Perancangan Bejana (Vessel Design) 1 Faktor-faktor yang Mempengaruhi Desain Vessel
Mesin yang Paling Banyak Digunakan Bejana (vessel) adalah bagian dasar dari berbagai peralatan proses Bejana mungkin menjadi mesin yang paling banyak digunakan dalam sektor industri yang berbeda-beda Banyak peralatan proses yang dapat dikategorikan sebagai bejana dengan berbagai modifikasi yang diperlukan untuk dapat melakukan berbagai fungsi Autoclave
Contoh An AUTOCLAVE Dapat disebut sebagai bejana bertekanan tinggi yang dilengkapai dengan pengaduk dan sumber panas A DISTILLATION or ABSORPTION column Dapat disebut sebagai bejana yang mengandung rangkaian kontaktor uap-cair A HEAT EXCHANGER (HE) Dapat disebut sebagai bejana yang mengandung bagian untuk perpindahan panas melalui dinding tube An EVAPORATOR Dapat disebut sebagai bejana yang mengandung HE yang digabung dengan ruang untuk melepas-uap
Pemilihan Tipe Vessel Faktor utama yang mempengaruhi pemilihan adalah: Fungsi dan lokasi vessel Sifat cairan Suhu operasi dan tekanan Kapasitas produksi
Tipe Vessel Yang Umum Digunakan Open tanks Dasar vessel berbentuk datar, tangki berbentuk silinder vertikal Silinder vertikal dan horizontal vessel Pada umumnya berbentuk bulat Vessel seperti diatas kebanyakan digunakan untuk liquid yang tidak bersifat toksik. Jika liquid bersifat toksik, mudah terbakar, tekanannya tinggi, maka sebaiknya menggunakan closed vessel
Klasifikasi Bejana
Contoh Cylindrical Vessel
Open Vessel Pada umumnya digunakan sebagai: Tanki untuk sistem operasi batch Sebagai settling tank (sedimentation tank or clarifier) Decanters Reaktor kimia Reservoir
Clossed Vessel Untuk fluida yang bersifat mudah terbakar, bersifat toksik, dan gas harus menggunakan clossed vessel Bahan-bahan kimia yang berbahaya Petroluem (bahan yang mudah terbakar)
Standard Yang Digunakan Tanki yang digunakan untuk penyimpanan produk crude oil dan petroleum umumnya menggunakan API Standard 12 C, API Spesification for Welded Oil-Storage Tank
Cylindrical Vessel dengan Flat Bottoms dan Conical Merupakan desain yang paling ekonomis untuk closed vessel yang beroperasi pada tekanan atm Jenis vessel ini langsung berdiri di atas permukaan tanah dengan pondasi berupa pasir, kerikil, dan bataubatuan. Vessel ini dilengkapi dengan ventilasi yang memungkinkan ekspansi dari cairan sebagai akibat dari fluktuasi suhu dan volume
Dimensional Cylindrical Vessel dengan Flat Bottoms dan Conical Diameter maksimum = 24 ft Diameter yang lebih besar = 48 ft Secara umum tangki dengan atap kerucut terbatas pada tekanan atmosfer Jika atap berbentuk kubah yang digunakan maka tekanan dari 2,5 sampai 15 lb
Cylindrical Vessel with Formed Ends Banyak digunakan dimana tekanan uap of the stored liquid may diclate a stronger design Standar yang digunakan adalah API dan ASME Vessel ini biasanya kurang dari 12 ft untuk diameter
Spherical and Modified Spherical Vessels Digunakan untuk storage container untuk volume yang besar dan dibawah tekanan rata2 Kapasitas dan Tekanan yang digunakan pada tipe ini: Pressure = dari 10 s/d 200 lb per sq in gage-200
Contoh Spherical and Modified Spherical Vessels Pada Indistri Petroleum dengan Pressure 100 lb/sq.in gage
Metode Fabrikasi (Pembuatan) Pembuatan Equipment proses melalui perhitungan fusin welding, casting, forging, machining, brazing, and soldering, and sheet-metal forming Gray-iron banyak digunakan untuk produksi secara massal alat kelengkapan pipe fitting, dan digunakan untuk alat-alat seperti cast-iron pipe, HE shell, dan evaporator karena ketahanan korosi yang unggul dibanding baja
Standar Pengelasan (Welding Standards) Variabel pengelasan (welding) dikontrol agar menghasilkan sambungan (joints) yang kuat pada peralatan dimana sejumlah kode dan standar telah ditetapkan untuk tujuan ini, antara lain: ASME Code Welding Qualifications (Section IX ASME Boiler Code) ASA Code for Pressure Piping (B 131.1, Section 6 and Appendices I and II) Standard Qualification Procedures of the American Welding Society API Standard 12 C, API Specification for Welded Oil Storage Tanks (Section 7 and 8) Untuk memenuhi standar pengelasan, weld yang dibuat harus diuji untuk menentukan gaya tarik (tensile strength), keelastisan (ductility), serta kekuatan (soundness) Ketentuan-ketentuan dalam standar pengelasan: Gaya tarik dalam uji reduced-section-tension tidak boleh kurang dari 95% dari gaya tarik minimum material yang di-las Elongasi minimum yang diizinkan pada uji free-bend adalah 20% Kekuatan geser pada uji transverse-shear tidak boleh kurang dari 87% dari gaya tarik minimum material yang di-las Dalam berbagai uji kekuatan. Permukaan konveks spesimen diperiksa untuk melihat retakan atau kecacatannya. Jika retakan melebihi 1/8 in pada arah tertentu, sambungan dianggap gagal
Tipe welded joints dalam Pembuatan Vessel Gambar disamping merupakan kode API- ASME untuk unfired pressure vessel yang mengilustrasikan beberapa tipe welded joints yang digunakan pada pengelasan plat baja untuk pembuatan pressure vessel Pemilihan tipe sambungan tergantung pada peralatan (service), ketebalan logam, prosedur pembuatan (fabrication), serta persyaratan kode
Simbol Welding Standar (rekomendasi API Standard 12 C) Dimensi ukuran, penambahan panjang, dan jarak dari weld dinyatakan dalam inches
Tipe Kriteria dalam Desain Vessel Pemilihan tipe vessel utamanya didasarkan pada functional service yang dibutuhkan vessel, seperti temperatur, tekanan, batasan dimensi, serta berbagai masukan (loads) Jika vessel tidak didesain dengan benar maka vessel dapat gagal dalam service yang disebakan oleh: Deformasi plastis yang dihasilkan dari stress berlebih, patah, serta ketidakstabilan elastis Korosi, pemakaian, atau keletihan (fatigue) Desain vessel melidungi dari kegagalan service dengan melibatkan pertimbangan terhadap faktor functional serta sifat fisik material
Pertimbangan Ekonomi Material murah (kayu, beton, dan baja) dapat mengeliminasi kebutuhan fabrikasi vessel dari material yang lebih mahal (logam atau alloy) Peningkatan ukuran tangki akan membuat biaya relatif penggunaan alloys dan logam nonbesi menjadi meningkat Beton kadang dimanfaatkan untuk konstruksi vessel yang besar
Kelas Produk Baja
Harga Baja (Pabrik Baja vs. Gudang Baja) Pabrik dan gudang baja memiliki harga dasar untuk setiap kelas produk baja (seperti terlihat pada tabel) Harga berlaku untuk pemesanan 10.000 lb atau lebih dari ukuran yang dipesan pada satu waktu (satu ketebalan dan satu lebar dianggap satu ukuran) Biaya tambahan dikenakan untuk tambahan heat treatment, surfacefinish, pengujian, peralatan kimia, spesifikasi, persyaratan khusus, dimensi, pengakapalan, tanda khusus, loading, serta pengikatan pelat Harga baja untuk satu gudang dengan yang lain bervariasi tergantung jarak dari pabrik dan service yang diinginkan Gudang akan menyuplai baja dengan ukuran yang disesuaikan dengan keinginan konsumen
Pembuatan/ Fabrikasi Biaya Pembuatan Vessel Prosedur Pembuatan Vessel Biaya lansung untuk produksi sebuah peralatan proses termasuk biaya material dan biaya tenaga kerja Biaya pelat baja biasanya mengandung sebagian besar porsi biaya material untuk vessel Biaya tenaga kerja yang terlibat dalam fabrikasi vessel kenyataannya sulit untuk ditetapkan secara akurat 1. Persiapan kerangka bejana/ vessel shell menggunakan 40-ft planner machining a double U edge pada 1 ¾-in dengan panjang potongan 29 ft 2. Pengerutan (crimping) pinggiran pelat yang akan disambungkan dengan longitudinal weld. Tahapan ini dibutuhkan karena gulungan tidak bisa digunakan untuk membentuk tutup curva yang diinginkan 3. Penyesuaian dan pemasangan komponen vessel dengan pengelasan (welding)
Estimasi Biaya Biaya yang harus diestimasikan dalam mendesain vesel adalah: Indeks Harga (Diterangkan lebih lanjut) Variasi Biaya Pekerja Biaya pekerja selalu naik setiap tahunnya Biaya Eksploitasi (Shop Overhead)/Beban meliputi biaya bimbingan, administrasi, teknik, penjualan, utilitas, pemeliharaan, depresiasi, pajak dan biaya fix serta tek langsung lainnya Keuntungan Perbandingan biaya peralatan berdasarkan ukuran Biaya ukuran alat kedua sama dengan biaya ukuran alat pertama dikalikan rasio ukuran (kapasitas)-nya dan dipangkatkan dengan 0.6
Indeks Harga (Cost Indeks) Indeks harga (Cost Index) jumlah harga relatif yang memberikan variasi kelompok harga dengan basis tahun. Indeks harga yang paling sering digunakan adalah Engineernibg News Recird (ENR) construction Cost Index, The Marshall and Stevens Equipment Cost Index dan The Nelson Refinery Index Untuk menggunakan mengalikan harga saat ini rasio indeks sekarang dan indeks pada tahun yang diinginkan
Tabel Indeks Harga
COMPRESS Salah satu perangkat lunak yang digunakan untuk melakukan perhitungan desain bejana tekan (Pressure Vessel). COMPRESS digunakan untuk mermudahkan dalam melakukan perhitungan, dari bagian-bagian utama pressure vessel sampai kepada bagian assesoris yang digunakan pada sebuah bejana tekan seperti, lifting lug, manhole, nozzle, dan skirt
Perhitungan Ketebalan Dinding silinder (Shell) Perencanaan tebal dinding silinder (shell) yang diatur dalam standar ASME Section VIII Divisi I 2010 ayat UG-27, untuk ketebalan berdasarkan tekanan maksimum atau minimum yang terjadi melalui persamaan
Perhitungan Ketebalan Tegangan Circumferential (sambungan longitudinal) untuk t<0,5 R atau P < 0,385SE t SE PR 0. 6P atau SE.t R 0. 6t Tegangan Longitudinal (Sambungan circumferential) Untuk t < 0,5 R atau P < 1,25 SE P
Notasi t = Tebal bahan P = Tekanan internal (pressure gauge) D = Diameter dinding silinder (shell) S = Kekuatan tarik izin bahan (Tabel 13.2) E = Efisiensi sambungan las K = D/2h Faktor formula ellipsoidal head. R = Jari-jari dalam dinding
Perhitungan ketebalan dinding kepala (Head) K h 1 6 D 4 2 CA D 2h 2
Efisiensi (E)
Contoh Ukuran = 914 mm I.D 2400 Fluida = Compressed air Kondisi Desain Pressure Vessel : Kondisi desain tekanan = 1280 kpa Kondisi desain temperature = 65 Kondisi kerja Pressure Vessel : Kondisi kerja tekanan = 840 KPa Kondisi kerja temperature = 40 Batasan korosi = 3 mm Dimensi pressure vessel : Diameter dalam Shell = 914 mm Tinggi shell (T.L to T.L) = 2400 mm Head (Top Head) = Ellipsoidal Head (Bottom Head) = Ellipsoidal Head Tinggi dish head = D/4 = 914/4
Perhitungan dengan berdasarkan tegangan circumferential
Perhitungan berdasarkan tegangan longitudinal
Perhitungan ketebalan dinding kepala (Head)