Perancangan Alat Proses “ Boiler “ Disusun oleh : Farista Galuh Sandra 03121403003 Putri Ayu Elisa 03121403005 Cinthya Roito 03121403057 FAKULTAS TEKNIK TEKNIK KIMIA UNIVERSITAS SRIWIJAYA 2014

Introduction What is a Boiler? Bejana tertutup yang digunakan untuk memisahkan fluida antara fase gas (steam) dan fase cair (air) Bejana atau ketel yang memanaskan air menjadi air panas atau uap Air panas atau uap yang digunakan untuk mentransfer panas ke suatu proses

Introduction Tiga bagian dasar dari pengendalian boiler : Pengendalian level Pengendalian pemanasan Menghubungkan boiler ke pipa induk steam Komponen-komponen boiler : Furnace Steam Drum Superheater Air Heater Economizer Safety valve Blowdown valve

Introduction BOILER Figure: Schematic overview of a boiler room STEAM TO PROCESS EXHAUST GAS VENT STACK DEAERATOR ECO- NOMI- ZER PUMPS BOILER Karena anda dapat melihat, sistem boiler terdiri dari sistem air umpan, sistem steam, serta sistem bahan bakar This is a schematic overview of a boiler room: Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan. Berbagai katup menyediakan akses untuk pemeliharaan dan perbaikan. Air yang disuplai ke boiler yang diubah menjadi steam disebut dengan air umpan. Dua sumber air umpan adalah : (1) kondensat atau steam yang mengembun yang kembali dari proses. Dan (2) Makeup water (air baku) yang dialirkan dari luar ruang boiler dan proses pabrik. Untuk mendapatkan efisiensi boiler yang lebih tinggi, digunakan economizer untuk memanaskan awal pada air umpan yang menggunakan limbah panas pada gas buang. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik penggunaan. Seluruh sistem, tekanan uap diatur dengan menggunakan katup dan diperiksa dengan alat pengukur tekanan steam. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Dimana peralatan yang digunakan atau diperlukan dalam sistem bahan bakar itu tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan dalam sistem tersebut. VENT BURNER WATER SOURCE BLOW DOWN SEPARATOR FUEL BRINE CHEMICAL FEED SOFTENERS Figure: Schematic overview of a boiler room

Classification of Boilers Klasifikasi Boiler Berdasarkan tipe pipa: Fire Tube Water Tube Klasifikasi Boiler Berdasarkan bahan bakar yang digunakan: Solid Fuel Oil Fuel Gaseous Fuel Electric Klasifikasi Boiler Berdasarkan kegunaan boiler: Power Boiler Industrial Boiler Commercial Boiler Residential Boiler Heat Recovery Boiler Klasifikasi Boiler Berdasarkan cara pembakaran bahan bakar: Stoker Combustion Pulverized Coal Fluidized Coal Firing Combustion

Design Principles of a Boiler Mengetahui kebutuhan uap air yang ingin diproduksi oleh boiler tersebut. Menentukan berapa tekanan uap air yang keluar dari boiler dan temperatur kerjanya. Menentukan nilai BTUs per pound dari uap yang dibutuhkan berdasarkan tabel dibawah ini Penentuan BTUs per pound Uap Air

Design Principles of a Boiler Menentukan nilai Boiler Horsepower (BTUs per hour) yang dibutuhkan untuk menentukan ukuran boiler Menentukan luas area perpindahan panas boiler. Nilai luas permukaan perpindahan panas yang didapat digunakan untuk menghitung desain boiler yang tersusun atas beberapa tube yang berbentuk silinder. Menentukan jenis material yang digunakan berdasarkan tekanan kerja uap air di dalam pipa-pipa boiler Menentukan ketebalan material pipa yang digunakan. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Prinsip Perancangan : Supply air Qualitas air Bahan bakar

Pengkajian tentang boiler Heat Balance Proses pembakaran dalam boiler dapat digambarkan dalam bentuk diagram alir energi. Diagram ini menggambarkan secara grafis tentang bagaimana energi masuk dari bahan bakar diubah menjadi aliran energi dengan berbagai kegunaan dan manjadi aliran kehilangan panas dan energi. Neraca panas merupakan keseimbangan energi total yang masuk boiler terhadap yang meninggalkan boiler dalam bentuk yang berbeda. FUEL INPUT STEAM OUTPUT Stack Gas Ash and Un-burnt parts of Fuel in Ash Blow Down Convection & Radiation Stochiometric Udara berlebih Tidak terbakar We will start with looking at heat balance. The combustion process in a boiler can be described in the form of an energy flow diagram. This shows graphically how the input energy from the fuel is transformed into the various useful energy flows and into heat and energy loss flows. The thickness of the arrows indicates the amount of energy contained in the respective flows

Assessment of a Boiler Heat Balance Gambar dibawah menunjukkan keseimbangan energi total yg masuk ke boiler terhadap energi yg meninggalkan boiler dalam bentuk lain 12.7 % BOILER Heat loss due to dry flue gas 8.1 % Heat loss due to steam in fuel gas 100.0 % 1.7 % Heat loss due to moisture in fuel Fuel 0.3 % Heat loss due to moisture in air 2.4 % Heat loss due to unburnts in residue 1.0 % Heat loss due to radiation & other unaccounted loss Gambar. Kehilangan pada Boiler yang Berbahan Bakar Batubara (Bambang S, 2011) 73.8 % 73.8 % Heat in Steam

Assessment of a Boiler Boiler Efficiency : Direct Method Heat Input Heat Output x 100 Q x (hg – hf) Q x GCV = Boiler Efficiency : Indirect Method Efficiency of boiler () = 100 – (i+ii+iii+iv+v+vi+vii) Keterangan : i = Gas cerobong yang kering ii = Penguapan air yang terbentuk karena H2 dalam bahan bakar iii= Penguapan kadar air dalam bahan bakar iv = Adanya kadar air dalam udara pembakaran v = Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/fly ash Vi = Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/bottom ash Vii = Radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung Boiler Efficiency : Direct Method hg-entalpi steam jenuh dalam kkal/kg steam hf-entalpi air umpan dalam kkal/kg air Parameter yang dipantau: Jumlah uap yang dihasilkan per jam (Q) dalam kg/jam Jumlah bahan bakar yang digunakan per jam (q) dalam kg/jam Tekanan kerja (dalam kg/cm2 (g)) dan suhu superheat (oC), jika ada Suhu air umpan (oC) Jenis bahan bakar dan nilai kalor kotor bahan bakar (GCV) dalam kkal/kg bahan bakar

Contoh Perhitungan Sebuah boiler menggunakan bahan bakar minyak kualitas tinggi (hanya berisi hidrokarbon) yang memiliki panas pembakaran standar – 43.515 J g-1 pada 25C dengan CO2(g) dan H2O(l) sebagai produk. Temperatur bahan bakar dan minyak masuk ke ruang pembakaran pada 25C. Udara dianggap kering. Gas hasil pembakaran keluar dari boiler pada 300C, dan analisis rata-ratanya adalah (basis kering) 11,2% CO2, 0,4% CO, 6,2% O2 dan 82,2% N2. Berapa bagian dari panas pembakaran yang ditransfer sebagai panas ke boiler? Jawab : Basis: 100 mol gas hasil pembakaran kering: CO2 11,2 mol CO 0,4 mol O2 6,2 mol N2 82,2 mol ------------------------ Total 100,0 mol NERACA O2 Masuk O2 masuk (dalam udara) = 21,85 mol Keluar Dalam CO2 = 11,20 mol Dalam CO = 0,20 mol O2 sisa = 6,20 mol --------------------------------------------- Total O2 selain H2O = 17,60 mol Jadi O2 yang bereaksi membentuk H2O = 21,85 – 17,6 = 4,25 mol H2O yang terbentuk = 2 (4,25) = 8,50 mol Total O2 yang bereaksi = 11,2 + 0,2 + 4,25 = 15,65 mol   Neraca massa C keluar Sebagai CO2 = 11,20 mol Sebagai CO = 0,40 mol --------------------------------------- Total = 11,60 mol Masuk Mol C masuk = mol C keluar = 11,60 mol NERACA H2 Keluar Sebagai H2O = 8,50 mol Mol H2 masuk = mol H2 keluar = 8,50 mol C dan H2 semuanya berasal dari bahan bakar, sehingga total berat bahan bakar yang masuk adalah = (11,60) (12) + (8,50) (2) = 156,2 Contoh Soal Lain Mengenai Perhitungan : Soal : Cari efisiensi boiler dengan metode langsung dengan data yang diberikan dibawah ini : Jenis boiler berbahan bakar batubara Jumlah steam (kering) yang dihasilkan 10 TPJ Tekanan steam (gauge)/suhu : 10kg/cm2(g)/180oC Jumlah pemakaian batubara : 3,35 TPJ Suhu air umpan : 80oC GCV batubara : 3200 kkal/kg Entalpi steam pada tekanan 10 kg/cm2 : 665 kkal/kg (jenuh) Entalpi of air umpan : 85 kkal/kg Jawaban : Boiler efficiency () = Q x (hg – hf) / Q x GCV x 100% = 10 x (665-85) x 1000 / 3,35 x 3200 x 1000 = 0,5410 x 100% = 54,10%

Jika semua bahan bakar terbakar sempurna membentuk CO2(g) dan H2O(l) pada 25C, maka panas pembakarannya adalah: Analisis hasil pembakaran menunjukkan bahwa pembakaran berlangsung tidak sempurna dan H2O berupa gas bukan cairan. Reaksi yang terjadi C11,6H17(l) + 15,65 O2(g)  11,2 CO2(g) + 0,4 CO(g) + 8,5 H2O(g) Reaksi di atas merupakan penjumlahan dari reaksi2 sbb.: C11,6H17(l) + 15,85 O2(g)  11,6 CO2(g) + 8,5 H2O(l) 8,5 H2O(l)  8,5 H2O(g) 0,4 CO2(g)  0,4 CO(g) + 0,2 O2(g) Jika dimasukkan ke persamaan untuk HP: Panas reaksi standar total pada 25C: = 940.660 J = – 6.309.740 + 940.660 = – 5.369.080 J Proses pembakaran ini merupakan proses alir tunak dengan: Reaktan pada 1 bar dan 25C: fuel 152,2 g O2 21,85 mol N2 82,20 mol Produk pada 1 bar dan 300C: CO2 11,2 mol CO 0,4 mol H2O 8,5 mol O2 6,2 mol N2 82,2 mol WS = 0 EK = 0 EP = 0 Maka: H = Q Q = – 5.369.080 J merupakan panas yang ditransfer ke boiler Jadi fraksi panas pembakaran yang ditransfer ke boiler adalah: