Diktat Furnace

62
1 Bab I. Pendahuluan 1.1. Pengertian Dalam industri pengolahan minyak bumi dibutuhkan suatu peralatan untuk memanaskan fluida yang disebut furnace. Furnace atau heater atau sering disebut fired heater, adalah suatu peralatan yang digunakan untuk memanaskan cairan di dalam tube, dengan sumber panas yang berasal dari proses pembakaran yang menggunakan bahan bakar gas atau cairan secara terkendali di dalam burner. Tujuan pemanasan ini adalah agar diperoleh kondisi operasi (suhu) yang diinginkan pada proses berikutnya dalam suatu peralatan yang lain. Supaya proses pemanasan berlangsung optimal, maka tube-tube furnace dipasang atau diatur sedemikian rupa sehingga panas yang dihasilkan dari pembakaran dapat dimanfaatkan. Rancang bangun furnace juga harus diperhatikan dengan teliti supaya panas yang dihasilkan tidak terbuang ke udara. Misalnya panas hilang lewat dinding dan cerobong (stack). Hal ini berhubungan dengan struktur refraktori untuk dinding serta suhu gas buang dari pembakaran dan udara excess. Jika suhu stack, dan udara excess tinggi maka akan semakin banyak panas yang hilang terbawa oleh flue gas. Furnace akan beroperasi dengan efisien, apabila: - Sistem penyalaan api burner baik - Reaksi pembakaran berlangsung sempurna - Panas pembakaran dari fuel gas dan fuel oil dapat tersalur dengan baik pada cairan yang dipanaskan - Permukaan tube furnace bersih - Dapat memperkecil panas yang hilang baik melalui stack / cerobong maupun dinding furnace.

description

Oleh Annasit

Transcript of Diktat Furnace

  • 1

    Bab I. Pendahuluan

    1.1. Pengertian

    Dalam industri pengolahan minyak bumi dibutuhkan suatu peralatan untuk memanaskan

    fluida yang disebut furnace. Furnace atau heater atau sering disebut fired heater, adalah

    suatu peralatan yang digunakan untuk memanaskan cairan di dalam tube, dengan sumber

    panas yang berasal dari proses pembakaran yang menggunakan bahan bakar gas atau

    cairan secara terkendali di dalam burner.

    Tujuan pemanasan ini adalah agar diperoleh kondisi operasi (suhu) yang diinginkan pada

    proses berikutnya dalam suatu peralatan yang lain. Supaya proses pemanasan berlangsung

    optimal, maka tube-tube furnace dipasang atau diatur sedemikian rupa sehingga panas

    yang dihasilkan dari pembakaran dapat dimanfaatkan.

    Rancang bangun furnace juga harus diperhatikan dengan teliti supaya panas yang

    dihasilkan tidak terbuang ke udara. Misalnya panas hilang lewat dinding dan cerobong

    (stack).

    Hal ini berhubungan dengan struktur refraktori untuk dinding serta suhu gas buang dari

    pembakaran dan udara excess. Jika suhu stack, dan udara excess tinggi maka akan semakin

    banyak panas yang hilang terbawa oleh flue gas.

    Furnace akan beroperasi dengan efisien, apabila:

    - Sistem penyalaan api burner baik

    - Reaksi pembakaran berlangsung sempurna

    - Panas pembakaran dari fuel gas dan fuel oil dapat tersalur dengan baik pada cairan

    yang dipanaskan

    - Permukaan tube furnace bersih

    - Dapat memperkecil panas yang hilang baik melalui stack / cerobong maupun dinding

    furnace.

  • 2

    1.2 Jenis heater

    Terdapat berbagai variasi dalam mendesain fired heater. Ditinjau dari bentuk casingnya,

    pada umumnya tipe furnace yang digunakan di kilang minyak ada tiga macam, yaitu berbentuk box, silindris, dan cabin. Tipe desain furnace dapat dilihat di gambar I.1

    Gambar 1.1 Jenis-jenis heater (API 560)

  • 3

    1. Furnace tipe box Merupakan furnace yang konfigurasi strukturnya berbentuk box. Terdapat berbagai

    desain yang berbeda untuk furnace tipe box. Desain ini meliputi berbagai macam

    variasi dari konfigurasi tube coil, yaitu horizontal, vertikal, helikal dan arbor.

    Gambar 2 memperlihatkan salah satu jenis furnace tipe box dengan coil horizontal dan

    diperlihatkan beberapa komponen utamanya.

    Gambar 1.2 Furnace tipe box (API 560)

  • 4

    Tube dalam seksi radiasi dalam furnace disebut tube radian/ radiant tube. Panas yang

    diambil oleh tube-tube ini terutama diperoleh langsung secara radiasi dari nyala api dan

    dari pantulan panas refractory.

    Shield tube/ tube pelindung biasanya ditempatkan pada bagian bawah seksi konveksi.

    Karena tube-tube ini menyerap baik panas radian maupun panas konveksi, maka tube-

    tube tersebut akan menerima kerapatan panas yang tertinggi.

    Daerah dengan heat density (kepadatan panas) yang lebih rendah adalah seksi konveksi.

    Tube pada seksi ini disebut tube konveksi/ convection tube. Panas dalam seksi

    konveksi berasal dari panas hasil pembakaran yang melalui seksi konveksi.

    Ukuran dan susunan tube dalam heater tipe box ditentukan oleh tipe operasi heater -

    misalnya distilasi crude oil atau cracking, jumlah panas yang diperlukan, dan jumlah

    aliran yang melalui tube.

    Heater tipe box dapat berbentuk up-draft (arah flue gas ke atas) atau down-draft (arah

    flue gas ke bawah), dengan burner gas (fuel gas) atau minyak (fuel oil) yang

    ditempatkan di sisi dinding, di lantai, di atap atau kombinasinya.

    Setelah tube konveksi yang dipasang di seksi konveksi, tube pelengkap biasanya

    dipasang untuk memanaskan udara burner atau membangkitkan steam superheated

    untuk keperluan proses atau lainnya.

    2. Furnace tipe cabin Merupakan furnace yang strukturnya berbentuk seperti kabin. Terdiri dari bagian

    konveksi dan radiasi. Burner terletak pada lantai bawah dan nyala api tegak sejajar

    dengan dinding furnace. Tube-tube furnace di daerah radiasi, umumnya tersusun

    horisontal, tetapi ada juga yang vertikal.

    Dua barisan pipa terbawah dibagian konveksi merupakan Shield (shield section).

    Dapur cabin mempunyai effisiensi lebih tinggi dari pada dapur jenis lain. Dapur ini

    sering dijumpai di industri. Kapasitas maksimum yang dicapai 120 mm BTU.

  • 5

    Gambar 3 memperlihatkan salah satu jenis furnace tipe cabin dan diperlihatkan

    beberapa komponen utamanya.

    Gambar 1.3 Furnace tipe cabin (P. Trambouze)

    3. Furnace tipe silinder vertikal Dapur silinder vertikal (vertical cylindrical furnaces) merupakan dapur yang berbentuk

    silinder tegak. Burner terletak pada lantai dapur dengan nyala api tegak sejajar dengan

    dinding furnace. Tube-tube furnace di daerah radiasi terpasang tegak melingkar

    mengelilingi burner.

  • 6

    Panas dipancarkan secara radiasi di bagian silinder. Bagian konveksi berada di atas

    bagian radiasi. Diantara bagian radiasi dan konveksi dipasang kerucut untuk

    menyempurnakan radiasi (Reradiating Cone). Dapur ini biayanya murah dan harga

    bahan bakarnya rendah. Pemanasan yang diperlukan tidak begitu tinggi dengan

    kapasitas maksimum 70 mm BTU.

    Gambar 1.4 Furnace tipe silinder vertikal (P. Trambouze)

  • 7

    Selain ketiga jenis furnace di atas masih terdapat beberapa tipe furnace berdasarkan

    susunan dari tube di bagian radiasi dan konveksi.

    1. Heater Dengan Coil Vertical Heater dengan coil vertical, casingnya dapat berbentuk silindrikal maupun box.

    Sebagian besar coil pemanasnya berupa tube vertikal. Dalam beberapa instalasi, seksi

    ekonomizer minyak (oil economizer), seksi pemanas udara (air preheater), atau

    keduanya dipasang di atas seksi pemanas vertikal. Tube dalam seksi konveksi dapat

    berupa susunan vertikal maupun horizontal. Tujuan dari seksi ekonomizer dan pemanas

    udara adalah untuk memperbaiki keekonomian operasi dengan meningkatkan efisiensi

    thermal.

    Kebanyakan heater coil vertikal dipanasi dari bawah, dengan stack langsung dipasang

    di atas heater. Namun down draft vertikal heater juga telah digunakan.

    2. Heater Dengan Coil Helikal Heater coil helikal adalah heater yang casingnya berbentuk silindrikal dengan coil

    berbentuk spiral pada seksi radian mengikuti bentuk dinding heater. Heater ini

    umumnya tidak memiliki seksi konveksi, tetapi bila ada, permukaan konveksi dapat

    berbentuk spiral datar (flat spiral) atau berbentuk suatu bank tube horizontal. Stack dari

    heater coil helikal kebanyakan terletak langsung di atas heater.

    3. Heater Dengan Coil Arbor Heater coil arbor kebanyakan digunakan pada unit catalytic reforming untuk keperluan

    preheat dan reheat untuk gas dan udara proses. Heater ini mempunyai seksi radian yang

    terdiri dari header inlet dan outlet yang dihubungkan dengan tube berbentuk L atau U

    dengan susunan paralel. Seksi konveksi berupa coil tube horizontal konvensional.

    1.3 Bagian-bagian furnace

    Furnace terdiri dari beberapa bagian utama

    1. Bagian Radiasi

    Terdiri dari ruang pembakaran dimana tube ditempatkan di sekeliling ruang bakar.

    Masing-masing tube dihubungkan dengan elbow. Fluida proses disirkulasikan di dalam

    rangkaian tube, dan panas ditransfer dari bahan bakar secara radiasi. Sebagian panas

  • 8

    ditransfer secara konveksi antara udara dan bahan baker yang panas dengan tube. Suhu

    flue gas (gas buang) yang keluar dari bagian radiasi cukup tinggi (berkisar antara 700

    s.d. 1100oC).

    2. Bagian konveksi

    Untuk merecovery panas sensible dari flue gas, maka fluida proses disirkulasikan pada

    kecepatan tinggi melalui rangkaian tube yang dipasang secara parallel maupun tegak

    lurus, pada suatu bagian dimana panas ditransfer secara konveksi. Tube kadang-kadang

    diberi sirip untuk memperluas permukaan transfer panas dengan flue gas. Efisiensi

    furnace dengan bagian konveksi akan lebih besar daripada furnace yang hanya dengan

    bagian radiasi saja.

    3. Stack

    Berfungsi untuk mengalirkan gas hasil pembakaran (flue gas) ke udara bebas.

    Bagian konveksi pada furnace biasanya terletak di bagian atas. Tube di bagian radiasi,

    ditempatkan di depan dinding isolasi refractory furnace. Antara tube dengan dinding

    furnace dipisahkan dengan oleh ruang kosong dengan jarak sekitar satu kali diameter tube.

    Meskipun panas yang diterima tube tidak terdistribusi secara merata, panas radiasi akan

    menjangkau keseluruhan permukaan tube.

    Tekanan di dalam furnace dijaga negatif di bawah tekanan atmosfer demi keamanan.

    Tekanan dalam furnace diatur dengan stack draft, atau kadang-kadang dengan draft fan,

    yang berada di atas bagian konveksi atau diletakkan di tanah di samping furnace.

    Pembakaran udara dilakukan di burner di dalam ruang bakar di bawah tekanan atmosfer

    (natural draft burner). Untuk memperoleh pembakaran yang sempurna, perlu ditambahkan

    udara excess sesuai dengan perbandingan stoikiometrinya.

    Secara umum penggunaan udara excess dinyatakan dalam persen (%) stoikiometri, seperti

    ditunjukkan pada tabel 1.1

  • 9

    Tabel 1.1 Penggunaan udara excess

    Bahan bakar Udara dingin (20oC) Udara panas (300oC)

    Fuel oil 20 25 5 15

    Gas 10 - 15 5 10

    Pemilihan jenis-jenis furnace bergantung terutama pada faktor-faktor berikut :

    1. jenis produk yang dipanaskan serta kondisi operasinya (flow rate, Suhu dan tekanan)

    2. kapasitas alir fluida dalam tube

    3. ada tidaknya katalis dalam tube.

    4. jenis bahan bakar

    5. ground space (ketersediaan tempat)

    6. Kemudahan konstruksi dan transportasi

    7. biaya yang diperlukan

    1.4 Efisiensi panas furnace

    Panas yang hilang melalui dinding furnace, bergantung pada susunan material dinding

    isolasi (refractory) dan ketebalannya. Bagaimanapun juga perlu ada pertimbangan dari sisi

    ekonomi antara ketebalan optimum isolasi dengan panas yang hilang. Panas yang hilang

    lebih besar pada furnace yang kecil, rasio antara dinding shell dengan volume bagian

    radiasi menurun dengan kenaikan

    Besar kecilnya panas yang hilang bergantung pada udara panas yang dikeluarkan lewat

    stack. Laju alir flue gas meningkat dengan bertambahnya udara excess, oleh karena itu,

    furnace sebaiknya dioperasikan dengan udara excess yang memadai. Excess udara yang

    terlalu kecil akan menyebabkan losses bahan bakar karena adanya sejumlah bahan bakar

    yang tidak terbakar. Losses bahan bakar ini kemungkinan bisa lebih besar daripada

    efisiensi yang diperoleh karena mengurangi udara excess. Karena itu perlu diupayakan

    untuk menghasilkan pembakaran yang sempurna tanpa adanya bahan bakar yang tidak

    terbakar.

    Suhu flue gas merupakan faktor utama penyebab kehilangan panas. Untuk itu perlu

    diupayakan mendinginkan suhu flue gas, dengan merecovery panas sisa melalui suatu

    proses perpindahan panas. Untuk mendinginkan flue gas, harus ada fluida dingin yang

  • 10

    dikontakkan (dipanaskan). Dengan proses ini suhu flue gas yang terlalu tinggi dapat

    diturunkan, yang sering disebut dengan efisiensi panas.

    Beberapa cara untuk melakukan efisiensi panas :

    1. Produksi steam : produksi steam tidak mengurangi konsumsi bahan bakar, justru akan

    menguntungkan, seandainya steam bisa dimanfaatkan

    2. Merecycle panas flue gas untuk pemanas awal udara pembakaran : pada saat flue gas

    keluar dari bagian konveksi dapat didinginkan melalui alat perpindahan panas, dimana

    udara yang digunakan untuk pembakaran dilewatkan di dalamnya. Proses ini

    memerlukan blower udara. Salah satu masalah pada pendinginan flue gas adalah korosi

    yang disebabkan kondensasi asam sulfat. Hal ini tergantung dari banyak sedikitnya

    kandungan sulfur dalam bahan bakar.

    1.5 Komponen-komponen pada furnace

    Furnace dilengkapi dengan berbagai peralatan diantaranya :

    1. Tube bundle (header)

    Merupakan rangkaian tube dapur yang berfungsi sebagai alat untuk mengalirkan fluida

    yang dipanaskan. Rangkaian tube biasanya terbuat dari pipa lurus, tanpa sambungan

    yang disusun parallel dan antara satu dengan yang lain dihubungkan dengan 180o

    return bend yang dilas pada pipa atau sambungan khusus yang disebut plug header

    Tube yang dipergunakan harus tahan terhadap suhu dan tekanan operasi tertentu

    sehingga tidak terjadi perubahan bentuk dan mempunyai daya hantar panas yang tinggi.

    Pemilihan material untuk rangkaian tube didasarkan pada beberapa kriteria sebagai

    berikut:

    - Resistansi terhadap korosi karena fluida panas

    - Resistansi terhadap oksidasi karena udara pembakaran

    - Ketahanan mekanis terhadap suhu yang tinggi berkaitan dengan : (1) Tekanan

    dalam tube yang disebabkan fluida panas, dan (2) Tegangan mekanis yang

    disebabkan berat dari rangkaian tube dan fluida yang ada di dalamnya.

    Beberapa material utama sebagaimana ditunjukkan pada tabel 1.2, dengan ketahanan

    oksidasi karena flue gas pada suhu kerja yang maksimum.

  • 11

    Tabel 1.2 Material tube furnace

    Material Komposisi Suhu kerja maksimum (oC)

    Carbon Steel 480

    Alloy steel 1,25% Cr 0,5% Mo

    2,25% Cr 1% Mo

    5% Cr 0,5% Mo

    9% Cr 1% Mo

    600

    635

    650

    700

    Stainless steel 18 Cr 8 Ni

    18 Cr 8 Ni Ti

    18 Cr 8 Ni Cb

    18 Cr 8 Ni Mo

    870

    870

    870

    870

    Wrought heat resistant

    steel

    35 Ni 20 Cr 43 Fe

    (alloy 800 H)

    72 Ni 15 Cr 8 Fe

    (alloy 600)

    985

    1100

    Centrifugally cast heat

    resistant steels

    25 Cr 20 Ni (HK 40)

    35 Ni 25 Cr Nb

    1010

    1100

    2. Tube Support

    Tube support berfungsi untuk menyangga tube agar tidak melengkung akibat panas

    pembakaran pada saat furnace beroperasi. Material yang digunakan harus tahan

    terhadap : flue gas, oksidasi, korosi karena liquid sisa bahan bakar (sulfat) dan

    memiliki ketahanan panas mekanis yang baik.

    Pada beberapa kasus, material yang digunakan berupa logam dengan sedikit atau tanpa

    campuran (alloy), tetapi logam ini diproteksi dengan lapisan batu tahan api (refractory

    lining) untuk melindungi dari pengaruh flue gas (suhu dan oksidasi). Material ini

    terutama banyak digunakan pada bagian konveksi.

  • 12

    3. Dinding Dapur

    Dinding dapur terdiri atas 4 lapisan, lapisan paling dalam disebut refraktory yang

    berfungsi sebagai penahan dan pemantul panas, lapis kedua berupa susunan batu tahan

    api yang berfungsi selain untuk tempat melekatnya refraktory juga sebagai isolator,

    lapis ke tiga berupa glass wool berfungsi sebagai isolator, lapis keempat berupa plat

    baja yang berfungsi sebagai penyekat dapur dari udara luar dan juga sebagai struktur

    furnace.

    Material yang digunakan sebagai pelapis harus memiliki sifat-sifat yaitu : memiliki

    Thermal conductivity yang rendah, memiliki ketahanan mekanis yang tinggi, memiliki

    ketahanan yang baik terhadap berbagai variasi temperatur serta mudah dipasang

    Jenis-jenis material yang digunakan sebagai pelapis di furnace dapat dibedakan

    menjadi :

    a. Material yang dapat dikontakkan secara langsung dengan flue gas

    o Batu refraktori : terbuat dari fire clay (hidrat alumunium silikat) dengan struktur yang berpori

    o Castable refractory concrete : tersusun dari campuran semen-kalsium alumina dan aggregat refraktori yang dituangkan di dalamnya. Diperkuat dengan jangkar

    yang dilas pada furnace shell

    o Ceramic fiber : diproduksi dalam diameter 3 m dengan cara memblowing batu refraktori silika-alumina. Beberapa bentuk fiber

    b. Material yang digunakan pada lapisan kedua

    untuk memperbaik ketahanan panas, dinding dilengkapi dengan isolasi penahan

    panas, material yang digunakan antara lain :

    o Serat anorganik : diperoleh dengan cara blowing lelehan batu refraktori sintetik. Isolasi yang terbuat dari serat ini merupakan isolasi yang bagus dan digunakan

    di belakang batu tahan api.

    o Panel kalsium silikat : isolator yang bagus, digunakan pada lapisan kedua dibelakang batu refraktori atau dinding beton

    4. Air Register

    Pelat berlubang yang berfungsi untuk mengatur masuknya udara pembakaran pada tiap

    tiap burner.

  • 13

    5. Pilot Burner

    burner kecil yang harus selalu menyala selama furnace sedang beroperasi

    6. Burner

    berfungsi sebagai tempat terjadinya reaksi pembakaran antara bahan bakar dengan

    udara.

    7. Peep Hole

    berfungsi untuk mengamati bentuk / warna api (flame patern) dari masing-masing

    burner.

    8. Snuffing Steam

    Pipa tempat mengalirkan steam yang berfungsi untuk mengusir (purging) gas-gas sisa

    dari dalam ruang pembakaran furnace sebelum dilakukan penyalaan api awal, untuk

    mematikan api apabila terjadi kebakaran di dalam dapur dan membantu menciptakan

    tarikan udara (draft) di dalam dapur.

    9. Explotion Door

    berfungsi sebagai alat safety terhadap ruangan furnace apabila sewaktu-waktu terjadi

    tekanan lebih di dalam ruang furnace.

    10. Stack Damper

    Katup yang berfungsi untuk mengatur tekanan dan kecepatan aliran gas hasil

    pembakaran yang keluar melewati stack, agar tekanan didalam furnace lebih rendah

    dibanding tekanan diluar furnace

    11. Soot Blower

    Peralatan yang berfungsi untuk membersihkan endapan jelaga di daerah konveksi agar

    tidak menghalangi transfer panas. Alat ini dilengkapi dengan nozzle untuk spray steam

    atau udara yang ditembakkan ke pipa konveksi

    Sootblower didesain untuk mengalirkan 4535 kg steam per jam dengan tekanan

    minimum 150 psig di bagian inlet. Untuk mencegah terjadinya erosi di bagian konveksi

    dimana sootblower berada, maka dilapisi dengan castable refractory dengan densitas

    2000 kg/m3

  • 14

    Bab II. Operasi Furnace

    Efisiensi furnace merupakan faktor yang paling penting dalam efisiensi kilang. Furnace

    dan boiler mengkonsumsi 66 75% energi yang ada di kilang. Untuk mengoperasikan

    furnace secara aman dan efisien, perlu diperhatikan beberapa faktor seperti : draft, operasi

    burner, dan produksi NOx. Tujuan utama dari pengoperasian furnace adalah : menjaga

    supaya api tetap menyala dengan baik dalam firebox (ruang pembakaran), menghindari

    panas yang berlebihan dalam firebox, serta memaksimalkan proses penyerapan panas

    sesuai jumlah bahan bakar yang diberikan.

    2.1 Faktor-faktor yang mempengaruhi proses operasi furnace

    2.1.1. Draft

    Draft adalah tekanan negatif yang diakibatkan oleh pengambangan gas yang mengalami

    pemanasan di dalam furnace. Tekanan di dalam furnace menjadi negatif karena gas yang

    panas memiliki densitas yang lebih kecil dibandingkan dengan udara di luar. Gas-gas yang

    panas, beratnya lebih rendah dibandingkan dengan udara yang suhunya lebih dingin

    sehingga mengambang di dalam furnace. Pengambangan ini menyebabkan gas naik ke atas

    dan keluar melalui stack dan menghasilkan kondisi vacuum di dalam furnace. Kondisi

    vacuum ini menyebabkan udara yang ada di luar mengalir ke dalam melalui register udara.

    Tekanan udara atmosfer sebesar 14,7 psi. Tekanan negatif adalah semua tekanan di bawah

    14,7 psi. Perbedaan antara tekanan udara luar dengan tekanan negatif ini akan

    menghasilkan draft.

    Draft biasanya diukur di tiga tempat : di lantai firebox, sebelum bagian konveksi dan di

    bawah stack damper. Pembacaaan draft yang paling penting berada di bawah bagian

    konveksi karena tekanan negatif yang paling kecil berada di sini. Tekanan negatif yang

    kecil juga berhubungan dengan susunan tube yang ada di bagian konveksi yang

    menghalangi aliran gas yang naik ke atas. Hambatan aliran ini dapat menyebabkan tekanan

    di bagian konveksi menuju shift berubah dari sedikit negatif menjadi sedikit positip. Jika

    tekanan shift positip maka terjadi loss draft. Kehilangan draft menyebabkan panas

    terbentuk dan terkumpul hanya di bawah furnace arch yang dapat menyebabkan kerusakan

  • 15

    struktur furnace. Loss draft juga berarti tidak ada udara yang tertarik ke dalam furnace

    sehingga burner padam.

    Furnace draft biasanya dikontrol dengan posisi bukaan damper yang ada di stack. Damper

    yang terbuka memungkinkan lebih banyak flue gas yang mengalir melewati stack, yang

    pada akhirnya menaikkan draft dalam furnace. Kenaikan draft diukur sebagai kenaikan

    tekanan negatif. Jika damper ditutup draft akan turun. Hal ini diukur sebagai penurunan

    tekanan negatif. Pengaturan draft merupakan hal yang penting dalam operasi. Draft yang

    terlalu kecil menyebabkan burner mati dan kerusakan struktur furnace. Draft yang terlalu

    besar menyebabkan jumlah udara excess yang masuk ke dalam furnace terlalu besar yang

    menyebabkan pemborosan bahan bakar.

    Pembacaan Draft

    Pembacaan draft merupakan perbandingan antara dua tekanan yang berada pada ketinggian

    yang sama dan dinyatakan dalam satuan inches of water gauge. Dalam gambar 2.1 terlihat

    simple natural draft heater tanpa bagian konveksi. Sesuai dengan hukum hidrolika bahwa

    fluida mengalir dari daerah yang bertekanan tinggi menuju daerah yang bertekanan rendah.

    Pembacaan draft seperti yang terlihat pada gamber 2.1 seolah-olah berlawanan dengan

    prinsip ini.

    Sebagai catatan bahwa pembacaan draft dibuat pada ketinggian yang berbeda. Masing-

    masing pengukuran pada kenyataannya merupakan perbandingan antara densitas gas yang

    ada di dalam dan di luar furnace pada ketinggian tertentu. Perbedaan suhu menyebabkan

    perbedaan densitas di dalam dan di luar furnace. Berat molekul gas dalam furnace dengan

    udara di luar, kurang lebih sama.

    Untuk menambah pengertian tentang pengukuran draft, sehingga kita dapat

    menggunakannya untuk mengevaluasi penurunan tekanan dalam furnace, lakukan langkah-

    langkah berikut ini :

    1. Membuat garis datum sepanjang puncak stack sebagaimana ditunjukkan gambar

    2.1

    2. Untuk setiap pembacaan draft harus ditambah dengan tekanan udara statik pada

    level ketinggian yang sama.

  • 16

    Gambar 2.1 Simple natural draft furnace tanpa tube di bagian konveksi (Lieberman)

    Gambar 2.1 menunjukkan ilustrasi dari prinsip-prinsip diatas. Sebagai contoh pada 150 ft

    dibawah garis datum (atau pada ketinggian permukaan laut, suhu 60oF) tekanan udara

    sebesar 150 in H2O (inches of water gauge). Instrument standart yang digunakan untuk

    membaca draft adalah magnehelic delta pressure gauge

    Draft balancing

    Air register dan stack damper digunakan secara bersama-sama untuk mengoptimalkan draft

    pada furnace. Tujuan menyeimbangkan draft untuk natural draft furnace adalah untuk

    menjaga tekanan negatif sekecil mungkin, yaitu sebesar 0,1 in H2O di bawah shock tube,

    sebelum memasuki bagian konveksi.

  • 17

    Draft yang berlebihan, apakah negatif pressure atau positip pressure dapat menyebabkan

    beberapa masalah operasi, seperti ditunjukkan pada gambar 2.2

    Gambar 2.2 Ilustrasi pengaturan draft (Wildy, Francis)

    Jika tekanan operasi di firebox positip, flue gas yang panas akan bocor keluar meskipun

    burner nampak beroperasi secara normal. Hal ini dapat merusak support (penyangga) dan

    struktur baja serta memperpendek umur furnace. Di samping itu kemungkinan lain yang

    bisa terjadi adalah flame impingement di bagian atas radiant tubes.

    Jika kita menutup stack damper, tekanan pada bagian konveksi akan meningkat, sehingga

    akan menyebabkan draft berkurang dan menurunkan laju flue gas menuju bagian konveksi,

    serta meminimalkan laju kebocoran udara (masuknya udara dari luar) di bagian konveksi

    dan kemungkinan terjadinya afterburning. Namun jika kita menutup stack damper terlalu

    rapat, maka tekanan positip akan meningkat pada inlet bagian konveksi yang harus kita

    hindari, karena menyebabkan tekanan

    Sebaliknya jika kita membuka stack damper tekanan pada bagian konveksi akan turun

    sehingga draft akan meningkat. Jika draft terlalu banyak akan meningkatkan resiko

    afterburning karena meningkatknya laju kebocoran udara (masuknya udara dari luar) di

    bagian konveksi dan stack

    Kita mengatur draft dengan stack damper dan menjaga level udara pembakaran dengan

    pengaturan air register untuk mengakomodir pengaturan yang dilakukan stack damper.

  • 18

    Sistem Draft

    Tekanan draft diperoleh dengan tiga cara, yaitu:

    - Forced Draft

    Udara untuk pembakaran masuk ruang dapur dengan menggunakan tenaga mekanis,

    yaitu blower. Adanya tekanan udara dari blower, maka tekanan udara di dalam ruang

    pembakaran menjadi naik. Kelebihan tekanan udara di dlaam ruang dapur akan keluar

    malalui stack (cerobong).

    - Induced Draft

    Udara untuk pembakaran masuk ke ruang pembakaran karena adanya tarikan/isapan

    blower. Udara dari ruang pembakaran diisap oleh blower yang dipasang pada stack dan

    selanjutnya keluar melalui stack (cerobong). Akibat isapan blower, tekanan draft akan

    terjadi di dalam ruang pembakaran dan udara pembakaran akan masuk ke ruang

    pembakaran.

    - Natural Draft

    Tekanan hampa di dalam ruang dapur diperoleh secara alamiah karena ketinggian

    stack/cerobong asap dapur. Hembusan angin yang melalui ujung permukaan stack,

    maka akan terjadi efek jetting di ujung stack (cerobong) dan juga ditambah adanya

    beda density dan tekanan udara antara lapisan bawah dan atas, maka ruang di dalam

    dapur menjadi hampa. Hal ini terjadi karena udara di dalam ruang dapur tersedot efek

    jetting ujung stack keluar ke udara bebas melalui ujung cerobong. Karena ruang dapur

    kondisinya hampa, maka udara untuk pembakaran akan masuk secara alamiah ke

    dalam ruang dapur.

    2.1.2 Operasi burner

    Pada prinsipnya burner adalah transduser yang berguna untuk mengubah satu bentuk

    energi ke bentuk energi yang lain. Dalam kasus ini burner berfungsi untuk mengubah

    energi kimia yang terdapat dalam bahan bakar, menjadi energi panas di dalam furnace

    melalui suatu reaksi kimia dalam nyala api. Kunci utama burner adalah untuk membakar

    bahan bakar seefisien mungkin dan menghasilkan heat flux yang optimum.

    Pada premix burner konvensional, seperti terlihat pada gambar 2.3, bahan bakar

    dicampurkan dengan udara primer yang mengalir ke dalam burner. Aliran udara primer

    harus dimaksimalkan tanpa menaikkan tinggi nyala api dalam burner. Udara primer

    mengalir dalam burner bersama-sama dengan bahan bakar. Jumlah udara sekunder yang

  • 19

    masuk diatur dengan register udara. Suplai udara sekunder diatur untuk mendapatkan

    setpoint O2 yang diinginkan. Setting burner yang benar dan ditambah dengan pencampuran

    udara dan bahan bakar yang baik akan menghasilkan suhu nyala api yang maksimal serta

    bentuk nyala yang baik (padat dan mengerucut). Udara sekunder yang terlalu banyak

    ataupun terlalu sedikit akan menghasilkan pembakaran yang buruk. Sejumlah kecil udara

    excess diperlukan untuk menghasilkan pembakaran yang sempurna, sebaliknya terlalu

    banyaknya udara excess akan menurunkan suhu nyala api dan efisiensi furnace.

    Gambar 2.3 Premix burner dan produk pembakaran (Wildy, Francis)

    Pembakaran yang tidak sempurna dihasilkan jika suplai udara excess tidak cukup untuk

    membakar seluruh bahan bakar secara sempurna. Sejumlah besar gas CO dan H2 akan

    terbentuk akibat pembakaran tidak sempurna, yang membuat furnace menjadi sangat tidak

    efisien. Kondisi ini kemungkinan tidak terdeteksi, karena kebocoran di bagian konveksi

    dapat menutupi ketidak cukupan suplai udara ke dalam burner. Jika terjadi pembakaran

    sempurna di bagian konveksi (afterburning) dapat menyebabkan kerusakan furnace.

    Gas hasil pembakaran juga mengandung sejumlah kecil oksigen yang tidak bereaksi, gas

    CO dan H2 pada kisaran 100 s.d 200 ppm dan gas NOx. Persamaan 1 menunjukkan reaksi

    pembakaran gas methane (CH4) dengan udara excess 20%.

  • 20

    CH4 + 2.4O

    2 + 3.73N

    2 = CO

    2 + 2H

    2O + 0.4 O

    2 + 3.73N

    2 + ppm CO + ppm H

    2 + ppm NOx

    2.1.3 Produksi NOx

    Emisi NOx merupakan isu yang sangat penting saat ini. Nox terbentuk akibat reaksi

    oksigen dengan nitrogen pada suhu nyala api yang tinggi. Udara excess yang rendah adalah

    cara yang paling sederhana untuk menurunkan pembentukan NOx dan meningkatkan

    efisiensi. Semakin banyak udara excess, semakin banyak pula oksigen yang tersedia untuk

    memproduksi NOx.

    2.1.4 Kebocoran udara Mengevaluasi bahan bakar yang terbuang yang disebabkan kebocoran udara.

    Kebocoran udara di bagian konveksi akan menurunkan efisiensi panas dari furnace akibat

    pencampuran udara luar yang bersuhu rendah dengan gas buang yang bersuhu tinggi.

    Persamaan beban energi dapat dinyatakan sebagai berikut :

    ( )( )500

    22 c,s,as OOTTF= 2.1

    Sebagai contoh, katakanlah suhu stack sebesar 600oF dan suhu udara lingkungan sebesar

    100oF, bagian konveksi memiliki 10% Oksigen, dan di firebox mengandung 6% oksigen

    yang diukur dibawah shock tube. Berapa persen bahan bakar yang terbuang dengan adanya

    kebocoran udara pada bagian konveksi ?

    Jawab :

    ( )( ) %F 4500

    610100600 == Meminimalisir pemborosan bahan bakar yang disebabkan kebocoran udara

    Mengacu pada contoh diatas, seandainya kita mengurangi udara pembakaran dengan

    sedikit menutup air register, sehingga kadar oksigen dalam firebox sekarang menjadi 3%.

    Kadar oksigen di bagian konveksi juga turun, katakanlah menjadi sekitar 9% oksigen.

    Perbedaan kadar oksigen di firebox dengan di bagian konveksi sekarang meningkat

    menjadi 6%. Hal ini disebabkan karena draft yang melewati heater meningkat (berarti

    tekanan lebih negatif), dan lebih banyak udara yang diisap melewati lubang-lubang atau

    dari kebocoran udara pada bagian konveksi. Jika kita masih mempertahankan suhu stack

  • 21

    600oF dan suhu lingkungan 100oF, kita mendapatkan sekarang 6% bahan bakar yang

    terbuang. Sehingga akan lebih banyak lagi bahan bakar yang harus dibakar di dalam

    firebox untuk mengimbangi meningkatnya kebocoran udara.

    Seandainya kita mengatur air register kembali seperti semula, dan sebagai gantinya kita

    menjepit stack damper, sehingga kita bisa menurunkan laju alir udara dengan stack damper

    hingga oksigen pada firebox turun dari 6% menjadi 3%. Oksigen pada bagian konveksi

    juga turun katakanlah 5%. Pada kasus ini kita melihat bahwa O2 juga berkurang menjadi hanya 2%. Hal ini dikarenakan berkurangnya draft yang melewati heater, yang berarti

    tekanan pada bagian konveksi meningkat sehingga menurunkan laju kebocoran udara. Hal

    ini menunjukkan bagaimana kebocoran udara bervariasi sesuai dengan kombinasi operasi

    antara stack damper dan air register.

    Menambal kebocoran udara

    Untuk menekan afterburning dan meminimalisir kehilangan energi yang disebabkan oleh

    kebocoran udara dari lingkungan, lubang-lubang pada dinding heater, bagian konveksi,

    lubang pembuluh harus ditambal. Pastikan juga pintu-pintu pengamatan/inspeksi tertutup

    rapat. Kebocoran dapat dideteksi pada aliran hingga tingkat tertentu dengan pemeriksaan

    secara visual (dengan menjatuhkan sedikit baking powder akan menunjukkan letak

    kebocoran)

    Selama TA dapat dilakukan smoke test sebagai berikut

    1. tutup stack damper

    2. nyalakan colored smoke bombs atau boleh ban bekas dalam firebox

    3. nyalakan forced draft fan, jika ada, untuk membantu pengasapan

    4. amati dimana asap berwarna muncul, merupakan titik sumber kebocoran udara

    tambal kebocoran menggunakan heavy duty alumunium tape, isolasi lumpur, atau silicone

    sealer dan dilas dengan logam

    2.1.5 Efisiensi pencampuran udara dan bahan bakar Fungsi dari burner adalah untuk mencampur oksigen dalam bentuk udara dengan bahan

    bakar, sehingga bahan bakar akan terbakar dengan efisien. Burner tersedia dalam berbagai

    variasi desain, seluruh teknik desain dimaksudkan untuk memaksimalkan efisiensi

  • 22

    pencampuran udara dan bahan bakar. Untuk desain yang terbaru lebih ditujukan untuk

    meminimalisir pembentukan polutan.

    Beberapa burner dipasang dengan air register primer dan sekunder, seperti premix burner

    yang ditunjukkan pada gambar 2.4 di bawah ini. Udara masuk melalui primary air register

    bercampur lebih efisien diandingkan udara yang masuk melalui secondary air register

    pada beberapa burner. Dengan demikian kita harus memaksimalkan penggunaan udara

    primer. Dan kita dapat melakukannya secara bertahap dengan membuka primary air

    register sehingga nyala api mulai terangkat dari burner tip. Sisa kekurangan udara

    pembakaran akan disediakan melalui secondary air register.

    Gambar 2.4 Gambar skematik premix burner (Lieberman)

    2.1.6 Mengoptimalkan udara excess istilah optimasi excess air tidak mengacu pada operasi banyak sedikitnya jumlah oksigen.

    Sebagai gantinya dengan mempertimbangkan hal-hal berikut yang berkaitan dengan heater

    anda, anda dapat mengoptimasi excess air :

  • 23

    1. meminimalisir laju bahan bakar untuk suhu keluaran heater tertentu, selanjutnya

    mengoperasikan pada 0.5 s.d. 1 persen oksigen lebih tinggi

    2. memaksimalkan udara primer ke dalam burner dimana burner memilliki udara

    primer dan sekunder.

    3. mengatur daraft untuk meminimalisir kebocoran udara pada saat memaintain

    tekanan negatif yang kecil pada entri bagian konveksi

    4. tutup bukaan pilot light, sight port, dan lubang-lubang lain di sekitar burner (udara

    pembakaran hanya bercampur dengan sempurna melalui burner air register)

    5. Pada saat mengoperasikan pada penurunan laju penyalaan, matikan beberapa

    burner jika memungkinkan, burner akan bekerja lebih efisien jika beroperasi

    mendekati/pada kapasitas desainnya (jangan lupa untuk menutup air register pada

    burner yang tidak terpakai)

    6. minimalkan distribusi udara yang tidak merata pada firebox dengan mengatur air

    register pada individual burner. Aliran udara yang rendah pada satu bagian heater

    akan mempengaruhi kebutuhan oksigen yang lebih besar secara keseluruhan.

    7. jagalah burner tetap bersih, burner tip yang tersumbat akan menaikkan kebutuhan

    oksigen, lakukan pemeliharaan secara berkala untuk membersihkan burner

    8. perhatikan tampilan visual pada firebox

    2.2 Proses Operasi Furnace

    2.2.1 Tata cara penyalaan furnace

    Dalam menyalakan furnace ada dua hal yang perlu diperhatikan yaitu : (1) Persiapan

    (pemeriksaan) sebelum menyalakan furnace dan (2) Penyalaan burner

    1. Persiapan

    Sebelum menyalakan dapur ada beberapa langkah yang harus diperhatikan untuk

    mengurangi gangguan pada saat menyalakan dapur, yaitu :

    - Memeriksa dan memastikan kembali bahwa di dalam dapur tidak ada peralatan atau

    barang-barang lain yang tertinggal setelah perakitan atau setelah perbaikan.

    - Memastikan sekitar dapur tidak ada barang-barang yang mudah terbakar atau

    mengganggu pekerjaan

    - Memeriksa dan memastikan bahwa semua kerangan bahan bakar dalam keadaan

    baik dan tertutup rapat

    - Menyiapkan ignitor untuk menyalakan dapur

    - Katup cerobong asap harus terbuka penuh

  • 24

    - Katub udara pembakaran harus terbuka penuh

    - Melakukan steaming out ( 15 menit) hingga ruang pembakaran terbebas dari gas

    gas yang memungkinkan terjadinya ledakan didalam ruang pembakaran.

    - Menghubungi petugas KK/LL untuk gas test

    2. Langkah-langkah penyalaan dapur

    Bila petugas KK/LL menyatakan dalam dapur dan sekitar dapur bebas gas, lakukan

    langkah-langkah sebagai berikut :

    - Nyalakan pilot burner dengan ignitor

    - Setelah pilot menyala, persiapkan bahan bakar dengan membuka kerangan induk

    masing-masing bahan bakar

    - Nyalakan burner dengan menggunakan fuel gas atau fuel oil

    - Naikkan suhu 25C/jam sampai suhu kondisi operasi tercapai - Mengatur nyala api dengan mengatur bukaan air register dan atau mengatur bukaan

    stack damper.

    3. Penyalaan Burner

    Salah satu contoh penyalaan burner

    Dalam menyalakan burner, sebaiknya dipilih burner yang menggunakan bahan bakar

    gas terlebih dahulu, dan nyalakan burner tersebut secara pelan pelan. Masukan

    obor/api kedalam ruangan furnace (di depan gas burner), kemudian buka valve gas

    secara pelan pelan sampai burner gas menyala. Atur nyala api dan jaga agar tidak

    mati. Setelah burner gas nyala, naikkan suhu 10C/jam dengan jalan membuka valve

    gas pelan pelan, hingga suhu mencapai 110C. Setelah suhu mencapai 110C tahan

    selama 24 jam.

    Langkah langkah tersebut dilakukan bertujuan untuk mengeringkan dinding dapur

    agar tidak retak retak, juga untuk kepentingan operasi unit distilasi.Setelah itu suhu

    dinaikan lagi sehingga 275C, dengan kenaikan suhu 10C/jam, dengan jalan membuka

    valve secara pelan pelan. Apabila bahan bakar gas sudah maksimum dan tidak

    mampu menaikan suhu lagi, nyalakan burner yang menggunakan bahan bakar minyak

    solar. Cara menyalakan burner dengan fuel oil solar :

    - Buka valve oil solar pada kontrol valve. Untuk pertama kali bisa lewat by pass dulu

    (manual).

    - Buka valve oil solar pada burner.

  • 25

    - Buka valve steam (atomisasi) pada burner

    - Buka katup udara pembakaran

    - Setelah burner oil menyala, atur nyala api dan dijaga jangan sampai mati

    - Atur bukaan katup cerobong asap (stack dampar).

    Setelah suhu mencapai 250C, TIC dapat dirubah ke posisi automatic. Dan setelah On

    Crude (minyak sirkulasi diganti minyak mentah /crude oil), naikan suhu sampai pada

    suhu operasi. Jika sudah normal fuel oil solar bisa diganti dengan fuel oil residu.

    Dalam menyalakan burner yang menggunakan bahan bakar minyak (fuel oil) sering

    terjadi kegagalan. Hal hal yang menyebabkan terjadinya kegagalan tersebut

    diantaranya :

    - Tekanan bahan bakar minyak (fuel oil) terlalu rendah.

    - Kerangan atau pipa saluran fuel oil tersumbat/buntu.

    - Aliran steam atomisasi terlalu besar.

    - Steam atominasi yang digunakan basah.

    2.2.2 Operasi furnace

    Apabila furnace sudah beroperasi secara normal, maka masih ada beberapa hal yang perlu

    diperhatikan, diantaranya :

    1. Apabila burner yang digunakan adalah burner yang menggunakan bahan bakar gas,

    maka nyala api yang baik berwarna biru dan pendek.

    2. Apabila burner yang digunakan adalah burner yang menggunakan bahan bakar minyak

    (solar / residu), maka nyala api yang baik berwarna kuning/orange & bersih.

    3. Di dalam ruang pembakaran dihindari adanya asap, karena adanya asap didalam

    ruangan pembakaran berarti pembakaran yang terjadi tidak sempurna.

    4. Lidah api dari burner tidak boleh mengenai dinding ataupun tube furnace, yang dapat

    mengakibatkan pemanasan yang berlebihan (over heating) pada tube dengan ditandai

    adanya bintik bintik warna merah muda pada tube atau apabila lidah api mengenai

    dinding furnance maka dapat mengakibatkan keretakan pada dinding tersebut.

    5. Suhu cerobong asap (stack) tidak boleh terlalu tinggi agar kehilangan panas

    pembakaran tidak terlalu banyak.

    6. Suhu cerobong asap tidak boleh terlalu rendah (dibatasi minimum 220C), karena dapat

    menyebabkan uap air yang keluar melalui cerobong asap akan terkondensasi dan

  • 26

    bereaksi dengan gas sisa hasil pembakaran (SO2) membentuk senyawa asam H2SO4

    yang korosif.

    Tabel 2.1 Contoh Suhu operasi furnace Unit Distilasi

    Furnace Inlet Outlet Skin Stack Dinding

    F1

    F3

    F4

    105C

    105C

    105C

    325C

    325C

    325C

    880C

    840C

    920C

    220C

    270C

    200C

    600C

    430C

    540C

    2.2.3 Cara mematikan furnace Mematikan furnace harus dilakukan secara berlahan lahan, yaitu penurunan suhu minyak

    yang keluar dari furnace diatur sedemikian rupa sehingga tidak mendadak. Disamping

    untuk keperluan proses diunit distilasi, juga untuk menjaga agar dinding furnace suhunya

    turun secara berlahan lahan. Karena apabila suhu furnace turun secara mendadak dapat

    mengakibatkan kerusakan pada dinding furenace (retak-retak). Api didalam furnace

    sebaiknya dimatikan setelah suhu furnace dibawah 100C.

    Setelah api didalam furnace dimatikan maka sebaiknya dilakukan steaming out, untuk

    mengusir sisa-sisa gas bahan bakar. Agar lebih aman maka selama melakukan penurunan

    suhu furnace, aliran minyak umpan masih tetap berjalan hingga suhu furnace betul betul

    dingin.

    2.2.4 Gangguan operasi furnace dan cara mengatasinya Pada saat furnace beroperasi, sering terjadi gangguan gangguan yang tentu saja

    berpengaruh pada kondisi operasi suatu unit proses. Ataupun ganggusn gangguan

    tersebut hanya menurunkan efektifitas dan efisien dari furnace itu sendiri. Berikut ini

    beberapa contoh gangguan gangguan yang sering terjadi pada furnace itu sendiri.

    Berikut ini beberapa contoh gangguan gangguan yang sering terjadi pada furnace,

    penyebab dari gangguan tersebut dan cara mengatasinya

  • 27

    Tabel 2.2 Gangguan operasi furnace dan cara mengatasi

    Gangguan Penyebab Cara Mengatasi

    - Nyala api pendek - Terlalu banyak udara

    pembakaran

    - Terlalu banyak steam

    atomisasi

    - Atur katup udara pembakaran

    - Atur Valve steam atomisasi pada

    burner

    - Nyala api

    membalik (flash

    back)

    - Tarikan udara (draft)

    rendah (kecil)

    - Tekanan fuel rendah

    - Atur bukaan katup cerobong

    asap (stack damper)

    - Kecilkan tip burner (diganti)

    - Suhu yang

    dikehendaki tidak

    tercapai

    - Aliran fuel rendah

    - Tip burner terlalu kecil

    - Tambah aliran fuel

    - ganti tiap burner dengan yang

    sesuai

    - Stack berasap - Steam atomisasi terlalu

    sedikit

    - Terlalu sedikit udara

    pembakaran

    - Tambah bukaan valve steam

    atomisasi pada burner

    - Atur bukaan katup cerobong

    asap dan katup udara

    pembakaran

    - Suhu stack terlalu

    tinggi

    - Udara pembakaran

    terlalu banyak

    - Atur bukaan katup cerobong

    asap (jumlah udara pembakaran

    - Suhu skin tube

    berlalu tinggi

    - Tube fouling

    - Nyala api menjilat tube

    - Atur pembagian umapan furnace

    - Perbaiki / atur nyala api

    - Furnace bergetar - Tarikan udara kecil

    (rendah)

    - Aliran fuel terlalu kecil

    - Atur bukaan katup cerobong

    asap (stack dampar)

    - Tambah aliran fuel

    - Burner mati - Aliran bahan bakar

    terhenti

    - Perbandingan bahan

    bakar dan udara tidak

    seimbang

    - Periksa saluran bahan bakar

    - Atur bukaan katup cerobong

    asap dan katup udara

    pembakaran

  • 28

    Bab III. Pembakaran

    3.1 Pembakaran Hidrokarbon

    Energi panas yang dihasilkan dari suatu proses pembakaran senyawa hidrokarbon

    merupakan kebutuhan energi yang paling dominan dalam refinery. Oleh karena itu

    pengelolaan energi yang tepat dan efisien merupakan langkah penting dalam upaya

    penghematan biaya produksi secara menyeluruh.

    Pembakaran merupakan reaksi kimia yang bersifat eksotermis dari unsur-unsur yang ada di

    dalam bahan bakar dengan oksigen serta menghasilkan panas. Proses pembakaran

    memerlukan udara, namun jumlah udara yang dibutuhkan tidak diberikan dalam jumlah

    yang tepat secara stoikiometri, namun dilebihkan. Hal ini bertujuan supaya pembakaran

    berlangsung sempurna. Kelebihan udara ini disebut Excess air (udara yang berlebih).

    Pembakaran yang sempurna akan menghasilkan jumlah panas yang maksimum.

    Pembakaran dinyatakan secara kualitatif atau kuantitatif dengan reaksi kimia. Jumlah

    panas yang dihasilkan bahan bakar dinyatakan sebagai nilai kalori pembakaran (Calorific

    Value). Reaksi kimia terjadi melalui suatu proses oksidasi senyawa-senyawa karbon,

    hidrogen dan sulfur yang ada dalam bahan bakar. Reaksi ini umumnya menghasilkan nyala

    api.

    Terdapat dua istilah pembakaran yang berhubungan dengan udara excess, yaitu : (1)

    Neutral combustion, merupakan pembakaran tanpa excess atau defisit udara dan tanpa

    bahan bakar yang tidak terbakar, (2) Oxidizing combustion, merupakan pembakaran

    dengan excess udara. Udara yang berlebih bukan merupakan jaminan pembakaran yang

    sempurna

    3.2 Karakteristik Bahan Bakar

    Syarat-syarat bahan bakar yang baik sebagai berikut :

    - Mempunyai titik nyala yang rendah, sehingga mudah terbakar

    - Mempunyai nilai kalori yang tinggi

    - Tidak menghasilkan gas buang yang beracun dan membahayakan

  • 29

    - Asap yang dihasilkan sedikit, tidak banyak membentuk jelaga

    - Ekonomis, mudah dalam penyimpanan dan pengangkutan

    - Mempunyai efisiensi yang tinggi

    Nilai kalori bahan bakar merupakan karakteristik utama bahan bakar, nilai kalori atau

    heating value bahan bakar padat, cair atau gas dapat dinyatakan sebagai jumlah panas yang

    dihasilkan dari pembakaran yang sempurna setiap satuan massa bahan bakar. Nilai kalori

    bahan bakar padat dan cair dinyatakan dalam satuan Kcal/kg atau Btu/lb bahan bakar. Nilai

    kalori bahan bakar gas dinyatakan dalam Btu/Cuft atau Kcal/m3 pada temperatur dan

    tekanan tertentu.

    Terdapat dua istilah nilai kalori bahan bakar yaitu :

    - Higher Heating Value (HHV) atau Gross Heating Value.

    Higher Heating Value adalah jumlah panas yang diperoleh dari pembakaran bahan

    bakar tiap satuan massa bahan bakar jika hasil pembakarannya didinginkan sampai

    suhu kamar (H2O hasil pembakaran mengembun)

    - Lower Heating Value (LHV) atau Net Heating Value

    Lower Heating Value adalah jumlah panas yang diperoleh dari pembakaran tiap satuan

    massa bahan bakar dengan mengurangi jumlah panas yang dibawa oleh uap air yang

    terbentuk selama pembakaran. LHV dapat diperoleh dengan mengurangi jumlah panas

    hasil pembakaran dengan panas penguapan air yang terbentuk selama pembakaran.

    Dinyatakan dengan persamaan berikut :

    LHV = HHV Panas penguapan air hasil pembakaran (3.1)

    3.3 Proses Pembakaran

    Proses pembakaran adalah proses reaksi kimia terbakarnya bahan bakar dengan udara yang

    cukup disertai penyalaan api. Proses pembakaran terjadi karena adanya 3 unsur yaitu bahan

    bakar, oksigen (dari udara) dan suhu yang cukup tinggi.

    Pembakaran diatur untuk mendapatkan hasil seefisien mungkin. Pengaturan pembakaran

    meliputi jumlah udara untuk pembakaran, rate bahan bakar, kapasitas burner dan menjaga

    burner tetap beroperasi dengan baik. Jumlah udara yang sedikit berlebih dibutuhkan untuk

    mendapatkan pembakaran sempurna. Pembakaran tidak sempurna akan menghasilkan asap

  • 30

    hitam yang terbuang sambil membawa panas sensibel berarti membuang energi dan juga

    menyebabkan polusi. Namun apabila udara berlebih maka akan meningkatkan flue gas

    sehingga memperbesar energi terbuang.

    Pembakaran

    Bahan bakar + O2 gas hasil pembakaran + energi panas (3.2)

    Reaksi Eksoterm

    CxHy + ( 2x + y ) O2 xCO2 + yH2O + Q BTU (3.3)

    Misal : Gas Propane C3H8 ; x = 3 dan y = 8

    C3H8 + 5 O2 2 CO2 + 4 H2O + 83141 BTU

    Reaksi pembakaran dapat dikategorikan menjadi reaksi pembakaran sempurna dan reaksi

    pembakaran tidak sempurna. Pembakaran sempurna adalah proses terbakarnya bahan bakar

    yang membentuk karbon dioksida (CO2) dan air (H2O) dengan atau tanpa udara berlebih.

    Pembakaran tidak sempurna adalah proses terbakarnya bahan bakar dengan hasil

    pembakaran yang mengandung karbon monoksida (CO) dan hidrogen (H2) atau carbon

    (C). Untuk mengetahui sempurna atau tidaknya reaksi pembakaran, dilakukan dengan

    menganalisa gas buang (flue gas).

    3.4 Perhitungan Excess Air

    Untuk mendapatkan pembakaran yang sempurna pada prakteknya dilakukan dengan

    menambahkan udara excess. Hal ini dilakukan supaya jumlah udara diatas kebutuhan

    minimum yang diperlukan untuk pembakaran sempurna, sesuai dengan stoikiometri udara

    pembakaran. Persentase udara excess yang diperlukan untuk pembakaran dirumuskan

    sebagai berikut :

    100=ristoikiometudara

    ristoikiometudaratotaludara%excessudara 3.4

  • 31

    Perhitungan udara excess dimaksudkan untuk mengetahui berapa jumlah udara berlebih

    yang tepat supaya pembakaran berlangsung efisien. Udara excess yang terlalu sedikit bisa

    mengakibatkan pembakaran tidak sempurna, sebaliknya apabila udara excess terlalu tinggi

    maka banyak energi panas yang terbuang pada stack.

    Unsur-unsur penentu didalam perhitungan udara excess adalah :

    - Jenis bahan bakar

    - Komposisi gas hasil pembakaran

    - Komposisi udara untuk pembakaran

    Contoh 3.1 Perhitungan Excess Air

    Gas methane dibakar dengan reaksi

    CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

    Komposisi gas hasil pembakaran ditunjukkan pada tabel di bawah ini :

    Komponen Persentase (% Vol)

    CO2 7,73

    H2O 15,46

    O2 3,87

    N2 72,94

    Kompoposisi udara untuk pembakaran sebagai berikut :

    Komponen Persentase (% Vol)

    O2 20,946

    N2 79,054

    Berapa besarnya udara excess yang diperlukan dalam reaksi tersebut ?

    Penyelesaian :

    Reaksi pembakaran : CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + Calori

  • 32

    Dasar perhitungan : setiap 1 mol CH4 , dibutuhkan O2 sebanyak 2 mol

    N2 yang terikut = mol%,%, 2

    9462005479 = 7,5484 mol

    Misal excess air = x mol

    Gas hasil pembakaran :

    CO2 = 1 mol

    H2O = 2 mol

    O2 sisa = x mol

    N2 total terbawa = molx%,%,,

    +

    946200547954847 = (7,5484 + 3,7742 x) mol

    Jumlah mol gas hasil pembakaran :

    = 1 mol + 2 mol + x mol + (7,5484 + 3,7742 x) mol

    = 10,5484 mol + 4,7742 x mol

    O2 sisa = 3,87 % vol

    mol O2 sisa : x,,x

    77424548410 + = 3,87 %

    x = 0,5 mol

    Excess air = %molmol,%

    dibutuhkanOberlebihO 100

    250100

    2

    2 = = 25 %

    Jadi udara excess = 25 %

    3.5 Efek penurunan aliran udara Gambar 3.1 menunjukkan salah satu jenis proses furnace dengan natural draft. Seandainya

    kita menutup damper atau air register secara bertahap, maka suplai udara yang mengalir ke

    dalam firebox akan berkurang. Jika laju alir fluida proses dan laju alir bahan bakar (fuel

    gas) konstan, maka beberapa kemungkinan akan terjadi :

  • 33

    1. Suhu outlet furnace akan meningkat, sebagaimana penurunan udara excess. Hal ini

    disebabkan lebih banyak panas yang diberikan kepada fluida proses, dan panas

    yang dibuang melalui stack akan berkurang.

    2. Suhu outlet furnace akan turun, sebagaimana penurunan laju alir udara pada saat

    melewati titik pembakaran absolut (absolute combustion). Pada kondisi ini akan

    diperoleh produk-produk pembakaran tidak sempurna atau pembakaran parsial,

    seperti aldehid, keton, dan karbon monoksida yang dibuang melalui stack. Hal ini

    juga menyebabkan heating value bahan bakar akan turun dan memungkinkan

    terjadinya afterburning.

    Gambar 3.1 Furnace dengan natural draft (Lieberman)

    Dengan demikian akan berbahaya jika furnace dioperasikan dengan jumlah udara yang

    tidak mencukupi, karena :

  • 34

    1. Produk hasil pembakaran tidak sempurna sangat panas, dan akan menyala dengan

    segera jika menemukan oksigen dalam jumlah yang cukup. Hal ini biasanya akan

    menyebabkan afterburn di bagian konveksi dan stack dan bahkan bisa

    menyebabkan ledakan.

    2. Produk dari pembakaran parsial merupakan polutan yang menyebabkan polusi

    udara.

    3.6 Absolute combustion Istilah absolute combustion tidak sama dengan complete combustion (pembakaran

    sempurna). Complete combustion adalah istilah teoretis yang menyiratkan tujuan teoretis

    yang hendak dicapai namun pada kenyataannya tidak pernah tercapai dalam setiap operasi

    furnace. Titik absolute combustion merepresentasikan titik pencapaian efisiensi yang

    paling baik untuk satu bagian peralatan dan pada satu waktu tertentu (jam, hari, minggu

    dll).

    Salah satu definisi dari titik absolute combustion adalah titik dimana suhu outlet furnace

    maksimum untuk sejumlah tertentu bahan bakar (sebagaimana diilustrasikan pada gambar

    3.2). Sesuai dengan definisi tersebut, kita dapat menyatakan bahwa titik absolute

    combustion juga merupakan pembakaran maksimum yang dapat dicapai untuk sejumlah

    tertentu bahan bakar (sebagaimana diilustrasikan pada gambar 3.3). Dengan demikian

    istilah titik absolute combustion dapat diartikan suhu outlet furnace yang maksimum

    ataupun pemakaian bahan bakar yang minimum untuk setiap batasan suhu outlet furnace

    yang berhubungan dengan kandungan oksigen dalam flue gas dalam waktu yang sama.

  • 35

    Gambar 3.2 Titik absolute combustion sebagai fungsi dari suhu outlet furnace (Lieberman)

    Gambar 3.3 Titik absolute combustion sebagai fungsi dari pembakaran maksimum

    sejumlah tertentu bahan bakar (Lieberman)

    3.7 Secondary combustion atau afterburn Pada sub bab sebelumnya kita sudah manyinggung tentang bagaimana jika suplai udara

    pembakaran dalam furnace tidak mencukupi yang mengakibatkan pembakaran tidak

  • 36

    sempurna dan pemborosan bahan bakar. Di samping hal-hal tersebut, pembakaran yang

    tidak sempurna, akan menyebabkan adanya sejumlah bahan bakar yang tidak terbakar di

    burner. Bahan bakar ini akan mengalir ke atas bersama dengan flue gas, melewati bagian

    konveksi dan stack. Jika terdapat kebocoran udara di bagian konveksi dan stack, maka

    sejumlah hidrokarbon (bahan bakar) yang masih panas tersebut akan dapat bereaksi dengan

    oksigen yang bocor dari lingkungan, dan menghasilkan nyala api. Peristiwa ini sering

    disebut afterburn atau secondary ignition yang berarti terjadinya proses pembakaran di

    bagian konveksi.

    Jika bahan bakar yang tidak terbakar atau material yang mudah terbakar lainnya menyala

    di bagian konveksi, maka akan terjadi kenaikan suhu di bagian konveksi secara dramatik.

    Material di bagian konveksi tidak didesain untuk beroperasi pada suhu yang tinggi,

    terutama di bagian fin tube. Fin akan teroksidasi dan jika dingin akan menjadi rapuh

    dibandingkan sebelumnya. Tube-tubenya bisa bengkok dan melengkung, sehingga akan

    menghambat aliran flue gas.

  • 37

    Bab IV. Burner dan Air Preheater

    Operasi furnace yang efisien bergantung pada operasi burner secara tepat. Burner dapat

    didefinisikan sebagai peralatan yang berguna untuk menghasilkan nyala api pada lokasi

    tertentu yang diinginkan dengan cara mencampurkan udara dengan bahan bakar melalui

    suatu energi pencampuran tertentu untuk menjaga keberlangsungan nyala api dan

    pembakaran yang sempurna.

    Dengan demikian fungsi dari burner adalah untuk melakukan pembakaran yang meliputi :

    - mencampur bahan bakar dengan udara sesuai dengan perbandingan stoikiometrinya - menyalakan campuran bahan bakar dengan udara - memastikan kestabilan dan kesempurnaan pembakaran

    Untuk tujuan-tujuan tersebut burner yang digunakan di industri dapat diklasifikasikan

    menjadi natural draft burner dan force draft burner. Di samping itu masih terdapat

    beberapa jenis burner yang lain seperti premix gas burner, nozzle mix gas burner, fuel oil

    burner dan kombinasi oil and gas burner.

    4.1 Premix Gas Burner Premix gas burner merupakan salah satu desain burner yang paling awal. Pada premix gas

    system, udara primer dan gas dicampurkan pada suatu titik di bagian hulu dari salah satu

    sisi discharge burner dengan menggunakan inspirator mixer. Selanjutnya premix gas

    burner didefinisikan sebagai burner yang nozzle atau gas tipnya disuplai dengan gas dan

    udara yang berasal dari upstream mixing device. Dengan demikian udara dan gas

    dicampurakan lebih dulu sebelum mencapai burner nozzle. Burner tip atau nozzle hanya

    berfungsi sebagai tempat nyala api, dan untuk menjaga nyala api tetap pada lokasi yang

    diinginkan.

    Gambar 4.1 mengilustrasikan salah satu jenis rangkaian premix gas burner. Nomor 1

    adalah inspirator atau mixer body. Nomor 2 adalah fuel gas discharge orifice dan nomor 3

    adalah burner tip atau nozzle. Fuel gas dikeluarkan melalui orifice pada tekanan yang

    tinggi. Zona bertekanan rendah yang dihasilkan oleh kecepatan fuel gas dan akan menarik

  • 38

    sejumlah udara pembakaran yang disebut udara primer. Jumlah udara primer berkisar

    antara 30 s.d. 100% dari total udara pembakaran bergantung pada desain burner dan laju

    pembakaran. Campuran udara dan bahan bakar dialirkan melalui mixer body dan

    dikeluarkan melalui serangkaian lubang pada burner tip. Lubang-lubang pada nozzle harus

    didesain untuk menjaga stabilitas nyala api, bentuk nyala api yang diinginkan serta

    memastikan campuran udara dan bahan bakar keluar (disemprotkan) dengan kecepatan

    diatas cepat rambat nyala api.

    Gambar 4.1 Tipikal premix gas burner

    Premix gas burner pada umumnya memiliki kontrol udara primer dan sekunder. Kontrol

    udara primer dilengkapi dengan pintu udara primer di bagian masuk inspirator, sedangkan

    kontrol udara sekunder dilengkapi dengan rangkaian register udara yang bertempat di

    sekitar discharge nozzle. Mode operasi normal adalah pintu udara primer terbuka penuh

    dan register udara sekunder diatur untuk memperoleh udara excess yang diinginkan. Pintu

    udara primer yang lain disetting jika diperlukan untuk mencegah flashback atau nyala api

    padam.

    Premix burner memiliki keuntungan dan kerugian jika dibandingkan dengan natural draft

    raw gas burner.

  • 39

    Beberapa keuntungan premix gas burner adalah volume nyala api yang lebih kecil, fuel gas

    orifice yang besar, perubahan laju alir udara yang divariasikan dengan aliran bahan bakar

    dan menurunkan potensi penyumbatan di bagian atas nozzle (top plugging), jika senyawa

    hidrokarbon tak jenuh atau yang terkondensasi berada dalam fuel gas.

    Salah satu item yang menentukan volume nyala adalah kecepatan dan derajat pencampuran

    bahan bakar dengan udara. Karena adanya pencampuran awal antara udara dan bahan

    bakar, maka intensitas nyala api yang relatif kompak dapat dicapai. Keuntungan kedua

    adalah premix burner menyediakan sejumlah kontrol rasio udara dan bahan bakar. Derajat

    kontrol rasio udara dan bahan bakar bergantung pada jumlah udara yang ditarik. Prermiks

    burner menarik udara pembakaran secara bervariasi menurut tekanan bahan bakar,

    sehingga burner jenis ini memiliki beberapa pengaturan udara yang built in.

    Kerugian dari premix burner adalah flashback dan nyala api padam. Flashback terjadi jika

    kecepatan yang meninggalkan burner tip lebih rendah dibandingkan kecepatan nyala api

    yang menyebabkan terjadinya nyala api balik di dalam mixer. Flashback terjadi pada

    tekanan bahan bakar yang rendah (

  • 40

    Gambar 4.2 VYD Raw gas burner (UOP)

    Nomor 1 adalah burner tile, yang bekerja sebagai orifice dan mengontrol jumlah udara di

    setiap burner. Nomor 2 adalah burner tip. Fuel orifice dipasang (dimasukkan) ke dalam

    burner tip. Nomor 3 adalah flame holder, yang berfungsi untuk membelokkan udara

    menjauhi burner tip, sehingga memungkinkan pembakaran terjadi dalam zona kecepatan

    yang sangat rendah pada burner tip. Tanpa adanya flame holder nyala api akan berubah

    arah. Nomor 4 adalah air register. Burner tile dipasang di dalam furnace pada lantai

    furnace sedangkan tip dan air register dibaut di bagian luar furnace. Kesejajaran dan

    ketepatan pemasangan sangat penting supaya bisa beroperasi dengan baik.

    Burner jenis ini dapat diturunkan tekanannya sampai dengan 1 psig (0,7 kg/cm2) tanpa

    menyebabkan nyala api padam. Sebagian perusahaan memasang instrumen untuk menjaga

    tekanan minimum 3 4 psig tekanan gas untuk mencegah nyala api padam.

    4.3 Combination burner Pada sebagian besar aplikasi pembakaran dengan combination burner banyak dihindari.

    Pertimbangan yang digunakan adalah tekanan bahan bakar yang rendah sehingga

    menyebabkan atomisasi yang buruk serta pencampuran udara dengan bahan bakar yang

    kurang baik. Di beberapa refinery sebagian oil burner-nya memiliki kemampuan untuk

  • 41

    melakukan pembakaran dengan menggunakan bahan bakar gas. Gambar 4.3

    mengilustrasikan tipikal natural draft combination burner.

    Gambar 4.3 Combination burner (UOP)

    Burner seperti ditunjukkan gambar 4.3 merupakan salah satu jenis double block

    combination gas and oil burner yang telah digunakan untuk aplikasi natural draft furnace

    selama beberapa tahun. Nomor 1 adalah secondary burner tile dan nomor 2 adalah primary

    burner tile atau oil tile. Sebagaimana pada raw gas burner, salah satu tujuan dari secondary

    tile adalah untuk menjaga stabilitas nyala api untuk pembakaran bahan bakar gas. Burner

    jenis ini pada umumnya memiliki empat hingga sembilan gas tip. Setiap gas tip memiliki

    lubang penyalaan. Gas tip berada di antara secondary tile dan primary tile.

    Oil tip ditempatkan dalam primary tile sedemikian rupa sehingga memberikan kestabilan

    pembakaran fuel oil yang baik. Posisi oil tip sangat penting, untuk menghasilkan pola

    semburan bahan bakar dan pencampuran udara yang tepat. Jika posisi oil tip terlalu tinggi

    dalam primary tile efek resirkulasi akan hilang dan stabilitas nyala akan terganggu. Jika oil

    tip terlalu rendah dalam primary tile, minyak akan membentur tile dan memungkinkan

    terbentuknya coke serta menyebabkan tumpahan minyak. tip harus dipasang pada

    ketinggian yang tepat selama turnaround. Pada zink burner lokasi oil tip yang tepat adalah

  • 42

    1 inch (25 mm) dibawah bagian mendatar dari primary tile. Ilustrasi poisi oil tip yang tepat

    ditunjukkan pada gambar 4.4

    Gambar 4.4 Posisi oil tip yang tepat (UOP)

    Oil burner

    Oil gun menggunakan steam untuk atomisasi minyak, sehingga minyak yang di-spray akan

    berubah menjadi butiran-butiran kecil yang berukuran 100 200 mikron (droplet). Ukuran

    droplet yang kecil memiliki luas permukaan yang tinggi, sehingga laju penguapan akan

    semakin cepat. Fuel oil harus dibakar dalam bentuk uap untuk menghindari untuk

    mencegah pembentukan partikulat. Gambar di bawah ini menunjukkan bagian dalam oil

    gun

    Gambar 4.5 John Zink oil gun (UOP)

  • 43

    4.4 Pilot Sumber nyala api yang kontinyu merupakan salah satu peralatan yang paling penting

    dalam furnace. Skenario Apa yang akan terjadi jika valve fuel gas tidak tertutup rapat?.

    Jawabnya adalah nyala api yang kontinyu dari pilot akan membakar fuel gas yang bocor

    dan mencegah terjadinya campuran yang eksplosif.

    Pilot adalah peralatan safety, yang berguna sebagai sumber nyala api yang stabil untuk

    menyalakan burner. Pilot burner harus dioperasikan pada tekanan fuel gas yang konstan.

    Pilot adalah premix burner yang didesain untuk menarik 100% udara pembakaran. Hal ini

    memungkinkan pilot tetap menyala, meskipun blower udara pembakaran rusak. Pilot

    burner tip didesain dengan sembilan lubang api. Pintu udara harus selalu dibuka, hingga

    sembilan nyala api terlihat dari masing-masing lubang api. Pilot memerlukan bahan bakar

    yang bersih bebas dari scale dan partikulat. Fuel orifice yang kecil berukuran 1/16 inch

    (1,5 mm) dan sangat mudah tersumbat. Strainer digunakan untuk mencegah penyumbatan

    fuel orifice. Bahan bakar yang direkomendasikan untuk pilot adalah gas alam.

    Gambar 4.6 Rangkaian pilot ST-1S

    4.5 Operasi oil burner Pembakaran minyak pada umumnya lebih sulit dibandingkan pembakaran gas. Minyak

    yang berbentuk cairan harus dikonversi lebih dahulu menjadi gas (uap) sebelum dapat

  • 44

    dicampur dengan udara dan mulai dibakar. Pada operasi tertentu, minyak dialirkan menuju

    burner dan sebelumnya dilewatkan atomizer, yang akan mengkonversi liquid menjadi

    jutaan droplet yang sangat kecil, yang diharapkan ukurannya tidak lebih besar dari 10 50

    micron. Beberapa konversi sangat meningkatkan rasio surface to mass dan secara

    substansial memungkinkan droplet untuk menyerap panas lebih cepat. Atomisasi bisa

    dilakukan dengan menggunakan steam, udara atau gas bertekanan tinggi. Meskipun ada

    beberapa metode yang bisa digunakan untuk atomisasi fuel oil, steam paling banyak

    digunakan di refinery karena banyak tersedia.

    Bahan bakar yang viscous harus dipanaskan terlebih dahulu. Temperatur yang digunakan

    tidak harus diatas flash point minyak. viskositas maksimum yang direkomendasikan untuk

    diatomisasi adalah 43 cS (200 SUS). Bahan bakar yang terlalu viscous akan menyebabkan

    atomisasi yang buruk, dengan ukuran droplet yang besar dan area kontak dengan udara

    pembakaran yang kecil. Hal ini akan berdampak pada pencampuan yang buruk antara

    udara dengan bahan bakar. Viskositas yang terlalu rendah menghasilkan atomisasi yang

    sangat kecil, yang menyebabkan pembakaran lebih cepat terjadi, sehingga lebih banyak

    udara yang diperlukan di bagian mulut burner dan udara sekitar menjadi lebih sedikit. Jika

    burner tidak didesain untuk fungsi ini, maka akan mempengaruhi besarnya volume udara

    excess yang digunakan.

    4.6 Operasi gas burner Untuk jenis raw gas burner, dimana udara dan bahan bakar dicampur tanpa melalui

    pencampuran awal, memiliki penurunan laju alir yang besar serta dapat mengakomodir

    bahan bakar dengan kandungan hidrogen yang tinggi, bahkan hidrogen murni. Hal ini

    disebabkan nyala api tidak dapat tersebar dalam burner jika udara dicampurkan pada

    burner nozzle. Laju alir udara harus diatur pada berbagai variasi kondisi operasi.

    Burner jenis premix gas burner, sebagian udara akan dicampurkan lebih awal dengan

    bahan bakar. Hal ini menghasilkan nyala api yang pendek dan stabil. Rasio laju alir udara /

    gas pada burner konstan yang dilakukan dengan mengatur tekanan fuel gas menyebabkan

    burner memiliki batasan penurunan laju alir. Burner jenis ini sensitif terhadap kandungan

    hidrogen dalam fuel gas (flash back).

  • 45

    4.7 Polusi udara Polutan utama yang dihasilkan dari proses pembakaran diantaranya adalah : (1) Fuel yang

    tidak terbakar (CO, CH4, dll), (2) Sulfur oksida SOx (SO2, SO3) dan (3) Nitrogen oksida

    NOx (NO, NO2, NO3)

    1. Fuel yang tidak terbakar

    Kandungan bahan bakar yang tidak terbakar biasanya cukup rendah, dan umumnya

    terdapat pada penambahan udara ekses yang sangat rendah. Untuk bahan bakar cair

    penyebabnya biasanya tergantung pada kondisi operasi seperti suhu dan viskositas,

    serta atomisasi yang tidak sempurna

    2. Sulfur oksida

    Sulfur yang berada dalam bahan bakar akan terkonversi seluruhnya, sebagian besar

    menjadi sulfur dioksida, sebagian kecil menjadi sulfur trioksida. Seluruh sulfur dalam

    bahan bakar yang diumpankan ke dalam furnace akan keluar dalam flue gas. Untuk

    mengurangi emisi senyawa sulfur, kandungan sulfur dalam bahan bakar harus dibatasi.

    Karena tidak ada flue gas desulfurization unit, terlalu mahal.

    3. Nitrogen oksida

    Selama pembakaran hanya nitrogen oksida NO dan NO2 yang terbentuk dalam jumlah

    yang signifikan. NO (kurang lebih 90% dari senyawa NOx) terbentuk pada ruang bakar,

    akan dikonversi menjadi NO2 pada saat pembuangan lewat stack melalui reaksi

    fotokimia dengan oksigen di udara.

    Nitrogen oksida terbentuk dengan dua jalan :

    - Sebagian nitrogen dalam udara pembakaran terkonversi menjadi nitrogen oksida di

    high temperature flame zone

    - NOx juga dapat terbentuk dari senyawa nitrogen yang ada dalam bahan bakar

    (seperti NH3) yang bereaksi dengan oksigen. Sumber-sumber NOx ini terutama

    banyak terdapat pada heavy liquid fuel yang memiliki kandungan senyawa nitrogen

    yang tinggi (0,2 0,6 % berat).

    Beberapa metode yang dapat digunakan untuk mengurangi emisi NO :

    - Mengurangi kandungan oksigen (mengurangi udara excess)

  • 46

    - Menurunkan suhu pada zona pembakaran (combustion zone), dapat dilakukan

    dengan beberapa cara

    1) Stage udara :

    - Zona primer dengan tidak cukup udara

    - Sebagian udara diinjeksikan di bawah nyala api pada suhu yang tinggi

    2) Staged fuel (untuk bahan bakar gas)

    - Sebagian bahan bakar diinjeksikan ke dalam udara keseluruhan

    - Sisa bahan bakar diinjeksikan di bawah zona nyala api.

    3) Resirkulasi flue gas

    Flue gas diinjeksikan kembali dengan udara pembakaran

    - Metode lain untuk mengurangi emisi NOx. Flue gas dapat ditangani dengan

    menggunakan katalis, (injeksi NH3 pada suhu 300 450oC, dengan menggunakan

    katalis)

    4.8 Air preheater Air preheater merupakan salah satu alat penukar panas yang mana udara pembakaran

    dilewatkan dan dipanaskan dengan media pemanas yang bersuhu tinggi seperti produk

    pembakaran (flue gas), steam ataupun fluida yang lain. Salah satu fungsi dari air heater

    adalah untuk mendinginkan suhu (mengurangi panas) flue gas yang keluar lewat stack

    sehingga dapat meningkatkan efisiensi furnace.

    Terdapat tiga jenis air preheater yang umum digunakan :

    - Pertukaran panas dimana udara pembakaran yang dipanaskan langsung dengan flue

    gas. (seperti ditunjukkan pada gambar 4.7)

    - Pertukaran panas dimana udara pembakaran dipanaskan menggunakan fluida

    intermediate. (seperti ditunjukkan pada gambar 4.8 dan 4.9)

    - Pertukaran panas melalui massive heat-transfer wheel yang dikemas dengan metal

    basket. (seperti ditunjukkan pada gambar 4.10)

    Semua air preheater akan rusak akibat serangan korosi yang disebabkan oleh kondensasi

    sulfur trioksida. Pada 150 ppm sulfur dalam fuel gas, dengan pengaturan suhu operasi 350

    400oF bisa meminimalkan serangan korosi. Suhu flue gas yang keluar harus dijaga 50 -

    100oF diatas titik embun SO3. menyebabkan tidak meratanya pendinginan di air preheater.

  • 47

    Gambar 4.7 Sistem air preheat menggunakan regeneratif heater (API 560)

    Gambar 4.8 Sistem air preheat menggunakan indirect closed system dengan sirkulasi

    mekanik (API 560)

  • 48

    Gambar 4.9 Air preheating dengan menggunakan sumber pemanas dari luar (API 560)

    Gambar 4.10 Air preheating jenis rotating wheel (Lieberman)

  • 49

    Bab V. Bahan Bakar

    Pemilihan bahan bakar merupakan faktor yang paling penting dalam desain furnace,

    terutama karena bahan bakar merupakan salah satu biaya yang paling tinggi dalam operasi

    furnace. Pemilihan bahan bakar juga berdampak besar pada kinerja furnace dan biaya

    modal secara keseluruhan. Dalam memilih bahan bakar harus mempertimbangkan berbagai

    persyaratan diantaranya :

    1. Ketersediaan dan biaya

    2. Nilai kalor.

    3. Kemudahan terbakar.

    4. Densitas bahan bakar, khususnya bahan bakar gas dan cair

    5. Emisivitas api yang dihasilkan.

    6. Komposisi kimia dan produk dari proses pembakaran (termasuk toksisitas bahan

    bakar dan produk pembakaran).

    7. Ash konten dan komposisi (terutama untuk bahan bakar padat).

    8. Efek produk dari pembakaran terhadap produk.

    Bahan bakar yang digunakan di furnace dapat dibedakan menjadi bahan bakar gas (fuel

    gas) dan bahan bakar cair (liquid oil).

    5.1 Bahan bakar gas

    Bahan bakar gas adalah bahan bakar yang paling mudah untuk dibakar dan dapat dengan

    mudah bercampur dengan udara. Terdapat dua jenis bahan bakar gas yang digunakan di

    kilang yaitu : gas alam dan gas kilang, berasal dari hasil proses pengolahan minyak.

    Keuntungan dari bahan bakar gas adalah : (1) Lebih mudah terbakar sempurna dan tidak

    menghasilkan asap, (2) Tidak memerlukan pompa transfer, (3) Pengontrolan suhu pada

    furnace lebih cepat dan mudah, (4) Tidak memerlukan atomizing steam, (5) Nilai kalor per

    satuan berat lebih tinggi. Sedangkan kerugiannya adalah mudah terbakar sehingga perlu

    penanganan lebih cermat serta penyimpanannya memerlukan instalasi yang mahal

  • 50

    5.2 Bahan bakar cair

    Sebagian besar bahan bakar cair berbasiskan minyak. Bahan bakar minyak dapat

    diklasifikasikan menjadi distillate fuel seperti kerosene dan gas oil yang memiliki

    viskositas rendah dan residual oil yang memiliki viskositas tinggi.

    Bahan bakar minyak (fuel oil) viskositas rendah, dalam penggunaanya dapat dipompakan

    pada suhu kamar. Akan tetapi untuk mendapatkan pembakaran yang sempurna dibutuhkan

    steam untuk atomisasi agar pencampurannya dengan udara lebih baik. Fuel oil jenis ini

    biasanya digunakan pada saat start up unit distilasi hingga kondisi operasi normal.

    Fuel oil dengan viskositas yang tinggi merupakan bahan bakar yang paling murah, akan

    tetapi paling sulit untuk digunakan. Sehingga untuk pengalirannya/pemompaannya

    diperlukan pemanas steam trace pada sistem perpipaannya agar tidak mengalami

    kebuntuan. Pada proses pembakarannya juga dibutuhkan steam untuk atomisasi. Fuel oil

    jenis ini sering digunakan setelah kondisi operasi normal.

    Keuntungan dari bahan bakar minyak adalah : (1) Penanganan lebih mudah, karena flash

    point tinggi, (2) Dapat menggunakan produk residu yang mengalami masalah dalam

    penjualan, (3) Penyimpanannya memerlukan instalasi yang lebih murah

    Adapun kerugian dari bahan bakar minyak diantaranya adalah pour point tinggi sehingga

    memerlukan pemanasan dan isolasi, memerlukan pompa transfer dan steam atomizing

    serta menimbulkan jelaga pada proses pembakaran

    5.3 Fuel Oil System Fuel oil system merupakan suatu unit yang berfungsi sebagai pengatur fuel oil untuk

    memenuhi kebutuhan bahan bakar minyak pada furnace di unit pengolahan boiler di

    utilities. Pada dasarnya unit ini berfungsi untuk :

    - Mendapatkan fuel oil yang bersih dari kotoran, sehingga dapat mencegah terjadinya

    kebuntuan pada burner. Untuk tujuan ini maka pada suction pompa dipasang filter.

    - Mendapatkan jumlah yang sesuai dengan kebutuhan. Dengan adanya fasilitas oil return,

    jumlah fuel oil yang dibutuhkan dapat diatur sesuai kebutuhan.

    - Mendapat tekanan dan suhu fuel oil yang lebih stabil (tetap). Sehingga diharapkan

    dengan tekanan dan suhu fuel oil yang stabil, akan didapatkan pemanasan pada furnace

  • 51

    dan boiler yang stabil juga. Untuk itu maka pada pemanas bahan bakar minyak tersebut

    dipasang peralatan instrumen yang berfungsi untuk mengatur suhu fuel oil yang akan

    diigunakan.

    Fuel oil system biasanya memiliki 2 (dua) pompa yang digerakkan dengan motor listrik,

    dimana pada operasi normal hanya 1 (satu) pompa yang jalan. Sebelum masuk pompa, fuel

    oil yang berasal dari tangki penimbang dilewatkan pada filter terlebih dahulu agar kotoran-

    kotoran tidak terikut.

    Karena fuel oil memiliki viskositas yang cukup tinggi dan mudah membeku, maka setelah

    keluar dari pompa dimasukkan kedalam suatu pemanas (heater) yang menggunakan

    pemanas listrik atau pemanas steam.

    Pada saat start up, pemanas yang digunakan adalah pemanas listrik. Sedangkan pada saat

    normal operasi, pemanas yang digunakan adalah pemanas yang menggunakan media

    pemanas steam. Diharapkan suhu fuel oil setelah melewati pemanas tersebut 85C.

    Gambar 5.1 Tipikal fuel oil handling system

  • 52

    Bab VI. Efisiensi Furnace

    Efisiensi furnace merupakan unjuk kerja furnace dalam memanfaatkan panas dari hasil

    pembakaran dari sejumlah fuel pada fluida yang akan dipanaskan di dalam tube dapur.

    Efisiensi panas pada suatu sistem furnace didefinisikan sebagai perbandingan antara energi

    yang berguna terhadap energi yang masuk.

    heattotalheatuseful= 6.1

    Ada dua metode yang dapat digunakan untuk menghitung efisiensi panas di furnace

    1. Metode panas yang hilang (heat loss)

    Dihitung dengan menjumlahkan panas yang masuk dikurangi panas yang hilang

    melalui dinding furnace dan asap hasil pembakaran

    %q

    qqefisiensi

    in

    outin 100= 6.2

    2. Metode panas yang diserap

    Perbandingan panas yang diserap fluida di dalam tube furnace dengan panas total yang

    masuk furnace

    %dapurmasuktotalpanasfluidadiserapyangpanasefisiensi 100= 6.3

    Perhitungan efisiensi panas pada sistem furnace disamping mempertimbangkan

    penggunaan energi utama dalam pembakaran yang berupa bahan bakar (fuel oil atau fuel

    gas) juga harus dipertimbangkan penggunaan energi untuk preheater udara, waste heat

    recovery dan energi listrik yang kemungkinan digunakan untuk menggerakkan fan atau

    blower pada air register. Diagram skematis sistem furnace ditunjukkan pada gambar 6.1.

    Efisiensi dari sistem furnace bergantung dari setiap tahapan transfer energi yang berasal

    dari energi kimia pada bahan bakar dan energi listrik sampai dengan menjadi proses yang

    tersimpan pada produk akhir.

  • 53

    Gambar 6.1 Diagram skematik proses furnace secara umum (Peter, Mullinger)

    Sebagai gambaran efisiensi sistem furnace diatas dapat dilihat pada tabel 6.1. dari data

    pada tabel 6.1, jumlah total energi input sebesar 48 MW dan jumlah energi yang terpakai

    sebesar 21 MW, sehingga efisiensi keseluruhan proses furnace sebesar 43%.

    Tabel 6.1 Aliran energi sistem furnace pada gambar 6.1

  • 54

    6.1 Mekanisme perhitungan panas di furnace Dapur beroperasi atas dasar perpindahan panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan

    bakar ditransfer secara konveksi dan radiasi ke fluida umpan (feed) yang mengalir di

    dalam tube-tube dapur.

    Kemampuan suatu dapur memanfaatkan panas dapat dihitung dari kebutuhan panas masuk

    dapur dikurangi panas yang keluar dari dapur, dalam hal ini panas yang diserap oleh fluida

    yang mengalir melalui tube dapur.

    Data yang dibutuhkan untuk menghitung kemampuan furnace memanfaatkan panas ini

    antara lain:

    - Jenis dan sifat fluida yang dipanaskan

    - Kecepatan aliran fluida

    - Suhu fluida masuk dan suhu fluida keluar dari furnace

    - Kualitas dan kuantitas bahan bakar yang masuk furnace

    - Kondisi utilitas untuk dapur : Steam Atomizing, udara pembakaran dan bentuk / ukuran

    furnace.

    Untuk kebanyakan furnace, perpindahan panas pertama terjadi pada seksi konveksi,

    kemudian pada seksi radiasi. Untuk itu perlu dievaluasi unjuk kerja furnace, guna

    menentukan kemampuan pada masing-masing seksi dan panas yang hilang.

    Untuk furnace yang beroperasi secara steady state kita dapat melakukan perhitungan panas

    dengan menggunakan simple heat balance :

    Hf = Hc + Hs + Hg 6.4

    Dimana

    Hf adalah panas yang disuplai dari bahan bakar

    Hc adalah panas yang diambil oleh fluida proses

    Hs adalah panas yang hilang melalui struktur furnace

    Hg adalah panas yang hilang terbawa flue gas

  • 55

    Hf tergantung pada jenis bahan bakar dan desain daripada burner, yang dihitung

    berdasarkan

    Hf = Qf CV 6.5 Dimana

    Q f adalah fuel flow rate

    CV adalah nilai kalori bahan bakar

    Panas yang digunakan untuk memanaskan fluida proses dapat dihitung dari

    Hc = Qc (Cpc (Tc Ta) + Hr) 6.6

    Dimana :

    Qc adalah laju alir fluida proses

    Cpc adalah panas spesifik rata-rata fluida proses

    Tc adalah suhu outlet fluida proses

    Ta adalah suhu ambient

    Hr adalah reaction energy .

    Kehilangan panas melalui struktur furnace secara konduksi melalui dinding furnace dan

    secara konveksi dan radiasi dari luar dinding ke atmosfer.

    Hs = Ai k (Ti To) = Ao (h (To Ta) + (To4 Ta4)) 6.7

    dimana:

    Ai adalah luas permukaan dinding di bagian dalam

    Ao adalah luas permukaan dinding bagian luar

    k adalah konduktivitas panas dinding furnace

    h adalah koefisien perpindahan panas secara konveksi

    Ti adalah hot face temperature

    To adalah cold face temperature

    adalah emissivitas dinding furnace adalah konstanta Stefan-Boltzmann.

  • 56

    Kehilangan panas melalui flue gas dapat dihitung dari :

    Hg = Qg Cpg (Tg Ta)

    Dimana :

    Qg adalah laju alir flue gas

    Cpg adalah panas spesifik rata-rata flue gas

    Tg adalah suhu kelur flue gas.

    Contoh sederhana analisa panas masuk dan keluar furnace dapat dilihat di bawah ini

    Panas masuk furnace

    Panas masuk furnace terdiri dari:

    - Panas pembakaran fuel oil : Qfuel oil = m x NHV , Btu

    - Panas sensibel fuel oil : QSensibel fuel oil = m x Cp x T, Btu - Panas pembakaran fuel gas: Qfuel gas = m x NHV , Btu

    - Panas sensibel fuel gas : QSensibel fuel gas = m x Cp x T, Btu - Panas sensibel udara pembakaran : QSensibel udara pembakaran = m x Cp x T, Btu - Panas sensibel Steam Atomizing : QSteam Atomizing = m x H, Btu

    Panas meninggalkan furnace

    Panas yang meninggalkan furnace terdiri dari:

    - Panas yang diserap oleh Crude Oil : Qcrude oil = m x H , Btu

    - Panas yang diserap oleh LP Steam : QSteam = m x H , Btu - Panas yang dibawa aliran flue gas ke cerobong :

    Qflue gas = jumlah panas sensibel masing-masing komponen flue gas

    QKomponen flue gas = jumlah komponen flue gas dikalikan selisih panas sensibel

    komponen flue gas pada suhu flue gas dan suhu basis

    - Panas keluar melalui dinding, atap, dan lantai dapur :

    QDinding = jumlah panas yang keluar dari masing-masing bidang dinding,

    atap, dan lantai dapur

  • 57

    6.2 Panas yang hilang Panas yang tidak diserap oleh feed akan keluar terbawa flue gas melalui cerobong asap

    atau dinding furnace, atap, lantai dan bagian-bagian lain dari dapur. Jumlah panas yang

    keluar melalui masing-masing bidang dinding tergantung pada suhu dinding luar dan luas

    dindingnya.

    1. Panas yang hilang melalui flue gas

    Besarnya panas yang hilang melalui flue gas dapat dilihat pada grafik fuel combustion

    chart based on net heat of combustion (nelson W.L, hal 423)

    Contoh 6.1

    Bahan bakar jenis Fuel oil API 20 dibakar dan gas-gas hasil pembakaran didinginkan

    hingga suhu 300oF. heating value dari bahan bakar adalah 17900 btu/lb net,

    karbondioksida 13%. Berapa banyak panas yang hilang melalui stack dan berapa pound

    flue gas yang dihasilkan ?

    Basis 1 lb bahan bakar dan 60oF

    Jawab :

    Dari gambar 14-2, pada 13% CO2, maka persentase excess air sekitar 23%. Pembacaan

    pada grafik dengan pendekatan hingga 25% kurva excess air dan suhu flue gas 300oF,

    maka panas yang hilang melalui stack sekitar 6,3%.

    Sehingga diperoleh panas yang hilang lewat stack sebesar 0,063 x 17900 btu/lb = 1130

    btu/lb

    Flue gas yang dihasilkan tiap lb fuel sebesar 16 lb untuk nol persen excess air

    Pada 23% excess air, maka : 16 x 1,23 = 19,68 lb

  • 58

  • 59

    2. Panas yang hilang melalui dinding

    Besarnya panas yang hilang melalui dinding untuk kondisi dinding yang baik, pada

    bagian radiasi sekitar 2 3%, sedangkan pada bagian konveksi sekitar 1%.

    6.3 Panas yang diserap fluida proses Misal untuk crude oil enthalpy dapat dicari dengan menggunakan grafik heat content of

    petroleum fraction (gambar 5.1, 5.2 dan 5.3 Nelson), faktor karakterisasi dihitung dari

    konstanta UOP dan oAPI diperoleh dari perhitungan.

    Contoh 6.2

    Berapa panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu mixed base oil 40 API sebanyak

    1000 lb dari 100 menjadi 600oF

    Jawab :

    Panas spesifik pada 100oF = 0,48

    Panas spesifik pada 600oF = 0,775

    Panas spesifik rata-rata dari suhu 100 menjadi 600oF = (0,48 + 0,775) / 2 = 0, 627

    (sebagai catatan, dari grafik 5.1 nelson panas spesifik pada suhu 350oF = 0,627)

    Sehingga panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu minyak

    = 1000 0,627 (600 100) = 313.500 Btu

  • 60

  • 61

  • 62

    DAFTAR PUSTAKA

    1. API Standard 560, Fired Heaters for General Refinery Services, 3rd edition, 2001

    2. Baukal, Charles E., Schwartz, Robert E., Baukal, Charles E. Jr., The John Zink Combustion Handbook, CRC Press, Boca Raton, Fl., March 27, 2001.

    3. Dennis Clary, Fired Heater, 2006 Engineering Design Seminar, UOP LLC.

    4. Kardjono, S.A., Furnace dan Boiler, Diktat Akamigas Prodi Refinery Diploma III, Akamigas, Cepu, 2005

    5. Lieberman, N.P., A Working Guide to Process Equipment, 3rd edition, McGraw-Hill, 2008

    6. Mullinger, Peter., Jenkins, Barrie. Industrial and Process Furnace Principle, Design and Operation, Elsevier, 2008

    7. Nelson, W.L., Petroleum Refinery Engineering, 4th edition , Mc Graw Hill Book Company, 1956

    8. Reed, Robert D., Furnace Operations, 3rd edition, Gulf Publishing Company, 1981

    9. Risayekti, Peralatan LPG, Diktat Akamigas Prodi Refinery Diploma III, Akamigas, Cepu, 2006

    10. Trambouze, Pierre, Petroleum Refining 4, Materials and Equipment, IFP, 2000

    11. Wildy, Francis., Fired Heater Optimization, Journal, 2003