BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Jacketed Vessel Jacketed vessel adalah bejana tekanshell tekan dengan shell tekan sekunder yang
menempel pada sisi luar dinding shell. Jacket diinstal di dinding shell, head, atau keduanya dari pressure vessel dengan tujuan sebagai berikut : -
Memanaskan pressure vessel dan isi didalamnyanya
-
Mendinginkan pressure vessel dan isi didalamnya
-
Sebagai ruang insulasi (penahan panas) pada pressure vessel
Sisi dalam jacket biasanya didesign dengan tekanan dan temperatur tertentu. Tekanan positif pada sisi dalam jacket akan menyebabkan tekanan external pada sisi shell. (Ref ; JIS B8279)[1]
Gambar 2.1 Jacketed pressure vessel (Ref;http://www.postmixing.com/mixing%20forum/images/jacketed%20reactor%20asse mbly%20large.jpg)
7
8
2.1.1 Jenis Konstruksi Jacketed Vessel Dari jenis konstruksinya, secara garis besar jenis jacket dibedakan menjadi 3 yaitu: a. Conventional Jacket Jacket dipasang diluar sisi shell, membentuk ruangan melingkar menyelimuti sisi luar shell yang akan mengalirkan media pemanas atau pendingin ke sisi luar dinding shell. Dalam aplikasinya, konvensional jacket sering dilengkapi dengan spiral baffle disisi dalam jacket untuk mengarahkan aliran media pendingin mengitari dinding shell. Di dalam JIS B8279 [1], conventional jacket diklasifikasikan dalam lima type berdasarkan cara jacket menyelimuti inner vessel yaitu: - Type 1 Jacket yang menyelimuti sebagian panjang dari shell - Type 2 Jacket yang menyelimuti bagian dari shell dan salah satu ujung head - Type 3 Jacket yang menyelimuti bagian head saja - Type 4 Jacket dengan tambahan stay ring pada bagian shell untuk mereduksi efectife length (L) - Type 5 Jacket yang menyelimuti shell dan head, serta sebagian head di ujung lainnya.
Gambar 2.2 Jacketed vessel type 1 ~ 3 ( Ref : JIS B8279-2003) [1]
9
Gambar 2.3 Jacketed vessel type 4 ~ 5 ( Ref : JIS B8279-2003) [1]
b. Half-Pipe Coil Jackets Pada type ini, coil dibelah memanjang dan dipasang pada diding shell dengan arah melingkar (ring type), arah spiral (spiral type), maupun arah memanjang (petal type). Didalam jacket coil dialirkan media pendingin atau pemanas mengitari dinding shell.
Gambar 2.4 Half pipe coil jacket (Ref : JIS B8279-2003) [1]
c. Dimple Jackets Dimple jacket dedesain dengan pelat jacket yang tipis, yang di pasang di shell dengan pengelasan spot dengan susunan yang teratur, dengan pitch spot lasan berjarak kira-kira 50 mm. Dimple jacket biasanya
10
menghasilkan tebal shell yang tipis karena jarak effective supported length nya kecil.
Gambar 2.5 Dimple Jacket ( Ref : JIS B8279-2003) [1]
2.1.2 Jacket Clossure pada Conventional Jacket Jacket closure adalah komponen yang berfungsi sebagai penutup atau sekat antara shell dan jacket. Biasanya dibuat dari ring plate atau radius plate, dilas antara dinding shell dan ujung dari dinding jacket. Di dalam JIS B8279 [1], jenis-jenis jacket closure pada conventional jacket dijelaskan dalam gambar dibawah.
11
Gambar 2.6 Jenis-jenis jacket closure ( Ref : JIS B8279-2003) [1]
12
1) Perhitungan Tebal Jacket Closure Jacket closure harus dihitung ketebalannya dalam menahan internal pressure dari jacket. Pada type 4 jacketed vessel, desain jacket closure yang diperbolehkan adalah sketch a-2), a-3, f-1), f-2), dan f-3) untuk joint closure ke shell, serta sketch g-1) ~g-6) untuk joint closure ke jacket. Ketebalan jacket closure pada type 4 jacket vessel harus dihitung dengan persamaan berikut : …………….(2-1)
Keterangan : trc = tebal minimum jacket clossure J = Jarak antara shell & jacket P = Internal pressure jacket σa = Tegangan ijin material closure [2] Rs = Radius luar Shell
Gambar 2.7 Parameter ukuran lasan closure ke shell (Ref : JIS B8279-2003) [1]
Ukuran lasan jacket closure dan intermediate stiffening ring ke shell adalah: Y = jumlah dari a dan b pada sketch diatas, dimana nilainya tidak boleh kurang dari yang terkecil dari 1.5 tc atau ts (mm). Z = minimum ukuran lasan untuk menjaga nilai minimum Y. Z juga minimum ukuran lasan pada joint jacket closure atau intermediate stiffening ring ke shell.
13
2.1.3 Intermediate Stiffening ring pada Conventional Jacket Stiffening ring sendiri pada dasarnya dipakai pada vacuum vessel yang dipasang pada sisi luar atau dalam dinding shell yang bertujuan untuk mereduksi jarak effectife supported length (L) sehingga menghasilkan ketebalan shell yang lebih kecil. Prinsip mekanika stiffening ring pada vacuum shell adalah ketersediaan
momen
inersia
yang
cukup
pada
stiffening
ring
untuk
mempertahankan posisi dinding shell terhadap buckling karena external pressure atau vacuum.
Gambar 2.8 Stiffening ring pada vacuum vessel (Ref; http://www.pveng.com/ASME/ASMEComment/ExternalPressure/ExternalPressure.php) [3]
Didalam jacketed vessel sesuai ketentuan didalam JIS B8279 [1] diperbolehkan memperpendek jarak effective supported length (L) dari dinding shell dengan menambahkan intermediate stiffening ring.
Gambar 2.9 Intermediate stiffening ring pada jacketed vessel
14
1) Tebal Intermediate Stiffening ring Berbeda dengan stiffening ring pada vacuum vessel, intermediate stiffening ring pada jacketed vessel tidak di hitung berdasarkan ketersediaan momen inersia. Ketika closure bar atau ring lain dipasang pada sisi dalam shell dan sisi luar jacket, dengan internal pressure pada sisi jacket, maka konstruksi ini memiliki kekuatan yang cukup sehingga perhitungan momen inersia tidak diperlukan. (ref; ASME VIII, UG 29-f). [4] Di JIS B8279 [1], perhitungan ketebalan intermediate stiffening ring mengacu kepada perhitungan jacket closure, sehingga persamaan pada (2-1) bisa dipakai untuk menentukan tebal intermediate stiffening ring.
2.2
Tekanan Pada Pressure Vessel External pressure pada pressure vessel terjadi apabila tekanan pada sisi dalam
dinding shell lebih rendah dari pada tekanan pada sisi luarnya. External pressure bisa terjadi pada 3 kondisi yaitu : a. Dari tekanan vakum/hampa pada sisi dalam dinding shell, sedangkan sisi luar dinding shell adalah tekanan atmosphere. b. Tekanan dari luar shell yang lebih besar dari tekanan atmosfir (jacketed reactor vessel) c. Kombinasi dari tekanan vakum pada sisi dalam shell dan tekanan luar yang lebih besar dari tekanan atmosfir. (Ref ; http://www.pveng.com/ASME/ASMEComment/ExternalPressure/External Pressure. php) [3] 2.3
Perhitungan Tebal shell Dinding shell tekan yang dirancang harus kuat menahan tekanan dari dalam
(internal pressure) maupun tekanan dari luar (external pressure) yang direncanakan, ditambah dengan corrosion allowance yang ditetapkan.
2.3.1 Perhitungan Internal Pressure Ketebalan minimum dinding shell terhadap internal pressure dengan nilai pressure < 0.385σaη dihitung dengan persamaan berikut :
15
Perhitungan berdasarkan diameter dalam dinding shell, …………….(2-2)
Perhitungan berdasarkan diameter luar dinding shell, …………….(2-3)
Dimana; t
= minimum thickness yang dibutuhkan (mm)
P
= internal pressure (mm)
Di
= inside diameter dinding shell (mm)
Do
= outside diameter dinding shell
σa
= maximum allowable stress material shell pada temperature desain (N/mm2)
η
= joint efficiency pengelasan pada dinding shell
ca
= corrosion allowance yang ditetapkan (mm)
(Ref ; JIS B8265-2010) [2]
2.3.2 Perhitungan External Pressure Perhitungan tebal shell terhadap external pressure tidak seperti perhitungan internal pressure. Pada perhitungan internal pressure, perhitungan dilakukan untuk memastikan bahwa maximum allowable stress dari material shell masih mampu menahan internal pressure yang direncanakan. Selama stress yang terjadi karena internal pressure tidak melebihi maximum alllowable stress, maka pressure vessel bisa dipastikan dalam kondisi aman. Perhitungan tebal shell terhadap external pressure merupakan prosedur iterasi (pengulangan). Pada langkah pertama design thickness diasumsikan, serta semua variable perhitungan ditentukan. Kemudian dilakukan perhitungan design apakah ketebalan yang diasumsikan aman atau tidak. Bila ketebalan yang diasumsikan tidak aman, maka dilakukan pengulangan sampai didapatkan ketebalan design yang aman. Namun bila ketebalan yang diasumsikan berlebih,
16
secara design sebenarnya aman, tetapi tetap harus dilakukan pengulangan sampai didapat ketebalan yang paling minimal. Tebal shell hanya salah satu bagian dari parameter design. Diluar itu ada parameter panjang shell, serta pemakaian intermediate stiffening ring
(ring
penguat), jumlah, serta spacingnya. Pressure vessel terhadap external pressure mungkin akan mengalami kegagalan design pada saat pressure yang bekerja masih jauh dibawah yield strength dari material . Faktor geometri dari design pressure vessel merupakan faktor yang lebih dominan menyebabkan kegagalan dibandingkan kekuatan material. Kegagalan yang sering terjadi pada design external pressure adalah collapse karena buckling (tekukan) yang bisa datang tiba-tiba. Pada design thickness yang sama, faktor panjang tumpuan sangat menentukan kestabilan pressure vessel terhadap kondisi buckling.
1) Prosedure Iterasi Perhitungan External Pressure Di JIS B8265 [2] prosedure perhitungan ketebalan cylindrical shell terhadap external pressure dengan kondisi seamless (tanpa sambungan) atau dengan sambungan but weld untuk nilai Do/t ≥10 adalah sebagai berikut : Prosedur 1 Asumsikan nilai tebal minimum t dan hitung L/Do dan Do/t. Prosedur 2 Pada appendix E gambar E.9, posisikan L/Do yang telah ditentukan pada prosedur 1 pada aksis vertical. Bila L/Do > 50, maka L/Do adalah 50, apabila L/Do<50, maka L/Do adalah 0.05. Prosedur 3 Dari titik tersebut, tariklah garis horizontal dan tentukan titik temu dengan kurva Do/t yang ditentukan pada prosedur 1. Ketika tidak ada kurva yang pas, maka penentuan titik temu dilakukan dengan interpolasi. Setelah itu tariklah garis vertical ke bawah dan baca nilai A yang ditunjukkan.
17
Prosedur 4 Pilih gambar external pressure chart pada Appendix E, gambar 10 yang sesuai dengan spesifikasi material, kemudian lokasikan nilai A yang didapat pada prosedur 3
Grafik 2.1 External Pressure Chart untuk menentukan nilai factor A untuk perhitungan external pressure pada silindrical shell untuk semua material (Ref; JIS B8265) [2]
18
Grafik 2.2 External Pressure Chart untuk menentukan nilai factor B untuk perhitungan external pressure pada silindrical shell untuk material stainless steel SUS309 (max 5950C), SUS310, 316, 321, 347, 329Jl (max 4000C), dan SUS430 (max 3700C) (Ref; JIS B8265) [2]
a) Dari posisi A, tarik garis vertical keatas dan tentukan titik temu pada kurva material pada temperature desain. Bila tidak ada kurva satupun yang cocok dengan temperature desain, maka lakukan prosedur interpolasi. b) Bila nilai A melebihi ujung kanan atas dari kurva, panjangkan kurva kearah horizontal dari ujung kanan kurva dan tentukan titik persilangan dengan garis pada langkah a). c) Tarik garis horizontal dari titik persilangan a) atau b) dan baca nilai B pada aksis vertical pada sisi kiri chart d) Bila nilai A kurang dari ujung sisi kiri kurva material , maka nilai B adalah 0.5.E.A.
19
Prosedur 5 Dari nilai B yang didapat pada prosedur sebelumnya, maka dihitung Maximum Allowable External pressure (Pa) untuk nilai asumsi tebal (t) pada prosedur 1 dengan formula sebagai berikut : …………….(2-4)
Definisi notasi yang dipakai untuk perhitungan external pressure diatas adalah sebagai berikut : Pa : Maximum allowable external working pressure pada tebal minimum dinding shell yang diasumsikan (t) dan pada design temperature (N/mm2) P
: External pressure desain (N/mm2)
A
: Nilai yang didapat dari external pressure chart pada annex E gambar 10 untuk material dinding shell yang direncanakan, pada L/Do dan Do/t
B
: Nilai yang didapat dari external pressure chart pada annex E gambar 9 untuk material
dinding shell yang direncanakan, pada design
temperature dan pada nilai A (N/mm2) E
: Modulus elastisitas material shell pada design temperature (N/mm2)
L
: Effective supported length dinding shell dan (mm)
Do : Diameter luar dari shell (mm) t
: Minimum thickness dinding shell yang diasumsikan (mm)
T
: Design temperature (0C)
20
2) Penentuan Effective Supported Length (L)
Gambar 2.10 Penentuan panjang desain perhitungan external pressure (Ref; JIS B8265) [2]
Penentuan effective supported
length (L) pada perhitungan external
pressure mengacu pada Gambar E-11 JIS B8265 appendix E sebagai berikut : a)
Pada jarak 1/3 dari tinggi head diukur dari tangent line (sketch a-1), a-2))
b) Center line dari stiffening ring (sketch c-1), c-2), d)) c)
Titik temu antara conical shell dengan silindrical shell (sketch b), e), f))
21
2.4 Metode Elemen Hingga (Finite Elemen Methode) Metode Elemen Hingga adalah metode numerik yang digunakan untuk menyelesaikan permasalahan teknik dan problem matematis dari suatu gejala phisis dengan ketelitian yang dapat diterima oleh rekayasawan. Tipe masalah teknis dan matematis phisis yang dapat diselesaikan dengan metode elemen hingga terbagi dalam dua kelompok, yaitu kelompok analisa struktur dan kelompok masalahmasalah non struktur. 2.4.1 Software Solidwork untuk Metode Element Hingga Menurut Segerlind (1984) [6], metode elemen hingga (Finite Element Method,FEM) adalah suatu metode numerik dengan tujuan memperoleh pemecahan pendekatan dari suatu persamaan diferensial parsial (Partial Differential Equation, PDE). Meskipun cikal bakal teori FEM sudah ada sejak tahun 1940-an, baru pada tahun 1970-an metode ini dirumuskan secara formal. Pada awalnya metode ini digunakan dibidang teknik penerbangan untuk perhitungan kekuatan bangun-raga (structure) pesawat pada industri pesawat terbang. Tetapi dewasa ini FEM telah diterapkan dalam berbagai persoalan teknik: seperti struktur,
dinamika fluida,
perpindahan panas, akustik, maupun elektromagnetik. FEM adalah prosedur numerik untuk menyelesaikan masalah fisika matematika dengan persamaan diferensial atau theorema energi. Ada dua karakteristik yang mempengaruhi dari prosedur numerik nya. 1. Metode yang memanfaatkan rumus integral untuk menyelesaikan sebuah sistem persamaan aljabar. 2. Metode yang menggunakan potongan potongan halus secara parsial dari suatu geometri untuk pendekatan dari jumlah yang tidak diketahui atau diketahui. Metode elemen hingga dengan pendekatan bentuk parsial dari suatu geometri bisa dilakukan dengan cara perhitungan dua dimensi atau tiga dimensi.
Gambar 2.11 Contoh Pembagian Parsial dari Suatu Geometri Secara 2D Menjadi Beberapa Elemen Segitiga.
22
Dengan Software Solidwork, bisa dimodelkan suatu bentukan komponen yang dibebani secara statis. Dengan static simulation study komponen akan dibagi secara parsial secara meshing, dimana bisa menentukan besaran parsialnya, untuk hasil yang lebih teliti. Setelah software melakukan perhitungan terhadap data yang ada maka dapat melihat transisi gaya gaya yang bekerja dan besarnya tegangan dan pelengkungan yang terjadi dari suatu material yang dianalisis. Cara menganalisis FEM dengan Solidwork memerlukan beberapa langkah sebagai berikut : 1. Membuat model komponen dengan ukuran dan jenis material sesuai dengan kondisi sebenarnya. 2. Menentukan titik tumpu (fixture) dari model konstruksi yang akan menjadi penopang saat terjadi gaya penekukan. 3. Memberikan gaya dengan jenis, arah dan besar pada model konstruksi yang sesuai dengan kondisi sebenarnya. 4. Pembuatan jaring-jaring elemen hingga (mesh) pada model konstruksi untuk mengetahui elemen dari masing-masing komponen yang akan dihitung pembebanannya, langkah ini dilakukan otomatis oleh perangkat lunak. 5. Melakukan perhitungan secara otomatis menggunakan perangkat lunak.
Salah satu cara menganalisis kekuatan bahan atau struktur bahan dari suatu konstruksi adalah dengan menggunakan metode elemen hingga atau Finite Elemen Methode (FEM). 2.4.2
Buckling Simulation Buckling simulation menghitung beban atau load yang menyebabkan
kegagalan kritis pada struktur dikarenakan compressive stress. Mengetahui ketahanan buckling suatu struktur adalah sangat penting dalam rangka memprediksi kegagalan yang mungkin terjadi. Gaya yang bekerja tegak lurus pada suatu bidang dinamakan membrane force, yang bisa merubah kekakuan bending suatu struktur. Tensile membrane force akan meningkatkan kekakuan lateral, sedangkan compressive membrane force akan menurunkan kekakuan lateral suatu struktur.
23
Software Solidwork Simulation mampu menganalisa linear elastic buckling, dimana terdapat beban kritis (Pcrit) setelah struktur mampu menopang beban yang diberikan. Pada beban tersebut, sedikit gangguan membuat struktur menjadi tidak stabil. Solidworks simulation menghitung
Buckling Load Factor (BLF) yang
merupakan factor skala dari besarnya beban yang diberikan untuk menghasilkan critical load, yang similar dengan Stress Factor of Safety (FoS). (Ref; http://www.solidworks.com/sw/products/simulation/buckling-analysis.htm) [7] Nilai dari BLF memiliki interpretasi terhadap kondisi konstruksi terhadap gaya yang dibebankan kepadanya. Berikut adalah intepretasi antara nilai BLF dengan Buckling status, yaitu kondisi konstruksi terhadap proses buckling akibat beban yang diterima.
Tabel 2.1 Intepretasi BLF pada Solidworks Simulation (Ref;http://help.solidworks.com/2012/English/SolidWorks/cworks/Buckling_Load_ Factor.htm) [8]
