Download - Tugas Khusus KE PT
BAB V
TUGAS KHUSUS
5.1. LATAR BELAKANG DAN PERMASALAHAN
Kebutuhan bahan bakar PT Asahimas Flat Glass Tbk adalah 3.840,7 Nm3/jam.
Untuk menurunkan penggunaan bahan bakar dilakukan proses regenerasi panas.
Alat yang digunakan untuk proses regenerasi panas di PT Asahimas Flat Glass
Tbk adalah regenerator.
Keberhasilan proses regenerasi panas tersebut sangat dipengaruhi oleh unjuk
kerja regenerator. Penggunaan regenerator bertujuan sebagai alat untuk
menyimpan panas hasil pembakaran dari furnace dan memanaskan udara
pembakaran hingga mendekati temperatur proses di dalam furnace. Unjuk kerja
regenerator tidak dapat diamati secara langsung tapi dengan melakukan
perhitungan efisiensi termal regenerator. Perhitungan efisiensi termal regenerator
ini didasarkan pada perhitungan neraca massa (berdasarkan gas masuk dan keluar
regenerator) dan neraca panas (berdasarkan jumlah panas masuk dan keluar
regenerator). Komposisi gas yang masuk ke regenerator dapat diperoleh setelah
menghitung jumlah gas yang keluar dari furnace.
5.2. LANDASAN TEORI
5.2.1. Regenerator
Mengingat temperatur peleburan di dalam furnace yang sangat tinggi
mencapai ±1400 oC maka temperatur di keluaran furnace jauh lebih daripada
temperatur lingkungan. Oleh karenanya, gas panas yang keluar dari furnace
memiliki potensi untuk dimanfaatkan. Salah satu cara untuk memanfaatkan
potensi tersebut adalah dengan menggunakan alat penukar kalor yang dinamakan
regenerator. Pada regenerator, udara dari secondary air fan akan melalui proses
pra-pemanasan (preheating) sebelum memasuki furnace, sehingga akan
mengurangi jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk proses peleburan di
dalam furnace.
5.2.2. Prinsip Kerja Regenerator
Regenerator yang digunakan di PT Asahimas Flat Glass Tbk sebanyak 2 buah
yang diletakkan pada sisi kanan dan sisi kiri furnace . komponen penyusun
regenerator adalah batu checker yang berfungsi untuk menyimpan panas.
Pembakaran dilakukan bergantian pada sisi kanan dan kiri furnace setiap 20 menit
sekali. Tujuan dari pergantian sisi pembakaran ini adalah untuk kehomogenan
penyebaran panas. Mekanisme kerja regenerator berlangsung sebagai berikut:
1. Ketika terjadi pembakaran sisi kiri, aliran blow knock damper sisi kiri ditutup.
Udara dari secondary air fan mengalir melaui regenerator sisi kiri sehingga
dihasilkan udara pembakaran yang panas.
2. Udara pembakaran yang tiba pada burner dikontakkan dengan bahan bakar
natural gas atau heavy oil sehingga menghasilkan api pembakaran. Terjadilah
proses primary melting di dalam furnace.
3. Gas panas hasil pembakaran mengalir dan memanaskan batu checker pada
regeneraror sisi kanan.
4. Gas panas yang keluar dari regenerator sisi kanan kemudian mengalir melalui
blow knock damper sisi kanan dan dilepaskan ke udara luar melalui cerobong
asap.
5. Pada saat terjadi perpindahan pembakaran ke sisi kanan, aliran blow knock
damper sisi kiri terbuka, blow knock damper sisi kanan tertutup dan arah
aliran berubah serta secara otomatis aliran bahan bakar dan udara dari
secondary air fan terhenti (perpindahan pembakaran dari sisi kiri ke sisi kanan
dan sebaliknya berlangsung setiap 20 menit).
6. Udara dari secondary air fan mengalir melaui regenerator sisi kanan sehingga
dihasilkan udara pembakaran yang panas.
7. Udara pembakaran yang tiba pada burner dikontakkan dengan bahan bakar
natural gas atau heavy oil sehingga menghasilkan api pembakaran. Terjadilah
proses primary melting di dalam furnace.
8. Gas panas hasil pembakaran mengalir dan memanaskan batu checker pada
regeneraror sisi kiri.
9. Gas panas yang keluar dari regenerator sisi kiri kemudian mengalir melalui
blow knock damper sisi kiri dan dilepaskan ke udara luar melalui cerobong
asap.
10. Proses ini berlangsung secara bergantian dan terus menerus secara otomatis.
5.3. METODOLOGI
5.3.1. Pengumpulan Data
5.3.1.1. Data Pabrik
Pengumpulan data perhitungan untuk mencari efisiensi regenerator di PT
Asahimas Flat Glass Tbk dilakukan pada tanggal 10 September 2014. Data yang
didapat berupa: temperatur masuk regenerator, temperatur keluar regenerator,
suplai natural gas (NG) untuk pembakaran per 20 menit, suplai udara dari
secondary air fan untuk pembakaran per 20 menit, nilai kalori dan komposisi raw
material batch. Data-data tersebut meliputi:
Tabel 1. Data Regenerator
Regenerator Kanan
Pembakaran Kiri.
Regenerator Kiri
Pembakaran Kanan.
Temperatur Masuk 1267 oC 1268 oC
Temperatur Keluar 558 oC 553 oC
Flow Natural Gas 3840,7 m3/jam 3840,7 m3/jam
Flow udara dari SAF 41993 m3/jam 48266 m3/jam
Nilai Kalori 9200 kkal/Nm3
Tabel 2. Komposisi Raw Material Batch
Komponen Batch kg/mix
Silica sand A 972,5
Silica sand B 972,5
Dolomite 647,5
Soda ash D1 175
Soda ash D2 423
Salt cake 28
Feldspar Semarang 45,5
Feldspar Tayu 25
Alumina 11
Total 3300
5.3.1.2. Data Literatur
Dalam menghitung efisiensi regenerator dibutuhkan perhitungan neraca massa
dan neraca energi, melalui perhitungan tersebut didapatkan energi panas yang
terserap di regenerator untuk pembakaran per 20 menit. Selain data dari pabrik,
diperlukan beberapa data literatur yaitu data berat molekul dan nilai kapasitas
panas tiap molekul. Data – data tersebut dapat dilihat pada beberapa tabel 3 dan
tabel 4.
Tabel 3. Data Berat Molekul Batch dan Gas
Komponen Berat Molekul ( kg kmol-1 )
Na2CO3 106,00
Na2SO4 142,05
CaCO3.MgCO3 184,42
CO2 44,01
SO2 64,06
O2 32,00
CH4 16,04
N2 28,02
H2O 18,016
(Sumber : Perry’s Chemical Engineer’s Handbook 7th edition,)
Tabel 4. Nilai Kapasitas Panas Gas
Komponen Nilai CP ( kkal kmol-1 K-1 )
CO2 10,34 + 0,00274T - 195500T-2
SO2 7,7 + 0,00530T – 0,00000083T-2
O2 8,27 + 0,000258T - 187700T-2
H2O 8,22 + 0,00015 T + 0,00000134T2
N2 6,50 + 0,00100T
(Sumber : Perry’s Chemical Engineer’s Handbook 7th edition,)
5.3.2. Pengolahan Data
Perhitungan neraca massa
Gambar 1. Diagram alir perhitungan neraca massa
Gas Hasil Pembakaran+Gas Inert+Gas Hasil Reaksi Bahan Baku=Gas Keluar Regenerator
Perhitungan neraca energi
Gambar 2. Diagram alir perhitungan neraca energi
Neraca panas:
Q masuk – Q terserap = Q keluar + Q loss
Q = n ∫T 2
T 1
CP dT
Efisiensi panas = Panas yangdiserap regeneratorPanas yangmasuk regenerator
x 100%
5.4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Regenerator Kanan
CO2
H2O
N2
SO2
O2
CO2
H2O
N2
SO2
O2
Regenerator Kanan
CO2
H2O
N2
SO2
O2
T1= 1267oC
CO2
H2O
N2
SO2
O2
T2= 588oC
Q terserap
Q Loss
5.4.1. Perhitungan Neraca Massa
Untuk menghitung neraca massa di regenerator diperlukan data masukkan
berupa gas keluaran yang berasal dari furnace. Dalam menentukan neraca massa
terdapat beberapa perhitungan diantaranya adalah: reaksi dekomposisi yang
terjadi di furnace, reaksi pembakaran natural gas, dan udara dari secondary air
fan. Berikut perhitungan yang digunakan:
Gambar 3. Diagram alir perhitungan neraca massa
a. Reaksi Dekomposisi
Pada proses peleburan bahan baku di furnace, terjadi reaksi dekomposisi
material bahan baku. Reaksi ini menghasilkan gas berupa CO2, O2, dan SO2.
Merujuk pada laporan kerja praktik Mufita Ramadhina dengan NIM
2011430006 didapatkan data hasil reaksi dekomposisi sebagai berikut:
1. Soda Ash (Na2CO3)
Massa = 74750 Kg
Hari
Berat Molekul = 106 Kg
Kmol
Mol = Massa
Berat Molekul
= 74750
KgHari
106Kg
Kmol
= 705,1887 KmolHari
Na2CO3 Na2O + CO2
Mula-mula 705,1887
Bereaksi 705,1887 705,1887 705,1887
Regenerator Kanan
CO2
H2O
N2
SO2
O2
CO2
H2O
N2
SO2
O2
Sisa 0 705,1887 705,1887
Gas CO2 terbentuk = 705,1887 KmolHari
Berat Molekul CO2 = 44,01 Kg
Kmol
Massa CO2 = 31035,3546 Kg
Hari
2. Salt Cake (Na2SO4)
Massa = 3500 Kg
Hari
Berat Molekul = 142,05 Kg
Kmol
Mol = Massa
Berat Molekul
= 3500
KgHari
142,05Kg
Kmol
= 24,6392 KmolHari
Na2SO4 Na2O + SO2 + ½ O2
Mula-mula 24,6392
Bereaksi 24,6392 24,6392 24,6392 12,3196
Sisa 0 24,6392 24,6392 12,3196
Gas SO2 terbentuk = 24,6392KmolHari
Berat Molekul SO2 = 64,06 Kg
Kmol
Massa SO2 = 1578,3871Kg
Hari
Gas O2 terbentuk = 12,3196KmolHari
Berat Molekul O2 = 32Kg
Kmol
Massa O2 = 394,2272Kg
Hari
3. Dolomite (CaCO3.MgCO3)
Massa = 80937,5 Kg
Hari
Berat Molekul = 184,42 Kg
Kmol
Mol = Massa
Berat Molekul
= 80937,5
KgHari
184,42Kg
Kmol
= 438,8759 KmolHari
CaCO3.MgCO3 CaO + MgO + 2CO2
Mula-mula 438,8759
Bereaksi 438,8759 438,8759 438,8759 877,7518
Sisa 0 438,8759 438,8759 877,7518
CO2 terbentuk = 877,7518 KmolHari
Berat Molekul CO2 = 44,01 Kg
Kmol
Massa CO2 = 38628,272 Kg
Hari
Perhitungan gas yang terbentuk dari hasil reaksi dekomposisi:
1. Gas CO2
Massa CO2 dari soda ash = 31035,3546 Kg
Hari
Massa CO2 dari dolomite = 38628,272 Kg
Hari
Massa CO2 total = 69663,6266Kg
Hari
Massa CO2 total per 20 menit = 967,5503 Kg
20 Menit
2. Gas O2
Massa O2 dari salt cake = 394,2272Kg
Hari
Massa O2 per 20 menit = 5,4753 Kg
20 Menit
3. Gas SO2
Massa SO2 dari salt cake = 1578,3871Kg
Hari
Massa SO2 per 20 menit = 21,9220 Kg
20 Menit
b. Udara dari Secondary Air Fan
Flow udara dari SAF = 41.993 m3
jam
Jumlah O2 yang disuplai = 21 % x 41.993 m3
jam x 1.000
literjam
= 8.818.530 literjam
Laju alir molar O2 = 8.818.530 literjam
: 22,4 litergmol
: 1.000 gmolkmol
= 393,6843kmoljam
= 131,2281 kmol
20 menit (dalam 20
menit)
Jumlah N2 yang disuplai = 79 % x 41.993 m3
jam x 1.000
literjam
= 33.174.470 literjam
Laju alir molar N2 = 33.174.470 literjam
: 22,4 litergmol
: 1.000 gmolkmol
= 1.481,0031 kmoljam
= 493,6677 kmol
20 menit (dalam 20
menit)
Berat molekul N2 = 28,02 kg
kmol
Laju alir massa N2 = 493,6677 kmol
20 menitx 28,02
kgkmol
= 13.822,6958 kg
20 menit
c. Natural Gas
Flow Natural Gas = 3.840,7 m3
jam x 1.000
literjam
= 3.840.700 literjam
Laju alir molar NG = 3.840.700 literjam
: 22,4 LiterGmol
: 1.000 gmolkmol
= 171,4598 kmoljam
= 57,1532 kmol
20 menit (dalam 20
menit)
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
Mula-mula 57,1532 131,2281
Bereaksi 57,1532 114,3064 57,1532 114,3064
Sisa 0 16,9217 57,1532 114,3064
Perhitungan gas yang terbentuk dari proses pembakaran natural gas:
Gas O2 sisa = 16,9217 kmol
20 menit
Berat Molekul O2 = 32 kg
kmol
Massa O2 = 541,4944kg
20 menit
Gas CO2 terbentuk = 57,1532kmol
20 menit
Berat Molekul CO2 = 44,01 kg
kmol
Massa CO2 = 2515,3123kg
20 menit
H2O terbentuk = 114,3064 kmol
20 menit
Berat Molekul H2O = 18kg
kmol
Massa H2O = 2.057,5178kg
20 menit
Neraca Massa di Regenerator Kanan:
Tabel 5. Neraca Massa Regenerator Kanan
Gas
Masukan (kg
20 menit ) Keluaran (
kg20 menit
)
Gas Sisa
Pembakaran
Natural Gas
Gas Inert
Gas Hasil
Reaksi
Dekomposisi
Gas Gas Inert
H2O 2.057,5178 2.057,5178
N2 13.822,6958 13.822,6958
SO2 21,9220 21,9220
CO2 2.515,3123 967,5503 3.482,89
O2 541,4944 394,2272 546,97
Sub
Total5.114,3239 13.822,6958 994,9698 6.109,2937 13.822,6958
Total 19.931,9895 19.931,9895
5.4.2. Perhitungan Neraca Energi
Gambar 4. Diagram alir perhitungan neraca energi
Neraca panas:
Q masuk – Q terserap = Q keluar + Q loss
Q = n ∫T 1
T 2
CP dT
Dimana:
Qs = entalphi sensible (kkal/20 menit)
n = mol (kkmol/20 menit)
Regenerator Kanan
CO2
H2O
N2
SO2
O2
T1= 1267oC
CO2
H2O
N2
SO2
O2
T2= 588 oC
Q terserap
Q Loss
Cp = kapasitas panas (kkal.kmol-1)
dT = perubahan suhu (K)
Tabel 6. Laju Alir Gas Masuk Regenerator Kanan
KomponenGas(
kg20 menit
) Berat Molekul (kg
kmol ) Gas(
kmol20 menit
)
H2O 2.057,5178 18 114,3065
N2 13.822,6958 28 493,6677
SO2 21,9220 64,06 0,3422
CO2 3.482,89 44,01 79,1385
O2 6.109,2937 32 17,0928
Q Masuk Regenerator
Merujuk laporan kerja praktik Mufita Ramadhina dengan Nomor Induk
Mahasiswa 2011430006, dapat diketahui nilai Q masuk adalah 726.102.648,5577
kkalhari
.
Q Masuk (dalam 20 menit) = 726.102.648,5577 kkalhari
x 1hari
24 jam x
1 jam60 menit
= 504.237,9504 kkal
menit
= 10.084.759,01 kkal
20 menit
HHV Natural Gas = 9.200 kkal
Nm3
Kebutuhan Natural Gas = Q Masuk
HHV Natural Gas
=
10.084 .759,01kkal
20 menit
9.200kkal
Nm3
= 1.096,169457 N m3
20 menit
Perhitungan Q Terserap Regenerator
Q = n ∫T 1
T 2
CP dT , dengan T2= 5880C (861 K) dan T1= 12670C (1540 K)
1. Q CO2
= 79,1385∫1540
861
¿¿10,34 + 0,00274T - 195500/T2)dT
= 79,1385 (10,34 T + 1,4.10-3T2 + 195500T-1)]861
1540
= 79,1385 (10,34(861-1540) + 1,4.10-3(8612-15402) + 195500(861-1-1540-1))
= 79,1385 (-7.020,86 – 2.233,4822+ 100,1135)
= -724.451,928 kkal
20 menit
2. Q SO2
= 0,3422 (7,7 + 0,00530 T – 0,00000083/T2)dT
= 0,3422 (7,7T + 2,7.10-3T2 + 0,00000083 T-1)]861
1540
= 0,3422 (7,7(861-1540) + 2,7.10-3(8612-15402) +0,00000083(861-1-1540-1))
= 0,3422 (-5.228,3–4.401,7533+ 4,2615.10-10)
= -3.295,4042kkal
20 menit
3. Q O2
= 17,0928 (8,27 + 0,000258 T - 187700/T2)dT
= 17,0928 (8,27T + 1,29.10-4T2 + 187700 T-1)]861
1540
= 17,0928 (8,27(861-1540) + 1,29.10-4(8612-15402) + 187700(861-1-1540-1))
= 17,0928 (-5.615,33 – 210,305 + 96,1192)
= -97.933,4676kkal
20 menit
4. Q H2O
= 114,3065 (8,22 + 0,00015 T + 0,00000134T2)dT
= 114,3065 (8,22T + 7,5.10-5T2 +4,5.10-7T3)]861
1540
=114,3065 (8,22(861-1540) + 7,5.10-5(8612-15402) + 4,5.10-7(8613-15403))
= 114,3065 (-5.581,38 – 122,270-1.356,293)
= -806.997,3745kkal
20 menit
5. Q N2
= 493,6677 (6,50 + 0,00100T)dT
= 493,6677 (6,50 T + 5.10-4T2)]861
1540
= 493,6677 (6,50(861-1540) + 5.10-4(8612-15402))
= 493,6677 (-4.413,5-815,1395)
= -2.581.210,436kkal
20 menit
Berdasarkan perhitungan di atas maka diperoleh Q total yang terserap regenerator:
Q = Q CO2 + Q SO2 + Q O2 + Q H2O + Q N2
= (-724.451,928-3.295,4042-97.933,4676-806.997,3745-2.581.210,436)
= ǀ-4.213.844,50ǀ kkal
20 menit
HHV Natural Gas = 9.200 kkal
Nm3
Kebutuhan Natural Gas = QTerserap
HHV Natural Gas
=
ǀ−4.213.844,50 ǀkkal
20 menit
9.200kkal
Nm3
= ǀ-459,983ǀ N m3
20 menit
= 459,983 N m3
20 menit
Perhitungan Q Keluar Regenerator
Q = n ∫T 1
T 2
CP dT , dengan T2= 861 K dan T1= 273 K
1. Q CO2
= 79,1385∫273
861
¿¿10,34 + 0,00274T - 195500/T2)dT
= 79,1385 (10,34 T + 1,4.10-3T2 + 195500T-1)]861273
= 79,1385 (10,34(861-273) + 1,4.10-3(8612-2732) + 195500(861-1-273-1))
= 79,1385 (6.079,92+933,5088-489,056)
= 516.329,1 kkal
20 menit
2. Q SO2
= 0,3422 (7,7 + 0,00530 T – 0,00000083/T2)dT
= 0,3422 (7,7T + 2,7.10-3T2 + 0,00000083 T-1)]861273
= 0,3422 (7,7(861-273) + 2,7.10-3(8612-2732) +0,00000083(861-1-273-1))
= 0,3422 (4.527,6+1.800,388-2,0763.10-9)
= 2.165,421 kkal
20 menit
3. Q O2
= 17,0928 (8,27 + 0,000258 T - 187700/T2)dT
= 17,0928 (8,27T + 1,29.10-4T2 + 187700 T-1)]861273
= 17,0928 (8,27(861-273) + 1,29.10-4(8612-2732) + 187700(861-1-273-1))
= 17,0928 (4.862,76+86,0161-469,543)
= 76.562,63kkal
20 menit
4. Q H2O
= 114,3065 (8,22 + 0,00015 T + 0,00000134T2)dT
= 114,3065 (8,22T + 7,5.10-5T2 +4,5.10-7T3)]861273
=114,3065 (8,22(861-273) + 7,5.10-5(8612-2732) + 4,5.10-7(8613-2733))
= 114,3065 (4.833,36+50,0094+278,0689)
= 589.986kkal
20 menit
5. Q N2
= 493,6677 (6,50 + 0,00100T)dT
= 493,6677 (6,50 T + 5.10-4T2)]861273
= 493,6677 (6,50(861-273) + 5.10-4(8612-2732))
= 493,6677 (3.822+333,396)
= 2.051.385kkal
20 menit
Berdasarkan perhitungan di atas maka diperoleh Q total yang keluar regenerator:
Q = Q CO2 + Q SO2 + Q O2 + Q H2O + Q N2
= (516.329,1+2.165,421+76.562,63+589.986+2.051.385)
= 3.236.428 kkal
20 menit
Perhitungan Q Loss
Q masuk – Q terserap = Q keluar + Q loss
Q loss = Q masuk – Q terserap – Q keluar
= (10.084.759,01- 4.213.844,50 – 3.236.428)kkal
20 menit
= 2.634.486,508kkal
20 menit
Neraca energi di regenerator kanan:
Tabel 7. Neraca energi regenerator kanan
INPUT (kkal
20 menit) OUTPUT (
kkal20 menit
)
Q Masuk 10.084.759,01 -
Q Keluar - 3.236.428
Q Terserap - 4.213.844,50
Q Loss - 2.634.486,508
TOTAL 10.084.759,01 10.084.759,01
5.4.3. Efisiensi Panas
Efisiensi panas = Panas yang terserapregeneratorPanas yang masuk regenerator
x 100%
=459,983
m3
20 menit
1.096,169457m3
20menit
X 100 %
= 33 %
5.4.4. PEMBAHASAN
Regenerator merupakan alat untuk menyimpan panas hasil pembakaran dari
furnace dan memanaskan udara pembakaran hingga mendekati temperatur proses
di dalam furnace. Pada perhitungan neraca energi di regenerator, panas yang
terjadi adalah panas sensible. Dimana, panas sensible adalah panas yang
menyebabkan terjadinya kenaikan/penurunan temperatur, tanpa terjadi perubahan
phasa (wujud). Reaksi yang terjadi di dalam regenerator merupakan reaksi
eksotermis karena reaksi ini melepaskan panas atau kalor ke lingkungan.
5.5. KESIMPULAN DAN SARAN
KESIMPULAN
Hasil perhitugan neraca massa adalah massa gas yang masuk dan keluar
regenerator seimbang sebesar 19.931,9895kg
20 menit
Panas yang dapat tersimpan dalam regenerator sebanyak 459,983 m3
20 menit
Efisiensi panas yang diperoleh adalah 33 %
SARAN
Diperlukan adanya perawatan secara rutin terhadap regenerator sehingga
efisiensi panas tersebut dapat ditingkatkan.