BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Salah satu bentuk energi yang digunakan pada pengilangan minyak adalah energi panas. Energi panas ini diperlukan dalam proses dan didapatkan dari hasil pembakaran bahan bakar. Proses pembakarannya memerlukan udara yang disupply dari luar, sebagian besar dari udara ini merupakan nitrogen, yang tidak turut terbakar, tetapi keluar dari ruang pembakaran bersama sama gas hasil pembakaran. Sistem proses pembakaran
yang menghasilkan menghasilkan panas dan selanjutnya
mentransfer panas tersebut ke media service terjadi didalam ruangan yang disebut Fired Heater atau Heater atau furnace. Pada semua Heater, oksigen yg berasal dari udara diperoleh secara natural draft atau forced draft. Pemanasan langsung terhadap pipa-pipa yang berisi aliran minyak didalam Heater adalah merupakan faktor utama dalam suatu kilang minyak untuk menunjang terjadinya proses distilasi atmospheric, distilasi vaccum, thermal cracking dan reforming, dan semua proses temperatur tinggi. Beberapa tipe Heater digunakan untuk memanaskan minyak pada suhu sampai 1500 oF (815 oC) dan tekanan sampai 1600 psi (105 kg/cm 2). Pembakaran didalam heater pada umumnya menggunakan bahan bakar minyak atau gas hidrokarbon. hidrokarbon.
1.2 Rumusan Masalah
1. Apa pengertian dari heater? 2. Bagaimana prinsip kerja heater? 3. Apa saja komponen-komponen penyusun heater? 4. Apa saja jenis-jenis dari heater? 1.3 Tujuan
1. Memenuhi salah satu tugas mata kuliah Perpindahan Panas. 2. Memperoleh pengetahuan mengenai alat Heater.
1
1.4 Manfaat
1. Dapat mengetahui pengertian dari Heater. 2. Dapat mengetahui prinsip kerja dari Heater. 3. Dapat mengetahui komponen-komponen penyusun heater. 4. Dapat mengetahui jenis-jenis heater.
2
BAB II PEMBAHASAN
2.1 Pengertian Heater
Heater merupakan salah satu jenis dari Heat Exchanger yang berfungsi untuk memanaskan. Heater adalah objek yang dapat memancarkan panas atau dapat menyebabkan benda lainnya mengalami kenaikan suhu dari suhu yang rendah untuk mencapai suhu yang lebih tinggi. Dalam bidang rumah tangga atau domestic, heater biasanya merupakan peralatan yang digunakan untuk tujuan menghangatkan ruangan. Jenis lain dari heater adalah oven dan tungku (furnace). Pemanas atau heater dapat memanaskan semua materi baik berupa padat, cair ataupun gas. Ada 3 jenis mekanisme perpindahan panas yang terjadi didalamnya yaitu konduksi, konveksi dan radiasi. Heater atau terkadang disebut furnace adalah peralatan proses yang berguna untuk menaikan temperature suatu material. Energi panas yang digunakan dapat berasal dari hasil proses pembakaran bahan bakar (fuel) sehingga disebut juga dengan fire heater. Secara garis besar, peralatan ini terbuat dari metal (metal housing) yang dilapisi refractory pada bagian dalamnya yang berfungsi sebagai isolasi panas sehingga panas tidak terbuang keluar. Bahan konstruksi yang digunakan untuk pembuatan heater ini adalah material yang memiliki titik leleh yang tinggi, agar saat pembakaran bahan bakar yang memiliki temperature pembakaran yang tinggi peralatan tidak ikut meleleh atau rusak karena tingginya temperature. Material yang dipanaskan atau charge bisa berbentuk padat, cair atau gas.
2.2 Prinsip Kerja Heater
Pada alat elektronik, bagian yang seperti filamen di dalam vacuum tube yang memanaskan katoda untuk membantu emisi thermionik dari elektron. Elemen katoda harus mencapai temperatur yang dibutuhkan supaya tube berfungsi sebagaimana mestinya. Hal ini mengapa alat-alat elektronik lama sering memerlukan waktu untuk pemanasan setelah dihidupkan.
3
Katoda heater adalah coil atau filamen digunakan untuk memanaskan katoda di vacuum tube atau cathode ray tube. sebelum transistor dan di sekelilingnya yang terintegrasi dihubungkan, peralatan elektronik menggunakan vacumm tube untuk menghidupkan elemen-elemennya. Tipe sederhana dari vacuum tube beroperasi sebagai dioda, yang hanya memberikan aliran ke satu arah saja. Katoda heater digunakan untuk menaikkan temperature dari katoda filamen mengizinkan terjadinya emisi thermionik dari elektron ke dalam tube yang terevaluasi. Elemen lain selain tu be adalah “plate” atau “anoda”. Jika anoda bermuatan positif berhubungan dengan katoda, elektron yang terpancar akan menariknya.dan arus akan mengalir. Ini menunjukkan bahwa karakteristik dari anoda sebagai arus yang mengalir dengan arah yang berlawanan adalah tidak mungkin (anoda tidak dipanasi,mencegah emisi thermionik). Vacuum tube yang lebih kompleks beroperasi sebagai trioda ( the predecessor to the modern transistor ). Heater menambahkan energi panas ke aliran fluida yang melewatinya. Hal ini bisa menyebabkan fluida berubah fase. Heater bisa diartikan boiler, superheater, reheater , ruang pembakaran, atau suatu reaktor nuklir. Perpindahan panas dalam suatu Heater terjadi dengan cara radiasi dan konveksi pada permukaan pipa pipanya. Dengan cara radiasi, pada Heater kapasitas rendah dapat menyerap panas 5.000.000 BTU/jam. Dengan pemakaian pemanas udara (air preheater) biasanya memperoleh effisiensi lebih tinggi, karena udara yang diperlukan untuk pembakaran mempunyai suhu lebih tinggi. Dalam proses pembakaran, oksigen akan bereaksi dengan hidrogen dan karbon, yang berbentuk molekul hidrokarbon. Produksi pembakaran ini dibuang melalui cerobong (stack) setelah panas yang dihasilkan dimanfaatkan. Pada pembakaran sempurna, hidrogen dan oksigen akan terbakar membentuk senyawa air (H 2O), sedangkan karbon dengan oksigen akan terbakar membentuk karbon dioksida (CO2). Nitrogen tidak terbakar pada proses ini dan keluar melalui stack bersama sama H2O dan CO2 tadi. Untuk mendapatkan pembakaran yang sempurna, umumnya proses pembakaran menggunakan kelebihan udara (excess air), maksudnya agar semua hidrokarbon dapat terbakar. Kelebihan udara ini biasanya berkisar antara 15 – 25% atau sama dengan 3 – 5% oksigen. Ketentuan ini harus
4
diperhatikan untuk mendapatkan effisiensi maksimum, sebab kelebihan udara dan nitrogen akan menyerap sebagian panas yg dihasilkan. Panas flue gas keluar stack harus dijaga pada temperatur tertentu untuk menghindari proses korosi.
2.3 Komponen Penyusun Heater A. Cerobong/Stack
Berfungsi untuk menyalurkan gas hasil pembakaran ke atmosfer. Tinggi cerobong ditentukan berdasarkan perhitungan draft diruang pembakaran, keselamatan dan peraturan tentang polusi udara. Bahan yang dipakai biasanya terbuat dari pelat baja karbon yang dibagian dalamnya dilapisi insulation refractory (Fire Brick atau castable). B. Soot Blower
Fungsinya untuk menghilangkan atau meniup jelaga atau senyawa logam teroksidasi lainnya yang menempel dipermukaan tube diruang konveksi. Dengan cara ini diharapkan jelaga terbuang melalui st ack bersama dengan gas buang, permukaan luar tube selalu bersih sehingga heat transfernya sempurna. C. Dinding Heater dan Insulation
Umumnya dinding heater dibuat berlapis lapis, lapis terluar adalah pelat baja, lapis bagian dalam berupa refractory yang merupakan insulation, tahan panas maupun tahan api. Lapisan refractory bisa terbuat dari Fire Brick atau castable. Dan dilekatkan kedinding dengan anchor. D. Tubes
Rangkaian tube merupakan bagian yang paling penting dan paling mahal dari suatu heater. Umumnya terdiri atas deretan tubes yang dihubungkan secara seri satu sama lain dengan sambungan U. Minyak yang dipanaskan mengalir didalam tubes, masuk ke heater melalui seksi konveksi, dan terus menuju ruang pembakaran pada seksi radiasi, kemudian keluar. Heater yang beroperasi pada temperatur tinggi dengan memanaskan minyak berat, mudah terbentuk cokes dibagian dalam tubes Pada periode tertentu cokes ini harus dibersihkan, bila tidak akan menghambat heat transfer dan bisa mengakibatkan overheating, bulging dan
5
bahkan tube split. Cleaning bisa dengan cara SAD atau bila konstruksinya memakai “Plug type header” dengan cara mechanical (turbine cleaning). E. Burner
Fungsi burner untuk melaksanakan pembakaran bahan bakar yang berfase gas dengan udara, yang keduanya harus bercampur dengan baik (homogeen) pada jumlah tertentu; sehingga reaksi pembakaran terjadi dengan baik. Bila bahan bakar berbentuk cair, maka terlebih dulu harus dikabutkan dan dipanaskan sehingga dapat terjadi kontak permukaan maksimal dengan udara dan mudah terbakar. Faktor yang perlu diperhatikan dalam memilih burner: - Kemampuan menangani semua macam grade fuel (liquid) - Keamanan penyalaan dan kemudahan perawatan. - Kemudahan dan kesinambungan pengaturan laju pengapian diantara laju minimum dan maksimum (turndown ratio) - Pattern nyala api untuk semua bahan bakar dan laju pengapian dapat diperkirakan dengan baik.
Sesuai dengan bahan bakarnya, ada 3 jenis burner, yaitu : Burner untuk bahan bakar gas, burner untuk bahan bakar minyak dan untuk kombinasi (dual system). F. Peep Hole (Lubang Pengintai)
Terdapat pada dinding ruang pembakaran untuk mengamati keadaan diruang pembakaran, seperti : nyala api, warna pipa pemanas, dan warna batu tahan api. Peep hole dilengkapi dengan penutup dari baja, dan harus selalu tertutup setelah digunakan. Jumlah peep hole tergantung dari ukuran dan tipe heaternya, yang penting semua titik bisa diamati dari peep hole ini. G. Explosion Doors
Terletak pada dinding heater; fungsinya adalah apabila terjadi tekanan tinggi diruang pembakaran (akibat dari pembakaran yang tidak normal), jendela ini akan membuka dengan sendirinya oleh tekanan tersebut.
6
H. Koneksi Steam
Heater dilengkapi dengan koneksi steam hampir pada seluruh bagian bagiannya yang berfungsi untuk keselamatan. Steam untuk mencegah terjadinya kebakaran bila terjadi kebocoran di header box atau mematikan api bila sudah terjadi kebocoran ditempat tersebut. Snffing steam, yaitu koneksi steam diruang pembakaran untuk purging sebelum memulai start-up. Maksudnya untuk menghilangkan gas agar tak terjadi explode saat penyalaan api pertama kali.
2.4 Jenis-Jenis Heater Jenis Heater Berdasarkan Fungsinya:
A. Heater untuk memanaskan dan/atau menguapkan charge (misalnya heater untuk distillation charge atau reboiler) Distilasi merupakan proses pemisahan campuran zat berdasarkan perbedaan titik didih. Proses pemisahan berdasarkan titik didih ini memerlukan panas untuk menguapkan salahsatu komponen dari campuran senyawa
yang
akan
dipisahkan.
Reboiler
merupakan
upaya
untuk
memanaskan kembali uap yang telah terkondensasi menjadi cairan agar kembali menguap dan berubahfase menjadi gas. Untuk menguapkan kembali gas yang telah terkondensasi tersebut, diperlukan alat pemanas untuk meningkatkan temperature dari gas yang terkondensasi seingga kembali menguap . B. Heater untuk memberikan panas reaksi pada feed reactor Heater jenis ini digunakan untuk pemanasan pada bahan baku dari sebuah reactor yang akan diolah. Terkadang sebuah reactor memiliki temperature yang tinggi karena reaksi dari feed hanya dapat berlangsung pada temperature yang tinggi, sehingga feed perlu dipanaskan sebelum masuk reactor. C. Heater untuk memanaskan material yang akan diubah bentuk fisiknya. Heater jenis ini digunakan untuk memanaskan material dengan tujuan untuk mengubah bentuk fisik dari material tersebut. Seperti untuk penguapan air pada evaporator.
7
Jenis Heater Berdasarkan Bentuknya:
A. Vertical Heater Terdiri dari cylindrical vertical steel box yang ditempatkan diatas pondasi. Bagian dalam dibuat tahan api dengan concrete, bagian luarnya dibuat setinggi 7 ft dari lantai, untuk memberikan ruang bekerja bagi operator. Bagian dalam cylindrical steel box dilapisi refractories. Pada Fire Box terdapat Radiant tube yang satu dengan lainnya disambungkan dengan 180
o
short return bend pada bagian atas dan bawah tube, deretan tube
disupport dengan high alloy tube support. Burner dan castable muffle blocks terletak pada lantai heater. Snuffing atau purge steam heater terpasang dibagian bawah heater. Saluran outlet pipa proses ke luar melalui bottom heater dan inlet dari atap heater. Roof juga berfungsi sebagai support seksi konveksi yang biasanya dalam bentuk horizontal tube. Daerah konveksi dan stack juga diinsulasi dengan concrete. (Lihat gambar 5, 6 dan 7) Pada stack dipasang stack damper, termokople, sambungan pengambilan contoh flue gas dan draft gauge connection yg gunanya utk mengukur tekanan didalam stack.
8
Tekanan didalam stack harus negatif, agar supaya Flue gas dapat keluar dengan baik. Vertical Heater banyak digunakan karena ukurannya memang tidak terlalu besar. Dapat berupa single pass, dimana aliran fluida masuk dari satu inlet, mengalir melalui fire box, turun naik pada vertical tube dan keluar melalui bottom. Dapat juga berupa multi pass dengan beberapa inlet masuk ke seksi konveksi dan cross over ke seksi radiant dengan beberapa outlet ke bottom. Aliran proses masuk dari bagian atas heater dari seksi konveksi dan dipanasi mula mula oleh flue gas sebelum keluar melalui stack, kemudian dialirkan keseksi radiasi dan dipanasi sesuai dengan temperatur yang diperlukan oleh proses kemudian keluar meninggalkan heater. Bentuk bahan bakar yang digunakan dapat berupa gas maupun liquid. Convection section digunakan untuk memanfaatkan panas flue gas sebelum dibuang keluar melalui stack. Baris pertama deretan tube diseksi konveksi disebut juga shock tube, karena tubes ini langsung kena panas nyala api burner; bentuk tube nya dapat berupa extended tube, yaitu studded tube atau finned tube, tergantung dari jenis bahan bakar yang digunakan. Umumnya tube ini tersusun secara horizontal dan disupport oleh tube sheet pada masing masing ujung tube, sekeliling tube dibungkus oleh header box. Temperatur dari Convection section pada umumnya dibatasi tidak lebih 9
dari 1450 oF atau 787 oC Temperatur stack dioperasikan diatas 260 oC agar tidak terbentuk kondensat, karena bila flue gas mengandung sulfur dan terjadi kondensat maka sifatnya akan korosip. Bila dilihat dari atas, potongan radiant section pada gambar, terlihat short radius bend, sambungan antara tube satu dengan lainnya. Inlet tube proses line langsung masuk atau melalui seksi konveksi dulu baru keseksi radiasi dan keluarb dari bagian bottom heater. Dapat dilihat arah aliran yang turun naik dari satu tube ke tube yang lainnya sampai keluar dari bottom heater. Dapat juga dilihat access door, bentuk simetris burner dan juga lokasi dari peep hole.
B. Box Type Heater
Lihat gambar di atas Bentuknya berupa box, sering juga disebut tipe Kabin, umumnya digunakan untuk Crude Distilation Unit dan Vaccuum Unit. Tube pada daerah seksi radiasi tersusun horisontal sepanjang vertikal wall, burner terletak pada kedua sisi heater. Kadang kadang ditengah fire box juga terdapat center wall yang terbuat dari fire brick. Pada heater jenis ini sangat kecil kemugkinannya terjadi jilatan api (flame impingement) Tube tube yang horisontal disupport dibagian bawahnya dan sewaktu tube berekspansi, akan ber-gerak diatas support ini. Tube support akan menerima panas yang sangat tinggi, karena itu dibuat lah dari material yang tahan temperatur tinggi yaitu High Chrome content alloy dengan 25% Cr.
10
C. Visbreaker Charge Heater Merupakan Box type, hanya saja burnernya terletak pada lantai heater. Biasanya terdiri dari satu pass.; tapi ada juga yang terdiri dari beberapa pass. Lihat gambar 10 & 11. Seksi radiasi terdiri dari Hip section dan Wall Tube section. Shock tube ditempatkan dekat dengan breeching stack dan biasanya heater ini tidak mempunyai seksi konveksi. Heater ini dilengkapi juga dengan snuffing steam, stack damper, draft gauge, temperatur indikator dan thermocouple. Karena burner berada dibawah heater maka lantai heater didesain setinggi lebih kurang 7 feet dari lantai dasar. Visbreaker biasanya dioperasikan untuk temperatur tinggi dan digunakan untuk thermally crack heavy oil, biasanya temperatur operasi sekitar 930 oF.
D. High Pressure Box Heater Digunakan sebagai Reformer charge heater dan Hydrocracking unit Reactor Charge Heater, beroperasi pada tekanan dan temperatur tinggi yaitu 2200 psig dan 700 oF. Tube tergantung pada atap heater, vertikal ke lantai. Burner terletak dilantai heater, yang besar ditengah dan yang kecil dipinggir. Heater jenis ini, insulating refractoriesnya menggunakan high duty fire brick.
2.5 Jenis Bahan Bakar yang Digunakan untuk Heater
A. Bahan Bakar Cair Biasanya adalah jenis minyak berat (heavy oil) yang didapatkan dari produk refinery itu sendiri. Oleh karena berupa minyak berat, maka sangat kental sehingga sebelum proses pembakaran dilakukan bahan bakar cair tsb. Perlu dipanasi dan diatomisasi terlebih dahulu agar dapat bercampur secara baik dengan oksigen dan terbakar sempurna. Untuk atomizing bahan bakar cair ini biasanya digunakan steam. Semburan steam dan panas dari steam akan mengkabutkan bahan bakar cair yang kental tsb. Dan dengan mudah akan bercampur oksigen dari udara dan dibakar oleh api dari pilot. Kejelekan bahan bakar cair yaitu bila tidak terbakar dengan sempurna, sisanya akan melekat pada dinding, lantai dan tube dalam bentuk jelaga, akan menghambat proses heat transfer.
11
B. Bahan Bakar Gas Berasal dari produk refinery atau dapat juga dari gas alam. BBG pada umumnya dengan mudah dapat bercampur dengan udara sehingga mudah terbakar dengan sempurna. Selain itu BBG mempunyai density dan BTU yang tetap sehingga dapat memberikan panas yg tetap pada media proses. BBG yg cukup baik adalah LPG, campuran butana dengan propana, tetapi relatip mahal. BBG umumnya tidak menimbulkan nyala terang, sedangkan bahan bakar cair yg terbakar menimbulkan nyala beberapa tingkat lebih terang; tergantung desain dari burner yang berfungsi memperbaiki atomisasi dan pencampuran udara yg digunakan. Serbuk batu bara yg dibakar dapat menghasilkan tingkat nyala api yg lebih terang. Perbedaaan sifat pada bentuk nyala api atau panas yg dihasilkan dari pembakaran yg konvensional dari beberapa macam bahan bakar membedakan beberapa macam bahan bakar minyak, gas atau batu bara. Pemanasan dari pembakaran gas yg tidak menimbulkan nyala api yg terang menghasilkan panas yg merata atau tidak banyak menimbulkan variasi temperatur didalam heater. Tidak ada nyala api yang terang meradiasi kearah pipa pipa dan dinding refractory, satu satunya sumber panasnya adalah dari produk combustion sendiri yang diperkirakan menghasilkan temperatur yg merata. Panas yg dihasilkan oleh pembakaran bahan bakar, dipindahkan dengan 3 cara, yaitu: - Radiation - Convection - Conduction.
Radiasi:
Adalah perpindahan panas cahaya api . Bila tube menerima panas dari nyala api burner, maka panas tsb dinyatakan ditransfer dengan radiasi dan tubenya disebut radiation tube. Panas yang ditransfer didalam fire box radiation section adalah sebesar 60% - 70%.
12
Konveksi:
Panas yang ditransfer secara konveksi didapatkan dari panas yang dikandung oleh flue gas, yang dialirkan dari fire box sebelum keluar dari stack. Persinggungan antara flue gas dan dinding tube akan menyebabkan terjadinya perpindahan panas. Tube yang menerima panas secara konveksi ini disebut convection tube. Konduksi:
Perpindahan panas secara konduksi merupakan proses perpindahan panas antara tube dengan aliran fluida yang ada didalamnya.
2.6 Contoh Soal
Dalam Waktu 3.9 Jam Heat Pump mampu memanaskan sebanyak 2000 Liter yang akan mensuply untuk 96 tamu (Occupancy100%) dari air baku 26 – 55 Derajat. Dalam hal ini Penggunaan air panas dalam waktu yang bersamaan adalah 32 Orang, Ketika air panas dikeluarkan maka akan ada air dingin yang masuk ke dalam tangki, namun tidak langsung bercampur dengan air panas, karena inlet air dingin berada dibawah sedangkan air panas berada diatas dan air dingin yang masuk tadi langsung mengalami pemanasan ke unit Heat Pump. Sehingga Air Panas Selalu Terjaga.
13
COMPARATIVE
STUDY
Penggunaan
Masing-Masing
Energy
14
COMPARATIVE
STUDY
Perhitungan
Biaya
Operational
15
COMPARATIVE STUDY Grafik Operational Cost Per Tahun
16
Dari Grafik tersebut dapat dilihat perbedaan biaya operational yang cukup signifikan terhadap penggunaan beberapa energi alternatif, diantaranya Unit Heat Pump yang dalam hal ini memiliki operational cost paling rendah.
17
BAB III PENUTUP
3.1 Kesimpulan
Heater merupakan salah satu jenis dari Heat Exchanger yang berfungsi untuk memanaskan.
Heater adalah objek yang dapat memancarkan panas atau dapat menyebabkan benda lainnya mengalami kenaikan suhu dari suhu yang rendah untuk mencapai suhu yang lebih tinggi.
Perpindahan panas dalam suatu Heater terjadi dengan cara radiasi dan konveksi pada permukaan pipa pipanya.
Komponen penyusun heater terdiri dari Cerobong/Stack, Soot Blower, Dinding Heater dan Insulation, Tubes, Burner, Peep Hole (Lubang Pengintai), Explosion Doors, dan Koneksi Steam.
Jenis heater dapat dibagi berdasarkan fungsi dan bentuknya.
3.2 Saran
Sebaiknya dilakukan penambahan materi mengenai Gasifikasi agar lebih lengkap dan mudah untuk dipahami.
18
DAFTAR PUSTAKA
http://wegedengineer.blogspot.co.id/search?q=heater
https://www.scribd.com/document/239615817/HEATER
https://id.scribd.com/doc/212672121/Perbedaan-Heater-Dan-Heat-Exchanger
https://id.scribd.com/doc/139115205/Heater
http://foxtankcompany.com/emulsion-heater-treaters-vertical-heater-treater schematic/
http://www.area4.info/Area4%20Informations/HEATER-4.htm
19
