JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014)

Transkripsi

1 Desain Ecnmizer untuk Meningkatkan Efisiensi Biler 52 B 1/2/3 pada Unit Utilities Cmplex di PT. Pertamina RU IV Cilacap Esti Ratnasari, Dr. Ridh Hantr, ST, MT, dan Nur Laila Hamidah, ST, M.Sc Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknlgi Industri, Institut Teknlgi Sepuluh Npember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Indnesia hantr@ep.its.ac.id, nurlaila@ep.its.ac.id Abstrak Telah didesain ecnmizer biler 52 B 1/2/3 pada Unit Utilities Cmplex di PT. Pertamina RU IV Cilacap menggunakan metde Lg Mean Temperature Difference (LMTD) yang bertujuan untuk mengetahui nilai perpindahan panas. Variasi yang digunakan adalah diameter luar tube, jarak transversal, dan jarak lngitudinal. Dari hasil perhitungan diketahui nilai perpindahan panas tertinggi diperleh dari variasi diameter luar tube 50 mm, jarak transversal 60 mm, dan jarak lngitudinal 30 mm bernilai 2, W. Apabila ecnmizer ini dipasang akan dapat menghemat penggunaan bahan bakar sebesar 7, kkal/tahun. P Kata Kunci biler, ecnmizer, LMTD I. PENDAHULUAN enggunaan bahan bakar sangat mendminasi pembiayaan prduksi di kilang minyak. Pengunaan energi untuk prses prduksi di PT. Pertamina RU IV Cilacap mencakup bagian yang terbesar dari ttal biaya prduksi. Peralatan yang ada di kilang minyak pada umumnya berumur lebih dari 30 tahun semenjak pendirian kilang minyak tersebut. Efisiensi peralatan tersebut menurun sejalan dengan bertambah umur peralatan tersebut. Ketika efisiensi menurun pemakaian bahan bakar dan hasil yang diperleh tidak sesuai dengan target prduksi. Penurunan efisiensi menyebabkan kerugian eknmi dikarenakan harga bahan bakar semakin hari semakin meningkat. Oleh karena itu, perlu dilakukan peningkatan efisiensi untuk meningkatkan kinerja suatu peralatan, menghemat penggunaan bahan bakar, dan meningkatkan hasil prduksi peralatan tersebut. Efisiensi biler 52 B 1/2/3 pada unit utilities cmplex di PT. Pertamina RU IV Cilacap diketahui mengalami penurunan efisiensi sebesar 1% - 4% karena pengaruh dari umur biler, penggunaan bahan bakar, dan pembacaan alat instrument yang tidak akurat. Diketahui pula bahwa temperatur gas buang yang dihasilkan masih tinggi antara O C [1]. Temperatur gas buang yang masih tinggi ini dapat dimanfaatkan kembali untuk memanaskan air yang akan masuk ke dalam biler. Dengan memanfaatkan kembali gas buang akan dapat menurunkan knsumsi bahan bakar. Salah satu pilihan dalam meningkatkan efisiensi steam biler tekanan tinggi yang memiliki pembiayaan efektif adalah dengan pemasangan ecnmizer. Ecnmizer merupakan jenis tubular heat exchanger yang digunakan untuk memanaskan air sebelum masuk ke steam drum. Ecnmizer digunakan sebagai penukar panas untuk mengurangi biaya perasi atau mengeknmiskan biaya untuk bahan bakar dengan memanfaatkan kembali gas buang sisa dari pembakaran. Ecnmizer dapat mengurangi fluktuasi temperatur air ketika air masuk ke steam drum [2]. Peningkatan efisiensi biler dengan pemasangan ecnmizer adalah 2% - 4 % tergantung rata-rata pembakaran [3]. Hasil perhitungan didapat bahwa gas buang dapat menaikkan efisiensi biler sebesar 1,7%. Dan dapat menghemat biaya pembelian bahan bakar sebesar Rp ,- setiap tahun [4]. A. Alur Penelitian II. METODOLOGI PENELITIAN

2 perhitungan perpindahan panas mencari nilai LMTD. Nilai LTMD diperleh dari persamaan 2.2. Setelah didapatkan nilai LMTD dilanjutkan dengan perhitungan parameter yang berpengaruh terhadap perpindahan panas. Parameterparameter yang berpengaruh adalah kecepatan gas buang ditunjukan leh perumusan 2.3, kecepatan maksimal diperleh dari perumusan 2.4, bilangan Reynld diperleh dari perumusan 2.5, bilangan Nusselt diperleh dari perumusan 2.6, kefisien perpindahan panas (h) diperleh dari perumusan 2.8, dan ttal perpindahan panas (U) diperleh dari perumusan 2.9 [6]. Variasi ditambahkan agar dapat melihat perbedaan antara variasi satu dengan variasi lain. Variasi yang diberikan adalah diameter luar tube 40 mm, 45 mm, dan 50 mm. Jarak transversal 50 mm, 55 mm, dan 60 mm. Jarak lngitudinal sebesar 30 mm, 35 mm, 40 mm, dan 45 mm [2]. q mac ( ) at mac pa T2 T m a : laju aliran massa fluida dingin (kg/jam atau kg/s) T 1 : temperatur fluida panas masuk ( O C) T 2 : temperatur fluida panas keluar ( O C) C pa : kapasitas panas fluida dingin (J/m 3 K) T 1 ' : temperatur fluida dingin masuk ( O C) T 2 ' : temperatur fluida dingin keluar ( O C) T lm : rata-rata lg perbedaan temperatur ( O C) atau K T1 T2 GTTD STTD Tlm LMTD = T GTTD 1 T 2 ln ln( ) T2 T1 STTD 2. 2 Gambar 2.1. Alur penelitian B. Spesifikasi Prses Spesifikasi desain atau prses adalah semua infrmasi yang dibutuhkan untuk mendesain heat exchanger. C. Pemilihan Tipe Knstruksi Tipe knstruksi yang digunakan dalam desain ecnmizer ini menggunakan pla staggered, aliran cuntercurrent, fluida panas adalah gas, dan fluida dingin adalah air. D. Gemetri Permukaan Gemetri permukaan yang dibutuhkan adalah desain jumlah tube yang digunakan, panjang ecnmizer, lebar ecnmizer. E. Prperti Termfisik Prperti termfisik yang dibutuhkan untuk analisis perpindahan panas adalah visksitas dinamik (μ), densitas (ρ), panas spesifik (C p ), dan knduktivitas panas (k). F. Desain Termhidrlik Desain termhidrlik melibatkan kuantitatif perpindahan panas dan evaluasi ukuran heat exchanger. Sebagian besar tahap pada bagian ini adalah perhitungan analisis dan evaluasi [5]. Langkah pertama dimulai dengan perhitungan keseimbangan energi antara bagian gas dan bagian air ditunjukkan pada persamaan 2.1. Dilanjutkan dengan V m A V : kecepatan gas buang (m/s) ρ : densitas gas buang (kg/m 3 ) A : luasan bagian gas (m 2 ) ST Vmax. V S D T V max : kecepatan maksimal gas buang (m/s) V : kecepatan gas buang (m/s) S T : jarak transversal (mm) A : luasan bagian gas (m 2 ) D : diameter luar (mm) V D a max ReD, V max : kecepatan maksimal gas buang (m/s) D : diameter luar (mm atau m) μ : visksitas gas buang (Ns/m 2 ) Re D,i : bilangan Reynld bagian gas

3 Nu Pr m 0,36 D, C ReD, Pr Prs S T C 0,35 SL 0, m : knstanta bilangan Reynld = 0,6 k : knduktifitas gas buang = 0,0294 W/m K Pr : bilangan Prandtl = 0,7 Prs : bilangan Prandtl saat Ts = 0, 696 h D, Nu D D,. k h D, : kefisien perpindahan panas (W/m 2 K) Nu D, : bilangan Nusselt bagian air D : diameter luar (m) Re D, : bilangan Reynld bagian gas k : kapasitas panas ga s (J/m 3 K) 1 U Rtt 0,2 U : ttal perpindahan panas (W/m 2 K) R tt : resitansi termal (m K/W) G. Desain Ecnmizer Desain ecnmizer ini dibantu dengan tls yang dapat menggambarkan secara detail gambar desain ecnmizer baik secara 2D ataupun 3D. Pembuatan desain ecnmizer diperlukan data awal yang lengkap. Data untuk mendesain diperleh dari data desain biler 52 B 1/2/3. Berikut ini adalah gambar desain ecnmizer. Gambar 2.3. Desain ecnmizer 3D III. ANALISIS DAN PEMBAHASAN A. Variabel Simulasi Parameter-parameter yang mempengaruhi nilai perpindahan panas untuk variasi desain ecnmizer adalah kecepatan gas buang, kecepatan maksimal, bilangan Reynld, bilangan Nusselt, kefisien perpindahan panas, dan ttal perpindahanpanas. Nilai kecepatan maksimal tertinggi diperleh dari variasi diameter luar tube sebesar 50 mm, dan jarak transversal 55 mm dengan nilai 6,6 m/s. Nilai bilangan Nusselt tertinggi diperleh dari variasi diameter luar tube sebesar 50 mm, jarak transversal 55 mm, dan jarak lngitudinal 30 mm dengan nilai 1993,6. Nilai kefisien perpindahan panas (h) tertinggi diperleh dari variasi diameter luar tube sebesar 50 mm, jarak transversal 55 mm, dan jarak lngitudinal 30 mm dengan nilai 1172,2 W/m 2 K. Nilai ttal perpindahan panas (U) tertinggi diperleh dari variasi diameter luar tube sebesar 40 mm, jarak transversal 50 mm, dan jarak lngitudinal 30 mm dengan nilai 321,9 W/m 2 K. B. Krelasi Setelah didapatkan hasil perhitungan yang telah dibahas pada subbab variabel simulasi. Selanjutnya, dikrelasikan variasi desain ecnmizer dengan bilangan Nusselt, kefisien perpindahan panas (h), ttal perpindahan panas (U), dan perpindahan panas (Q). Gambar pertama menggambarkan hubungan antara diameter luar tube dengan bilangan Nusselt. Gambar kedua menggambarkan hubungan antara diameter luar tube dengan kefisien perpindahan panas (h). Gambar ketiga menggambarkan hubungan antara diameter luar tube dengan ttal perpindahan panas (U). Gambar keempat menggambarkan hubungan antara diameter luar tube dengan perpindahan panas (Q). Berikut ini adalah krelasi variasi desain ecnmizer ditunjukkan pada gambar 3.1. Gambar 2.2. Desain ecnmizer 2D

4 (a) (b) (c) (d) Gambar 3.1. Krelasi variasi desain ecnmizer (a) bilangan Nusselt ; (b) kefisien perpindahan panas ; (c) ttal perpindahan panas ; (d) perpindahan panas C. Validasi Validasi desain ecnmizer dibutuhkan agar desain sesuai dengan standar yang ada. Validasi desain ini dilakukan menggunakan tls yang sudah terpercaya untuk mendesain suatu heat exchanger. Hasil desain dari tls yang terpecaya digunakan untuk merekmendasikan desain ecnmizer mana yang terbaik. Selain itu, perlu dilakukan perhitungan nilai errr yang terjadi saat mendesain ecnmizer. Dari hasil perhitungan diketahui bahwa range errr antara 0,02% - 3,7%. Nilai rata-rata errr sebesar 1,7%. Nilai standar deviasi sebesar 1,1. Desain ecnmizer yang memiliki errr terkecil sebesar 0,02% diperleh dari variasi diameter luar tube sebesar 50 mm, jarak transversal sebesar 60 mm, dan jarak lngitudinal sebesar 30 mm. D. Penentuan Desain Terbaik Ecnmizer Dari pembahasan pada subbab sebelumnya telah dibahas parameter-parameter yang mempengaruhi nilai ttal perpindahan panas untuk variasi desain ecnmizer. Untuk menentukan desain terbaik ecnmizer digunakan perhitungan perpindahan panas dan validasi desain ecnmizer. Nilai perpindahan panas yang diperleh dari variasi diameter luar tube sebesar 50 mm, jarak transversal sebesar 60 mm, dan jarak lngitudinal sebesar 30 mm sebesar 2, W. Prperti lain yang menjelaskan desain terbaik ecnmizer dapat dilihat pada tabel 3.1. Tabel 3.1. Tabel Prperti Desain Terbaik Ecnmizer N Prperti Nilai 1 Diameter Luar Tube 45 mm 2 Jarak Transversal 60 mm 3 Jarak Lngitudinal 30 mm 4 Kecepatan Gas Buang 0,6 m/s 5 Kecepatan Maksimal 6 m/s 6 Bilangan Reynld 13458,3 7 Bilangan Nusselt 1734,1 8 h 1132,9 W/m 2 K 9 U 288,3 W/m 2 K 10 Luas 24 m 2 11 LMTD 348 K 12 Q 2, W E. Heat Recvery dan Fuel Saving Fuel saving adalah penghematan penggunaan bahan bakar [7]. Berikut ini perhitungan nilai fuel saving adalah Q V.. C. T p Q : kandungan panas dalam kkal V : laju aliran massa dalam kg/jam ρ : massa jenis gas buang dalam kg/m 3 Cp : panas jenis bahan dalam kkal/kg C T : perbedaan temperatur dalam C Q , 018.1, , 4 6 9,3.10 kkal Energi yang dapat dihemat adalah 9, kkal per jam atau 2, kkal per hari atau 7, kkal per tahun. Apabila nilai kalri ktr (GCV minyak) = kkal/kg Penghematan minyak = 7, /10200 = 7, liter 3. 1

5 Harga minyak = 100 USD/barel = 0,62 USD/liter Penghematan keuangan = USD/tahun IV. KESIMPULAN Setelah dilakukan perhitungan dan simulasi untuk mengetahui variasi desain ecnmizer terbaik maka dapat diperleh kesimpulan: 1. Nilai LMTD desain ecnmizer adalah 348,038 K. 2. Variasi desain terbaik ecnmizer diperleh dari variasi diameter luar tube sebesar 50 mm, jarak transversal sebesar 60 mm, dan jarak lngitudinal sebesar 30 mm dengan nilai kecepatan gas buang sebesar 0,6 m/s, nilai kecepatan maksimal sebesar 3,6 m/s, nilai bilangan Reynld sebesar 13458,3, bilangan Nusselt sebesar 1410,1, kefisien perpindahan panas (h) sebesar 829,1 W/m 2 K, ttal perpindahan panas (U) sebesar 289,1 W/m 2 K, luas sebesar 24 m 2, perpindahan panas sebesar 2, W. 3. Apabila desain ecnmizer ini diaplikasikan pada biler 52 B 1/2/3 ada unit utilities cmplex di PT. Pertamina RU IV Cilacap menghasilkan heat recvery dan fuel saving bahan bakar sebesar 7, kkal per tahun. Penurunan penggunaan bahan bakar dapat mempengaruhi efisiensi bahan bakar dari biler. Penghematan keuangan dalam pemakaian bahan bakar sebesar USD/tahun. UCAPAN TERIMA KASIH Alhamdulillah, terima kasih kepada Allah SWT yang telah memberikan kelancaran dalam pembuatan jurnal ini. Saya mengucapkan terimakasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam mengerjakan tugas akhir hingga seles ai. Semga Allah membalas semua kebaikan yang telah diberikan kepada penulis. DAFTAR PUSTAKA [1] E. Ratnasari, Penerapan Metde Input Output Menghitung Efisiensi Biler 52 B 1/2/3 pada Unit Utilities Cmplex di PT. Pertamina RU IV Cilacap, Surabaya, [2] J. B. Kitt and S.. Stultz, Steam its generatin and use, 41st ed. Ohi: The Babcck & Wilcx Cmpany, [3] P. K. Ravindra, V. R. Raju, N. R. Kumar, and C. V. K. Kr, Investigatin f Imprvement in Biler thrugh Incrpratin f Additinal Bank f Tubes in the Ecnmiser fr Supercritical Steam Pwer Cycles, Int. J. Eng. Res. Dev., vl. 4, n. 8, [4] Murni, Menaikkan Efisiensi Biler dengan Memanfaatkan Gas Buang untuk Pemanas Eknmiser, in Seminar Sains dan Teknlgi ke-2, [5] T. Kuppan, Heat exchanger design handbk, vl Marcel Dekker New Yrk, [6] F. P. Incrpera, A. S. Lavine, and D. P. DeWitt, Fundamentals f heat and mass transfer. Jhn Wiley & Sns, [7] UNEP, Pemanfaatan Kembali Limbah Panas. UNEP, 2012.