UTILITAS PENYEDIAAN STEAM DALAM INDUSTRI KIMIA
Disusun Oleh: Andika Eko
21030113140179
Aribella Samudra Pamungkas
21030114130189
Naufa Helmi
21030114120016
Arlunanda Adhiartha
21030113130175
Bilal Teguh Prabowo
21030113130158 21030113130158
Dea Endahyun
21030113120020
Erna Listyaningrum Listyanin grum
21030112140188
Farel Abdala Shiddiq
21030113130195 21030113130195
Hepta Rusdi
21030113120042 21030113120042
Muhammad Nastabiq
21030113140154
Tantik Esti Rahayu
21030113120087 21030113120087
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG 2015
PRAKATA
Dipanjatkan puji syukur ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan segala rahmat dan karunia-Nya sehingga tugas mata kuliah utilitas dengan judul “Penyediaan Steam Dalam Industri Kimia” Kimia” ini ini berhasil diselesaikan. Dalam penyusunan tugas ini tidak terlepas dari bantuan pihak-pihak lain. Oleh karena itu, dalam kesempatan ini diucapkan terima kasih kepada : Ir. Slamet Priyanto, M.S. selaku dosen pengampu mata kuliah utilitas, Orang tua dan keluarga kami yang selalu memberikan dukungan kepada kami, serta semua pihak yang telah membantu penyelesaian tugas ini. Akhirnya, disadari bahwa tugas ini masih jauh dari kata sempurna. Oleh karena itu diharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi sempurnanya tugas ini. Semoga tugas ini dapat memberikan manfaat bagi peneliti dan para pembaca dalam pengembangan ilmu pengetahuan.
Semarang, 25 April 2016
Penulis
ii
BAB I PENDAHULUAN
I.1.
Latar Belakang
Steam
ditinjau secara
molekuler adalah H2O yang mengalami pemanasan
hingga titik didihnya sehingga mengalami perubahan fase. 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 (UNEP, 2006) . Air
memiliki
panas
kondensasi
yang
besar
sekali
sehingga
sangat
menguntungkan jika digunakan sebagai media pemanas, tidak mudah terbakar, dan tidak beracun. Steam dapat mengakibatkan luka bakar yang parah terutama bila seluruh panas kondensasi dibebaskan di atas kulit. Oleh karena itu, saluran-saluran yang dialiri steam tidak boleh dimanipulasi sebelum saluran dibebaskan dari tekanan dan didinginkan. Steam yang umum dijumpai dalam industri kimia dibedakan menjadi 2 jenis. Yang pertama adalah saturated steam yang terbentuk ketika air diberi panas sensible hingga mencapai titik didih. Ketika titik didih air tercapai, suhu air akan terus meningkat dan mencapai titik konstan hingga semua air berubah fase menjadi uap. Selama masih terdapat air dalam fase cair dalam sistem, suhu steam akan sama dengan suhu air dalam fase cair tersebut. Yang kedua adalah superheated steam, dimana ketika seluruh air berubah fase menjadi uap, terdapat penambahan kalor yang dapat meningkatkan suhu steam tersebut. Dengan kata lain, steam yang dipanaskan melebihi tingkatan saturated steam disebut dengan superheated steam. Saturated steam lebih banyak digunakan dalam industri sebagai media pemanas, memasak, pengeringan, dan lain sebagainya. Sedangkan superheated steam hanya digunakan sebagai penggerak turbin. 3
Steam dihasilkan oleh pembangkit steam di dalam ketel uap/ steam dengan mengunakan bahan bakar batu bara, minyak pemanas, atau listrik. Steam ini dibuat dari air yang telah dihilangkan seluruh garam- garam dan gasnya (air umpan ketel). Di sini terbentuk steam pada temperatur yang sesuai dengan tekanan di dalam ketel. Steam yang terbentuk dipanaskan kembali oleh gas buang sehingga kehilangan panas pada saat transportasi ke tempat pemakaian tidak segera menyebabkan terjadinya kondensasi. Setelah tekanan tinggi direduksi di dalam turbin uap, dan air diinjeksikan ke dalam steam berkalor lebih, steam tersebut kemudian dialirkan ke konsumen melalui saluran-saluran yang terisolasi dengan baik. Di tempat pemakaian, yang dibutuhkan terutama ialah panas kondensasinya. Karena steam tidak dapat disimpan, maka kelebihan steam akan diubah menjadi air panas atau air hangat. Media pemanas berupa steam sering digunakan dikarenakan dapat diatur dengan mudah. Pemanasan dapat dilakukan dengan mengalirkan steam langsung ke bahan yang akan dipanaskan. Temperatur pemanasan maksimal yang dapat dicapai pada peralatan yang menggunakan ventilasi adalah 100 oC. Cara ini hanya dapat digunakan bila air maupun penambahan volume tidak mengganggu sistem. Panggunaan steam dapat dilakukan secara tidak langsung, misalnya dalam alat penukar panas. Temperatur yang dapat dicapai secara teoritis sama dengan temperatur kondensasi steam. Menurut United National Environment 2006, 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: (UNEP, 2006) A. Steam efisien dan ekonomis untuk dihasilkan B. Steam dapat dengan mudah dan murah untuk didistribusikan ke titik penggunaan C. Steam mudah dikendalikan D. Energinya mudah ditransfer ke proses E. Plant steam yang modern mudah untuk dikendalikan 4
F. Steam bersifat fleksibel
I.2.
I.3.
Rumusan Masalah
Bagaimana proses pembentukan steam
Apa saja faktor – faktor yang mempengaruhi kualitas steam
Apa saja kegunaan steam dalam pabrik
Bagaimana merancang steam dalam industri
Tujuan
Mengetahui proses pembetukan steam
Mengetahui factor – factor yang mempengaruhi kualitas steam
Mengetahui kegunaan dan manfaat steam dalam pabrik
Mempelajari proses perancangan steam
5
BAB II PERMASALAHAN
II.1. Steam
Steam berbahan dasar air (H2O) yang molekulnya tersusun dari hidrogen dan oksigen. Hal yang perlu diperhatikan dalam pembuatan steam ialah suhu dan tekanan dimana 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 1).
Gambar 2.1. Kurva Steam Jenuh (Sumber: UNEP, 2006) 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.
Perubahan fase air menjadi steam ditunjukkan dalam diagram fase berikut ini:
Gambar 2.2. Diagram Fase Entalpi Suhu (Sumber: UNEP, 2006) 6
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 persen 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. Di atas titik kritis hanya gas yang mungkin ada. Keadaan gas merupakan keadaan yang paling terdifusi dimana molekulnya hampir memiliki gerakan yang tidak dibatasi, dan volumnya 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°C dan tekanan steam 221,2 bar. Diatas tekanan ini steam disebut superkritis dan tidak ada titik didih yang dapat diterapkan. II.2. Masalah-Masalah pada Boiler
Suatu boiler atau pembangkit uap yang dioperasikan tanpa kondisi air yang baik, cepat atau lambat akan menimbulkan masalah-masalah yang berkaitan dengan kinerja dan kualitas dari sistem pembangkit uap. Banyak masalah-masalah yang ditimbulkan akibat dari kurangnya penanganan dan perhatian khusus terhadap penggunaan air umpan boiler.
7
Akibat dari kurangnya penanganan terhadap air umpan boiler akan menimbulkan masalah-masalah sebagai berikut: 1. Pembentukan Kerak Terbentuk kerak pada dinding boiler terjadi akibat adanya mineral-mineral pembentukan kerak, misalnya ion-ion kesadahan seperti Ca2+ dan Mg2+ dan akibat pengaruh gas penguapan. Diamping itu pula dapat disebabkan oleh mekanisme pemekatan didalam boiler karena adanya pemanasan. Jenis-jenis kerak yang umum dalam boiler adalah kalsium sulfat, senyawa silikat dan karbonat. Zat-zat dapat membentuk kerak yang keras dan padat sehingga bila lama penanganannya akan sulit sekali untuk dihilangkan. Silika diendapkan bersama dengan kalsium dan magnesium sehingga membuat kerak semakin keras dan semakin sulit untuk dihilangkan. Kerak yang menyelimuti permukaan boiler berpengaruh terhadap perpindahan panas permukaan dan menunjukkan dua akibat utama yaitu berkurangnya panas yang dipindahkan dari dapur ke air yang mengakibatkan
meningkatkan
temperatur
disekitar
dapur,
dan
menurunnya efisiensi boiler 2. Peristiwa Korosi Korosi dapat disebabkan oleh oksigen dan karbon dioksida yang terdapat dalam uap yang terkondensasi. Korosi merupakan peristiwa logam kembali kebentuk asalnya di alam misalnya besi menjadi oksida besi, alumunium dan lain-lain. Peristiwa korosi dapat terjadi disebabkan oleh: - Gas-gas yang bersifat korosif seperti O 2, CO2, H2S - Kerak dan deposit - Perbedaan logam (korosi galvanis) - pH yang terlalu rendah dan lain-lain Jenis korosi yang dijumpai pada boiler dan sistem uap adalah general corrosion, pitting (terbentuknya lubang) dan embrittlement (peretakan baja). Adanya gas yang terlarut, oksigen dan karbon dioksida pada air umpan boiler adalah penyebab utama general corrosion dan
8
pitting corrosion (tipe oksigen elektro kimia dan diffrensial). Kelarutan gas-gas
ini
di
dalam
air
umpan
boiler
menurun
9
jika suhu naik. Kebanyakan oksigen akan memisah pada ruang uap, tetapi sejumlah kecil residu akan tertinggal dalam larutan atau terperangkap pada kantong-kantong atau dibawah deposit, hal ini dapat menyebabkan korosi pada logam-logam boiler. Karena itu pentinguntuk melakukan proses deoksigenasi air boiler. Jumlah rata-rata korosi atau serangan elektrokimia akan naik jika nilai pH air menurun. Selain itu air umpan boiler akan dikondisikan secara kimia mencapai nilai pH yang relatif tinggi. Bentuk korosi yang tidak umum tetapi berbahaya adalah bentuk korosi embrittlement atau keretakan inter kristalin pada baja yang terjadi jika berada pada tekanan yang tinggi dan lingkungan kimia yang tidak sesuai.
Caustic
embrittlement atau keratakan inter kristalin pada baja yang terjadi jika berada pada tekanan yang tinggi dan lingkungan kimia yang tidak sesuai. Caustic embrittlement terjadi pada sambungan penyumbat dan meluas pada ujung tabung dimana celah memungkinkan perkembangan suatu lingkungan caustic yang terkonsentrasi. 3. Pembentukan Deposit Deposit merupakan peristiwa penggumpalan zat dalam air umpan boiler yang disebabkan oleh adanya zat padat tersuspensi misalnya oksida besi, oksida tembaga dan lain-lain. Peristiwa ini dapat juga disebabkan oleh kontaminsi uap dari produk hasil proses produksi. Sumber deposit didalam air seperti garam-garam yang terlarut dan zatzat yang tersuspensi didalam air umpan boiler. Pemanasan dan dengan adanya
zat
tersuspensi
dalam
air
pada
boiler
menyebabkan
mengendapnya sejumlah muatan yang menurunkan daya kelarutan, jika temperaturnya dinaikkan. Hal ini menjelaskan mengapa kerak dan sludge (lumpur) terbentuk. Kerak merupakan bentuk deposit-deposit yang tetap berada pada permukaan boiler sedangkan sludge merupakan bentuk deposit-deposit yang tidak menetap atau deposit lunak. 4. Terbawanya Uap (Steam Carryover ) Ketika air boiler mengandung garam terlarut dan zat tersuspensi dengan konsentrasi yang tinggi, ada kecendrungan baginya untuk
7
membentuk busa secara berlebihan sehingga dapat menyebabkan steam carryover zat-zat padat dan cairan pengotor kedalam uap. Steam
8
carryover terjadi jika mineral-mineral dari boiler ikut keluar bersama dengan uap ke alat-alat seperti superheater, turbin, dan lain-lain. Kontaminasi-kontaminasi ini dapat diendapkan kembali pada sistem uap atau zat-zat itu akan mengontaminasi proses atau material-material yang diperlukan
steam.
9
BAB III PEMBAHASAN MASALAH
III.1. Boiler
Boiler merupakan bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air proses atau steam. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Boiler mengubah energi-energi kimia menjadi bentuk energi yang lain untuk menghasilkan kerja. Boiler dirancang untuk melakukan atau memindahkan kalor dari suatu sumber pembakaran, yang biasanya berupa pembakaran bahanbakar. Faktor yang mendasari pemilihan jenis boiler adalah sebagai berikut: a. Kapasitas yang digunakan b. Kondisi uap yang dibutuhkan c. Bahan bakar yang dibutuhkan d. Konstruksi yang sederhana III.1.1. Sumber Penyediaan Air Umpan Boiler
Air yang digunakan pada air umpan boiler diperoleh dari air sungai, air waduk, sumur bor dan sumber mata air lainnya. Kualitas air tersebut tidak sama walaupun menggunakan sumber air sejenis, hal ini dipengaruhi oleh lingkungan asal air tersebut. Oleh karena itu untuk dapat digunakan sebagai air umpan boiler maka air baku dari sumber air harus dilakukan pengolahan terlebih dahulu yang bertujuan untuk menghilangkan unsur-unsur atau padatan yang terkandung didalam air baik dalam bentuk tersuspensi, terlarut, ataupun koloid yang dapat menyebabkan terjadinya kerak, korosi dan pembusaan dalam boiler. Disamping itu senyawa organik dapat menyebabkan berbagai masalah dalam operasi boiler. Kualitas air umpan boiler juga dipengaruhi oleh kondisi operasi boiler, dimana semakin tinggi tekanan dan temperature operasi maka semakin murni kualitas air umpan yang diperlukan. Batasan terhadap nilai parameter-parameter penting untuk air umpan boiler, sering ditentukan oleh pihak pembuat alat, atau dapat mengacu pada criteria dari
badan-badan
International
seperti
ASME
dan
ABMA. 10
III.1.2. Uap (Steam)
Uap air adalah sejenis fluida yang merupakan fase gas dari air, bila mengalami pemanasan sampai temperatur didih dibawah tekanan tertentu. Uap air tidak berwarna, bahkan tidak terlihat bila dalam keadaan murni kering. Uap air dipakai pertama sekali sebagai fluida kerja adalah oleh James Watt yang terkenal sebagai penemu Mesin Uap Torak. Uap air tidak mengikuti hukum-hukum gas sempurna, sampai dia benar benar kering (kadar uap 100%). Bila uap adi kering dipanaskan lebih lanjut maka dia menjadi uap adi panas (panas lanjut) dan selanjutnya dapat dianggap sebagai gas sempurna. Uap air terbentuk dalam tiga jenis, yaitu: 1. Uap saturasi basah (X < 1) 2. Uap saturasi kering (X = 1) 3. Uap adi panas Sebagaimana kita ketahui bahwa pada pemanasan air dan penguapan berlangsung pada tekanan tetap. Begitu pula pada pemanasan lanjut uap berlangsung pada tekanan tetap. Entropi uap pada tekanan tetap, terdiri dari: 1. Kenaikan entropi air selama pemanasannya dari titik lebur sampai ke titik didih dibawah tekanan tertentu 2. Kenaikan entropi selama peristiwa penguapan 3. Kenaikan entropi selama pemanasan lanjut Diagram entropi-temperatur (diagram T-S) sangat berguna untuk menyelesaikan soal-soal ekspansi secara adiabatis. Absis dari diagram menunjukkan entropi dari fluida (air atau uap), di atas titik air, sedang ordinatnya menyatakan temperatur fluida. Dalam gambar grafik ABCD menggambarkan pemanasan 1 kg air dari titik cair (0OC) sampai suhu adi panas (tsup OC) pada tekanan tetap (constant). Grafik AB menggambarkan pemanasan air sampai temperatur saturasi (tsup OC). Kenaikan entropi : Sw kkal/kgOC
diukur
sepanjang
garis
AB(Effendi,
2013).
11
Gambar 3.1. Diagram Suhu-Entropi untuk Air dan Uap (Sumber: Effendi, 2013) III. 2. Proses Kerja Boiler Prinsip kerja dari boiler (Saturated steam) bisa dilihat pada gambar di bawah ini.
Berikut adalah penjelasan kerja boiler ditiap bagiannya :
Economizer Air Umpan setelah melalui proses pretreatment di softener atau air condensate dipompakan ke economizer. Di economizer terjadi pemanasan awal secara perlahan sebelum mencapai sistem berikutnya yang memanfaatkan panas buang di chimney. Pemanasan awal dimaksudkan untuk meningkatkan efisiensi dari boiler. Steam drum
12
Dari economizer, air kemudian disupply ke steam drum melalui pipa. Diawal proses, saat steam (uap air) belum mencapai saturated steam, maka separator (pemisah) didalam steam drum akan melakukan bypass dan membiarkan air turun ke tahap selanjutnya. Downcomer Downcomer yang berbentuk pipa mengalirkan air ke bagian terbawah dari sistem selanjutnya melalui lower connecting pipes. Furnace Selanjutnya air dari downcomer akan masuk ke furnace bagian paling bawah dan ditampung didalam bottom header yang kemudian karena sistem pembakaran batu bara, oil dan limestone didalam furnace, perlahan-lahan akan berubah bentuk menjadi uap basah. Sesuai dengan sifatnya, uap akan merambat keatas dengan sendirinya didalam tube (karena proses pemanasan yang konstan didalam boiler). Uap air tersebut ditampung didalam upper header (outlet header) pada bagian atas furnace. Disinilah terjadinya sistem konversi energy. Setelah itu uap akan kembali disupply ke steam drum melalui upper connecting pipes, dan, kembali oleh separatornya, uap tersebut disupply kembali dari steam drum menuju sistem berikutnya. Superheater Disini terdapat beberapa kali backpass (umpan balik) steam dari low temperature superheater ke medium temperature superheater lalu disupply ke steam drum, lalu kembali ke high temperature superheater / final superheater. Di high / final termperature superheater inilah proses terakhir steam setelah melalui pemanasan berulang-ulang kali di dalam low dan medium superheater. Main Steam Pipe Inilah pipa terpenting dalam proses power plant, dikarenakan pipa ini yang nantinya akan mensuplai superheated steam ke turbin. Material, kawat las dan test nya pun (Non Destructive Test) tergolong istimewa karena membutuhkan perlakuan khusus dan tim khusus untuk mengerjakannya. Disinilah temperatur dan pressure tertinggi di boiler berada.
Selain itu boilerpun memilik 3 sistem, yaitu :
Sistem Air umpan
Air umpan adalah air yang disuplai ke boiler untuk dirubah menjadi steam. Sedangkan sistem air umpan adalah sistem penyediaan air secara otomatis untuk boiler sesuai dengan kebutuhan steam. Ada dua sumber Air umpan, yaitu: o Kondensat : steam yang telah berubah fasa menjadi air (mengembun) o Air make up : air baku yang sudah diolah Untuk meningkatkan efisiensi boiler air umpan sebelum di suplai ke boiler dipanaskan terlebih dahulu menggunakan limbah panas dari chimney.
Sistem Steam
Sistem steam adalah proses pengontrolan produksi steam dalam boiler, seperti: kapasitas, pressure, dsb. Selanjutnya steam didistribusikan ke pengguna melalui jalur perpipaan.
Sistem Bahan bakar
13
Sistem bahan bakar adalah semua equipment atau peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar boiler. Peralatan yang digunakan tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan boiler. (Aryandriadi,2013)
III.3. Baku Mutu Air Boiler Uap atau steam merupakan gas yang dihasilkan dari proses yang disebut penguapan. Bahan baku yangdigunakan untuk menghasilkan steam adalah air. Secara umum air yang akan digunakan sebagai air umpan boiler adalah air yang tidak mengandung unsur yang dapat menyebabkan terjadinya endapan yang dapat membentuk kerak pada boiler, air yang tidak mengandung unsur yang dapat menyebabkan korosi terhadap boiler. Dengan demikian airini di treatment hingga memenuhi standar karakteristik air umpan boiler. Berikut ini merupakan persyaratan baku mutu air umpan boiler: Tabel 1.1 Baku Mutu Air Umpan Boiler Parameter
Satuan
Ukuran
pH
unit
10,5-11,5
Conductivity
µmhos/cm
5000, max
TDS
ppm
3500, max
P-Alkalinity MAlkalinity
ppm
-
ppm
O-Alkalinity
ppm
800, max 2,5 x SiO2, min
T Hardness
ppm
-
Silika
ppm
150, max
Besi Phospat residual Sulfite residual pH condensate
ppm
2,max
ppm ppm
20-50
unit
8,0-9,0
Di dalam industri kimia, steam merupakan suatu komponen penunjang yang sangat penting. Penggunaan steam dalam industri kimia misalkan sebagai pembangkit tenaga, pemanas, fluida pada jet ejector, dan lain sebagainya. Steam ini dihasilkan dari suatu alat yang dinamakan boiler. Parameter-parameter yang mempengaruhi kualitas air umpan boiler antara lain : 1.Oksigen terlarut; Dalam jumlah yang tinggi dapat menyebabkan korosi pada peralatan boiler. 2.Kekeruhan; Dapat mengendap pada perpipaan dan peralatan proses serta mengganggu proses. 14
3.pH; Bila tidak sesuai dengan standart kualitas air umpan boiler dapat menyebabkan korosi pada peralatan. 4.Kesadahan; Merupakan kandungan ion Ca dan Mg yang dapat menyebabkan kerak pada peralatan dan perpipaan boiler sehingga menimbulkan local overheating. 5.Fe; Fe dapat menyebabkan air berwarna dan mengendap di saluran air dan boiler bila teroksidasi oleh oksigen. 6.Asiditas; Kadar asiditas yang tinggi dapat menyebabkan korosi Pada proses penguapan dalam ketel uap, air menjadi uap. Uap yang dihasilkan adalah air murni dalam fasa uap (H2O) dimana ion-ion yang terkandung dalam air boilernya tidak turut menguap. Sebagai akibatnya, konsentrasi ion-ion yang berada dalam fasa cairnya (air boiler) semakin lama akan semakin tinggi dimana apabila hal ini tidak dikendalikan kenaikan konsentrasi ion-ion tersebut akan menuju bilangan tak terhingga, sehingga konsekuensinya pengerakan pada pipa-pipa boiler tidak akan bisa dihindarkan. Pengendalian ion-ion dalam air boiler tersebut pada sistim boiler dilakukan dengan membuang sebagian dari air boiler secara kontinyu dan disebut sebagai blow-down.Tujuan blow-down adalah untuk menjaga agar ion-ion yang ada dalam air boiler tidak melebihi batasan-batasan yang telah ditentukan. (Anonim,2013) III.4. Pengendalian Mutu Air Umpan Boiler
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Air umpan boiler memiliki standarbaku mutu tertentu. Namun, sumber air baku untuk umpan boiler belum memenuhi standar yang telah ditentukan. Oleh karena itu, dilakuka npengolahan secara eksternal untuk membuang padatan tersuspensi, padatan terlarut (terutama ion kalsium dan magnesium yang merupakan penyebab utama pembentukan kerak) dan gas-gas terlarut (oksigen dan karbondioksida). Proses pengolahan eksternal dilakukan melalui beberapa tahapan sebagai berikut: Koagulasi dan Flokulasi Sedimentasi Filtrasi Demineralisasi Softening Deaerasi
15
Gambar 3.3. Diagram Pengolahan Air Umpan Boiler (Sumber: UNEP, 2006) III.5. Kualitas steam
1. 2. 3.
4.
5.
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 karat atau endapan karbonat) atau kotoran dapat meningkatkan laju erosi pada lengkungan pipa dan orifice kecil dari steam traps dan kran 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.(UNEP,2006)
III.6 Pemanfaatan kembali kondensat
Bila satu kilogram steam mengembun seluruhnya, maka akan terbentuk satu kilogram kondensat pada suhu dan tekanan yang sama. Sistim steam yang efisien akan mengguna ulang kondensat ini. Kegagalan dalam memperoleh kembali dan mengguna ulang kondensat membuat tidak adanya keuntungan secara finansial, teknis atau lingkungan. Steam jenuh yang digunakan untuk pemanasan menyerahkan panas latennya (entalpi penguapan), yang merupakan proporsi yang besar dari panas total yang terkandung didalamnya. Panas tersisa dalam steam tertahan dalam kondensat sebagai panas sensibel (entalpi air) sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 33.
Seperti halnya dengan kandungan pana s, kondensat pada dasarnya merupakan air suling, yang ideal untuk penggunaan air umpan boiler. Suatu sistim 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 16
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% sampai15%, 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. Alasan-alasan untuk pemanfaatan kembali kondensat adalah:
Alasan Keuangan: Kondensat merupakan sumber daya yang be rharga dan bahkan pemanfaatan kembali dalam jumlah kecilpun seringkali secara ekonomis dapat dibenarkan. Pembuangan dari sebuah steam trap tunggal seringkali merupakan pemanfaatan kembali yang berharga. Kondensat yang tidak termanfaatkan kembali harus diganti dalam ruang boiler oleh air make-up dingin dengan biaya tambahan untuk pengolahan air dan bahan bakar untuk memanaskan air dari suhu yang lebih rendah.
Biaya air : Kondensat yang tidak dikembalikan perlu diganti dengan air make-up, sehingga perlu membayar air untuk keperluan.
Larangan terhadap E ffluent : di Inggris contohnya, air bersuhu diatas 43°C berdasarkan hukum yang berlaku tidak boleh dikembalikan ke saluran air kotor, sebab membahayakan bagi lingkungan dan dapat merusak pipa-pipa yang terbuat dari tanah. Kondensat diatas suhu ini harus didinginkan terlebih dahulu sebelum dibuang, dapat mendatangkan biaya energy ekstra. Larangan serupa diterapkan hampir diseluruh negeri, dan dapat dikenakan biaya dan denda oleh pemasok air bagi yang tidak mentaatinya.
Memaksimalkan keluaran boiler : Air umpan boiler yang lebih dingin akan menurunkan laju pembangkitan steam pada boiler. Semakin rendah suhu air umpan, semakin banyak panas dan bahan baker yang dibutuhkan untuk memanaskan air.
K ualitas air umpan boiler : Kondensat merupakan air suling yang hampir tidak mengandung total padatan terlarut (TDS). Boiler perlu di-blowdown untuk mengurangi konsentrasi padatan terlarut dalam air boiler. Mengembalikan lebih banyak kondensat ke tangki umpan akan menurunkan kebutuhan bagi blowdown dan dengan begitu mengurangi hilangnya energy dari boiler. ( UNEP,2006)
III.7. Utilitas Pengguna Steam
17
Berikut beberapa utilitas yang umum dijumpai dalam industri kimia dan menggunakan steam: Boiler Boiler merupakan alat pembuat steam yang umum dijumpai dalam industri kimia, yang berfungsi untuk menyuplai steam menuju alat penukar panas, evaporator, dan reaktor. Boiler terdiri dari tiga sistem, yaitu: sistem air umpan, berfungsi untuk mengontrol air yang disuplai ke dalam boiler untuk diubah menjadi steam. Sistem steam, berfungsi untuk mengontrol produksi steam dalam boiler yang bekerja dengan cara mengalirkan steam melalui sistem perpipaan ke titik pengguna. Sistem bahan bakar, berfungsi untuk menyediakan bahan bakar yang berfungsi sebagai energi penghasil panas yang dibutuhkan oleh boiler . Heat Exchanger Prinsip kerja pada alat penukar panas adalah terdapat dua fluida dengan suhu yang berbeda, dialirkan melalui shell dan tube sehingga pada kedua fluida tersebut terjadi perpindahan panas secara tidak langsung. Adapun steam yang digunakan pada alat penukar panas umumnya berjenis saturated steam, meskipun tidak jarang dijumpai heat exchanger dengan pemanas berupa superheated steam. Evaporator Evaporator merupakan alat yang berfungsi untuk memisahkan solvent dari larutan solute berdasarkan perbedaan titik didih yang dimiliki keduanya, untuk menghasilkan produk yang lebih pekat. Untuk proses pemisahan solvent dari larutan solute, maka dibutuhkan panas (kalor) yang umumnya didapat dari boiler atau furnace. Terdapat beberapa komponen dasar dari sebuah evaporator , yaitu:
Heat exchanger , yang berfungsi untuk menukar panas dari medium pemanas ( steam) ke produk secara tidak langsung. Vacuum, berfungsi untuk menjaga produk tetap pada suhu rendah yang berfungsi untuk mencegah kerusakan kandungan-kandungan dalam produk. Vapour separator , berfungsi untuk mengembalikan padatan dan uap air ke condenser . Condenser , berfungsi untuk mengubah uap air menjadi air dalam fasa liquid dalam heat exchanger .
III.8. Contoh Soal
Sebuah siklus Rankine sederhana ideal bekerja pada temperatur 400 oC dan tekanan 80 bar. Tekanan kondensor 0,1 bar. Aliran massa uap yang masuk ke turbin 100 kg/s. Hitunglah kerja turbin, kerja pompa, kalor masuk, kalor keluar dan efisiensi siklus. daya yang dihasilkan turbin dan daya netto siklus. Jawab
18
Pertama-tama gambarkan skema siklus Rankine sederhana dan lengkapi dengan datadata yang ada di dalam soal
Gambar 7 data dari soal Ditanya : kerja turbin (W t); Kerja pompa (W p), kalor masuk (Qin), kalor keluar (Q out), efisiensi termodinamika (η th), daya turbin (P t) dan daya netto siklus (P nett). Dari tabel sifat-sifat uap panas lanjut di dapat : Entalpi uap masuk ke turbin : h 1 = 3139,4 kJ/kg Entropi uap masuk ke turbin : s 1 = 6,3658 kJ/kg.K Entropi uap keluar turbin sama dengan entropi uap masul turbin (proses ideal atau isentropis) sehingga s1 = s2 = 6,3658 kJ/kg.K Dari tabel uap jenuh, pada tekanan 0,1 bar (10 kPa) didapat : Entalpi fase uap (hg2) = 2583,9 kJ/kg Entalpi fase cair (hf2) = 191,81 kJ/kg Entalpi perubahan fase (hfg2) = 2392,1 kj/kg Entropi fase uap (sg1) = 8,1488 kJ/kg.K Entropi fase cair (sf2) = 0,6492 kJ/kg.K Entropi perubahan fase (sfg2) = 7,4996 kJ/kg.K Fraksi (kadar) uap (X) dapat dihitung : 19
Artinya kadar uap yang keluar dari turbin menuju kondensor adalah 76,22 % atau fluida yang keluar dari turbin 76,22 % uap dan 23.78 % cair. Bagian yang cair ini tidak perlu lagi diembunkan, tetapi 76,22 % uap ini yang harus dibuang kalornya supaya fasenya berubah menjadi cair. Maka energi total yang terkandung di dalam 76,22% uap dapat dihitung :
Maka kerja turbin dapat dihitung yaitu :
Daya turbin adalah :
Kalor yang dibuang oleh kondensor :
h2 adalah entalpi uap yang masuk ke kondensor = 2015,07 kJ/kg h3 adalah entalpi air yang keluar dari kondensor = 191,81 kJ/kg maka kalor yang dibuang oleh kondensor adalah :
Daya kondensor yang dibutuhkan untuk membuang kalor tersebut adalah :
20
Kerja pompa dapat dihitung dengan rumus :
= volume jenis air pada tekanan 0,1 bar = 0,00101 m 3/kg p4 = tekanan air keluar pompa = tekanan boiler (proses ideal tidak ada rugi-rugi tekanan) maka p4 = p1 = 80 bar = 8 Mpa. p3 = tekanan air masuk pompa = tekanan air keluar kondensor, untuk proses ideal tidak ada rugi-rugi tekanan sehingga p 3 = 0,1 bar = 10 kPa maka kerja pompa :
8.000-10
8,0699
Bila aliran massa air yang dipompa 100 kg/s maka daya yang diperlukan oleh pompa adalah:
8,0699
806,99
Daya netto siklus :
806,99
111537,31 kW = 111,537 MW
Kalor yang masuk ke sistem (q in) dapat dihitung :
h1 = entalpi uap panas lanjut keluar dari boiler = 3139,4 kJ/kg h4 = entalpi air keluar pompa yang besarnya = entalpi air masuk pompa + kerja pompa, maka h4 = 191,81 + 8,0699 = 199,8799 kJ/kg maka kalor yang masuk ke sistem adalah :
21
199,8
=2939,5
Daya yang dihasilkan Boiler : P B = 2939,5 kJ/kg x 100 kg/s = 293.950 kW = 293,95 MW Efisiensi termodinamika siklus adalah :
8 0699 2939 5
Dari hasil perhitungan dapat dilihat hanya 37,37 % dari daya yang diberikan ke dalam boiler yang dapat diubah menjadi energi mekanis, sisanya hilang atau dibuang ke alam melalui kondensor dan ada sebagian kecil yang digunakan untuk mengerakan pompa.
22
BAB IV PENUTUP
IV.1. Kesimpulan 1. Boiler merupakan bejana tertutup di mana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air proses atau steam. Media yang digunakan adalah air untuk mengalirkan panas ke suatu proses karena murah. 2. Faktor yang mendasari pemilihan jenis boiler adalah sebagai berikut, kapasitas yang digunakan, kondisi uap yang dibutuhkan, bahan bakar yang dibutuhkan, dan konstruksi yang sederhana. 3. Uap air adalah sejenis fluida yang merupakan fase gas dari air, bila mengalami pemanasan sampai temperatur didih dibawah tekanan tertentu. Uap air tidak berwarna, bahkan tidak terlihat bila dalam keadaan murni kering. Uap air dipakai pertama sekali sebagai fluida kerja adalah oleh James Watt yang terkenal sebagai penemu Mesin Uap Torak. 5. Untuk memenuhi baku mutu air umpan boiler maka harus ada pengendaliaannya, maka dilakukan pengolahan secara external yang meliputi diantaranya adalah, koagulasi dan flokulasi; sedimentasi; filtrasi; demineralisasi; softening; dan deaerasi. 6. Berbagai permasalahan dapat terjadi pada boiler yang disebabkan oleh perlakuan air umpan boiler yang tidak memenuhi persyaratan, untuk pemeliharaannya dapat dilakukan dengan proses commisioning awal; operasi pada keadaan normal dan emergency; pengawasan dan perawatan; dan ruangan ketel. IV.2. Saran 1. Perlunya beberapa pertimbangan dalam pemilihan boiler. 2. Selain diadakan pengolahan eksternal, untuk menjaga agar boiler tidak cepat rusak, serta tidak terbentuk fouling, scaling, dan sebagainya, maka diperlukan pengolahan lebih lanjut; pengolahan internal. 3. Pada umumnya, diperlukan pembersihan secara rutin pada alat penukar panas untuk mengoptimalkan proses perpindahan panas yang terjadi.
23
DAFTAR PUSTAKA
Aryandriadi,2013.Prinsip Kerja Boiler Ketel Uap. http://aryandriadi.com/2013/01/prinsipkerja-boiler-ketel-uap.html. diakses pada tanggal 11 November 2015 Anonim. 2013. Air Umpan Boiler. http://phantom-alchemist.com/2013/02/air-umpan boiler.html . diakses pada tanggal 11 November 2015 Djukarna.2015. Siklus Renkine. djukarna.wordpress.com/termodinamika/siklus-rankine. Diakses pada 11 November 2015 United Nations Environment Programme (UNEP). 2006. Cleaner Production – Energy Efficiency Manual – Guidelines for the integration of Cleaner Production and Energy Efficiency. (distribusi steam dan penggunaanya) www.uneptie.org. Diakses pada tanggal 11 November 2015.
24
