Perancangan Boiler

5/24/2018 Perancangan Boiler

1/17

[Type text]

STUDI KASUS III

C h e m i c a l e n g i n e e r i n g


2/17

STUDI KASUS III 2014

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Teknik kimia melibatkan aplikasi dari ilmu pengetahuan dalam industri proses

yang terfokus pada konversi suatu material ke bentuk lain secra fisika ataupun kimia.

Proses-proses ini membutuhkan penanganan dan penyimpanan material dalam jumlah

besar yang terdiri atas bermacam variasi kontruksi, tergantung pada kondisi material

yang digunakan, sifat-sifat kimia dan fisika material tersebut serta kebutuhan operasi.

Untuk penanganan, seperti wadah penampung gas dan liquid digunakan tangki. Oleh

karena itu, kami sebagai mahasiswa teknik kimia, perlu mempelajari dan mengetahui

beberapa hal tentang tangki bertekanan. Selain itu hal yang melatarbelakangi

dibuatnya makalah ini adalah agar kami dapat memenuhi tugas yang telah diberikan

oleh dosen pengajar yang bersangkutan.

1.2 Tujuan

Makalah dengan judul Studi Kasus dalam Perancangan boiler ini dibuat

bertujuan untuk menjelaskan dan memberikan beberapa informasi atau pengetahuan

yang berkaitan dengan sebuah alat proses yang disebut dengan boiler yang memiliki

fungsi menghasilkan steam dari water serta kegunaan dan jenisnya.

1.3 Ruang Lingkup

Ruang lingkup dari pembahasan masalah dalam makalah ini ialah segala

sesuatu yang berkenaan dengan masalah seputar Bagaimana merancang suatu boiler

sesuai dengan kebutuhan energi dan kapasitas yang diinginkan


3/17


2

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Instalasi tenaga uap dikenal dengan sebutan ketel uap yang berfungsi sebagai sarana

untuk mengubah air menjadi uap bertekanan. Ketel uap dalam bahasa inggris disebut dengan

nama boiler berasal dari kata boil yang berarti mendidihkan atau menguapkan,sehingga boiler

dapat diartikan sebagai alat pembentukan uap yang mampu mengkonversikan energi kimia

dari bahan bakar padat, bahan bakar cair, maupun bahan bakar gas yang menjadi energi

panas. Energi kalor yang dibangkitkan dalam ketel uap (steam boiler) memiliki nilai tekanan,

temperatur, dan laju aliran yang menentukan pemanfaatan uap yang akan digunakan.

Berdasarkan ketiga hal tersebut sistem ketel uap mengenal keadaan tekanan temperatur

rendah , dan tekanan-temperatur tinggi, dengan perbedaan itu pemanfaatan uap yang keluar

dari ketel uap dimanfaatkan dalam suatu proses untuk memanaskan cairan dan menjalankan

suatu mesin, atau membangkitkan energi listrik dengan merubah energi kalor menjadi energi

mekanik kemudian memutar generator sehingga menghasilkan energi listrik.

Sistem ketel uap terdiri dari sistem air umpan, sistem uap, dan sistem bahan bakar. Sistem airumpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan uap. Berbagai

kran (valve) disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan dari sistem air umpan,

penanganan air umpan diperlukan sebagai bentuk pemeliharaan untuk mencegah terjadi

kerusakan dari sistem uap. Sistem uap mengumpulkan dan mengontrol produksi uap dalam

ketel uap. Uap dialirkan melalui sistem perpipaan ke titik pengguna.

Pada keseluruhan sistem, tekanan uap diatur menggunakan valve dan dipantau dengan alat

pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua perlatan yang digunakan untuk

menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang

diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada

sistem itu sendiri.

Secara umum ketel uap dibagi kedalam dua jenis yaitu :


4/17


3

a. Ketel pipa api (fire tube boiler)

Pada ketel, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada didalam shell untuk

dirubah menjadi steam. ketel pipa api biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relatif

kecil dengan tekanan uap rendah sampai sedang. Sebagai pedoman, ketel pipa api kompetitif

untuk kecepatan uap sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. ketel pipa api

dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam

operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar ketel pipa api dikonstruksi sebagai paket

boiler (dirakit oleh pabrik) Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat Nuklir untuk

semua bahan bakar.

Gambar Ketel uap pipa api 2 pass Gambar Ketel uap pipa api 3 pass

b. Ketel pipa air

Pada ketel pipa air proses pengapian terjadi diluar pipa, kemudian panas yang dihasilkan

memanaskan pipa yang berisi air dan sebelumnya air tersebut dikondisikan terlebih dahulu

melalui economizer, kemudian uap yang dihasilkan terlebih dahulu dikumpulkan di dalam

sebuah tangki uap. Sampai tekanan dan temperatur sesuai, melalui tahap secondary

superheater sekunder dan superheater primer baru uap dilepaskan ke pipa utama distribusi.

Didalam pipa air, air yang mengalir harus dikondisikan terhadap mineral atau kandungan

lainnya yang larut di dalam air tesebut.

Hal ini merupakan faktor utama yang harus diperhatikan terhadap tipe ini. Gambar dibawah

menunjukkan sistem kerja ketel uap pipa air.


5/17


4

Gambar Ketel uap pipa air

DASAR TEORI

Uap yang dihasilkan dari sistem ketel uap merupakan gas yang timbul akibat perubahan fase

cairan menjadi uap atau gas melalui cara pendidihan yang memerlukan sejumlah energi

dalam pembentukannya. Zat cair yang dipanaskan akan mengakibatkan pergerakan moleku-

molekul menjadi cepat, sehingga melepas diri dari lingkungannya dan berubah menjadi uap.

Air yang berdekatan dengan bidang pemanas akan memiliki temperatur yang lebih tinggi

(berat jenis yang lebih rendah) dibandingkan dengan air yang bertemperatur rendah, sehingga

air yang bertemperatur tinggi akan naik kepermukaan dan air yang bertemperatur rendah akanturun. Peristiwa ini akan terjadi secara terus menerus (sirkulasi) hingga berbentuk uap. Uap

yang dihasikan oleh ketel uap dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan antara lain

sebagai utilitas suatu daya pembangkit tenaga listrik dan untuk keperluan industri.

Dalam menentukan sizing sistem ketel uap sesuai dengan kapasitas uap yang direncanakan

maka perhitungan dilakukan dengan perkiraan kapasitas air umpan, kebutuhan panas dan

kebutuhan bahan bakar.

Kebutuhan Air Umpan

Kapasitas air umpan yang diperlukan sebagai air pengisi boiler dihitung berdasarkan laju

blowdown yang diperlukan dan air kondensat yang dikembalikan ke tangki air umpan serta

air penambah atau makeup water. Ke tiga komponen air umpan pengisi boiler tersebut

ditentukan dengan menghitung :


6/17


5

a. Laju Blowdown

Untuk menghindari masalah boiler, air harus dibuang secara berkala atau "blowdown" dari

boiler untuk mengendalikan konsentrasi padatan terlarut/TDS dan total padatan tersuspensi

dalam boiler. Blowdown dapat ditentukan dengan menghitung prosentase berdasarkan data

tabel 1 dan rumus empiris :

()

Jadi laju blowdown yang diperlukan,

()

b. Air Kondensat dan Air Penambah

Air Kondensat adalah air yang diembunkan oleh kondensor dan ditampung di dalam tangki

kondensat yang selanjutnya disirkulasikan kembali ke boiler. Prosentase air kondensat

ditentukan dengan kandungan silica dalam air umpan dan air penambah sebagai berikut:

Dengan silica

% Condensate Return, CR = 1- feedwater silica / Makeup silica

atau dengan conductivity :

% Condensate Return, CR = 1- feedwater conductivity / Makeup conductivity

Jadi laju aliran kondensat, QCR = % x kapasitas uap masuk kondensor, (kg/jam).

Tabel dibawah menunjukkan data tentang kandungan silica dan coduktivitas makeup dan

feedwater.

Untuk air penambah dapat ditentukan sebagai berikut :

QMU = QFWQCR (kg/jam) [8]


7/17


6

Maka kapasitas air umpan yang diperlukan sebagai air pengisi boiler adalah:

QFW = QMU + QCR (kg/jam) [8]

dimana :

QMU = kapasitas air penambah, kg/jam

QCR = kapasitas air kondensat, kg/jam

QFW =kapasitas air umpan, kg/jam

Kebutuhan Energi Panas dan Boiler Horse Power

Panas yang dibutuhkan untuk menghasilkan uap sebesar 4000 kg/jam dapat

dihitung dengan formula :

Q1 = qU (huha) (kJ/jam) [9]

Q2 = m x Cp x .T (kJ/jam)

Untuk Boiler Horse Power dihitung dengan formula empiris :

BHP = Kilowatt /9,809 [11]

dimana :

qU = m = kapasitas produksi uap dari boiler, kg/jamhu = enthalpy uap (kJ/kg)

ha = enthalpy air (kJ/kg)

Cp = panas spesifik air

T = selisih temperatur uap dan air umpan pengisi boiler, 0C

Q1 = panas yang dibutuhkan untuk penguapan, kJ/jam

Q2 = panas yang dibutuhkan untuk pemanasan, kJ/jam

BHP = Boiler Horse Power

Kebutuhan Bahan Bakar

Bahan bakar yang dibutuhkan untuk memanaskan air dalam ketel dapat dihitung dengan

persamaan sebagai berikut :

FC = Sp (hShW ) / BE.VHI (gallon/jam) [12]

dimana :

FC = kebutuhan bahan bakar (kg/jam)


8/17


7

Hs = enthalpy air (Btu/lb)

hW = enthalpy air umpan (Btu/lb)

Sp = kapasitas produksi uap (kg/jam)

BE = efisiensi boiler (%) biasanya antara 7090 %

VHI = Nilai pembakaran bahan bakar minyak solar = 140.000 btu/gallon [13]

Kebutuhan Energi Panas Superheater

Superheater adalah komponen atau alat yang digunakan untuk menaikkan uap jenuh menjadi

uap kering atau uap panas lanjut. Uap yang masuk ke superheater berasal dari pipa header.

Dari header uap masuk superheater dan dari suoerheater uap digunakan untuk memanaskan

fluida pada HE-0102. Selanjutnya uap dari HE-0102 dialirkan ke kondensor untuk

dikondensasikan menjadi air condensate. Energi panas yang dibutuhkan untuk superheater

dihitung dengan formula :

Q = m. Cp.T (kJ/jam) [10]

dimana :m = laju aliran uap superheated keluar superheater, kg/jam

Cp = panas spesifik uap, kJ/kg.K

= kerapatan uap, kg/m3

T = temperatur uap keluar superheater temperatur uap masuk superheater, 0


9/17


8

BAB III

PEMBAHASAN DAN PENYELESAIAN

3.1 Studi Kasus

Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai

terbentuk uap panas atau steam. Uap panas ataun steam pada tekanan tertentu kemudian

digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan sampi menjadi

steam, volumenya meningkat sekitar 1600 kali, emnghasilkan tenaga yang menyerupai

bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga boiler merupakan peralatan yang harus

dikelola dengan sangat baik. Oleh karena itu perlu adanya perancangan bangun boiler

yang yang sesai dengan industri.

Pada sebuah industri direncanakan pembangunan boiler yang mampu menghasilkan

4ton/jam uap jenuh tekanan 15 bar. Air masuk ke boiler pada temperatur 27oCndan

kondisi udara luar 33oC


10/17


9

3.2 Data Hasil Perhitungan

Perhitungan entalpi saturated water dan saturated steam

Presure 15 bar=1500kPa


11/17


10

Saturated vapor enthalphy

Saturated liquid enthalphy

Temperature Vapour

Menghitung kapasitas air umpan dan air penambah

Kapasitas air umpan dihitung berdasarkan prosentase laju blowdown dan air kondensat

(return condensate), sebagai betrikut:

a. Untuk prosentase blowdown :

()

()

diambil 4% untuk faktor keamanan akibat losses,


12/17


11

maka laju blowdown yang diperlukan adalah:

b. untuk make up diasumsikan bahwa jumllah blowdown dan make up water sama

maka QMU=QBD=160 kg/hr

c. Feed water

QFW = Steam capasity= 4000kg/hr

Menghitung energi panas yang dibutuhkan untuk mengubah air menjadi uap

Energi panas yang dibutuhkan untuk menghasilkan uap sebesar 4000 kg/jam

dihitung sebagai berikut :

( )

( )

( )

Jadi panas yang dibutuhkan,


13/17


12

Maka untuk boiler horse power

Maka untuk boiler horse power = 10652538.58 kJ/jam x 0.000277

= 2950.7532 KW / 9,809

= 300.8209 HP

Menghitung kebutuhan bahan bakar

Asumsi menggunakan natural gas

Niali bakar Natural gas = 9.424 kkal/m3=39.4564032 kJ/m3

Asumsi efisiensi boiler 85%

Bahan bakar yang dibutuhkan untuk memanaskan air dalam ketel adalah :

Spesifikasi boiler yang dipilih dari produksi Hurst Boiler & Welding Company. Inc.

series 300, 3 pass, Fire Tube Boiler


14/17


13

Pada tabel dibawah ditunjukkan spesifikasi boiler yang dipilih dari produksi Hurst Boiler

& Welding Company. Inc. series 300, 3 pass, Fire Tube Boiler

Boiler Horse Power 300

Heating surface Fire side SQ. FT. 1500

Steam output FROM &@ 212F LBS/H

R

10350

Gross Output - MBH 10042Firing rate gas 1,000 BTU CFH 12600

Firing rate LP gas 91,500 BTU GPH 137.7

Firing rate oil # 2 140,000 BTU GPH 90

Firing rate oil #5 & #6 150,000 BTU GPH 84

A Steam outlet size 150 PSI IN 6

A Steam outlet size 15 PSI IN 10

B Water supply size 30 PSI IN 10

C Ukuran air kembali 30 PSI IN 8

D Feedwater connection - IN 2

E Blowdown connection - IN (2)2

F Stack outlet size O.D. - IN 20

G Furnace O.D - IN 34

H Shell ID - IN 75.5

I With without trim - IN 84.5

J With width trim - IN 93

K Length, front to rear - IN 215

L Length overall - IN 261

M Skid length - IN 216

N Skid width - IN 60


15/17


14

O Steam supply location - IN 94

P Water supply location - IN 53

Q Water return location - IN 161

R Blowdown location 15 PSI AND UP IN 31-

135S Surface blow off connection - IN 36 1/2

T Stack outlet location - IN 196.8

8

U Supply height - IN 98.5

V Stack Height - IN 98.5

W Shell to floor height - IN 15

X Burner projection STND BURNER IN 43

Y Door swing - IN 43

Z Skid to front plate - IN 30.12

AA Tube removal REAR IN 169BB Tube removal FRONT IN 176

WATER CAPACITY - STEAM SERIES NWL GALS 1764

WATER CAPACITY - WATER SERIES FLOODED GALS FLOODED GALS 2153

SHIPPING WEIGHT - HIGH PRESS. DRY LBS 28000

SHIPPING WEIGHT - LOW PRESS DRY LBS 25250


16/17


15

3.3 Pembahasan

Hasil perhitungan sistem air umpan, didasarkan pada kapasitas uap yang direncanakan

sebesar 4000 kg/jam dengan keseimbangan anatara flow rate blowdow dan air make up,

dimana flow rate blowdown dihitung berdasarkan prosentase blowdown dari

perbandingan kandungan total padatan terlarut feed water dikalikan dengan prosentase

dengan total padatan terlarut air ketel yang diizinkan.

Untuk return air kondensat diasumsikan tidak ada recycle, sehingga tidak ada air yang

kembali. Untuk sistem steam, hasil perhitungan didasarkan pada dua metode perhitungan,

yang pertama didasarkan pada selisih antara entalpi spesifik uap air pada temperatur

1980C dan entalpi spesifik air pada temperature 1980C dikalikan dengan kapasitas uap

yang direncanakan, sehingga diperoleh energi panas sebesar 7.788.654,8 kj/jam, sedang

metode yang ke dua didasarkan pada panas spesifik uap dikalikan dengan selisih

temperatur air boiler 1980C dengan temperatur air umpan 270C, sehingga diperoleh energi

panas sebesar 2.863.883,784 kJ/jam. Besarnya energi panas dari ke dua metode ini

dijumlahkan sehingga diperoleh panas sebesar 10.652.538,58 kJ/jam atau sama dengan

2950.7532 KW atau sama dengan 300.8209 bhp (boiler horse power= daya boiler). Untuk

daya boiler 300.8209 bhp spesifikasi teknis boiler ada pabrikan yang membuat, oleh

karena itu dipilih daya boiler 300 bhp dengan kapasitas uap 4694.68103 kg/jam atau10350 lb/jam, sedang kapasitas produksi uap yang dibutuhkan 4000 kg/jam, jadi untuk

daya boiler 300 bhp cukup untuk memproduksi kapasitas uap yang diperlukan tersebut.

Untuk Sistem bahan bakar, hasil perhitungan jumlah bahan bakar yang diperlukan

untuk memanaskan air dalam boiler didasarkan energi total yang digunakan untuk

membuat steam dibagi dengan efisiensi boiler dikalikan dengan enerki bakar natural gas.

Sehingga diperoleh konsumsi NG adalah 317626.7466 m3/hr


17/17


16

BAB IV

KESIMPULAN

Dari Hasil perhitungan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut

4.1Boiler yang digunakan adalah boiler produksi Hurst Boiler & Welding Company. Inc.

series 300, 3 pass, Fire Tube Boiler 300bhp

4.2Total Energi yang digunakan untuk membuat steam sebanyak 4000kg/hr adalah

10.652.538,58 kJ/jam atau sama dengan 2950.7532 KW atau sama dengan 300.8209

bhp

4.3Konsumsi bahan bakar natural gas adalah sebesar 317626.7466 m3/hr

Documents

Perancangan Boiler