PERANCANGAN BEJANA TEKAN HORISONTAL

TUGAS AKHIR

PERANCANGAN BEJANA TEKAN HORISONTAL

Diajukan Sebagai Persyaratan Untuk Memperoleh Gelar Kesarjanaan Pada Program Strata Satu Jurusan Teknik Mesin Universitas Mercu Buana

Disusun oleh : MEMET HIKMAT NIM

:

01301142

Jurusan

:

Teknik Mesin S1

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2007 i

LEMBAR PERNYATAAN

Yang bertanda tangan dibawah ini adalah saya; Nama

:

Memet Hikmat

NIM

:

01301142

Fakultas

:

Teknologi Industri

Jurusan

:

Teknik Mesin

Menyatakan dengan sesungguhnya Tugas Akhir yang saya buat ini merupakan hasil karya saya sendiri dan tidak menjiplak karya orang lain, kecuali kutipan-kutipan yang mendukung dan mendasari dari sumber yang disebutkan di daftar pustaka.

Jakarta, Februari 2007 Penulis,

Memet Hikmat

i

LEMBAR PERSETUJUAN

“ PERANCANGAN BEJANA TEKAN HORISONTAL“

Diajukan Sebagai Persyaratan Untuk Memperoleh Gelar Kesarjanaan Pada Program Strata Satu Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Universitas Mercu Buana

Disusun Oleh : MEMET HIKMAT NIM

:

01301142

Fakultas

:

Teknologi Industri

Jurusan

:

Teknik Mesin S1

Jakarta,

Februari 2007

Telah diperiksa dan disetujui,

Ir. Ruli Nutranta M.Eng. Kaprodi Mesin

Ir. Ruli Nutranta M.Eng. Dosen Pembimbing

Ariosuko ST. Koordinator TA

ii

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan berkat rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Penulisan Tugas Akhir yang berjudul “ Perancangan Bejana Tekan Horisontal ”.

Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi untuk menyelesaikan program Strata Satu (S1) Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Mercu Buana.

Pada hakekatnya keterbatasan Ilmu Pengetahuan dan Kemampuan adalah milik manusia, kesempurnaan hanya milik Allah SWT. Untuk itu penulis menyadari Tugas Akhir ini jauh dari sempurna, harapan penulis kiranya ada masukan yang positif untuk mengurangi kesalahan yang ada.

Dalam penyusunan tugas akhir ini penulis banyak menerima bantuan dari berbagai pihak baik materi maupun pemikiran dan pengetahuan. Oleh karena itu pada kesempatan ini, penulis sampaikan ucapan terima kasih dan penghargaan setinggi-tingginya kepada :

1. Bapak Ir. Ruli Nutranta M.Eng, selaku dosen pembimbing I tugas akhir dan ketua Jurusan Teknik Mesin-UMB. 2. Bapak Ir. Yuriadi Kusuma M.Eng, selaku Dekan Fakultas Teknologi Industri-UMB. 3. Orang tua penulis, Bpk Tarwin dan Ibu Ocah, atas dukungan moral, semangat serta doanya. 4. Ananda Daffa dan Istri Dini Riani Tercinta. 5. Rekan-rekan alumni PKKT-PT Siemens Indonesia-Cilegon, rekan-rekan di PT Selamat Sempurna Tbk., PT Mechatronic Nusantara, PT Sofresid Indonesia serta di PT MMF. iii

6. Dan semua pihak yang telah turut serta membantu penulisan tugas akhir ini yang tidak dapat disebutkan satu persatu.

Penulis hanya dapat berharap bahwa Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan khususnya untuk penulis sebagai titik awal untuk pengembangan kemampuan intelektual penulis di masa depan.

Jakarta, Februari 2007 Penulis,

MEMET HIKMAT

iv

ABSTRAKSI

Banyaknya jenis peralatan (equipment) penunjang yang diperlukan untuk memperlancar proses eksplorasi, penyaluran, pengolahan dan juga penyimpanan dalam suatu industri hydrocarbon, mengakibatkan suatu industri rancang bangun yang berkonsentrasi pada industri kimia pasti akan melibatkan aplikasi ilmu pengetahuan dalam suatu proses industri yang secara khusus terkait dengan konversi suatu material terhadap material lain, baik secara kimia maupun secara phisik. Dalam pemrosesannya akan dibutuhkan suatu sistem pengolahan dan penyimpanan material dengan sekala besar, oleh sebab itu dibutuhkan kontainer dengan konstruksi yang bervariasi, dan sangat dipengaruhi oleh sifat-sifat kimia serta sifat fisik dari material yang akan disimpan atau diolah, jenis pengolahan dan operasi yang akan dilaksanakan terhadap material juga sangat mempengaruhi pemilihan konstruksi kontainer yang akan digunakan. Untuk memproses material yang berupa zat cair (Fluids) dan gas (Gases), konstruksi kontainer yang digunakan adalah Bejana (Vessel). Ketepatan dan ketelitian dalam merancang suatu bejana sangat penting, karena bejana adalah peralatan dasar (Basic Equipment) bagi sebagian besar peralatan proses (Procces Equipment), yang pada umumnya berhubungan dengan tekanan dan temperatur yang cukup tinggi dalam suatu industi kimia pada umumnya dan khususnya pada industri hydrocarbon. Metoda yang digunakan dalam merancang bejana tekan ini adalah analisa terhadap tegangan material akibat bentukan (forming/rolling) serta pengelasan, ketebalan material pelat minimum dan maksimum yang dapat diterima oleh shell, head juga nosel. Berdasarkan analisa dan perhitungan dari perancangan bejana tekan ini adalah jenis bejana tekan horisontal dengan diameter dalam 43,3071 in, panjang shell 332,6288 in dengan kapasitas 512.599,5 in3, material yang digunakan adalah SA-516 Gr60 memenuhi syarat-syarat teknis minimum yang telah ditetapkan.

v

DAFTAR ISI

Halaman LEMBAR PERNYATAAN

i

LEMBAR PERSETUJUAN

ii

KATA PENGANTAR

iii

ABSTRAKSI

v

DAFTAR ISI

vi

DAFTAR TABEL

x

DAFTAR GAMBAR

xi

DAFTAR NOTASI

xii

DAFTAR PUSTAKA

70

BAB I

PENDAHULUAN

1

I.1

Latar belakang

1

I.2

Maksud dan Tujuan penulisan

2

I.3

Ruang lingkup permasalahan

2

I.4

Pembatasan masalah

3

I.5

Metodologi penulisan

3

I.6

Sistematika penulisan

4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

6

II.1 Mengenal Bejana ( Vessel )

6

II.2 Macam dan jenis Bejana

6

II.2.1 Bejana Terbuka ( Open Vessel )

7

II.2.2 Bejana Tertutup ( Closed Vessel )

8

II.2.2.1 Bejana berbentuk bola ataupun yang telah dimodifikasi ( Spherical or modified spherical vessel )

9

II.2.2.2 Bejana silindris dengan alas rata dan atap bundar atau berbentuk kerucut ( Cylindrical vessel with flat bottom and conical or domed roof )

11

vi

II.2.2.3 Bejana silindris dengan ujung-ujung yang dibentuk ( Cylindrical vessel with formed ends ) II.3 Kekuatan Bahan

13 15

II.3.1 Tegangan

15

II.3.2 Regangan

16

II.3.3 Diagram Tegangan-Regangan Dengan Karakteristik Batas Lumer

16

II.3.4 Hukum Hook

17

II.4 Bejana Tekan ( Pressure vessel )

18

II.4.1 Fungsi Bejana Tekan

18

II.4.2 Komponen-komponen pada bejana tekan

19

II.4.2.1 Komponen Utama II.4.2.1.1 Dinding Bejana ( Shell )

20 20

II.4.2.1.1.1 Perhitungan ketebalan minimum dinding shell berdasarkan perhitungan teoritis

21

II.4.2.1.1.2 Perhitungan tekanan ( stress ) pada dinding ( shell ) silinder

23

II.4.2.1.1.3 Perhitungan ketebalan dan tekanan pada dinding silinder (Shell) berdasarkan standart ASME Section VIII div 1

24

II.4.2.1.1.4 Perhitungan Volume dinding silinder ( Shell )

25

II.4.2.1.1.5 Perhitungan luas permukaan dinding silinder ( Shell )

26

II.4.2.1.2 Penutup Bejana ( Head )

27

II.4.2.1.2.1 Bola atau Setengah Bola ( Sphere or Hemispherical Head)

28

II.4.2.1.2.2 Setengah Elips ( Ellipsoidal Head )

29

II.4.2.1.2.3 Kerucut atau Tirus ( Cone or Conical Head)

31

II.4.2.1.2.4 Lekukan ASME atau bentuk Pinggan (ASME Flanged or Dished head) atau Torispherical Head. II.4.2.1.3 Nosel (Nozzle)

32 35

II.4.2.1.3.1 Perhitungan Proyeksi Nosel pada silinder

37

II.4.2.1.3.2 Perhitungan Pelat Penguat nosel ( Reinforcement pad )

38 vii

II.4.2.2 Komponen Aksesoris atau Tambahan

39

II.4.2.2.1

Pelat Pengangkat (Lifting Lug)

39

II.4.2.2.2

Ring Penguat (Stiffening Ring)

40

II.4.2.2.3

Jaket (Jacket)

40

II.4.2.2.4

Penyangga (Support)

41

II.4.2.2.4.1 Saddle Support

42

II.4.2.2.4.2 Leg Support

42

II.4.2.2.4.3 Lug Support

43

BAB III DATA PERANCANGAN

44

III.1 Karakteristik Umum

44

III.2 Isi : Kondesat + Air + Gas

45

III.3 Bejana ( Vessel )

45

BAB IV ANALISA DAN PERHITUNGAN IV.1 Perhitungan pada Shell IV.1.1 Analisa perhitungan tegangan pada Shell akibat bentukan

47 47 47

IV.1.2 Analisa perhitungan ketebalan minimum dan tekanan maksimum yang dapat diterima Shell IV.2 Perhitungan pada Head

48 51

IV.2.1 Analisa perhitungan ketebalan minimum dan tekanan maksimum yang dapat diterima Head IV.3 Perhitungan Dimensi Head dan Shell

51 53

IV.3.1 Perhitungan Volume Elipptical 2:1 Head

53

IV.3.2 Perhitungan volume Shell

54

viii

IV.3.3 Perhitungan panjang Shell

54

IV.3.4 Perhitungan luas permukaan ( Surface area ) shell

55

IV.4 Perhitungan pada Nozel

56

IV.4.1 Dimensi Flange

57

IV.4.2 Perhitungan pipa leher nosel ( Nozzle Neck Pipe )

59

IV.4.2.1 Perhitungan ketebalan minimum Pipa leher nosel ( Nozzle Neck Pipe ) IV.4.3 Perhitungan pelat penguat ( Reinforcement pad )

60 63

IV.5 Penentuan posisi Nosel terhadap bejana tekan berdasarkan fungsinya.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

66

67

V.1 Kesimpulan Hasil Perhitungan Mekanikal Pada Bejana Tekan

67

V.2 Saran

69

LAMPIRAN-LAMPIRAN

ix

DAFTAR TABEL

Tabel :

Halaman 1. Nilai faktor pengali “ M “

31

2. Volume of Shell and Head

50

3. Dimensi Flange untuk pembebenan 150 lb

54

4. Chemical Requirements for material A 516 ( Carbon Steel )

56

5. Chemical Requirements for material A 106 ( Carbon Steel seamless pipe )

56

6. Perbandingan ketebalan pipa standar dengan ketebalan pipa min yang diijinkan

60

x

DAFTAR GAMBAR Gambar

Halaman

1. Bejana berbentuk bola ( Spherical ) dan Jenis Noded Spherical…………….

9

2. Dua buah Multisphere sebagai bejana penyimpanan Nitrogen dengan dengan tekanan kerja dibawah 400 lb per sq in………………………………

10

3. Tangki penyimpanan bahan bakar (bensin) kapasitas 20.000 bbl, dirancang untuk menerima tekanan kerja 2 ½ lb per sq in………………………………

11

4. Bejana silindris dengan alas rata dan atap mengambang berbentuk kerucut (Cylindrical vessel with flat bottom and conical floating roof)....................

12

5. Bejana silindris horisontal dengan ujung-ujung yang dibentuk (Horizontal cylindrical l vessel with formed ends).........................................

13

6. Bejana jenis Field-ereccted dengan dasar dan atap berbentuk kerucut, yang mempunyai diameter hingga 30 ft........................................................

14

7. Contoh Bejana Tekan Horisontal (Horizontal Pressure Vessel)....................

18

8. Komponen utama dan komponen tambahan pada bejana tekan.....................

20

9. Beberapa bentuk Head yang umum digunakan..............................................

27

10. Beberapa posisi nosel pada bejana tekan yang akan diinstalasikan dengan jaringan pipa....................................................................................... 11. Beberapa jenis Nosel atau flange yang umum digunakan.............................

35 36

12. Beberapa lokasi manhole pada bejana tekan yang disesuaikan dengan akses perawatan pada suatu platform.............................................................

37

13. Beberapa bentuk dan lokasi Pelat pengangkat (lifting lug) pada bejana tekan

40

14. Bejana Tekan tanpa dilengkapi dengan Stiffening Ring dan Bejana Tekan yang dilengkapi dengan Stiffening Ring.........................................................

40

15. Bejana Tekan dengan Jacket pelindung panas................................................

41

16. Bejana Tekan Horisontal dengan penyangga jenis Saddle.............................

42

17. Bejana Tekan Vertikal dengan penyangga jenis Leg.....................................

43

18. Bejana Tekan Vertikal dengan penyangga jenis Lug.....................................

43

xi

DAFTAR NOTASI

A

= Luas area penguat yang diperlukan, in2

A1

= Luas area penguat yang tersedia akibat kelebihan pada shell, in2

A2

= Luas area penguat yang tersedia akibat kelebihan pada pipa leher nosel, in2

A3

= Luas area penguat yang tersedia pada proyeksi dalam, in2

A4

= Luas area penguat pada potongan pengelasan, in2

Ap1

= Luas permukaan 1

Ap2

= Luas permukaan 2

Apstd

= Luas standar pelat yang tersedia, in2

Ashell

= Luas area permukaan kulit dinding bejana ( surface area ), in2

At

= Luas pelat yang diperlukan, in2

C.A

= Nilai korosi yang terjadi ( Corrosion Allowance ), in

D

= Diameter nominal, in

Di

= Diameter dalam ( inside diameter ), in

DiCA

= Di + 2CA , ( inside diameter CA incl ), in

Dip

= Diameter dalam pipa leher nosel, in

Do

= Diameter luar ( outside diameter ), in

E

= effisiensi sambungan ( joint efficiency )

Ip

= Proyeksi dalam ( internal projection ), in

l

= Panjang dinding bejana ( shell ), in

Li

= Radius dalam kubah ( inside crown radius ), in

LiCA

= Li + CA ,( inside crown radius CA incl ), in

Lo

= Radius luar kubah ( outside crown radius ), in

M

= Faktor pengali xii

P

= Tekanan dalam perancangan ( internal design pressure ), psi

Pmax

= Tekanan kerja maximum yang diijinkan ( maximum allowable working pressure ), psi

r

= Radius dalam knucle ( inside knucle radius ), in

Ri

= Jari-jari dalam ( inside radius ), in

RiCA

= Ri + CA , ( inside radius CA incl ), in

Rin

= Jari-jari dalam nosel, in

Rp

= Jari-jari dalam pipa leher nosel, in

ro

= Radius luar nosel, in

S

= Nilai tegangan material ( material stress value ), psi

S1

= Longitudinal stress, psi

S2

= Circumferential ( hoop ) stress, psi

tca

= Ketebalan dinding shell, corrosion allowance termasuk, in

tmin

= Ketebalan minimum yang diperlukan, in

tnom

= Ketebalan nominal,in

tpad

= Tebal pelat penguat, in

Vhead

= Volume / kapasitas penutup ( head ), in3

Vshell

= Volume / kapasitas silinder ( shell ), in3

xiii

BAB I PENDAHULUAN

I.1 Latar belakang Banyaknya jenis peralatan (equipment) penunjang yang diperlukan untuk memperlancar proses eksplorasi, penyaluran pengolahan dan juga penyimpanan dalam suatu industri hydrocarbon, mengakibatkan suatu industri rancang bangun yang berkonsentrasi pada industri kimia pasti akan melibatkan aplikasi ilmu pengetahuan dalam suatu proses industri yang secara khusus terkait dengan konversi suatu material terhadap material lain, baik secara bahan kimia maupun secara phisik. Dalam pemrosesannya akan dibutuhkan suatu sistem pengolahan dan penyimpanan material dengan sekala besar, oleh sebab itu dibutuhkan kontainer dengan konstruksi yang bervariasi, dan sangat dipengaruhi oleh sifat-sifat kimia serta sifat fisik dari material yang akan disimpan atau diolah, jenis pengolahan dan operasi yang akan dilaksanakan terhadap material juga sangat mempengaruhi pemilihan konstruksi kontainer yang akan digunakan. Untuk memproses material yang berupa zat cair (Fluids) dan gas (Gases), konstruksi kontainer yang digunakan adalah Bejana (Vessel). Beberapa peralatan proses yang digunakan merupakan suatu Bejana yang telah dimodifikasi dan disesuaikan dengan fungsi yang diperlukan dari suatu unit peralatan proses agar dapat digunakan untuk melaksanakan suatu proses pengolahan atau penyimpanan.. Sebagai contoh, sebuah ruang penyulingan atau penyerapan akan ditambahkan pada suatu bejana yang memproses dan bersentuhan dengan uap air; sebuah mesin pemindah panas (Heat Exchanger) akan dipertimbangkan menggunakan bejana yang sesuai dengan proses perpindahan panas yang diperlukan pada sepanjang dinding Tube; dan untuk mendapatkan suatu fungsi Evaporator maka akan dirancang suatu Bejana yang memiliki pemindah panas yang dikombinasikan dengan ruangan pelepas uap air. Ketepatan dan ketelitian dalam merancang suatu bejana sangat penting, karena bejana adalah peralatan dasar (Basic Equipment) bagi sebagian besar peralatan proses (Procces Equipment), yang pada 1

umumnya berhubungan dengan tekanan dan temperatur yang cukup tinggi dalam suatu industi kimia pada umumnya dan khususnya pada industri hydrocarbon .

I.2 Maksud dan Tujuan penulisan Secara umum maksud dan tujuan yang ingin dicapai adalah agar dapat menerapkan ilmu yang berhubungan dengan mata kuliah teknik mesin yang telah didapatkan selama kuliah di Universitas Mercu Buana-Jakarta. Tujuan khusus dari perancangan bejana tekan ( pressure vessel ) ini ialah agar didapatkan suatu bejana tekan yang sesuai dengan parameter – parameter yang ditentukan yang sesuai dengan standar ASME Section VIII pada suatu proses produksi pada industri. Metoda perhitungan dapat dijadikan sebagai dasar perancangan bejana tekan yang sesuai dengan standar ASME Section VIII , serta parameter - parameter yang ditentukan.

I.3 Ruang lingkup permasalahan Dalam perancangannya, bejana tekan (pressure vessel) memiliki standar yang harus digunakan, seperti ASME Section VIII , serta parameter-parameter atau spesifikasi yang telah ditetapkan sebelumnya oleh perusahaan yang akan menggunakan bejana tekan tersebut. Banyak elemen – elemen yang harus diperhatikan dalam merancang suatu bejana tekan (pressure vessel), seperti, ketebalan dinding bejana tekan, diameter, panjang, dan juga fluida yang akan di proses, hal tersebut berhubungan dengan adanya parameter – parameter tekanan dalam (internal forces), tekanan luar (external forces) dan juga gaya – gaya (forces) yang berada di dalam dan diluar dari bejana tekan tersebut. Perancangan

bejana tekan (pressure Vessel) harus diperhatikan secara cermat, agar

tidak mengalami hal – hal yang terjadi di luar aturan saat suatu proses produksi berlangsung. Perancangan bejana tekan ini akan sangat dipengaruhi oleh suhu kerja dan tekanan kerja dari materi yang akan diproses. Pemilihan material dan bentuk bejana tekan yang tepat dan semua 2

parameter tersebut harus diperhatikan secara cermat agar proses instalasi dan konstruksi sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan.

I.4 Pembatasan masalah Dalam perancangan bejana tekan ini, penulis akan mengacu pada perancangan bejana tekan jenis horisontal, dimana data – data pendukung telah mendapat persetujuan dari departement terkait, data – data tersebut sesuai dengan spesifikasi materi yang akan diproses dalam bejana tekan tersebut, spesifikasinya adalah : •

Bejana tekan yang dirancang adalah Bejana silindris horisontal yang memiliki fungsi sebagai Sump Tank dengan tekanan kerja P = 1 atm

• Data teknik untuk Bejana tekan (pressure vessel), seperti temperatur operasi, temperatur perancangan, tekanan operasi, tekanan perancangan, tekanan Hydrotest, corrosion allowance, effisiensi sambungan, telah diperoleh sebelumnya. Proses perancangan telah disiapkan semua data teknik yang dibutuhkan. • Data teknik Fluida, seperti, kerapatan fluida , z factor, viskositas dan flow rate telah diperoleh sebelumnya. • Contoh hitungan perancangan yang diterapkan berdasar pada data-data yang telah ditentukan dan sudah ada. • Penulisan dan penggunaan rumus, digunakan rumus praktis yang telah diaplikasikan dalam industri hydrocarbon dan telah distandarkan dalam kode ASME Section VIII div 1 • Standart kode material yang dipakai adalah ASME Section VIII div 1 for pressure vessel.

I.5 Metodologi penulisan

Dalam menyusun tugas akhir ini penulis menggunakan beberapa metoda penyusunan, antara lain :

3

1. Studi Kepustakaan, yaitu mencari literatur yang berhubungan tentang Bejana Tekan 2. Teori yang didapat selama mengikuti kuliah di Universitas Mercu Buana-Jakarta dan pengalaman yang didapat penulis selama bekerja di berbagai perusahaan. 3. Berdiskusi dengan ahli – ahli di bidang perancangan bejana tekan . 4. Pencarian data: Data-data yang digunakan merancang Pressure Vessel dalam tugas akhir ini adalah : -

Tekanan kerja Pressure Vessel

-

Suhu perencanaan dan suhu operasi

-

Material teknik Pressure Vessel

-

Beban dari dalam, seperti kondisi operasi, hydrotest,dll

-

Dll

I.6 Sistematika penulisan

Sistematika penulisan tugas akhir Perancangan Bejana Tekan ( Pressure Vessel ) akan dijabarkan dalam 5 bab, untuk memberikan penjelasan dan penyelesaian yang tepat.

Bab I

PENDAHULUAN Bab ini menguraikan latar belakang masalah , ruang lingkup permasalahan, batasan masalah, tujuan penulisan, metode penyelesaian dan analisa serta sistematika penulisan.

Bab II

TINJAUAN PUSTAKA Bab ini menguraikan teori dasar dari Bejana (Vessel) serta memperkenalkan lebih dalam apa yang dinamakan bejana mulai dari fungsi, jenis – jenis atau klasifikasi bejana, dan komponen – komponennya. Dalam Bab ini juga akan dijabarkan mengenai pola perancangan untuk sebuah bejana tekan.yang mana akan 4

diaplikasikan untuk merancang bejana tekan (pressure vessel) sesuai dengan standar ASME Section VIII div 1.

Bab III

DATA PERANCANGAN Bab ini menguraikan data-data yang menjadi dasar perancangan, dan mencakup pada penentuan parameter – parameter yang diperlukan.

Bab IV

ANALISA DAN PERHITUNGAN Bab ini menguraikan perhitungan untuk merancang bejana tekan (pressure vessel) sesuai dengan standar ASME Section VIII div 1.

Bab V

KESIMPULAN Bab ini berisikan tentang kesimpulan akhir dari hasil pembahasan yang dilakukan terhadap objek survey yaitu Bejana Tekan.

5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

II.1 Mengenal Bejana (Vessel) Bejana (Vessel) adalah peralatan dasar (Basic Equipment) bagi sebagian besar peralatan proses (Procces Equipment). Beberapa peralatan proses yang digunakan merupakan suatu bejana yang telah dimodifikasi dan disesuaikan dengan fungsi yang diperlukan dari suatu unit peralatan proses agar dapat digunakan untuk melaksanakan suatu proses pengolahan atau penyimpanan. Sebagai contoh, sebuah sebuah ruang penyulingan atau penyerapan akan ditambahkan pada suatu bejana yang memproses dan bersentuhan dengan uap air; Sebuah mesin pemindah panas (Heat Exchanger) akan dipertimbangkan menggunakan bejana yang sesuai dengan proses perpindahan panas yang diperlukan pada sepanjang dinding Tube; dan untuk mendapatkan suatu fungsi Evaporator maka akan dirancang suatu bejana yang memiliki pemindah panas yang dikombinasikan dengan ruangan pelepas uap air. . II.2 Macam dan jenis bejana Pada umumnya langkah awal dari perancangan suatu bejana adalah penentuan jenis bejana yang paling sesuai dengan proses yang akan dilakukan. Faktor utama yang mempengaruhi pemilihan suatu bejana adalah : -

Fungsi dan lokasi dari penempatan bejana

-

Sifat Fluida yang akan di proses

-

Suhu dan Tekanan operasi

-

Volume penyimpanan yang diperlukan atau kapasitas proses yang akan dikerjakan

Secara umum, bejana dapat diklasifikasikan berdasarkan bentuk geometrinya,: 1) Bejana Terbuka (Open Vessel) 6

2) Bejana Tertutup (Closed Vessel) a) Bejana berbentuk bola ataupun yang telah dimodifikasi (Spherical or modified spherical vessel). b) Bejana silindris dengan alas rata dan atap bundar atau berbentuk kerucut (Cylindrical vessel with flat bottom and conical or domed roof) c) Bejana silinder vertikal dan horisontal dengan ujung-ujung yang dibentuk (Vertical cylindrical and horizontal vessel with formed ends)

Masing-masing jenis bejana secara umum berfungsi sebagai bejana penampung / penyimpan dan juga sebagai bejana pemroses fluida. Cakupan fungsi dari beberapa bejana akan saling tumpang tindih, sehingga hal ini mempersulit dalam menentukan kalsifikasi berdasarkan fungsinya. Sangat mungkin untuk menandai adanya pengelompokan kondisi secara umum dalam beberapa penggunaan pada jenis bejana yang sering digunakan.

II.2.1 Bejana Terbuka (Open Vessel)1 Bejana Terbuka (Open Vessel) digunakan untuk menyimpan ataupun memproses cairan atau fluida yang tidak mengandung racun dan tidak terlalu berharga dengan kapasitas yang besar, seperti air asin dan larutan lain yang

mengandung air, dan sangat

memungkinkan untuk disimpan dalam kolam, di dalam tanki baja terbuka, tanki kayu, atau tangki penyimpanan yang terbuat dari beton. Bejana terbuka juga digunakan sebagai :

1

•

Tanki perantara antar operasi

•

Sebagai tong untuk proses perantara dimana material dicampur dan diaduk

•

Tanki pengendapan

Lloyd E. Brownell and Edwin H. Young, Equipment Design.1959, hal2

7

•

Reaktor kimia

•

Reservoir, dan lain-lain

Dengan kapasitas dan konstruksi yang sama, bejana terbuka lebih murah dibandingkan dengan bejana tertutup. Pemilihan penggunaan bejana terbuka atau tertutup juga dipengaruhi oleh fluida dan proses yang akan dilakukan.

II.2.2 Bejana Tertutup (Closed Vessel)2 Bejana Tertutup (Closed Vessel) di gunakan untuk menyimpan atau memproses cairan atau fluida yang mengandung bahan kimia yang dapat membahayakan, cairan asam, cairan mudah terbakar seperti pada proses pengolahan minyak bumi, atau berupa gas dalam kondisi penyimpanan (akan dimanfaatkan kembali), dan jika tekanan yang diperlukan dalam proses penyimpanan atau proses pengolahan lebih besar ataupun lebih kecil dari tekanan atmosfir, dalam artian lain, ada perbedaan tekanan maka suatu sistem tertutup sangat pasti akan diperlukan. Bejana jenis ini banyak di gunakan pada industri pengolahan minyak dan industri kimia. Bejana tertutup dapat di kelompokan menjadi 3 pengelompokan,yaitu : 1. Spherical or modified spherical vessel, (bejana berbentuk bola ataupun yang telah dimodifikasi) 2. Cylindrical vessel with flat bottom and conical or domed roof, (bejana silindris dengan alas rata dan atap bundar atau berbentuk kerucut) 3.

Cylindrical Vessel with Formed Ends, (bejana silindris dengan ujung-ujung yang dibentuk)

2


8

II.2.2.1 Bejana berbentuk bola ataupun yang telah dimodifikasi (Spherical or modified spherical vessel)3 Untuk menyimpan fluida dengan volume yang besar dengan tekanan di bawah tekanan moderat pada umumnya kontainer dibuat berbentuk Bola atau Spheroid (Gambar 2.1). Dalam penggunaannya, kapasitas dan tekanan yang dapat diatasi oleh bejana jenis ini lebih bervariasi. Kapasitas terbentang dari 1000 sampai 25.000 bbl, dan tekanan terbentang dari 10 lb per sq in hingga 200 lb per sq in. dengan dimensi yang bervariasi pula, mulai dari yang kecil hingga yang memiliki dimensi lebih besar.

Gambar 2.1 . Bejana penyimpanan berbentuk bola (Spherical) dan Jenis Noded Spheroida4

Jika sejumlah gas harus disimpan dalam ruang bertekanan, maka volume penyimpanan yang diperlukan akan berbanding terbalik dengan tekanan penyimpanan. Secara umum tangki berbentuk bola lebih hemat dan ekonomis untuk volume yang besar serta penyimpanan dengan tekanan operasi kecil. Pada tekanan penyimpanan yang lebih tinggi, volume gas harus dikurangi, dan oleh karena itu, bejana penyimpanan berbentuk

3 4

Lloyd E. Brownell and Edwin H. Young, Equipment Design.1959, hal4 CE Natco ,GPSA electronic data book

9

silindris akan lebih ekonomis untuk digunakan. Ketika massa gas yang harus ditangani tidak terlalu besar (kecil), ada suatu keuntungan didalam penggunaan bejana penyimpanan silindris, hal ini disebabkan biaya fabrikasi merupakan salah satu faktor yang menentukan dalam pemilihan jenis bejana dan biaya fabrikasi bejana silindris kecil lebih dibanding bejana berbentuk bola dengan dimensi dan kapasitas yang sama.

. Gambar 2.2 Dua buah multispheres sebagai bejana penyimpanan nitrogen dengan tekanan kerja dibawah 400 lb per sq in 5

Untuk beberapa kasus, faktor ekonomi ini dapat disiasati dengan menggunakan bejana berbentuk bola yang telah dimodifikasi, seperti dua buah multispheres yang dirancang sebagai bejana untuk menyimpan gas nitrogen pada tekanan kerja 400 lb per sq in (gambar 2.2). Bejana berbentuk bola yang telah dimodifikasi juga digunakan untuk penyimpanan dalam volume besar dibawah tekanan moderat. Sebuah bejana Ellipsoidal besar (Gambar 2.3) telah dibangun untuk menyimpan 55,000 bbl fluida pada tekanan 75 lb per sq in. Bejana paling besar untuk menyimpan Fluida bertekanan adalah tangki semiellipsoidal, yang mana telah dibuat untuk menyimpan 120,000 bbl fluida pada tekanan 2½ lb per sq in. ketika kapasitas dari suatu bejana ditingkatkan, tekanan yang dapat diatasi

5


10

dalam kondisi aman oleh bejana tersebut (tanpa konstruksi pendukung/penguat) akan berkurang.

Gambar 2.3

20.000 bbl tangki penyimpanan bahan baker (bensin), dirancang untuk mengatasi tekanan kerja 2 ½ lb per sq in 6

II.2.2.2 Bejana silindris dengan alas rata dan atap bundar atau berbentuk kerucut (Cylindrical vessel with flat bottom and conical or domed roof)7 Bentuk rancangan yang paling ekonomis untuk suatu bejana tertutup yang beroperasi pada tekanan atmosfir adalah tangki silindris vertikal dengan suatu atap berbentuk kerucut dan suatu alas datar/rata yang berpijak secara langsung pada permukaan yang padat dari suatu pondasi terdiri atas pasir, kerikil, atau serpihan batu karang. Untuk suatu kondisi dimana gaya grafitasi digunakan sebagai bagian dari proses, tangki diangkat dari permukaan tanah dan bagian alas tangki akan disanggah oleh suatu kolom dengan balok baja atau balok kayu yang disilangkan. Dinding silindris, alas rata dan atap kerucut dilengkapi dengan lubang pernapasan atau ventilasi, hal ini diperlukan untuk mengatasi adanya perubahan tekanan sebagai akibat dari fluktuasi temperatur dan volume yang terjadi dalam tangki tersebut. Tangki/bejana dengan garis tengah hingga 24 ft dapat ditutup dengan atap tanpa penyanggah tambahan; Untuk tangki/bejana dengan garis tengah lebih besar, hingga 48 ft, pada umumnya memerlukan sedikitnya satu kolom pusat sebagai penyangga. Sedangkan untuk tangki/bejana dengan garis tengah lebih besar dari 48 ft 6 7

Lloyd E. Brownell and Edwin H. Young, Equipment Design.1959 hal5 Lloyd E. Brownell and Edwin H. Young, Equipment Design.1959, hal3

11

selalu dirancang memiliki kolom penyangga lebih dari satu atau dengan suatu atap yang mengapung atau ponton yang dapat bergerak naik-turun mengikuti tinggai permukaan cairan dalam bejana itu.

Gambar 2.4

Bejana silindris dengan alas rata dan atap mengambang berbentuk kerucut (Cylindrical vessel with flat bottom and conical floating roof) 8

Secara umum, tangki/vessel dengan atap berbentuk kerucut sangat terbatas penggunaannya, hal ini dikarenakan tekanan operasi yang dianjurkan tidak melebihi tekanan atmosfir. Jika atap bundar digunakan maka tekanan kerja yang dapat diterima antara 2 1/2 sampai 15 lb/sq in, dan pada kondisi ini penggunaan alat kontrol tekanan sangat dianjurkan. Secara umum Bejana ini memiliki garis tengah yang lebih kecil dan lebih tinggi jika dibandingkan dengan tangki / bejana beratap kerucut untuk kapasitas penyimpanan atau pengolahan yang sama.

8

Lloyd E. Brownell and Edwin H. Young, Equipment Design.1959, hal 49

12

II.2.2.3 Bejana silindris dengan ujung-ujung yang dibentuk (Cylindrical Vessel with Formed Ends)9 Bantalan pendukung

Penyangga dari beton atau besi

Gambar 2.5

Bejana silindris horisontal dengan ujung-ujung yang dibentuk (Horizontal cylindrical l vessel with formed ends)10

Bejana silindris tertutup dengan ujung yang dibentuk pada kedua-duanya, seperti yang diilustrasikan pada gambar 2.5, digunakan jika tekanan uap air dari fluida yang disimpan memerlukan suatu rancangan yang lebih kuat. Bejana jenis ini disebut bejana tekan, karena pada pengoperasiannya baik sebagai bejana penyimpanan ataupun bejana pemrosesan akan terjadi atau diperlukan perbedaan tekanan antara lingkungann luar dan dalam bejana. Standar-standar yang harus dicapai dan merupakan syarat mutlak dari suatu perancangan sebuah bejana jenis ini telah ditentukan dan terus dikembangkan oleh American Petroleum Institute (API) dan American Society of Mechanical Engineers (ASME) yang akan menjadi dasar utama bagi perancangan bejana tersebut. Bejana ini pada umumnya memiliki garis tengah kurang dari 12 ft. Akan tetapi pada bejana dengan jenis Field-Erected, (gambar 2.6), Diameter bejana dapat dibuat hingga 35 ft dengan panjang yang dapat dibuat hingga mencapai 200 ft .

9

Lloyd E. Brownell and Edwin H. Young, Equipment Design.1959, hal 4 CE Natco ,GPSA electronic data book

10

13

Gambar 2.6 Bejana jenis Field-ereccted dengan dasar dan atap berbentuk kerucut, yang mempunyai diameter hingga 30 ft.11

Berbagai bentuk geometris digunakan untuk menutup akhir/ujung-ujung dari bejana silindris. Bentuk geometris yang digunakan tersebut meliputi : •

Bola (Spherical),

•

Mangkuk ellips (elliptical-dished),

•

(Torispherical),

•

Mangkuk standar (Standart-Dished),

•

Kerucut (Conical), dan

•

(Toriconical) .

Karena tujuan yang khusus, ujung rata/flat digunakan untuk menutup bejana terbuka. Bagaimanapun, ujung rata jarang digunakan untuk bejana besar. Untuk tekanan yang tidak tercakup dalam kode ASME, bejana akan dibuat dengan ujung berbentuk mangkuk standar, sedangkan bejana yang mempunyai kode konstruksi pada umumnya akan dirancang dengan menggunakan bentuk yang telah ditetapkan dalam standar ASME, 11

H. C. Boardman, Research Engineer

14

seperti bentuk (ASME-dished) atau mangkuk ellips (elliptical-dished). Bentuk yang paling umum untuk penutup bejana bertekanan adalah mangkuk yang berbentuk ellips. Kebanyakan peralatan proses pada industri kimia dan petrokimia, seperti, kolomsulingan, desorbers, peredam, scrubbers, Heat exchangers, pressure-surge tank, dan separator, termasuk bejana silindris tertutup dengan akhir yang dibentuk sejenis atau berbeda.

II.3 Kekuatan Bahan Kekuatan bahan adalah tahanan suatu bahan dalam melawan perubahan oleh suatu gaya luar. II.3.1 Tegangan Jika sebuah benda padat berada dalam keadaan setimbang tetapi dipengaruhi gayagaya yang berusaha menarik, menggeser, atau menekannya maka bentuk benda itu akan berubah. Jika benda kembali kebentuknya semula bila gaya-gaya dihilangkan, benda dikatakan elastik. Kebanyakan benda adalah elastik terhadap gaya-gaya sampai ke suatu batas tertentu yang dinamakan batas elastik. Jika gaya-gaya terlalu besar dan batas elastik dilampaui, benda tidak kembali ke bentuknya semula tetapi secara permanen berubah bentuk. Rasio gaya F terhadap luas penempang A dinamakan tegangan tarik12:

σz =

F A

( 2.1 )

Ket:

12

σz

= Tegangang, lb/in2

F

= Gaya beban, lb

A

= Luas penampang, in2

Verlag Europa-Lehrmittel. 1997. Tabellenbuch metall, hal. 160

15

II.3.2 Regangan Akibat gaya-gaya yang bekerja pada suatu benda berusaha meregangkan benda tersebut maka terjadi perubahan fraksional pada panjang benda ΔL / L adalah dinamakan regangan13:

ε=

ΔL x100% L

( 2.2 )

Ket:

ε

= Regangan, %

ΔL

= Perbedaan panjang, in

L

= Panjang awal, in

II.3.3 Diagram Tegangan-Regangan Dengan Karakteristik Batas Lumer

Berikut ini adalah contoh diagram tegangan dan regangan untuk baja konstruksi.

Gambar 2.7 Diagram Tegangan-regangan baja konstruksi

13


16

Batas proporsionalitas (titik P) menunjukkan akhir hubungan dari proporsional tegangan dan regangan. Pada beban dibawah titik P pertambahan tegangan dan regangan adalah sebanding. Karenanya kurva grafik ini mulai dari titik nol berupa suatu garis lurus (garis lurus hukum hook). Setelah pembebanan berakhir bahan ini kembali seperti bentuk semula. Tegangan-tegangan yang diijinkan untuk penentuan ukuran komponen hanya dalam daearah garis lurus proporsional (sampai titik P) Batas elastisitas (titik E) adalah jika bahan tersebut dibebani sedikit diatas titik P sampai titik E, maka timbul regangan elastis kecil hanya 0,001% Batas lumer (titik S) adalah jika bahan tersebut dibebani lebih lanjut melewati titik E sampai titik S mulailah daerah perubahan bentuk bahan (plastis). Diatas titik E timbul perubahan bentuk tetap. Kurva ini membuat suatu patokan pada titik S, batang uji akan menjadi panjang, bahan muali lumer tanpa penambahan beban. Pada daerah perubahan bentuk tetap (setelah titik P) tegangan yang tersedia tidak dapat dipakai untuk menentukan ukuran kekuatan bahan. Batas kekuatan tarik (titik B) adalah jika tegangan meningkat sampai suatu nilai tertinggi. Disebut juga kekuatan tarik Rm. Batas putus (titik Z) adalah jika bahan dibebani melebihi kekuatan tarik tertingginya , maka batang uji secara nyata mengecil dan bebannya berkurang sampai batang uji tersebut putus.

II.3.4 Hukum Hook

Pada grafik diatas sampai dengan titik P menunjukkan bahwa regangan berubah secara linear dengan tegangan adalah dikenal sebagai hukum Hook. Rasio tegangan terhadap regangan dalam daerah linear grafik adalah konstanta yang dinamakan Modulus Young14:

14


17

E=

σz ε

( 2.3 )

Ket: E

= Modulus young, lb/in2

σz

= Tegangan, lb/ in2

ε

= Regangan, %

Melalui percobaan tarik seperti diatas dapat ditemtukan nilai tegangan dan regangan suatu logam dan dengan membandingkan nilai-nilai ini dapat ditentukan kualitas logam tersebut.

II.4 Bejana Tekan (Pressure Vessel)

Bejana tekan adalah suatu komponen yang memiliki ruang dengan tekanan yang relatif tinggi (seperti suatu kontainer silindris atau berbentuk bola) yang mempunyai suatu potongan melintang lebih besar dari tabung atau pipa yang dihubungkan15. Gambar 2.7 mengilustrasi kan contoh bejana tekan horisontal

Gambar 2.8 Contoh Bejana Tekan Horisontal (Horizontal Pressure Vessel)16

II.4.1 Fungsi Bejana Tekan

Sesuai dengan bentuknya, Bejana tekan berfungsi sebagai media penyimpanan atau pemrosesan cairan atau fluida yang mengandung bahan kimia yang dapat membahayakan seperti :

15 16

ES and H manual 2000, Pressure vessel and System Design. UCRL-MA hal 44 Mechanical Engineer, PT. SOFRESID INDONESIA

18

•

Cairan asam,

•

Cairan mudah terbakar seperti pada proses pengolahan minyak bumi,

•

Gas dalam kondisi penyimpanan (akan dimanfaatkan kembali),

•

Dan jika tekanan yang diperlukan dalam proses penyimpanan atau proses pengolahan lebih besar dari tekanan atmosfir

II.4.2 Komponen – komponen pada bejana tekan

Komponen pada bejana tekan dapat di klasifikasikan menjadi 2 bagian, yaitu: 1. Komponen utama : 1. Dinding bejana (Shell) 2. Ujung Penutup / kepala bejana (Head) 3. Nosel (Nozzle) 2. Komponen Asesoris atau tambahan : 1. Pelat Pengangkat (Lifting Lug) 2. Penyangga (Support / Saddle) 3. Ring penguat (Stiffening Ring) 4. Jaket (Jacket)

19

3

4

1 7

6

2

5 1. 2. 3. 4.

Dinding Bejana ( Shell ) Ujung penutup / kepala bejana ( Head ) Nosel ( Nozzle ) Pelat pengangkat ( Lifting Lug)

5. 6. 7.

Penyangga ( Support / Saddle ) Ring penguat ( Stiffening Ring ) Jaket bejana ( Jacket )

Gambar 2.9 Komponen utama dan komponen tambahan pada bejana tekan

Komponen-komponen pendukung yang terdapat pada bejana tekan akan disesuaikan dengan fungsi khusus dari Bejana Tekan tersebut.

II.4.2.1 Komponen Utama

Komponen utama adalah komponen dasar yang membentuk bejana tekan sehingga dapat berfungsi dengan benar sesuai tujuan dasar dari suatu perancangan bejana tekan

II.4.2.1.1 Dinding Bejana ( Shell )

Komponen terbesar pada sebuah bejana adalah Shell, yaitu dinding utama dari sebuah Bejana atau dapat juga disebut sebagai badan bejana yang berfungsi sebagai tempat kedudukan nosel dan juga komponen lainnya, selain itu shell juga sebagai pembentuk utama bejana. Shell terbuat dari Billet yang dibentuk menjadi sebuah silinder dan kemudian disambung dengan proses pengelasan, atau shell

20

dapat juga berupa suatu geometri pipa. Pemilihan material shell ditentukan dalam kode ASME seksi VIII divisi 1 subsuksi C berdasarkan sifat-sifat fluida yang akan diproses, tekanan operasi, suhu operasi serta tekanan maximum yang diijinkan yang akan diterima oleh shell tersebut berdasarkan suatu rancangan yang sesuai dengan parameter-parameter yang telah ditentukan sebelumnya.

II.4.2.1.1.1 Perhitungan ketebalan minimum dinding shell berdasarkan perhitungan teoritis17

Perhitungan berdasarkan circumferential hoop stress: Di

P

l

Area Proyeksi

Di

F

P

l

F

t F = p x Luas area proyeksi F = p × Di × l

F = S x Luas penampang F = S ×t ×l ×2

⇒ S × t × l × 2 = p × Di × l

sehingga diperoleh : t=

p × Di S ×2

( 2.4 )

ket : p 17


Eugene F. Megyesy, PRESSURE VESSEL HANDBOOK Eleventh Edition, pressure vessel publishing Inc. hal12

21

Di


S


t

= Tebal dinding bejana ( shell ),in

l


perhitungan berdasarkan longitudinal stress: Di Ap1

F l

Ap2

P

tt p=

F F ⇒ p= π Di 2 A p1 4

maka :

P × π × Di F= 4

F S= Ap 2

p × π × Di 4 ⇒ S= π × Di × t

2

2

sehingga diperoleh : t=

p × Di 4× S

( 2.5 )

ket : p

= Tekanan dalam perancangan ( Internal design Pressure ), psi

Di


S

= Nilai tegangan material ( material sress value), psi

t

= Tebal dinding bejana ( shell ),in

22

l


Ap1 = Luas permukaan 1, in2 Ap2 = Luas permukaan 2, in2

II.4.2.1.1.2 Perhitungan tekanan ( stress ) pada dinding ( shell ) silinder18

•

S1 =

Circumferential Joints

pD 4t a

( 2.6 ) • S2 =

Longitudinal Joints pD 2t a

( 2.7 )

Keterangan :

18

p


D

= Diameter dinding bejana ( shell ), in

S1

= Longitudinal stress, psi

S2

= Circumferential (hoop) stress, psi

ta

= Ketebalan dinding shell, corrosion allowance termasuk, in


23

II.4.2.1.1.3 Perhitungan ketebalan dan tekanan pada dinding silinder (Shell) berdasarkan standart ASME Section VIII div 1

Perumusan dalam kaitan dengan dimensi dalam ( internal dimensions ) 19: •

Ketebalan minimum dinding bejana “ Shell “ ( tmin )

t min =

•

pRiCA + C. A SE − 0,6 p

( 2.8 )

Tekanan kerja Maksimum ( pmax ) p max =

SEt min Ri + 0,6t min

( 2.9 )

Perumusan dalam kaitan dengan dimensi luar ( outside dimensions ) 20: •

Ketebalan minimum dinding bejana “ Shell “ ( tmin ) t min =

19 20

pRo + C. A SE + 0,4 P

( 2.10 )

Eugene F. Megyesy, PRESSURE VESSEL HANDBOOK Eleventh Edition, pressure vessel publishing Inc. hal14 Eugene F. Megyesy, PRESSURE VESSEL HANDBOOK Eleventh Edition, pressure vessel publishing Inc. hal 22

24

•

Tekanan kerja Maksimum ( Pmax ) Pmax =

SEt min Ro − 0,4t min

( 2.11 )

Keterangan : tmin


Ri


RiCA


Ro

= Jari-jari luar ( outside radius ), in

p


pmax

= Tekanan kerja maximum yang diijinkan ( maximum allowable working pressure ), psi

S


C.A

= Nilai korosi yang terjadi ( corrosion allowance ), in

E

= Effisiensi sambungan ( joint efficiency )

II.4.2.1.1.4 Perhitungan Volume dinding silinder ( Shell )

•

Volume silinder dapat dihitung dengan menggunakan rumusan : Vshell = πRi l 2

( 2.12 )

Keterangan :

21

Vshell

= Volume / kapasitas silinder ( shell ) 21, in3

Ri


l

= Panjang silinder dinding bejana ( shell ), in

tabel Volume of Shell and Heads, Eugene F. Megyesy, PRESSURE VESSEL HANDBOOK Eleventh Edition, pressure vessel publishing Inc. hal416-417

25

II.4.2.1.1.5 Perhitungan luas permukaan dinding silinder ( Shell )

Luas permukaan Shell dihitung berkaitan dengan ketersediaan dimensi material pelat yang tersedia dipasaran. Pada umumnya dimensi pelat yang tersedia adalah 3m x 3m ( ± 118 in x 118 in ). Oleh karena itu untuk dimensi yang besar akan diperlukan lebih dari 1 lembar pelat untuk membentuk sebuah Vessel. Mengetahui posisi sambungan dan jumlah pelat yang digunakan sangat penting dalam penentuan posisi Nozel yang akan digunakan pada Pressure Vessel.

Shell

D

πD

l

•

Luas permukaan ( Surface Area ) Shell dihitung dengan rumusan : Ashell = π × D × l

( 2.13 )

Keterangan : Ashell

= Luas area permukaan kulit dinding bejana ( surface area ), in2

D

= Diameter dinding bejana ( shell ), in

l


26

II.4.2.1.2 Penutup Bejana ( Head )

Ciri utama dari sebuah bejana tekan atau bejana bertekanan yang terklasifikasikan sebagai bejana tertutup (Closed Vessel) adalah memiliki head (kepala/ujung penutup bejana). Head berfungsi sebagai penutup bejana. Material yang digunakan pada head harus mempunyai stress value, komposisi kimia yang sama ataupun sejenis dengan material yang digunakan pada shell, karena akan berpengaruh pada proses pengelasan yang bertujuan untuk menyatukan antara Head dengan Shell.

2

1

Gambar 2.10

3

4

Beberapa bentuk Head yang umum digunakan, 1-Setengah bola(Hemispherical Head), 2- Setengah Elips(Ellipsoidal Head), 3- Tirus(Conical Head),dan 4-Bentuk pinggan(Torispherical Head)---22

Gambar II.1.9 mengilustrasikan bentuk Head bejana tekan, sesuai dengan fungsi yang diperlukan, perhitungan ketebalan minimum ujung/kepala bejana diatur oleh kode ASME Section VIII div 1.

22

Eugene F. Megyesy, PRESSURE VESSEL HANDBOOK Eleventh Edition, pressure vessel publishing Inc

27

II.3.2.1.2.1 Bola atau Setengah Bola ( Sphere or Hemispherical Head)

Perumusan dalam kaitan dengan dimensi dalam ( inside dimensions )23 : •

Ketebalan minimum dinding Head ( tmin )

t min = •

pRiCA + C. A 2 SE − 0.2 p

( 2.14 )


2 SEt min Ri + 0.2t min

( 2.15 )

Perumusan dalam kaitan dengan dimensi luar ( outside dimensions )24 : •

Ketebalan minimum dinding Head ( tmin ) t min =

•

pRo + C. A 2 SE + 0.8 p


23 24

(2.16)

2 SEt min Ro − 0,8t min

( 2.17 )

Eugene F. Megyesy, PRESSURE VESSEL HANDBOOK Eleventh Edition, pressure vessel publishing Inc hal18 Eugene F. Megyesy, PRESSURE VESSEL HANDBOOK Eleventh Edition, pressure vessel publishing Inc hal22

28

Keterangan : tmin


Ri


RiCA


Ro

= Jari-jari luar ( outside radius ), in

pmax

= Tekanan kerja maximum yang diijinkan ( maximum allowable working pressure ),psi

p


S


C.A


E


II..2.1.2.2 Setengah Elips ( Ellipsoidal Head )

h=D 4

Perumusan dalam kaitan dengan dimensi dalam ( internal dimensions )25 : • 25

Ketebalan Minimum dinding Head ( tmin )

Eugene F. Megyesy, PRESSURE VESSEL HANDBOOK Eleventh Edition, pressure vessel publishing Inc hal 18

29

t min =

pDiCA + C. A 2 SE − 0.2 P

( 2.18

)

•

Tekanan kerja maksimum ( pmax ) p max =

2 SEt min Di + 0.2t min

( 2.19 )


Ketebalan Minimum dinding Head ( tmin ) t min =

•

pDo + C. A 2 SE + 1,8 p

( 2.20 )


2 SEt min Do − 1,8t min

( 2.21 )

Keterangan : Do


Di


DiCA

= Di + 2CA , ( inside diameter, CA incl ), in

tmin


pmax

= Tekanan kerja maximum yang diijinkan ( maximum allowable working pressure ),psi

26

p


S

=

Nilai tegangan material ( material stress value ), psi


30

CA

= E

Nilai korosi yang terjadi ( corrosion allowance ), in


II.4.2.1.2.3 Kerucut atau Tirus ( Cone or Conical Head)

a

Perumusan dalam kaitan dengan dimensi dalam ( internal dimensions )27 : •

Ketebalan minimum ( tmin ) t min =

•

pDiCA 2 cos α × ( SE − 0,6 p)

( 2.22 )

Tekanan maksimum ( Pmax )

p max =

2 SEt min cos α Di + 1,2t min cos α

( 2.23 )


Ketebalan minimum ( tmin ) t min =

•

27 28

pDo 2 cos α × ( SE + 0,4 p)

( 2.24 )

Tekanan maksimum ( Pmax )

Eugene F. Megyesy, PRESSURE VESSEL HANDBOOK Eleventh Edition, pressure vessel publishing Inc hal20 Eugene F. Megyesy, PRESSURE VESSEL HANDBOOK Eleventh Edition, pressure vessel publishing Inc hal24

31

p max =

2 SEt min cos α Do + 1,2t min cos α

( 2.25 )

Keterangan :

π

α

= alphaDeg ×

Do


Di


DiCA

= Di + 2CA , ( inside diameter, CA incl ), in

pmax

= Tekanan kerja maksimum yang diijinkan ( maximum allowable

180

working pressure),psi p


tmin


Ca


S


E


II.4.2.1.2.4 Lekukan ASME atau bentuk Pinggan (ASME Flanged or Dished head) atau Torispherical Head.

32

Perumusan dalam kaitan dengan dimensi dalam ( internal dimensions )29 : 1. Jika •

Li

0.885 pLiCA + C. A SE − 0.1 p

2. Jika

Li

( 2.27 )

2

r

< 16 3 maka perumusan yang digunakan adalah :

pLiCA M + C. A 2 SE − 0.2 p

( 2.28 )


29

SEt min 0.885 Li + 0.1t min


•

( 2.26 )


•

= 16 maka perumusan yang digunakan adalah :


•

r

2 3

2 SEt min Li M + 0.2t min

( 2.29 )


33

Perumusan dalam kaitan dengan dimensi luar ( external dimensions )30 : 1. Jika •

Lo

r


•

2

0.885 pLo + C. A SE − 0.8 p

2. Jika

Lo

r

SEt min 0.885 Lo + 0.1t min

( 2.31 )

2 3

< 16 maka perumusan yang digunakan adalah :


•

( 2.30 )

Tekanan kerja maksimum ( pmax )

p max =

•

= 16 3 maka perumusan yang digunakan adalah :

pLo M + C. A 2 SE + p( M − 0,2)

( 2.32 )


2 SEt min Lo M − t min ( M − 0,2)

( 2.33 )

Keterangan : Di


Do


Li

= Jari-jari dalam kubah ( inside crown radius ), in

LiCA = Li + CA ,( inside crown radius, CA incl ), in Lo 30

= Jari-jari luar kubah ( outside crown radius ), in


34

r

=

Jari-jari dalam knucle ( inside knucle radius ), in

C.A = Nilai korosi yang terjadi ( corrosion allowance ), in tmin = Ketebalan minimum yang diperlukan, in pmax = Tekanan kerja maximum yang diijinkan ( maximum allowable working pressure),psi

p

= Tekanan dalam perancangan (internal design pressure), psi

S

= Nilai tekanan material yang diijinkan (stress value of material), psi

E

= Effisiensi sambungan (joint efficiency)

M

= Faktor pengali

Tabel II.1 Tabel Nilai Faktor pengali ‘M’31

L/r

1

1,25

1,5

M

1

1,03 1,06 1,08

L/r

4

4,5

5

1,75

5,5

2 1,1 6

2,25

2,5

3,25

3,5

1,13 1,15 1,17 1,18

1,2

1,22

6,5

8,5

9

7

2,75

7,5

3

8

M

1,25 1,28 1,31 1,34 1,36 1,39 1,41 1,44 1,46 1,48

L/r

9,5

M

1,52 1,54 1,56 1,58

10

10,5

11

11,5 1,6

12

13

14

15

1,5

16 16 '2/3

1,62 1,65 1,69 1,72 1,75 1,77

II.4.2.1.3 Nosel (Nozzle)

Nosel (Nozzel) pada bejana tekan berfungsi sebagai saluran masuk dan keluarnya fluida dari bejana. Lokasi nosel pada bejana tekan disesuaikan dengan kondisi lingkungan dimana bejana tersebut akan digunakan, dengan memperhatikan jalur-jalur pemipaan yang akan disatukan atau digabungkan dengan bejana tekan, dan lokasi pengelasan sambungan material Shell dengan memperhatikan parameter-parameter yang harus dipenuhi, seperti fungsi nosel, jenis nosel, diameter nozel, serta material yang digunakankan. Seperti yang diilustrasikan pada gambar 2.10. 31


35

Gambar 2.11

Beberapa posisi nosel pada bejana tekan yang akan diinstalasikan dengan jaringan pipa32

Secara geometri, terdapat beberapa jenis nosel atau flange yang umum digunakan. Jenis nosel atau flange tersebur adalah : 1. Welding neck 2. Slip-ON Welding 3. Blind 4. Long Welding Neck

Gambar 2.12

Beberapa Jenis Nosel atau flange yang umum digunakan.33

Dimensi Nozzle atau Flange secara umum telah diatur didalam tabel dimensi berdasarkan kelas pembebanannya menurut standart ANSI B16.533

32

33

Mechanical Engineer, PT. SOFRESID INDONESIA Eugene F. Megyesy, PRESSURE VESSEL HANDBOOK Eleventh Edition, pressure vessel publishing Inc. hal 20

36

Pada sebuah bejana tekan setidak-tidaknya terdapat minimum 3 buah nosel utama, yaitu : 1. Inlet Nozel

Berfungsi sebagai saluran utama masuknya fluida kedalam bejana (vessel). 2. Outlet Nozel

Berfungsi sebagai saluran utama keluarnya fluida dari dalam bejana (vessel). 3. Manhole Manhole pada bejana tekan difungsikan sebagai akses perawatan bagi bejana

tekan tersebut, perancangan penempatan Manhole pada bejana tekan sangat dipengaruhi oleh akses manusia serta kedudukan bejana tekan pada suatu platform operasi pengolahan. Beberapa contoh penempatan lokasi manhole pada bejana tekan diilustrasikan oleh gambar 2.12.

Gambar 2.13

Beberapa lokasi Manhole pada bejana tekan yang disesuaikan dengan akses perawatan pada suatu platform 34

Selain itu, agar bejana tekan dapat beroperasi sesuai dengan parameter yang ditetapkan, diperlukan suatu equipment kontrol, kedudukan equipment kontrol ini memerlukan akses terhadap bejana tekan, akses ini disediakan dengan menambahkan beberapa nosel tambahan yang berfungsi sebagai saluran akses bagi sebagian equipment kontrol indikator, seperti : pressure gauge, level control, level transmiter, vent dan kemudian dapat disebut sebagai instrumentation nozel, jumlah

34

Mechanical Engineer, PT. SOFRESID INDONESIA

37

dan posisi instrumentation nozel disesuaikan dengan equipment kontrol yang digunakan. Material nosel yang digunakan setidak-tidaknya harus memiliki stress value yang sama dengan material yang digunakan pada Shell.

II.4.2.1.3.1 Perhitungan Proyeksi Nosel pada silinder

Perhitungan proyeksi dalam ( Internal Projection )35 2

I p = Ri − Ri − ro

2

( 2.34 )

keterangan : Ip = Proyeksi dalam ( internal projection ), in Ri = Jari-jari dalam shell, in ro = Jari-jari luar nosel, in

Proyeksi Luar ( Outside Projection (OP)) telah ditentukan dalam tabel Suggested minimum extentions of openings36

II.4.2.1.3.2 Perhitungan Pelat Penguat nosel ( Reinforcement pad )37

Perhitungan ketebalan dinding yang diperlukan

35

Eugene F. Megyesy, PRESSURE VESSEL HANDBOOK Eleventh Edition, pressure vessel publishing Inc. hal138 Eugene F. Megyesy, PRESSURE VESSEL HANDBOOK Eleventh Edition, pressure vessel publishing Inc. hal128 37 Eugene F. Megyesy, PRESSURE VESSEL HANDBOOK Eleventh Edition, pressure vessel publishing Inc. hal129 36

38

•

•

Pada Shell t rs =

Pada Nosel : t rn =

PRis SE − 0,6 P

pRin SE − 0,6 p

( 2.35 )

( 2.36 )

Perhitungan Luas Area penguat yang diperlukan A = d × tr

( 2.37 )

Perhitungan Luas Area penguat yang tersedia •

Kelebihan pada Shell :

A1 = (t − t r ) × d atau

A1 = (t − t r ) × (t n + t ) × 2 •

( 2.38 )

kelebihan pada pipa leher nosel : A2 = (t n − t rn ) × 2t atau A2 = (t n − t rn ) × 2t n

( 2.39 )

•

Pada proyeksi dalam :

A3 = t n × 2h

( 2.40 )

•

Potongan pengelasan :

A4 = 0.375 2

( 2.41 )

•

Luas pelat yang diperlukan ( At ) = A − ( A1 + A2 + A3 + A4 ) ( 2.42 )

•

Lebar pelat =

•

Diameter luar pelat penguat = diameter luar pipa – lebar pelat ( 2.44 )

At

tebal _ pelat

( 2.43 )

II.4.2.2 Komponen Aksesoris atau Tambahan

Selain komponen utama yang merupakan komponen inti dari bejana tekan, terdapat beberapa komponen tambahan atau aksesoris, yang merupakan komponen pendukung bejana tekan. Komponen

tambahan ini tidak mempengaruhi fungsi

operasi bejana tekan tersebut dan lebih bersifat sebagai pelengkap ataupun sebagai pengaman. Sehingga penggunaannya disesuaikan dengan kondisi lingkungan dan 39

kondisi kerja bejana tekan tersebut. Beberapa yang termasuk kategori komponen asesoris, diantaranya adalah : 1. Pelat Pengangkat (Lifting Lug) 2. Penyangga (Support / Saddle) 3. Ring penguat (Stiffening Ring) 4. Jaket (Jacket)

II.4.2.2.1 Pelat Pengangkat (Lifting Lug)

Pelat pengangkat (Lifting Lug) Dirancang agar dapat menahan beban bejana tekan pada saat proses instalasi. Posisi Lifting lug dihitung berdasarkan titik keseimbangan bejana. Contoh penempatan Lifting lug diilustrasikan pada gambar 2.13.

Gambar 2.14

Beberapa bentuk dan lokasi Pelat pengangkat (lifting lug) pada bejana tekan 38

II.4.2.2.2 Ring Penguat (Stiffening Ring)

Ring penguat (Stiffening Ring) ditambahkan pada bejana jika tekanan kerja yang terjadi sangat tinggi, sehingga dibutuhkan penguat dinding bejana. Selain itu penambahan ring penguat ini akan menambah usia pakai ( life time ) dari bejana tekan itu sendiri. Gambar 2.14 memberikan gambaran bejana tekan yang

38


40

menggunakan ring penguat dengan bejana tekan yang tidak menggunakan ring penguat.

Gambar 2.15

Bejana Tekan tanpa dilengkapi dengan Steffening Ring (1) dan Bejana Tekan 38 yang dilengkapi dengan Stiffening Ring (2)

II.4.2.2.3 Jaket (Jacket)

Saat beroperasi dengan tekanan yang tinggi, suhu fluida yang diproses didalam bejana tekan akan meningkat. Pada beberapa kasus, suhu yang dihasilkan akan menjadi sangat tinggi dan akan mempengaruhi suhu lingkungan dimana bejana tekan tersebut beroperasi. Keadaan ini sangat berbahaya bagi mahluk hidup yang ada dilingkungan sekitar bejana tekan. Oleh karena itu, untuk meminimalisasi dampak negatif dari peningkatan suhu yang terjadi, diperlukan suatu komponen tambahan yang dapat menahan panas dari bejana tekan agar panas yang dilepaskan kelingkungan tidak berbahaya bagi lingkungannya. Komponen yang berfungsi sebagai isolator panas ini dinamakan Jaket (Jacket). Jaket (Jacket) berfungsi untuk melindungi lingkungan kerja dan pekerja dari panas berlebihan yang diterima bejana tekan pada saat proses berjalan ataupun panas yang dihasilkan oleh fluida. Penggunaan Jaket pada bejana tekan ditunjukan pada gambar 2.15

41

Gambar 2.16

Bejana Tekan dengan Jacket pelindung panas.39

II.4.2.2.4 Penyangga (Support)

Dalam kondisi operasi, sebuah bejana tekan akan menerima beban yang cukup besar sehingga memungkinkan terjadinya getaran yang dapat merubah posisi bejana tekan pada kedudukannya, getaran yang berlebihan pada bejana tekan juga sangat berbahaya karena dapat menyebabkan terjadinya kerusakan pada bejana tekan. Oleh karena itu untuk mempertahankan posisi bejana tekan dan mengurangi efek getaran yang terjadi, dibutuhkan suatu konstruksi penyangga atau support. Suatu penyangga dirancang sesuai dengan jenis bejana tekan yang digunakan. Beberapa macam penyangga adalah : 1.

Saddle Support

2.

Leg Support

3.

Lug Support

II.4.2.2.4.1 Saddle Support

Pada umumnya digunakan untuk menyangga bejana tekan yang mempunyai konstruksi horisontal, gambar 2.16 merupakan contoh bejana tekan yang menggunakan penyangga dengan jenis ini

39


42

Gambar 2.17

Bejana Tekan horisontal dengan penyangga jenis Sadle40

II.4.2.2.4.2 Leg Support

Pada umumnya digunakan untuk menyangga bejana yang memiliki konstruksi vertikal yang berdiri diatas suatu permukaan yang solid, gambar 2.17 merupakan contoh bejana tekan yang menggunakan penyangga dengan jenis ini.

Gambar 2.18 Bejana Tekan vertikal dengan penyangga jenis Leg

II.4.2.2.4.3 Lug Support

Pada umumnya digunakan untuk menyangga bejana yang memiliki konstruksi vertikal yang berdiri menempel/menembus/menggantung pada suatu permukaan solid, gambar 2.18 merupakan contoh bejana tekan yang menggunakan penyangga dengan jenis ini. 40

Mechanical Engineer, PT MMF

43

Gambar 2.19 Bejana Tekan vertikal dengan penyangga jenis Lug41

41

Mechanical Engineer, PT MMF

44

BAB III DATA-DATA PERANCANGAN

Bejana Tekan (Pressure Vessel) yang dirancang dalam karya tulis ini adalah bejana tekan silindris horisontal dengan fungsi utama sebagai tangki pengendapan ( Sump Tank ). Datadata yang diperlukan telah diperoleh sebelumnya dari Departemen terkait. Data-data tersebut adalah42 :

III.1 Karakteristik Umum •

•

Temperatur : Temperatur Kerja maksimum

:

90

°C

( 194 ° F )

Temperatur Kerja Minimum

:

23

°C

( 74,3 ° F )

Temperatur perancangan

:

105 ° C

( 221 ° F )

Tekanan Kerja

:

14,6959 psi

( atm bar g )

Tekanan Perancangan

:

50,7630 psi

( 3,5 bar g )

Tekanan :

Tekanan hidrotes (Hydrotest Pressure) :

Sesuai Kode ASME VIII

•

Nilai Korosif ( Corrosion Allowance )

:

0,1181 in

•

Radiography

:

100 % X-RAY

•

Efisiensi Sambungan : Dinding ( Shell )

:

1

Penutup ( Head )

:

1

:


•

Pemulihan Tegangan ( Stress Relieve)

( 3 mm )

42

PT. SOFRESID INDONESIA, Mechanical Engineering Division, PTT Exploration and Production, Bongkot Field Development Project – Phase 3E, Data Sheet, Pressure Vessel

44

•

Pengujian Ultrasonik

:


•

Pengujian Tumbukan (Impact test )

:


Massa Jenis ( Density )

:

0,0593 lb/ft3 (0,9502 kg m 3 )

Faktor Z

:

0,99

Viskositas

:

0,0013

cP

Laju Alir ( Flow rate )

:

1,4

MMSCFD

Laju alir kerja maksimum

:

-

m 3 hr

Kepekatan ( Density )

:

44,45-44,64

lb/ft3

(712–757

kg m 3 )

:

0,72 – 1,75

cP

Laju alir kerja maksimum

:

-

m 3 hr

Kepekatan ( Density )

:

59,68-62,68

lb/ft3

(956 - 1004

kg m 3 )

:

0,311 – 0,8

cP

III.2 Isi : Kondesat + Air + Gas •

•

Gas :

Hidrokarbon cair ( Liquid Hydrocarbon ) :

Viskositas •

Air :

Viskositas

III.3 Bejana ( Vessel ) : •

Jenis dinding ( Shell )

:

Silinder

•

Diameter dalam

:

43,3071 in (1100 mm)

•

Jenis Penutup ( Head )

:

Ellips

2:1 45

•

Orientasi

:

Horisontal

•

Kapasitas bejana

:

512.599,5 in3

•

Nosel

:

12

Masukan ( Inlet)

:

3 buah

( 8,4m3 )

buah tipe weld neck #150 lbs

( Flange faces smooth finished )

Masukan dari saluran tekanan rendah ( inlet from LP drain )

: ∅ 4”

Masukan dari saluran tekanan tinggi ( inlet from H.P drain )

: ∅ 3”

Masukan dari saluran terbuka berminyak( inlet from Oily open drain): ∅ 3”

Ventilasi ( vent )

:

1 buah ∅ 6”

Penyaluran (drain)

:

2 buah ∅ 3”

Akses manusia ( Manhole)

:

2 buah ∅ 24”

Instrumentasi

:

3 buah ∅ 2”

:

1 buah ∅ 4”

Level Transmitter Level Gauge Level Transmitter

Over flow

Data diameter nominal nosel yang digunakan tiap fungsinya telah diperoleh sebelumnya

Diameter Manhole merupakan kesepakatan teknis yang didasarkan kepada standar rata-rata tinggi badan orang Asia

46

BAB IV ANALISA DAN PERHITUNGAN

IV.1

Perhitungan pada Shell

IV.1.1 Analisa perhitungan tegangan pada Shell akibat bentukan Dari data diperoleh

:

p ( design pressure )

= 50,7630

psi

CA ( Corrosion Allowance)

= 0,1181

in

tnom ( nominal thickness )

= 0,315

in

ta ( thickness of shell, tnom+CA ) = 0,315 + 0,1181 = 0,4331

in

Di ( inside diameter )

= 43,3071

in

D ( nominal dia. Of vessel )

= CA + t nom + Di =

0,1181 + 0,315 + 43,3071

= 43,7402 •

in

Circumferential Joints

S1 =

pD 4t a

( 2.6 )

47

Maka :

S1 =

50,7630 × 43,7402 2220,3838 = = 1281,6808 psi 4 × 0,4331 1,7324

S1 = 1281,6808 psi

•

( Longitudinal Stress )

Longitudinal Joints

S2 =

pD 2t a

Maka :

( 2.7 )

S2 =

50,7630 × 43,7402 2220,3838 = = 2563,3616 psi 2 × 0,4331 0,8662

S 2 = 2563,3616 psi

•

( Circumferential (hoop) Stress )

Dari Hasil perhitungan Longitudinal dan Circumferential ( hoop ) stress, dapat ditentukan bahwa material yang digunakan harus memiliki Stress value lebih dari 2563,3616 psi.

•

Dengan temperatur kerja maksimal 90 ° C ( 194°F ) dan tekanan operasi sebesar 1 atm (14,6959 psi) maka jenis vessel termasuk kategori Vessel yang digunakan atau beroperasi pada tekanan Atmosfer dan temperatur rendah, berdasarkan Tabel Properties of material for Carbon and Low Alloy Steel43, material yang dapat digunakan adalah material dengan spesifikasi SA-516 grade 55,60,65 atau 70

IV.1.2 Analisa perhitungan ketebalan minimum dan tekanan maksimum yang dapat diterima Shell a. Berdasarkan perhitungan teoritis :

Daridata diperoleh Material 43

: = A 516 GR 60


48

S ( material stress value )44

= 15.000

psi

p ( internal design pressure )

= 50,7630

psi


= 43,3071

in

Perhitungan berdasarkan circumferential hoop stress : t=

p × Di S ×2

t=

50,7630 × 43,3071 2198,398317 = 15000 × 2 30000

( 2.4 )

t = 0,0733 inci => 1,86 mm

Perhitungan berdasarkan longitudinal stress : t=

p × Di 4× S

t=

50,7630 × 43,3071 2198,398317 = 4 × 15000 60000

( 2.5 )

t = 0,03664 inci => 0,93 mm

b. Berdasarkan ASME Section VIII Div 1

Dari data diperoleh

44 45

:

Material

= A 516 GR 60


= 15.000

psi


= 50,7630

psi


= 0,1181

in

Eugene F. Megyesy, PRESSURE VESSEL HANDBOOK Eleventh Edition, pressure vessel publishing Inc. hal189 Eugene F. Megyesy, PRESSURE VESSEL HANDBOOK Eleventh Edition, pressure vessel publishing Inc. hal189

49


•

= 0,315

in

= 43,3071 = 21,6536 in 2

Ri ( inside radius )

=

Di

RiCA ( inside Radius, CA incl )

=

Ri + CA = 21,6536 + 0,1181 = 21,7717 in

E ( joint efficiency )

= 1

2

Ketebalan minimum dinding bejana “ Shell “ ( tmin ) t min =

pRiCA + C. A SE − 0,6 p

( 2.8 )

Maka : t min =

50,7630 × 21,7717 1105,1968 + 0,1181 = + 0,1181 = 0,1919 inci (15000 × 1) − (0,6 × 50,7630) 15000 − 30,4578

t min = 0,1919 inci => 4,8743 mm

•


SEt min Ri + 0,6t

( 2.9 )

Maka : p max =

15000 × 1 × 0,1919 2878,5 2878,5 = = = 132,2318 psi 21,6536 + (0,6 × 0,1919) 21,6536 + 0,115 21,7686

p max = 132,2318 psi •

Berdasarkan perhitungan teoritis, dengan menggunakan material SA 516 GR 60, ketebalan minimum yang diperoleh :

Berdasarkan perhitungan circumferential hoop stress : t = 0,0733 inci ( 1,86 mm )

Berdasarkan perhitungan longitudinal stress : t = 0,03664 inci ( 0,93 mm )

•

Berdasarkan perhitungan menggunakan rumus ASME Section VIII div 1, dengan menggunakan material SA 516 GR 60, ketebalan minimum yang diperoleh 0,1919 in (4,8743 mm), dan tekanan maksimum yang dapat diterima oleh shell hingga sebesar 132,2318 psi (9,1171 bar g) . 50

•

Material SA 516 GR 60 memenuhi syarat tekanan kerja dan temperatur kerja maksimum yang harus diatasi oleh bejana tekan pada saat proses berlangsung.

IV.2

Perhitungan pada Head

Berdasarkan data yang diperoleh, jenis Head yang digunakan untuk menutup ujung – ujung dari shell adalah jenis Elliptical Head 2:1 dengan perhitungan sebagai berikut :

h=D 4

IV.2.1 Analisa perhitungan ketebalan minimum dan tekanan maksimum yang dapat diterima Head

Dari data diperoleh

46

:

Material

= A 516 GR 60


= 15.000

psi


= 50,7630

psi


=


= 0,1181

in


= 0,315

in


= 43,3071

in

1

Nilai Stress value of material dilihat pada tabel properties material sesuai dengan jenis material dan temperatur perancangan untuk material SA 516 Grade 60 Nilai stress value material adalah 15000

51

DiCA ( inside diameter, CA incl )

=

Di + 2CA = 43,3071 + (2 × 0,1181)

= 43,5433 •

in

Ketebalan minimum Head ( tmin ) t min =

pDiCA + C. A 2 SE − 0.2 p

( 2.18 )

Maka : t min =

50,7630 × 43,5433 2210,3885 + 0,1181 = + 0,1181 = 0,1918 in (2 × 15000 × 1) − (0,2 × 50,7630) 30000 − 10,1526

t min = 0,1918 in t min = 4,8717 mm

•


2 SEt min Di + 0.2t min

( 2.19 )

Maka : p max =

2 × 15000 × 1 × 0,1918 5754 = = 132,7473 psi 43,3071 + (0,2 × 0,1918) 43,3071 + 0,0384

p max = 132,7473 psi

•

Berdasarkan perhitungan, dengan menggunakan material SA 516 GR 60, ketebalan minimum yang diperoleh 0,1918 in (4,8717 mm), dan tekanan maksimum yang dapat diterima oleh head hingga sebesar 132,7473 psi (9,1526 bar g).

52

IV.3 Perhitungan Dimensi Head dan Shell Tabel IV.1 Tabel Volume of Shell and Head47 VOLUME OF SHELLS AND HEADS I.D. of Vessel

Cylindrical SHELL/LIN. FT . Wt.of

2 : 1 ELLIP, HEAD

Cu.FT .

Gal.

Bbl.

30

4,9

36,7

0,87

306

32

5,6

41,8

0,99

349

34

6,3

47,2

1,12

394

3

1n.

Water lb.

Cu.FT .

Wt.of

Gal.

Bbl.

2

15,3

0,36

2,5

18,57

0,44

155

22,27

0,53

185,9

Water lb. 127,7

36

7,1

52,9

1,26

441

3,5

26,47

0,63

220,1

38

7,9

58,9

1,4

492

4,2

31,09

0,74

259,5

40

8,7

65,3

1,55

545

4,8

36,27

0,86

302,6

42

9,6

72

1,71

601

5,6

41,98

1

350,4

48

12,6

94

2,24

784

8,4

62,67

1,49

523

54

15,9

119

2,83

993

11,9

89,23

2,12

744,6

60

19,6

146,9

3,5

1226

16,3

122,4

2,91

1021

66

23,8

177,7

4,23

1483

21,8

162,9

3,88

1360

72

28,3

211,5

5,04

1765

28,3

211,5

5,04

1765

78

33,2

248,2

5,91

2071

35,9

268,9

6,4

2244

84

38,5

287,9

6,85

2402

44,9

335,9

8

2802

* Volume within the straight flange is not included

IV.3.1 Perhitungan Volume Elliptical 2:1 Head

Dari tabel Volume of Shells and Heads diperoleh data : Internal Diameter

Volume of Elliptical Head

of Vessel ( in )

( ft3 )

42

5,6

43,3071

Xh

48

8,4

Perhitungan Volume Elliptical head dengan internal diameter 43,3071 in ( Xh ) X h = 5,6 + •

43,3071 − 42 (8,4 − 5,6) = 5,6 + 1,3071 (2,8) = 5,6 + 0,6101 = 6,2101 ft3 48 − 42 6

Dengan interpolasi, diperoleh volume Elliptical Head dengan diameter 43,3071 in adalah 6,2101 ft3 atau setara dengan 10.731,0528 in3.

•

47

Volume keseluruhan Head adalah 2 x 10.731,0528 in3 = 21.462,1056 in3


53

IV.3.2 Perhitungan volume Shell

Dari data dan perhitungan diperoleh : Kapasitas/volume pressure vessel ( Vvessel )

:

512.599,4504 in3

Volume head ( Vhead )

:

10.731,0528 in3

Maka : Vshell = Vvessel − (2 × VHead )

(

Vshell = 512599,4504in 3 − 2 × 10731,0528in 3

)

Vshell = 512599,4504in 3 − 21462,1056in 3 Vshell = 491137,3447 in3 Volume shell diperoleh sebesar 491137,3447 in3

IV.3.3 Perhitungan panjang Shell

Dari tabel Volume of Shell and Head diperoleh : Internal Diameter of Vessel ( in )

Volume of cylindrical Shell / lin Ft ( ft3 )

42

9,6

43,3071

Xs

48

12,6

Perhitungan volume shell per linear feet dengan diameter dalam 43,3071 in ( X ) X s = 9,6 + •

3 43,3071 − 42 (12,6 − 9,6) = 9,6 + 1,3071 (3) = 9,6 + 0,6537 = 10,2537 Ft Ft 48 − 42 6

Dengan interpolasi, diperoleh volume Shell dengan diameter 43,3071 in adalah 10,2537 Ft3per liner Ft atau setara dengan 1476,5328 in3per linear in.

54

Perhitungan panjang shell ( l ) dengan internal diameter 43,3071 in l=

VShell 491137,3447in 3 ⇒ l = 332,6288 in , ⇒l = 3 1476,5328 in in Xs

maka panjang shell diperoleh 332,6288 in

IV.3.4 Perhitungan luas permukaan ( Surface area ) shell

Ashell = π × D × l

⇒ Diketahui : π = 3,14 D = 43,7402

in

l

in

= 332,6288

Maka : Ashell = 3,14 × 43,7402 × 332,6288 = 45.684,6458

in2

Perhitungan jumlah pelat yang dibutuhkan Diketahui : Apstd

= 118 in x 118 in ( asumsi 3m x 3m ) = 13.924 in2

Ashell

= 45.684,6458 in2

Maka : Jumlah pelat yang diperlukan = •

Ashell 45.684,6458 = = 3,28 lbr A pstd 13924

Berdasarkan perhitungan, pelat yang diperlukan untuk membentuk shell adalah 3,28 lbr, maka ditentukan pelat yang digunakan ± 4 lbr. Dengan ilustrasi pembentuk sebagai berikut:

55

Ilustrasi penggunaan material dasar ( pelat ) sebagai pembentuk silinder

IV.4 Perhitungan pada Nozel

Berdasarkan data yang diperoleh, Pressure vessel yang dirancang memerlukan 12 buah nosel jenis Welding Neck pembebanan 150 lb dengan perincian : 2 buah nosel 24 in, 1 buah nosel 6in, 56

2 buah nosel 4 in, 4 buah nosel 3 in, dan 3 buah nosel 2 in.dengan perhitungan masingmasing nozel sebagai berikut :

IV.4.1 Dimensi Flange Tabel IV.2 Tabel Dimensi Flange untuk pembebanan 150 lb48

48

Eugene F. Megyesy, PRESSURE VESSEL HANDBOOK Eleventh Edition, pressure vessel publishing Inc. hal 342-343

57

Dimensi flange yang digunakan dimensi standar berdasarkan standar ANSI B16.5

Flange / Nozel nominal 24 i

Flange / Nozel nominal 6 in std ( Sch 40 )

Flange / Nozel nominal 3 in std ( Sch 40)

Flange / Nozel nominal 4 in std (Sch 40)

Flange / Nozel nominal 2 in std (Sch 40)

58

IV.4.2 Perhitungan pipa leher nosel ( Nozzle Neck Pipe )

Persyaratan suatu logam dapat disambung atau disatukan dengan logam lain dengan menggunakan metoda pengelasan adalah memiliki nilai tegangan ( Stress Value ) yang sama. Pipa leher nosel menggunakan material A 106 GR B (Seamless Carbon Steel Pipe), selain memiliki nilai tegangan yang sama, material ini juga memiliki komposisi kimia yang tidak jauh berbeda ( tabel IV.5 dan tabel IV.6) dengan material pembentuk shell ( A 516 GR 60 ,Carbon Steel Plate).

Tabel IV.3 Tabel Chemical Requirements for material A 516 ( Carbon Steel Plate )

Tabel IV.4 Tabel Chemical Requirements for material A 106 ( Carbon Steel Seamless Pipe )

59

IV.4.2.1 Perhitungan ketebalan minimum Pipa leher nosel ( Nozzle Neck Pipe )49

•

•

Dari Data diperoleh : Material

=

A 106 GR B

S ( material stress value )

=

15.000

psi


=

50,7630

psi


=

1

Berdasarkan tabel properties of pipe50 diperoleh : Ø Nominal Pipa Dengan Sch. standar 24

Diameter luar ( Do )

Diameter dalam ( Di )

Ketebalan dinding pipa ( in )

24

23,25

0,375

6

6,625

6,065

0,280

4

4,5

4,026

0,237

3

3,5

3,068

0,216

2

2,375

2,067

0,154

Perhitungan ketebalan minimum ( tPmin ) pipa leher nosel ( Nozzle Neck Pipe ) Ø 24 in std ( Sch. 20 ) Diketahui : Dip( inside diameter )

=

23,25

Rp ( inside radius )

=

Dip

Maka :

t P min =

t P min =

pR p SE − 0,6 p

2

in = 23,25

2

= 11,625 in

( 2.8 )

50,7630 × 11,625 590,1199 590,1199 = = (15000 × 1) − (0,6 × 50,7630) 15000 − 30,4578 14969,5422

t P min = 0,0394 in ( 1,008 mm )

49 50

perumusan menggunakan rumus ketebalan pada shell ANSI B36.10 Carbon and Aloy steel pipe

60

Perhitungan ketebalan minimum ( tPmin ) pipa leher nosel ( Nozzle Neck Pipe ) Ø 6 in std (Sch. 40 ) Diketahui : Dip ( inside diameter )

=

6,0625

Rp ( inside diameter )

=

Dip

2

in

= 6,0625

2

= 3,0313 in

Maka : t P min =

t P min =

pR p

( 2.8 )

SE − 0,6 p

50,7630 × 3,0310 153,8627 153,8627 = = (15000 × 1) − (0,6 × 50,7630) 15000 − 30,4578 14969,5422

t P min = 0,0103 in ( 0,2616 mm )

Perhitungan ketebalan minimum ( tPmin ) pipa leher nosel ( Nozzle Neck Pipe ) Ø 4 in std (Sch. 40 ) Diketahui : Dip( inside diameter )

=

4,026 in


=

Dip

2

= 4,026

2

= 2,013 in

Maka : t P min =

t P min =

pR p SE − 0,6 p

( 2.8 )

50,7630 × 2,013 102,1859 102,1859 = = (15000 × 1) − (0,6 × 50,7630) 15000 − 30,4578 14969,5422

t P min = 0,0068 in ( 0,1727 mm )

61

Perhitungan ketebalan minimum ( tPmin ) pipa leher nosel ( Nozzle Neck Pipe ) Ø 3 in std (Sch. 40 ) Diketahui : Dip ( inside diameter )

=

3,068 in


=

Dip

2

= 3,068

2

= 1,534 in

Maka : t P min =

t P min =

pR p

( 2.8 )

SE − 0,6 p

50,7630 × 1,534 77,870 77,870 = = (15000 × 1) − (0,6 × 50,7630) 15000 − 30,4578 14969,5422

t P min = 0,0052 in ( 0,1321 mm )

Perhitungan ketebalan minimum ( tPmin ) pipa leher nosel ( Nozzle Neck Pipe ) Ø 2 in std (Sch. 40 ) Diketahui : Dip( inside diameter )

=

2,067 in


=

Dip

2

= 2,067

2

= 1,0335 in

Maka : t P min =

t P min =

pR p SE − 0,6 p

( 2.8 )

50,7630 × 1,0335 52,4636 52,4636 = = (15000 × 1) − (0,6 × 50,7630) 15000 − 30,4578 14969,5422

t P min = 0,0035 in ( 0,0914 mm )

62

Tabel IV.5 Tabel Perbandingan ketebalan pipa standar dengan ketebalan pipa minimum yang diijinkan

•

Ø Nominal Pipa Dengan Sch. standar


24

0,375

Ketebalan dinding pipa minimum yang diizinkan berdasarkan nilai tegangan material ( in ) 0,0394

6

0,280

0,0103

4

0,237

0,0068

3

0,216

0,0052

2

0,154

0,0035

Berdasarkan tabel perbandingan ketebalan ( tabel IV.7 ), penggunaan Pipa leher nosel ukuran standart nominal 24”, 6”, 4”, 3” dan 2” dengan bahan dasar A 106 Gr, memenuhi syarat perhitungan ketebalan minimum yang diijinkan.

IV.4.3 Perhitungan pelat penguat ( Reinforcement pad )

Pada kasus ini Reinforcement pad digunakan sebagai penguat kedudukan Manhole terhadap Shell. Diketahui p

= 50,7630 psi

Ri

= 21,6536 in

Mat.Shell

= 0,315 in SA-516-60 plate

E

= 1

Rin

= 12 in

Mat.nosel

= 0,375 in SA-106-B

tpad

= 0,375 in SA-516-60

h

= 0,500 in

63

Perhitungan ketebalan dinding yang diperlukan pRi SE − 0,6 p 50,7630 × 21,6536 1099,2017 tr = ⇒ (15000 × 1) − (0,6 × 50,7630) 15000 − 30,4578 t r = 0,0734 _ in tr = Pada Shell :

pRin SE − 0,6 p 50,7630 × 12 609,156 ⇒ t rn = (15000 × 1) − (0,6 × 50,7630) 15000 − 30,4578 t rn = 0,0394 _ in t rn =

Pada Nosel :

Perhitungan Luas Area penguat yang diperlukan

A = d × tr A = 43,3071 × 0,0734

( 2.37 )

A = 3,1787 _ in 2 Perhitungan Luas Area penguat yang tersedia • Kelebihan pada Shell ( A1 ) : = (t − t r ) × d

= (0,315 − 0,0734) × 23,250

( 2.38 )

= 5,6172 _ in 2

atau = (t − t r ) × (t n + t ) × 2

= (0,315 − 0,0734) × (0,375 + 0,315) × 2 = 0,2416 × 0,69 × 2 = 0,3334 _ in 2

Ambil yang terbesar yaitu 5,612 in2

64

• kelebihan pada pipa leher nosel ( A2 ) : = (t n − t rn ) × 5t

= (0,375 − 0,0394) × 5 × 0,315

( 2.39 )

= 0,5286 _ in 2 atau = (t n − t rn ) × 5t n

= (0,375 − 0,0394) × 5 × 0,375 = 0,6293 _ in 2 Ambil yang terbesar yaitu 0,6293 in2

• Pada proyeksi dalam ( A3 ) : = t n × 2h = 0,375 × 2 × 0,500

( 2.40 )

= 0,375 _ in 2

• Potongan pengelasan ( A4 ) : A4 = 0.375 2 A4 = 0,141 _ in 2

( 2.41 )

• Luas pelat yang diperlukan ( At ) : = At − ( A1 + A2 + A3 + A4 )

= 3,1787 − (5,612 + 0,6293 + 0,375 + 0,141)

( 2.42 )

= −3,5786 _ in 2

¾ Berdasarkan perhitungan ,luas area penguat yang tersedia lebih besar dari pada luas

area penguat yang dibutuhkan, sehingga pada rancangan ini tidak diperlukan pelat penguat ( Reinforcement pad ).

65

IV.4 Penentuan posisi Nosel terhadap bejana tekan berdasarkan fungsinya.

Pada umumnya tidak ada perhitungan khusus yang mendasari penentuan posisi nosel pada bejana tekan. Syarat umum penentuan posisi nosel pada bejana tekan didasari oleh parameter-parameter, seperti: safety, human acces, piping layout, dan eficiency. Akan tetapi syarat utama dari penentuan posisi nosel yang harus diperhatikan adalah posisi kawah pengelasan penyambungan pelat pembentuk shell. Sangat tidak diizinkan menempatkan nosel pada jalur pengelasan, karena hal ini akan berpengaruh terhadap tegangan (Stress) yang terjadi.

66

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Terdapat banyak elemen–elemen yang harus diperhatikan dalam merancang suatu bejana tekan (pressure vessel), seperti, ketebalan dinding bejana tekan, diameter, panjang, dan juga fluida yang akan di proses, hal tersebut berhubungan dengan adanya parameter–parameter tekanan dalam (internal forces), tekanan luar (external forces) dan juga gaya–gaya (forces) yang berada di dalam dan diluar dari bejana tekan tersebut. Perancangan

bejana tekan (pressure Vessel) harus diperhatikan secara cermat, agar

tidak mengalami hal–hal yang terjadi di luar aturan saat suatu proses produksi berlangsung. Perancangan bejana tekan ini akan sangat dipengaruhi oleh suhu kerja dan tekanan kerja dari materi yang akan diproses. Pemilihan material dan bentuk bejana tekan yang tepat dan semua parameter tersebut harus diperhatikan secara cermat agar proses instalasi dan konstruksi sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan. Berdasarkan spesifikasi yang telah ditetapkan sebelumnya oleh perusahaan yang akan menggunakan bejana tekan tersebut serta analisa dan perhitungan yang dilakukan penulis maka kesimpulan yang didapat dari hasil perhitungan perancangan bejana tekan ( sump tank ) adalah sebagai berikut:

V.1

Kesimpulan Hasil Perhitungan Mekanikal Pada Bejana Tekan •

Silinder ( shell ) o Tipe

:

Horisontal

o Material

:

SA-516 Gr 60 (S = 15.000 psi=1.054,604 kg/cm2)

o Tekanan maks.

:

132,2318 psi (9,12 bar)

o Diameter dalam, Di

:

43,3071 in (1.100 mm) 67

•

•

o Tebal , t

:

0.315 in (8 mm)

o Panjang, l

:

332,6288 in (8.448,77 mm)

o Volume

:

491.137,3447 in3 (8.048,29 dm3)

o Tipe

:

Ellipsoidal 2:1

o Material

:

SA-516 Gr 60 ( S = 15.000 psi =1.054,604 kg/cm2)

o Tekanan maks.

:

132,7473 psi (9,12 bar)

o Diameter dalam, Di

:

43,3071 in (1.100 mm)

o Tebal , t

:

0.315 in (8 mm)

o Volume

:

@ 10731,052 in3 (175,85 dm3)

:

SA 181 ( paling umum digunakan )

Penutup ( head )

Nosel ( nozzle ) o Material

Dimensi flange menggunakan standart ANSI B16.5

68

•

Pipa leher nosel ( nozzle neck pipe ) o Material

:

A 106 Gr B ( S = 15.000 Psi )

o Perhitungan ketebalan minimum material : Ø Nominal Pipa Dengan Sch. standar


24

0,375

Ketebalan dinding pipa minimum yang diizinkan berdasarkan nilai tegangan material ( in ) 0,0394

6

0,280

0,0103

4

0,237

0,0068

3

0,216

0,0052

2

0,154

0,0035

o Panjang pipa leher nosel ditetapkan 4 “

V.2 Saran Untuk lebih dapat memastikan hasil analisa dan perhitungan tersebut diatas maka alangkah lebih baiknya jika dilakukan Finite Element Analysis dengan menggunakan perangkat lunak yang memadai. Dengan FEA dapat meminimalisasi daerah-daerah atau komponenkomponen yang kritis terhadap perubahan gaya-gaya yang bekerja dari dalam dan luar sehingga dapat langsung disesuaikan dengan kebutuhan atau persyaratn teknis. Dengan demikian mutu dari bejana tekan tersebut dapat terus ditingkatkan.

69

DAFTAR PUSTAKA

1. A.Keith Escoe. 1986. Mechanical Design of Process System. GPC USA 2. ASME VIII div 1.2001, Rules for Construction of Pressure Vessel 3. Ed Bausbacher and Roger Hunt.1990. Process Plant Layout and Piping Design. Auerbach Publishers USA 4. ES and H Manual.2000. Pressure Vessel and System Design. UCRL-MA. 5. Eugene F. Megyesy.1998. Pressure Vessel Handbook. Pressure Vessel Handbook publishing.USA 6. GPSA.1998, Engineering Data Book 11th edition (electronic) SI volume I & II. Gas Processors Association. 7. Lloyd E. Brownell and Edwin H. Young.1959. Equipment Design 8. Verlag Europa-Lehrmittel. 1997. Tabellenbuch metall. Nourney, Vollmer Gmbh & Co.

PERANCANGAN BEJANA TEKAN HORISONTAL

Recommend Documents