Karya Akhir MEKANISME PROSES PEMANASAN AIR DI DALAM BOILER DENGAN MEMPERGUNAKAN HEATER TAMBAHAN UNTUK EFISIENSI PEMBAKARAN O L E H Nama : HELMON SIHOMBING Nim : 035203039 PROGRAM DIPLOMA IV TEKNOLOGI INSTRUMENTASI PABRIK FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009
MEKANISME PROSES PEMBAKARAN DI DALAM BOILER DENGAN MEMPERGUNAKAN HEATER TAMBAHAN UNTUK EFISIENSI PEMBAKARAN OLEH : Nama : HELMON SIHOMBING Nim : 035203039 Disetujui oleh : Pembimbing Karya Akhir Ir. ZULKARNAEN PANE Nip : 19570720 1983031 001 Pelaksana Harian Ketua Program Diploma IV Teknologi Instrumentasi Pabrik Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Prof. Dr. Ir. USMAN BA AFAI NIP : 19461022 1973021 001 PROGRAM DIPLOMA IV TEKNOLOGI INSTRUMENTASI PABRIK FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009
ABSTRAK Pada proses pemanasan air, air yang berasal dari raw water (air tanah) tidak langsung dibakar didalam boiler. dalam hal ini digunakan peralatan instrumen Deaerator dan economizer yang berfungsi untuk pemanasan awal sebelum dibakar didalam boiler. Fungsi deaerator dan economizer ini adalah sebagai komponen pembantu untuk memanaskan air sebelum dibakar didalam boiler. Apabila pemanasan air langsung dilakukan didalam boiler maka akan membutuhkan waktu yang cukup lama dan menggunakan bahan bakar yang cukup banyak sehingga proses produksi tidak efektif
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, atas berkah dan rahmatnya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya akhir ini. Tidak lupa pula penulis ucapkan ribuan terima kasih kepada Ayahanda Antonius Mangatur Sihombing dan Ibunda Romauli Damanik serta kakanda Helen Sihombing, adindan Rimbun Sihombing, dan adinda Helmi Mariance Sihombing tercinta yang tak pernah letih mengasuh, membesarkan, memberi dukungan moral maupun materil dan selalu menyertai Ananda dengan do a sampai Ananda menyelesaikan Karya Akhir Ini. Dan tak luput pula penulis mengucapkan ribuan terima kasih kepada calon pendamping hidup saya Veronika Dora Lina Pandiangan, SH yang senantiasa mendampingi, memberikan semangat dan dorongan nya melalui cinta dan kasih sayangnya dan selalu menyertai saya dengan do a sampai saya menyelesaikan Karya Akhir. Dalam proses penyusunan karya akhir ini, penulis telah mendapat bimbingan dan arahan dari berbagai pihak, maka untuk bantuan yang di berikan baik materil, spiritual, informasi maupun administrasi. Oleh karena itu sepantasnya penulis mengucapakan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Prof. Dr. Ir. Armansyah Ginting M.Eng. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 2. Alm. Bapak Ir. Nasrul Abdi MT. 3. Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Ba afai, selaku P.J.S ketua Jurusan Teknik Elektro. 4. Bapak Rahmat Fauzi, ST, MT selaku sekretaris Jurusan Teknik Elektro.
5. Bapak Ir. Zulkarnaen Pane. selaku dosen pembimbing dalam penyusunan karya akhir ini. 6. Bapak Ir. Satria Ginting selaku Dosen Wali. 7. Rekan-rekan mahasiswa Jurusan Teknologi Instrumentasi Pabrik angkatan 2003 yang telah banyak membantu penulis. Akhir kata tak ada gading yang tak retak, karena keterbatasan waktu dan kemampuan, penyusun menyadari bahwa dalam pembuatan Karya Akhir ini masih terdapat banyak kekurangan maupun kesalahan. Untuk itu penyususn membuka diri atas segala kritik dan saran yang bersifat membangun agar dapat di diskusikan dan di pelajari bersama demi kemajuan wawasan ilmu pengetahuann teknologi. Semoga karya akhir ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Medan, November 2009 Penyusun
DAFTAR ISI ABSTRAK... KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... i ii iv vii ix BAB I PENDAHULUAN... 1 I.1. Pendahuluan... 1 I.1.1. Deaerator... 2 I.1.1.1 Economizer... 3 I.2. Tujuan Karya Akhir... 4 I.3. Rumusan Masalah... 5 I.4. Batasan Masalah... 5 I.5. Metode Penulisan... 5 I.6. Sistematika Penulisan... 6 BAB II LANDASAN TEORI... 8 II.1 Teori Dasar... 8 II.2. Diagram fase steam... 12 II.3. Kualitas steam... 14 II.4. Sistem Distribusi Steam... 14 II.5. Pipa Pipa... 19 II.5.1. Bahan Pipa... 19
II.5.2 Tata Letak Pemipaan... 19 II.6. Strainers... 20 II.7. Filter... 23 II.8. Pemisah/Separator... 25 II.9. Ventilasi udara... 27 II.10. Pemanfaatan Kembali Kondensat... 30 II.11 Jenis Jenis Boiler Uap... 32 II.11.1 Fire Tube Boiler... 32 II.11.2 Water Tube Boiler... 32 II.11.3 Boiler Paket... 34 II.11.4 Boiler Pembakaran dengan Fluidized Bed (FBC)... 35 II.11.5 Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler... 37 II.11.6 Pressurized Fluidized Bed Combustion (PFBC) Boiler... 38 II.11.7 Atmospheric Circulating Fluidized Bed Combustion Boilers (CFBC)... 38 II.11.8 Stoker Fired Boilers... 39 II.11.8.1 Spreader stokers... 40 II.11.8.2 Chain-grate atau traveling-grate stoker... 40 II.11.9 Pulverized Fuel Boiler... 41 II.11.10 Boiler Limbah Panas... 43 II.11.11 Boiler Pemanas Fluida Termis... 44 BAB III MEKANISME PERUBAHAN AIR MENJADI UAP DI DALAM BOILER... 45
III.1 Proses Pemanasan Air... 45 III.2 Keterpasangan alat deaerator... 51 III.2.1 Data Teknis Deaerator... 53 III.3 Keterpasangan Peralatan Pada Economizer... 55 III.4 Data Teknis Boiler... 57 III.5 Data Teknis Generator... 58 BAB IV MEKANISME KERJA DEAREATOR DAN EKONOMIZER... 58 IV.1. Deaerator Dan Economizer Sebagai Instrument Pembantu Dalam Pemanasan Air... 58 IV.2 Mekanisme Deaerator Dan Economizer Merupakan Instrument Pendukung... 61 IV.3 Analisa Performasi Dari Deaerator dan Economizer... 64 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 75 V.1. Kesimpulan... 75 V.2. Saran... 75 DAFTAR PUATAKA... 76
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Deaerator... 4 Gambar 2.1 Kurva Steam Jenuh... 13 Gambar 2.2 Diagram Fase Entalpi Suhu... 14 Gambar 2.3 Contoh Sirkuit Steam... 17 Gambar 2.4 Instalasi Pemipaan Steam... 21 Gambar 2.5 Strainer Jenis-Y... 22 Gambar 2.6 Strainer Jenis-Keranjang/basket... 22 Gambar 2.7 Penggunaan untuk Steam atau Gas... 23 Gambar 2.8 Penggunaan untuk Cairan... 23 Gambar 2.9 Aliran Turun Secara Vertikal... 24 Gambar 2.10 Filter In-line Horizontal... 26 Gambar 2.11 Separator Tipe Baffle... 28 Gambar 2.12 Ujung Ventilasi Udara Otomatis Utama... 30 Gambar 2.13 Sebuah Sirkuit Steam dan Kondensat... 32 Gambar 2.14 Fire Tube Boiler... 33 Gambar 2.15 Water Tube Boiler... 34 Gambar 2.16 Boiler Paket... 36 Gambar 2.17 Atmospheric Circulating Fluidized Bed Combustion Boilers (CFBC)... 39 Gambar 2.18 Spreader Stoker Boiler... 40 Gambar 2.19 Traveling Grate Boiler... 41 Gambar 2.20 Pembakaran Tangensial untuk Bahan Bakar Halus... 42 Gambar 2.21 Boiler Limbah Panas... 43
Gambar 2.22 Boiler Pemanas Fluida Termis... 45 Gambar 3.1 Diagram Block Proses... 48 Gambar 3.2 Kurva Steam Jenuh... 53 Gambar 3.3 Konstruksi Deaerator... 51 Gambar 3.4 Sootblower... Gambar 3.5 Ash Handling Sistem... Gambar 4.1 Mekanisme kerja Deaerator dan Economizer... 52 Gambar 4.2 Penampang Economizer... 54 Gambar 4.3 Grafik Penggunaan Economizer... 57
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Perbandingan Steam, Air Panas,Fluida Minyak... 10 Tabel.41 Penghematan Deareator dan Ekonomizer... 75
BAB I PENDAHULUAN I.1 Pendahuluan Didalam suatu pabrik yang mempunyai system pembangkit tenaga listrik (Power Plant) terutama pada pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) sangat banyak menggunakan peralatan instrumentasi sebagai komponen vital dalam pengoperasiannya. Untuk itu peralatan tersebut harus dapat menghasilkan hasil pengukuran dengan baik dan akurat. Pada prosesnya, PLTU menggunakan air sebagai bahan baku yang dibakar didalam boiler dan menghasilkan steam (Uap) untuk memutar turbin dan generator sehingga dapat menghasilkan listrik Boiler uap atau boiler adalah pesawat atau bejana yang disusun untuk mengubah air menjadi uap dengan jalan pemanasan, dimana energi kimia diubah menjadi energi panas. Karena panas yang diperlukan untuk membuat uap air ini didapat dari hasil pembakaran, maka boiler harus mempunyai dapur sebagai tempat pembakar. Dimana boiler uap terdiri dari drum yang tertutup pada ujung serta pangkal nya dan dalam perkembangannya dikenal dengan boiler pipa api dan boiler pipa air. Konstruksi boiler uap berhubungan dengan sifat yang dimiliki oleh air terutama uap serta peristiwa yang terjadi pada pembentukan uap. Naiknya temperature air terjadi karena adanya panas yang diberikan nyala api terhadap air melalui dinding boiler yang berisikan gas panas hasil pembakaran. Akibat pemberian panas secara terus menerus maka akan terbentuk gelembung-gelembung uap yang bergerak keatas permukaan. Hal ini akibat perbedaan berat jenis antara uap air dan air, selanjutnya air pun turun, begitulah bersirkulasi secara terus menerus selama terjadi nya pembakaran bahan baker masih berlangsung.
Pada boiler pipa air, dimana air mengalir didalam pipa-pipa, sedangkan pemanasan air itu dilakukan oleh gas asap dinding-dinding pipa bagian luar. Konstruksi dari boiler ini mempunyai beberapa kelompok pipa-pipa, pada boiler yang sudah modern pipa-pipa airnya ditempatkan juga pada dinding dapur. Pipa-pipa air ini terutama dari pipa baja yang berdinding tipis dan dipasang miring atau tegak dan mempunyai garis tengah yang kecil. Kemiringan dari pipa-pipa ini minimum 15%. Boiler pipa air ini lebih tepat untuk tekanan-tekanan uap yang besar, karena ukuran bagian-bagian boiler yang kecil dan dinding-dinding dapat dikatakan tidak ada sama sekali. I.1.1 Deaerator Deaerator adalah alat yang bekerja untuk membuang gas-gas yang terkandung dalam air boiler, sesudah melalui proses pemurnian air (water treatment). Selain itu deaerator juga berfungsi sebagai pemanas awal air pengisian boiler sebelum dimasukkan kedalam boiler. Deaerator bekerja berdasarkan sifat dari oksigen yang kelarutannya pada air akan berkurang dengan adanya kenaikan suhu. Gambar I.1 Deaerator Alat deaerator ini terdiri dari dua drum dimana drum yang lebih kecil merupakan tempat pemanasan pendahuluan dan pembuangan gas-gas dari bahan air
boiler, sedangkan drum yang lebih besar adalah merupakan tempat penampungan bahan air boiler yang jatuh dari drum yang lebih kecil di atasnya. I.1.2 Economizer Economizer dapat diartikan sebagai penghemat bahan bakar dalam proses pemanasan air pengisian pada boiler. Alat ini juga mempunyai keuntungan yang lain, dimana air pengisian (feed water) masuk kedalam boiler dengan suhu yang lebih tinggi, sehingga air boiler tidak banyak mengalami pendinginan ketika memasukkan air pengisian yang baru. Dengan demikian pembuatan uap tidak banyak terganggu. Economizer adalah sejenis alat penukar panas aliran silang dimana panas dipindahkan dari gas asap (hasil pembakaran) ke air pengisian (feed water) yang sedang masuk. Penyerapan di economizer ini juga dapat meningkatkan efisiensi boiler. Fungsi dari economizer sebagai pemanas awal feed water sebelum masuk kedalam steam drum dimana panas yang diperoleh dari gas asap diserap oleh dindingdinding pipa economizer untuk memanaskan air dalam pipa sehingga air tersebut menjadi saturated. Jadi urutan mekanisme proses cara kerja boiler adalah sebagai berikut : 1. Air yang telah di filtrasi melalui Reverse Osmosis kemudian dialirkan ke deaerator untuk dipanaskan awal dan memisahkan logam atau mineral yang berada didalam air, dengan tujuan agar air dapat dibakar didalam boiler dan meningkatkan efisiensi air dan menghindari korosi pada pipa pipa yang dilaluinya. 2. Setelah diproses dideaerator kemudian air dipompakan menuju economizer menggunakan feeding pump. Pemanasan didalam economizer menggunakan gas buang yang berasal dari dalam boiler. Gas panas tersebut hanya di set melalui economizer sebelum dibuang melalui
chimney. Tujuan gas panas dialirkan melalui economizer hanyalah untuk pemanasan pembantu untuk air yang akan dibakar didalam boiler. 3. Setelah air dipanaskan melalui economizer, maka air tadi akan dialirkan ke drum boiler dengan tujuan sebagai tempat penyimpanan sementara untuk air sebelum dibakar didalam boiler. 4. Air didalam drum boiler merupakan air yang sudah panas yang bersuhu sekitar 165 180 0 C yang akan segera dibakar didalam boiler untuk menjadikan air menuju steam. 5. Setelah dibakar didalam boiler, air tadi berubah menjadi steam tapi belum bisa digunakan disebabkan air masih menjadi steam basah, oleh sebab itu steam basah tersebut dialirkan ke superheater dengan tujuan untuk meningkatkan suhu dah mengubah steam basah menjadi steam kering hingga dapat memutar turbin dan generator. I.2. Tujuan Karya Akhir Adapun tujuan dari karya akhir ini adalah 1. Untuk memenuhi syarat menyelesaikan masa studi sebagai Mahasiswa program Diploma IV Teknologi Instrumentasi Pabrik. 2. Mengetahui dan memahami mekanisme cara kerja dari boiler dan penggunaan perangkat tambahan serta penggunaannya pada proses pemanasan air menjadi steam. I.3. Rumusan Masalah Bagaimana proses pemanasan air menjadi steam Bagaimana cara kerja perangkat tambahan seperti dearator, ekonomizer, elektostatic precipitator sebagai komponen ekonomis dalam konsumsi energi. Bagaimana proses aliran steam hingga memutar turbin.
I.4. Batasan Masalah Mengingat masalah yang akan diangkat sebagai karya akhir ini mempunyai ruang lingkup yang relatif luas, maka penulis membatasi masalah karya akhir ini pada : Hanya membahas prinsip kerja dari boiler Tidak membahas perhitungan secara mendetail I.5. Metode Penulisan Metode penulisan yang dipergunakan dalam penulisan Karya Akhir ini antara lain sebagai berikut: 1. Dengan mempelajari teori dan pengamatan langsung di lapangan serta melakukan diskusi dengan pembimbing dilapangan dan juga operator di bagian pembangkit listrik tenaga uap. 2. Melakukan diskusi dengan Dosen Pembimbing Fakultas. 3. Dengan mencari buku-buku referensi dari beberapa pustaka dan mengambil artikel artikel dari website yang dapat menunjang penyusunan Karya Akhir. I.7. Sistematika Penulisan Untuk mempermudah pembahasan dalam penulisan karya akhir ini, maka penulis membuat suatu sistematika penulisan. Sistematika penulisan ini merupakan urutan bab demi bab termasuk isi dari sub sub babnya. Adapun sistematika pembahasan tersebut adalah sebagai berikut :
BAB I : PENDAHULUAN Bab ini berisi tentang latar belakang pemilihan judul, tujuan karya akhir, Tinjauan umum, rumusan dan batasan masalah, metode penulisan, dan sistematika penulisan. BAB II : LANDASAN TEORI Bab ini menjelaskan tentang teori-teori pembakaran air menjadi steam, teori dasar mengenai boiler dan teori alat-alat pendukung dalam proses pengontrolan pemanasan air menjadi steam. BAB III : MEKANISME PERUBAHAN AIR MENJADI UAP DI DALAM BOILER Bab ini berisikan penjelasan mengenai prinsip kerja, kontruksi alat, gambar keterpasangan peralatan, data teknis. BAB IV :MEKANISME KERJA DEAREATOR DAN EKONOMIZER SERTA ANALISA PERFORMASI DARI DEAERATOR DAN ECONOMIZER Bab ini menjelaskan mekanisme kerja deareator dan ekonomizer dan analisa penghematan penggunaan deaearator dan economizer BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN Bab ini berisikan tentang kesimpulan dan saran yang dapat diambil penulis dari pengamatan dilapangan dan pada waktu penulisan karya akhir.
BAB II LANDASAN TEORI II.1 Teori Dasar Steam merupakan bagian penting dan tidak terpisahkan dari teknologi modern. Tanpa steam, maka industri makanan kita, tekstil, bahan kimia, bahan kedokteran, daya, pemanasan dan transportasi tidak akan ada atau muncul seperti sekarang ini. Steam memberikan suatu cara pemindahan sejumlah energi yang terkendali dari suatu pusat, ruang boiler yang otomatis, dimana energi dapat dihasilkan secara efisien dan ekonomis, sampai ke titik penggunaan. Steam yang bergerak mengelilingi pabrik dianggap sama dengan transportasi dan penyediaan energi. Untuk beberapa alasan, steam merupakan komoditas yang paling banyak digunakan untuk membawa energi panas. Penggunaannya terkenal diseluruh industri untuk pekerjaan yang luas dari produksi daya mekanis sampai penggunaan proses dan pemanasan ruangan. Alasan dari penggunaan steam adalah: Steam dapat dengan mudah dan murah untuk didistribusikan ke titik penggunaan Steam mudah dikendalikan Energinya mudah ditransfer ke proses Plant steam yang modern mudah untuk dikendalikan Steam bersifat fleksibel Selain penggunaan steam adalah air dan fluida panas seperti minyak bersuhu tinggi. Masing-masing metoda memiliki keuntungan dan kerugiannya, sebagaimana diperlihatkan dalam Tabel 2.1
Tabel 2.1 Perbandingan Steam, Air Panas, Fluida Minyak Steam Air panas Minyak bersuhu tinggi Kandungan panas tinggi Panas latennya kirakira Kandungan panas sedang. Panas jenis 4,19 kj/kg c Kandungan panas buruk Panas jenis seringkali 1,69-2,93 kj/kg c 2 100 kj/kg Murah Murah Mahal Biaya untuk pemgolahan Air Penggunaannya hanya kadangkadang/ Intermittent Koefisien perpindahan Panasnya baik Koefisiennya menengah Koefisiennya relatif buruk Diperlukan tekanan tinggi Untuk suhu yang tinggi Diperlukan tekanan tinggi untuk Suhu yang tinggi Hanya diperlukan tekanan Rendah untuk mendapatkan suhu Tinggi Tidak diperlukan pompa Sirkulasi Diperlukan pompa sirkulasi Pipa-pipanya besar Diperlukan pompa sirkulasi Pipa-pipanya besar Pipa-pipanya kecil Mudah untuk Mengendalikan dengan valve Dua arah Lebih rumit mengendalikan Diperlukan valve tiga arah atau Valve tekanan diferensial Lebih rumit mengendalikan Diperlukan valve tiga arah atau Valve tekanan diferensial Penurunan suhunya mudah Penurunan suhunya lebih sulit Penurunan suhunya lebih sulit
Dilakukan melalui valve Penurun suhu Diperlukan steam traps Terdapat kondensat yang Harus ditangani Tersedia flash steam Perlu blowdown boiler Diperlukan pengolahan air untuk mencegah korosi Diperlukan jaringan Pemipaan yang baik Tidak ada resiko kebakaran Sistemnya sangat fleksibel Tidak diperlukan steam traps Tidak ada penanganan kondensat Tidak ada flash steam Tidak perlu blowdown Sedikit terjadi korosi Media yang dicari, Pengelasan dan penyambungan Flens seperti biasa Tidak ada resiko kebakaran Sistemnya kurang fleksibel Tidak diperlukan steam traps Tidak ada penanganan kondensat Tidak ada flash steam Tidak perlu blowdown Korosi diabaikan Media yang sangat dicari, Pengelasan dan penyambungan Flens seperti biasa Terdapat resiko kebakaran Sistemnya tidak fleksibel Dengan meningkatnya suhu dan air mendekati kondisi didihnya, beberapa molekul mendapatkan energi kinetik yang cukup untuk mencapai kecepatan yang membuatnya sewaktu-waktu lepas dari cairan ke ruang diatas permukaan, sebelum jatuh kembali ke cairan. Pemanasan lebih lanjut menyebabkan eksitasi lebih besar dan sejumlah molekul dengan energi cukup untuk meninggalkan cairan jadi meningkat. Dengan mempertimbangkan struktur molekul cairan dan uap, masuk akal bahwa
densitas steam lebih kecil dari air, sebab molekul steam terpisah jauh satu dengan yang lainnya. Ruang yang secara tiba-tiba terjadi diatas permukaan air menjadi terisi dengan molekul steam yang kurang padat. Jika jumlah molekul yang meninggalkan permukaan cairan lebih besar dari yang masuk kembali, maka air menguap dengan bebasnya. Pada titik ini air telah mencapai titik didihnya atau suhu jenuhnya, yang dijenuhkan oleh energi panas. Jika tekananya tetap, penambahan lebih banyak panas tidak mengakibatkan kenaikan suhu lebih lanjut namun menyebabkan air membentuk steam jenuh. Suhu air mendidih dengan steam jenuh dalam sistem ya ng sama adalah sama, akan tetapi energi panas per satuan massa nya lebih besar pada steam. Pada tekanan atmosfir suhu jenuhnya adalah 100 C. Tetapi, jika tekanannya bertambah, maka akan ada penambahan lebih banyak panas yang peningkatan suhu tanpa perubahan fase. Oleh karena itu, kenaikan tekanan secara efektif akan meningkatkan entalpi air dan suhu jenuh. Hubungan antara suhu jenuh dan tekanan dikenal sebagai kurva steam jenuh (Gambar 2.1). Gambar 2.1 Kurva Steam Jenuh Air dan steam dapat berada secara bersamaan pada berbagai tekanan pada kurva ini, keduanya akan berada pada suhu jenuh. Steam pada kondisi diatas kurva jenuh dikenal dengan superheated steam/ steam lewat jenuh:
Suhu diatas suhu jenuh disebut derajat steam lewat jenuh Air pada kondisi dibawah kurva disebut air sub- jenuh. Jika steam dapat mengalir dari boiler pada kecepatan yang sama dengan yang dihasilkannya, penambahan panas lebih lanjut akan meningkatkan laju produksinya. Jika steam yang sama tertahan tidak meninggalkan boiler, dan jumlah panas yang masuk dijaga tetap, energi yang mengalir ke boiler akan lebih besar dari pada energi yang mengalir keluar. Energi berlebih ini akan menaikan tekanan, yang pada gilirannya akan menyebabkan suhu jenuh meningkat, karena suhu steam jenuh berhubungan dengan tekanannya. II.2 Diagram fase steam Data yang diberikan dalam tabel steam dapat juga dinyatakan dalam bentuk grafik. Gambar 2.2 memberi gambaran hubungan antara entalpi dan suhu pada berbagai tekanan, dan dikenal dengan diagram fase. Gambar 2.2 Diagram Fase Entalpi Suhu
Ketika air dipanaskan dari 0 C sampai suhu jenuhnya, kondisinya mengikuti garis cair jenuh sampai menerima seluruh entalpi cairannya, hf, (A - B). Jika panas ditambahkan lebih lanjut, maka akan merubah fase ke steam jenuh dan berlanjut meningkakan entalpi sambil tetap pada suhu jenuhnya, hfg, (B - C). Jika campuran steam/air meningkat kekeringannya, kondisinya bergerak dari garis cair jenuh ke garis uap jenuh. Oleh karena itu pada titik tepat setengah diantara kedua keadaan tersebut, fraksi kekeringan (x) nya sebesar 0,5. Hal yang sama, pada garis uap jenuh steamnya 100 % kering. Begitu menerima seluruh entalpi penguapannya maka akan mencapai garis uap jenuh. Jika pemanas dilanjutkan setelah titik ini, suhu steam akan mulai naik mencapai lewat jenuh (C - D). Garis-garis cairan jenuh dan uap jenuh menutup wilayah dimana terdapat campuran steam/air steam basah. Dalam daerah sebelah kiri garis cair jenuh, hanya terdapat air, dan pada daerah sebelah kanan garis uap jenuh hanya terdapat steam lewat jenuh. Titik dimana garis cairan jenuh dan uap jenuh bertemu dikenal dengan titik kritis. Jika tekanan naik menuju titik kritis maka entalpi penguapannya berkurang, sampai menjadi nol pada titik kritisnya. Hal ini menunjukkan bahwa air berubah langsung menjadi steam jenuh pada titik kritisnya. Diatas titik kritis hanya gas yang mungkin ada. Keadaan gas merupakan keadaan yang paling terdifusi dimana molekulnya hampir memiliki gerakan yang tidak dibatasi, dan volumeenya meningkat tanpa batas ketika tekanannya berkurang. Titik kritis merupakan suhu tertinggi dimana bahan berada dalam bentuk cairan. Pemberian tekanan pada suhu konstan dibawah titik kritis tidak akan mngakibatkan perubahan fase. Walau begitu, pemberian tekanan pada suhu konstan dibawah titik kritis, akan mengakibatkan pencairan uap begitu melintas dari daerah lewat jenuh/ superheated ke daerah steam basah. Titik kritis terjadi pada suhu 374,15 o C dan tekanan steam 221,2
bars. Diatas tekanan ini steam disebut superkritis dan tidak ada titik didih yang dapat diterapkan. II.3 Kualitas Steam Steam harus tersedia pada titik penggunaan : Dalam jumlah yang benar untuk menjamin bahwa aliran panas yang memadai tersedia untuk perpindahan panas Pada suhu dan tekanan yang benar, atau akan mempengaruhi kinerja Bebas dari udara dan gas yang dapat mengembun yang dapat menghambat perpindahan panas Bersih, karena kerak (misal korosi atau endapan karbonat) atau kotoran dapat meningkatkan laju erosi pada lengkungan pipa dan orifice kecil dari steam traps dan valve Kering, dengan adanya tetesan air dalam steam akan menurunkan entalpi penguapan aktual, dan juga akan mengakibatkan pembentukan kerak pada dinding pipa dan permukaan perpindahan panas. II.4 Sistem Distribusi Steam Sistem distribusi steam merupakan hubungan penting antara pembangkit steam dan pengguna steam. Terdapat berbagai macam metoda untuk membawa steam dari pusat sumber ke titik penggunaan. Pusat sumber mungkin berupa ruang boiler atau pengeluaran dari plant kogenerasi. Boiler dapat menggunakan bahan bakar primer, atau boiler limbah panas yang menggunakan gas buang dari proses bersuhu tinggi, mesin- mesin atau bahkan insinerator. Apapun sumbernya, sistem distribusi steam yang efisien adalah penting untuk pemasokan steam dengan kualitas dan
tekanan yang benar ke peralatan yang menggunakan steam. Pemasangan dan perawatan sistem steam merupakan hal penting dan harus sudah dipertimbangkan mulai tahap perancangan. Diperlukan suatu pemahaman mengenai dasar sirkuit steam atau loop kondensat dan steam. Ketika steam mengembun didalam proses, kondensat dialirankan kembali kedalam pipa suplai air boiler. Kondensat memiliki volume yang sangat kecil dibandingkan dengan steam, dan hal ini menyebabkan penurunan tekanan, yang membuat steam mengalir melalui pipa-pipa. Steam yang dihasilkan pada boiler harus dibawa melalui pipa kerja ke titik dimana energi panasnya diperlukan. Pada awalnya hanya terdapat satu atau lebih pipa utama, atau saluran pipa steam, yang membawa steam dari boiler kearah plant yang menggunakan steam. Pipa-pipa cabang yang lebih kecil membawa steam ke masing- masing peralatan. Ketika valve isolasi boiler utama (kadangkala disebut valve mahkota ) dibuka, steam dengan segera melintas dari boiler menuju dan sepanjang saluran pipa steam ke titik pada tekanan rendah. Pipa kerja pada mulanya lebih dingin daripada steam, sesampai panas dipindahkan dari steam ke pipa. Udara disekitar pipa-pipa juga sebelumnya lebih dingin dari steam, kemudian pipa kerja akan mulai memindahkan panas steam ke udara.
Gambar 2.3 Contoh Sirkuit Steam Steam yang berkontak dengan pipa yang lebih dingin akan mulai mengembun dengan segera. Pada saat start-up, laju kondensasi akan berada pada nilai maksimumnya, hal ini merupakan waktu dimana terjadi perbedaan suhu yang maksimum antara steam dan pipa kerja. Laju kondensasi ini biasanya disebut beban permulaan. Begitu pipa kerja telah dihangatkan, perbedaan suhu antara steam dan pipa kerja menjadi minimal, namun kondensasi akan terjadi kaerna pipa kerja masih terus memindahkan panas ke udara sekitar. Laju kondensasi ini disebut beban berjalan. Hasil dari kondensasi (kondensat/embun) jatuh ke bagian bawah pipa dan dibawa oleh aliran steam yang dibantu oleh gaya gravitasi, karena sudut kemiringan pada saluran pipa steam dibuat diatur turun pada arah aliran steam. Kondensat kemudian harus dikeluarkan dari berbagai titik strategis pada saluran pipa steam. Ketika valve pada pipa steam yang melayani bagian plant yang menggunakan steam dibuka, steam mengalir dari sistem distribusi masuk ke plant dan terjadi lagi kontak dengan permukaan yang lebih dingin. Steam kemudian memindahkan energinya dan menghangatkan peralatan dan produk (beban permulaan), dan bila telah mencapai suhunya, pemindahan panas berlanjut ke proses (beban berjalan). Sekarang terdapat pasokan steam yang sinambung dari boiler untuk mencukupi beban terhubung dan untuk menjaga pasokan ini, harus dihasilkan steam yang lebih banyak lagi. Untuk memenuhi kebutuhan ini, dibutuhkan air yang lebih banyak (dan bahan bakar untuk memanaskan air ini) untuk dipasok ke boiler sebagai air make up yang sebelumnya sudah diuapkan menjadi steam. Kondensat yang terbentuk dalam pipa distribusi steam dan dalam peralatan proses dapat dipakai sebakai pasokan sebagai air umpan panas boiler. Kondensat harus dikeluarkan dari ruang steam, namun kondensat
ini juga merupakan komoditi yang sangat berharga yang tidak boleh dibiarkan untuk menjadi limbah. Mengembalikan seluruh kondensat ke tangki umpan boiler akan menutup loop energi steam, dan harus dilakukan bila memungkinkan. Distribusi tekanan steam dipengaruhi oleh sejumlah faktor, dan dibatasi oleh: Tekanan kerja maksimum yang aman bagi boiler Tekanan minimum yang diperlukan pada plant Ketika steam melewati pipa distribusi, maka steam tidak dapat menghindari kehilangan tekanannya karena : Tahanan gesekan/friksi didalam pipa. Kondensasi/pengembunan yang terjadi didalam pipa ketika panas dipindahkan ke lingkungan. Oleh karena itu pada saat menentukan tekanan distribuís awal, harus ada kelonggaran untuk kehilangan tekanan ini. Satu kilogram steam pada tekanan yang lebih tinggi mempunyai volume lebih kecil dari pada pada tekanan rendah. Jadi, jika steam dibangkitkan dalam boiler pada tekanan tinggi dan didistribusikan pada tekanan yang tinggi pula, maka ukuran saluran pipa distribusi akan menjadi lebih kecil. Pembangkitan dan pendistribusian steam pada tekanan tinggi memberikan tiga keuntungan yang cukup penting: Kapasitas penyimpanan panas pada boiler meningkat, membantu boiler lebih efisien dalam menangani beban yang berfluktuasi, meminimalkan resiko terbentuknya steam basah dan kotor. Diperlukan saluran pipa steam yang lebih kecil, sehingga biaya investasinya untuk pipa, bahan penunjang, bahan isolasi dan buruh lebih rendah. Saluran pipa steam yang lebih kecil berarti biaya isolasi lebih rendah.
Pada sistem distribusi tekanan tinggi, diperlukan penurunan tekanan steam pada setiap zona atau titik penggunaan pada sistem untuk menyesuaikan dengan tekanan maksimum yang diperlukan penggunanya. Penurunan tekanan tersebut juga akan menghasilkan steam yang lebih kering pada titik penggunaan. Komponen penting pada sistem distribusi akan dijelaskan pada bagian berikut: Pipa-pipa Titik pengeluaran Jalur cabang Saringan/ strainers Saringan/ filters Pemisah/ separator Steam traps Ventilasi udara II.5 Pipa-pipa II.5.1 Bahan pipa Pipa sistem steam biasanya dibuat dari baja karbon ANSI B 16.9 Al06. Bahan yang sama juga dapat digunakan untuk jalur kondensat, walaupun pipa tembaga lebih disukai oleh beberapa industri. Untuk saluran pipa steam lewat jenuh yang bersuhu tinggi, ditambahkan bahan campuran seperti chromium dan molybdenum untuk memperbaiki kuat tarik dan resistansi terhadap golakan pada suhu tinggi. Biasanya pipa dipasok dengan panjang 6 meter.
II.5.2 Tata Letak Pemipaan Saluran pipa steam harus dipasang dengan penurunan/slope tidak kurang dari 1:100 (turun 1 m untuk setiap 100 m), kearah aliran steam. Sudut kemiringan ini akan menjamin bahwa gravitasi, dan juga aliran steam, akan membantu pergerakan kondensat menuju titik pengeluaran dimana kondensat akan dengan aman dan efektif diambil. Gambar 2.4 Instalasi Pemipaan Steam II.6 Strainers Dengan semakin meningkatnya persaingan pasar, penekanan lebih banyak ditujukan pada pengurangan penghentian/downtime pabrik dan perawatan. Dalam sistem steam dan kondensat, kerusakan pabrik seringkali diakibatkan oleh kotorankotoran pada saluran pipa seperti kerak, korosi, senyawaan pada sambungan, pengelasan logam dan padatan lainnya, yang dapat masuk menuju sistem pemipaan. Strainers adalah peralatan yang menangkap padatan tersebut dalam cairan atau gas, dan melindungi peralatan dari pengaruh-pengaruh yang membahayakan, dengan begitu mengurangi waktu penghentian dan perawatan. Strainer harus dipasang pada bagian hulu pada setiap steam trap, pengukur aliran dan valve kendali.
Strainers dapat dikelompokkan kedalam dua tipe utama menurut bentuk dan susunan badannya : yakni tipe-y dan tipe keranjang/basket. Contoh khas dari tipe strainers dapat dilihat dalam Gambar 2.5. Gambar 2.5 Strainer Jenis-Y Gambar 2.6 Strainer Jenis-Keranjang/basket
Untuk steam, strainer tipe-y merupakan standar yang umum dan banyak digunakan dimana-mana. Badannya berbentuk silinder yang kompak, sangat kuat dan dapat menangani tekanan yang tinggi. Alat ini sebetulnya merupakan tangki bertekanan, dan strainer tipe-y ini mampu menangani tekanan sampai 400 bar/g. Karena pada tekanan tersebut steam biasanya bersuhu sangat tinggi, maka untuk mengatasi hal tersebut dibuat strainers yang menggunakan bahan yang luar biasa seperti baja chrome-molybdenum. Walau terdapat berbagai pengecualian, ukuran demi ukuran, strainer tipe-y memiliki kapasitas penanganan kotoran yang lebih rendah daripada strainer tipe keranjang, yang berarti memerlukan lebih seringnya pembersihan. Pada sistem steam, hal ini tidaklah menjadi masalah, kecuali bila tingkat korosinya tinggi, atau segera setelah commissioning ketika sejumlah besar kotoran masuk. Pada penggunaan dimana terdapat sejumlah kotoran yang signifikan, sebuah valve blowdown biasanya dapat dipasang pada tutup strainer, yang membuat strainer mampu untuk mengunakan tekanan steam untuk membersihkan, dan tanpa harus mematikan pabrik. Strainer tipe-y pada steam horisontal atau jalur gas harus dipasang dengan pocket nya berada dalam bidang horisontal. Cara ini mencegah air terkumpul dalam pocket, membantu mencegah terbawanya tetesan air yang dapat menyebabkan erosi dan mempengaruhi proses perpidahan panas. Bentuk pocket harus mengarah turun secara tegak lurus. Gambar 2.7 Penggunaan untuk steam atau gas
Gambar 2.8 Penggunaan untuk cairan Gambar 2.9 Aliran turun secara vertikal Walau ada baiknya memasang strainer pada arah horisontal, tetapi hal ini tidak selalu memungkinkan, dan strainer dapat dipasang pada saluran pipa vertikal jika alirannya turun, dimana kotorannya akan secara alami menuju pocket. Pemasangannya tidak memungkinkan pada aliran yang naik, dimana strainer harus dipasang dengan bukaan pocket menuju kebawah dan kotorannya turun dalam pipa. II.7 Filter Filter digunakan untuk membuang partikel-partikel yang lebih kecil. Jika strainer membuang seluruh partikel yang terlihat didalam steam, partikel yang lebih kecil juga perlu dibuang, sebagai contohnya adalah dalam beberapa penggunaan berikut:
Bila dilakukan injeksi steam langsung ke proses dimana kotoran dapat menyebabkan pencemaran produk. Contoh : Pada industri makanan, dan untuk sterilisasi peralatan proses dalam industri obat-obatan. Dimana steam kotor akan menyebabkan penolakan produk atau hasil proses karena noda atau penumpukan partikel yang terlihat. Contoh : Mesin sterilisasi dan mesin kertas/kardus. Dimana emisi partikel minimum diperlukan dari pelembab steam. Contoh : Pelembab yang digunakan dalam lingkungan bersih. Untuk penurunan kandungan air steam, menjamin pasokan yang kering dan jenuh. Dalam penggunaan steam bersih seperti itu, strainer tidaklah pas dan harus digunakan filter. Filter yang digunakan dalam sistem steam biasanya terdiri dari elemen filter dari baja tahan korosi yang disinter. Proses sinteringnya menghasilkan struktur berpori yang sangat halus dalam baja tahan korosi, yang membuang berbagai partikel dari fluida yang melewatinya. Filter yang tersedia mampu membuang partikel sekecil 1/gym, sesuai dengan kebutuhan praktek yang baik yang berhubungan dengan steam untuk makanan/ culinary. Sifat pori-pori yang halus dari elemen filter akan menciptakan penurunan tekanan yang lebih besar yang melintas filter daripada yang terdapat pada strainer dengan ukuran sama, hal ini harus dipertimbangkan secara seksama ketika membuat ukuran filter. Lagipula filter mudah rusak oleh laju aliran yang berlebih, dan batas-batas dari fihak pembuatnya tidak boleh dilampaui. Jika filter diterapkan dalam penggunaan steam, separator harus dipasang pada aliran hulu filter untuk membuang berbagai tetesan kondensat yang tertahan dalam bentuk tersuspensi. Sebagai tambahan terhadap peningkatan kualitas steam, hal ini
akan memperpanjang umur filter. Strainer tipe-y juga harus dipasang dibagian hulu filter untuk membuang seluruh partikel besar dimana kalu tidak dipasang akan dengan cepat menyumbat filter, meningkatnya kebutuhan pembersihan dan mengur angi umur elemen filter. Dengan memasang pengukur tekanan pada sisi filter sebelah manapun, penurunan tekanan yang melintasi filter dapat diukur, yang kemudian dapat digunakan untuk mengidentifikasi saat filter memerlukan pembersihan.sebagai alternatif terhadap hal ini adalah dengan memasang saklar tekanan pada sisi aliran bawah filter. Ketika tekanan aliran bawah berkurang dibawah tingkat yang sudah diatur sedemikian rupa, cahaya tanda bahaya akan menyala didalam ruang kendali yang memberi sinyal kepada operator yang kemudian dapat membersihkan filter. Gambar 2.10 Filter In-line Horisontal
II.8 Pemisah/Separator Separator digunakan untuk menghilangkan tetesan air tersuspensi dari steam. Steam basah mengandung sejumlah air, dan merupakan salah satu perhatian utama pada berbagai sistem steam. Steam basah ini dapat menurunkan produktivitas pabrik dan kualitas produk, dan dapat menyebabkan kerusakan pada hampir semua item pabrik dan peralatan. Pengurasan dan trapping yang dilakukan secara hati- hati hanya dapat membuang hampir seluruh air, namun tidak untuk tetesan air yang tersuspensi dalam steam. Untuk menghilangkan tetesan air tersuspensi tersebut, dipasang pemisah/separator pada jalur pemipaan. Steam yang dihasilkan dalam boiler yang dirancang untuk menghasilkan steam jenuh pada dasarnya memang basah. Fraksi kering pada steam biasanya bervariasi tegantung dari tipe boiler, dan hampir semua tipe shell pada boiler akan menghasilkan steam dengan fraksi kering antara 95 sampai 98 %. Kandungan air dari steam yang dihasilkan oleh boiler akan terus meningkat jika terjadi priming dan pemindahan. Selalu terjadi kehilangan panas pada pipa distribusi, yang menyebabkan steam mengembun. Karena gaya gravitasi, molekul air yang mengembun akan mengendap di bagian bawah pipa membentuk sebuah lapisan air. Steam yang mengalir diatas air ini dapat meningkatkan riak-riak kecil yang dapat membesar menjadi gelombang. Ujung gelombang tersebut cenderung untuk pecah, melemparkan tetesan kondensat ke aliran steam. Keberadaan air dalam steam dapat menyebabkan sejumlah masalah: Air merupakan penghalang yang sangat efektif terhadap perpindahan panas, dan kehadirannya dapat menurunkan produktivitas pabrik dan kualitas produk.
Tetesan air yang berjalan pada kecepatan steam yang tinggi akan meng-erosi ruang valve dan sambungan- sambungan, suatu kondisi yang dikenal dengan wiredrawing. Tetesan air juga akan meningkatkan korosi. Pembentukan kerak yang meningkat pada pipa dan permukaan pemanasan dari bahan pencemar terbawa dalam tetesan air. Operasi yang tidak menentu dari valve pengendali dan pengukur aliran/flor meter. Kegagalan valve dan pengukur aliran karena pemakaian yang cepat atau hantaman air. Walaupun terdapat berbagai desain separator, namun pada dasarnya digunakan untuk menghilangkan kadar air yang tersuspensi dalam aliran steam, yang tidak dapat dihilangkan dengan pengurasan dan trapping steam. Gambar 2.11 Separator Tipe Baffle
II.9 Ventilasi udara Jika udara tercampur dengan steam dan mengalir bersamaan dengannya, kantong udara akan tetap tinggal pada permukaan penukar panas dimana steam terkondensasikan. Secara perlahan, terhimpun sebuah lapisan tipis yang membentuk sebuah selimut isolasi, yang menghalangi perpindahan panas sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 2.12. Konduktivitas panas udara adalah 0,025 W/m C, sementara nilainya untuk air adalah 0,6 W/m C, untuk besi sekitar 75 W/m C dan untuk tembaga sekitar 390 W/m C. Sebuah lapisan udara dengan ketebalan hanya 1 mm memberikan resistansi terhadap aliran panas yang kurang lebih sama dengan tembaga dengan tebal 15 meter. Bilamana udara ditambahkan ke steam, kandungan panas dari volume campuran lebih rendah dari steam murni dengan volume yang sama, sehingga suhu campuran rendah. Jadi, keberadaan udara memiliki pengaruh ganda: Udara memberikan resistansi terhadap perpindahan panas melalui pengaruh pelapisannya Udara menurunkan suhu ruang steam yang kemudian menurunkan gradien suhu yang melewati permukaan perpindahan panas Pengaruh keseluruhannya adalah mengurangi laju perpindahan panas yang mungkin diperlukan oleh proses kritis, dan dalam kasus terburuknya mungkin dapat mencegah tercapainya suhu proses akhir yang diperlukan. Dalam beberapa proses, diperlukan suhu minimum untuk mendapatkan perubahan kimia atau fisik produk, hanya suhu minimum diperlukan bagi alat pensteril/sterilizer. Kehadiran udara pada prinsipnya merupakan masalah sebab udara akan mengakibatkan kacaunya alat pengukur tekanan, sehingga suhu tidak dapat diperkirakan dari tekanan.
Udara yang ada didalam pipa steam dan peralatan steam pada saat start-up. Bahkan jika sistem diisi dengan steam murni ketika digunakan, steam yang terkondensasikan akan menyebabkan keadaan vakum dan menarik udara ke pipa pada saat operasi berhenti. Udara dapat juga masuk ke sistem tercampur dalam air umpan. Pada suhu 80 C, air dapat larut sekitar 0,6% volume, dari udara. Tanda-tanda adanya udara adalah: Menurunnya hasil produksi secara berangsur -angsur pada berbagai peralatan yang dipanaskan oleh steam Gelembung udara dalam kondensat Korosi Cara memventilasikan udara yang paling efisien adalah dengan menggunakan sebuah alat otomatis. Udara yang tercampur dengan steam akan menurunkan suhu campuran. Dapat digunakan alat termostatik (berdasarkan tekanan seimbang atau prinsip bimetallic) untuk memventilasikan sistem steam. Sebuah alat ve ntilasi udara yang dipasang pada suatu tangki ruang steam atau pada ujung pipa saluran steam akan terbuka ketika ada udara. Untuk pembuangan udara yang maksimal, pembuangannya harus sebebas mungkin. Sebuah pipa seringkali dipasang untuk membawa buangan ke lokasi yang aman, lebih disukai yang bukan jalur pengembalian kondensat, yang dapat membatasi kebebasan pelepasan udara dan dapat juga mendorong terjadinya korosi.
Gambar 2.12 Ujung Ventilasi Udara Otomatis Utama Bila sebuah ventilasi udara dipasang untuk mem-bypass sebuah steam trap, maka ventilasi ini akan bertindak sebagai steam trap setelah udara diventilasikan, dan dapat juga membuang kondensat dari waktu ke waktu. Dalam kasus seperti itu perlu untuk menghubungkan ulang ventilasi udara ke jalur kondensat setelah trap. Jika jalur buangan kondensat dari sebuah trap meningkat ke tingkat yang tertinggi, jalur yang banjir akan mengganggu tekanan balik pada trap dan ventilasi udara. Kemampuan ventilasi udara dalam membuang udara jadi berkurang, terutama pada saat start-up. Hal ini sama juga bila ventilasi udara terintegrasikan didalam steam trap. Bila bentuk penggunaan ruang steam dan lokasi saluran masuk steam menyebabkan hampir semua udara meninggalkan saluran keluar kondensat, maka lebih disukai jika jalur pembuangan steam trap dan ventilasi udara tidak ditempatkan pada tempat yang tinggi.
II.10 Pemanfaatan Kembali Kondensat Seperti halnya dengan kandungan panas, kondensat pada dasarnya merupakan air suling, yang ideal untuk penggunaan air umpan boiler. Suatu sistem steam yan efisien akan mengumpulkan kondesat ini dan mengembalikannya ke deaerator, tangki umpan boiler, atau menggunakannya dalam proses lain. Hanya jika benar-benar terdapat resiko pencemaran maka kondensat tidak boleh dikembalikan ke boiler. Bahkan, memungkinkan untuk mengumpulkan kondensat dan menggunakannya sebagai air proses panas atau melewatkannya melalui sebuah alat penukar panas dimana kandungan panasnya dapat dimanfaatkan kembali sebelum air dibuang. Kondensat dibuang dari plant dan peralatan steam melalui steam traps dari tekanan yang lebih tinggi ke tekanan yang lebih rendah. Sebagai akibat dari turunnya tekanan, beberapa kondensat akan menguap kembali menjadi flash steam. Bagian steam yang akan flash off dengan cara ini ditentukan oleh sejumlah panas yang dapat ditahan dalam steam dan kondensat. Biasanya jumlah flash steam sekitar 10% sampai 15%, tetapi dapat juga lebih dari itu. Kondensat pada tekanan 7 bar/g akan kehilangan massanya sekitar 13% bila flashing ke tekanan atmosfir, namun steam yang dihasilkan akan memerlukan ruang 200 kali lebih besar daripada kondensat darimana bahan ini dibentuk. Kondensat ini berpengaruh terhadap penghambatan jalur pembuangan trap yang berukuran lebih kecil dari yang semestinya, dan harus diperhitungkan ketika menghitung ukuran jalur tersebut. Suatu sistem pemanfaatan kembali kondensat yang efektif, mengumpulkan kondensat panas dari steam dengan menggunakan peralatan dan mengembalikannya ke sistem umpan boiler, dapat membayar dirinya sendirinya dalam jangka waktu yang sangat cepat. Gambar 2.13 memperlihatkan sebuah sirkuit steam dan kondensat yang sederhana, dengan pengembalian kondensat ke tangki umpan boiler.
Gambar 2.13 Sebuah Sirkuit Steam dan Kondensat II.11 Jenis-jenis Boiler Uap II.11.1 Fire Tube Boiler Pada fire tube boiler, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Fire tube boilers biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relative kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang. Sebagai pedoman, fire tube boilers kompetitif untuk kecepatan steam sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm 2. Fire tube boilers dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar fire tube boilers dikonstruksi sebagai paket boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar.
Gambar 2.14 Fire Tube Boiler II.11.2 Water Tube Boiler Pada water tube boiler, air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakar membentuk steam pada daerah uap dalam drum. Boiler ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk pembangkit tenaga. Water tube boiler yang sangat modern dirancang dengan kapasitas steam antara 4.500 12.000 kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi. Banyak water tube boilers yang dikonstruksi secara paket jika digunakan bahan bakar minyak bakar dan gas. Untuk water tube yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang secara paket.
Karakteristik water tube boilers sebagai berikut: Forced, induced dan balanced draft membantu untuk meningkatkan efisiensi pembakaran Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari plant pengolahan air. Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panas yang lebih tinggi. Gambar 2.15 Water Tube Boiler II.11.3 Boiler Paket Disebut boiler paket sebab sudah tersedia sebagai paket yang lengkap. Pada saat dikirim ke pabrik, hanya memerlukan pipa steam, pipa air, suplai bahan bakar dan sambungan listrik untuk dapat beroperasi. Paket boiler biasanya merupakan tipe shell and tube dengan rancangan fire tube dengan transfer panas baik radiasi maupun konveksi yang tinggi. Ciri-ciri dari packaged boilers adalah: Kecilnya ruang pembakaran dan tingginya panas yang dilepas menghasilkan penguapan yang lebih cepat.
Banyaknya jumlah pipa yang berdiameter kecil membuatnya memiliki perpindahan panas konvektif yang baik. Sistem forced atau induced draft menghasilkan efisiensi pembakaran yang baik. Sejumlah lintasan/pass menghasilkan perpindahan panas keseluruhan yang lebih baik. Tingkat efisiensi thermisnya yang lebih tinggi dibandingkan dengan boiler lainnya. Boiler tersebut dikelompokkan berdasarkan jumlah pass nya yaitu berapa kali gas pembakaran melintasi boiler. Ruang pembakaran ditempatkan sebagai lintasan pertama setelah itu kemudian satu, dua, atau tiga set pipa api. Boiler yang paling umum dalam kelas ini adalah unit tiga pass/lintasan dengan dua set fire-tube/pipa api dan gas buangnya keluar dari belakang boiler. Gambar 2.16 Boiler Paket
II.11.4 Boiler Pembakaran dengan Fluidized Bed (FBC) Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) muncul sebagai alternatif yang memungkinkan dan memiliki kelebihan yang cukup berarti dibanding sistem pembakaran yang konvensional dan memberikan banyak keuntungan rancangan boiler yang kompak, fleksibel terhadap bahan bakar, efisiensi pembakaran yang tinggi dan berkurangnya emisi polutan yang merugikan seperti SO x dan NO x. Bahan bakar yang dapat dibakar dalam boiler ini adalah batubara, barang tolakan dari tempat pencucian pakaian, sekam padi, bagas & limbah pertanian lainnya. Boiler fluidized bed memiliki kisaran kapasitas ya ng luas yaitu antara 0.5 T/jam sampai lebih dari 100 T/jam. Bila udara atau gas yang terdistribusi secara merata dilewatkan keatas melalui bed partikel padat seperti pasir yang disangga oleh saringan halus, partikel tidak akan terganggu pada kecepatan yang rendah. Begitu kecepatan udaranya berangsur-angsur naik, terbentuklah suatu keadaan dimana partikel tersuspensi dalam aliran udara bed tersebut disebut terfluidisasikan. Dengan kenaikan kecepatan udara selanjutnya, terjadi pembentukan gelembung, turbulensi yang kuat, pencampuran cepat dan pembentukan permukaan bed yang rapat. Bed partikel padat menampilkan sifat cairan mendidih dan terlihat seperti fluida- bed gelembung fluida/bubbling fluidized bed. Jika partikel pasir dalam keadaan terfluidisasikan dipanaskan hingga ke suhu nyala batubara, dan batubara diinjeksikan secara terus menerus ke bed, batubara akan terbakar dengan cepat dan bed mencapai suhu yang seragam. Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) berlangsung pada suhu sekitar 840 0 C hingga 950 0 C. Karena suhu ini jauh berada dibawah suhu fusi abu, maka pelelehan abu dan permasalahan yang terkait didalamnya dapat dihindari. Suhu pembakaran yang lebih rendah tercapai disebabkan tingginya koefisien perpindahan panas sebagai akibat pencampuran cepat dalam
fluidized bed dan ekstraksi panas yang efektif dari bed melalui perpindahan panas pada pipa dan dinding bed. Kecepatan gas dicapai diantara kecepatan fluidisasi minimum dan kecepatan masuk partikel. Hal ini menjamin operasi bed yang stabil dan menghindari terbawanya partikel dalam jalur gas. II.11.5 Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler Kebanyakan boiler yang beroperasi untuk jenis ini adalah Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler. Alat ini hanya berupa shell boiler konvensional biasa yang ditambah dengan sebuah fluidized bed combustor. Sistem seperti telah dipasang digabungkan dengan water tube boiler/boiler pipa air konvensional. Batubara dihancurkan menjadi ukuran 1 10 mm tergantung pada tingkatan batubara dan jenis pengumpan udara ke ruang pembakaran. Udara atmosfir, yang bertindak sebagai udara fluidisasi dan pembakaran, dimasukkan dengan tekanan, setelah diberi pemanasan awal oleh gas buang bahan bakar. Pipa dalam bed yang membawa air pada umumnya bertindak sebagai evaporator. Produk gas hasil pembakaran melewati bagian super heater dari boiler lalu mengalir ke economizer, ke pengumpul debu dan pemanas awal udara sebelum dibuang ke atmosfir. II.11.6 Pressurized Fluidized Bed Combustion (PFBC) Boiler Pada tipe Pressurized Fluidized bed Combustion (PFBC), sebuah kompresor memasok udara Forced Draft (FD), dan pembakarnya merupakan tangki bertekanan. Laju panas yang dilepas dalam bed sebanding dengan tekanan bed sehingga bed yang dalam digunakan untuk mengekstraksi sejumlah besar panas. Hal ini akan meningkatkan efisiensi pembakaran dan peyerapan sulfur dioksida dalam bed. Steam dihasilkan didalam dua ikatan pipa, satu di bed dan satunya lagi berada diatasnya. Gas