Spesifikasi Furnace 15-F-102
Heater Section Radiant and Convection
Type of Fuel Fuel Gas
Design Efficiency 84,8%
Fluid Steam
Function Catalyst Cooler Superheated
Steam
Tubes Radiant
Section
Convection Section
- Position Vertical Horizontal
- Material A335-P22 A335-P22
- Outside diameter (in) 5,563 6,625
Temperature stack design (℃) 305 ℃ Temperature steam out steam design (℃) 380 ℃ Steam flow rate design (kg/h) 112.712 Tolerance temperature of superheated
steam (℃)
Low : 330 ℃ High : 360 ℃
BAB II
BAGIAN BAGIAN ALAT
2.1 Bagian-Bagian Furnace
Furnace 15-F-102 di PT Pertamina (Persero) RU VI Balongan dilengkapi dengan beberapa peralatan utama dan pendukung diantaranya adalah sebagai berikut.
1) Burner, merupakan tempat untuk memasukkan udara pembakaran dan bahan bakar secara terkendali dengan mengatur kecepatan alir dan rasio antara bahan bakar dan udara pembakaran yang sesuai agar pembakaran yang terjadi stabil. Burner juga merupakan tempat terjadinya reaksi pembakaran.
Gambar 2.2 Nyala api furnace 15-F-102
Gambar 2.3 Tampak luar burner furnace 15-F-102
2) Pilot Burner, merupakan burner kecil yang harus selalu menyala selama furnace sedang beroperasi, hal ini bertujuan untuk mengantisipasi apabila diperlukan tambahan nyala api untuk meningkatkan suhu maka cukup mengatur katup bahan bakar saja tanpa perlu melakukan penyalaan ulang dari awal.
3) Tube bundler (header), merupakan rangkaian tube yang berisi fluida yang akan dipanaskan. Umumnya rangkaian tube terdiri dari pipa-pipa lurus yang dihubungkan menggunakan U bend dengan pengelasan. Pemilihan bahan untuk tube bundler perlu mempertimbangkan resistansi bahan tersebut terhadap kondisi operasi seperti suhu dan tekanan serta kemungkinan korosi akibat fluida yang dipanaskan.
4) Tube Support, merupakan penyangga tube yang digunakan untuk mencegah p embengkokkan yang mungkin terjadi akibat pemanasan. Bahan yang digunakan mesti tahan terhadap panas, kandungan flue gas dan korosi.
Umumnya menggunakan logam yang dilapisi oleh batu tahan api (refractory lining).
5) Dinding Furnace, dinding furnace terdiri dari empat lapisan yakni lapisan refraktori (bagian paling dalam) yang berfungsi sebagai penahan sekaligus pemantul panas api yang keluar dari burner, lapisan kedua adalah susunan batu tahan api sebagai tempat melekatnya refraktori sekaligus yang berfungsi sebagai isolator panas, lapisan ketiga adalah glass wool sebagai isolator panas dan yang terakhir yakni pelat baja yang berfungsi sebagai pemberi struktur dan bentuk pada furnace.
Gambar 2.4 Dinding furnace 15-F-102
6) Air Register, merupakan pelat berlubang yang berfungsi sebagai jalur masuknya udara pembakaran pada burner.
Gambar 2.5 Air register furnace 15-F-102
7) Peep Hole, merupakan lubang kecil yang terbuat dari kaca transparan yang berfungsi untuk mengamati bagian dalam burner seperti warna nyala api, bentuk flame, warna pipa dan lainnya.
Gambar 2.6 Peep Hole furnace 15-F-102
8) Snuffing steam, merupakan tempat untuk injeksi steam yang dimanfaatkan ketika start up maupun shut down peralatan untuk purging gas-gas sisa yang terdapat dalam ruang pembakaran, selain itu dapat dimanfaatkan pula untuk
memadamkan api apabila terjadi kebakaran.
9) Explotion Door, merupakan peralatan safety pada radiation section sebagai pengaman terhadap kemungkinan kelebihan tekanan di dalam furnace.
10) Stack Damper, merupakan katup yang berfungsi untuk mengatur tekanan dan kecepatan alir flue gas yang keluar melalui stack.
Gambar 2.7 Alat untuk Mengatur Bukaan Katup Stack Damper
Gambar 2.8 Indikator Bukaan Stack Damper
11) Soot Blower, merupakan peralatan yang berfungsi untuk membersihkan hasil pembakaran (jelaga) dari flue gas yang menempel pada bagian luar tube. Alat ini umumnya dilengkapi dengan nozzle yang berfungsi untuk spray steam maupun udara untuk membersihkan pipa pada bagian convention section.
Gambar 2.9 Soot Blower di furnace 15-F-102
12) Platform, merupakan tempat yang dapat digunakan oleh operator untuk berlalu-lalang di sekitar furnace selama pemeriksaan kondisi furnace.
13) Access Door, merupakan pintu berukuran cukup besar yang dapat digunakan untuk masuk ke dalam furnace ketika akan dilakukan pemeriksaan maupun maintenance pada furnace.
BAB III PERHITUNGAN
3.2Neraca Massa dan Neraca Energi Furnace
Perhitungan neraca umum digunakan sebagai prinsip konservasi massa dan energi untuk mengetahui dan menganalisis input dan output dari suatu sistem sehingga dapat diketahui jumlah bahan yang terkonversi menjadi produk utama atau produk lainnya serta yang terakumulasi di dalam sistem. Hal ini penting diketahui dalam proses perancangan maupun pembuatan model matematika.
Neraca massa dan neraca energi furnace disusun dengan mengidentifikasi seluruh aliran masuk dan keluar sistem, kemudian sistem perlu dikenali lebih lanjut seperti adanya reaksi atau akumulasi yang mungkin terjadi. Pada furnace 15-F-102 skema aliran masuk dan keluar sistem dapat dilihat pada Gambar 2.10. Umpan berupa saturated steam berasal dari catalyst cooler yang terdapat pada regenerator, kemudian umpan dikontakkan dengan panas yang terbawa flue gas di convection s ection dan dialirkan menuju radiation section untuk menyerap panas dari reaksi pembakaran, output furnace 15-F-102 berupa superheated steam yang akan digunakan untuk menggerakan turbin Main Air Blower (MAB).
Gambar 2.10 Skema Aliran pada Furnace 15-F-102 1. Neraca Massa
Neraca massa merupakan proses perhitungan massa secara keseluruhan yakni massa yang masuk, keluar, dan terakumulasi di dalam sistem. Neraca massa didasarkan pada Hukum Kekekalan Massa, yang pada prinsipnya di dalam suatu
(ma) Ta
%ea Tf
(msteam out) Tsout
(msteam in) Tsin
(mst) Tst
sistem apapun massa yang masuk akan selalu sama dengan massa yang keluar ditambah dengan akumulasi di dalam sistem apabila ada.
Persamaan neraca massa furnace 15-F-102 dapat dibedakan menjadi sistem ta npa reaksi dan sistem dengan reaksi. Untuk sistem tanpa reaksi neraca massa yang terbentuk adalah sebagai berikut.
𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 = 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟 + 𝑎𝑘𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑠𝑖 𝑚𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚𝑖𝑛 = 𝑚𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚𝑜𝑢𝑡+
𝑎𝑘𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑠𝑖
(2.1)
Sedangkan persamaan neraca massa total untuk sistem dengan reaksi yang terbentuk adalah sebagai berikut.
𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 = 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟 + 𝑎𝑘𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑠𝑖
2. Neraca Energi
∑ 𝐹𝑠𝑖𝑛 = ∑(𝐹𝑠𝑜𝑢𝑡 + 𝑀𝑠
𝜎𝑠𝑟)
𝑚𝑓 + 𝑚𝑎 = 𝑚𝑠𝑡 + 𝑎𝑘𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑠𝑖
(2.2) (2.3)
Neraca energi adalah suatu perhitungan total energi masuk, keluar dan terakumulasi yang didasarkan pada Hukum Kekekalan Energi. Pada furnace, neraca energi yang digunakan adalah neraca yang menghitung seluruh energi panas yang masuk dan keluar dari furnace. Energi panas yang masuk adalah panas pembakaran, panas sensibel pembakaran, dan panas sensibel udara pembakaran.
Sedangkan energi panas yang keluar adalah panas diserap oleh saturated steam untuk berubah menjadi superheated steam, kehilangan panas yang terbawa aliran flue gas, dan radiant losses (diasumsikan untuk furnace sebesar 2%). Persamaan neraca energi yang terbentuk adalah sebagai berikut:
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑝𝑎𝑛𝑎𝑠𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 = 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑝𝑎𝑛𝑎𝑠𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟
(2.4) 𝑄𝑐 + 𝑄𝑓 + 𝑄𝑎 = 𝑄𝑠 + 𝑄𝑠𝑡 + 𝑄𝑟
Dengan :
𝑄𝑐 = 𝑚𝑓𝐿𝐻𝑉60℉
𝑄𝑓 = 𝑚𝑓𝐶𝑝𝑓 (𝑇𝑓 − 𝑇𝑟𝑒𝑓) 𝑄𝑎 = 𝑚𝑎𝐶𝑝𝑎 (𝑇𝑎 − 𝑇𝑟𝑒𝑓) 𝑄𝑠 = 𝑚𝑠𝐶𝑝𝑠 (𝑇𝑠𝑜𝑢𝑡 − 𝑇𝑠𝑖𝑛) 𝑄𝑠𝑡 = 𝑚𝑠𝑡𝐶𝑝𝑠𝑡(𝑇𝑠𝑡− 𝑇𝑟𝑒𝑓) 𝑄𝑟 = 2% 𝑚𝑓𝐿𝐻𝑉60℉
Persamaan neraca panas tersebut dibentuk menjadi suatu fungsi dari suhu steam keluar (Tsout) yang menyatakan hubungannya dengan faktor-faktor yang ditetapkan sebagai variabel bebas. Faktor-faktor tersebut adalah laju alir bahanbakar (X1), suhu bahan bakar (X2), persentase excess air (X3), suhu udara pembakaran (X4), suhu stack ( X5), dan laju alir steam (X6). Fungsi suhu steam keluar yang terbentuk adalah sebagai
( berikut.
𝑻𝒔 = 𝑿𝟑𝑿𝟒𝑨 + − 𝑩𝑭𝑿𝟏 𝟏+ 𝑪 𝑿𝟏𝑿𝟐 + 𝑫𝑿𝟒 + 𝑬 − 𝑿𝟑𝑮 − 𝑿𝟓𝑯 (2.5)
𝒐𝒖𝒕 𝑿𝟔 𝑿𝟔 𝑿𝟔 𝑿𝟔 𝑿𝟔 𝑿
𝟔 𝑿𝟔
Dengan keterangan sebagai berikut.
A = 𝑇𝑠𝑖𝑛
H = 𝑚 𝑠𝑡 𝑝𝑠𝑡𝐶
𝑝s
B = (𝐶𝑝𝑓𝑇𝑟𝑒𝑓+𝐿𝐻𝑉−2%𝐿𝐻𝑉
𝐶𝑝𝑓C = )
𝐶𝑝𝑠
)
𝐶𝑝𝑠 I = 𝑚 𝑠𝑡 𝐶 𝑝𝑠𝑡 𝑇 𝑟𝑒𝑓
𝐶𝑝𝑠
X1 = 𝑚𝑓
D = (𝑚𝑎𝑡×𝐶𝑝𝑎)
𝐶𝑝𝑠
E = (𝑚𝑎𝑡× 𝐶𝑝𝑎)
𝐶𝑝𝑠
X2 = 𝑇𝑓
X3 = %𝑒𝑎 (persentase excess air) X4 = 𝑇𝑎
F = (𝑚𝑎𝑡𝐶𝑝𝑎𝑇𝑟𝑒𝑓− 𝑚 𝑠𝑡 𝐶 𝑝𝑠𝑡 𝑇𝑟𝑒𝑓) X =
𝐶𝑝𝑠 𝒎𝒔𝐶
𝑝𝑠
5 𝑇𝑠𝑡
G = (𝑚𝑎𝑡𝐶𝑝𝑎𝑇𝑟𝑒𝑓)
𝐶𝑝𝑠
X6 = 𝑚𝑠
BAB IV KESIMPULAN
