Bab II. Tinjauan Pustaka

Transkripsi

1 Bab II Tinjauan Pustaka Teknologi pemanas sangat diperlukan untuk berbagai proses produksi, teknologi pemanas mencakup prinsip-prinsip konveksi dan konduksi dalam ilmu heat transfer dan thermodinamika. Konduksi adalah perpindahan kalor melalui zat tanpa disertai partikel-partikel zat tersebut. Konveksi adalah transport energi dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan, energi dan gerakan mencampur. Proses terjadi pada permukaan padat (lebih panas atau dingin) terhadap cairan atau gas (lebih dingin atau panas). Jenis fire heater mudah kita jumpai dalam tipe dan model yang bervariasi. Pada fire heater, setidaknya terdiri dari penukar panas, yaitu shell and tube, yang bertujuan untuk pertukaran panas. Yang kedua adalah reaktor kimia, di mana bahan bakar dan udara mengalami reaksi eksotermik untuk menghasilkan panas yang diperlukan. Ditinjau dari proses pemanasan dengan sumber bahan bakar, teknologi fired heater digolongkan menjadi dua jenis, yaitu direct fired heater dan indirect fired heater. Aplikasi kedua alat pemanas ini adalah digunakan diberbagai industri seperti pabrik, perminyakan dan petrokimia. Akan tetapi jenis direct heater lebih dominan digunakan dalam industry perminyakan dan petrokimia. Sedangkan untuk indirect heater digunakan seperti pada pabrik makanan, pabrik plastik, pabrik karet, bahkan di negara-negara yang mempunyai iklim dingin juga digunakan oleh perusahaan air untuk memanaskan suhu air suplai, agar tetap pada suhu yang layak untuk dialirkan ke rumah-rumah warga pada cuaca dingin atau bersalju. 7

2 2.1. Pemanasan Api Langsung ( Direct Fired Heater) Pemanasan dengan api langsung (direct fired heater) adalah proses pemanasan dimana panas disebarkan atau ditransfer langsung kepada massa yang solid atau cair untuk tujuan perubahan fisika atau kimia. Kita mengenal pemanasan api langsung dalam industri pengolahan sebagai furnace. Furnace dalam peleburan atau pemanggangan. Furnace pembakaran terdapat dua tipe umum, fired heater dan converter. Furnace memproduksi panas sebagai akibat dari pembakaran bahan bakar. Panas yang dihasilkan dari produk pembakaran ditransfer kepada material yang akan dipanaskan baik secara langsung maupun tidak langsung. Exhaust Stack Header Process Coil Flue Gas Chamber BURNER Gambar 2.1. Direct Fired Heater Type Conventional Pada gambar 2.1 adalah direct fired heater jenis conventional ( tradisional ). Alat ini terdiri dari shell heater, alat pembakar (burner), process coil, header pipe 8

3 pada bagian luar coil yang mana ini akan tersambung kepada main line pipe. Alat ini adalah jenis direct fired heater. Disebut demikian karena gas panas ( flue gas ) hasil pembakaran memanaskan ruangan kosong yang sengaja didesain sedemikian rupa sehingga lidah api tidak berdekatan ke process coil. Kemudian thermal mengalir ke atas ke pipa-pipa coil proses yang didalamnya dialiri oleh fluida proses dan sisa gas panas keluar melalui exhaust stack sebagai gas buang. Convection section Radiant section Gambar 2.2 Direct Fired Heater jenis radiant Gambar 2.2 adalah desain direct fire heater tipe radiant yang umumnya juga disebut furnace diatur dalam standard code API 560. Yang mana sebetulnya API 560 ini adalah spesifikasi direct fired heater yang ditulis untuk aplikasi pemanasan crude oil (minyak mentah). Dimana dalam heater API 560 terdapat process coil yang 9

4 berada dekat lidah api ( radiant section coil ), sedangkan di atas terdapat convection coil yang ditujukan untuk pemanfaatan panas dari gas pembakaran sebelum keluar ke cerobong asap dan dibuang ke atmosfer. Water vapour / steam coil Proses Fluid inlet coil Radiant Type Heater Distilation Coloumn Gambar 2.3 PID Direct Fired Radiant Heater Dalam gambar 2.3 terlihat fungsi dari radiant coil dan conventional coil yang terdapat dalam satu heater tersebut. Radiant coil dalam adalah untuk fluida yang akan dipanaskan pada suhu umumnya di atas 250 C ( 482 F ). Dan coil conventional adalah untuk water vapour, yakni air yang dipanaskan pada suhu di atas 100 C ( 212 F ) hingga menjadi superheated steam. Setelah dipanaskan dan 10

5 terjadi evaporasi, crude oil dan steam tersebut dialirkan masuk ke dalam distillation column secara bersamaan untuk proses separasi dari masing-masing kandungan dalam minyak mentah tersebut. Superheated steam tersebut mengikat beberapa jenis kandungan dalam minyak mentah agar menjadi terpisah masing-masing kandungan, yang paling ringan yakni gas, gas akan keluar pada nozzle paling atas, kemudian dibawahnya lagi ada Naptha, dst. Secara jelas bisa dilihat pada gambar 2.4 di bawah ini. Gambar 2.4 Distilation Column Crude Oil 11

6 Gambar 2.5 Direct fired heater crude oil Direct fired heater adalah dan secara esensial hanya digunakan pada process oil refinery dan prosess pada industry internally-heated process petrokimia. Pada design dan spesifikasi direct fired heater yang mengacu pada standar kode tertentu mempunyai keunggulan dalam segi keamanan alat pengontrol ( control panel ) dan juga tingkat keamanan pada pemilihan bahan dan metode fabrikasi yang diatur sesuai keamanan yang sudah teruji. Tingkat efisiensi pada design heater saat ini lebih mengutamakan tingkat efisiensi yang tinggi yang berakhir pada tujuan penghematan bahan bakar dan tentunya tujuan tingkat keamanan yang juga lebih baik. 2.2 Pemanas Api Tidak Langsung (Indirect Fired Heater) Pemanas api tidak langsung (indirect fired heater) adalah proses pemindahan thermal dengan memanfaatkan media pemindah panas ( heating media ) seperti air 12

7 atau minyak sintetis, untuk mentransfer panas ke fluida proses yang mengalir di dalam pipa yang melewati media pemanas tersebut. Atau juga bisa disebut indirect heater karena pemanasannya adalah pemanasan secara externally-heated. Alat yang termasuk dalam kategori indirect fired heater adalah Hot Oil System atau juga umum dikenal dengan sebutan Thermal Oil System dan tipe lain disebut Indirect Fired Water Bath Heater Hot Oil System / Thermal Oil Heater Hot Oil System/Thermal Oil System adalah alat pemanas yang digunakan untuk memanaskan minyak thermal, yaitu minyak sintetis yang umum sebagai heating media dipanaskan dan liquid phase media ini diedarkan ke satu atau lebih pengguna energy panas dalam suatu system tertutup ( close-loop system ). Dalam banyak industri kita mengenal alat yang disebut heat-exchanger. Minyak thermal yang sudah dipanaskan ke suhu tertentu sesuai kebutuhan dialirkan ke alat lain seperti heat exchanger tersebut untuk mentransfer panas ke fluida lain yang dialirkan dalam heat-exchanger disisi dinding yang lain. Selain penggunaan Thermal Oil Heater dengan heat-exchanger, juga umum untuk aplikasi pemanasan tangki penampung bahan kimia, aspal dan lain-lain dengan cara mengalirkan minyak thermal dengan suhu panas tersebut ke coil-pipe yang dibenamkan ( immersed ) ke dalam tangki penampungan atau penimbunan tersebut. Thermal oil heater sendiri secara desain hampir sama dengan jenis pemanas direct fired heater, hanya saja karena thermal oil heater adalah sebuah system tertutup ( close-loop system ) yang mana cairan minyak thermalnya digunakan secara sirkulasi terus menerus, maka alat ini dilengkapi dengan pompa skid dan tangki expansi. 13

8 Expansion Tank Heater Pump Skid Gambar 2.6 Hot Oil Heater dengan Expansion Tank dan Pump Skid Pada gambar 2.6 adalah sebuah heater lengkap dengan exhaust stack dan juga expansion tank dan pump skid. Karena hot oil heater adalah close-loop system yang mana media heat transfer dipanaskan secara berulang terus menerus setelah melalui perjalanan ke beberapa tempat sebagai penukar panas, maka cairan heat media akan melalui expansion tank terlebih dahulu sebelum akhirnya kembali memasuki heater untuk dipanaskan. 14

9 Gambar 2.7 Expansion Tank dengan Pump Skid di bawahnya Thermal fluid yang dipanaskan memerlukan expansion tank untuk dua alasan. Pertama, expansion tank bertindak sebagai safe outlet untuk meningkatkan volume thermal fluid, karena terjadinya proses pemuaian akibat pemanasan. Kedua, expansion tank merupakan mekanisme untuk venting air, anti kondensasi dan degradasi oleh produk dan masuknya udara pada saat start-up dan operasi. Tangki expansi bertindak sebagai receiver untuk thermal fluid dari user (pengguna) dengan pompa sirkulasi dari bawah tangki untuk kemudian kembali ke heater. 15

10 Expansion tank tower Vertical heater Shell & Tube Heat Exchanger Gambar 2.8 Thermal Oil Heater dengan HE Gambar 2.8 adalah contoh aplikasi Thermal Oil Heater yang digunakan pada proyek offshore crude oil transportation. Crude oil yang disedot dari sumur mengalir melewati tangki dehydrator ( coalesce ) dan K.O drum ( separator ) untuk dikurangi kandungan air dan beberapa jenis material lainnya seperti garam. Lalu crude oil dialirkan ke dalam heat exchanger untuk menerima panas dan kemudian langsung dimasukkan ke dalam kapal tangker. Thermal oil ( yaitu berupa minyak sintetis ) yang dipanaskan dialirkan ke sisi shell heat exchanger dan crude oil yang akan 16

11 menerima panas mengalir pada sisi tube heat exchanger. Setelah mengalir melalui HE, thermal oil akan mengalir ke expansion tank dan kemudian masuk kembali ke heater. Jenis thermal oil yang umum digunakan adalah Terminol ( 66, 55 dll ) dan jenis lain seperti Glycol Indirect Fired Water Bath Heater Water Bath Heater adalah juga jenis indirect fired heater dengan perbedaan tipe pada proses pemanasan dengan menggunakan heating media untuk mentransfer panas yang umumnya adalah air (deminirelized water) atau cairan minyak sintetis atau campuran antara keduanya. Panas ditransfer melalui api firetube ( tabung api ) yang terendam dalam heating media di dalam shell (tangki) heater dan panas dari heating media ditransfer lagi kepada proses fluida yang mengalir di dalam pipa-pipa coil yang juga terendam ( immersed ) di dalam shell heater pada posisi dibagian atas. Porsi pada firetube yang terdapat lidah api disebut radiant section. Panas dari api ditransmisikan ke dinding firetube dengan radiasi. Indirect Fired Water Bath Heater terdiri dari beberapa komponen yang masing-masing komponen didisain sesuai spesifikasi disain kriteria atau standar kode (standard code design) API 12 K yang mengatur mengenai disain aman (safety in design ) sebuah Indirect Fired Water Bath Heater. Yang mana spesifikasi ini ditulis sebetulnya untuk penggunaan burner berjenis natural draft. Dalam API 12 K diatur mengenai maksimal nilai heat density dan heat flux pada firetube (tabung api). Cross sectional area firetube dibatasi oleh nilai heat density maksimal pada BTU/hr/in2 dan heat flux maksimum BTU/hr/ft2. Jika nilai heat density lebih dari angka tersebut bisa mengakibatkan api yang tidak stabil karena kekurangan udara. Nilai ini ditentukan berdasarkan penggunaan alat pembakar (burner) jenis natural draft. Yaitu pembakaran yang suplai udaranya mengandalkan tekanan udara atmosfer. Spesifikasi dalam API 12 K mengenai penggunaan natural draft burner ini ditujukan untuk spesifikasi Indirect Fired Water Bath Heater yang dioperasikan di area yang jauh dari pemukiman dan keterbatasan pasokan listrik, sehingga tidak 17

12 memungkinkan untuk menggunakan combustion air blower untuk mensuplai udara pada pembakaran akan tetapi hanya menggunakan suplai udara dari atmosfer secara alami. Akan tetapi pada masa sekarang ini dimana hampir di setiap plant selalu ada ketersediaan pasokan listrik yang cukup sekalipun dengan portable generator listrik. Maka penggunaan forced draft burner selalu menjadi pilihan yang terbaik. Dengan menggunakan forced draft burner mempengaruhi tingkat keamanan yang lebih tinggi serta yang terpenting adalah efisiensi yang jauh lebih baik yang mempengaruhi efektivitas biaya pembelian alat maupun pada saat pengoperasian alat itu sendiri. Forced draft burner adalah suatu proses pembakaran dalam fire heater yang mana suplai udaranya diatur oleh combustion fan. Secara keseluruhan sistim antara water bath heater dengan menggunakan forced draft burner dan natural draft burner tidak berbeda, hanya perbedaan adalah pada adanya combustion fan pada FD burner dan pada ND burner tidak menggunakan combustion fan. Pada gambar 2.6 di bawah ini menjelaskan secara detail tipical PID (Proportional Integral Drawing atau Process Instrument Diagram) sebuah water bath heater. Pada gambar 2.6 di bawah ini menjelaskan secara detail tipical PID sebuah water bath heater. 18

13 2.9 Process Instrument Diagram sebuah IFWH Media cairan yang umum digunakan dalam Indirect Fired Water Bath Heater adalah air, Ethylene Glycol ( EG ), Triethylene Glycol (TEG) atau Polyethyline Glycol (PEG) dan Molten Salt, akan tetapi apapun jenis media pentransfer panas yang digunakan dalam system ini tetap disebut Water Bath Heater, walaupun ada beberapa yang tetap menyebutnya sebagai Glycol Bath Heater, Salt Bath Heater. TEG atau PEG adalah sejenis minyak sintetis atau senyawa organic yang umumnya digunakan sebagai anti freeze pada teknik automotive. Dan minyak sintetis jenis ini mempunyai boiling point diatas air biasa, yaitu pada C (387 F ). Melting point adalah C ( 8,78 F ), flashpoint 111 C ( 231,8 F ) dan autoignition pada suhu 410 C (770 F). Perbedaan antara penggunaan air dan minyak sintetis sebagai media pentransfer panas adalah sebagai berikut : Media air 100% digunakan apabila keperluan pemanasan tidak melebihi 100 C ( 212 F ), di mana air mempunyai titik didih pada suhu tersebut yaitu pada lokasi dengan ketinggian diatas permukaan laut dan udara bertekanan 1 atm. Contohnya sebuah process fluida gas berada pada suhu 10 C ( 50 F ) akan dipanaskan menjadi 22 C ( 71,6 F ). Maka dalam kalkulasi disain, yang melingkupi ukuran alat tersebut serta konstruksi pada coil (pipa fluida proses) dan firetube (tabung api) dan dihitung dari nilai maksimal flowrate serta maksimal tekanan pada process fluida menunjukkan hasil bahwa suhu air adalah minimal 88 C ( 190,4 F ). Pada suhu di bawah titik didih, penguapan air tidak akan berpengaruh pada penyusutan jumlah air. Jadi pengisian air atau make up water kemungkinan hanya perlu dilakukan satu tahun, sekali atau dalam arti tidak perlu melakukan pengisian kembali sampai tiba masa waktu dilakukan perawatan. Ada beberapa kasus yang tetap menggunakan media air sebagai pentransfer panas, sementara suhu air harus berada minimal diangka 140 C ( 284 F ). Maka digunakan sistim automatic refill pump. Sistim seperti ini bisa diterapkan, akan tetapi harus diimbangi dengan sistim injeksi cairan anti karat seperti polimer (basa) dan asam (pengontrol PH). Jadi jika suhu fluida bath diperlukan lebih tinggi, sebaiknya air tidak 19

14 digunakan karena tidak efektiv dalam hal pengoperasian (biaya dan tingkat kerepotan yang lebih tinggi). Sebaiknya menggunakan campuran antara air 50% dan glycol 50%. Sementara minyak sintetis semacam TEG/PEG/DEG digunakan apabila kebutuhan pemanasan pada fluida pemanas (bath fluid) melebihi 100 C (212 F ). Karena minyak sintetis ini mempunyai titik didih yang lebih tinggi dibanding air, yaitu di atas 197 C ( 386,6 F ). Penggunaannya bisa tergantung pada kebutuhan suhu, bisa 100% TEG atau pencampuran antara 40% air dan 60% Glycol, atau bahkan 100%. Glycol yang bersifat basa, juga sangat baik dalam hal pencegahan karat pada metal. Berbeda dengan penggunaan air yang memerlukan pencegah korosi, semacam anode serta bahan kimia asam dan basa. Indirect Fired Water Bath Heater digunakan dalam banyak pemrosesan, upstream industry migas, transportasi sales product Migas, petrokimia dan lain-lain. Penggunaan secara umum meliputi : Pemanasan gas alam sebelum tekanan berkurang akibat perjalanan aliran dengan tujuan untuk mencegah adanya pembekuan pada area down stream akibat ekspansi valve. Mencegah pembentukan hidrat pada aliran fluida sepanjang pemipaan. Hidrat adalah suatu Kristal yang terbentuk antara molekul-molekul air (H2O) dan molekul-molekul hidrokarbon (C1/C4) ringan dan juga molekul-molekul H2S dan CO2. Bentuk hidrat dapat berupa seperti jelly atau bubur sampai padat keras seperti es batu. Apabila hidrat terbentuk, maka akan menyebabkan kenaikan nilai pressure drop dalam pemipaan, bahkan jika hidrat terbentuk sangat banyak akan menyebabkan pipa menjadi buntu dan aliran gas akan macet. Apabila gas bumi yang mengandung uap air jenuh (saturated ) mengalami pendinginan, maka sebagian dari uap air tersebut akan mengembun dalam bentuk air bebas. Apabila proses pendinginan gas mencapai suhu pembentukan hidrat atau lebih rendah, maka molekul-molekul air tersebut akan bergabung dengan molekul-molekul hidrokarbon ringan dan 20

15 terbentuklah hidrat. Pada tahap awal ukuran hidrat kecil-kecil, sehingga akan terbawa dalam aliran gas. Akan tetapi kristal hidrat ini dapat tumbuh di tempat permukaan pipa yang tidak rata sehingga akan menghambat aliran gas dalam perpipaan bahkan dapat menyumbat pipa. Memanaskan aliran dari sumur gas sebelum memasuki tahap separasi. Memanaskan aliran proses untuk menjaga viskositas fluida agar tetap pada nilai minimal untuk mengurangi nilai kebutuhan horse power pada sistim pemompaan. Memanaskan kritikal stok gas yang perlu di control suhu secara ketat agar tidak terjadi perbedaan suhu yang fatal. Pemanasan bahan bakar gas untuk turbin untuk menjaga suhu bahan bakar tetap pada titik pengembunan yang diperlukan/ditentukan. Komponen dalam Indirect Fired Water Bath Heater adalah Komponen dalam Indirect Fired Water Bath Heater Komponen utama terdiri dari shell heater, process coil, firetube dan tentunya control panel Shell heater Bentuk shell water bath heater selalu silinder dan umumnya selalu horizontal. Dalam gambar diatas, shell heater adalah bagian yang berwarna silver yaitu aluminium cladding. Shell heater diberi insulasi luar dengan mineral wool dan lapisan terluar dengan menggunakan aluminium cladding tersebut. 21

16 Gambar 2.10 Indirect Fired Water Bath Heater Shell heater beroperasi pada tekanan atmosperik dan disain acuan sesuai API 12 K adalah kategori sebagai tangki umum. Standar kode dalam API 12 K mengatur mengenai rancangan shell heater adalah sbb : Material yang direkomendasikan oleh API 12 K untuk digunakan sebagai shell heater adalah standar ASTM ( American Society for Testing and Material ) dan API ( American Petroleum Institute ), antara lain ASTM A 36, ASTM A 283 Grade C, ASTM A 285 Grade C, ASTM A 515, ASTM A516. Kalau di Indonesia, umumnya disukai material A 516 yang sebetulnya material ini cukup mahal dengan pengaruh harga sekitar 5% dibanding dengan material A 36. Bahan A 516 adalah spesifikasi untuk bejana bertekanan (pressure vessel). Dalam proyek Subsea ORF PL West Java Muara Karang ditentukan material yang digunakan adalah SA-516-Gr.70. Ketebalan shell minimal adalah 3/16 inch ( 4.76 mm ). Ketebalan shell ini bisa ditingkatkan atau dibuat lebih tebal sesuai kemauan atau kenyamanan. Biasanya dengan pertimbangan safety operation, maka ketebalan shell akan ditentukan misalnya dengan ketebalan 9 mm. Pada umumnya shell water bath heater mempunyai ketebalan shell minimal 6 mm. Dengan ketebalan 6 mm secara teori 22

17 teknis dan juga secara praktek sudah mampu mengakomodir apabila adanya tekanan berlebih pada shell heater. Mengingat shell heater hanya beroperasi pada tekanan atmospher. Shell heater memang akan mengalami pemanasan dan tekanan bertambah menjadi sekitar dua atm akibat adanya pemanasan, akan tetapi ketebalan dinding shell heater minimal 4.6 mm seperti diatur dalam API 12 K adalah sudah mengacu kepada tekanan 3 bar ( 43,51 PSI ), ini berarti safety margin yang dipertimbangkan sudah sangat baik dan cukup. Tetapi beberapa kasus yang memberikan spesifikasi yang berlebihan dan mengacu standar disain shell kepada standar kode ASME ( American Society of Mechanical Engineering ) Sec VIII yang mengatur mengenai bejana bertekanan. Jadi jika acuan ASME Sec VIII yang digunakankan, maka standar umum ketebalan shell adalah minimal 8 mm sampai maksimal 9.4 mm. Pada proyek ORF PL Muara Karang, besar heater dibuat sesuai space area yang tersedia. Karena keterbatasan space, sementara disana diperlukan tiga (3) heater, maka heater dibuat dengan ukuran sesuai finger foot print, yaitu 9 m (L) x 3 m (W) x 4 meter(h), termasuk dengan heater frame skid ( rangka penopang ). Ukuran shell heater sendiri adalah pasti lebih kecil dari frame skid karena pada heater tidak hanya berupa sebuah tangki silinder saja akan tetapi ada ladder and platform dan juga control panel pada sisi heater dan pada frame skid terdapat cable tray untuk menempatkan kabel-kabel elektrikal dan instrumentasi yang terpasang pada bagian heater Process Tube / Process Coil dan Manifold/ Header Pipe Process Coil atau lazim hanya disebut coil saja adalah pipa yang akan dialiri fluida proses, yakni natural gas. Coil dalam Water Bath Heater adalah konfigurasi Upipe dengan beberapa passes (laluan) yang kemudian berujung pada pada pipa di bagian luar shell heater yang disebut header atau manifold. Header terdiri dari inlet dan outlet, dimana bagian-bagian ini tersambung dengan main-line pipe gas alam yang berasal dari tangki penimbunan atau dari kapal tangker. Dalam referensi penulisan tugas akhir ini adalah berupa proyek floating terminal transportasi natural 23

18 gas yang dikirim dengan kapal yang berada kurang lebih 15 km dari lokasi heater berada. Heater ini sendiri berada di Muara Karang tepat bersebelahan dengan PLN Pluit Muara Karang. Koneksi antara pipa gas alam dengan manifold heater adalah dengan flange connection. Header Pipe outlet Header pipe inlet Coil Gambar 2.11 Letak dan Konfigurasi Process Coil serta Pipa Header Coil menerima aliran Natural Gas proses dari pipa header dengan tekanan 645 Psig ( 44,5 barg ) dan flowrate 373,884 lb/hr (190 MMSCFD). Material pipa yang digunakan adalah API 5L X52 dan difabrikasi dengan acuan ASME B 31.3 yang mengatur mengenai pipa bertekanan. 24

19 Di dalam klausul API 12 K point 4.2 yang mengatur mengenai coil Water Bath Heater, disebutkan bahwa material coil adalah seamless pipe (pipa utuh / bukan rolled plate pipe) dan beberapa jenis material disebutkan, yaitu : API 5L grade B, ASTM A 53 grade B, ASTM A 106 grade B atau grade C. Dari jenis material yang ditentukan tersebut ( API atau ASTM) kemudian akan berpengaruh kepada standar kode untuk mendisain pipa tersebut (atau kebalikannya). Yakni, apabila menggunakan material API, maka coil difabrikasi sesuai aturan ASME B 31.3, dan apabila material yang dipilih adalah ASTM, maka disain dan fabrikasi menggunakan acuan ASME Sec VIII. Gambar 2.12 Diagram Aplikasi Pemipaan B31.3 Disain coil dengan acuan ASME B31.3 juga dibenarkan dalam API 12 K, karena tingkat keamanan disain yang diatur dalam proses fabrikasi juga terdapat dalam B Hal paling penting dalam kalkulasi disain coil adalah working pressure. Hal lain yang mendukung adalah flowrate dan suhu fluida proses. 25

20 Data sheet untuk ORL PL water bath heater adalah sbb: Flowrate : 190 MMSCFD ( lb/hr ) Pressure : 44.5 barg ( psig ) Inlet temperature : 10 C ( 50 F) OutletTemperature : 22 C ( 71.6 F ) Process Fluide : Natural Gas Heat Transfer Media : Water Fuel gas supply pressure : 12 barg ( 188,5 psig ) Fuel Gas Temperature : 18 C ( 64,4 F ) Gas Composition : : % : 5.3 % : 2.6 % : 0.51 % : 0.44 % : 0.02 % Header pipe ( 16 inch OD) ASME Sec VIII Header cap Coil Branch (cabang coil) ASME B31.3 Gambar 2.13 Process Coil Lokasi Process coil adalah pada inlet dan outlet header pipe, terbangun menjadi enam (6 ) tube, yang masing-masing tube mempunyai empat (4) passes, jadi dihitung total ada dua puluh empat (24) coil. Jika dalam API 12 K, seharusnya dihitung menjadi enam (6) single pass coil. Material process coil yang digunakan 26

21 dalam proyek ini adalah API 5L-X52 seamless pipe. Pada umumnya material process coil yang dipilih oleh pihak manufaktur adalah A-106 B dan difabrikasi dengan standar kode ASME Sec. VIII Div. 2. Konfigurasi coil terdapat pada gambar dibawah ini : Header Pipe 16 inch Coil 4 inch Gambar 2.14 b Coil side view (4 passes) Gambar 2.14 a Konfigurasi Coil Top view Expansion Tank Salah satu komponen penting dalam sistim thermal cairan yang memanfaatkan fasa cair termal adalah expansion tank. Sistim thermal semacam ini membutuhkan tangki expansi untuk dua alasan, yakni pertama, sebagai safe outlet, karena peningkatan volume pada cairan termal terjadi ekspansi termal. Yang kedua karena tangki expansi menyediakan mekanisme ventilasi cairan, incondensibles dan degradasi oleh produk serta kemungkinan kemasukan udara pada saat start up dan operasi. 27

22 Letak tangki expansi dalam water bath heater adalah seperti terlihat pada gambar Expansion tank Gambar 2.15 PID Indirect Firecd Water Bath Heater Material expansion tank bervariasi berupa material yang sama dengan shell heater dan bisa juga material yang berbeda. Akan tetapi material yang digunakan 28

23 tetap seputar material yang ada dalam daftar rekomendasi API 12 K. Disain expansion tank sama dengan design shell heater, yakni disain tangki umum Fire Tube (Tabung Api) Firetube terletak pada bagian yang terdekat dan tersambung dengan burner (alat pembakaran). Berada pada posisi paling bawah di dalam shell heater. Konfigurasi firetube terdiri dari satu U-tube atau lebih (gambar 2.16), dan reaksi termal dari pembakaran memanaskan seluruh area firetube dan panas pada dinding menghantarkan panas kepada media pemanas (heating fluid) secara konveksi alami. Material firetube adalah heavy-wall pipe (pipa berdinding kuat) yang umumnya adalah carbon steel A 106 atau A 53. Tipikal ukuran firetube adalah antara 6-30 inch ID ( 0,15 m 0,762 m ) dan panjang antara 5 30 ft ( 1,52 m 9,14 m ). Stack Fire tube Gambar 2.16 Firetube dengan konfigurasi 2 U-tube tampak dalam shell heater Porsi firetube yang terdapat lidah api disebut radiant section. Disini panas dari lidah api ditransmit ke dinding firetube oleh pemanasan radiasi. Lebih dari setengah 29

24 total jumlah panas yang ditransfer melalui firetube terjadi pada ujung lidah api. Jumlah yang pasti dari panas yang ditransfer tergantung pada rasio bahan bakar dan udara pembakaran, tipe bahan bakar, dan diameter firetube. Untuk transfer radiasi maksimal, lidah api seharusnya luminous ( bercahaya bersih ) dan nontubulent ( tidak ada turbulensi/gerak ). Porsi dari firetube yang tidak ada lidah api adalah bagian yang disebut area konveksi. Panas yang ditransfer ke dinding pipa firetube adalah secara konveksi yaitu melalui gas panas dari api ( flue gas ). Karena panas flue gas terdapat kandungan karbon dioksida dan uap air ( water vapour ), heat transfer koefisien menjadi sangat rendah, bahkan setelah dikombinasikan dengan efek radiasi masih jarang terjadi melebihi angka 2,5 3,0 Btu/hr/ft2- F. Efek dari excess-air ( kelebihan udara pembakaran ) pada area konvesi di firetube sangat complex, semakin tinggi jumlah kelebihan udara pembakaran maka semakin rendah suhu suhu flue-gas ini berarti juga menurunnya nilai LMTD ( Log Mean Different Temperature ). Sedangkan pada bagian radiasi di firetube, jika nilai excess-air rendah maka menaikkan nilai operasi. Convection section Radiant section Gambar 2.17 Radiant section dan Convection section pada firetube Panas / heat pada firetube surface mentransfer panas ke bath fluid / media penghantar panas dalam shell dan panas fluida bath terjadi heat-exchange ke 30

25 process coil yang didalamnya dialiri oleh fluida proses sebagai tujuan akhir dari transfer panas agar suhu outlet fluida proses tercapai. Firetube Heat density dalam cross section sebuah firetube diekspresikan dalam satuan BTU/hr/In2 sesuai area cross sectional. Sedangkan heat flux diexpresikan dalam satuan BTU/hr/ft2 sesuai area yang tereksposi. Di dalam spesifikasi API 12 K burner yang digunakan adalah tipe Natural Draft burner, yang mana suplai udara pembakaran adalah mengandalkan tekanan pada udara bebas. Ketentuan nilai rata-rata heat flux tidak boleh melebihi BTU/hr/ft2. Heat Flux adalah sebuah ukuran akan intensity aliran energy. Pada kasus fire heater, ini mengekspresikan sebagai energi yang dilepaskan oleh pembakaran bahan bakar dan harus ditransmisikan melalui area permukaan pada fire tube. Secara teori dan praktek terbukti bahwa heat flux yang rendah menghasilkan efisiensi thermal yang lebih tinggi pada firetube, walaupun ini seringkali terbukti bahwa heat flux yang tinggi dengan ukuran heater yang lebih kecil mempunyai efisiensi yang lebih baik secara keseluruhan terutama pada operation cost. Rumus umum hitungan heat flux pada firetube IFWBH sbb; Nilai rata-rata heat flux ( ) adalah : firetube rating BTU/hr ft2 of firetube surface Heat density adalah panas yang dikeluarkan melalui cross-sectional area pada firetube. Water Bath Heater yang mengacu pada spesifikasi API 12 K akan mempunyai nilai maksimal heat density BTU/hr/in2. Rumus hitungan nilai heat density sbb; Heat Density = firetube rating BTU/hr ( cross sectional area, in2 ) ( efficiency ) Burner atau alat pembakaran 31

26 Burner adalah alat yang digunakan untuk membakar bahan bakar (fuel) untuk dikonversikan dari energy kimia menjadi energy thermal. Pemahaman mengenai aplikasi burner adalah hal penting dalam hal memilih disain burner yang tepat. Ada banyak faktor yang harus diikutsertakan dalam mendisain atau memilih burner, beberapa diantaranya adalah bahan bakar yang digunakan (minyak, gas, solid fuel), heat transfer dan polusi emisi. Pada disain burner yang lampau yang paling menjadi pertimbangan adalah efisiensi dari pembakaran bahan bakar dan pentransferan energi ke heat load. Akan tetapi seiring berjalannya waktu, ada pertimbangan lain yang juga sangat penting, yaitu yang berhubungan dengan environmental regulation yang mengatur mengenai polusi emisi yang tidak boleh melebihi tingkat tertentu. Jenis bahan bakar mempunyai dampak yang besar terhadap tingkatan polusi. Bahan bakar gas mengandung sedikit atau bahkan tidak mengandung sulfur, jadi nilai SOx ( Sulfur Oxides ) kecil atau tidak ada. Bahan bakar gas juga mampu terbakar dengan bersih, sehingga tingkat emisi NOx ( Nitrogen Oxides ) bisa menjadi sangat kecil. Sedangkan bahan bakar minyak seringkali mengandung sulfur yang tinggi, sehingga menciptakan SOx emisi yang tinggi. Selain itu bahan bakar minyak jenis heavy oil menghasilkan partikel emisi. Jadi disain pada burner adalah lebih banyak fokus kepada bagaimana memperkecil polusi emisi atau bahkan membuat burner yang tanpa emisi. Gambar 2.18 Burner Tampak Dalam Firetube 32

27 Dalam beberapa kasus, burner bisa menggunakan lebih dari satu jenis bahan bakar. Yaitu menggunakan bahan bakar gas dan bahan bakar minyak, sering disebut dual burner. Penggunaan dual burner biasanya berhubungan dengan ketersediaan bahan bakar yang pasokannya diprediksi tidak bisa tepat waktu. Maka pilihan dual burner digunakan untuk mengantisipasi pasokan jenis bahan bakar yang bisa mengimbangi stok supaya tidak membuat sistem harus shutdown. Dual burner biasanya beroperasi menggunakan salah satu jenis bahan bakar (bergantian sesuai stok) atau juga bisa menngunakan kedua jenis bahan bakar secara bersamaan (simultaneously). Penggunaan dua jenis bahan bakar secara sumultan biasanya pada sistem waste incinerator. Dalam gambar 2.18 di bawah ini terdapat contoh jenis dual burner. Gambar 2.19 Dual Burner Intinya banyak tipe burner diciptakan mengacu kepada kebutuhan pembakaran, berbagai variasi bahan bakar, oxidizer, combustion chamber geometries, regulasi environmental, dst. 33

28 Kandungan oksigen dalam udara atmosper adalah 21% dan sisa lainnya adalah N2 dan H2. Pembakaran dengan distribusi oksigen yang tidak akurat menimbulkan NOx emisi yang lebih tinggi dibandingkan dengan pembakaran yang menggunakan metodhe OEC (Oxygen-Enhance Combustion). Pada pembakaran dengan menggunakan sistim OEC mempunyai keuntungan menurunkan nilai polusi emisi, meningkatkan produktivitas dan efisiensi termal. Di bawah ini adalah reaksi kimia antara methane dengan udara pada pembakaran stoikiometrik : Hasil reaksi kimia sangat berbeda apabila methane bertemu dengan murni, sebagai berikut : Sementara reaksi kimia pada methane dengan udara yang menggunakan sistim OEC (Oxigen-Enhance Combustion) adalah sebagai berikut: +2 + = Dari contoh di atas, diketahui bahwa 0 x 7.52 Nilai x pada nitrogen tergantung bagaimana suplai oksigen dalam udara yang dihasilkan oleh sistim OEC. Sistim OEC ini pada umumnya adalah dengan menggunakan combustion fan blower, yang umumnya disebut juga sebagai pembakaran jenis force draft. Pembakaran jenis ini tentunya berefek terhadap pengadaan peralatan pengatur udara dan tenaga listrik untuk motor fan. Dalam burner terdapat dua tipe draft burner, yaitu forced draft dan natural draft. Fungsi draft pada sebuah sistim pembakaran adalah mengarahkan hasil produk pembakaran, yaitu sebagai feed oksigen dan untuk mengarahkan gas buang 34

29 ke atmosfer. Draft diklasifikasikan menjadi dua jenis, yakni natural draft dan forced (mechanical ) draft. Forced-draft burner adalah oksidator yang disupplaikan ke burner dimaintain pada tekanan dan jumlah tertentu menggunakan blower atau fan udara pembakaran. Hampir seluruh industri yang menggunakan alat pembakaran saat ini menggunakan tipe forced draft burner. Draft Required to Establish Air Flow Flue as out Air in Gambar Tipe Natural Draft 35

30 Mechanical (Artificial)Draft : Forced Draft Hchimney pb = patm + pa = pfan Tatm gas *g *Hchimney Tgas B A Gambar 2.21 Tipe Force Draft Menggunakan forced draft burner mempengaruhi peningkatan konsumsi listrik untuk menjalankan motor dan blower fan. Akan tetapi jika dibandingkan dengan meningkatnya efisisensi pembakaran dan pengaruh terhadap polusi udara pembakaran, maka kenaikan pemakaian listrik ini menjadi lebih murah dan baik secara menyeluruh. Pada natural-draft burner, udara pembakaran disupplai atau disedot ke burner dengan sedotan yang dibuat melalui efek venturi dari semburan bahan bakar dan melalui buoyancy force di dalam furnace. Jadi suplai udara dihasilkan oleh sedotan alami yang diciptakan oleh negative draft yang diproduksi oleh combustor dan melalui motif dorongan daripada masuknya bahan bakar. 36

31 Gambar 2.22 Venturi Effect Natural Draft Pada burner dengan tipe natural-draft, pressure drop dan ketinggian combustor stack mempunyai pengaruh besar terhadap asupan atau hisapan udara yang memadai untuk burner. Burner jenis ini biasanya digunakan pada industri kimia dan industri petrokimia untuk jenis pemanas dengan fluida media pentransfer panas. Konsekuensi penggunaan natural-draft burner adalah bahwa lidah apinya lebih panjang daripada tipe forced-draft burner. Oleh karena itu heat-flux yang dihasilkan oleh natural-draft burner terdistribusi dengan jarak yang lebih jauh dan menghasilkan peak-temperature pada api yang lebih rendah. Natural draft sedikit lebih rumit pada aplikasi fire heater dan furnace untuk yang mempunyai convection section pada sekitar outlet flue gas. Convection section adalah bagian yang berada pada furnace yang tidak terkena panas radiasi api melainkan gas panas sebelum menuju exhaust stack, bagian ini didisain untuk extract energy produk pembakaran sebelum dibuang ke stack. Karena pada bagian convection ini umumnya terjadi pressure drop. 37

32 Gambar 2.23 Skematik Natural-Draft Burner Penggunaan natural draft burner mengakibatkan ukuran dan berat sebuah alat pembakaran menjadi lebih besar dan lebih berat. Ini karena diperlukannya ruang kantong udara yang lebih besar sesuai dengan hasil hitungan pada kebutuhan burner input agar supaya efek venturi pada semburan bahan bakar tercapai sesuai jumlah udara yang dibutuhkan dalam proses pembakaran. Draft biasanya adalah dikontrol oleh hand-operated damper pada chimney dan koneksi breeching pada chimney. 38

33 Gambar 2.24 Natural Draft Ada beberapa komponen penting dalam burner yang mempengaruhi disain sebuah burner, yaitu : Ignition system adalah komponen penting dalam burner yang berfungsi untuk memastikan keamanan dan reliabilitas operasi. Ignition system umumnya dibangun atau dilokasikan di dalam burner, tetapi pada kasus tertentu diletakkan terpisah dari burner. Ignition system bisa full otomatis atau manual dan ada beberapa jenis ignator. Pada kasus yang umum, sebuah pilot ignator digunakan untuk menyalakan api. Ignator ini bisa berupa jenis continues ignition atau interruptible ignition. Pilot ignition bisa berupa permanen atau yang bisa diganti, dan juga terdapat jenis pengapian yang menggunakan spark-ignator atau dengan external torch. Plenums adalah bagian yang membuat aliran gas yang datang menjadi seragam (homogeny) agar distribusinya merata pada bagian luar burner. Bagian ini penting untuk operasi burner yang baik pada semua range daripada operating 39

34 conditions, khususnya pada kondisi turndown. Aliran gas yang dimaksud adalah termasuk udara pembakaran, pra-pencampuran bahan bakar dan udara, atau prapencampuran udara dan bahan bakar secara terpisah. Jika plenum terlalu besar, maka bisa mengakibatkan aliran tidak terdistribusi secara merata disekitar burner nozzle outlet-nya. Jika plenum terlalu kecil, maka pressure drop pada plenum akan menjadi tinggi. Turndown adalah kondisi kontrol sistem dimana burner akan mati pada kondisi stand by mode, yakni burner akan on dan off dalam kurun waktu tertentu sesuai kondisi aliran proses fluida yang di bawah nilai rasio turn down, umumnya adalah 20:1. Heater dalam posisi stand-by mode akan tetap mengontrol suhu media penghatar panas pada suhu set point, tujuannya adalah jika proses fluida mengalir kembali maka transfer tersebut tetap berada pada suhu yang mampu mentransfer panas ke fluida proses dengan suhu outlet yang diinginkan. Burner tile, seringkali disebut sebagai block atau quarl. Bagian ini adalah yang membentuk lidah api (shape) dan bentuk dari lidah api inilah yang menjaga agar bagian internal agar tidak terlalu panas (overheating). Mayoritas burner tile terbuat dari semacam keramik yang mengandung alumina dan silica, tergantung kepada kebutuhan suhu. Burner tile juga berperan penting pada sistem ignition dan dinamika fluida pada proses pembakaran. Tile dari burner mempunyai semacam komponen bluff-body yang berfungsi untuk meningkatkan stabilitas api. Untuk lebih jelas mengenai bluff-body dapat dilihat pada gambar 2.32 Skematik bluff-body burner di bawah ini. 40

35 Gambar 2.24 Skematik Bluff-Body Burner Controls, berfungsi untuk mengontrol bagian lain yang ada pada burner. Pada natural-draft burner biasanya terdapat damper untuk mengontrol aliran udara. Alat kontrol yang lain yang terdapat pada burner misalnya adalah untuk pengaturan distribusi bahan bakar atau udara diseluruh burner. Misalnya jika burner adalah multiple fuel injector, maka diperlukan alat pengontrol untuk mengatur berapa jumlah bahan bakar yang akan masuk ke masing-masing fuel injector tersebut. Flame safety system adalah bagian yang termasuk sangat penting dalam safe operation sebuah system pembakaran. Biasanya terdiri dari flame scanner atau flame rod yang berfungsi untuk memastikan bahwa burner dan pilot igniter bekerja dengan baik. Flame scanner terhubung dengan system suplai bahan bakar, sehingga aliran bahan bakar akan dihentikan jika lidah api keluar dari jalur. Ini bertujuan untuk mencegah adanya kemungkinan ledakan atas kontak antara bahan bakar yang tidak dinyalakan ( unignited ) dengan permukaan panas pada combustor. Combustor ialah komponen atau lebih tepat disebut sebagai area atau ruangan dimana pembakaran itu terjadi ( pada burner ). 41