pressure vessel

Download pressure vessel

Post on 20-Nov-2015

227 views

Category:

Documents

28 download

Embed Size (px)

DESCRIPTION

belajar pv

TRANSCRIPT

<ul><li><p>12 </p><p>BAB III </p><p>DASAR TEORI </p><p>3.1. Pengertian Bejana Tekan dan Separator </p><p> Tugas akhir ini mengangkat materi perancangan bejana tekan vertikal </p><p>yang berfungsi sebagai separator, oleh karena itu perlu dijelaskan pengertian </p><p>bejana tekan dan separator sebagai dasar perancangan. </p><p>3.1.1. Bejana tekan </p><p>Bejana tekan adalah suatu benda yang berfungsi untuk menampung atau </p><p>memproses suatu fluida. Contoh aplikasi bejana adalah sebagai berikut: </p><p>1. Storage tank </p><p>Fungsi untuk menampung fluida, contoh tangki bahan bakar. </p><p>2. Tempat proses atau reaksi </p><p>Fungsi untuk suatu proses kimia pada suatu fluida tertentu, contoh </p><p>separator, scrubber, dan slug catcher. </p><p>3. Alat bantu </p><p>Fungsi untuk menunjang suatu proses, contoh pada sistem pneumatik </p><p>diperlukan udara bertekanan yang disimpan di bejana tekan. </p><p>4. Transportation tank </p><p>Fungsi untuk mengangkut fluida, contoh mobil tangki bahan bakar. </p><p> Bejana tekan beroperasi pada tekanan operasi. Berdasarkan tinggi tekanan </p><p>operasi bejana tekan bisa dibagi menjadi sebagai berikut: </p><p>1. Atmospheric tanks </p><p>Beroperasi pada tekanan atmosfer atau pada tekanan maksimal 0,5 </p><p>psig, contoh : atmospheric tanks atau silincer pada sistem geothermal. </p><p>2. Low pressure tanks </p><p>Beroperasi pada tekanan rendah (0,5 psig sampai 15 psig). </p><p>3. Pressure vessel </p><p>Beropersi pada tekanan tinggi lebih dari 15 psig. </p><p>4. Pressure vessel vakum </p></li><li><p>13 </p><p>Beroperasi pada tekanan di bawah tekanan atmosfer (terjadi eksternal </p><p>pressure). </p><p>Berdasarkan hubungan tekanan operasi pada bejana tekan dengan udara </p><p>luar, tekanan operasi dapat dibedakan menjadi: </p><p>1. Tekanan internal </p><p>Bila tekanan dalam bejana melebihi tekanan atmosfer di luar bejana. </p><p>2. Tekanan eksternal </p><p>Bila tekanan dalam bejana kurang dari tekanan atmosfer dari luar, </p><p>termasuk juga bejana yang menderita tekanan vakum. </p><p>Bejana tekan dapat dibedakan berdasarkan bentuk shell. Shell mempunyai </p><p>beberapa bentuk, pemilihan bentuk mempertimbangkan tekanan operasi, fungsi, </p><p>dan harga. Jenis bejana tekan berdasarkan bentuk shell adalah sebagai berikut: </p><p>1. Silinder </p><p>Bentuk shell silinder dibuat untuk incompressible fluid dan mix. </p><p>2. Bola </p><p>Bentuk bola dibuat untuk compressible fluid. Dengan bentuk bola </p><p>pada ketebalan yang sama maka ketahanan menahan tekanan lebih </p><p>baik daripada bentuk silinder. </p><p>3. Rectangular </p><p>Bentuk sederhana dan pembuatan mudah. Bentuk persegi tidak </p><p>dipakai untuk tekanan tinggi, biasanya dipakai untuk menampung </p><p>fluida dengan tekanan hidrostatik. Bentuk rectangular sangat jarang </p><p>digunakan dan dirancang dengan standar API. </p><p> Bejana tekan silinder dapat dibedakan menjadi dua berdasarkan posisi </p><p>pemasangan shell: </p><p>1. Horisontal </p><p>Pada pressure vessel horisontal, vessel ditumpu oleh saddle. </p><p>Keuntunganya adalah kontruksi lebih mudah karena beban angin dan </p><p>gempa lebih kecil daripada vessel vertikal. Kerugian membutuhkan </p><p>tempat lebih luas. </p></li><li><p>14 </p><p>2. Vertikal </p><p>Pada konstruksi posisi vessel vertikal, vessel ditumpu oleh skirt atau </p><p>leg. Keuntungan membutuhkan tempat lebih sempit daripada </p><p>horisontal. Kerugian beban angin dan gempa harus dipertimbangkan. </p><p>Contoh bejana tekan dapat dilihat pada Gambar 3.1. sebagai berikut. </p><p> Gambar 3.1. Contoh bejana tekan vertikal dalam proses pabrikasi </p><p>Pada tugas akhir ini akan dirancang pressure vessel atau bejana tekan </p><p>dengan bentuk shell silinder, dengan posisi vertikal. Bejana tekan yang dirancang </p><p>akan berfungsi sebagai separator pada instalasi geothermal. Bejana tekan </p><p>dirancang berdasarkan tekanan internal. </p><p>3.1.2. Separator </p><p>Separator adalah suatu alat untuk memisahkan fasa fluida. Dalam </p><p>perancangan ini separator diklasifikasikan sebagai separator dua fasa, separator </p><p>akan memisahkan brine dan uap dari sumur produksi geothermal. Brine kemudian </p><p>akan dialirkan ke silencer dan selanjutnya akan dipompa ke sumur injeksi. Uap </p></li><li><p>15 </p><p>selanjutnya akan dialirkan ke scrubber dan selanjutnya akan digunakan untuk </p><p>menggerakkan turbin. </p><p>Jenis separator yang dipakai dalam perancangan ini adalah separator </p><p>vertikal. Fluida masuk melalui nozzle pada dinding samping. Proses pemisahan </p><p>fluida pertama aliran dua fasa masuk melalui cyclone inlet. Karena perbedaan </p><p>densitas, brine akan turun ke bawah dan keluar melalui nozzle pada bottom head. </p><p>Uap akan bergerak ke atas dan uap mengalir melalui lubang pipa yang ada di </p><p>bagian atas dan keluar melalui nozzle outlet di bottom head, kemudian uap </p><p>mengalir ke scrubber. Separator dilengkapi dengan peralatan internal dan </p><p>peralatan pendukung. Contoh separator pada lapangan geothermal dapat dilihat </p><p>pada Gambar 3.2. </p><p> Gambar 3.2. Bejana tekan separator geothermal PT. Geodipa Energi Dieng </p><p>3.1.3. Kriteria desain </p><p>Kriteria perancangan merupakan kebutuhan minimum dalam </p><p>perancangan dan pemilihan material bejana tekan. Prosedur umum dalam </p></li><li><p>16 </p><p>perancangan bejana tekan adalah dengan menentukan kondisi desain dan </p><p>pembebanan akibat gaya-gaya luar yang menyebabkan tegangan. Lingkup </p><p>pekerjaan perancangan bejana tekan meliputi juga nozzle dan opening sampai </p><p>muka flange-nya, penumpu, dan lifting lugs. </p><p>Code dasar dalam perancangan bejana tekan adalah ASME (Boiler and </p><p>Pressure Vessel Code), Section VIII divisi 1, penggunaan code atau metode </p><p>lain hanya terbatas pada kasus-kasus yang tidak tercakup pada code (ASME </p><p>VIII divisi 1). Simulasi pembebanan eksentrik pada nozzle berdasarkan code </p><p>WRC 107. </p><p>3.1.4. Data perancangan </p><p> Kondisi perancangan harus diperhatikan sebelum perancangan. Data </p><p>operasi diperoleh dari Process Flow Diagram (PFD) dan perhitungan proses </p><p>untuk dimensi utama peralatan bejana tekan. Data-data tersebut meliputi </p><p>temperatur operasi, tekanan operasi, dimensi utama (diameter dalam, </p><p>tinggi/panjang), fasa/kondisi fluida. Data-data tersebut didapat dari lapangan </p><p>dengan menguji sumur produksi dan memasang separator uji coba. Gambar dari </p><p>sumur produksi dan separator uji coba dapat dilihat pada Gambar 3.3. </p><p> Gambar 3.3. Sumur produksi dan separator uji coba di geothermal Karaha </p></li><li><p>17 </p><p> Bejana tekan dirancang untuk kondisi yang paling buruk terhadap tekanan </p><p>maupun temperatur seperti yang diperkirakan akan terjadi selama operasional </p><p>normal. Tekanan dan temperatur perancangan akan dipakai sebagai dasar </p><p>pemilihan material dan tidak boleh melebihi dari tekanan dan temperatur </p><p>maksimum sesuai data material. Kondisi lingkungan juga perlu diperhatikan </p><p>dalam perancangan. Data lingkungan yang dipakai dalam perancangan bejana </p><p>tekan meliputi intensitas angin, zona gempa, kelembaban, temperatur lingkungan, </p><p>dan tekanan atmosfer. </p><p>3.1.5. Pembebanan </p><p>Pembebanan yang terjadi pada bejana tekan perlu diperhitungkan agar </p><p>bejana tekan mampu menahan beban tersebut. Beban-beban yang dialami oleh </p><p>bejana tekan meliputi: </p><p>a. Tekanan internal perancangan </p><p>b. Berat bejana tekan, berat peralatan dan berat isi ketika operasi dan </p><p>pengujian. </p><p>c. Superposisi reaksi-reaksi statik dari berat peralatan yang menempel, </p><p>seperti: perpipaan, lining, dan isolasi. </p><p>d. Peralatan lain yang tertempel, seperti: platform dan ladder. </p><p>e. Peralatan internal. </p><p>f. Penumpu, seperti: skirt, saddle, lugs, dan legs </p><p>g. Reaksi-reaksi dinamik/siklik akibat variasi tekanan atau temperatur, atau </p><p>akibat peralatan yang menempel pada bejana </p><p>h. Angin dan gempa </p><p>i. Beban impak akibat aliran fluida yang masuk bejana </p><p>j. Ekspansi termal </p><p>3.2. Teori Tegangan </p><p>Teori tegangan pada bejana tekan secara umum merupakan pengembangan </p><p>dari teori tegangan dalam mekanika. Tegangan yang terjadi dalam bejana tekan </p></li><li><p>18 </p><p>bisa disebabkan oleh tekanan internal bejana tekan dari fluida kerja, tekanan </p><p>eksternal dari udara luar, beban berat dari bejana tekan, beban akibat gaya luar </p><p>seperti beban angin, gempa dan beban eksentrik akibat perpipaan. Adapun </p><p>karakteristik hubungan antara tegangan regangan dapat dilihat pada kurva </p><p>tegangan regangan, yang di dalamnya mencakup tegangan luluh dan tegangan </p><p>ultimate. Kurva karakteristik antara tegangan regangan ditunjukkan pada Gambar </p><p>3.4. di bawah ini. </p><p> Gambar 3.4. Diagram tegangan regangan baja ulet (kiri) dan bahan getas </p><p>(kanan) </p><p>Titik tegangan luluh merupakan titik acuan sebagai batas tegangan ijin </p><p>dalam perancangan. Tegangan ultimate merupakan titik yang menunjukkan besar </p><p>tegangan maksimum yang mampu ditahan material sebelum mengalami </p><p>kegagalan. Titik kegagalan merupakan titik di mana material tersebut mengalami </p><p>kegagalan. Di bawah titik tegangan luluh material bersifat elastis dan di sebelah </p><p>kanan titik tegangan luluh, material bersifat plastis (bila diberi pembebanan pada </p><p>material tersebut dan beban ditiadakan, material akan berdeformasi). </p><p>3.2.1. Tegangan pada shell </p><p>Pada shell silindris, tekanan akan terbagi secara merata pada setiap </p><p>dinding. Tegangan yang terjadi pada shell karena tekanan internal P dapat </p><p>dihitung dari kesetimbangan statis. Dalam analisis tegangan shell dapat dibagi dua </p></li><li><p>19 </p><p>yaitu shell tebal dan tipis. Shell tipis adalah shell dengan rasio dari ketebalan shell </p><p>t terhadap principal radius minimum dari kelengkungan adalah </p><p> atau </p><p> . </p><p>Dalam analisis tegangan diasumsikan shell adalah silinder panjang dan </p><p>tipis maka dan </p><p> . Selanjutnya kedua ujung shell ditutup dan </p><p>dikenai tekanan internal P, maka akan terjadi tegangan pada arah hoop </p><p>(sirkumferensial atau tangensial) dan arah aksial (longitudinal). Dalam </p><p>perancangan ini shell diasumsikan shell tipis. </p><p>3.2.1.1. Tegangan sirkumferensial (tangensial/hoop) </p><p>Tegangan sirkumferensial adalah tegangan yang arahnya sejajar dengan </p><p>sumbu sirkumferensial. Tegangan sirkumferensial disebut juga tegangan </p><p>tangensial atau tegangan hoop. Tegangan sirkumferensial c ditimbulkan oleh </p><p>tekanan internal yang bekerja secara tengensial dan besarnya bervariasi </p><p>tergantung pada tebal dinding. Untuk shell yang berdinding tipis dapat dilakukan </p><p>penyederhanaan penurunan rumus tegangan pipa dengan mengasumsikan gaya </p><p>akibat tekanan dalam bekerja sepanjang shell ditahan oleh dinding shell. </p><p> Persamaan tegangan sirkumferensial atau tangensial (hoop) dapat </p><p>dinyatakan dengan rumus sebagai berikut. </p><p> (3.1) </p><p>Dimana: </p><p>c = t = Tegangan sirkumferensial atau tangensial </p><p>P = Tekanan pada shell </p><p>t = Tebal shell </p><p>D = Diameter luar shell </p><p>Arah tekanan dan tegangan sirkumferensial yang terjadi pada shell dapat </p><p>dilihat pada Gambar 3.5. </p></li><li><p>20 </p><p> Gambar 3.5. Tegangan sirkumferensial pada shell karena tekanan internal </p><p>3.2.1.2. Tegangan longitudinal </p><p>Tegangan longitudinal adalah tegangan yang searah dengan shell atau </p><p>pipa. Tegangan longitudinal ditimbulkan oleh gaya tekan internal p yang bekerja </p><p>pada dinding pipa searah sumbu pipa. Arah tekanan dan tegangan longitudinal </p><p>yang terjadi pada shell dapat dilihat pada Gambar 3.5. di bawah ini. </p><p>Gambar 3.5. Tegangan longitudinal pada shell karena tekanan internal </p></li><li><p>21 </p><p>Persamaan tegangan longitudinal yang bekerja pada shell dapat dinyatakan </p><p>dengan rumus berikut. </p><p> (3.2) </p><p>Dimana: </p><p>l = Tegangan longitudinal (kPa) </p><p>P = Tekanan pada shell (kPa) </p><p>t = Tebal shell (mm) </p><p>D = Diameter luar shell (mm) </p><p>3.2.1.3. Tegangan Radial </p><p> Penggunaan persamaan tegangan untuk shell tipis berbeda untuk shell </p><p>tebal yang mempunyai rasio </p><p> . Shell tebal diasumsikan mempunyai radius </p><p>dalam dan radius luar, sehingga tegangan radial yang terjadi diperhitungkan.Besar </p><p>tegangan radial adalah bervariasi dari permukaan dalam shell ke permukaan </p><p>luarnya dan dapat dinyatakan dengan rumus di bawah ini. </p><p> (3.3) </p><p>Dimana: </p><p>R = Tegangan radial (kPa) </p><p>P = Tekanan pada pipa (kPa) </p><p>ri = Jari-jari dalam (mm) </p><p>ro = Jari-jari luar (mm) </p><p> Tegangan radial maksimum mak terjadi pada permukaan dalam shell dan </p><p>tegangan minimum min pada permukaan luarnya. </p><p>Tegangan sirkumferensial adalah tegangan terbesar yang terjadi di bejana </p><p>tekan akibat tekanan internal. Tegangan yang terjadi dibandingkan dengan </p><p>tegangan maksimum yang diijinkan di shell pada kondisi operasi. Tegangan </p><p>dinyatakan aman apabila tegangan yang terjadi tidak melebihi dari tegangan </p><p>maksimum yang diijinkan. </p></li><li><p>22 </p><p>3.2.2. Tegangan pada ellipsoidal head </p><p>Head pada bejana tekan vertikal membatasi shell pada sisi atas dan bawah. </p><p>Head mempunyai beberapa jenis berdasarkan bentuk menyesuaikan dengan </p><p>tekanan kerja dan fungsi. Contoh bentuk head menurut Megyesy (1997) dapat </p><p>dilihat pada Tabel 3.1. </p><p>Tabel 3.1. Jenis-jenis head berdasarkan bentuk </p><p>Tipe head Tebal minimum Tekanan maksimal </p><p>yang diijinkan </p><p>Hemispherical Head </p><p>2:1 ellipsoidal Head </p><p>Conical Head </p><p>ASME Flanged dan Dished Head </p><p>(Torispherical Head) </p><p>Jika </p><p>Jika </p></li><li><p>23 </p><p>Berdasarkan ketebalan minimum dan tekanan maksimum yang diijinkan </p><p>pada beberapa head maka head yang dipilih dalam perancangan adalah antara </p><p>hemispherical head atau ellipsoidal head karena lebih dapat menahan tekanan. </p><p>Jika menggunakan hemispherical head maka tebal dinding akan lebih tipis </p><p>dibanding ellipsoidal head, tetapi hemispherical head mempunyai kesulitan yang </p><p>tinggi dan lebih mahal dalam pabrikasi sehingga dipilih ellipsoidal head. Jadi </p><p>jenis head yang dipilih dalam perancangan adalah ellipsoidal head dengan rasio </p><p>2:1. </p><p>Menurut Dennis Moss (2004), pada ellipsoidal head terdapat perbedaan </p><p>nilai radius dari satu titik ke titik yang lain (meridional radius Rm dan latitudinal </p><p>radius RL), persamaan untuk mencari nilai Rm dan RL adalah sebagai berikut. </p><p>Persamaan radius pada garis tangen: </p><p> (3.4) </p><p> (3.5) </p><p>Persamaan radius pada titik tengah head: </p><p> (3.6) </p><p> (3.7) </p><p>Persamaan radius pada titik X di manapun: </p><p> ( </p><p> ) (3.8) </p><p> (3.9) </p><p>Menurut Dennis Moss (2004), tegangan pada head terdiri dari dua arah </p><p>tegangan yaitu meridional dan latitudinal (hoop) , dan dapat dibedakan di </p><p>titik tengah head, titik pada garis tangen dan pada setiap titik X. Arah tegangan </p><p>dan data dimensi dari ellipsoidal head dapat dilihat pada Gambar 3.7 dan 3.8. </p><p>berikut. </p></li><li><p>24 </p><p> Gambar 3.7. Arah tegangan pada head </p><p> Gambar 3.8. Data dimensi pada head </p><p>Tegangan meridional atau longitudinal dan tegangan tangensial atau </p><p>latitudinal berbeda-beda pada setiap titik tertentu, dan dapat ditentukan dengan </p><p>rumus sebagai berikut. </p><p>Persamaan tegangan pada titik X di manapun: </p><p>Tegangan meridional atau longitudinal </p><p> (3.10) </p><p>Tegangan tangensial atau latitudinal </p><p> ( </p><p> ) (3.11) </p><p>Persamaan tegangan pada titik tengah head: </p><p>Tegangan meridional atau longitudinal </p><p> (3.12) </p><p>Tegangan tangensial atau latitudinal (3.13) </p><p>Persamaan tegangan pada garis tangen: </p><p>Tegangan meridional atau longitudinal </p><p> (3.14) </p></li><li><p>25 </p><p>Tegangan tangensial atau latitudinal </p><p> ( </p><p> ) (3.15) </p><p>Tegangan dinyatakan aman apabila tegangan terbesar yang terjadi pada </p><p>head tidak melebihi dari tegangan maksimum yang diijinkan. </p><p>3.3. Perancangan Shell </p><p>Shell yang akan dirancang adalah jenis shell berbentuk silinder (cylindrical </p><p>shell). Shell mempunyai struktur yang bentuknya menyerupai plat melengkung. </p><p>Bentuk silinder shell merupakan bentuk jadi yang diperoleh dari lembaran plat </p><p>yang telah dilengkungkan lalu dirangkai dengan sambungan la...</p></li></ul>