136
10.B. Aplikasi Dan Perancangan Alat Furnace Pada Industri Kimia
Furnace Furnace mengkonversi energi kimia laten menjadi bentuk dinamik yaitu panas. Proses dengan suhu tinggi diperoleh langsung dari hasil pembakaran bahan bakar. Api maksimum dari pembakaran hidrokarbon dengan menggunakan udara (stoikiometri) adalah sekitar 3500 °F. Excess air dibutuhkan untuk mencapai suhu diatas 2000 °F dan untuk terjadinya pembakaran yang sempurna. Jumlah excess air minimum yang dibuthkan untuk fuel gas adalah 10%, sedangkan untuk liqiud 1520%. Bahan bakar liquid di atomisasi dengan steam atau udara atau secara mekanik. Pada furnace, panas dihasilkan oleh pembakaran bahan bakar ke tempat terbuka dan ditransferksn ke fluida didalam tube sepanjang dinding dan atap ruang pembakaran. Panas yang ditransfer melalui radiasi dan konveksi dan juga pantulan dari refraktori dinding yang tahan api. Pada zona radiasi transfer panas sekita r 90%.
urnace di Industri Kimia 10.B.1. Aplikasi Alat F urnace Furnace industri Furnace industri merupakan peralatan yang digunakan untuk menyediakan panas untuk suatu proses atau dapat berfungsi sebagai reaktor yang memberikan reaksi panas. Aplikasi furnace yang banyak digunakan di industri adalah sebagai pemanas untuk membuat steam ( steam steam generation boiler ) dan pengolahan petroleum ( petroleum-refinary petroleum-refinary furnace). furnace). 1.
Steam-Generation Boiler Terdapat dua jenis tipe steam-generating tipe steam-generating boiler , yaitu fire-tube yaitu fire-tube boiler dan dan
water-tube boiler . Terdiri dari silinder vessel yang memiliki tube horizontal, dengan gas hasil pembakaran melewati tube. Diameter fire Diameter fire tube boiler tube boiler jarang yang melebihi 8 ft. Tekanan uap biasanya dibatasi antara 100 sampai 150 psig. Fire psig. Fire tube boiler biasanya digunakan untuk produksi steam kapasitas kecil yaitu 15.000 sampai 20.000 lb/hr untuk kebutuhan domestik, industri, proses pemanasan dan untuk pembangkit lokomotif skala kecil. Pada water tube boiler , terdapat air didalam tube-nya. tube-nya. Pembakaran batubara dan kokas atau bahan bakar gas atau minyak menghasilkan panas radiasi pada tube boiler dan dilanjutkan dengan perpindahan panas secara konveksi. Ada tiga klasifikasi water tube boiler yaitu longitudinal drum, cross-drum straight tube dan cross drum bent tube. tube.
137
2. Petroleum-Refinary Furnace Pada pengolahan minyak mentah digunakan furnace untuk crude destillation, thermal cracking , dan proses modern gas temperatur tinggi pada tekanan atmosferik dan tekanan vakum. Refinary furnace memiliki berbagai tipe sesuai kebutuhan fluida hingga temperatur 1500 F. Biasanya bahan bakar yang digunakan adalah minyak atau gas. Efisiensi termal refinary furnace dari 65 mejadi 70%, namun sekarang sudah menjadi dari 75-80%. Radiant surface untuk kapasitas sangat kecil dapat digunakan untuk beban panas 5.000.000 Btu/hr. Udara panas sebagai preheater digunakan untuk efisiensi bahan bakar. Dibawah ini merupakan gambar alat furnace yang ada di PT. Pertamina IV Cilacap:
Gambar 10.B.1. Alat Furnace di PT. Pertamina RU IV Cilacap
(sumber: Agus, 2009)
10.B.2. Perancangan Alat F urnace
Desain Furnace berpengaruh besar terhadap keberhasilan performa dari boiler tersebut. Adanya kerusakan pada furnace dapat menyebabkan proses maintenance atau sistem pengoperasian menjadi terganggu. Akibatnya, dapat membuat efisiensi dan availability boiler menjadi rendah. Design dari furnace harus sesuai dengan permintaan boiler , pembakaran bahan bakar, burner equipment , jenis bahan bakar, karakteristik abu dan sistem baffle (penyangga). Rancang bangun furnace juga harus diperhatikan dengan teliti supaya panas yang
138
dihasilkan tidak terbuang ke udara. Misalnya panas hilang lewat dinding dan cerobong ( stack ). Hal ini berhubungan dengan struktur refraktori untuk dinding serta suhu gas buang dari pembakaran dan udara excess. Jika suhu stack , dan udara excess tinggi maka akan semakin banyak panas yang hilang terbawa oleh flue gas. Furnace akan beroperasi dengan efisien, apabila: - Sistem penyalaan api burner baik - Reaksi pembakaran berlangsung sempurna - Panas pembakaran dari fuel gas dan fuel oil dapat tersalur dengan baik pada cairan yang dipanaskan - Permukaan tube furnace bersih - Dapat memperkecil panas yang hilang baik melalui stack /cerobong maupun dinding furnace. Banyak jenis desain housing dan penyusunan tube. Yang paling sering digunakan adalah tipe silinder dan box. Fluida akan melalui daerah koveksi pertama kali dan meninggalkan daerah radiasi diatas (dapat terjadi penguapan). Dalam desain yang lain, tube konveksi juga dapat digunakan untuk preheating , untuk steam generation dan recovery panas di pabrik. Untuk kapasitas 10-200 Mbtu/hr dapat menggunakan single radiant chamber , dan tiga sampai 4 chamber untuk daerah konveksi. Burner terletak dibawah (lantai) setelah heater. Terdapat berbagai variasi dalam mendesain fired heater . Ditinjau dari bentuk casing -nya, pada umumnya tipe furnace yang digunakan di kilang minyak ada tiga macam, yaitu berbentuk box, silindris, dan cabin.
Gambar 10.B.2. Jenis-jenis Furnace Sumber : Pratama, 2016
139
a) Furnace tipe box Merupakan furnace yang konfigurasi strukturnya berbentuk box. Terdapat berbagai desain yang berbeda untuk furnace tipe box. Desain ini meliputi berbagai macam variasi dari konfigurasi tube coil , yaitu horizontal, vertikal, helikal dan arbor. Tube dalam seksi radiasi dalam furnace disebut tube radian/radiant tube. Panas yang diambil oleh tube-tube ini terutama diperoleh langsung secara radiasi dari nyala api dan dari pantulan panas refractory. Shield tube/tube pelindung biasanya ditempatkan pada bagian bawah seksi konveksi. Karena tube-tube ini menyerap baik panas radian maupun panas konveksi, maka tube-tube tersebut akan menerima kerapatan panas yang tertinggi. Daerah dengan heat density (kepadatan panas) yang lebih rendah adalah seksi konveksi. Tube pada seksi ini disebut tube konveksi/ convection tube. Panas dalam seksi konveksi berasal dari panas hasil pembakaran yang melalui seksi konveksi. Ukuran dan susunan tube dalam heater tipe box ditentukan oleh tipe operasi heater, misalnya distilasi crude oil atau cracking, jumlah panas yang diperlukan, dan jumlah aliran yang melalui tube. Heater tipe box dapat berbentuk up-draft (arah flue gas ke atas) atau downdraft (arah flue gas ke bawah), dengan burner gas ( fuel gas) atau minyak ( fuel oil ) yang ditempatkan di sisi dinding, di lantai, di atap atau kombinasinya. Setelah tube konveksi yang dipasang di seksi konveksi, tube pelengkap biasanya dipasang untuk memanaskan udara burner atau membangkitkan steam superheated untuk keperluan proses atau lainnya.
Gambar 10.B.3. Furnace Tipe Box
Sumber : Pratama, 2016
140
b) Furnace tipe cabin Merupakan furnace yang strukturnya berbentuk seperti kabin. Terdiri dari bagian konveksi dan radiasi. Burner terletak pada lantai bawah dan nyala api tegak sejajar dengan dinding furnace. Tube-tube furnace di daerah radiasi, umumnya tersusun horisontal, tetapi ada juga yang vertikal. Dua barisan pipa terbawah dibagian konveksi merupakan “Shield ” ( shield section). Dapur cabin mempunyai effisiensi lebih tinggi dari pada dapur jenis lain. Dapur ini sering dijumpai di industri. Kapasitas maksimum yang dicapai 120 mm BTU.
Gambar 10.B.4. Furnace Tipe Kabin
sumber : Pratama, 2016
c)
Furnace tipe silinder vertikal Dapur silinder vertikal (vertical cylindrical furnaces) merupakan dapur
yang berbentuk silinder tegak. Burner terletak pada lantai dapur dengan nyala api tegak sejajar dengan dinding furnace. Tube-tube furnace di daerah radiasi terpasang tegak melingkar mengelilingi burner . Panas dipancarkan secara radiasi di bagian silinder. Bagian konveksi berada di atas bagian radiasi. Diantara bagian radiasi dan konveksi dipasang kerucut untuk menyempurnakan radiasi ( Reradiating Cone). Dapur ini biayanya murah dan harga bahan bakarnya rendah. Pemanasan yang diperlukan tidak begitu tinggi dengan kapasitas maksimum 70 mm BTU. Selain ketiga jenis furnace di atas masih terdapat beberapa tipe furnace berdasarkan susunan dari tube di bagian radiasi dan konveksi.
141
Gambar 10.B.5. Furnace Tipe Silinder Vertikal
sumber : Pratama, 2016
1.
Heater dengan Coil Vertical Heater dengan coil vertical , casing -nya dapat berbentuk silindrikal maupun
box. Sebagian besar coil pemanasnya berupa tube vertikal. Dalam beberapa instalasi, seksi ekonomizer minyak (oil economizer ), seksi pemanas udara (air preheater), atau keduanya dipasang di atas seksi pemanas vertikal. Tube dalam seksi konveksi dapat berupa susunan vertikal maupun horizontal. Tujuan dari seksi ekonomizer dan pemanas udara adalah untuk memperbaiki keekonomian operasi dengan meningkatkan efisiensi thermal. Kebanyakan heater coil vertikal dipanasi dari bawah, dengan stack langsung dipasang di atas heater . Namun down draft vertikal heater juga telah digunakan. 2.
Heater dengan Coil Helikal Heater coil helikal adalah heater yang casingnya berbentuk silindrikal
dengan coil berbentuk spiral pada seksi radian mengikuti bentuk dinding heater. Heater ini umumnya tidak memiliki seksi konveksi, tetapi bila ada, permukaan konveksi dapat berbentuk spiral datar (flat spiral) atau berbentuk suatu bank tube horizontal. Stack dari heater coil helikal kebanyakan terletak langsung di atas heater . 3.
Heater dengan Coil Arbor Heater coil arbor kebanyakan digunakan pada unit catalytic reforming
untuk keperluan preheat dan reheat untuk gas dan udara proses. Heater ini
142
mempunyai seksi radian yang terdiri dari header inlet dan outlet yang dihubungkan dengan tube berbentuk L atau U dengan susunan paralel. Seksi konveksi berupa coil tube horizontal konvensional. 10.B.2.1. Langkah-langkah untuk mendesain furnace: 1.
Pilih diameter yang sesuai dengan diameter tube minyak dingin kecepatan dengan kecepatan 5-6 ft/sec.
2.
Carilah jarak center-to-center ratio tabung.
3.
Tentukan efisiensi termal yang dikehendaki. Angka ini mungkin perlu dimodifikasi setelah jumlah tube diperoleh.
4.
Tentukan Excess Combustion Air (kelebihan udara yang digunakan).
5.
Hitung jumlah panas yang diserap (total heat absorbed ) dari data-data yang diberikan, yaitu entalpi proses inlet dan outlet serta panas reaksi.
6.
Tentukan panas yang dikeluarkan ( Heat absorbed/efficiency).
7.
Asumsikan bahwa 75% panas diserap di zona radian. Ini mungkin akan diganti jika hasil rancangan kurang memuaskan.
8.
Hitung Average Radiant Heat Flux, biasanya antara 8000 – 20.000 Btu/hr.ft 2. angka ini juga perlu dimodifikasi, jika hitungan pada s tep ke-28 telah dilakukan
9.
Tentukan Tube Surface yang dibutuhkan dari panas yang diserap dan dari radiant flux. Saat sisi proses dari perancangan ini dibuat, jumlah tube yang dibutuhkan akan diketahui dan tidak perlu penghitungan ulang.
10. Ambillah jarak sekitar 20 ft antara tepi tube. Panduan kasar untuk dimensi furnace adalah dibutuhkan sebesar 4 cuft/sqft dari luas area perpindahan panas di radiant , tetapi kriteria utama adalah ruang yang cukup untuk menghindari timpaan api. 11. Pilihlah panjang tube antar 30 dan 60 ft dan sejenisnya sehingga membuat box menjadi seimbang. Panjang tube yang terekspos dan panjang shell dari furnace itu adaah 1,5 ft lebih pendek dari pada panjang sesungguhnya. 12. Pilih jumlah Shield Tube antara zona radian dan konveksi sehingga kecepatan flue gas sekitar 0.3 – 0.4 lb/sec.(sqr ft cross section). 13. Convective tube biasanya berbentuk sirip ( finned ). 14. Hitung cold plane area, Acp.
143
Acp = (exposed tube length)(center-to-center spacing) (number of tubes exclusive of the shield tubes) 15. Hitung r efractory area, Aw Aw = 2 [W(H + L) + H X L)] -A, dimana W, H, dan L adalah dimensi shell 16. Diperolehlah nilai absorptivitas, α , dari persamaan: α = 1 - 10.0277 + 0.0927(x- l)l(x- 1) x= (center-to-center spacing)/(outside tube diameter) Untuk shield tube nilai α = 1 17. Hitung jumlah dari produk dari area dan absorptivitas pada zona r adian α.As α.As = Ahield + αAcp 18. Hitung nilai Beam Length, untuk bentuk box nilainya diperkirakan sebesar = 2
= ( )1/3 3
19. Hitung partial pressure dari flue gas (CO2 dan H2O)
P = 0.288 - 0.229x + 0.090x 2 x = fraction excess air 20. Hitung nilai PL yang bisa diperoleh dari langkah ke-18 dan 19 21. Hitung Mean tube wall temperature Tt = 100 + 0.5(T1 + T2) 22. Hitung temperatur gas yang meninggalkan radiant Zone, Tg
23. Empat persamaan yang digunakan pada tahap 22 dihitung secara simultan dengan suatu nilai tebakan untuk memperoleh temperatur keluaran dari si gas. Kemungkinan diperlukan metode Newton-Raphson. Biasanya nilainya berada antara 1500 -1800 F 24. Setelah dipeoleh, hitunglah nilai panas yang diabsorb (Qr) 25. Hitung heat flux Q/A = QR / Aradiant 26. Dengan menggunakan neraca panas, hitung temperatur inlet dan outlet dari aliran prosesnya.
144
27. Hitung Qs/Qn yang merupakan fungsi dari temperatur stack gas (Ts) dengan persamaan: Qg/Qn = [a+ b(T/l000-0.1)~(T/1000-0.1) 28. Hitung temperatur rata-rata dari gas film di zona konveksi, Tf
29. Pilihlah jarak tube padan zona konveksi sehingga mass velocity nya G= 0,3 – 0,4 lb/sqr ft (free cross section) 30. Hitung over all heat transfer coefficient
Ac = Qc/Uc (LMTD) 31. Hitung area perpindahan panas pada zona konveksi Uc = (a + bG + cG 2)(4.5/d)0,25 G = flue gas flow rate, Ib/(sec)(sqft open cross section) D = tube outside diameter, (in.) z = T1/100, average outside film temperature a = 2.461 - 0,759z + 1.625z 2 b = 0.7655 + 21.373z - 9.6625z 2 c = 9.7938 - 30.809z + 14.333z 2
