BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Teknik kimia melibatkan aplikasi dari ilmu pengetahuan dalam industri proses yang terfokus pada konversi suatu material ke bentuk lain baik secara fisiska ataupun kimia. Proses-proses ini membutuhkan penanganan dan penyimpanan material dalam jumlah besar yang terdiri atas bermacam variasi konstruksi, tergantung pada kondisi material yang dignakan., sifat-sifat kimia dan fisika material tersebut serta kebutuhan operasi. Untuk penanganan, seperti wadah penampungan gas dan liquid digunakan tangki. Oleh karena itu, kami sebagai mahasiswa/i Teknik kimia, perlu mempelajari dan mengetahui beberapa hal tentang Tangki. Selain itu hal yang melatarbelakangi dibuatnya makalah ini adalah agar kami sebagai kelompok I (satu), dapat memenuhi tugas yang telah diberikan oleh dosen pengajar mata kuliah Perancangan Alat Proses, yaitu bapak Aman ST.
1.2.Tujuan Makalah dengan judul ’Tangki’ ini dibuat bertujuan untuk menjelaskan dan memberikan beberapa informasi atau pengetahuan yang berkaitan dengan sebuah alat proses yang disebut dengan tangki yang memiliki beberapa kegunaan dan jenisnya, dan untuk mempelajari langkah-langkah perancangan suatu tangki.
-1-
BAB II TINJAUAN PUSTAKA Tangki merupakan salah satu bagian terpenting dalam setiap alat proses. Pada sebagian besar alat proses, tangki sangat diperhatikan dengan beberapa modifikasi sesuai keperluan yang memungkinkan alat beroperasi pada fungsi yang dikehendaki. Tangki dapat diklasifikasikan berdasarkan fungsional operasi, suhu dan tekanan operasi, konstruksi material, dan geometri dari tangki itu sendiri. Tipe tangki yang paling banyak dijumpai dapat diklasifikasikan berdasarkan bentuk geometri tangki. 1. Open and closed tank 2. Flat-bottomed tank 3. Tangki silindris dengan atap dan dasar tertutup rapat 4. Spherical Tangki pada setiap klasifikasi ini banyak digunakan sebagai tangki penyimpanan dan tangki pemroses untuk fluida. Range dari setiap proses untuk tangki dapat disesuaikan, dan tidak mudah untuk memenuhi semua kebutuhan dalam berbagai aplikasi. Liquid yang tidak berbahaya dalam jumlah yang besar, seperti larutan garam atau larutan yang encer, dapat disimpan dalam sebuah kolam jika hanya dalam jumlah yang kecil, atau dalam bak terbuka yang terbuat dari besi, kayu, atau tangki yang terbuat dari beton untuk jumlah yang besar. Jika fluidanya bersifat toksik, mudah terbakar, atau kondisi penyimpanan dalam bentuk gas, atau jika tekanannya lebih besar dari tekanan atmosferik, system tertutup sangat diperlukan. Untuk penyimpanan fluida pada tekanan atmosferik, biasanya digunakan tangki silinder dengan dasar yang datar dan tutup yang berbentuk kerucut. Bentuk lingkaran digunakan untuk tekanan tangki dimana volume yang dibutuhkan besar. Untuk volume yang lebih kecil dengan tekanan, tangki silindris dengan tutup lebih ekonomis.
-2-
Biasanya tahap awal dari perancangan tangki adalah pemilihan tipe/bentuk yang paling sesuai dengan konsisi operasi yang diinginkan. Faktor terpenting yang sesuai yang mempengaruhi pemilihan ini adalah: 1. Fungsi dan lokasi tangki 2. Sifat alamiah dari fluida yang akan digunakan 3. Suhu dan tekanan operasi 4. Volume yang dibutuhkan atau kapasitas untuk proses yang akan digunakan
2.1. Open Tank (Tangki Terbuka) Open tangki biasanya digunakan sebagai surge tank diantara operasi, sebagai vats untuk proses batch dimana material tercampur, sebagai setting tank, decanter, reactor, reservoir dan lain-lain. Sebenarnya, tangki tipe ini lebih murah daripada tangki tertutup dengan konstruksi dan kapasitas yang sama. Untuk memutuskan menggunakan open tangki ini atau tidak tergantung pada fluida yang ditangani dan tergantung pada proses operasinya. Untuk larutan tidak terlalu encer dengan jumlah besar dapat disimpan dalam sebuah kolam. Sebenarnya kolam tidak dapat juga dikatakan sebagai tangki. Untuk itu tempat penyimpanan sederhana dapat dibuat dengan material yang murah, seperti lempung. Tidak semua tipe lempung dapat digunakan untuk kolam penyimpanan; clay misalnya dengan sifat yang tak mudah tertembus oleh air atau kedap air dapat digunakan. Sebagai contoh penggunaan dari kolam yang terbuat dari lempung pada proses dimana garam dikristalisasi dari air laut dengan evaporasi dengan bantuan sinar matahari. Apabila fluida yang digunakan lebih mempunyai nilai tempat penyimpanan yang lebih baik sangat diperlukan. Tangki sirkular besar yang terbuat dari baja atau beton banyak digunakan untuk kolam pengendapan dengan pengeruk yang berputar akan memisahkan endapan ke dasar tangki. Tangki tipe ini, harus memiliki range diameter dari 100-200 ft dan dengan kedalaman beberapa feet. Open tangki yang lebih kecil biasanya digunakan untuk bentuk sirkular dan terbuat dari baja ringan, pelat beton, dan kadang-kadang dari kayu. Material -3-
lain dapat digunakan pada penggunaan terbatas dengan korosi yang cukup tinggi atau masalah kontaminasi sering dijumpai. Bagaimanapun pada umumnya proses di industri sebagian besar tangki yang digunakan terbuat dari baja karena harga yang relative murah dan fabrikasi yang mudah. Pada beberapa kasus, beberapa tangki dilapisi dengan rubber, kaca, atau plastic untuk meningkatkan ketahanan terhadap korosi. Pada industri makanan dan farmasi biasanya diperlukan untuk menambahkan material pada open tangki
dalam proses persiapan campuran.
Tangki terbuka kecil atau ketel biasanya digunakan untuk keperluan-keperluan tertentu. Baja yang dilapisi kaca, tembaga, monel, dan tangki yang terbuat dari stainless-steel biasanya digunakan untuk ketahan terhadap korosi dan mencegah kontaminasi pada proses material.
2.2. Closed Tank (Tangki Tertutup) Fluida yang mudah terbakar, fluida yang bersifat toksik, dan gas harus disimpan pada tangki tertutup. Bahan kimia berbahaya, seperti asam dan kaustik akan mengurangi resiko yang dapat ditimbulkan jika disimpan pada tangki tertutup. Minyak yang mudah terbakar dan produk lain yang sejenis mengharuskan
untuk menggunakan tangki dan tangki tertutup pada industri
perminyakan dan petrokimia. Penggunaan tangki secara luas pada bidang ini telah menghasilkan usaha yang sangat penting bagi American Petroleum Institute untuk menstandarisasi perancangan untuk kebutuhan keamanan dan ekonomi. Tangki digunakan untuk menyimpan crude oil dan produk dari industri perminyakan umumnya dirancang dan dibuat sesuai dengan standar API 12 C, spesifikasi API untuk tangki penyimpanan minyak mentah. Ini merupakan referensi standar yang digunakan untuk perancangan tangki pada industri perminyakan, tapi juga berguna sebagai referensi untuk aplikasi lain.
-4-
2.3. Tangki dengan Flat Bottom Perancangan tangki yang paling ekonomis yang beroperasi pada tekanan atmosferik adalah tangki slindris yang diposisikan vertical dengan dasar yang datar dan tutup berbentuk kerucut. Pada kasus yang menggunakan umpan yang dipengaruhi oleh gravitasi, tangkinya diletakkan pada ketinggian tertentu dari atas tanah, dan dengan dasar yang datar yang dilengkapi dengan kolom-kolom dan penampang kayu bersilang dengan tiang penyangga dari baja. Silindris, dasar yang datar, tutup berbentuk kerucut dan dilengkapi dengan saluran udara atau lubang angin yang menyebabkan fluida terekspansi dan terkontraksi sebagai akibat dari temperature dan volume yang fluktuatif. Tangki dengan diameter yang lebih besar dari 24 ft dapat dilengkapi dengan tutup yang tersendiri; tangki dengan diameter yang lebih besar, lebih dari 48 ft, biasanya membutuhkan sekurang-kurangya 1 kolom sentral sebagai support. Tangki dengan diameter yang lebih besar biasanya dirancang dengan kolom yang banyak atau dengan pelampung, atau atap yang berjembatan yang akan naik atau turun sesuai dengan ketinggian fluida didalam tangki. Jika atap yang berbentuk kubah digunakan, tekanan 2,5 sampai 15 lb per meter persegi dapat digunakan. Tangki ini biasanya diameternya tidak terlalu besar namun lebih tinggi untuk memberikan kapasitas yang lebih besar dari tangki dengan atap yang berbentuk kerucut.
2.4. Tangki Silindris dengan Atap dan Dasar yang Tertutup Rapat Cylindrical Tangki yang tertutup rapat pada dasar dan atapnya digunakan jika tekanan uap dari fluida yang disimpan memerlukan perancangan yang lebih kuat lagi. Ada kode-kode yang dikembangkan oleh American Petroleum Institute dan American Society of Mechanical Engineer untuk menetukan perancangan tangki. Tangki tipe ini biasanya memiliki diameter 12 ft. Field-erected tangki memiliki diameter melebihi 35 ft dan panjangnya 200 ft. Jika harus menyimpan fluida dengan jumlah besar, tangki yang berbentuk seperti baterai digunakan. Bentuk atap yang tertutup rapat yang bermacam-macam digunakan sebagai atap pada tangki yang berbentuk silinder. Atap yang tertutup rapat ada -5-
yang berbentuk hemi-spherical, elips, torispheris, bentuk standar, bentuk kerucut, dan bentuk toriconical. Untuk beberapa keperluan tertentu lempengan tipis digunakan untuk menutup bagian atas tangki. Namun jarang digunakan untuk tangki yang besar. Untuk tekanan kode tidak diberikan oleh ASME, tangki biasanya dilengkapi dengan penutup yang standar., sesungguhnya tangki yang membutuhkan kode konstruksi dilengkapi oleh ASME-dished atau ellipticaldished. Biasanya yang sering digunakan sebagai atap untuk pressure tangki berbentuk elips. Sebagian besar alat proses pada industri kimia dan petrokimia seperti kolom distilasi, desorber, absorber, scrubber, heat exchanger, pressure-surge tank, dan separator biasanya menggunakan tangki berbentuk silindris dengan kedua ujung yang tertutup rapat yang satu dengan yang lainnya.
Gambar 2.1 Desain tangki silindris dengan atap damn dasar tertutup rapat
-6-
2.5. Tangki Spherical Tempat penyimpanan untuk volume yang besar dengan tekanan yang sedang biasanya dibuat dalam bentuk lingkaran atau berbentuk lingkungan. Kapasitas dan tekanan yang digunakan dalam tangki tipe ini bervariasi. Range kapasitas berkisar antara 1000-25000 bbl, dan range tekanan berkisar 10 psig untuk tangki yang lebih besar dan 200 psig untuk tangki yang lebih yang kecil. Gambar
2.2 menunjukkan tangki yang berbentuk silindris yang diposisikan
secara horizontal yang berbentuk seperti baterai dan tangki spherical untuk menyimpan produk minyak yang bertekanan diatas 100 psig.
Gambar 2.2 Tangki Spherical Saat gas disimpan di bawah tekanan, volume penyimpanan yang dibutuhkan berbanding terbalik dengan tekanan penyimpanan. Pada umumnya, saat sejumlah gas disimpan dalam tangki yang berbentuk spherical akan lebih ekonomis jika menggunakan volume dengan jumlah besar, operasi penyimpanan dengan tekanan rendah. Pada penyimpanan dengan tekanan tinggi volume gas menjadi berkurang, karena itulah tangki spherical menjadi lebih ekonomis. Jika kelonggaran diberikan pada biaya kompresi dan pendinginan gas, beberapanya akan hilang. Ketika menangani gas dengan jumlah kecil, lebih menguntungkan jika menggunakan tangki penyimpanan yang berbentuk silindris karena biaya pembuatan menjadi factor yang berpengaruh dan tangki silindris yang kecil lebih ekonomis dari tangki spherical yang kecil.
-7-
Walaupun spherical vessel memiliki aplikasi proses yang terbatas, mayoritas tekanan disebabkan oleh shell silindris. Head dapat dibuat flat atau datar jika dinding penopangnya sesuai, tetapi lebih banyak dijumpai yang berbentuk kerucut.
2.6. Jenis-Jenis Tutup Tangki Head adalah bagian tutup suatu bejana (vessel) yang penggunaan disesuaikan dengan tekanan operasi bejana. tebal dari head ini tergantung dengan hasil perhitungan yang ditentukan dan karakteristik fluida yang akan diproses didalam bagian dalam bejana. Tutup bejana ini tebagi menjadi 6 bentuk yaitu: a. Bejana ½ Bola (Hemispherical) Suatu tutup bejana setengah bola adalah bentuk yang paling kuat, mampu menahan tekan dua kali banyak dari bentuk tutup torispherical dilihat dari ketebalan yang sama. Ongkos pembentukan suatu tutup bejana setengah bola, bagaimanapun lebih tinggi dibandingkan dengan yang untuk suatu tutup berbentuk torispherical. Tutup bejana yang setengah bola ini biasanya digunakan pada tekan tinggi.
-8-
Gambar 2.3 Bejana ½ Bola (Hemispherical) Dari berbagai macam pengujian, didapat bahwa untuk tekanan sama di bagian yang silindris dan tutup setengah bola dari suatu bejana, ketebalan dari tutup yang diperlukan adalah separuh silinder tangkinya. Bagaimanapun, ketika pembesaran dari dua bagian berbeda, tekan discontinuitas akan di-set ke arah tutup dan sampingan silinder. Untuk tidak ada perbedaan di dalam pembesaran antara kedua bagian (ketegangan diametral yang sama) dapat ditunjukkan bahwa untuk baja (perbandingan Poisson D 0.3) perbandingan dari ketebalan tutup bejana setengah bola ketebalan jumlah maksimumnya, secara normal sama dengan 0.6 (Brownell dan Young 1959).
Cara perancangan tutup tipe
Hemispherical adalah sebagai berikut : 1. Cara Brownell & Young Hemispherical head Langkah-langkah perancangan: a.
Trial th
b.
Tentukan nilai rc (radius of curvature) rc = d/2
(1)
c.
Tentukan nilai rc/(100 th)
d.
Pilih grafik sesuai dengan bahan konstruksi pilihan yang memberikan nilai yield point (Tabel 5.1 Brownell dan Young 1959) yang masuk dalam kisaran grafik tersebut.
e.
Tentukan nilai f/E Tarik garis horizontal dari nilai (l1/100 th) = rc/(100 th) ke arah kanan memotong garis “sphere line”, Kemudian tarik garis ke arah bawah. -9-
f.
Tentukan nilai B Dari nilai f/E tarik garis vertikal ke arah suhu operasi bejana, kemudian dari perpotongan garis tersebut tarik garis horizontal ke kanan.
g.
Tentukan nilai r/th r rc th 100t h
h.
(2)
Tentukan Pallow. Pallow.
i.
*100
B r/t h
(3)
Bandingkan nilai Pallow. dengan Plingkungan = 15 psi. Perhitungan benar jika Pallow. > Plingkungan, tapi tidak Pallow. > >> Plingkungan. Jika Pallow. < Plingkungan. maka lakukan trial th kembali dengan langkah sama seperti di atas ( dengan nilai trial th berikutnya > nilai trial th sebelumnya).
2.
Cara Buthod & Megyesy Hemispherical head
Langkah-langkah perancangan: a.
Trial th
b.
Tentukan nilai A A
0,125 Ro / t h
(4)
Ro = Do/2 c.
Pilih Grafik (hal. 41-45 Brownell dan Young 1959) sesuai dengan bahan konstruksi yang digunakan.
d.
Tentukan nilai B Dengan cara menarik garis vertikal dari nilai A yang diperoleh ke arah suhu operasi bejana, kemudian tarik garis horizontal ke arah kanan.
e.
Tentukan tekanan kerja maksimum yang diizinkan (Pa) Pa
B (Ro/t h )
(5)
Pa = tekanan kerja maksimum yang diizinkan, psi.
- 10 -
Jika nilai A berada di daerah sebelah kiri garis-garis suhu maka Pa ditentukan menggunakan rumus sebagai berikut: Pa
0,0625 E (Ro/t h ) 2
(6)
dengan: E = Modulus elastisitas bahan konstruksi pada suhu tertentu. f.
Bandingkan nilai Pa dengan Plingkungan = 15 psi. Perhitungan benar jika Pa > Plingkungan, tapi tidak Pa. > >>Plingkungan.. Jika Pa < Plingkungan. maka lakukan trial th kembali dengan langkah sama seperti di atas ( dengan nilai trial th berikutnya > nilai trial th sebelumnya).
b. Bejana Ellips Piring (Ellipsoidal) Kode spesifikasi untuk head ini sudah dibakukan oleh ASME-API (American Petroleum Institute) pada konferensi ASME. Head tipe ini digunakan pada bejana yang beroperasi pada tekanan > 200 sampai 400 psig. Untuk menghitung ketebalan minimum Ellipsoidal dapat digunakan rumus:
- 11 -
Gambar 2.4 Bejana Ellips Piring (Ellipsoidal) Tutup bejana Ellipsoidal yang standar dihasilkan dengan suatu perbandingan poros utama dan kecil sebesar 2:1. Cara perancangan tutup tipe Ellipsoidal adalah sebagai berikut : 1.
Cara Brownell & Young Ellipsoidal head Langkah-langkah perancangannya sama dengan Hemispherical head. Perbedaan hanya pada perhitungan rc awal dengan menggunakan persamaan di bawah ini: rc = k * d
(7)
Nilai k tergantung pada nilai (a/b) (Fig. 5.2 Brownell dan Young 1959), distribusi nilai k pada berbagai nilai (a/b) dapat dilihat pada Tabel 2 di bawah ini. Umumnya a/b yang digunakan adalah 2. Tabel 2.1. Distribusi Nilai k pada Berbagai Nilai a/b a/b
3
2,8
2,6
2,4
2,2
2
1,8
1,6
1,4
1,2
1
k
1,36
1,27
1,18
1,08
0,99
0,9
0,81
0,73
0,65
0,57
0,5
2. Cara Buthod & Megyesy Elliptical head Langkah-langkah perancangannya sama dengan Hemispherical head. Perbedaanya pada nilai Ro, setiap Do pada persamaan torispherical diganti dengan Ro. Ro = k Do
(8)
Nilai k dapat dilihat pada Tabel 1 pada setiap distribusi a/b. Umumnya digunakan a/b = 2. - 12 -
c.
Torispherical Head Suatu bentuk torispherical, yang mana sering digunakan sebagai penutup
akhir dari bejana silindris, dibentuk dari bagian dari suatu torus dan bagian dari suatu lapisan. Bentuknya mendekati dari suatu bentuk lonjong tetapi adalah lebih murah dan lebih mudah untuk membuatnya. Untuk menghitung ketebalan minimum torispherical dapat digunakan rumus:
Dimana: Cs = Faktor Konsentrasi Tegangan = ¼ (3 + √
)
Rc = Crown Radius Rk = Knuckle Radius *Rasio Knuckle terhadap Crown radius tidak boleh lebih besar dari 0,06 dan crown radius tidak boleh lebih besar daripada diameter silinder.
Gambar 2.5 Torispherical Head Keterangan : * (on demand) d
= inside diameter
D = outside diameter S
= thickness
- 13 -
R = dishing radius r
= knuckle radius
h
= straight flange
H = total depth
Tutup torispherical yang standar adalah penutup yang paling umum digunakan sebagai penutup akhir untuk bejana yang beroperasi pada tekan 15 bar. Dia dapat digunakan untuk tekan yang lebih tinggi, tetapi di atas 10 bar, biayanya harus dibandingkan dengan suatu tutup ellipsoidal. Diatas 15 bar, suatu tutup ellipsoidal pada umumnya terbuktikan sebagai penutup paling hemat untuk digunakan. Head tipe ini digunakan pada bejana yang beroperasi pada tekanan 15-200 psig dan dapat dinaikkan dengan mengurangi local stress yang berada pada sudut head, yaitu dengan cara membuat ior head ini sekurang-kurangnya 3 kali tebal shell atau 6 % diameter dalam bejana. Bentuk torispherical yang sering digunakan sebagai penutup akhir dari bejana silindris, dibentuk dari bagian suatu torus dan bagian dari suatu lapisan. Bentuknya mendekati bentuk lonjong tetapi lebih murah dan lebih mudah untuk membuatnya. Perbandingan radius sendi engsel dan radius mahkota harus dibuat kurang dari 6/100 untuk menghindari tekuk. Tekan akan menjadi lebih tinggi di bagian torus dibanding bagian yang berbentuk bola. Ada dua ujung batas tutup bejana torispherical: bahwa antar bagian yang silindris dan tutupnya, adan itu adalah pada ujung dari radius mahkota dan radius sendi engsel. Penekukan dan shear stress disebabkan oleh pembesaran diferensial yang terjadi pada titik-titik ini harus diperhitungkan di perancangan tutup bejana tersebut. Suatu pendekatan yang diambil adalah menggunakan persamaan dasar untuk suatu bentuk setengah bola dan untuk memperkenalkan konsentrasi tekan atau bentuk, faktor yang memungkinkan tekan bisa ditingkatkan dalam kaitan dengan discontinuitas.
- 14 -
1. Cara Brownell & Young Torispherical head Langkah-langkah perancangannya sama dengan Hemispherical head. Perbedaanya pada nilai rc yaitu: rc = d
(9)
2. Cara Buthod & Megyesy Torispherical head Langkah-langkah perancangannya sama dengan Hemispherical head. Perbedaanya pada nilai Do, setiap Ro pada persamaan Hemispherical diganti dengan Do.
d. Bejana Piring Standar (Flanged Standart Dished & Flanged Shallow Dished Heads) Tutup jenis ini umunya digunakan untuk bejana horizontal yang menyimpan cairan yang mudah menguap (volatile), seperti: nafta, bensin, alkohol dan lain-lain. Sedangkan pada bejana silinder tegak biasanya digunakan sebagai bejana proses yang beroperasi pada tekan rendah (vakum). Jika diinginkan diameter tutup ≤ diameter shall maka digunakan flanged standart dished sedangkan jika diinginkan diameter tutup ≥ diameter shell maka digunakan flanged shallow dished head.
Sizes 14 to 252 inches diameter. From 12 gauge to 1-1/8 inches thick. Gambar 2.6 Flanged Standard Dished & Flanged Shallow Dished Heads
- 15 -
e. Bejana Konis (Conical Head) Tutup bejana konis biasanya digunakan sebagai penutup atas pada tangki silinder tegak dengan laju alir yang rendah dan memiliki alas flat bottom yang beroperasi pada tekan atmosperik. Disamping itu juga digunakan sebagai tutup bawah pada alat-alat proses seperti: evaporator, spray dryer, crystallizer, bin, hopper, tangki pemisah dan lain-lain. Untuk menghitung ketebalan minimum Conical Head dapat digunakan rumus:
Dimana: Dc = Diameter Konis Jika terdapat belokan dan tegangan shear akan menyebabkan perbedaan yang besar terhadap konis dan silinder, maka persamaannya menjadi:
Dimana: Cc =
Cc
20°
30°
45°
60°
1.00
1.35 2.05 3.2
- 16 -
Gambar 2.7 Conical Head Besarnya sudut (α) yang dibentuk pada jenis konis pada tutup atas tangki silinder tegak dengan alas flat bottom adalah < 450C (menurut Morris), tetapi menurut Buthod & Megsey < 300C. sebaiknya menggunakan α < 300C, karena 300C < α < 600C adalah kemiringan sudut yang dibentuk tutup konis untuk tutup bawah bejana (bin, hopper) yang mengalirkan cairan 300C < α < 450C dan 450C < α < 600C untuk mengalirkan butiran padatan. 1.
Cara Brownell & Young Conical head
Langkah-langkah perancangan: a.
Trial th
b.
Tentukan nilai l
l
d
2 tan α
(10)
α adalah sudut puncak. Jika α = 45o maka bejana tanpa stiffeners. c.
Tentukan nilai l/do = l/d
Tentukan nilai do/th = d/th d.
Pilih grafik sesuai dengan bahan konstruksi pilihan yang memberikan nilai yield point (Tabel 5.1) yang masuk dalam kisaran grafik tersebut.
e.
Tentukan nilai f/E
Tarik garis horizontal dari nilai (l/do) ke arah kanan
memotong garis do/th =
do/t, Kemudian tarik garis ke arah bawah. f.
Tentukan nilai B
Dari nilai f/E tarik garis vertikal ke arah suhu operasi bejana, kemudian dari perpotongan garis tersebut tarik garis horizontal ke kanan. - 17 -
g.
Tentukan Pallow. Pallow.
h.
B do/t h
(11)
Bandingkan nilai Pallow. dengan Plingkungan = 15 psi.
Perhitungan benar jika Pallow. > Plingkungan, tapi tidak Pallow. > >>Plingkungan.. Jika Pallow. < Plingkungan. maka lakukan trial th kembali dengan langkah sama seperti di atas ( dengan nilai trial th berikutnya > nilai trial th sebelumnya). 2
Cara Buthod & Megyesy
Conical head
α
te
L
Dl
Gambar 2.8a Dl
α
te
L
DS Gambar 2.8b A. Langkah-langkah perancangan untuk Gambar 2.8a: a.
Trial th
b.
Tentukan nilai L (in) L
Dl /2 tan α
(12)
- 18 -
dengan: Dl = Do c.
Tentukan nilai te te = th cos α
d.
(13)
Tentukan nilai Le Le = L/2
e.
Tentukan nilai Le/Dl dan Dl /te
f.
Tentukan nilai A (Grafik hal. 40)
(14)
Dari nilai Le/Dl (= L/Do pada Grafik ) tarik horizontal ke kanan momotong nilai Dl /te (= Do/t pada Grafik). Kemudian tarik garis ke bawah g.
Pilih Grafik (hal. 41-45) sesuai dengan bahan konstruksi yang digunakan.
h.
Tentukan nilai B Tarik garis vertikal ke arah suhu operasi bejana (pada grafik yang dipilih). Kemudian perpotongan garis tersebut, tarik garis horizontal ke kanan.
i.
Tentukan Pa Pa
4B 3(D l / t e )
(15)
Jika nilai A berada di daerah sebelah kiri garis-garis suhu maka Pa ditentukan menggunakan rumus sebagai berikut: Pa
2AE 3 (D l / t e )
(16)
j. Bandingkan nilai Pa dengan Plingkungan = 15 psi. Perhitungan benar jika Pa > Plingkungan, tapi tidak Pa. > >>Plingkungan. Jika Pa < Plingkungan. maka lakukan trial th kembali dengan langkah sama seperti di atas ( dengan nilai trial th berikutnya > nilai trial th sebelumnya). B. Langkah-langkah perancangan untuk Gambar 2.8b: a.
Trial th
b.
Tentukan nilai L (in) L
(Dl - DS )/2 tan α
(17)
dengan: Dl = Do
- 19 -
c.
Tentukan nilai te te = th cos α
d.
(18)
Tentukan nilai Le Le = (L/2)(1+ DS /Dl)
(19)
Langkah-langkah selanjutnya sama dengan cara Gambar 1. f. Bejana Datar (Flanged – Only Head) Perancangan tutup bejana ini adalah yang paling ekonomis karena merupakan gabungan antara flange dan flat plate.
Sizes 14 to 275 inches diameter. From 12 gauge to 1 inch thick. I.D. or O.D. Gambar 2.9 Flanged – Only Head Aplikasi dari flanged-only dapat digunakan sebagai tutup bejana penyimpan jenis silinder horizontal yang beroperasi pada tekan atmosferik. Tipe bejana dengan jenis tutup ini dapat digunakan unutk menyimpan fuel oil (minyak bahan bakar), kerosin, minyak solar ataupun cairan yang mempunyai tekanan uap rendah, disamping itu dapat juga digunakan sebagai tutup atas konis, kisaran diameternya ≤ 20 ft. Tutup bejana setengah bola, ellipsoidal dan torispherical secara bersama dikenal sebagai tutup bejana yang bundar. Mereka dibentuk dengan menekan atau memutar, diameter yang besar dibuat dari bagian pembentukan. Tutup torispherical sering dikenal sebagai tutup
bagian akhir. Ukuran yang lebih
disukai dari tutup bejana yang bundar diberikan didalam standard dan kode.
- 20 -
Persamaan untuk ketebalan dinding pada table 1.1. Volume penuh Vo dan permukaan S sebagai V/Vo yang akan berhubungan dengan kedalaman atau ketinggian H/D pada vessel horizontal. Tabel 2.2 Tabel Data-data Standar API untuk Tangki
Kode ASME memberikan persamaan yang berhubungan ketebalan dinding terhadap diameter, tekanan, ketegangan, dan efisiensi sambungan. Sejak ASME
- 21 -
hanya menyebutkan hubungannya dengan shell yang tipis, beberapa pembatasan diletakkan pada aplikasinya. Untuk bentuk yang tidak biasanya, tidak ada metode perancangan yang sederhana, uji coba harus dilakukan untuk bentuk yang dibutuhkan. Persamaan diekpresikan dalam bentuk berdimensi. Walaupun jarang dipergunakan,persamaan yang tak berdimensi, misalnya Do, dapat diturunkan dengan mensubstitusikan Do = 2t untuk D. Untuk perbandingan 2:1, ellipsoidal head misalnya:
Sebagai tambahan pada shell dan head, kontirbusi berat pada vessel dapat memerlukan nozzle, manway, kebutuhan internal lainnya, dan struktur pendukung seperti lugs untuk vessel horizontal dan skirt untuk vessel vertical. Nozzle dan manway distandarisasi untuk perhitungan tekanan yang berlainan; dimension dan beratnya ditunjukkan pada catalog pabrik. Perhitungan alat ini akan membantu sekitar 10-20% dalam perhitungan berat vessel. Persamaan Brownell & Young untuk head jenis flange-only :
th d
CP c f
Keterangan : th = tebal head, in d
= diameter dalam shell, in
P = tekanan perancangan, psi f
= stress yang diizinkan, psi
C = konstanta dari appendix H atau Fig 13.8 c
= faktor koreksi
- 22 -
Tabel 2.3 Formula For Design Of Vessel Under Internal Pressure Item
Thickness t(in)
Pressure P(psi)
Stress S(psi)
Notes
Cylinder t≤0.25D, shell P≤0.385SE Flat flanged 0.3D2P/t2 D√ head(a) Torispherica r/L=0.06, l head(b) L≤D+2t Torispherica M= l head(b) Ellipsoidal h/D=4 head(c) Ellipsoidal K={2+(D/2h) 2 head(c) }/6, 2≤D/h≤6 Hemispheric t≤0.178D, al head(d) P≤0.685SE or shell Toriconical ≤300 head(e) *Nomenclature: D=diameter (in), E = joint efficiency (0.6-1,0), L = crown radius (in), P = pressure (psig), h = inside depth of ellipsoidal head (in), r = knukle radius (in), R = radius (in), S = allowable stress (psi), t = shell or head thickness (in). Tabel 2.4 Maximum Allowable Tensile Stresses (psi) of Plate Steels (a) Carbon and Low Alloy Steels
- 23 -
(b) High Low Steels
Table 2.3 diatas menghubungkan ketebalan dingding bejana dengan penutup bejana. Dengan cara lain hal ini dapat diidentifikasi menggunakan grafik sebagai berikut;
Gambar 2.10 Pecahan volume silinder horizontal dan lengkung penutup pada penutup bejana dan ketabelan bejana yang sesuai. H/D Untuk mengetahui ketebalan dari penutup suatu bejan dapat digunakan persamaan berikut:
- 24 -
Nomenclature D = diameter of cylinder H = depth of liquid S = surface of head V = volume of full head = angie subtended by liquid level or angle of cone Cylinder -2 arcoss (1-2H/D) rad = ”/57.3 V/V0-(1/2 ) ( -sin ) Hemispherical Head S = 1.571D2 V = ( /3)H2(1.5D-H) V0 = ( /12)D3 V/V0 = 2(H/D)21.5(H-D) Ellipsoidal Head (h= D/4) S = 1.09D2 V0 = 0.1309D3 V/V0 = 2(H/D)21.5(H-D) Torispherical (L=D) S = 0.842D2 V0 = 0.0778D3 V/V0 = 2(H/D)21.5(H-D) Conical D = {(D-d)/2}tan = S = 0.785(D+d){ 4H2+(D-d)2}, curved surface V = 0.262H(D2+Dd+d2)
- 25 -
Gambar 2.11 Jenis penutup bejana tekan berbentuk silinder. (a) Flat flanged: KR=knuckle radius, SF=straing flanged. (b)Torispherical (dished), (c) Ellipsoidal. (d) Spherical, (e) Conical, with knuckle. (f) Conical, with knuckle. (d)Nonstandard one of many possible types in use.
- 26 -
BAB III KESIMPULAN 3.1 Kesimpulan 1. Tangki merupakan salah satu bagian terpenting dalam setiap alat proses. 2. Tangki banyak digunakan sebagai tangki penyimpanan dan tangki pemroses untuk fluida. 3. Tipe tangki yang paling banyak dijumpai dapat diklasifikasikan berdasarkan bentuk geometri tangki. 1. Open and closed tank 2. Flat-bottomed tank 3. Tangki silindris dengan atap dan dasar tertutup rapat 4. Spherical 4. ]Jenis-jenis tutup tangki yang sering digunakan yaitu bejana ½ bola, Ellipsoidal, Torispherical head, bejana datar, bejana konis, dan bejana piring standar
- 27 -
CONTOH SOAL TANGKI 1. Rancanglah vessel terbuka dengan kondisi operasi pada suhu kamar dengan tekanan 1 atm dan suhu 30 0C . Tekanan
: 1 atm
= 14.696 psia
Suhu
: 30 0C
= 86 oF
Densitas
: 1 g/cm3
= 62.43 lb/ft3
Fungsi bejana
: Tempat penyimpanan air
Pilihan bejana
: Silinder Shell
Jenis Bahan
: carbon Steel SA 283 Grade A
S
: 10350 Lb/in2 ( Berdasarkan buku Brownell Tabel 13.1)
Volume (Asumsi) : 2800 m3 Kapasitas
: 10% (factor keamanan, berdasarkan Buku Peter) = 110% x volume = 3080 m3 = 3080 m3 x 6.290 =19373.2 bbl
Maximum Allowable (berdasarkan Buku brownell table 13.2) Dipakai jenis Double welded butt joint E
: 80% = 0.8
Berdasarkan buku brownell Appendix E didapatkan Kapasitas yang mendekat = 20560 bbl Diameter tangki, ID
= 70 ft
Tinggi tangki, H
= 30 ft
Jumlah course
=5
Ketebalan Shell Tegangan (S)
= 10350 lb/in2 = 10350 psi
Maximum Allowable (E) = 80 %
= 0.8
Faktor korosi (C)
= 0.125 /12 ft = 0.0104 ft
= 0.125 inci
Dari buku Brownell
- 28 -
ts = 0.763 inci
H (Tinggi Tangki)
Ts
Ts standar
Course 1
30
0.762746
0.875
Course 2
24
0.630799
0.875
Course 3
18
0.498851
0.875
Course 4
12
0.366904
0.875
Course 5
6
0.234956
0.875
Dari buku Brownell Table 5.7,maka dipilih ketebalan standarnya 7/8 inci= 0.875 inci = 0.073 ft Diameter Luar Tangki OD = ID + 2 Ts OD = 70 ft + (2 x 0.073 ft) OD = 70.146 ft
70 ft
OD = 841.752 inci
30 ft
OD
70.146 ft 841.752 in
Tebal sheel,ts
0.763
Maka dapat disimpulkan:
In
2. A. Rancanglah vessel bertekanan dengan kondisi operasi tekanan 9 atm dan suhu 550 . Jenis tutup yang digunakan tutup atas yaitu hemispherical head dan tutup bottom flat.
- 29 -
Pilihan Bejana
: tangki silinder dengan tutup atas hemispherical dan tutup bawah flat
Jenis cairan
: Polipropilen (Mudah menguap dan non korosif)
Berdasarkan data diatas, maka dipilih jenis tangki: Tipe
: Tangki silinder tegak
Tutup atas
: Hemisperical head
Tutup bawah
: Flat
Koil pemanas
: Tidak
Densitas
: 0.739 g/cm3 = 46,1343 lb/ft3
Tekanan
: 7 atm
= 102.872 psia
Suhu
: 55 0C
= 131 0F
Laju alir
: 1350 kg/jam
Mr Polipropilen
: 63002
Lama persediaan
: 7 hari
Jenis bahan
: Carbon steel SA 283 Grade C
S Volum cairan (VL) VL
= 168 jam
: 12650 lb/ft3 : = (1350 kg/jam)/(739 kg/m3) x 168 jam = 306.901 m3 = 10837.59 ft3
Kapasitas (Dari Buku Peter, 20% untuk factor keamanan) Kapasitas
: 120% x volume = 120% x 306.901 m3 = 368.28 m3 x 6.290 = 2316.49 bbl
Maximum Allowable (E), berdasarkan buku brownel table 13.2 E
: 80%
= 0.8
Berdasarkan buku brownell Appendix E didapatkan Kapasitas yang mendekat
= 2350 bbl
Diameter tangki, ID
= 20 ft
Tinggi tangki, H
= 42 ft
Jumlah course
=7
- 30 -
Ketebalan Shell Tegangan (s)
= 12650 lb/in2 = 12650 psi
Maximum Allowable (E)
= 80 %
= 0.8
Faktor korosi (C)
= 0.125 inci
= 0.125 / 12 ft = 0.104 ft
Dari buku Brownell
ts = 0.281 inci H (Tinggi Tangki)
Ts
Ts standar
Course 1
42
0.280756
0.3125
Course 2
36
0.257963
0.3125
Course 3
30
0.235169
0.3125
Course 4
24
0.212376
0.3125
Course 5
18
0.189582
0.3125
Course 6
12
0.166788
0.3125
Course 7
6
0.143995
0.3125
Dari buku Brownell Table 5.7,maka dipilih ketebalan standarnya 5/16 inci= 0.3125 in = 0.026 ft Diameter Luar Tangki OD
= ID + 2 Ts
OD
= 20 ft + (2*0.026 ft)
OD
= 20.052 ft
OD
= 240.624 inci
Tinggi Cairan dalam Liquid Vl = 10837.59 ft3 = Hl = 34.51 ft
- 31 -
Tebal Head (TH) P allowable
= Pop + Phid
P hidrostatis
=
P operasi
= 7 atm
P allowable
= Poperasi + P hidrostatis
= 102.872 psia
= 102.872 psia + 11.054 psia = 113.926 psia Jenis Head
= Hemispherical Th=
Th = Th = 0.0556 ft = 0.667 inci
Perhitungan Tinggi tutup OD
= 240.624 inci
Th
= 0.667 inci
Pada Buku Brownell table 5.6 pada th 0.667 inci, Standard Straight Flange = 1.5 – 4 Sf = 2.75 inci
Pada Tabel 5.7 Brownell diperoleh yang mendekati OD 20.052 ft adalah 22 ft r
= 20 in
icr = 21/8 in = 2.625 inci AB
= (ID/2) – icr = (240 inci/2) – (2.625 inci) = 117.375 inci
BC
= r – icr
- 32 -
= 20 inci – 2.625 inci = 17.375 inci AC
= = 116.026 inci
b
Th
= = 20 inci – 17.375 inci
H OD
= 2.625 inci OA
= sf + b + th = (2.75 + 2.625 + 0.667) inci = 6.042 inci
Th flat = Ts x (1/12) ft/inci
T
= 0.281 inci x 1/12 ft/inci = 0.023 ft = 0.281 inci
Maka dapat disimpulkan: OD
240.624 in
Tebal sheel,ts
0.281
In
tebal head,th
0.667
In
tinggi tangki,T
504
In
tinggi head,H
6.042
In
Th flat
0.281
in
Tinggi total
510.99
in
od
B. Rancanglah sebuah bejana terutup bertekanan tinggi dengan tekanan 6 atm dan suhu 50 0C dengan tutup conical head. Fungsi
: Untuk Menyimpan bahan baku Metanol ( CH3OH
) Tipe
: Tanki Silinder Tegak
Tekanan
: 6 atm
= 6 (14.696) = 88.176 Psia
Suhu
: 50 0C
= 27,778oF
Pilihan bejana
: Tangki silinder tegak dengan tutup atas conical head - 33 -
Jenis bahan : carbon steels SA – 285 Grade A S : 11250 Lb/in2 (Berdasarkan buku Brownell Tabel 13.1) Lama Penyimpanan : 7 hari =168 jam Laju aliran Massa , F
: 4400
Kg/jam
Densitas Metanol ( CH3OH ): 787.24433 kg/m3 Volume cairan, VL
:
= 49.1249 lb/ft3
X Lama persediaan
=
x 168 jam
= 938.9715 m3 = 33155.7737 ft3 Kapasitas tanki
: 20% (faktor keamanan, berdasarkan buku Peter) = 120% x volume = 120 % x 938.9715 m3 = 1126.758 m3 = 7087.36
bbl
Berdasarkan Appendix E brownell Kapasitas yang mendekati
= 7550 bbl
Diameter Tanki
= 30 ft
Tinggi Tanki (H)
= 60 ft
Jumlah Course
= 10
( brownell dan young 1959)
Ketebalan Shell Tegangan (s)
= 11250 lb/in2 = 11250 psia
Maximum Allowable = 80 %
= 0,8
Faktor korosi
= 0,125 / 12 ft = 0.0104 ft
= 0,125 in
Dari buku Brownell
ts = 0.527 inci - 34 -
H (Tinggi Tangki)
Ts
Ts standar
Course 1
60
0.527551264
0.625
Course 2
54
0.486613847
0.625
Course 3
48
0.445676431
0.625
Course 4
42
0.404739014
0.625
Course 5
36
0.363801597
0.625
Course 6
30
0.322864181
0.625
Course 7
24
0.281926764
0.625
Course 8
18
0.240989347
0.625
Course 9
12
0.200051931
0.625
Course 10
6
0.159114514
0.625
Dari buku Brownell Table 5.7,maka dipilih ketebalan standarnya 5/8 inci= 0.625 in = 0.052 ft
Diameter Luar Tangki OD
= ID + 2ts
OD
= 30 ft + 2(0.052 ft)
OD
= 30.104 ft
Tinggi Cairan dalam Liquid Vl = 33155.7737 ft3= Hl = 46.93 ft
Tebal Head (TH) P allowable
= Pop + Phid
P hidrostatis
=
- 35 -
P operasi
= 6 atm
= 88.176 psia
P allowable
= Poperasi + P hidrostatis = 88.17 psia + 16.01 psia = 104.18 psia
,
0
th = 0.212 ft = 2.55 inci
Perhitungan tinggi head konikal Th
=
Th
=
Sin
=
Sin
= 0.0367 = 2.120
dengan OA
= tinggi tutup konikal /(D/2)
tan
= OA / (D/2)
OA
=
OA
=
OA
= 0.55 ft
Thflat
= ts x
Th H OD
T
= 0.527 inci x = 0.043 ft
od
- 36 -
Maka dapat disimpulkan: OD
361.248
In
Tebal sheel,ts
0.527
In
tebal head,th
2.55
In
tinggi tangki,T
720
In
tinggi head,H
6.6
In
Th flat
0.516
In
Tinggi total
729.666
In
- 37 -
DAFTAR PUSTAKA Brownell, Lloyed E. 1959. Process Equipment Design. Associate Professor of Chemical and Metallurgical Engineering Michigan University Eldihya. 2010. Tipe Bejana (Vessel), www.scribd.com/doc/50245652/TIPEbejana-vessel, diakses pada 29 April 2013 Rizykarianto. 2008. Bejana dan Tutup Bejana, http://etd.eprints.ums.ac.id/5939/1/D200000015.pdf, diakses pada 29 April 2013 Wallas, Stanley M. 1990. Chemical Process Equipment. Butterword. United State In Kingdom
- 38 -
