DASAR TEORI PEMIPAAN PADA STEAM

Steam telah mengalami perjalanan jauh dari mulai hubungan tradisionalnya dengan

lokomotif dan Revolusi Industri. Sampai kini steam merupakan bagian penting dan tidak

terpisahkan dari teknologi modern. Tanpa steam, maka industri makanan kita, tekstil, bahan

kimia, bahan kedokteran, daya, pemanasan dan transportasi tidak akan ada atau muncul

seperti sekarang ini. Steam memberikan suatu cara pemindahan sejumlah energi yang

terkendali dari suatu pusat, ruang boiler yang otomatis, dimana energi dapat dihasilkan secara

efisien dan ekonomis, sampai ke titik penggunaan. Steam yang bergerak mengelilingi pabrik

dianggap sama dengan transportasi dan penyediaan energi. Untuk beberapa alasan, steam

merupakan komoditas yang paling banyak digunakan untuk membawa energi panas.

Penggunaannya terkenal diseluruh industri untuk pekerjaan yang luas dari produksi daya

mekanis sampai penggunaan proses dan pema nasan ruangan. Alasan dari penggunaan steam

adalah:

Steam efisien dan ekonomis untuk dihasilkan

Steam dapat dengan mudah dan murah untuk didistribusikan ke titik penggunaan

Steam mudah dikendalikan

Energinya mudah ditransfer ke proses

Plant steam yang modern mudah untuk dikendalikan

Steam bersifat fleksibel

Suatu pemahaman yang lebih baik terhadap sifat-sifat steam dapat tercapai dengan memahami

struktur molekul dan atom materi secara umum dan menerapkan pengetahuan ini terhadap es,

air dan steam. Sebuah molekul merupakan jumlah terkecil unsur atau senyawa suatu bahan

yang masih memiliki semua sifat-sifat kimia bahan tersebut. Molekul-molekul bahkan dapat

tersusun dari partikel-patikel yang lebih kecil yang disebut atom, yang merupakan elemen dasar

seperti hidrogen dan oksigen. Kombinasi spesifik unsur- unsur atom tersebut membentuk

senyawa. Salah satu senyawa tersebut dinyatakan dengan rumus kimia H2O, yang memiliki

molekul yang tersusun dari dua atom hidrogen dan satu atom oksigen. Air jumlanya sangat

melimpah di muka bumi adalah karena hidrogen dan oksigen merupakan unsur yang paling

melimpah di jagat raya ini. Karbon merupakan unsur lain yang juga cukup signifikan, dan

merupakan unsur kunci seluruh bahan organik. Hampir seluruh unsur mineral dapat berada

pada tiga keadaan fisiknya (padat, cair dan uap), yang merupakan fasenya. Dalam hal H2O,

istilah es, air dan steam digunakan untuk menunjukan ketiga fase masing-masing. Struktur

molekul es, air, dan steam masih belum sepenuhnya dimengerti, namun alangkah baiknya

untuk mempertimbangkan molekul sebagai sesuatu yang terikat bersama-sama oleh muatan

listrik (mengacu ke ikatan hidrogen). Derajat eksitasi molekul menentukan keadaan fisik (atau

fase) suatu bahan.

1. Contoh soal menghitung friksi pada pipa

Jawab :

Air mengalir dari sebuah reservoir ke sistem fluida seperti terlihat pada gambar di bawah ini. Bila air

keluar dari sistem pipa dengan debit keluaran sebesar 1,20 ft3 /s hitung energi total (head loss) yang

hilang akibat katup (valve), belokan (elbow), pipa masuk (pipe entrance) dan gesekan pada pipa.

Menentukan luas penampang pipa :

d2=3 in

A2=7 ,069 in2

Konversi satuan

Data yang diketahui ;

Menghitung velocity head :

d2=3 in

A2=7 ,069 in2 [645 ,2 mm2

in2 ]¿4561 mm2=4 ,561x 10−3m2

Q=1 ,20ft 3

s [m3

s

35 ,3ft3

s]

=0 ,034m3

s

z1=25 ft [ m3 ,281 ft ]=7 ,62 m

V 1=0 hA=0 hR=0 z2=0 p1=po p2=po

z1=7 ,62 m A2=4 ,561 x10−3m2 Q=0 ,034m3

3

V 2=QA2

=0 ,034

4 ,561x 10−3=7 ,455

ms

V 22

2g=

7 ,4552

2( 9,8)=2 ,836 m

p1

γ+ z1+

V 12

2 g+hA−hR−hL=

p2

γ+z2+

V 22

2g→ hL=z1−

V 22

2 g

3. boiler

Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai

terbentuk air panas atau steam. Air panas atau steam pada tekanan tertentu kemudian

digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna

dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan sampai

menjadi steam, volumnya akan meningkat sekitar 1.600 kali, menghasilkan tenaga

yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga boiler merupakan

peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan sangat baik. Sistem boiler terdiri

dari: sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan

menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam.

Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam

mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui

sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur

menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar

adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk

menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan

bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem. Air yang

disuplai ke boiler untuk dirubah menjadi steam disebut air umpan. Dua sumber air

umpan adalah:

(1) Kondensat atau steam yang mengembun yang kembali dari proses dan

(2) Air makeup (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari lua r ruang

boiler dan plan proses. Untuk mendapatkan efisiensi boiler yang lebih tinggi,

digunakan economizer untuk memanaskan awal air umpan menggunakan limbah

panas pada gas buang

hL=7 ,62−2 ,836=4 ,784 m

a. Paket Boiler

Disebut boiler paket sebab sudah tersedia sebagai paket yang lengkap. Pada saat

dikirim ke pabrik,

hanya memerlukan pipa steam, pipa air, suplai bahan bakar dan sambungan listrik

untuk dapat beroperasi. Paket boiler biasanya merupakan tipe shell and tube dengan

rancangan fire tube dengan

transfer panas baik radiasi maupun konveksi yang tinggi. Ciri -ciri dari packaged boilers

adalah:

• Kecilnya ruang pembakaran dan tingginya panas yang dilepas menghasilkan

penguapan yang lebih cepat Banyaknya jumlah pipa yang berdiameter kecil membuatnya

memiliki perpindahan panas konvektif yang baik.

• Sistim forced atau induced draft menghasilkan efisiensi pembakaran yang baik.

• Sejumlah lintasan/pass menghasilkan perpindahan panas keseluruhan yang lebih baik.

4. contoh soal penurunan tekanan

Jawab:

Contoh 5.1 :

Gas nitrogen pada tekanan 0,101 Mpa dialirkan kedalam “smooth straight circular pipe” dengan

ID 0.0254 m. Suhu dinding pipa rata-rata 155 K, sementara suhu bulk nitrogen 145 K pada laju

alir 0.1 kg/s. Hitung:

a. Koef heat transfer (h)

Tb

b. Laju heat transfer ke gas Nitrogen per satuan luas

c. Drop pressure per satuan panjang pipa

Solusi :

Properti gas nitrogen ditentukan dari suhu rata-rata film yaitu :

0.5 (Tw + Tb) = 0.5(155 + 145) = 150 K

Dari Lampiran (Appendix hal 566) didapat :

= 10.08 x 10-6 Pa.dt ; Cp= 1.047 kJ/kg K ; k= 13.77 x 10-3 W/m K ; = 2.289 kg/m3

Pr = Cp./k = (1.047x103)(10.08x10-6)/913.77x10-3) = 0.766

Untuk menentukan apakah pola aliran laminer/turbulent maka dihitung bilangan Reynoldnya:

Re = DeG/ = De.m/(A.) = (0.0245)(197.3)/(10.08 x 10-6) = 4.97x105

Karena aliran yg didapat adalah turbulen, maka dari Tabel 5.1, harga h dihitung menggunakan

persamaan:

h = (0.023)Cp.G.Re-0,2.Pr-2/3 = 0.4118 kJ/m2 dt K

Laju Perpindahan kalor persatuan luas:

Q/A = h(Tw - Tb) = 0.4118(155 – 145) = 4.118 kJ/m2

Drop pressure per satuan panjang pipa berdasarkan Tabel 5.1 menggunakan persamaan:

p/L = 0.092.G2/(Re0,2.gcDe)

= 0.092(197.3)2/(4.97x105)0,2(1)(0.0254)(2.289) = 4470 Pa/m

Tw

Gas Nitrogen

Tabel 5.1 Hubungan antara perpindahan kalor empiris dengan pressure drop pada

HE tabung konsentrik dan extended surface.

Saturated Steam Table

Steam Table

• Tabel uap terbagi atas dua bagian, yakni: tabel

uap jenuh (saturated steam) dan tabel uap lanjut

(superheated steam)

• Masing-masing tabel uap tersebut memuat

besaran-besaran berikut: tekanan (p),

temperatur (T), massa jenis (ρ), volume spesifik

(v), entalpi spesifik (h), entropi spesifik (s)

PERSYARATAN AIR UMPAN BOILER

Dalam suatu proses produksi dalam industri, boiler merupakan suatu pembangkit panas yang

penting.Sesuai dengan namanya maka fungsi dari boiler ini adalah memanaskan kembali.Dalam

suatu proses industri boiler harus dijaga agar effisiensinya cukup tinggi.Oleh sebab itu adalah

penting untuk menjaga kualitas air yang diumpankan untuk boiler, karena akan berhubungan

dengan effisiensi dari boiler tersebut.

Air umpan boiler atau Boiler Feed Water nantinya akan dipanaskan hingga menjadi

steam.Karena di dalam boiler terjadi pemanasan harus diwaspdai adanya kandungan-

kandungan mineral seperti ion Ca2+ dan Mg2+.Air yang banyak mengandung ion Ca2+ dan

Mg2+ disebut sebagai air yang sadah (hard water).Ion-ion ini sangat berpengaruh pada kualitas

air yang nantinya akan digunakan sebagai umpan boiler.Biasanya ion-ion ini terlarut dalam air

sebagai garam karbonat, sulfat, bilkarbonat dan klorida.Berbeda dengan senyawa-senyawa

kimia lainnya, kelarutan dari senyawa-senyawa mengandung unsur Ca dan Mg seperti CaCO3,

CaSO4,MgCO3, Mg(OH)2, CaCl2,MgCL2, dll ; akan memiliki kalarutan yang makin kecil/redah

apabila suhu makin tinggi.Sehingga ketika memasuki boiler, air ini merupakan masalah yang

harus segera diatasi.Air yang sadah ini akan menimbulkan kerak(scalling) dan tentu saja akan

mengurangi effisiensi dari boiler itu sendiri akibat dari hilangnya panas akibat adanya kerak

tersebut.Selain itu yang dikhawatirkan bisa menyebabkan scalling adalah adanya deposit silika.

Dalam hal ini akan terjadi perbedaan ketika mengolah air untuk dijadikan sebagai air minum

dibandingkan dengan untuk umpan boiler.Dalam pengolahan air minum mineral-mineral yang

ada dalam air tidak akan dihilangkan karena mineral-mineral tersebut dibutuhkan untuk tubuh

manusia.Bahkan ada perusahaan air minum yang menambahkan mineral pada air minum

produksinya.Hal itu tidak boleh terjadi dalam pengolahan air untuk umpan boiler.Air minum

juga harus dijaga agar bebas dari kuman penyakit dengan diberi desinfektan sedangkan air

umpan boiler tidak perlu diberi desinfektan.

Adapun beberapa proses umum yang dilakukan untuk memperoleh air umpan boiler yang baik

adalah sebagai berikut:

Contoh kasus dalam pengolahan air untuk umpan boiler di PT.Krakakatu Tirta Industri adalah sebagai berikut:

Air yang diolah berasal dari PT. Krakakatu Tirta Industri yang masih berupa air baku atau air

industri. Air baku dari PT. Krakatau Tirta Industri pertama kali disaring dengan gravel filter yang

didalamnya terdapat unggun pasir kuarsa sebagai filter. Dalam gravel vilter terjadi pemisahan

secara fisika. Air dari garvel filter kemudian dialirkan ke kation exchanger. Ion-ion positif yang

terkandung dalam air akan diikat oleh resin-resin kation yang terdapat dalam ion exchanger.

Setelah itu air dilewatkan ke CO2 degasifier untuk menghilangkan gas gas yang terlarut dalam

air. Air dari CO2 degasifier diumpankan ke anion exchanger setelah itu dialirkan ke mix-bed

filter untuk mengikat ion-ion yang lolos dari kation dan anion exchanger kemudian air deionat

ditampung ditangki deionat. Air umpan boiler diolah dari air baku di WTP, sehingga air tersebut

dapat memenuhi syarat sebagai air umpan boiler.

Kualitas air umpan boiler adalah sebagai berikut:

Air Umpan Boiler

Kualitas air umpan boiler yang digunakan adalah sebagai berikut:

1.Tampak : Jernih dan tidak berwarna

2.Oksigen : 0.02 mg/liter

3.Kesadahan : Tak terdekteksi (sangat kecil)

4.Besi : 0.02 mg/liter

5.Karbondioksida : Sangat kecil

6.Daya hantar listrik pada 25oC : 0.2 mikroS/cm

7.Angka permanganat : 5

8.Minyak 0.5 mg/l

9.pH pada 250oC : 9

10.Silikat : 0.02 mg/l

ASME mengeluarkan beberapa kandungan mineral yang dapat menyebabkan scaling:

PENGOLAHAN AIR BERSIH MENJADI AIR UMPAN BOILER

Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air

panas atau steam. Air panas atau steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk

mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna dan murah untuk

mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan sampai menjadi steam, volumnya akan

meningkat sekitar 1.600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang

mudah meledak, sehingga boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan

sangat baik. Sistem boiler terdiri dari: sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar.

Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan

steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam

mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem

pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan

kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan

yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan.

Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang

digunakan pada sistem. Air yang disuplai ke boiler untuk dirubah menjadi steam disebut air

umpan. Dua sumber air umpan adalah:

(1) Kondensat atau steam yang mengembun yang kembali dari proses dan

(2)Air makeup (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari lua r ruang boiler dan

plant proses. Untuk mendapatkan efisiensi boiler yang lebih tinggi, digunakan economizer

untuk memanaskan awal air umpan menggunakan limbah panas pada gas buang.