KUIS I (TAKE HOME) Untuk memenuhi nilai mata kuliah Utilitas
Dosen Pengampu :
Ir. Slamet Priyanto, M.S.
Disusun oleh :
Nama
: Putri Puspita Sari
NIM
: 21030115120013 21030115120013
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG 2017
1. Saturated Steam dan Superheated Steam
a. Saturated steam (uap saturasi) adalah sebuah kondisi dimana uap air berada pada equilibrium tekanan dan temperatur yang sama dengan air fase cair (liquid). Uap saturasi menjadi fase transisi antara air fase cair dengan air fase gas murni, atau yang biasa kita kenal dengan uap panas lanjut ( superheated steam). Pada saat air berada dalam fase transisi ini, terjadi pencampuran antara air fase cair (kita kenal dengan istilah saturated water) dengan air fase gas (kita kenal dengan istilah saturated steam) dalam proporsi yang sesuai dengan jumlah panas laten yang diserap fluida. Uap saturasi ini mulai terbentuk tepat pada saat air mencapai titik didihnya (titik saturated water ), hingga semua energi dari panas laten diserap oleh air. Di saat seluruh panas laten telah diserap oleh air, dan jumlah fase uap sudah mencapai hampir 100% dibandingkan dengan fase cairnya, maka itulah batas akhir dari fase uap saturasi. Proses mencapai hampir 100% fase uap tersebut terjadi pada satu besaran tekanan dan temperatur konstan.
Superheated steam atau uap panas lanjut adalah air yang benar-benar berfase gas. Jika uap saturated adalah uap air yang masih bercampur dengan air liquid, atau uap supercritical yang tidak bisa dibedakan dengan air supercritical, maka uap superheated adalah gas H2O kering yang sudah tidak mengandung kelembaban air sama sekali. Air liquid dapat berubah fase menjadi superheated steam setelah
melewati garis kurva saturasi. Untuk dapat melewati garis kurva saturasi, ada beberapa cara yang bisa dilakukan. Pertama dengan tekanan tetap, temperatur lingkungan ditingkatkan. Kedua pada temperatur tetap, tekanan lingkungan diturunkan. Terakhir, tekanan ruang diturunkan bersamaan dengan kenaikan temperatur ruang. Namun semua proses tersebut harus memenuhi satu syarat, garis perubahan kondisi lingkungan harus memotong kurva saturasi.
Manfaat di Industri
Saturated steam digunakan sebagai steam untuk boiler karena mampu melakukan transfer panas yang tinggi, sehingga dapat digunakan sebagai pemanas bahan tertentu. Bisa juga digunakan untuk mengoperasikan pompa.
Superheated steam digunakan untuk proses transfer massa karena memiliki kerapatan yang lebih rendah dari saturated steam. Dapat pula digunakan sebagai steam stripping dan untuk menggerakkan turbin.
Kelebihan dan Kekurangan
Saturated steam ( + ) Memiliki suhu yang seragam. ( + ) Mudah untuk dikondensasikan kembali karena memiliki banyak kandungan air. ( + ) Memiliki tekanan yang seragam. ( - ) Energi yang dihasilkan lebih kecil. ( - ) Kurang efektif untuk meningkatkan efisiensi proses.
Superheated steam ( + ) Meningkatkan efisiensi proses (misal meningkatkan efisiensi thermal pada turbin). ( + ) Memiliki tenaga yang lebih besar. ( - ) Membutuhkan luas perpindahan panas yang lebih besar. ( - ) Memiliki laju perpindahan panas menyeluruh yang lebih rendah walaupun memiliki suhu yang lebih tinggi. ( - ) Perlu ada pendinginan sampai suhu saturasi untuk melepaskan panas latennya. ( - ) Suhunya tidak seragam.
b. Saturated steam digunakan untuk menggerakkan alat-alat yang membutuhkan energi yang tidak terlalu besar, misalnya pompa. Sedangkan superheated steam digunakan untuk menggerakkan alat-alat yang membutuhkan energi lebih besar, misalnya turbin.
2. Efisiensi Boiler
a. Efisiensi panas dari boiler adalah tingkat untuk kerja boiler atau ketel uap yang didapatkan dari perbandingan antara energi yang dipanaskan atau yang diperoleh oleh fluida kerja di dalam ketel dengan masukan energi kimia dari bahan bakar. Persamaannya :
( η)= ( η)=
100%
100%
b. Efisiensi mekanis dari boiler adalah hal yang mengindikasikan seberapa besar kerja atau tenaga yang digunakan untuk menjalankan operasi pada boiler. Efisiensi
mekanis
berhubungan
dengan
kerja
komponen
mekanis
yang
berpengaruh pada kerja boiler. Persamaannya :
( η)= ( η)=
100%
(ℎ − ℎ) 100%
Keterangan : Q
: jumlah steam yang dihasilkan (kg/jam)
q
: jumlah bahan bakar yang digunakan (kg/jam)
GCV
: jenis bahan bakar dan nilai panas kotor bahan bakar (kkal/kg)
hg
: entalpi steam jenuh (kkal/kg)
hf
: entalpi air umpan (kkal/kg)
3. Definisi Eksplorasi, Diversifikasi, Konservasi, dan Efisiensi Bahan Bakar
Eksplorasi
adalah
upaya
penyelidikan
lapangan
untuk
mengumpulkan
data/informasi selengkap mungkin tentang keberadaan sumber bahan bakar di suatu tempat.
Diversifikasi adalah upaya pengembangan bahan bakar dengan tujuan untuk
mengantisipasi dan mencegah adanya kelangkaan akan bahan bakar di kemudian hari atau upaya untuk mendorong penggunaan bahan bakar alternatif yang lebih ramah lingkungan. Konservasi adalah upaya penghematan dalam penggunaan bahan bakar dengan
cara mengurangi penggunaan bahan bakar.
Efisiensi adalah suatu ukuran keberhasilan yang dinilai dari segi besarnya sumber/jumlah bahan bakar atau penggunaan maksimum bahan bakar untuk menghasilkan energi yang diinginkan.
4. Hubungan antara steam, udara tekan, dan bahan bakar
a. Steam, udara tekan dan BBM/BBG (bahan bakar) merupakan komponen yang saling berkaitan dan saling melengkapi dalam berjalannya suatu proses operasi. Ketiga komponen ini sangat penting dalam industry kimia, dimana steam digunakan sebagai media penukar panas di sebagian alat penukar panas seperti evaporator, boiler, dan lainnya. Udara tekan berfungsi sebagai transportasi fluida. Sedangkan BBM/BBG berfungsi sebagai bahan bakar pada unit pembangkit steam. Sehingga dapat disimpulkan bahwa ketiganya merupakan komponen yang penting dan memiliki perannya masing-masing dalam jalannya proses kimia. b. Diagram alir Kompresor/
Udara tekan
Pompa Air
BBM/BBG
Unit Pembangkit Steam
Steam
Furnace
Pertama BBM/BBG sebagai bahan bakar dimasukkan kedalam furnace, kemudian setelah dihasilkan energi maka digunakan sebagai pemicu untuk mengaktifkan unit pembangkit steam. Pada saat yang sama, fluida dialirkan menuju unit pembangkit steam, misalnya udara tekan dengan menggunakan kompresor atau air dengan menggunakan pompa. Setelah ada fluida yang masuk ke pembangkit
steam, maka panas dari furnace akan mengaktifkan pembangkit steam untuk mengubah fluida menjadi steam yang diinginkan. c. Pernanan udara tekan dalam industri kimia :
Untuk memindahkan partikel padat dari satu tempat ke tempat yang lain, misalnya memindahkan memindahkan semen, tepung, batubara ataupun pasir. Dengan pemindahan cara ini, partikel yang dipindahkan bisa dalam jumlah besar dan waktu singkat, tetapi memerlukan saluran tersendiri agar partikel padat tersebut tidak kemana-mana.
Pada penggunaan tools, misalnya impact, hammer, ratchet, winch, ada yang menggunakan udara tekan untuk memudahkan kerja manusia. Penggunaan udara tekan memnungkinkan lebih kecilnya daya yang dikeluarkan manusia juga mempersingkat waktu pengerjaan.
Alasan safety dan
ekonomis
sebagaimana
disampaikan
di
atas,
juga
menyebabkan udara tekan juga digunakan pada diaghpram pump dan air motor. Kedua peralatan tersebut sering digunakan pada area yang rawan percikan api.
Di dunia konstruksi baja, baik gedung-gedung, industri manufakturing, serta galangan kapal, umumnya juga menggunakan aplikasi udara tekan. Ada dua pekerjaan
utama
yang
menggunakan
udara
tekan
: sandblasting dan
pengecatan. Meski berbeda tujuan, udara tekan mempunyai fungsi yang hampir mirip. Pada sandblasting, udara tekan meniup butiran pasir untuk mengelupas
pengotor
dan
karat
pada
permukaan
baja.
Proses
ini
dimaksudkan agar proses pengecatan berlangsung dengan baik. Sedangkan pada pengecatan, udara tekan digunakan untuk meniup cairan cat.
Udara tekan juga digunakan untuk meniup plastik ataupun alumunium agar mengikuti bentuk cetakannya. Misalnya pada industri botol plastik. Pada aplikasi ini, udara tekan yang digunakan berkategori tekanan tinggi.
Selain itu, udara tekan juga dimanfaatkan untuk starting engine. Baik untuk diesel yang digunakan di kapal-kapal ataupun yang digunakan di power plant. Ada yang menggunakan udara bertekanan tinggi (kurang lebih 35 bar) dan ada juga yang menggunakan udara bertekanan sekitar 7 bar, sebagaimana umumnya penggunaan udara tekan lainnya. Hal ini tergantung desain dari pihak pembuat engine.
5. Skema dan Prinsip Kerja Alat
a. Boiler
Gambar 1. Skema Alat Boiler Prinsip kerja boiler sebenarnya cukup sederhana sama seperti pada saat kita sedang mendidihkan air menggunakan panci. Proses pendidihan air tersebut akan selalu diiringi proses perpindahan panas yang melibatkan bahan bakar, udara, material wadah air, serta air itu sendiri. Proses perpindahan panas ini mencakup tiga jenis perpindahan panas yang sudah sangat kita kenal yakni konduksi, konveksi, dan radiasi. Pada boiler pipa air di atas misalnya, sumber panas didapatkan dari pembakaran bahan bakar di dalam furnace. Energi panas ini sebagian akan terpancar secara radiasi ke pipa-pipa evaporator sehingga memanaskan pipa-pipa tersebut. Panas yang terserap oleh permukaan pipa akan secara konduksi berpindah ke sisi permukaan dalam pipa. Di dalam pipa, mengalir air yang terus-menerus menyerap panas tersebut. Proses penyebaran panas antar molekul air di dalam aliran ini terjadi secara konveksi. Perpindahan panas
konveksi antar molekul air, seakan-akan menciptakan aliran fluida tersendiri terlepas dengan aliran air di dalam pipa-pipa boiler.
Gambar 2. Proses Pembentukan Uap dalam Boiler Gas hasil pembakaran yang mengandung energi panas akan terus mengalir mengikuti bentuk boiler hingga ke sisi keluaran. Di sepanjang perjalanan, panas yang terkandung di dalam gas buang akan diserap oleh permukaan tubing boiler dan diteruskan secara konduksi ke air di dalam pipa. Secara bertahap, air akan berubah fase menjadi uap basah ( saturated steam) dan dapat berlanjut hingga menjadi uap kering ( superheated steam). b. Kompresor
Gambar 3. Proses Pemompaan pada Ban
Gambar 1. Skema Alat Boiler Prinsip kerja kompresor udara hampir sama dengan pompa ban sepeda atau mobil. Ketika torak dari pompa ditarik keatas, tekanan yang ada di bawah silinder akan mengalami penurunan di bawah tekanan atmosfir sehingga udara akan masuk melalui celah katup ( klep) kompresor. Katup (klep) kompresor di pasang di kepala torak dan dapat mengencang dan mengendur. Setelah udara masuk ke tabung silinder kemudian pompa mulai di tekan dan torak beserta katup (klep) akan turun ke bawah dan menekan udara,sehingga membuat volumenya menjadi kecil. Tekanan udara menjadi naik terus sampai melebihi kapasitas tekanan di dalam ban, sehingga udara yang sudah termampat akan masuk melalui katup (pentil). Setelah di pompa terus menerus tekanan udara di dalam ban menjadi naik. Proses perubahan volume udara yang terletak pada silinder pompa menjadi lebih kecil dari kondisi awal ini di sebut proses pemampatan (pengkompresan udara). 6. Diketahui : Kapasitas kompresor (m3/menit) (Q)
= 35
Tekanan saat menyala (kg/cm2)
= 6,8
Tekanan saat mati (kg/cm 2)
= 7,5
kW yang dipakai untuk load
= 188 kW
kW yang dipakai untuk unload
= 54 kW
Waktu load rata-rata (T)
= 1,5 menit
Waktu unload rata-rata (t)
= 10,5 menit
Ditanya : Besarnya jumlah kebocoran = ? Jawab :
Besarnya jumlah kebocoran sistem = = 35
+
1,5 1,5 + 10,5
= 4,375 / Maka kebocoran sistem sebesar 4,375 m 3/menit.
7. Hasil uji lab air danau di Semarang :
TSS 500 ppm TDS 105 ppm Warna 15 pH 8,5 Besi 3 ppm Cl- 300 ppm Kesadahan CaCO3 500 ppm
Berdasarkan referensi yang didapat, standar air umpan boiler adalah s ebagai berikut :
Tabel 2. Rekomendasi batas air umpan (IS10392, 1982) REKOMENDASI BATAS AIR UMPAN (IS 10392, 1982) Faktor
Hingga 20 kg/cm2
21-39 kg/cm2
40-59 kg/cm2
Total besi (maks.) ppm
0,05
0,02
0,01
Total tembaga (maks.) ppm
0,01
0,01
0,01
Total silika (maks.) ppm
1
0,3
0,1
Oksigen (maks.) ppm
0,02
0,02
0,01
Residu hidrasin ppm
-
-
-0,06
pH pada 250C
8,8-9,2
8,8-9,2
8,2-9,2
Kesadahan, ppm
1
0,5
-
Jika dibandingkan dengan referensi, maka : Hasil Uji
Layak/ Tidak Layak
TSS 500 ppm
Tidak Layak
TDS 105 ppm
Layak
Warna 15
Layak
pH 8,5
Tidak layak
Besi 3 ppm
Tidak layak
Cl- 300 ppm
Tidak layak
Kesadahan CaCO3 500 ppm
Tidak layak
Berdasarkan analisa di atas, maka dapat disimpulkan bahwa air danau ini tidak layak untuk langsung digunakan sebagai umpan boiler, karena hasil uji yang didapatkan belum memenuhi standar spesifikasi baku mutu air umpan boiler itu sendiri. Dimana mayoritas hasil melebihi batas maksimum dari standar yang telah ditentukan. Air danau ini masih mungkin untuk digunakan sebagai air umpan boiler, namun harus melewati tahapan pengolahan terlebih dahulu untuk mendapatkan spesifikasi yang diinginkan dan sesuai baku mutu. Misalnya harus ada penurunan kesadahan, perlakuan untuk senyawa CaCO3 yaitu dengan cara presipitasi maupun penambahan resin. Untuk menghilangkan ion klor maka dapat digunakan cara reverse osmosis untuk treatment secara fisik, namun untuk lainnya yaitu dengan cara kimia, maka airnya diberi perlakuan dengan menggunakan metode penukaran anion. Kemudian untuk penghilangan material besi yang berlebihan, dan lainnya.
REKOMENDASI BATAS AIR UMPAN (IS 10392, 1982) Hingga 20 21-39 40-59 Faktor kg/cm2 kg/cm2 kg/cm2
TDS, ppm
3000-3500
1500-2500
500-1500
Total padatan besi terlarut ppm Konduktivitas listrik spesifik pada 250C (mho)
500
200
150
1000
400
300
Residu fosfat ppm
20-40
20-40
15-25
pH pada 250C
10-10,5
10-10,5
9,8-10,2
Silika (maks.) ppm
25
15
10
