TUGAS KELOMPOK PERANCANGAN ALAT PROSES Perancangan Tangki Compressed Natural Gas (CNG)
Disusun Oleh :
Kelompok II
Maginda R Rivai (21111040) Babay Hermawan (21111029) Ebi Ihwanul Muslimin (21111070) Riki Effendi (21111047) Sari Ayu Rahayu (21111053) Adrian Hanafiah (21111022)
Program Studi Teknik Kimia S1 Fakultas Teknik Universitas Serang Raya 2014 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 fisika ataupun kimia. Proses-proses ini membutuhkan penanganan dan penyimpanan material dalam jumlah besar yang terdiri atas bermacam variasi konstruksi, tergantung pada kondisi material yang digunakan, 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 Liquid dan gas. Serta perluasan distribusi BBG (dengan kapal)CNG lebih ekonomis dari pada bahan bakar lain. Selain itu hal yang melatar belakangi dibuatnya makalah ini adalah agar kami sebagai kelompok II (dua), dapat memenuhi tugas yang telah diberikan oleh dosen pengajar mata kuliah Perancangan Bejana dan Alat Penukar Panas, yaitu Ibu Tiur Elysabeth, ST, MT. 1.2 Tujuan Makalah dengan judul ini dibuat bertujuan untuk mendapatkan ukuran pressure vessel untuk CNG, menghitung kekuatan material terhadap beban yang bekerja,mengetahui ukuran tangki yang ideal, dan mengetahui kekuatan dan tingkat keamanan pressure vessel 1.3 Ruang lingkup Ruang lingkup yang di paparkan pada makalah ini adalah mengenai bahan yang di gunakan untuk perancangan tangki serta bagaimana cara menghitung kapasitas tangki secara umum.
BAB II TEORI 2.1 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. 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 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 tanks 2. Flat-bottomed 3. Tangki silindris dengan atap dan dasar tertutup rapat 4. Spherical Tangki pada setiap klasifikasi ini banyak digunakan sebagai tangki penyimpanan dan tangki proses untuk fluida. Range dari setiap proses untuk tangki dapat disesuaikan, dan tidak mudah untuk memenuhi semua kebutuhan dalam berbagai aplikasi. Sangat mungkin untuk menunjukkan
beberapa kegunaan umum dari tipe/bentuk umum tangki. 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. 1.a Open Tangki 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 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 umumnya tangki digunakan untuk fermentasi, dimana potongan kayu digunakan pada pembuatan wine dan sejenis minuman keras lainnya. Redwood atau Cyprus tank sering digunakan untuk reservoir penampungan air. Kayu juga digunakan untuk meletakkan baja untuk menangani larutan hidroklorat encer, laktat, asam asetat dan larutan garam. Kayu juga merupakan kebutuhan mutlak karena harganya yang murah pada proses penyamakan, pemasakan bir, dan industri fermentasi. 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. b. Closed Tangki 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. 2. Tangki dengan Flat Bottoms Perancangan tangki yang paling ekonomis yang beroperasi pada tekanan atmosferik adalah tangki silindris 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 serta lebih dari 48 ft, biasanya membutuhkan sekurang-kurangnya 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. 3. 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 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.
seharusnya
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. 4. 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. 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. Ketika menangani gas dengan jumlah
kecil,
lebih
menguntungkan
jika
menggunakan
tangki
penyimpanan yang berbentuk silindris karena biaya pembuatan menjadi faktor yang berpengaruh dan tangki silindris yang kecil lebih ekonomis dari tangki spherical yang kecil. 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. Head adalah bagian tutup suatu bejana yang penggunaan disesuaikan dengan tekan operasi bejana. Kriteria dalam perancangan Sebuah alat proses dapat rusak karena berbagai alasan : 1. Terjadinya deformasi elastis dan plastis yang berlebihan akibatnya alat gagal melaksanakan fungsinya dan rusak yang membahayakan Deformasi elastic terjadi ketika benda mendapat beban dalam batas elastisnya. Hubungan antara stress f dan strain ε adalah linier dengan slope E (modulu Elastisitas). Begitu juga dengan lenturan (defleksi) harus dibatasi . Persamaan-persamaan yang digunakan : (1) Stress axial ( tarik dan tekan ) ft = P/ A dan fc = - P/A (2) Hubungan stress dan strain pada daerah elastic f=Exε
2. Instabilitas elastic Adalah suatu fenomena yang berkaitan dengan struktur yang memiliki kekakuan yang terbatas yang terkena beban tekan, momen lentur dan kombinasi beban tersebut. Contoh yang khas terjadinya “backing” pada
bejana silindris dengan tekanan luar dan vakum. Hal ini biasanya berkaitan dengan bejana yang berdinding tipis. Bentuk instabilitas elastisitas yang paling sederhana adalah instabilitas pada kolom yang terjadi karena beban tekan axial pada ujung-ujung kolom tersebut. Stress kritis (fcr)yang terjadi diperkirakan dengan rumus EULER : fcr = c2 E / (j/k)2 dimana: c : konstanta yang harganya di pengaruhi kondisi ujung-ujung kolom j/k : rasio 3. Instabilitas plastis Kriteria yang paling banyak digunakan adalah mempertahankan stress yang terjadi berada dalam daerah elastis bejana konstruksi untuk mencegah deformasi plastis yang terjadi jika yield point terlewati. 4. Brittle rupture Kecenderungan
untuk
mempergunakan
bejana
berkonstruksi
baja
berkekuatan tinggi dengan kualitas yang lebih rendah menaikkan kemungkinan failure karena “rupture”. 5. Creep Kriteria perencanaan yang telah diuraikan pada dasar keadaan strain (regangan) dibawah beban tidak berubah dengan waktu dan untuk bahan ferrous dibawah beban sampai suhu 650O R. diluar suhu tersebut maka material akan mengalami “creep” dibawah beban. Yang mengakibatkan kenaikan strain dengan waktu. Laju creep tergantung pada material stress dan suhu operasi. 6. Korosi Adalah peristiwa pengerusakkan pada metal yang disebabkan karena peristiwa kimiawi dan electron kimia. Berbagai macam korosi yang dikenal, yaitu : · Uniform corrosion · Intergranular corrosion · Galvanic corrosion
· Stress corrosion Salah satu pencegahan korosi adalah penambahan tebal metal pada dinding bejana. Pressure vessel merupakan tangki yang digunakan untuk penyimpanan fluida. Biasanya fluida yang disimpan dalam pressure vessel merupakan fluida yang memiliki karakteristik maupun perlakuan khusus Jenis – Jenis Pressure Vessel 1. Cylindrical Pressure Vessel a. Vertical Cylindrical Pressure Vessel b. Horizontal Cylindrical Pressure Vessel 2. Spherical Pressure Vessel Komponen – Komponen Pressure Vessel -Shell -Head - Flanged Head -Hemispherical Head -Ellipsoidal Head -Torispherical Head - Conical Head -Toriconical Head -Miscellaneous - Support -Accessories Hal – Hal yang Perlu Diperhatikan dalam Pembuatan Pressure Vessel -Pengaruh Korosi -Faktor Keamanan -Proses Pembuatan Pressure Vessel
BAB III PEMBAHASAN Bahan Baku Gas alam merupakan kelompok minyak bumi yang terjadi (terbentuk) secara alami, campuran kompleks hidrokarbon dengan jumlah senyawa anorganik yang sedikit. Para ahli geologi dan ahli kimia menyatakan bahwa gas alam terbentuk dari sisa – sisa tumbuhan dan binatang yang berkumpul dengan sedimen bebatuan di dasar laut atau danau selama ribuan atau jutaan tahun. Jenis – Jenis Gas Alam -Gas Alam Jaringan Pipa -Liquified Natural Gas (LNG) -Liquified Petroleum Gas (LPG) -Compressed Natural Gas (CNG) CNG merupakan gas alam (natural gas) yang dipadatkan (dimampatkan) dengan tekanan 100 s/d 250 bar. Karakteristik CNG Komposisi Kimia Komponen Methane Ethane Propane CO2 Others Total
Bagian (%) 88 5 1 5 1 100
Sifat Fisis • Tidak Beracun • Lebih Ringan dari pada udara • Tidak Berwana • Tidak Berbau
Keuntungan Penggunaan CNG Pengurangan Emisi dibandingkan dengan Bensin • CO, 60% - 80% •Xox, 50% - 80% •CO2, sekitar 30% •Reaktifitas penghasil Ozon, 80% - 90% CNG dibandingkan Solar Parameter
Minyak Solar
Gas g/Kg
Partikel
0.017
0.008
SO2
3600
0.027
HC
0.1200
0.380
NOX
3.350
3.010
N2O
0.630
0.340
CO
0.630
0.340
CO
3136.5
1879.4
BAB IV PERHITUNGAN PERANCANGAN DESAIN ALAT
Contoh perhitungan :
Tangki Compressed Natural Gas (CNG) Fungsi : Penyimpanan CNG
Data perhitungan :
