ANALISA PENGARUH HOT BOX DAN PEMANASAN AWAL PADA SAMBUNGAN SHELL SKIRT UNTUK MENENTUKAN UMUR PAKAI COKE DRUM SKRIPSI

Transkripsi

1 ANALISA PENGARUH HOT BOX DAN PEMANASAN AWAL PADA SAMBUNGAN SHELL SKIRT UNTUK MENENTUKAN UMUR PAKAI COKE DRUM SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Oleh : CHABIB MUHAMMAD ( ) DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N 2014

2 ANALISA PENGARUH HOT BOX DAN PEMANASAN AWAL PADA SAMBUNGAN SHELL SKIRT UNTUK MENENTUKAN UMUR PAKAI COKE DRUM CHABIB MUHAMMAD NIM Diketahui / Disahkan Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU Disetujui Dosen Pembimbing, Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP Dr.Eng.Himsar Ambarita, ST.MT NIP

3 ANALISA PENGARUH HOT BOX DAN PEMANASAN AWAL PADA SAMBUNGAN SHELL SKIRT UNTUK MENENTUKAN UMUR PAKAI COKE DRUM CHABIB MUHAMMAD NIM Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar Tugas Skripsi Periode ke- 676 Tanggal 8 Januari 2014 Disetujui Oleh: Dosen Pembanding I Dosen Pembanding II Tulus B. Sitorus, ST. MT. Ir. Tugiman, MT. NIP NIP

4 ANALISA PENGARUH HOT BOX DAN PEMANASAN AWAL PADA SAMBUNGAN SHELL SKIRT UNTUK MENENTUKAN UMUR PAKAI COKE DRUM CHABIB MUHAMMAD NIM Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar Tugas Skripsi Periode ke- 676 Tanggal 8 Januari 2014 Disetujui Oleh: Pembimbing Dr.Eng.Himsar Ambarita, ST.MT NIP

5 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK MEDAN Sub. Program Studi Bidang Tugas Judul Tugas KARTU BIMBINGAN TUGAS SARJANA MAHASISWA No : 2050 / TS / 2013 : Konversi Energi : Computational Fluid Dynamic (CFD) : Analisa Pengaruh Hot Box dan Pemanasan Awal Pada Sambungan Shell Skirt Coke Drum Untuk Menentukan Umur Pakai Coke Drum Diberikan Tanggal: 22 Juli 2013 Selesai Tanggal : 12 Desember 2013 Dosen Pembimbing: Dr. Eng Himsar Nama Mhs : Chabib Muhammad Ambarita, ST, MT Nim : No. Tanggal KEGIATAN ASISTENSI BIMBINGAN Tanda Tangan Dosen Pemb. CATATAN 1. Kartu ini harus diperlihatkan kepada dosen Pembimbing setiap Asistensi 2. Kartu ini dijaga bersih dan rapi 3. Kartu ini harus dikembalikan kedepartemen bila kegiatan Asistensi telah selesai Diketahui, KETUA DEPARTEMEN T.MESIN FT USU Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri NIP

6 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : / TS/ 2013 FAKULTAS TEKNIK USU DITERIMA TGL : / / 2013 MEDAN PARAF : TUGAS SARJANA NAMA : CHABIB MUHAMMAD NIM : MATA PELAJARAN : COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD) SPESIFIKASI : Melakukan analisa pengaruh hot box dan pemanasan awal pada coke drum Melakukan perhitungan temepratur dan regangan dengan menggunakan perangkat lunak Melakukan validasi hasil perhitungan numerik dengan eksperimen DIBERIKAN TANGGAL : 22/07/2013 SELESAI TANGGAL : 12/ 12/ 2013 KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, MEDAN, NOVEMBER 2013 DOSEN PEMBIMBING Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri Dr.Eng.Himsar A, ST, MT NIP NIP

7 ABSENSI PEMBANDING BEBAS MAHASISWA PADA SEMINAR SKRIPSI MAHASISWA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FT. USU PERIODE : ke- 676 HARI/TANGGAL : Rabu / 08 Januari 2014 NAMA : Chabib Muhammad NIM : No Nama Mahasiswa Tanda Tangan Medan, 8 Januari 2014 Ketua Seminar Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT. NIP

8 KATA PENGANTAR Segala puji beserta syukur kepada Allah SWT Tuhan semesta alam atas segala berkat, rahmat, taufik, serta hidayah-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul Pengaruh Hot Box dan Pemanasan Awal Pada Sambungan Shell Skirt untuk Menentukan Umur Pakai Alat Coke Drum. Skripsi ini diselesaikan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Penulis menyadari bahwa dalam proses penulisan skripsi ini banyak mengalami kendala, namun berkat bantuan, bimbingan, kerjasama dari berbagai pihak sehingga kendala-kendala yang dihadapai tersebut dapat diatasi. Untuk itu penulis menyampaikan ucapan dan terima kasih kepada : 1. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Jurusan dan Ir. Syahril Gultom MT, selaku Sekretaris Jurusan Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik 2. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT., selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan ilmu serta motivasi, arahan, dan saransaran selama menyusun skripsi 3. Bapak Tulus B.Sitorus, ST. MT. dan Bapak Ir. Tugiman MT, selaku dosen pembanding yang telah memberikan saran-saran dalam penyempurnaan skripsi 4. Bapak Masaki Oka, Himsar Ambarita, Mashasi Daimaruya dan Hiroyuki Fujiki yang telah melakukan perhitungan temperatur dan regangan secara eksperimen pada coke drum 5. Kedua orang tua saya Wismar Azial dan Harlina Siregar yang telah memberikan bantuan moral dan moril dalam penyelesaian skripsi ini, serta abangda Indrawan Azhary dan semua keluarga yang telah mendukung 6. Bapak dan Ibu dosen Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik yang telah memberikan ilmu pengetahuan dan pengalaman selama penulis menuntut ilmu disana i

9 7. Abangda Munawir Siregar TM 08 yang telah bersedia meluangkan waktu dan memberikan ilmunya kepada penulis dalam menghadapi kesulitan dalam penelitian 8. Kawan-kawan mahasiswa Departemen Teknik Mesin Stambuk 2009, Ary, Indro, Tri, Ramadhan, Wahyu, Hari, Nazar, dan yang lainnya yang tidak bisa disebutkan satu persatu yang telah memberikan semangat dan masukan-masukan dalam menyelesaikan skripsi ini. Akhrinya, dengan segala kerendahan hati penulis menyadari masih banyak terdapat kekurangan-kekurangan, sehingga penulis mengharapkan adanya saran dan kritik yang membangun untuk penyempurnaan skripsi ini Medan, 14 Januari 2014 Penulis ii

10 ABSTRAK Coke drum merupakan salah satu bejana dari delayed coke unit pada kilang minyak yang dalam prosesnya mengalami beban panas berulang tetapi ia tidak didesain untuk beban tersebut. Oleh sebab itu coke drum memiliki umur pakai yang lebih singkat dibandingkan bejana lainnya. Penelitian kali ini berfokus kepada pengaruh hot box dan pemanasan awal pada sambungan badan dan penyangga coke drum, yang merupakan daerah dengan kemungkinan terbesar mengalami kegagalan. Temperatur pada beberapa titik coke drum dihitung dengan software FLUENT kemudian dengan ANSYS Mechanical temperatur tersebut dijadikan sebagai beban untuk menentukan regangan akibat temperatur tersebut. Untuk menentukan umur pakai alat digunakan persamaan Coffin manson yang konstantanya dikeluarkan oleh National Institute for Material Science (NIMS). Hasil menunjukkan bahwa coke dengan hot box akan mengalami kerusakaan setelah 7142 siklus sedangkan tanpa hot box setelah 2755 siklus. Untuk coke drum tanpa pemanasan awal akan memperpendek umur pakai menjadi 4375 siklus. Kata kunci : coke drum, kelelahan, software, umur pakai, hot box iii

11 ABSTRACT Coke drum is one of vessel from delayed coke unit at an oil refinery are subjected cyclic thermla load but its not designed for cyclic load. Therefore coke drum has shorter lfe cycle tha the other vessel. This research focuses on effect of hot box and warming process on shell skirt junction as a high risk part of coke drum because of thermal cyclic load. Temperature and on several location measured using FLUENT and with ANSYS Mechanical software tod etermine strain because of the temperatur. Life cycle of coke drum detremine by Coffin manson s equation issued by National Institute for Material Science (NIMS). The result show that coke drum with hot box will have fracture after 7142 cycles and coke drum without hot box after 2755 cycles. Coke drum with out warming process will decrease life cycle coke drum and will have fracture after 4372 cycles Keywords : coke drum, fatigue, software, life cycle, hot box iv

12 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii ABSTRACT... iv DAFTAR ISI... v DAFTAR TABEL... viii DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR NOTASI... xii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Luaran Yang Diharapkan Kegunaan Penelitian Sistematika Penulisan... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Pendahuluan Kelelahan Bersiklus Rendah Tegangan dan Regangan Termal Konveksi Paksa Konveksi Bebas Perpindahan Pansa Konduksi pada Dinding Konsep Ketahanan Termal Ketahanan Termal Dinding Berlapis Perhitungan Dinamika Fluida Persamaan Umum Untuk Aliran Fluida dan Perpindahan Panas v

13 2.9 Konservasi Massa Laju Perubahan pada Partikel Fluida dan Elemen Fluida Persamaan Momentum Persamaan-Persamaan Energi Kerja Yang Dilakukan Oleh Gaya Permukaan Fluks Energi Akibat Panas Konduksi Persamaan Energi Konduksi Transien Skema Eksplisit Skema Crank Nicolson Skema Implisit Penuh Konveksi Transien Kelebihan dan Kekurangan Relaksasi Perhitungan Metode Elemen Hingga BAB III METODE PENELITIAN Pendahuluan Diagram Alir Penelitian Set-up Eksperimental Menentukan Praproses Simulasi Pembuatan Model Pembuatan Mesh Analisa CFD Temperatur Kondisi Batas Konveksi Bebas Konveksi Paksa Ketahanan Termal Pengaturan Simulasi Analisa ANSYS Menjalankan Simulasi (Run) vi

14 BAB IV HASIL DAN ANALISIS Analisa Perpindahan Panas Analisa Perpindahan Panas Coke Drum dengan Hot Box Analisa Perpindahan Panas Coke Drum Tanpa Hot Box Analisa Regangan pada Coke Drum Analisa Regangan pada Coke Drum dengan Hot Box Analisa Regangan pada Coke Drum tanpa Hot Box Validasi Terhadap Eksperimen Analisa Umur Pakai Akibat Kelelahan Termal Analisa Umur Pakai Coke Drum Tanpa Mengalami Proses Pemanasan Awal BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA... xiii LAMPIRAN... xiv vii

15 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Sifat material coke drum Tabel 2.2 Persamaan momentum dan energi Tabel 2.3 Hasil dari pendekatan persamaan parameter θ Tabel 2.4 Implisit untuk 1D, 2D, dan 3D Tabel 2.5 Nilai volum dan luas permukaan cell Tabel 2.6 Nilai-nilai koefisien untuk persamaan (2.71) Tabel 2.7 Nilai F dan D untuk tabel Tabel 3.1 Kondisi batas Tabel 3.2 Konduktifitas termal untuk mineral wool Tabel 3.3 Konduktifitas termal untuk alumunium Tabel 3.4 Hasil koeffisien konveksi natural (h) Tabel 3.5 Hasil koeffisien konveksi paksa (h) Tabel 3.6 Kondisi batas koeffisien konveksi(h) Tabel 3.7 Pengaturan simulasi Tabel 3.8 Sifat-sifat fluida Tabel 4.1 Selisih regangan coke drum dengan hot box Tabel 4.2 Selisih regangan coke drum dengan hot box Tabel 4.3 Daftar konstan persamaan Coffin Manson Tabel 4.4 Menentukan umur coke drum viii

16 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Proses cyclic load pada coke drum... 7 Gambar 2.2 (a) needle coke (b) sponge coke (shot coke) Gambar 2.3 Delayed cooker unit Gambar 2.4 Pengangkatan sisa hidrokarbon ke fraksional tower dan pengeluaran coke dari drum Gambar 2.5 Lingkaran histeris tegangan dan regangan Gambar 2.6 Log-log umur kelelahan dikaitkan dengan amplitudo Regangan 14 Gambar 2.7 Siklus nilai regangan terhadap waktu pada pembebanan berulang Gambar 2.8 Ekspansi yang terjadi pada elemen akibat beban termal Gambar 2.9 Pengaruh suhu terhadap nilai tumbukan Gambar 2.10 Pengaruh nilai perpanjangan pada bahan tarik Gambar 2.11 Daerah batas laminar dan turbulen suatu aliran pada pelat Gambar 2.12 Grafik yang menunjukkan koefisien perpindahan panas rata-rata untuk plat datar dengan campuran antara aliran laminar dan turbulen Gambar 2.13 Distribusi temperatur pada dinding dengan arah garis lurus Gambar 2.14 Ketahanan termal dengan dinding dua lapis Gambar 2.15 Elemen fluida Gambar 2.16 Aliran massa masuk dan keluar elemen fluida Gambar 2.17 Komponen viscous stress Gambar 2.18 Tegangan pada komponen-komponen pada arah x Gambar 2.19 Komponen dari vektor heat flux Gambar 2.20 Kontrol volume untuk kondisi satu dimensi Gambar 2.21 Kontrol volume untuk situasi dua dimensi Gambar 2.22 Menentukan node dan elemen termasuk dalam tahapan preprocessing Gambar 2.23 Diagram benda bebas pada node Gambar 2.24 Gaya-gaya pada sebuah elemen ix

17 Gambar 3.1 Diagram alir (flowchart) penelitian Gambar 3.2 Set up ekperimental pengukuran temperatur dan regangan Gambar 3.3 Model coke drum (a) dengan outlet (b) tanpa outlet Gambar 3.4 (a) mesh CFD tanpa outlet (b) mesh CFD dengan outlet (c) mesh ANSYS Gambar 3.5 Mesh pada sambungan shell skirt pada (a) hot box (b) tanpa hot box CFD dan (c) ANSYY Gambar 3.6 Aliran fluida yang masuk dan keluar coke drum Gambar 3.7 Pengaturan patch temperatur Gambar 3.8 Letak kondisi batas pada model (a) dengan outlet (b) tanpa outlet Gambar 3.9 Coupled wall antara fluida dan solid Gambar 3.10 Material berlapis pada dinding coke drum Gambar 3.1 Titik-titik beban temperatur Gambar 3.12 Lokasi perhitungan temperatur dan regangan Gambar 3.13 Letak displacement pada model Gambar 4.1 Temperatur operasi pada bagian shell skirt terhadap waktu Gambar 4.2 Distribusi temperatur pada bagian skirt junction saat akhir pemanasan awal Gambar 4.3 Temperatur operasi pada bagian shell skirt terhadap waktu tanpa menggunakan hot box Gambar 4.4 Distribusi temperatur maksimal pada bagian shell skirt junction saat akhir pemanasan awal coke drum tanpa hot box Gambar 4.5 Perbandingan temperatur dan reganga shell skirt pada coke drum Gambar 4.6 Hasil perhitungan ekperimen regagangan aksial pada beberapa siklus Gambar 4.7 Regangan arah x dan y pada bagian sambungan shell skirt coke drum dengan hot box Gambar 4.8 Distribusi regangan pada bagian shell skirt coke drum dengan hot box pada regangan maksimal x

18 Gambar 4.9 Regangan arah x dan y pada bagian sambungan shell skirt coke drum tanpa hot box Gambar 4.10 Distribusi regangan axial pada bagian shell skirt coke drum dengan hot box pada regangan maksimal Gambar 4.11 Grafik perbandingan temperatur antara analisa numerik dan eksperimen pada beberapa titik di shell skirt junction (a) proses pemanasan awal hingga pengisian (b) proses pendinginan oleh uap air hingga air Gambar 4.12 Grafik perbandingan antara analisa numerik dan beberapa siklus secara eksperimen saat pemanasan Gambar 4.13 Grafik perbandingan antara analisa numerik dan beberapa siklus secara eksperimen saat pendinginan Gambar 4.14 Titik regangan yang diambil untuk analisa umur pakai Gambar 4.15 Perbandingan regangan aksial pada beberapa daerah di shell skirt Junction (a) dengan hot box (b) tanpa hot box Gambar 4.16 Distribusi regangan aksial pada shell skirt junction (a) maksimum dan (b) minimum gambar 4.17 Temperatur operasi pada bagian shell skirt terhadap waktu tanpa pemanasan awal Gambar 4.18 Hasil regangan arah x dan y pada coke drum tanpa pemanasan awal xi

19 DAFTAR NOTASI Notasi, simbol dan singkatan yang digunakan dalam laporan ini sebagai berikut : T temperatur ε regangan m/m N umur pakai ρ densitas kg/m 3 μ viskositas dinamik Ns/m 2 ν viskositas kinemati m 2 /s k konduktifitas termal W/mK Pr bilangan Prandalt Re bilanga Reynold G percepatan grafitasi m/s 2 Cp panas spesifik KJ/kg.K Ts temperatur permukaan T temperatur lingkungan β koefisien ekspansi volum m aliran massa kg/s R ketahanan termal W/K h koeffisien konfeksi W/m 2 K q heat flux W/m 2 o C o C o C xii