Perancangan Tangki dan Vessel (Bejana Tekan) Kuliah Perancangan Alat Proses (PAP)

Transkripsi

1 Perancangan Tangki dan Vessel (Bejana Tekan) Kuliah Perancangan Alat Proses (PAP)

2 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) c)tangki hampa (Vacuum tank)

3 TEKANAN/PRESSURE Tekanan tinggi (compressed system) Tekanan gauge positif (+) A Tekanan atmosfer Tekanan gauge negatif (-) Tekanan absolut A Tekanan vakum (vacuum system) B Tekanan absolut B Tekanan nol (zero pressure)

4 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). 9/7/2014 4

5 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)

6 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

7 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

8 Posttensioned Concrete Material ini biasa dipakai untuk membuat tangki sampai dengan kapasitas 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.

9 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.

10 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 variablevolume 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.

11 Jenis jenis Tangki

12 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 vacuumbreaking valves.

13 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 ( 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, 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

14 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.

15 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.

16 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) 9/7/

17 SILINDER Bejana tekan bentuk silinder banyak dipakai di industri, dengan bermacammacam 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 9/7/

18 Skema Tangki 9/7/

19 9/7/

20 9/7/

21 9/7/

22 9/7/

23 9/7/

24 Vessel (bejana) 9/7/

25 Vessel (bejana) 9/7/

26 Vessel (bejana) 9/7/

27 Vessel (bejana) 9/7/

28 9/7/

29 Aboveground Storage Tank Systems Facilities with a Capacity of One Million Gallons or More 9/7/

30 Underground Storage Tank (UST) Systems 9/7/

31 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. 9/7/

32 9/7/

33 9/7/

34 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. 9/7/

35 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 ft, biasanya difabrikasi di lapangan (dimana akan dibangun). 9/7/

36 Efisiensi masing-masing tipe sambungan las dapat dilihat ada table berikut: 9/7/

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 ) Tebal, inch Increment, inch 3/16-1 1/16 1-1,5 1/8 1,5-4,0 1/4 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. 9/7/

38 Vessel Heads 9/7/

39 9/7/

40 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 9/7/

41 Kelengkapan bagian dalam vessel Tray Packing Packing support Distributor, Dan lain-lain 9/7/

42 break

43 Kondisi operasi Kondisi design: p design , 2 p operasi Dimensi dasar Low pressure tanks (50-75 psig): Untuk tekanan >100 psig: T T 50 o F design operasi L D L D Faktor lain seperti plant lay out, appearance, foundation juga harus diperhatikan. 9/7/

44 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) 9/7/

45 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 9/7/

46 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). 9/7/

47 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 9/7/

48 Vessel juga dapat diklasifikasikan sesuai dengan Fungsinya, Tekanan dan suhu operasi, Bahan konstruksi atau geometrinya. 9/7/

49 UMUMNYA VESSEL DIKLASIFIKASIKAN BERDASARKAN GEOMETRI-NYA: Open tanks (tangki terbuka) Flat-bottomed, vertical cylindrical tanks (tangki bentuk silinder vertical dengan dasar datar) 9/7/

50 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 ) 9/7/

51 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. 9/7/

52 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/

53 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. 9/7/

54 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. Tipe atap Tekanan operasi, psig conical 0 dome 2,5-15 9/7/

55 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) 9/7/

56 9/7/

57 Perbandingan diameter (D terhadap tinggi (H) terletak diantara dua nilai: Batas bawah untuk: (D/H) optimum cos t of shell, bottom, roofs per unit area f ( D, H ) Hal ini terjadi bila tangki volumnya kecil, hanya elastic stability dan corrosion allowance yang mengendalikan tebal shell 9/7/

58 Batas atas untuk:(d/h) optimum Bila tebal shell sebagai fungsi d, h ( t f D, H ), dan unit area costs of the bottom dan roofs tidak tergantung pada D dan H 9/7/

59 Misalkan: D diameter dalam tangki, ft H tinggi tangki dalam, ft V volum tangki dalam, ft3 Volum tangki tertentu, sehingga H merupakan fungsi D V 2 DH atau H 2 4 4V D 9/7/

60 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 9/7/

61 4VC D 2 1 C C C C C D 4 Jika tebal tangki t f ( D, H ) d 4VC 2 D 2 C D 1 C 2 C 3 C 4 C 5 dd 0 9/7/

62 D 1 2H C C C C C Jika tebal tangki t f ( D, H ) C C H D C H 1 D 2 4V 6 D C C C C C D /7/

63 H diganti dengan H 4V 2 D 2 4V D C 4VC 6 4VC 6 C C C C 2 D d 2 32CV C D C C C C 4 dd D 0 0 9/7/

64 Didapat D Kasus khusus 1 4H C C C C C Tangki kecil (small tank) terbuka harga tanah dan fondasi diabaikan. Biasanya tebal shell sama dengan tebal bottom. Jika C C dan, C3 C4 C5 0 didapat 1 2 D 2H (C) Tangki kecil (small tank) tertutup harga tanah dan fondasi diabaikan dan, didapat D C C C C4 C H (D) 9/7/

65 Tangki besar tertutup, atap dan shell harganya dua kali harga bottom, C dan 1 2C2 C C 3 4 C5 0 didapat D C2 4H C 2 C H (E) 9/7/

66 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 9/7/

67 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 9/7/

68 Stressessuperimposed loads seperti: wind, snow, and ice, auxiliary equipment, and impact loads Stresses karena thermal differences Others dijumpai didalam paraktek 9/7/

69 Stress in thin shell based on membrane theory Longitudinal stress t pd 4 f Circumferential stress t p d 2 f 9/7/

70 Joint Efficiencies dan Corrosion Allowance E= joint efficiency <1, c= corrosion allowance (korosif dan non korosif) Longitudinal stress t 4 pd fe c Circumferential stress 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 t p d 2 fe c 9/7/

71 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 S S S S w 0 p (R_13) 9/7/

72 Pada leeward side vessel, beban angin dan dead weight mengakibatkan terjadinya compression internal pressure (longitudinal stress) mengakibatkan terjadinya tension, sehingga berlawanan dengan compression S S S S w 0 p (R_14) Allowable stress untuk buckling sama dengan stress karena beban angin dan dead weight S S S (R_16) B w 0 9/7/

73 Donell memberikan persamaan empiris sebagai berikut: S B E t 7 R 0,6 10 R t E 1 0, 004 S y (R_17) 9/7/

74 Jorgensen, menyerderhanakan rumus (R_4) untuk baja karbon (usual carbon steel) S B t 2x10 6 D (R_18) 9/7/

75 Windward allowable stress t 2 2Pwh W PD D ' S D S 4S m m Leeward allowable stress Buckling stress Circumferential stress API_ASME CODE: ASME CODE t t 2 2Pwh W PD D ' S D S 4S 2Ph w 2 D ' S m W D S B m B PD1 t c 2SE P t PD 1 2SE 0,6P m c 9/7/

76 STORAGE TANK Tangki dianggap berisi air pada suhu 60 o F (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 9/7/

77 Persamaan dasar: t 2 pd fe c tekanan hidrostatik p g H 1 g 144 c 9/7/

78 t, dalam inches, dengan D dan H dalam ft t H fe 12D c 9/7/

79 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 ) Tebal, inch Increment, inch 3/16-1 1/16 1-1,5 1/8 1,5-4,0 1/4 9/7/

80 Corrosion allowance Carbon steel dan lowalloy steel: 9/7/

81 Perbandingan H/D dan pemilihan heads untuk vessel bentuk silinder dengan formed heads Vessel (bejana) bentuk silinder dengan formed heads dipakai pada berbagai keperluan. Aplikasi vessel dapat dibagi tiga kelompok yaitu: Functional use (berdasakan fungsinya) Pressure consideration(pertimbangan tekanan) Size limitation (batasan ukuran) 9/7/

82 Vessel dengan formed heads beroperasi pada tekanan vapour space > 5 psig atau dibawah atmospheric pressure (vacuum) Tangki penyimpanan dengan diameter yang besar, flat bottom, atap bentuk cone biasanya dibatasi bekerja pada atmospheric pressure. Jika tangki dilengkapi dengan atap bentuk dome diameter relative kecil, dapat bekerja beberapa psig (diatas atmosferik) 9/7/

83 Vessel vertical dan horizontal Tergantung fungsinya: menara distilasi dipasang vertical Heat exchanger dan storage tank dapat dipasang vertikal atau horizontal. Heat exchanger dipasang tergantung rute fluida dan pertimbangan perpindahan panas. Storage tank, lokasi pemasangan storage tank menentukan, vertcal atau horizontal 9/7/

84 Dimensi Vessel Tebal, inches L/D 3/16 sampai sampai dengan 6 8 9/7/

85 Daftar Pustaka Coulson, J.M. and Richardson, J.F., 1983, Chemical Engineering, Design, Volume 6 ( SI Units), Pergamon Press, Oxford, pp. 640 Backhurst, J.R. and Harker, J.H., 1983, Process Plant Design, Heinemann Educational Books, Lodon, pp. 231 Brownell, L.E. and Young, E.H., 1959, Process Equipment Design: Vessel Design, Wiley Eastern Limited, New Delhi Rase, F.H. and Barrow, M.H., 1957, Project Engineering of Process Plants, John Wiley &Sons, Inc, New York, pp Walas, S.M., 1990, Chemical Process Equipment, Selection and Design, Butteworth-Heinemann, Series in Chemical Engineering 9/7/