ANALISA DISTRIBUSI UAP PADA PROSES PENGOLAHAN KELAPA SAWIT DAN OPTIMASI BOILER DENGAN TEKANAN KERJA 21 KG/CM² DI PABRIK KELAPA SAWIT
LAPORAN TUGAS AKHIR
Diajukan untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan dalam Menyelesaikan Program Pendidikan Diploma III
PROGRAM STUDI TEKNIK KONVERSI ENERGI MEKANIK
Oleh CHRISTINE NOVANI SAMOSIR 1205051008
JURUSAN TEKNIK MESIN POLITEKNIK NEGERI MEDAN MEDAN 2015
INTISARI
Ketel uap merupakan sebuah alat penghasil uap, yang dapat mengkonversikan energi kimia yang terdapat pada bahan bakar menjadi energi panas dimana panas ditransfer ke fluida cair (air) sampai terbentuk uap air, yang akan digunakan untuk membangkitkan energi listrik. Ketel uap yang digunakan di Pabrik Kelapa Sawit ini adalah ketel uap pipa air merek Vickers Hoskins model TAKUMA N-600 SA kapasitas 20 ton/jam, tekanan kerja 21 kg/cm2 dan temperatur 2600C. Bahan bakar yang digunakan adalah campuran cangkang dan fiber kelapa sawit dari sisa produksi. Proses pembakaran terjadi pada ruang bakar, dengan bahan bakar yang dibutuhkan memproduksi uap adalah 6000 kg/jam dan menghasilkan massa gas asap sebesar 68.382,6 kg/jam. Dari hasil percobaan diperoleh efisiensi boiler sebesar 54,85%, setelah perancangan ekonomiser, maka efisiensi boiler naik menjadi 62%, dan biaya yang dihemat sebesar: Rp. 6.169.900.140,- per tahun. Kata kunci : Uap, Boiler, Optimasi, Efisiensi.
v
ABSTRACT
Boiler is a steam-producing tool, which can convert the chemical energy contained in the fuel into heat energy in the heat-transfer where the fluid to liquid (water) to form water vapor (steam), which will be used to generate electricity. Boiler used at mills are water tube boiler brand Vickers Hoskins Takuma models N-600 SA capacity of 20 tons/hour, working pressure of 21 kg/cm2 and a temperature of 2600C. The fuel used is a mixture of shells and fiber palm of the rest of the production. The combustion process occurs in the combustion chamber, the fuel needed to produce the steam is 6000 kg/h and produce gas fumes at 68,382.6 kg/h. From the experimental results obtained boiler efficiency by 54.85% and after designing economizer, the boiler efficiency increased to 62%, and the cost savings amounting to Rp 6.169.900.140,-, - per year.
Keywords: Steam, Boiler, Optimization, Efficiency.
vi
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Tuhan Yesus Kristus yang tak hentinya memberikan kasih sayang dan cinta-Nya, penyertaan-Nya dan segala hikmat dan berkat-Nya kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini. Tugas akhir ini disusun sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan Diploma III Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik, Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Medan. Adapun judul tugas akhir ini adalah: Analisa Distribusi Uap pada Proses Pengolahan Kelapa Sawit dan Optimasi Boiler dengan Tekanan Kerja 21 kg/cm² di Pabrik Kelapa Sawit. Dalam penulisan tugas akhir ini, penulis menyadari keterbatasan pengetahuan dan waktu serta pengalaman penulis dalam menyusun laporan ini. Namun atas bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak, maka laporan ini dapat terselesaikan. Pada kesempatan ini dengan segala ketulusan dan kerendahan hati penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1.
M. Syahruddin, S.T., M.T., selaku Direktur Politeknik Negeri Medan;
2.
Idham Kamil, S.T., M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin;
3.
Ir. Abdul Razak, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik;
4.
Ir. Suprapto, M.T., selaku Dosen Pembimbing penulis;
5.
Ir. Hairanus Tarigan, M.T., selaku Dosen wali kelas Teknik Konversi Energi Mekanik 6A;
6.
Seluruh Dosen dan Staff Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik;
7.
Seluruh Staff dan Karyawan PTPN III PKS Kebun Rambutan Tebing Tinggi;
8.
Ayahanda (H. Samosir) dan Ibunda (R. Munthe) tercinta yang telah mengasuh, membimbing dan memberi kasih sayangnya serta bantuan moril, materil, doa, dan motivasi sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini. Begitu juga untuk kakak dan abang-abang terkasih, Silvia
vii
Samosir, Denny Samosir, Nathanael Samosir, Erick Saragih, dan Uly Tobing yang selalu memberikan wejangan-wejangan tegas yang membangun penulis; 9.
Rekan-rekan mahasiswa EN-6A Teknik Konversi Energi Mekanik 2012 Politeknik Negeri Medan. Terkhusus untuk sahabat-sahabat terkasih, Feby Anggita Sinaga, Yohana Anju Manurung, Intan Grace Clara Manurung, Septiana Rita Sinurat, Sulastri Pandiangan dan Maria Magdalena Munte. Penulis menyadari bahwa masih terdapat kekurangan dalam pembuatan
tugas akhir ini baik dari segi pembuatannya maupun dari segi bahasanya dan penyajiannya. Untuk itu penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang sifatnya membangun demi kesempurnaan tugas akhir ini. Akhirnya penulis mengucapkan terima kasih atas perhatian pembaca dan semoga bermanfaat bagi pembaca. Medan, Agustus 2015 Hormat Penulis,
Christine Novani Samosir NIM : 1205051008
viii
DAFTAR ISI
LEMBARAN JUDUL ............................................................................................i SPESIFIKASI TUGAS AKHIR ..........................................................................ii LEMBAR PERSETUJUAN ................................................................................iii LEMBAR PENGESAHAN .................................................................................iv INTISARI ...............................................................................................................v ABSTRACT ..........................................................................................................vi KATA PENGANTAR .........................................................................................vii DAFTAR ISI .........................................................................................................ix DAFTAR GAMBAR ..........................................................................................xii DAFTAR TABEL .............................................................................................xiii
BAB I
PENDAHULUAN A. Latar Belakang ...............................................................................1 B. Rumusan Masalah ..........................................................................3 C. Tujuan Tugas Akhir .......................................................................3 D. Manfaat Tugas Akhir .....................................................................3 E. Teknik Pengumpulan Data ............................................................4
BAB II
LANDASAN TEORI A. Uap ................................................................................................ 5 1. Kualitas Uap ............................................................................ 7 2. Sistem Distribusi Uap ............................................................. 7 B. Optimasi Boiler ............................................................................. 9 1. Defenisi dan Fungsi Boiler ..................................................... 9 2. Bagian Utama Ketel Uap ...................................................... 10 a. Dapur/Ruang Bakar .......................................................... 10
ix
b. Drum Uap ......................................................................... 10 c. Feed Water Tank .............................................................. 10 d. Pompa Air Pengisian Boiler ............................................. 11 e. Pipa-pipa Api ................................................................... 11 f. Cerobong Asap ................................................................. 11 g. Manometer ....................................................................... 11 3. Klasifikasi Ketel Uap Menurut Isi Pipa atau Tabung ............ 11 a. Ketel Pipa Api .................................................................. 11 b. Ketel Pipa Air ................................................................... 12 4. Hal-hal yang Harus Dimiliki oleh Ketel yang Baik .............. 13 5. Dasar Pemilihan Ketel Uap ................................................... 14 6. Perpindahan Panas pada Ketel Uap ....................................... 14 a. Perpindahan Panas secara Pancaran (Radiasi) ................. 14 b. Perpindahan Panas secara Aliran (Konveksi) .................. 16 c. Perpindahan Panas secara Rambatan (Konduksi) ............ 16 7. Draught atau Draft ................................................................. 17 a. Natural Draught ................................................................ 17 b. Ventilator .......................................................................... 18 c. Steam Jet Draught ............................................................ 18 8. Pengoperasian Boiler ............................................................ 19 a. Prinsip Kerja Boiler .......................................................... 19 b. Suplai Energi .................................................................... 19 c. Energi Evaporasi .............................................................. 20 d. Efisiensi Boiler ................................................................. 20 e. Tekanan Absolut Uap ....................................................... 20 9. Audit Energi (Pemeriksaan Energi) ....................................... 21 a. Energi Input ...................................................................... 21 b. Energi Output ................................................................... 21 10. Optimasi Sistem Energi ........................................................ 22
x
BAB III
HASIL PENGUMPULAN DATA A. Spesifikasi Boiler ......................................................................... 25 B. Bahan Bakar Boiler ...................................................................... 26
BAB IV
PEMBAHASAN A. Distribusi Uap di Pabrik Kelapa Sawit ....................................... 27 1. Pengolahan Air (Water Treatment) ....................................... 27 a. Kolam Penampungan ....................................................... 27 b. Tangki Pengendapan (Clarifier Tank) .............................. 27 c. Penyaringan Pasir (Sand Filter) ....................................... 27 d. Tangki Penukar Kation .................................................... 28 e. Degasifier Tank ................................................................ 28 f. Tangki Penukar Anion ..................................................... 28 g. Feed Water Tank .............................................................. 29 h. Deaerator .......................................................................... 29 2. Stasiun Boiler ........................................................................ 29 a. Proses Kerja Boiler .......................................................... 30 b. Alat-alat pada Stasiun Boiler ........................................... 31 c. Sistem Boiler .................................................................... 33 d. Klasifikasi di Boiler PKS .................................................. 34 3. Air Boiler dan Air Pengisi Boiler ......................................... 35 a. Pengertian Air Boiler dan Air Pengisi Boiler .................. 35 b. Syarat Air Pengisi Boiler ................................................. 36 4. Turbin Uap ............................................................................ 36 5. Back Pressure Vessel (BPV) ................................................. 38 B. Optimasi Proses Pembakaran Bahan Bakar Biomassa pada Boiler ................................................................................... 39 1. Input Boiler ............................................................................ 41 2. Energi Output Boiler .............................................................. 41 3. Energi Keluaran Tak Berguna ................................................ 43
xi
4. Energi Panas ke Lingkungan Sekitar (Rugi-rugi) .................. 47 5. Langkah Optimasi .................................................................. 47 6. Ruang Ekonomiser (Aplikasi Heat Transfer) .......................... 49
BAB V
PENUTUP A. Simpulan ..................................................................................... 52 B. Saran ............................................................................................ 52
DAFTAR PUSTAKA
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Kurva Uap Jenuh ............................................................................. 6 Gambar 2. Ketel Pipa Api ............................................................................... 12 Gambar 3. Ketel Pipa Air ................................................................................. 13 Gambar 4. Prinsip Kerja Boiler........................................................................ 19 Gambar 5. Prinsip Kerja Boiler........................................................................ 30 Gambar 6. Laju Massa Aliran Gas Asap.......................................................... 44 Gambar 7. Temperatur di Ruang Ekonomiser ................................................. 49 Gambar 8. Perbedaan Suhu Perpindahan Panas ............................................... 50
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 1. Nilai Kalori dari Bahan Bakar ........................................................... 26 Tabel 2. Kebutuhan Uap pada Pengolahan ...................................................... 41 Tabel 3. Data Pengamatan ................................................................................ 43 Tabel 4. Data Temperatur ................................................................................ 43 Tabel 5. Komposisi Udara ................................................................................ 44
xiii
BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Perkembangan industri pada saat ini mengalami kemajuan pesat. Berbagai jenis industri berkembang di berbagai daerah, tak terkecuali di daerah Provinsi Sumatera Utara. Pada saat ini industri yang berkembang pesat adalah industri pengolahan kelapa sawit atau lebih populer disebut Pabrik Kelapa Sawit (PKS). PKS yang memproduksi minyak mentah CPO (Crude Palm Oil) adalah sebuah industri dengan bahan baku yang mudah didapat, biaya produksi untuk industri ini juga sangatlah kecil. Hal ini dikarenakan sistem yang digunakan sangatlah kompleks dengan semua yang ada didalamnya. Sebuah PKS dimana sudah tersedia bahan baku yang melimpah untuk pembakaran, maka industri ini memiliki sistem pembangkit tenaga listrik sendiri dengan bahan bakar biomass (cangkang dan fiber sawit) untuk kebutuhan produksi dan domestik ataupun untuk menyediakan listrik ke masyarakat jika memiliki kelebihan kapasitas. Selain memproduksi listrik sendiri, PKS juga memiliki sistem pengolahan air bersih untuk keperluan pembangkit dan keperluan produksi dalam mengolah kelapa sawit, terutama sistem pembangkit tenaga listrik yang ada didalamnya. Dimana besar kecilnya sebuah sistem pembangkit disesuaikan dengan besar kecilnya kapasitas produksi industri tersebut. Jadi input dan output-nya seimbang (balance). Kalaupun tidak demikian akan timbul berbagai masalah, mulai dari kapasitas, teknik, maupun sistem produksi yang bermasalah. Sebuah pembangkit tenaga listrik yang sesuai untuk PKS adalah sistem pembangkit listrik tenaga uap (PLTU), karena uap, selain digunakan untuk sistem pembangkit, uap juga digunakan dalam proses produksi CPO itu sendiri. Uap air dihasilkan dalam suatu boiler atau disebut sebagai penghasil uap atau ketel uap. Uap air dan udara merupakan zat kerja paling penting yang digunakan pada mesin thermal. Sesungguhnya, zat kerja yang pertama 1
digunakan dalam keberhasilan mesin thermal adalah uap air dan selama abad ke-18 dan ke-19 pemakaian uap air ini sudah luas, sehingga pada waktu itu sangat dikenal sebagai era uap air. Pada abad ke-20 terjadi penurunan penggunaan uap air ini secara drastis, kecuali terhadap stasiun pembangkit tenaga uap ukuran besar. Tetapi uap air tidak kehilangan popularitasnya sebagai media pemanas. Dimana sangat luas penggunaannya dalam industri dan juga secara komersil. Uap air sebagai media panas adalah sangat cocok menjadi transfer energi thermal dalam jumlah besar, karena panas tidaklah hanya sebagai panas sensibel, tetapi juga bisa diperoleh dari pembakaran suatu bahan bakar (padat, cair, atau gas), energi nuklir, energi solar (matahari) atau energi listrik. Kondisi-kondisi uap produksi boiler bisa sebagai uap basah (wet saturated steam), uap jenuh (dry saturated steam), dan uap superheat atau uap superkritis. Uap yang dihasilkan oleh sebuah mesin yang disebut Boiler mempunyai arti penting dalam industri CPO. Boiler merupakan jantung industri, sedangkan listrik yang diperlukan untuk proses produksi dihasilkan oleh Steam Turbine, jadi kedua alat ini sama pentingnya dan keduanya saling membutuhkan. Boiler dan alat-alat produksi yang lain tidak bisa beroperasi tanpa tenaga listrik, sedangkan Steam turbine tidak dapat beroperasi tanpa adanya uap yang dihasilkan oleh boiler. Terkait dengan masalah proses pembentukan uap, fakta menunjukkan bahwa fluktuasi uap di boiler dapat membawa konsekuensi pada terganggunya proses produksi di PKS. Kurangnya pasokan uap untuk kegiatan distribusi uap pada proses produksi ini sangat terasa terutama ketika proses sterilisasi berlangsung, dimana uap yang dibutuhkan untuk sterilisasi buah sawit kerap mengalami kekurangan uap. Akibatnya, proses sterilisasi buah sawit tidak sesuai dengan standar baku proses yang disarankan, terutama untuk proses sterilisasi buah puncak. Padahal proses sterilisasi memegang peranan cukup penting pada proses produksi minyak sawit. Kondisi ini secara signifikan akan mempengaruhi tahapan proses pengolahan kelapa sawit berikutnya, seperti proses akstraksi minyak sawit dan pengolahan limbah.
2
Maka diperlukan metode konsumsi uap normal turbin yang seharusnya sama dengan kapasitas normal uap yang dihasilkan boiler dan sama dengan kebutuhan maksimal uap PKS. Dengan kapasitas uap normal boiler, turbin harus mampu menggerakkan seluruh stasiun PKS tanpa bantuan PLN, Genset, PLTA atau sumber energi lainnya, sehingga self energy tercipta di PKS. Oleh sebab itu, perlu dilakukan suatu kajian tentang permasalahan ini untuk meminimalisasi beberapa dampak yang akan ditimbulkan dari kasus ini, dan penulis tertarik untuk membahas “Analisa Distribusi Uap pada Proses Pengolahan Kelapa Sawit dan Optimasi Boiler dengan Tekanan Kerja 21 kg/cm² di Pabrik Kelapa Sawit” sebagai judul tugas akhir.
B. Rumusan Masalah Pada laporan tugas akhir analisa Distribusi Uap pada Proses Pengolahan Kelapa Sawit dan Optimasi Boiler dengan Tekanan Kerja 21 kg/cm² di Pabrik Kelapa Sawit ini penulis membatasi masalah yang akan dibahas yaitu: 1. Bagaimana sistem distribusi uap yang ada di Pabrik Kelapa Sawit serta stasiun-stasiun yang membutuhkan uap saat melakukan proses pengolahan? 2. Bagaimana proses kerja boiler pada proses pengolahan kelapa sawit? 3. Bagaimana melakukan optimasi boiler yang direncanakan di Pabrik Kelapa Sawit?
C. Tujuan Tugas Akhir Adapun tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah: 1. Untuk mengetahui distribusi uap yang ada di Pabrik Kelapa Sawit serta stasiun-stasiun yang membutuhkan uap saat melakukan prosesing. 2. Untuk mengetahui proses kerja boiler pada pengolahan kelapa sawit. 3. Untuk mengetahui optimasi boiler di Pabrik Kelapa Sawit.
D. Manfaat Tugas Akhir Adapun manfaat dari Laporan Tugas Akhir ini adalah:
3
1. Menambah pengetahuan dan wawasan tentang distribusi uap dan optimasi boiler dalam proses pengolahan kelapa sawit. 2. Menambah kepustakaan Politeknik Negeri Medan.
E. Teknik Pengumpulan Data Berbagai cara yang dilakukan penulis dalam pengumpulan data diantaranya: 1. Studi literatur dengan mencari buku–buku yang ada di perpustakaan Politeknik Negeri Medan maupun sumber lain yang berkaitan dengan tugas akhir ini. 2. Melakukan konsultasi dengan dosen pembimbing maupun dengan pihak-pihak yang dapat membantu menyelesaikan tugas akhir ini. 3. Website teknologi tepat guna dan website lainnya yang berhubungan dengan judul tugas akhir.
4
