RESUME PERANCANGAN VESSEL KELAS PERANCANGAN ALAT PROSES-01
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA DEPOK, 2018
DAFTAR ISI
Topik 1: Jenis Vessel Berdasarkan Fungsi ..................................................... ............................................................................ ........................... .... 3 Topik 2: Jenis Vessel Berdasarkan Ukuran/Volume .................................................. ................................................................. ............... 5 Topik 3: Jenis Vessel Berdasarkan Bentuk .......................................... ................................................................. ...................................... ............... 7 Topik 4: Jenis Vessel Berdasarkan Tekanan ........................................... .................................................................. .................................. ........... 8 Topik 5: 5 : Kriteria Pemilihan Vessel untuk untu k Penentuan Penentu an D/H ............................................. ...................................................... ......... 11 Topik 6: Kriteria Penentuan Penen tuan Orientasi Vessel ............................................................... ......................................................................... .......... 15 Topik 7: Kriteria Penentuan Lokasi Vessel Vess el ............................................. .................................................................... ................................ ......... 16 Topik 8: Kriteria Pemilihan Jenis Bejana Terbuka atau Tertutup ........................................... ...........................................19 Topik 9: Kriteria Pemilihan Jenis Tutup Bagian Atas I (Cone, Flat) ...................................... ...................................... 21 Topik 10: Kriteria Pemilihan Jenis Tutup Bagian Atas II (Sperical, Torisperical) Torisp erical) ................. ................. 23 Topik 11: Kriteria Pemilihan Jenis Tutup Bagian Bawah I (Cone, Flat)................... Flat) ................................. .............. 26 Topik 12: Kriteria Pemilihan Jenis Tutup Bagian Atas II (Sperical, Torisperical) Torisp erical) ................. ................. 27 Topik 13: 1 3: Jenis Jen is Sambungan dan Efisiensi Efisiens i Sambungan Sambun gan ........................................... ........................................................... ................ 33 Topik 14: 1 4: Kriteria Penentuan Corrosion Allowance .......................................................... ............................................................... ..... 38 Topik 15: Perhitungan Tebal Shell Tekanan Luar .......................................... ................................................................. ......................... .. 42 Topik 16: Perhitungan Tebal Shell Tekanan Dalam ........................................... ................................................................ .....................49 Topik 17: Perhitungan Tebal Tutup ........................ .............................................. ............................................. ........................................... ....................51 Topik 18: Pemilihan Bahan untuk unt uk Shell Sh ell dan d an Tutup Tutu p ............................................ ................................................................. .....................62 Topik 19:Case Study Perhitungan Vessel ............................................ ................................................................... .................................... ............. 70
ii
Topik 1: Jenis Vessel Berdasarkan Fungsi
Pressure Vessel •
Pressure vessel merupakan kontainer yang digunakan untuk menyimpan gas atau cairan
•
pada tekanan yang berbeda dari tekanan lingkungannya. Pressure vessel dibagi menjadi 3 berdasarkan fungsinya, yaitu: Process vessels, heat exchangers, dan storage tanks.
Faktor eksternal yang mempengaruhi desain vessel secara umum adalah finansial dan kondisi lingkungan (faktor cuaca, space, dan kondisi tanah). Process Vessels 1. Kolom Distilasi Jenis kolom distilasi: Atmospheric distillation column, vacuum distillation column. Kriteria desain kolom distilasi: •
2. Tangki Pencampuran Kriteria desain mixing tank :
3. Reaktor Jenis reaktor: Batch, CSTR, PFR, PBR Kriteria desain reaktor:
3
4. Kolom Absorpsi Kriteria desain kolom absorpsi:
5. Kolom Ekstraksi 6. Separator dan Dryer
Heat Exchangers • • •
Heat exchanger berfungsi sebagai tempat pertukaran panas antara dua fluida.
Contoh heat exchanger yang termasuk vessel: Shell and tube. Kriteria desain heat exchanger :
Storage Tanks •
•
•
•
Storage tank berfungsi untuk menyimpan bahan-bahan seperti air atau bahan baku kimia /
petroleum yang akan diproses lebih lanjut / digunakan sebagai bahan baku proses selanjutnya. Jenis-jenis storage tank berdasarkan ukuran, bentuk, tekanan, orientasi, posisi, tutup atas / bawah akan dibahas pada presentasi selanjutnya. Contoh storage tank : Fuel tanks, petroleum tanks , chemical storage tanks, waste storage and containment tanks, liquefied gas tanks, dan settling tanks. Kriteria desain storage tank :
4
Topik 2: Jenis Vessel Berdasarkan Ukuran/Volume
Ukuran suatu vessel dapat ditentukan melalui rasio L/D, sehingga terdapat korelasi antara volume vessel dengan rasio L/D. Hal ini sangat diperhitungkan dalam tahap main sizing suatu bejana. Secara umum, terdapat dua jenis vessel berdasarkan rasio L/D-nya. 1. Vessel dengan L/D kecil (Gemuk)
2. Vessel dengan L/D besar (Kurus)
Parameter yang Memengaruhi Nilai L/D Tekanan (P) Allowable Stress (S) Corrosion Allowance (C) Joint Efficiency (E) • • • •
= 0,6
5
Menentukan L/D Optimum dengan Grafik • • • •
Menghitung nilai F2 Menentukan rasio L/D dengan grafik Menghitung diameter Menghitung L berdasarkan diameter dan volume yang telah diketahui
6
Topik 3: Jenis Vessel Berdasarkan Bentuk
Kotak
Elips
Bentuk Vessel
Bola
Silinder
Silinder: • • • • •
Operating Pressure: 5-200 Psig SA/V Besar -> Ekonomis untuk kapasitas kecil Mudah difabrikasi Belum tentu membutuhkan support (bergantung tutup bawah) Contoh Penggunaan: Penyimpanan CNG
Bola: • • • • • •
Operating Pressure: 150-400 Psig Kapasitas 1000 – 25000 barell SA/V Kecil -> Ekonomis untuk kapasitas besar Sulit difabrikasi Membutuhkan support dan platform Contoh Penggunaan: Penyimpanan LNG
Elips: • • •
Operating Pressure: 5-200 Psig SA/V Besar → Ekonomis untuk kapasitas kecil Mudah difabrikasi
Kotak •
•
Dapat dibuat dalam berbagai ukuran Dapat dibuat pada tekanan atmosfer atau dengan beberapa pertimbangan terkait tekanan internal dan eksternal
7
•
Dapat dibuat dari stainless steel, nickel alloys dan reactive metals
•
Biaya lebih rendah dibanding vessel silinder.
•
•
Ideal untuk memaksimalkan luas area yang tersedia dan memilki keuntungan untuk mixing dan penanganan material. Dapat mendesain sistem disekitar storage tank, seperti pompa, alat ukur pressure/temperature, dan alat pengangkutan dan pengisian
Topik 4: Jenis Vessel Berdasarkan Tekanan
Jenis Tekanan pada Bejana ▪ Internal → tekanan dalam vessel yang berasal dari fluida yang dikandung oleh bejana itu sendiri, biasanya adalah bejana yang memiliki tekanan kerja lebih besar dari tekanan atmosfer ▪ Eksternal → tekanan untuk bejana vacuum. Desain cylindrical shells dibawah pengaruh tekanan dalam ▪ Persamaan untuk menentukan ketebalan dari vessel silinder bertekanan dalam (internal pressure) menggunakan Persamaan “Lame” untuk thick-walled vessels : t
=
pr i fE − 0,6 p
=
pr 0 fE + 0,4 p
atau p
=
fEt
=
fEt
r i + 0,6t r 0 − 0,4t Dimana: t = minimum required thickness dari shell tidak termasuk corrosion allowance, inchi. p = design pressure, atau maximum allowable working pressure, Psi. E = welded joint efficiency (tabel 13.2). ri = radius dalam dari shell, inchi. r 0 = radius luar dari shell, inchi. f = alowable stress Tekanan eksternal dibuat melalui 3 cara: ▪ Vakum dalam vessel dan tekanan atmosferik di luarnya ▪ Tekanan di luar vessel lebih besar dibandingkan tekanan atmosfer ▪ Kombinasi keduanya Tangki bertekanan Eksternal Shell silinder dengan tekanan eksternal cenderung mengalami deformasi kedalam akibat dari tekanan luar radial tersebut •
8
Desain dari vessel silinder oleh pengaruh tekanan luar didasarkan pada pertimbangan stabilitas elastis dari shell Tekanan Operasi Perhitungan tekanan operasi vessel dibuat dengan menggunakan persamaan berikut : •
Pallow
t = B d 0
Dimana: p = allowable working pressure, Psi. d 0 = diameter luar shell, in. t = minimum thickness dari shell, in. B = faktor dari Gambar 8.8 untuk carbon steel (Yield strengt 24.000-30.000).
(untuk material lain → Apendix I) Stiffening Rings
Untuk mereduksi ketebalan vessel-shell Stiffening rings seharusnya memenuhi beberapa tempat secara sempurna di sekeliling lingkaran dari vessel Stiffening rings diikat ke shell dengan continuous atau welding. Beban yang Bekerja pada Pressure Vessel • Tekanan Desain • Beban mati bejana • Beban angin • Beban karena gempa Tekanan desain 1. Temperature desain antara -20oF dan 650oF adalah 50oF diatas temperature operasi 2. Tekanan desain besarnya 10% atau 10-25 psi diatas tekanan operasi 3. Korosi yang diperbolehkan sebesar 0.35 in. untuk kondisi korosi, 0.15 in. untuk noncorrosive stream, dan 0.06 in. untuk stream drums. •
•
•
9
Beban Mati Bejana (Dead Load) 1. Bobot Kosong → Berat bejana tanpa insulasi luar, fireproofing, panel-panel operasi, atau struktur luar dan perpipaan 2. Bobot Operasi → Berat bejana pada kondisi terpasang dan beroperasi penuh 3. Shop Test Deadload → Berat bejana yang hanya terdiri dari shell saja setelah proses pengelasan selesai dan terisi dengan fluida tester Beban Angin
Beban Karena Gempa
10
Topik 5: Kriteria Pemilihan Vessel untuk Penentuan D/H
1.
Rasio H/D Perbandingan antara lebar dan tinggi dari bejana, dimana menentukan ukuran dari bejana. Rasio ini diperhitungkan dalam tahap main sizing suatu bejana. Dalam konteks pembahasan desain bejana ini, meliputi desain bejana untuk : A. Flash drum B. Storage tank C. Reaktor CSTR D. Reaktor PFR E. Mixing Tank 1.1. Flash Drum Faktor-faktor yang mempengaruhi : a.) Laju alir fasa gas f.) Orientasi vessel b.) Laju alir tetes cairan (settling velocity) Terdapat 2 jenis flash drum yang akan c.) Kapasitas total dibahas, yakni untuk flash drum vertical dan d.) Waktu hold up flash drum horizonta e.) Waktu respons kendali l. 1.1.1. Design Vertikal Ukuran tinggi untuk vessel vertical perlu memperhitungkan hal-hal berikut : Tinggi untuk Low Liquid Level (LLL) (200 mm) Tinggi untuk High Liquid Level (HLL) (bergantung pada jenis service dimana vessel dipakai) Jarak antara HLL dengan inlet nozzle (0.3D, dengan nilai minimal 0.3 m) Diameter dari inlet nozzle (bergantung pada aliran masuk dan alat input aliran yang dipakai) • •
• •
Gambar Rule of Thumb Diameter sesuai dengan Liquid level 11
Dalam desain bejana, perlu diketahui nilai hold up dari cairan didalam bejana. Hold up adalah waktu yang dibutuhkan untuk seluruh fluida atau isi di dalam bejana seluruhnya meninggalkan bejana, ketika tiba-tiba aliran masuk dihentikan. Nilai hold up yang direkomendasikan bergantung pada service dari bejana, sebagai berikut Service
Nilai Hold-up yang Direkomendasikan
Feed untuk kolom distilasi, heater , reactor
5 – 15 menit
Reflux Vessel
3 – 5 menit
Flare KO Drum
20 – 30 menit
Condensate Flash Drum
3 – 5 menit
Jarak antara inlet yang direkomendasikan dengan bagian fasa vessel mengikuti tabel berikut Kategori
Jarak yang Direkomendasikan
Tanpa demister
0,7D (minimal 0,9 m)
Dengan demister
0,45D (minimal 0,9 m) + 0,1 m (demister) + 0,15D (minimal 0,15 m)
*) demister adalah sebuah alat yang berbentuk tabung silinder yang pada umumnya berukuran 14.5 m3 yang didalamnya terdapat kisi-kisi baja yang berfungsi untuk mengeliminasi butir – butir air yang terbawa oleh uap dari umpan. Untuk menghitung diameter flash drum vertical didasarkan pada settling velocity dari tetes cairan pada flash drum
= 5,054 | |
1.1.2. Design Horizontal Penentuan nilai L/D pada design horizontal, didasarkan pada tekanan operasi sebagai berikut :
12
Tekanan Desain Flash Drum
L/D yang Disarankan
0 < Pdesain < 17 barg
2,5
17 < Pdesain < 35 barg
3,0 – 4,0
Pdesain > 35 barg
4,0 – 6,0
Berikut ini tahapan dalam menghitung desain flash drum horizontal : a. Mengasumsikan persen volume dari cairan dalam vessel , lalu memakai nilai L/D untuk mencari nilai D
D = 14 π VqXq
b. Menentukan nilai LLL dari vessel. Nilai tipikalnya adalah 0,2 m. Lalu, nilai luas permukaan di bawah LLL dicari dengan rumus:
AA = ϕsinϕ 2π HD = 12 1cos ϕ2 A,q = A + VLq ρ ρ v = K ρ
c. Menentukan nilai luas permukaan yang diisi oleh cairan, yaitu hold up dari vessel ditambah dengan luas permukaan LLL sebelumnya
d. Menentukan nilai HLL dari vessel dengan cara yang sama dengan langkah 2 (mencari LLL), dan menentukan luas permukaan yang berisi uap e. Mencari nilai laju uap maksimum dengan rumus:
Dengan K t untuk vessel horizontal sebesar 0,08 m/s f. Menghitung laju uap aktual dari ruang uap yang berada di atas HLL, dan dibandingkan dengan nilai laju uap maksimal. g. Batasan: Nilai HLL tidak boleh melebihi 80% diameter, dengan nilai tinggi ruang uap minimum 0,3 m (tanpa demister ) dan/atau 0,6 m (dengan demister ). 1.2. Reaktor CSTR Dalam merancang bejana untuk reaktor CSTR, terdapat beberapa faktor yang mempengaruhi. Faktor-faktor yang mempengaruhi desain bejana untuk reaktor CSTR antara lain : a. Reaksi yang terjadi 13
b. Pola aliran c. Jumlah impeller Berikut ini beberapa aturan untuk besarnya L/D pada desain bejana untuk reaktor CSTR : a. Untuk kasus normal, CSTR diperlukan satu impeller maka nilai L/D berada pada range 0.8 hingga 1 b. Untuk jarak tempuh resirkulasi menjadi panjang, maka nilai L/D lebih dari 1,5 c. Untuk impeelr lebih dari 2 guna membuat pola aliran yang baik (untuk kapasitas 10 kL), maka nilai L/D lebih dari 2 Apabila dalam reaktor CSTR digunakan impeller aksial, maka jarak tempuh resirkulasi menjadi panjang sehingga pencampuran menjadi lambat. Jika cairan di dalam reaktor CSTR memiliki viskositas yang tinggi, maka akan terbentuk 2 pola aliran yang membuat pencampuran lebih lambat. Reaktor dengan rasio L/D sebesar 2 atau lebih hanya digunakan apabila kapasitas reaktor besar (dengan D lebih dari 4 m) 1.3. Reaktor PFR Dalam merancang bejana untuk reaktor CSTR, terdapat beberapa faktor yang mempengaruhi. Faktor-faktor yang mempengaruhi desain bejana untuk reaktor CSTR antara lain : a. Jumlah katalis b. Pressure drop c. Kemampuan fabrikasi Dalam desain reaktor PFR, memiliki ciri-ciri umum nilai L/D lebih dari 10. Kondisi yang diinginkan adalah tidak adanya gradient konsentrasi ke arah radial, sehingga diperlukan nilai panjang yang jauh lebih besar daripada diameternya. 1.4. Storage Tank Faktor-faktor yang mempengaruhi desain storage tank antara lain : a. Lama penyimpanan b. Tekanan dalam vessel c. Banyak zat yang ditampung d. Fasa zat yang disimpan e. Efisiensi ruang Berikut ini beberapa nilai L/D yang direkomendasikan : a. Untuk tangki penyimpanan yang tinggi, rasio L/D lebih dari 1,5 hingga 2,5 b. Untuk tangki penyimpanan yang lebar, rasio L/D lebih dari 0,8 hingga 1 c. Untuk menampung cairan dalam kapasitas yang kecil atau menampung banyak fraksi gas, rasio L/D lebih dari 1 d. Untuk tangki penyimpanan suatu zat dalam jualh yang sangat besar dalam waktu lama, rasio L/D kurang dari 0,8 1.5. Mixing Tank Faktor utama yang paling mempengaruhi adalah posisi dan jumlah impeller yang berkaitan dengan ukuran tangka pengaduk untuk menghasilkan performa tangka yang optimal. Jenis mixing tank paling umum adalah vertical cylindrical dan square atau rectangular tanks. 14
Berikut ini nilai L/D yang biasa digunakan pada desain mixing tank : a. Untuk tangki ideal, nilai L/D sebesar 8 b. Untuk tangki cukup ideal, nilai L/D mendekati 1 c. Untuk tangki yang tidak memungkinkan pencampuran secara aksial yang tepat, nilai L/D kurang dari 0,6 d. Untuk tangki yang harus ada 2 impeller, nilai L/D lebih dari 1,4 e. NIlai L/D lebih dari 2, maka perlu dievaluasi karena tangka yang kurus tidak cost-effective f. Topik 6: Kriteria Penentuan Orientasi Vessel
•
Fungsi bejana 1. Sebagai bejana penyimpanan Beberapa pertimbangan yang harus diperhatikan adalah a. Lahan Jika lahan yang tersedia sebagai tempat peletakkan bejana kecil maka lebih baik digunakan bejana vertikal. b. Biaya Bejana vertikal membutuhkan biaya yang lebih besar untuk biaya support dan pemeliharaan bejana tersebut. Sebaliknya bejana horizontal membutuhkan biaya yang lebih sedikit karena pemasangan support dan pemeliharaan yang lebih mudah. 2. Sebagai bejana proses Beberapa pertimbangan yang harus diperhatikan adalah a. Fasa Jika rasio gas-oil (GOR) rendah maka digunakan bejana vertikal. Sedangkan o jika rasio gas-oil (GOR) tinggi maka digunakan bejana horizontal Jika digunakan untuk pemisahan dua fase, gas – cair maka digunakan bejana o vertikal. Sedangkan jika digunakan untuk pemisahan tiga fase, gas – cair – cair maka digunakan bejana horizontal. Jika terdapat fasa solid pada proses, maka lebih baik digunakan bejana vertikal o b. Fungsi pemrosesan Jika bejana digunakan sebagai heat exchanger maka digunakan bejana horizontal untuk memperbesar luas permukaan kontak antarfluida. Jika bejana digunakan sebagai mixer maka digunakan bejana vertikal untuk mempermudah pemasangan pengaduk dan menghindari adanya dead zone. 3. Sebagai bejana transportasi Jika digunakan sebagai bejana transportasi maka pasti digunakan bejana horizontal untuk keamanan dan kemudahan
15
VERTICAL HORIZONTAL Bejana vertical cocok untuk Bejana horizontal cocok untuk pemisahan dua fase, gas – cair pemisahan tiga fase, gas – cair – cair Rasio gas-oil (GOR) rendah. Rasio gas-oil (GOR) tinggi Permukaan luas area cairan tidak Pada level cairan yang tinggi, berubah seiring dengan naiknya entrainment akan lebih mudah terjadi tinggi cairan (liquid level), sehingga Sulit meng-handle padatan dan sulit laju entrainment konstan dibersihkan Dapat meng-handle padatan dan Mengatasi foaming lebih baik mudah dibersihkan Luas permukaan kontak lebih besar Luas permukaan kontak lebih kecil Pengontrolan operasi lebih sulit Pengontrolan operasi lebih mudah: Luas area yang dibutuhkan besar Lebih mudah untuk pemasangan o Konstruksi stabil instrument level, alarm dan Lebih ekonomis sistem shutdown Ketinggian mempengaruhi tinggi o gauge Luas area yang dibutuhkan kecil Sangat dipengaruhi oleh kecepatan angin Jauh dari keramaian manusia •
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Inclined Pressure Vessel Digunakan inclined vessel jika diinginkan luas permukaan kontak antarfluida besar dengan lahan yang kecil. Kelebihan 1. Untuk ukuran bejana yang sama, lahan yang digunakan lebih sedikit dibandingkan horizontal pressure bejana 2. Memiliki efisiensi yang lebih baik dibandingkan separator vertical 3. Kebutuhan piping lebih sedikit dibandingkan separator vertical 4. Wetted perimeter area lebih besar dibandingkan vertical pressure bejana
Topik 7: Kriteria Penentuan Lokasi Vessel
16
Storage Tank UST
AST
Permukaan Tanah
Tangki Menara
Klasifikasi Tangki Berdasarkan Posisi
A. Underground storage tank (UST) •
• • •
Merupakantangki dan berbagai perpipaan yang tersambung pada tangki yang setidaknya 10% volumenya berada di bawah tanah Dibandingkan tangki di atas tanah, UST lebih fleksibel dalam penempatan lokasi Dan karena di bawah tanah, lahan yang terpakai sangat sedikit Leaking Underground Storage Tank (LUST) 1. Saat UST mengalami kebocoran, spilling akan susah dikontrol 2. Tangki yang mengandung petroleum atau zat berbahaya akan mencemari tanah 3. Tanah yang tercemar akan mencemari air minum dari tanah 4. Oleh karena itu, EPA menetapkan beberapa ketentuan untuk UST
B. Aboveground storage tank (AST) • • •
• • •
Tangki penimbun yang terletak di atas permukaan tanah Tangki penimbun ini bisa berada dalam posisi horizontal dan dalam keadaan tegak Dapat dibagi menjadi 2 jenis berdasarkan cara perletakan di atas tanah, yaitu tangki di permukaan tanah dan tangki menara Mudah dalam process controlling Lebih mudah dan murah untuk dikonstruksikan Dibutuhkan pekerja lebih banyak untuk melakukan maintenance (kaerna exposure ke luar)
Kriteria Umum Antara di Permukaan Tanah dengan Tangki Menara 1. Bentuk bagian bawah tangka Apabila bagian bawah tangki adalah flat-bottom, tangki diletakan di permukaan tanah dengan pondasi •
17
Apabila bagian bawah tangki tidak flat bottom, seperti conical, hemispherical, torisperical, dsb, tangki diletakan dengan struktur atau menara tangka. Bentuk bagian bawah tangki bergantung dengan fungsi desain bagian bawah tangki, seperti conical digunakan untuk menampun endapan dalam tangki 2. Pemanfaatan gaya gravitasi Apabila proses memanfaatkan gaya gravitasi untuk mengalirkan fluida di dalam tangki, menara tangki digunakan. Pertimbangan ini digunakan apabila aliran yang dibutuhkan tidak perlu tinggi atau debit fluida yang rendah (agar mudah mengontrol aliran tersebut) •
•
Kriteria Umum Pemilihan UST dan AST
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Regulasi zona Apabila satu atau lebih kriteria tidak terpenuhi, Lahan yang tersedia untuk kapasitas sekarang dan masa depan maka UST digunakan Estetika yang baik Dapat memenuhi lindung lingkungan dan penampungan sekunder (secondary containment) Kontrol bocor untuk menghindari ledakan api (spill containment) Perlindungan perusakan manusia Mudah untuk menyimpan dan men-transfer Ekonomi RVP (berdasarkan volatilitas fluida, jika sangat volatile lebih baik di bawah tanah seperti gasoline pada SPBU)
18
Regulasi Pada Kriteria Pemilihan Posisi Tanki A. Secondary Containment •
•
•
Saat tangki utama atau primer mengalami kegagalan, tangki sekunder akan menampung kebocoran-nya EPA tidak menentukan bentuk tangki sekunder, hanya disebutkan bahwa tangki sekunder harus mampu menampung seluruh volume tangki primer. Contoh: 1. Spill Pallets atau Decks 2. Sloped rooms 3. Parit
B. Spill Containment Tindakan untuk menghentikan kebocoran atau tumpah agar cairan dalam tangki tidak mencemar lingkungan Makin sedikit luas kebocoran, makin sedikit yang dibersihkan Contoh: 1. Absorbent socks & booms 2. Non-absorbent dikes 3. Drainage •
• •
Topik 8: Kriteria Pemilihan Jenis Bejana Terbuka atau Tertutup
1. Dasar-Dasar Pemilihan Tangki Terbuka atau Tertutup a. Fungsi Vessel : Storage Atau Alat Proses b. Kondisi Fluida : Jenis Fasa Dan Tingkat Volatilitas c. Kondisi Operasi : Tekanan Dan Temperatur d. Lokasi : Tempat Terbuka Atau Tertutup 2. Jenis-Jenis Tangki Terbuka Dan Tertutup a. Open Tank/Tangki terbuka •
• • • •
•
Tangki terbuka biasanya digunakan sebagai surge tank diantara operasi, sebagai vats untuk proses batch dimana material tercampur, sebagai setting tank, dekanter, reaktor, reservoir dan lain-lain. Untuk larutan tidak terlalu encer Untuk menyimpan bahan yang tahan suhu tinggi (tidak mudah menguap) Tidak beracun. misal: tangki penyimpan laturan garam (brine), dan larutan lainnya yang harganya cukup murah. Jenis tangki ini lebih murah dibanding dengan tangki tertutup. 19
b. Open top Floating roof
•
• •
•
Tangki atap terapung external (external floating roof tank ) adalah tangki baja silindris dengan orientasi vertical yang memiliki atap yang terapung pada permukaan cairan di dalam tangki. Atap yang terapung ini lansung terbuka ke atmosfer udara luar. External floating roof tank tidak memiliki atap permanen Tangki ini juga memiliki rim-seal untuk mencegah uap hasil evaporasi dari cairan yang di simpan keluar dari dalam tangki. Jenis tangki ini biasa digunakan untuk menyimpan produk produk petroleum dalam jumlah besar, misalnya minyak mentah (crude oil) dan kondensate dari sumur (well).
c. Tangki Tertutup •
• •
•
Fluida yang ditampung pada tangki tertutup adalah berfase gas atau fasa cair yang mudah menguap menjadi gas (memiliki volatilitas yang tinggi). Fluida yang bersifat toksik dan mudah terbakar. Tangki tertutup biasanya digunakan untuk menyimpan fluida pada tekanan lebih dari 15 psi, seperti tangki penyimpanan LPG dan CNG. Tanki ini juga digunakan sebagai penyimpanan khusus yang digunakan untuk menyimpan liquid (H2, N 2, O 2, Ar, CO2 ) pada temperature yang sangat rendah (cryogenic) , dimana untuk jenis tangki ini diperlukan isolasi dan dioperasikan pada tekanan rendah.
d. Internal (Covered) Floating Roof Tank
20
•
•
•
•
•
•
Internal (covered) floating roof tank atau tanki atap mengapung internal adalah tipe tanki yang memiliki atap tetap / permanen dengan atap mengapung di dalamnya. Atap permanen (fixed roof) di bagian atas memiliki ventilasi yang terbuka untuk memungkinkan udara dan gas yang berada di ruang antara atap internal dan atap tetap lepas ke udara luar. Atap permanen diperbolehkan untuk melepaskan gas keluar karena gas yang berada di ruang uap tersebut dianggap berada di bawah ambang batas mudah terbakar. Segel dibuat di ruang rim-seal untuk mencegah gas hasil evaporasi keluar dari bagian bawah atap yang mengapung. Ruang rim-seal adalah daerah di antara dinding shell tangki dan atap mengapung internal (daerah yang terbentuk akibat perbedaan antara diameter shell tangki dan diameter atap internal). Tangki jenis ini biasanya digunakan untuk menyimpan produk yang sangat mudah terbakar seperti bensin
Topik 9: Kriteria Pemilihan Jenis Tutup Bagian Atas I (Cone, Flat)
Type of Pressure Vessel Head: -
Hemispherical Elliptical Torispherical (Flanged and Dished) 21
-
Flat Conical
The type of head for pressure vessel determined by the functionality, not the costs. Common consideration for selecting the head type is resistance of the design to system’s pressure. 1. Flat Plate Head Flat heads have very limited use for pressure vessels more than 24 in. in diameter (small to medium size). Because of their flat geometry, they offer far less resistance to pressure than other head type of the same thickness. The usage of this type of head is economical for pressure below 25 psig.
Required Thickness of Plate:
=
Where t = required thickness of flat plate D = effective plate diameter C = a constant, which depends on the edge support S = maximum allowable stress (design stress)
If a large diameter flat head is necessary for code equipment, then stiffening the head with structural I-beams is possible but requires sophisticated finite elemental analysis. 2. Conical Head
Conical heads can be used for storage tank for various type of fluids (Fuel oil, diesel, kerosene, bitumen) with low vapour pressure (not volatile).
22
The disadvantages of conical head is having a vapor space that can lead to explosion. Required Thickness of Cone:
Where
= 2 . 1
t = required thickness Dc = diameter of the cone at the point f = design stress (table 13.2 Sinnott) J = joint factor Pi = Internal Pressure
= half the cone apex angle
Topik 10: Kriteria Pemilihan Jenis Tutup Bagian Atas II (Sperical, Torisperical)
Head adalah bagian tutup suatu bejana (vessel) yang penggunaannya disesuaikan dengan tekanan operasi bejana. Pemilihan jenis tutup suatu bejana ini biasanya digunakan pada storage dan pressure vessel . Berikut adalah jenis – jenis tutup bejana dengan kriteria pemilihan masing – masing. 1. Torispherical Ciri-ciri: - Digunakan pada tangki vertikal kecil bertekanan rendah (maksimal 200 psig) dan tangki horizontal kecil tak bertekanan
Karakteristik geometri: 23
-
Inside head diameter D Crown radius L Knuckle radius r Head thickness t
Ukuran yang digunakan: -
L ≈ D L ≈ 16 r r = 0.06D L ≈ 0.8D r = 0.1L ,
,
: ASME Flanged and Dished Head standard dalam
industri vessel bertekanan and
Kelebihan: - Lebih mudah dibentuk dibandingkan hemispherical dan ellipsoidal - Lebih ekonomis dibandingkan hemispherical dan ellipsoidal Kekurangan: - Lebih berat dibandingkan hemispherical (21%) dan ellipsoidal (13%) Perhitungan: minimum thickness dan maximum pressure -
Jika
-
Jika
L ≈ 16 r
, maka
= 0.80.851 = 0. 8 85 +0. 1 L ≠ 16 r = 220.2 = +0. 2 . = 14 3+ , maka
Hemispherical head: Bentuk yang paling ideal untuk sebuah kepala wadah bertekanan karena tekanan dalam wadah akan tersebar merata menuju seluruh permukaan kepala. Jari – jari (R) sama dengan jari – jari wadah silindris (cylindrical).
24
•
• • • •
• • •
Hemispherical head (kepala setengah lingkaran sempurna) Merupakan jenis yang paling kuat untuk menanhan tekanan, mampu menahan sekitar 2 kali atau lebih tekanan dibanding torispherical head dengan ketebalan yang sama. Paling mahal untuk dibuat (forming cost tinggi). Untuk aplikasi tekanan tinggi. Pressure ≈ 400 psi (very high pressure). Ketersediaan ruang: untuk vertical vessel dimana ruang tidak menjadi pembatas, dengan kata lain membutuhkan ruang yang besar. Jarang digunakan untuk vessel dengan orientasi horisontal. Umumnya untuk sistem berfasa gas (penyimpanan LPG, CNG). Lebih ekonomis bila digunakan untuk vessel bervolume besar. Berdasarkan standar Megyesy, maka untuk perhitungan ketebalan lapisan plat hemispherical head adalah sebagai berikut:
= 20,2 +
•
•
•
•
•
•
Dimana: P = tekanan operasi R = jari-jari luar = D/2 S = stress value of material E = joint efficiency t = tebal plat CA = corrosion allowable Persamaan di atas tidak dapat digunakan ketika ketebalan head yang dibutuhkan yang dihasilkan dari formula tersebut melebihi 35,6 % dari jari – jari dalam (inside radius). Bila hasil perhitungan di atas melebihi 35,6 %, kita gunakan formula berikut:
Dimana
= 1 = 22 +
Dimana: t = Ketebalan head minimum (in).
25
P L S
= Tekanan kerja maksimal yang masih diperbolehkan (psi). = Radius to which the head was formed (in). = Gaya maksimal yang diperbolehkan diterima oleh bahan vessel (psi).
Topik 11: Kriteria Pemilihan Jenis Tutup Bagian Bawah I (Cone, Flat)
Vessel → tempat untuk menampung material selama proses berlangsung O
O
O
O
Autoclave : Untuk bahan bertekanan tinggi edngan pengadukan dan sumber panas
Klasifikasi Vessel :
1.
Tanki terbuka
Kolom distilasi : Untuk sistem tekanan uap dan liquid yang berkontak
2.
Tangki Tertutup:
Heat Exchanger panas dalam proses
Klasifikasi vessel menurut geometrinya:
: Perpindahan
Evaporator : Bahan yang akan dihilangkan kadar airnya
Pemilihan Jenis Vessel : O
Stress yang mempengaruhi
O
Kestabilan elastis
O
Biaya
O
Material yang digunakan
O
Waktu penggunaan
O
Sifat fluida di dalamnya
O
Kondisi operasi (temperatur, tekanan)
O
Volume vessel yang dibutuhkan
O
Lokasi
Tanki silinder vertical dengan dasar rata
➢
Silinder vertical dan vessel horizontal dengan ujung (dasar) yang berbentuk.
➢
Vessel spherical dan modifikasinya.
General Vessel Bottom Design :
Sesuai dengan fungsi yang diinginkan
O
➢
O
Cone
O
Flat
O
Spherical
O
Torispherical
Criteria Flat Bottomed Vessel O
26
Merupakan Desain Paling Ekonomis
O
Berdiri tanpa Perantara
O
Memiliki Ventilasi
O
Beroperasi pada Tekanan ATM
O
Menggunakan tekanan atmosfer (kalau head kerucut)
O
Jika atap bentuk kubah, tekanan 2,5 sampai 15 lb)
C = konstanta dari appendix c= faktor koreksi
Persamaan Brownell and Young : Conical Vessel Bottom O
Kegunaan : Separasi, mixing dan proses lain yang perlu mengosongkan tangki 100%
th = tebal head, in
O
Sudut kemiringan : 30,45,60, dll
d = diamter dalam shell, in
O
Peletakan : Memerlukan support
Keterangan :
P = tekanan perancangan, psi
Tinggi Kolom
f= stress yang diizinkan , psi
Topik 12: Kriteria Pemilihan Jenis Tutup Bagian Atas II (Sperical, Torisperical)
Karateristik tutup bawah tipe Torisperikal • • • •
Terdiri dari 2 buah radius, yaitu crown radius dan kuckle radius. Sering digunakan sebagai penutup bejana silindris. Bentuknya mendekati bentuk lonjong dan mudah untuk dibuat. Sehingga lebih ekonomis Banyak digunakan pada pabrik yang menggunakan bejana bertekanan (pressure vessels).
27
Keterangan : D0 = external head diameter Di = internal head diameter CR = crown radius KR = knuckle radius SF = straight flange height DH = depth of dishing THi = total internal head height t = wall thickness Perhitungan untuk Head (Tutup atas maupun tutup bawah) Bent uk Sperikal
dimana :
P = tekanan desain atau tekanan maksimal yang bekerja (psi atau Pa) S = nilai tegangan dari material (psi atau Pa) E = efisiensi dari pengelasan L = diameter dalam torisperikal (inchi atau mm)
28
Kriteria Penggunaan Torisperikal
1. Tekanan digunakan pada bejana yang beroperasi pada tekanan 15-200 psig Tutup torispherical dapat digunakan untuk gaya tekan diatas 10 bar 2. Tebal Dinding Tebal dinding dipengaruhi oleh tekanan maksimal yang bekerja, nilai tegangan dari material Dapat digunakan pada tekanan >200psig dengan membuat head 3 kali tebal shell atau 6 % diameter dalam bejana. 3. Aplikasi Sering digunakan untuk vessel silinder bertekanan. Untuk menyimpan liquid atau gas tekanan rendah Digunakan pada alat proses, biasanya untuk separasi Biasa digunakan untuk separator, flash drum, adsorber 4. Biaya Diatas 15 bar, lebih hemat menggunakan tutup ellipsoidal dibandingkan torispherical 5. Support Jenis skirt atau leg untuk vertikal dan saddle untuk horizontal berbentuk silinder dan dilas pada bagian bawah shell dari pressure vessel atau pada head bagian bawah • •
•
•
•
• •
Aplikasi tutup bawah tipe Torisperikal
1. First Stage Suction Separator (PT. Petrokimia Gresik)
29
2. Process Condensate Stripper (PT. Tirta Sumber Makmur)
3. Pressure Sand Filter (PT. Oregon)
Karateristik tutup bawah tipe Sperikal 30
•
Bentuknya yang ideal karena tekanan dalam bejana tersebut dibagi rata di seluruh permukaan head.
•
Digunakan untuk bejana yang menggunakan tekanan tinggi Dengan ketebalan yang sama, Bentuk sperikal/hemisperikal ini dapat menahan tekan dua kali lebih banyak dibandingkan dengan bentuk tutup torisperikal
•
Jari-jari (r) dari head sama dengan jari-jari bagian silinder bejana.
•
Perhitungan untuk Head (Tutup atas maupun tutup bawah) Bentuk Sperikal
dimana :
P = tekanan desain atau tekanan maksimal yang bekerja (psi atau Pa) S = nilai tegangan dari material (psi atau Pa) E = efisiensi dari pengelasan R = jari-jari tutup tangki (inchi atau mm) t = ketebalan tutup (inchi atau mm) Kriteria Penggunaan Tutup Sperikal
1. Tekanan Untuk bejana bertekanan tinggi >20 bar atau >400 psi Bentuk yang paling kuat, mampu menahan tekanan 2x bentuk head torisperikal dalam ketebalan yang sama Bentuk ideal karena tekanan dalam vessel merata ke seluruh permukaan head. R head =r silinder • •
•
31
Bentuk ideal karena tekanan dalam vessel merata ke seluruh permukaan head. R head =r silinder Tebal Dinding Di tekanan internal akan setengah tebal shell Tipis, tidak lebih 0.356 L atau P tidak lebih dari 0.665 SE. Biaya Biaya pembuatannya lebih mahal dari torisperikal head Aplikasi Untuk tower vertikal yang tinggi karena bebas dari diskontinuitas Instalasi offshore Dua spherical head yang digabungkan membentuk storage sphere, bentuk yang paling efisien. Stainless steel cooking kettles dengan steam jackets Cold gas feed separator Pembuatan Sulit, dari plate tunggal sehingga ukuran terbatas. Support Jenis steel plate berbentuk silinder dan dilas pada bagian bawah shell dari pressure vessel atau pada head bagian bawah. •
2.
• •
3. 4.
• • •
• •
5. 6.
Aplikasi tutup bawah tipe Hemisperikal
1. Condensate Pot (PT. Petrokimia Gresik)
2. Reaktor DC-101 (PT. Petrokimia Gresik) 32
3. Rotary Dryer (PT. Ciptapresisi)
4. Rotary Dryer (PT. Ciptapresisi)
Topik 13: Jenis Sambungan dan Efisiensi Sambungan
33
I.
Types of Vessel Joint 1. Welded Joint Welded joints are used for connecting metals in vessel manufacturing
2. Flanged Joint Flanged joints are used for connecting pipes and instruments to vessels, for manhole covers, and for removable vessel heads when ease of access is required.
II.
Welded Joints Categories 1. Longitudinal or Spiral Welds (Category A) Connecting hemispherical heads to the main shell, necks, or nozzles 2. Circumferential Welds (Category B) Connecting a former head other than hemispherical. This Category is less critical than Category A (Longitudinal Welds) because Category A are under double stress. 3. Welds Connecting Flanges (Category C) Connecting flanges, tube sheets, or flat heads to the main shell 4. Welds Connecting Comminicating Chamber (Category D) Connecting communicating chambers or nozzles to the main shell, heads, or to necks
34
III.
A Longitudinal or spiral weld in the main shell, necks or nozzles, or circumferential welds connecting hemispherical heads to the main shell, necks, or nozzles; B Circumferential welds in the main shell, necks, or nozzles or connecting a formed head other than hemispherical; C Welds connecting flanges, tube sheets, or flat heads to the main shell, a formed head, neck, or nozzle; D Welds connecting communicating chambers or nozzles to the main shell, to heads, or to necks. Welds Type 1. Type 1: Double-welded butt joint
2. Type 2: Single-welded butt joint with backing strip
3. Type 3: Single-welded butt joint without backing strip
35
4. Type 4: Double full fillet lap joint
5. Type 5: Single full fillet lap joint with plug welds
6. Type 6: Single full fillet lap joint without plug welds
IV.
Joint Efficiency
•
•
•
=
The soundness of welds is checked by visual inspection and by nondestructive testing (radiography) The possible lower strength of a welded joint compared with the virgin plate is usually allowed for in design by multiplying the allowable design stress for the material by a joint efficiency (E). The use of lower joint efficiencies in design, though saving costs on radiography, will result in a thicker, heavier vessel, and the designer must balance any cost savings on inspection and fabrication against the increased cost of materials.
36
V.
VI.
VII.
Radiography Test 1. RT1: Full Radiography All butt welds-full length radiography 2. RT2: Full Radiography Category A and D butt welds full length radiography and category B and C butt welds spot Radiography 3. RT3: Spot Radiography Spot radiography butt welds 4. RT4: No Radiography Partial/No Radiography Maximum Allowable Joint Efficiency
Example Suppose this joint is subject to full radiography, is the joint efficiency=1.0?
Suppose this radiography setup:
None
Spot
To get credit for full RT of a category A weld, UW-11(A)(5)(B) says: “...category b or c butt welds …. shall as a minimum , meet the requirements for spot radiography…..” Do we get credit for full radiography of this joint? UW-11(A)(5)(B) says: 37
“...category b or c butt welds …. shall as a minimum , meet the requirements for spot radiography…..” It means for both welds. Therefore, we only get credit for spot radiography where E = 0.85
Topik 14: Kriteria Penentuan Corrosion Allowance
Corrosion Allowance ( )
Tebal yang ditambahkan untuk mengakomodasi kehilangan bahan karena korosi Corrosion Factor dalam vessel
Ada beberapa factor yang mempengaruhi corrosion allowance: ▪
Working Fluid
▪
Kondisi Operasi
Metode kuantifikasi Corrosion Allowance banyak sumber (NACE, ASME, API)
Penentuan Laju Korosi
Perhitungan
Corrosion Allowance ( ) ▪
Dapat dinyatakan sebagai
▪
Diasumsikan
▪
Korosi
× → → → mm/yr = exp = ( + + )mPa = 7 mol/cm = 8.314 J/molK konstan (dari uji-uji korosi)
Menipiskan dinding
Menurunkan
Corrosion Rate – Stress Correlation
1
▪
Mean stress,
▪
Molar density,
▪
Gas constant,
(steel)
38
Meningkatkan laju korosi
▪
Medium temperature,
K
Thin-wall cylinder dengan beban
▪
▪
Efek torsi
▪
Gaya aksial
▪
Internal pressure
▪
External pressure
Korosi uniform di sisi dalam dan luar vessel
Σ = 2sΔ 2Δ = 0 = = = 0 Σ = 2 = 0 = 2 = 2 1+
Circumferential (Hoop) Stress ▪
Radial Stress
Longitudinal Stress
Phenomena Modelling ▪
▪
▪
Mean Stress
= − + − 1+ − = − 1+0.51+ −
Phenomena Modelling ▪
Mean Stress
▪
= − 1+0.51+ − 39
= 0.51+ − = 3 1+ = 2
▪
Let
▪
Torque Stress
Phenomena Modelling ▪
Pada waktu pemakaian yang mencapai service life (umur pakai) vessel, life) semua stress mencapai angka batas (limiting value) :
(endurance
= √1 + 3 = 3√11+ + 3 = = 3 1+ = 31+ = 31+ 1 = 31+ 1 = 31+ = 31+
▪
Dengan
▪
Persamaan tegangan
▪
Persamaan tegangan
▪
dan
adalah batas tekanan yang diperbolehkan (permissible stress)
40
▪
Persamaan laju korosi
▪
Kombinasi
▪
Integrasikan ▫
▫
= = + = + exp = 3 +1+ exp = 3 +1+ exp = @ = = @ = 0 e xp = 31+ + ∫ = 31+ = 0 = = + 1 = e xp = 31+ + ∫ = 31+ 1 √ exp +
▪
Apabila tidak ada stress pada vessel pada temperatur tertentu,
▪
Dengan
▪
Dapat diaproksimasi dengan
▪
Maka, tebal awal vessel dan corrosion wear dapat ditetapkan dari parameter
▪
Apabila tidak ada stress pada vessel pada temperatur tertentu, 41
, sehingga
= 0
= ∗
, sehingga
= 1∗ = = = ∗ = 1∗ 1
▪
Maka, tebal awal vessel dan corrosion wear
▪
Dengan
Topik 15: Perhitungan Tebal Shell Tekanan Luar
TEORI DASAR
1. External Pressure dapat terjadi pada vessel dan ditandai dengan adanya kehilangan stabilitas, di mana vessel tidak mampu lagi untuk mempertahankan bentuknya dan membentuk volume baru yang lebih rendah. 2. Tekanan eksternal dapat terjadi pada vessel yang dioperasikan dibawah vacuum (Pmax= 1 bar), Jacketed Vessels, dan Thin-walled Vessels yang menyebabkan terjadinya kegagalan karena buckling. 3. Rumus Pc (Critical Pressure): Open Ended cylinder
2 1 2 1 2 = 3 1+ 2 1 1 + 1 2 + 1 = 2.2 = = 1.11 •
•
Long tube and cylindrical
•
Short closed vessels and long vessels (stiffening ring):
(4)
•
Vessel Heads
42
= 1.21 = 0.365 = 4 = = 2 100 %
Berdasarkan Karman Tsien (1939):
4. Out of Roundness:
Perhitungan Vessel:
(9)
A. Vessel Silindris: 1. Asumsikan nilai thickness jika tidak diberikan 2. Tentukan rasio L/Do dan Do/t 3. Gunakan Fig. G untuk mencari nilai A pada nilai L/Do yang telah ditentukan pada step 1.
–
–
–
Untuk nilai L/Do > 50, gunakan nilai L/Do = 50. Untuk nilai L/Do <0.05, gunakan nilai L/Do = 0.05 Untuk nilai Do/t yang lebih kecil daripada 4, nilai A dapat dihitung dari persamaan berikut :
= 1.1
Untuk nilai A yang lebih besar dari 0.1, gunakan nilai 0.1. 43
4. Setelah mendapatkan nilai A dari step 3, gunakan grafik material yang berlaku, tarik garis lurus hingga berpotongan dengan garis temperatur desain untuk mencari nilai B.
5. Jika
⁄
–
–
–
6. Jika
≥ 10: Gunakan nilai B untuk menghitung tekanan eksternal maksimum operasi (Pa) dengan menggunakan persamaan berikut:
= 34 = 32
Untuk nilai A yang berada di sebelah kiri garis temperatur, gunakan persamaan berikut untuk menghitung nilai Pa:
Bandingkan hasil perhitungan Pa yang didapat P operasi. Jika Pa bernilai lebih kecil, ulangi langkah dengan menggunakan asumsi t yang lebih besar hingga nilai Pa sama atau lebih besar dibandingkan dengan P. < 10: Perhitungan nilai Pa1 menggunakan persamaan berikut:
⁄
–
–
= [ 2.1⁄67 0.0833] = 2⁄ [1 1⁄]
Perhitungan nilai Pa2 menggunakan persamaan berikut:
Bandingkan nilai antara Pa1 dan Pa2 lalu pilih nilai yang lebih kecil untuk digunakan sebagai tekanan ekternal maksimum operasi Pa. Bandingkan Pa dengan P. Jika Pa bernilai lebih kecil, ulangi langkah dengan menggunakan asumsi t yang lebih besar hingga nilai Pa sama atau lebih besar dibandingkan dengan P. 7. Alternatif lain → Penggunaan stiffening rings untuk mengurangi besar dimensi “L” dengan cara: Memilih jarak stiffener berdasarkan panjang maksimum shell. (Tabel 2.1a) –
–
–
44
–
Menentukan banyaknya stiffeners yang diperlukan dan L yang sesuai. Mengasumsikan ukuran ring berdasarkan persaman berikut :
–
Menghitung nilai B dengan persamaan berikut :
–
–
–
–
–
= 0.16 = 0+.75⁄
Menggunakan faktor B untuk mendapatkan faktor A dari grafik sebelumnya. Menggunakan faktor A yang didapatkan untuk mencari momen inersia yang diperlukan dengan persamaan berikut :
= +14 ⁄
Bandingkan besar inersia yang diperlukan (I) dengan momen inersia sebenarnya (Is). Jika nilai Is > I maka desain diterima namun tidak optimum. Optimisasi dilakukan dengan mencari kriteria-kriteria agar nilai I=Is.
B. Vessel Bola 1. Asumsikan nilai t dan hitung A dengan menggunakan persamaan:
45
= 0.125
2. Dengan menggunakan nilai A dari step 1 dan input pada grafik material yang berlaku, tarik garis lurus hingga berpotongan dengan garis temperatur desain untuk mencari nilai B. Pemilihan penggunaan grafik sebagai berikut: Grafik
Bahan Vessel
1
Carbon Steel, Stainless Steel
2
Austenitic Steel (18Cr-8Ni, Type 304)
3
Austenitic Steel (18Cr-8Ni-Mo, Type 316)
4
Austenitic Steel (18Cr-8Ni-0,03 max. carbon, Type 304L)
5
Austenitic Steel (18Cr-8Ni-0,03 max. carbon, Type 316L dan 317 L)
Grafik 1
Grafik 2
46
Grafik 3
Grafik 4
47
*Ketika nilai A berada di sebelah kanan dari garis temperatur, asumsikan perpotongan terjadi di proyeksi hori zontal dari bagian paling ujun g garis temperatur.
Grafik 5
=
3. Gunakan nilai B untuk menghitung tekanan eksternal maksimum operasi (Pa) :
4. Untuk nilai A yang berada di sebelah kiri garis temperatur, menghitung nilai Pa : 48
= 0.0625
5. Bandingkan hasil perhitungan Pa yang didapat dari step 3 atau 4 dengan P. Jika Pa bernilai lebih kecil, ulangi langkah dengan menggunakan asumsi t yang lebih besar hingga nilai Pa sama atau lebih besar dibandingkan dengan P.
Stiffening Rings: untuk mendesain pada shell untuk menghadapi tekanan dari luar dalam rangka menurunkan capital cost, harus memiliki jarak sebesar L c antara satu ring
Topik 16: Perhitungan Tebal Shell Tekanan Dalam
Perhitungan Ketebalan Shell
Perhitungan ketebalan shell didasarkan pada stress yang dapat ditanggun g oleh material penyusun vessel tersebut (Max Allowed Stress), Welding (pengelasan) dan Korosi . Max Allowed Stress sendiri telah ditetapkan oleh ASME dengan berbagai pertimbangan yaitu tingkat akurasi beban yang ditanggung vessel, Hazard, Reliabilitas material, Keseragaman komponen material vessel (Uniformity), Konsentrasi Stress pada permukaan vessel, Impact Shock, Fatigue dari material dan Korosi . ASME menetapkan kode untuk penentuan ketebalan shell yang
49
mempunyai margin safety yang besar (diatur agar Max Allowed Stress jauh dari titik yield stress material).
Kemudian selain itu, faktor Welding (las) pada sambungan juga mempengaruhi perhitungan dimana bagian yang dilas merupakan bagian paling rentan untuk bocor/rusak/patah. Hal ini dikarenakan pengaruh dari porositas welding (akibat gas yang terperangkap), Ketebalan las, dan Keseragaman ketebalan las. Kemudian Korosi juga mempengaruhi ketebalan shell, dimana korosi akan mempertipis dinding shell setiap tahunnya. Oleh karena itu perlu diperhitungkan ketebalan shell yang dapat tetap bisa menampung produk secara aman walaupun terjadi korosi. Berikut merupakan rumus pada perhitungan ketebalan shell: Bentuk Vessel
Cylindrical shells (circumferential stress)
Cylindrical shells (longitudinal stress)
Spherical Shells
Rumus
Keterangan
= . .0,6. = 2...+0,4. = 2...0,2.
Jika pengelasan secara membujur (longitudinal weld) Jika pengelasan secara melingkar (circumferential weld)
t = Minimum Design Wall Thickness (in); P = Design Pressure (psi); D = Tube Outside Diameter (in); R = Tube Radius (in);
E = Tube Welding Factor (1.0 for seamless pipe; 0.85 = for welded pipe); y = Wall Thickness Welding Factor (0.4 for 900 Farenheit; 0.7 for 950 Farenheit);
Dapat terlihat dari rumus bahwa untuk tipe vessel dan tipe pengelasan yang berbeda, kebutuhan akan ketebalan shell juga berbeda (pembagi bernilai berbeda). Pada vessel silinder dengan pengelasan membujur akan memiliki kebutuhan ketebalan yang lebih tinggi dibandingkan silinder 50
dengan pengelasan sirkumfensial dan sferis. Hal ini dikarenakan pengelasan secara membujur sangat rentan untuk pecah/rusak karena distribusi konsentrasi stressnya tertuju pada bagian yang dilas secara membujur. Berikut merupakan Algoritma Penentuan Tebal Shell
• Mencari tahu kondisi dari
Langkah 1
vessel yang dibutuhkan
Langkah 2
Langkah 3
• Menentukan Allowable Stress pada
kondisi operasi dan material yang dipilih
• Menentukan Thickness dari Vessel
Topik 17: Perhitungan Tebal Tutup
Flat Head Tekanan Internal ASME Sec VIII D1 Part UG-34
= = +1.9 ℎ = = ℎ ℎ =
Namun, bila digunakan bolt pada sambungan, maka digunakan persamaan
Keterangan
:
a factor depending upon the method of attachment of head, shell dimensions, and other items as listed in (d) below, dimensionless. The factors for welded covers also include a factor of 0.667 that effectively increases the allowable stress for such constructions to 1.5S
== == ℎ ℎℎ ℎ ℎ = , ℎ ℎ = , ℎℎ maximum allowable stress value in tension from applicable table of stress values
51
ℎℎℎ Hemispherical Head Tekanan Internal
ASME Sec VIII D1 Part UG-32
= 2 20.2 = +0.2
t = tebal tutup P = tekanan operasi maksimum yang diperbolehkan R = radius dalam S = stress maksimum yang diperbolehkan = f (material, T) E = joint efficiency antara head dan shell Constraint Tebal minimum untuk shell dan tutup segala bentuk: 1.5 mm (ASME Sec VIII D1 Part UG16) •
•
≤ 0.356atau ≤ 0.665 > 0.356atau > 0.665 = exp +1 = ln
Kasus khusus
Appendix 1-3 ASME
Torispherical Head Tekanan Internal
•
Tersusun atas bagian bola dan torus. 52
Radius bola dinamakan crown radius Radius torus dinamakan knuckle radius 2 sambungan: Sambungan tutup dan shell Sambungan bagian crown dan knuckle ASME Sec VIII D1 Part UG-32 Untuk L/r = 50/3 •
•
•
•
•
Untuk L/r < 50/3
= 0,80.851 = 0.885 0.1 = 2 2 0. 2 = 0.2
t = tebal tutup P = tekanan operasi maksimum yang diperbolehkan L = crown radius r = knuckle radius S = stress maksimum yang diperbolehkan E = joint efficiency Nilai M merupakan fungsi dari L/r dan ditentukan melalui tabel pada lampiran. Constraint Tebal minimum untuk shell dan tutup segala bentuk: 1.5 mm (ASME Sec VIII D1 Part UG16) •
•
•
≥ 0.06 ≥ 0.002
untuk mencegah penekukan
Kasus khusus
< 0.002
Appendix 1-4(f) ASME Perhitungan: C1, buckling stress (Se), C2, a, b, φ, β, c, Py, Pe, Pck Hemispherical Head Tekanan Eksternal
53
P = tekanan desain = tekanan operasi maksimum yang diperbolehkan D0 = diameter luar tutup R 0 = radius luar tutup t = tebal minimum
Langkah perhitungan tebal minimum: Asumsikan nilai t Menghitung faktor A
= /
• •
•
•
= 0.1/25 = 0.0625 /
Memperoleh faktor B dari material chart dengan data A dan T. Untuk A di kiri garis material/temperatur,
Jika
< P, trial kembali t dengan nilai yang lebih besar.
Torispherical Head Tekanan Eksternal Dilakukan 2 perhitungan:
Perhitungan ketebalan dalam konteks tekanan internal dengan tekanan desain sebesar 1.67 kali tekanan eksternal dan E = 1 Perhitungan serupa dengan R 0 = radius luar dari porsi crown tutup Nilai terbesar digunakan sebagai ketebalan minimum. •
•
Ellipsoidal Head Tekanan Internal ASME Sec VIII D1 Part UG-32
= 20.2 =ℎ ℎ == =;ℎℎ ℎℎ = ℎ Keterangan
:
maximum allowable stress value in tension from applicable table of stress values
Ellipsoidal Head Tekanan Ekxternal Menggunakan perhitungan thickness of shells and tubes under external pressure Namun, terdapat perbedaan pada persamaan
54
di mana pada sistem ini
=
= 0.9
Conical Head Tekanan Internal
= 2cos0.6 = 2cos+0.4 < 30 atau
Syarat:
== = = ==
tekanan desain internal diameter dalam dari cone head diameter luar dari cone head stress maksimum yang diperbolehkan joint efficiency terendah setengah sudut cone
Toriconical Head Tekanan Internal
= 2cos0.6 = 21 cos 55
> 30 = Syarat: •
diameter dalam bagian conical dari toriconical head
Ketebalan Knuckle
==
faktor yang bergantung L/r jari-jari dalam knuckle
= 20.2 = 2cos = 14 3+
Conical Head Tekanan Eksternal
≤ 60 ⁄ ≥ 10
Conical Heads (
sumsinilai ⁄⁄ >50,⁄
and
Keterangan: = ketebalan efektif dari bagian cone = panjang ekivalen dari conical head = diameter luar dari conical heads = tekanan kerja maksimum yang diperbolehkan = modulus elastisitas •
•
•
•
•
,⁄ ⁄ ⁄ = 50 = 34⁄
Langkah menentukan tebal tutup: 1. A dan menentukan serta 2. Menentukan Faktor A dari grafik 1 = masukkan pada grafik 3. Menentukan Faktor B dari grafik 2 4. Menghitung tekanan kerja maksimum yang diperbolehkan •
•
Jika nilai A berada di sebelah kiri grafik, maka 56
)
5. Jika
= 34⁄
< P, prosedur di atas diulang dengan meningkatkan nilai t
≤ 60 ⁄ ≤ 10 ⁄ < 4, = 1.⁄1 = [2.1⁄67 0.0833] = 2⁄ [1 1⁄]
Conical Heads (
and
)
Langkah menentukan tebal tutup: 1. Melakukan prosedur yang sama seperti sebelumnya untuk mencari B. Jika faktor A dapat dihitung dengan:
A> 0.10, gunakan A = 0.10 2. Menghitung dan
S = the lesser of two times the maximum allowable stress value in tension at design metal temperature or 0.9 times the yield strength of the material at design temperature. Nilai yield strength didapatkan dari grafik yang digunakan pada tekanan eksternal: a. Menentukan nilai B yang berhubungan dengan titik akhir di sebelah kanan kurva b. Yield strength adalah 2 kali nilai B yang didapatkan dari a 3. Nilai atau yang lebih kecil digunakan sebagai 4. Jika < P, prosedur di atas diulang dengan meningkatkan nilai t
Studi Kasus 1: Air Receiver Tank
Sebuah air receiver tank dengan bentuk silinder bertutup torispherical digunakan sebagai buffer gas keluaran kompresor pada HPCL Project di Visakhapatnam. Spesifikasi vessel dapat dilihat di Data Sheet No 256324-500-DS-MEC-021. Beberapa informasi yang diberikan: E = 0.85 •
57
P = 9.335 bar L = 562.5 mm r = 56.25 mm Material carbon steel T = 65oC Corrosion allowance = 1.5 mm Tebal tutup = 6 mm Tebal tutup selanjutnya dihitung ulang untuk membuktikan keakuratan prosedur perhitungan dengan kondisi real di lapangan. Langkah perhitungan tutup torispherical tekanan dalam: Menentukan S (maximum allowable stress) Untuk material carbon steel pada temperatur operasi 65oC, mengacu pada Towler (2013), S = 17100 psi = 1179 bar • • • • • • •
•
•
Menentukan M (fungsi dari L/r) Untuk L/r = 10, mengacu pada Buthod (2001), diperoleh M = 1,54 Menghitung t (tebal tutup)
•
Hasil perhitungan cukup sesuai dengan desain real di lapangan.
•
= + 2 0. 2 9.335562. 5 1. 5 4 = 2 1179 0.85 0.29.335 +1.5 = .
Studi Kasus 2: Berikut data yang disertakan dari suatu vessel bertekanan yang rusak selama gempa bumi HanshinAwaji di Jepang
Tebal tutup selanjutnya dihitung ulang untuk membuktikan apakah ketebalan pada lapangan sebesar 35 mm sudah tepat diterapkan. Langkah perhitungan tutup flat ends adalah sebag ai berikut: Menetukan S (maximum allowable stress) Untuk material 304N Stainless Steel pada temperature operasi 350oC, mengacu pada ASME, • •
= 12.125 = 83 58
•
Menentukan E ( joint efficiency) Untuk sistem joint berjenis seamless, E bernilai 1.0
= 0.33 = 0.33 6 8 = 0.2475 1 32 = = 2.54 0.24750. 831.0 = 50.39 = 1.98
•
Menentukan C (shape factor )
•
Menghitung t (tebal tutup)
•
Hasil perhitungan membuktikan bahwa tebal pada lapangan tidak memenuhi tebal minimum hasil perhitungan teoretis sehingga hal ini menjadi salah satu faktor kegagalan vessel bertekanan yang digunakan.
Studi Kasus 3: Menentukan tebal dari tutup vessel berbentuk conical yang dipengaruhi oleh tekanan eksternal. Berikut ini adalah data-data yang diberikan: P = 15 psig (tekanan eksternal) = 96 in •
•
•
•
= 0 = 22.5 == 116 500 = 0. 3 125 ⁄ ⁄ , == cos = 0. 3 125cos22. 5 = 0. 3 125×0. 9 239 = 0. 2 88 ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ 2 1+ = 116 2 1+0 96 = 58 = = 0.6 = . = 333 AB == 5200 0.00037 5200 = 20.8 = 34⁄ = 43333 Material SA 285-C F
•
•
•
Langkah-langkah perhitungan: Mengasumsikan tebal tutup, yaitu Menentukan serta • •
o o o
o
• • •
Menentukan nilai Faktor A menggunakan Grafik 1 sehingga didapatkan Menentukan nilai Faktor B menggunakan Grafik 2 sehingga didapatkan Menghitung tekanan kerja maksimum yang diperbolehkan
Karena
> P, maka ketebalan yang diasumsikan sudah memenuhi syarat
59
Kurva shortcut untuk menentukan tebal tutup pada bentuk tutup hemispherical dan torispherical
(Sumber: Buthod, 2001) Penentuan stress maksimum yang diperbolehkan
60
(Sumber: Towler, 2013) Penentuan efisiensi sambungan
(Sumber: Towler, 2013) Penentuan Nilai M pada Torispherical Head Tekanan Internal
(Sumber: Buthod, 2001) Grafik untuk Menentukan Faktor A (Grafik 1)
(Sumber: Megyesy, Eugene F., 2001) 61
Grafik untuk Menentukan Faktor B (Grafik 2)
(Sumber: Megyesy, Eugene F., 2001)
Topik 18: Pemilihan Bahan untuk Shell dan Tutup
? g n i t n e P a p a g n e M
Kesalahan pemilihan material dapat menyebabkan failure bahkan kehilangan nyawa
Pemilihan material yang tepat dapat memperpanjang umur peralatan
Faktor-faktor Pemilihan Bahan Kondisi Operasi Tekanan
Flow
Beban Eksternal
Kondisi dan Jenis Fluida
Kodisi Transien
Cuaca
Sifat Fisika
Piping Reactions
Sifat Kimia
Dead Weight dari Alat
Temperatur
62
Beban siklik akibat gangguan
Karakteristik Bahan 1. Sifat-sifat Mekanis: •
•
•
•
•
•
Strength – tensile strength
Tegangan maksimum yang mampu ditahan oleh suatu benda ketika diregangkan atau ditarik sebelum bahan tersebut patah. Stiffness –elastic modulus (Young’s modulus) SIfat bahan yang mampu regang pada tegangan tinggi tanpa diikuti regangan yang besar. Toughness – fracture resistance Kemampuan menahan beban di atas tegangan luluh tanpa terjadinya patah. Hardness – wear resistance Kemampuan material untuk menahan beban identasi dan penetrasi. Fatigue resistance Ketahanan material terhadap pembebanan mekanis. Creep resistance Ketahanan terhadap deformasi plastis yang terjadi sebagai akibat dari lingkungan bertemperatur tinggi dan tegangan statik yang tetap dalam kurun waktu yang lama.
2. Efek dari temperatur tinggi maupun rendah dan thermal cycling terhadap sifat-sifat mekanis. 3. Ketahanan korosi. 4. Sifat-sifat spesial yang diperlukan, seperti konduktivitas termal, tahanan listrik, sifat magnetik, dll. 5. Kemudahan dalam fabrikasi — forming, welding, casting. 6. Tersedia dalam ukuran standar — plates, sections, tubes. 7. Biaya
63
Pemilihan Bahan Berdasarkan Suhu
Pemilihan Bahan Berdasarkan Suhu dan Tekanan
64
Jenis-jenis Material untuk Pressure Vessel 1. Carbon Steel Kelebihan: Availabilitas tinggi, murah harganya dan cocok digunakan untuk kebanyakan pelarut organik.
•
Kelemahan: Tidak tahan terhadap korosi, kecuali untuk beberapa kondisi spesifik seperti asam sulfat dengan konsentrasi tinggi dan basa kaustik seperti NaOH, tidak tahan solven yang mengandung klorin. 2. Mild Steel (Mengandung Carbon 0.3%) •
Kelebihan: Dapat menahan stress corrosion cracking pada beberapa situasi lingkungan, mudah dibentuk.
•
Kelemahan: Resistansi korosi rendah, lebih banyak digunakan untuk pipa, mur, baut, dan lain sebagainya. 3. High Si iron (14-15% Si) •
Kelebihan: Resistansi tinggi terhadap asam mineral, biasanya digunakan untuk asam sulfat (H2SO4) dengan berbagai konsentrasi dan suhu.
•
Kelemahan: Sangat brittle, tidak dapat digunakan dengan HCl. 4. Stainless Steel •
Tipe 304 (18/8 stainless steel): Jenis yang paling umum dan paling banyak digunakan. Mengandung kadar Cr dan Ni yang menghasilkan struktur austenitik yang stabil. Konten C cukup rendah sehingga dapat digunakan untuk heat treatment.
•
Tipe 304L: Versi dengan %C lebih rendah daripada 304 (<0.03% C). Digunakan untuk bagian welding yang lebih tebal, dimana pada 304 biasanya dapat terjadi carbide precipitation.
•
Tipe 321: Penambahan titanium sehingga lebih stabil dan tidak terjadi carbide precipitation saat welding. Kekuatannya tinggi dibandingkan 304L, lebih tepat untuk suhu tinggi.
•
•
Tipe 347: Penambahan niobium pada tipe 304 sehingga lebih stabil.
•
Tipe 309/310: Konten Cr tinggi untuk memberikan resistansi oksidasi pada suhu tinggi.
Tipe 316: Penambahan molybdenum untuk meningkatkan ketahanan korosi pada kondisi reduksi, misalnya pada penggunaan dengan asam sulfat, asetat, atau format. Meski demikian, dapat menimbulkan stress corrosion cracking pada suhu >100oC. Sangat baik digunakan untuk zat organik dan amonia serta garam netral/basa, meski beberapa asam organik dan halida organik dapat terhidrolisis membentuk asam halogen anorganik yang dapat menyerang SS terutama pada suhu dan tekanan tinggi. Penggunaan asam halogen terutama Cl- dapat menyerang SS meski pada larutan berkonsentrasi rendah dan suhu rendah. Namun, pada sistem anhidrat, dapat digunakan dengan HF dan HCl. 5. Carpenter 20 (Alloy 20) •
•
Kelebihan: SS yang dimodifikasi dan didesain spesifik untuk penggunaan larutan H2SO4 pada suhu yang tinggi. Dapat juga digunakan untuk asam fosfat dan nitrat serta sistem lain yang tidak dapat dipenuhi oleh 316.
Kelemahan: Harganya relatif lebih mahal. 6. Monel (Alloy 400) •
65
•
Kelebihan: Terdiri dari nikel dan tembaga dengan perbandingan 2:1. Resistansi korosi tinggi seperti nikel, dengan working pressure dan suhu yang lebih tinggi pada harga yang relatif rendah. Dapat digunakan pada kondisi tereduksi dimana SS tidak mungkin digunakan. Baik juga digunakan untuk fluorin, hidrogen fluorida dan HCl. Banyak digunakan untuk larutan kaustik dan basa, asam organik, garam, serta air laut.
Kelemahan: Harganya lebih mahal dibandingkan jenis SS, diatas suhu 500oC kekuatan mekanik menurun, kandungan tembaga yang tinggi membuatnya dapat diserang oleh HNO3 dan NH3. 7. Inconel (Alloy 600) •
•
Kelebihan: Mengandung Ni yang tinggi dan memberikan resistansi terhadap larutan kaustik serta klorida pada suhu dan tekanan tinggi, saat senyawa sulfur ada. Pada sistem dengan kaustik, inconel tidak ada tandingannya dan sering digunakan karena kekuatan yang tinggi pada suhu tinggi.
Kelemahan: Harganya mahal sehingga tidak umum digunakan kecuali pada sistem yang membutuhkan ketahanan sangat tinggi. 8. Hastelloy B-2/B-3 (Alloy B-2/B-3) (65% Ni, 28% Mo, 6% Fe) •
•
Kelebihan: Kaya akan kandungan Ni dan Mo, yang dikembangkan untuk resistansi pada lingkungan asam yang mereduksi, secara spesifik HCl, H2SO4, dan H3PO4.
Kelemahan: Keberadaan ion lain seperti Fe dan ion pengoksidasi lain sebesar 50 ppm saja dapat mendegradasi resistansi alloy ini. 9. Hastelloy C-276 (Alloy C-276) (54% Ni, 17% Mo, 15% Cr, 5% Fe) •
•
Kelebihan: Resistansi tinggi terhadap asam, tetapi juga untuk ion pengoksidasi lain seperti Cu dan Fe, bahkan berbagai jenis material yang mengandung klorin. Oleh karena itu, alloy ini sangat banyak digunakan setelah SS 316 untuk vessel yang digunakan dalam riset dan pengembangan.
Kelemahan: Harganya relatif lebih mahal. 10. Nickel 200 •
•
Kelebihan: Nikel memiliki properti mekanik yang baik. Biasanya tidak digunakan secara murni, tetapi Nikel 200 adalah salah satu dari penggunaan murninya. Resistansi terhadap korosi sangat tinggi terutama pada lingkungan kaustik yang bersuhu tinggi >700 oC
Kelemahan: Aplikasinya terbatas karena harganya sangat mahal dan sulit dibuat. 11. Titanium •
•
Kelebihan: Baik digunakan untuk agen pengoksidasi seperti asam nitrat, asam klorida, aqua regia, dan lain sebagainya. Asam pereduksi seperti H2SO4 dan HCl yang biasanya memberikan laju korosi yang tinggi, memiliki laju korosi yang rendah pada Ti jika ion pereduksi seperti Fe, Cu, Ni, atau asam nitrat yang terkandung sedikit (corrosion inhibitor). Fenomena ini membuat Ti banyak digunakan di dalam dunia hidrometalurgi dimana asam digunakan untuk leaching pada hasil tambang. Ion yang terekstraksi berperan sebagai inhibitor korosi.
Kelemahan: Ti dapat terbakar dengan keberadaan O2 pada suhu dan tekanan tinggi, sehingga harus berhati-hati dalam prosesnya tidak boleh ada keberadaan oksigen. 12. Zirkonium •
66
•
•
•
Kelebihan: Sangat baik untuk lingkungan korosif, Memberikan resistansi yang baik terhadap alkali serta asam fosfat dan nitrat. Grade 702 mengandung hafnium, sangat baik terhadap agen korosif. Grade 705 mengandung hafnium dan niobium yang memiliki kekuatan tinggi. Grade 702 lebih banyak digunakan dan resistansi korosinya lebih baik. Kelemahan: Sama dengan Hastelloy B, ion pengoksidasi seperti Fe, Cu harus dihindari. Aplikasi khusus: Digunakan untuk industri nuklir serta pada kondisi dimana dibutuhkan resistansi terhadap air panas atau asam yang kuat dan bersuhu tinggi.
Material metal untuk kategori high temperature / high strength alloys Material
Karakteristik
Alloy 625 memiliki resistansi kimia yang sama dengan Hastelloy C-276, tetapi dengan kekuatan yang jauh lebih tinggi. Alloy ini digunakan saat dibutuhkan aplikasi suhu dan tekanan yang lebih tinggi. Alloy 230 Di dalam ASME telah diapprove untuk suhu hingga 980°C. Alloy ini kaya akan nikel, krom, tungsten, dan kobalt. Pada suhu tinggi, kekuatan juga tetap tinggi, sering juga digunakan untuk bahan pengelasan. Alloy A- Alloy A-286 memiliki kekuatan yang sangat tinggi pada suhu hingga 371oC 286 dan biasa digunakan untuk bahan pengelasan. Tantalum Untuk aplikasi asam berkonsentrasi tinggi dan suhu tinggi seperti HCl, H2SO4, CH3COOH, H2S, dan HNO3, tantalum memberikan resistansi korosi yang sangat baik, dengan harga yang sangat mahal. Salah satu alternatif yang bisa dilakukan adalah penggunaan coating tantalum yang tervaporisasi di dalam reaktor atau vessel. Alloy 625 (Inconel)
Material non-metal yang digunakan untuk pembuatan vessel maupun aplikasi khusus / tambahan Material
Karakteristik
Acid-Resistant Bricks and Tiles (Ceramic)
Menggunakan tile keramik untuk bahan dengan didukung membran tahan korosi di belakangnya, serta semen yang resisten terhadap korosi, digunakan untuk lining dan joint vessel.
Stoneware (Ceramic) Glass (Ceramic) Borosilicate PVC
Resisten terhadap bahan kimia, kecuali alkali dan fluorin. Digunakan di dalam kolom absorbsi dan distilasi. Resisten terhadap perubahan suhu mendadak dan bahan kimia, dapat / digunakan hingga suhu 700°C tetapi tidak bisa digunakan untuk P>1 atm kecuali hanya untuk lining. Digunakan untuk kolom absorbsi dan distilasi serta lining untuk vessel dari CS, SS, dan besi. Material termoplastik yang paling banyak digunakan di dalam industri kimia, resisten terhadap asam anorganik kecuali HNO3 dan H2SO4 kuat, serta larutan garam anorganik. Tidak dapat digunakan dengan solven 67
organik. Suhu operasi maksimum rendah (60°C, 140°F) dan tekanan berkisar pada 570 kPa (85 psi). Polytetrafluoro Resisten terhadap seluruh bahan kimia kecuali fluorin dan alkali, dapat -ethylene digunakan hingga T=250°C. Kekuatannya rendah, tetapi bisa (PTFE) ditingkatkan dengan penambahan filler menjadi komposit, tetapi fabrikasinya sulit dan mahal. Polyvinylidene Mirip dengan PTFE tetapi lebih mudah fabrikasinya. Resisten terhadap Fluoride alkali, asam anorganik, dan solven organik. Suhu operasi maksimum (PVDF) adalah 140°C. Glass-FiberKuat dan resisten terhadap banyak jenis bahan kimia. Kekuatan Reinforced mekaniknya bergantung pada resin yang digunakan, bentuk Plastics (GRP) reinforcement-nya, dan rasio resin terhadap kaca. Resin polyester (Composite) resisten terhadap asam mineral encer, garam anorganik, dan solven lainnya tetapi tidak resisten terhadap alkali. Digunakan untuk lining pada pressure vessel dalam bentuk continuous filament. Contoh Kasus Pemilihan Bahan Untuk Pressure Vessel Untuk mendesain pressure vessel yang aman dengan pemilihan material yang tepat membutuhkan batasan tertentu yaitu yield-before-break atau leak-before-break .
Jika terdapat pressure vessel silindris seperti gambar diatas, stress yang dibutuhkan untuk menyebabkan crack pada vessel adalah:
= √ = ≤
dengan C adalah konstanta mendekati 1, dan K 1C adalah fracture toughness. Desain ini belum fail-safe, diambil kriteria yield strength ( ) sehingga memberikan:
yang dapat ditahan oleh material dengan kriteria material index pertama yaitu:
68
= 4 ≤ = ≥ 2 =
Selain itu, tekanan maksimum yang harus ditangani adalah:
maka material yang harus diambil memiliki kriteria index kedua yaitu:
Selain itu, perlu diperhatikan juga ketebalan pressure vessel untuk menahan pressure P:
= 30, = 50 ,
maka material yang harus diambil menjaga ketebalan setipis mungkin agar murah, tetapi tetap aman, sehingga nilai harus maksimal dan diambil material index ketiga: Kemudian, dari kriteria-kriteria ini, maka digambarkan pada grafik K 1C vs nilai
maka:
. Apabila asumsi
Dengan grafik ini, dapat dilihat zona yang bisa digunakan untuk material yang tepat (search region) dengan perpotongan ketiga material index. Dari gambar tersebut, maka dapat disimpulkan bahwa steel, copper, dan aluminium dapat memenuhi kriteria untuk nilai yang telah dispesifikasi.
69
Topik 19:Case Study Perhitungan Vessel
Data Lapangan •
Kapasitas: 95500 m3
•
Densitas LNG: 28,09 lbm/ft3
•
Bahan: Stainless Steel + 9% Nickel
•
Dimensi Badak: 59,7 m x 36 m
•
Tekanan Operasi: 16,7 psia
•
Butt Welded Joint → E = 0,85
•
Suhu Operasi: -162 oC
Step 1: Penentuan Jenis Vessel
Dikarenakan vessel digunakan untuk menampung LNG, maka jenis vessel yang digunakan adalah storage vessel, lebih tepatnya closed pressure vessel Step 2: Penentuan Ukuran Vessel
LNG yang ditampung sekitar sebesar 95500 m3 sehingga vessel yang digunakan adalah large pressure vessel Step 3: Penentuan Bentuk Vessel
Bentuk vessel yang digunakan untuk menampung LNG adalah cylindrical vessel Step 4: Penentuan Vessel Berdasarkan Tekanan
Vessel yang digunakan bertekanan atmosferik (Atmospheric pressure vessel) dengan sedikit tekanan dalam Step 5: Orientasi Bejana
Vessel yang digunakan dalam bentuk vertikal karena vessel yang digunakan kapasitasn ya besar sehingga dibutuhkan support untuk vesselnya. Bila horizontal, maka vessel tidak dapat tersupport dengan baik Step 6: Lokasi Bejana
Vessel yang digunakan tepat di atas permukaan tanah dikarenakan dibutuhkan insulasi vessel menggunakan perlite Step 7: Bejana Tertutup/Terbuka
Karena vessel yang digunakan untuk menyimpan LNG, maka bejana yang digunakan adalah bejana tertutup agar tidak menguap Step 8: Pemilihan Head
Dalam pemilihan head, ada beberapa faktor yang harus ditinjau. Pada umumnya, conical head adalah yang paling tepat digunakan, tetapi dalam kondisi ini, dimana LNG memiliki RVP tinggi dan conical head menghasilkan vapor space yang besar, terdapat kerugian diantaranya banyak LNG yang dapat terevaporasi, control suhu yang sulit, dan pemasangan insulasi yang 70
sulit. Maka, head yang dipilih adalah ellipsoidal dimana head ini mampu mendistribusi tensile stress material dan menahan bengkok untuk diameter besar Step 9: Pemilihan Bottom
Dengan vessel berada pada permukaan tanah, maka jenis bottom yang paling cocok adalah flat bottom untuk menopang vessel tersebut Step 10: Perhitungan D/H
Berdasarkan Brownel & Young (1959), rasio D/H diperoleh berdasarkan persamaan:
= 4 + + +
Keterangan:
: Biaya tahunan dari pembuatan shell ($/ft2) : Biaya tahunan dari pembuatan bottom ($/ft2) : Biaya tahunan dari pembuatan head ($/ft2) : Biaya tahunan dari pemasangan pondasi ($/ft2) : Biaya tahunan dari pembelian lahan untuk tangki ($/ft2)
Asumsi: •
•
•
= 2 = 2 = = 0,5
Volume tangki:
Sehingga diperoleh
= 4 + 2 +20,5 + 0,5 = 2 = 14 → = 4 95500 4 = 2,0 → = 31,209 ≈ 33 = 62,42 ≈ 63
Step 11: Corrosion Allowance
71
Nilai korosi yang diterima adalah sebesar 2mm untuk korosi moderat sedangkan 4mm untuk korosi berat Step 12: Joint Efficiency
Dengan asumsi vessel menggunakan double welded joint dan spot examination, maka efisiensinya sebesar 0,85 Step 13: Perhitungan Ketebalan Shell
Ketebalan shell dapat dihitung dengan persamaan:
= 0, 6 + =
Karena ada pengaruh tekanan hidrostatis pada dasar tangki, maka ketebalan shell bagia n bawah harus lebih tebal dari pada shell bagian atas.
72
Step 14: Penentuan Ketebalan Head
Karena diameter tangki yang sangat besar, maka jenis yang paling sesuai adalah Elliptical Head. Rasio sumbu mayor terhadap sumbu minor yang paling sering digunakan adalah 2:1, sehingga nilai adalah 2.
= 16 2+ → = 16 2+2 = 1,0 = 20,2 + 2,2 2480. 3 1 ℎ1, 0 = 2 17500 0,85 0,22,2 +0.007 = 0,19ℎ = = ℎ Keterangan:
Step 15: Penentuan Ketebalan Bottom
Karena ukuran yang sangat besar, maka tangki akan diletakkan di tanah (setelah dibuat pondasi). Oleh karena itu, bentuk bottom yang sesuai adalah Flat Bottom.
= 23,122 = 45,07ℎ = 2480,31ℎ 0.2517500 Step 16: Estimasi Harga
Material Volume:
= 4 ℎ = 63; = 0.0426+63= 63.0426 = 139. 16 = 4 = 4 63.04260.0048 = 14.98 = 139.16+2×14.98 = 169.12 73
