vessel umj.ppt

STORAGE TANK/TANGKI PENYIMPANAN/ BEJANA (VESSEL)

1. Kriteria yang harus dipertimbangkan dalam perancangan Vessel:

Pemilihan tipe vessel yang sesuai dengan kebutuhan

Sifat dari material yang dipakai dalam vessel

Segi estetika Biaya

2. Pemilihan Type Vessel

Dalam pemilihan tipe vessel yang sesuai untuk suatu operasi tertentu, ditentukan oleh:

Fungsi dan lokasi dari Vessel Sifat fluida/gas Tekanan dan suhu operasi Volume/kapasitas dari tangki penyimpan

3. Penggolongan Vessel

Penggolongan vessel berdasarkan fungsionalnya, suhu dan tekanan operasinya, bahan konstruksi dan geometri.

Type vessel yang umum adalah:

1. Open tank/tangki terbuka 2. Close tank/tangki tertutup > Flat bottomed, Vertical cylindrical

vessel > Vertical or horizontal cylindrical vessel

dengan head and bottom > Spherical or modified spherical vessel

Open tank/tangki terbuka Untuk menyimpan bahan yang tahan suhu tinggi,

untuk menyimpan liquid dalam jumlah besar dan tidak beracun.

misal: tangki penyimpan laturan garam (brine), dan larutan lainnya yang harganya cukup murah.

Pada operasi tanki tersebut untuk mencegah korosi maka dapat dilapisi dengan kayu atau plastik atau dari beton (concrete)

Jenis open tank untuk operasi pencampuran sistem batch seperti: setling tank, dekanter, reservoir

Dengan kapasitas yang sama , jenis tangki ini lebih murah dibanding dengan tangki tertutup

Tangki tertutup: Flat bottomed, Vertical cylindrical vessel Vertical or horizontal cylindrical vessel

dengan head and bottom

Kedua tangki tersebut bertekanan rendah, digunakan

untuk menyimpan larutan pada tekanan atmosferik.

larutan beracun/berbahaya seperti asam atau caostic. Pertroleum (mudah terbakar),

Flat bottomed, Vertical cylindrical vessel, adalah vesel yang paling ekonomis

Spherical or modified spherical vessel.

Untuk tangki yang berkapasitas basar (1000 – 25.000 bbl) bertekanan (P) tinggi ( > 100 lb/in2) ,

contoh: menyimpan H2 cair, O2 cair agar tidak menguap pada suhu kamar. Dan memperkecil volume.

Tekanan  berbanding terbalik dengan volume penyimpanan:

Tekanan rendah, volume besar

Tekanan tinggi, volume kecil

Modifikasi spherical :

Untuk penyimpanan gas dengan kapasitas besar , dimodifikasi dengan multispheres , separti untuk penyimpanan nitrogen dengan tekanan 400 lb/in2 gage.

Tujuan untuk memperkecil biaya

4. Metode fabrikasi (Pembuatan)

Alat penanganan bahan difabrikasi dengan berbagai metode seperti:

Fusion welding (Pengelasan) Casting (dituang) Forging (ditempa) Solder Sheet metal forming (pembentukan lembaran)

Pemilihan metode fabrikansi ditentukan : Jenis bahan/material/konstruksi yang dipakai. Ukuran, bentuk, service dan sifat bahan

Casting : gray-iron casting (besi tuang kelabu), digunakan secara luas untuk :

* sambungan pipa kecil (small pipe fitting) * untuk alat-alat yang lebih besar seperti:

cast-iron pipe, HE shell, evaporator body’s , karena gray-iron casting mempunyai ketahanan korosi yang sangat baik debanding dengan baja (steel)

Forging: Pembentukan vessel dengan penampang besar , dan ketebalan ketebalan > 4 in. kekuatan gray tidak tahan terhadap tekanan tinggi, maka digunakan dengan metode forging (tempa), juga karena susah dibuat dengan casting

Weding/pengelasan: merupakan metode paling banyak dipakai.

Ada 2 type pengelasan:1.Proses pengelasan gas (acetylene dan oksigen)2.Electric –arc welding process

Macam-macam bentuk pengelasan (berdasarkan ASME&API code):

5. Pertimbangan Ekonomi

Walaupun pemilihan fabrikasi ditentukan oleh bahan dan sifat bahan, namun pemilihan terakhir biasanya berdasarkan pertimbangan ekonomi. sebagai contoh: perbandingan relatif harga tangki yang difabrikasi dari berbagai bahan lihat di Tabel 1.1.

Bahan Estimasi relative to steel

10.000 gallon 100.000 gallon

wood 0,4 0,5

Beton (concrete) 0,6 1

steel 1 1

Rubber-lined steel 1,8 2

Lead-lined steel 1,8 2

Copper 2 2,6

Aluminium 2,4 3

Stainless steel 4,4 4,8

6. Memperkirakan Hargauntuk menentukan harga optimum dan memperoleh hasil rancangan alat vessel yang memberikan hasil terbaik/optimum, langkah terakhir adalah memperkirakan harga. jika tidak ada data harga, maka dapat melakukan penaksiran harga dengan menggunakan indeks harga sebagai acuan.

Harga A= Harga B x (Indeks A/Indeks B).

Misalnya:Harga B= Harga stainless steel tahun 80'an.Harga A= Harga stainless steel tahun terkini.Indeks A dan B dicari dalam tabel dari buku-buku yang mendukung seperti Brownel & Young. Timmer House

PERANCANGAN “ FLAT BOTTOMED CYLINDRICAL VESSEL”

Kebanyakan fluida disimpan dengan Bejana Silinder pada keadaan atmosferis (P kecil) , dan difabrikasi dengan pengelasan.

1. Konstruksi Material Konstruksi material Vessel ini biasanya ; metal (steel) , alloy Jika ada masalah dengan korosi, bahan konstruksi yang

paling murah dan paling mudah difabrikasi adalah low carbon steel,

Low carbon steel, agak lunak dan mudah dibentuk untuk berbagai bentuk, dan mudah di las dengan joint effisiensi uniform

Contoh;

SA-7; SA-283 grade C untuk ketebalan > 1 ¼ in

SA 283 grade D untuk ketebalan < 1 ¼ in

Sifat2 lengkap dari low carbon steel ada di Tabel 3.1 dan tabel 3,2 untuk low alloy

2. Proporsi Tangki Yang OptimalSebelum mendisain tangki ditentukan dahulu

proporsi H/D

Batas bawah: Rasio optimum terjadi jika harga shell, bottom

dan roof persatuan luas tidak tergantung terhadap D dan H

Kondisi ini untuk vessel volume kecil , dimana stabilitas elastis dan korosi mengontrol ketebalan.

Batas atas: Rasio optimum D/H terjadi jika ketebalan shell

merupakan fungsi dari D dan H, dan hanya satuan luas bottom dan roof tidak tergantung pada D dan H

Kondisi ini berlaku untuk vessel volume besar

Proporsi optimum dari tangki juga dipengaruhi oleh harga fondasi dan tanah tempat meletakkan tangki

Untuk keperluan penetapan proporsi tangki, perlu diketahui harga dari shell, bottom, roof, fondasi tanah dalam harga persatuan luas.

Jika: c1 : harga pembuatan shell , $/ft2 c2 : harga pembuatan bottom , $/ft2 c3 : harga pembuatan roof , $/ft2 c4 : harga fondasi , $/ft2 c5 : harga tanah , $/ft2

C: total harga pertahun dari vessel, $/tahun

).......3.1.......... D π

4V H jadi , HD

4 V

22

Volume Tangki silinder (shell)

Jika A1 : luas shell = П D HA2 : luas bottom, roof, fondasi dan tanah

dan A2 = A3 = A4 = A5

D 4

A 22

Maka biaya total :

C = A1.c1 + A2.c2 + A3.c3 + A4.c4 + a5.c5 C = A1.c1 + A2 (c2+c3+c4+c5)Maka:

Untuk menentukan proporsi tangki yang optimum, dengan menggunakan pers. diatas, perlu menentukan suku biaya yang paling menentukan (c1, c2, c3, c4 dan c5)

.....3.2)).........ccc(c4

D π)(c π.D.HC 5432

2

1

...3.3).............................. )ccc(c 4

πD)(c

D

4V C

)ccc(c 4

D π)(c

D

4Vπ.D. C

5432

2

1

5432

2

12

( kapasitas kecil)

Ketebalan shell tidak bergantung terhadap D dan H

Optimasi tinggi dan diameter tangki dengan menurunkan persamaan 3.3)

)ccc(c 2

πD)(c

D

4V-

dC543212

dD

)6.3.......................cccc

H 2 D

cccc.HD

4

π8 D

:maka V, nilaidengan subtitusi

cccc

8V D

0 )ccc(c 2

πD)(c

D

4V-

5432

1

5432

123

5432

13

543212

c

c

c

Biaya total akan minimum, jika harga turunannya = 0, sehingga

Tangki kapasitas besar:Besarnya c1 tergantung pada D dan H,

ditetapkan Dimana: 1)D-(H

c catau 1)D,-(H c c 1

661

)ccc(c 4

πD4V.c

πD

.c16V

)ccc(c 4

πD D)-

D π

4V(c

D

4V

)ccc(c 4

πDD 1)-

D π

4V(c

D

4V C

D π

4V H Jika

)ccc(c 4

πDD 1)-(Hc

D

4V C

)ccc(c 4

D πD 1)-(Hc

D

4Vπ.D. C

5432

2

626

2

5432

2

6

5432

2

26

2

5432

2

6

5432

2

62

Optimasi dengan penurunan diperolah:

)9.3...............................................................)ccc(c

c 4HD

)ccc(c 2

πDH.c 2

)ccc(c 2

πD

H.D

c.D.H 2

H 1)-(Hbesar yang kiUntuk tang

5432

1

54321

543212

Beberapa Kasus:

Kasus 1).

Untuk small open tank Asumsi jika : asumsi yang digunakan c1 = c2 dan c3, c4 dan c5 = 0 . Maka:

....3.10).......................................................................................... H 2D

0c H 2

cccc

1 H 2 D

1

1

5432

cc

Kasus 2).

Untuk small closed tankAsumsi jika : c1 = c2 = c3 dan c4, c5 = 0 , maka:

.....3.11).......................................................................................... H D

0c 2 H 2

cccc H 2 D

1

1

5432

1

cc

Kasus 3).

Untuk large closed tank

Asumsi jika harga roaf = harga shell = 2 x harga bottom, c1 = c3 = 2 c2 dan c4 = c5 = 0, Maka:

....3.12)........................................H......... 3

8 .

0c2c

2 H 4 D

cccc H 4 D

22

2

5432

1

c

c

Perancangan “Production tanks”Untuk Small and Medium Vessel

Untuk small dan medium sized pada tangki vertikal , dan bahan yang digunakan dari steel plate, maka dapat diberlakukan seperti pada kasus 2) diatas sehingga D = H, dan memiliki ketebalan (t) adalah 3/16 in atau ¼ in. Biasanya dibuat dari mild steel SA-7 dan SA - 283

)13.3................4f

pd atau t

4t

pd

d t.π.

/4.d p.π

a

Pf

d t.π.a dan 4

d . p. P

2

2

Keterangan: P = tekanana = luast = tebal shell, inf = stressp = internal pressure, lb/inch

Ketebalan Tangki (t) Longitudinal stress :

P = p.d.l a = 2.t.l

)14.3..............2.f

p.d atau t

t2.

.d p

2.t.l

p.d.l

a

Pf

Perbandingan antara pers 3.13 dan 3.14, diindikasikan untuk spesifik allowable stress, diameter yang sudah fix, dan

tekanan tertentu, sehingga pers 3.14 dikondisikan 2 kali pers 3.13.

Ketebalan Tangki (t) Circumferential stress :

Gambar 3.9

Untuk tangki berbahan korosi dan kondisi atmosferik , persamaan 3,13 menjadi

)16.3.........2.f.E

p.d atau t

menjadi 3.14persamaan dan

)15.3...................f.E 4.

.d p

c

ct

Keterangan :t = tebal shell (in)p = internal pressure, lb/inch2

d = internal diameter , inchf = allowable working stress, lb/inch2E = joint efficiency (see Table 13.2)c = corrosion allowance, inch

Jika digunakan untukn test hidrostatis Vessel, berlaku :

17.3.................................144

)1(

Hp

Keterangan:ρ = berat jenis air pada 60 oF = 62,37 lb/ft3

H = tinggi, ftp = tekanan dalam, lb/inch2

Persamaan 3.17 disubtitusikan ke pers 3.16

Untuk pengelasa doble welded dan butt joint , allowable stress adalah 21.000 psi , dengan konstruksi steel SA-7 , joint efficiency (E) adalah 0,85 , mk tebal shell sbb:

Sehingga:

c 144 x (0,85) (21.000) 2

(12D) 1)62,37(Ht

8).......3.1.......... cD 1)(H 0,0001456t

Untuk fabrikasi full-fillet lap-joint, nilai joint efisiensi (E) adalah 0,75 sehingga :

Contoh soal 3.2,

..3.19).................... cD 1)(H 0,0001650t

Vessel bentu k silinder yang menggunakan kepala (head)

Penggunaan vessel ini untuk:Functional usePresure consideratonukuran pembatas

“HEAD SELECTION FOR CYLINDRICAL VESSEL

Termasuk Vessel dengan head, adalah :Kolom distilasiPacket towerEvaporatorCristalizerDan Heat Exchanger

Umumnya dioperasikan pada tekanan atmosferik hingga 5 lb/in2 age

Spesifikasi material konstrksi terdapat pada Tabel 5.1

BENTUK HEAD/KEPALA

Macam-macam bentuk head A) flange onlyB) Flange and shallow dishedC) Flang and standar dishedD) TorisphericalE) Elliptical/ellipsoidalF) Hemispherical G) Conical

Bentuk dan fungsi masing2

Gambar 5.a) Bentuk flange d only head

Ukuran icr, sf dan OD dilihat pada Tabel 5.4

t : tebal head, inc

Icr : inside-corner radius, inc

sf : straight flange, inc

r : radius of dish,inc

OD : outside diameter

Flang head dipakai pada tanki horizontal atau vertikal

tertutup pada tekanan atmosferik.

Fungsi tangki ini untuk fuel oil, kerosin, dan

miscellaneous liquid.

Ukuran icr, sf dan OD dilihat pada Tabel 5.6

5 d) Torispherical Head

Untuk tangki silinder horizontal atau vertikal yang bertekanan antara 15 sampai 100 lb/in2

5 e) Elliptical head

Untuk tangki silinder horizontal atau vertikal yang bertekanan antara 100 sampai 200 lb/in2

Lihat Tabel 5.11 dan 5.12 (icr, sf, OD)

Gambar 5 f) hemisperical

Untuk tekanan diatas 200 lb/in2

Gambar 5.9 )

Conical atau toriconical dished Untuk tangki silinder horizontal atau vertikal yang digunakan sebagai spry driers, crystallizer (solid)

Proporsi Optimum Vessel dengan elliptical dished head (5. 3a hal 80)

Tebal shell dan tebal head ( Internal Pressure vessel)

Tebal shell:

)2.13................................4,06,0

)1.13.........................4060

tr

fEt

tr

fEtp

dan

p,fE

pr

p,fE

prt

oi

oi

Keterangan:t : tebal shell minimum yang diizinkan, inchp : tekanan atau maksimum tekanan kerkja yang diizinkan, lb/in2

E : welded joint effisiensi (see table 13.2)F : max allowable stress, lb/in2 (see table 13,1)ri : diameter dalam shell, inchro : diameter luar shell, inch

Tebal Heada) Type Elliptical head

skirt head theofdiameter :

)11.13.....(........................................2,0

2

)10.13.......(..............................2,02

d

td

fEtp

dan

pfE

pdt

b) Spherical Dished covers

)88.7....(..............................4,04 pfE

pdit

Keterangan: p : tekanan dalam, lb/inl : jari-jari crown, incf : allowable stress

Atau menggunakan tabel 18.3 Walas, untuk berbagai type head