UTILITAS

PENYEDIAAN STEAM DALAM INDUSTRI KIMIA

Disusun Oleh:

Sri Wahyuni NIM. 21030112120029

Anggara Eka Permana P NIM. 21030112120030

M Alif Haetami NIM. 21030112130063

M Dzikri Hanif W NIM. 21030112130084

Esti Rahmawati NIM. 21030112130098

Ariana Aisa NIM. 21030112130102

Achmad Farhan H W NIM. 21030112130106

Probondari Ardana NIM. 21030112130114

Nugraheni Dwiandini NIM. 21030112130118

Nisrina Dyah H NIM. 21031002130140

Danu Purnawan NIM. 21030112130144

Nikolaus Dharmawan D NIM. 21030112130145

Syarief Basyarahil NIM. 21030112130150

M Rodiansyah I NIM. 21030112140186

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS DIPONEGORO

SEMARANG

2015

ii

PRAKATA

Dipanjatkan puji syukur ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan segala

rahmat dan karunia-Nya sehingga tugas mata kuliah utilitas dengan judul Penyediaan Steam

Dalam Industri Kimia ini berhasil diselesaikan.

Dalam penyusunan tugas ini tidak terlepas dari bantuan pihak-pihak lain. Oleh

karena itu, dalam kesempatan ini diucapkan terima kasih kepada : Ir. Slamet Priyanto, M.S.

selaku dosen pengampu mata kuliah utilitas, Orang tua dan keluarga kami yang selalu

memberikan dukungan kepada kami, serta semua pihak yang telah membantu penyelesaian

tugas ini.

Akhirnya, disadari bahwa tugas ini masih jauh dari kata sempurna. Oleh karena itu

diharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi sempurnanya tugas ini. Semoga

tugas ini dapat memberikan manfaat bagi peneliti dan para pembaca dalam pengembangan ilmu

pengetahuan.

Semarang, 10 Mei 2015

Penulis

iii

DAFTAR PUSTAKA

PRAKATA ................................................................................................................................ ii

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................................. iii

DAFTAR GAMBAR ............................................................................................................... iv

DAFTAR TABEL .................................................................................................................... v

BAB I PENDAHULUAN

I.1. Latar Belakang ............................................................................................................ 1

I.2. Rumusan Masalah ....................................................................................................... 3

I.3. Tujuan.......................................................................................................................... 3

BAB II PERMASALAHAN

II.1. Steam ........................................................................................................................... 4

II.2. Masalah-Masalah pada Boiler ..................................................................................... 5

BAB III PEMBAHASAN MASALAH

III.1. Boiler ....................................................................................................................... 9

III.1.1. Sumber Penyediaan Air Umpan Boiler ................................................................ 9

III.1.2. Uap (Steam) ....................................................................................................... 10

III.2. Proses Kerja Boiler ................................................................................................ 11

III.3. Baku Mutu Air Boiler ............................................................................................ 16

III.4. Pengendalian Mutu Air Umpan Boiler .................................................................. 17

III.5. Pemeliharaan Boiler .............................................................................................. 18

III.6. Perlakuan Terhadap Kondensat (Condensate Treatment) ..................................... 18

III.7. Utilitas Pengguna Steam ........................................................................................ 19

III.8. Contoh Soal ........................................................................................................... 20

BAB IV PENUTUP

IV.1. Kesimpulan ............................................................................................................ 23

IV.2. Saran ...................................................................................................................... 23

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................................. 24

iv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Kurva Steam Jenuh .............................................................................................. 4

Gambar 2.2. Diagram Fase Entalpi Suhu................................................................................... 4

Gambar 3.1. Diagram Suhu-Entropi untuk Air dan Uap ......................................................... 11

Gambar 3.2. Diagram Skematik Ruang Boiler ........................................................................ 12

Gambar 3.3. Diagram Pengolahan Air Umpan Boiler ............................................................. 18

v

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Parameter Air Umpan Boiler ................................................................................... 16

1

BAB I

PENDAHULUAN

I.1. Latar Belakang

Steam ditinjau secara molekuler adalah H2O yang mengalami pemanasan

hingga titik didihnya sehingga mengalami perubahan fase. Dengan meningkatnya

suhu dan air mendekati kondisi didihnya, beberapa molekul mendapatkan energi

kinetik yang cukup untuk mencapai kecepatan yang membuatnya sewaktu-waktu

lepas dari cairan ke ruang diatas permukaan, sebelum jatuh kembali ke cairan.

Pemanasan lebih lanjut menyebabkan eksitasi lebih besar dan sejumlah molekul

dengan energi cukup untuk meninggalkan cairan jadi meningkat. Dengan

mempertimbangkan struktur molekul cairan dan uap, masuk akal bahwa densitas

steam lebih kecil dari air, sebab molekul steam terpisah jauh satu dengan yang

lainnya. Ruang yang secara tiba-tiba terjadi diatas permukaan air menjadi terisi

dengan molekul steam yang kurang padat (UNEP, 2006).

Air sangat menguntungkan jika digunakan sebagai media pemanas karena

memiliki panas kondensasi yang besar sekali, tidak mudah terbakar, dan tidak

beracun. Steam dapat mengakibatkan luka bakar yang parah terutama bila seluruh

panas kondensasi dibebaskan di atas kulit. Oleh karena itu, saluran-saluran yang

dialiri steam tidak boleh dimanipulasi sebelum saluran dibebaskan dari tekanan dan

didinginkan.

Terdapat dua jenis steam yang umum dijumpai dalam industri kimia. Yang

pertama adalah saturated steam, yang terbentuk ketika air diberi panas sensible

hingga mencapai titik didih. Ketika titik didih air tercapai, suhu air akan terus

meningkat dan mencapai titik konstan hingga semua air berubah fase menjadi uap.

Selama masih terdapat air dalam fase cair dalam sistem, suhu steam akan sama

dengan suhu air dalam fase cair tersebut. Yang kedua adalah superheated steam,

dimana ketika seluruh air berubah fase menjadi uap, terdapat penambahan kalor yang

dapat meningkatkan suhu steam tersebut. Dengan kata lain, steam yang dipanaskan

melebihi tingkatan saturated steam disebut dengan superheated steam.

Saturated steam lebih banyak digunakan dalam industri sebagai media

pemanas, memasak, pengeringan, dan lain sebagainya. Sedangkan superheated steam

hanya digunakan sebagai penggerak turbin.

2

Steam dibuat di pusat pembangkitan steam di dalam ketel uap/steam (ketel

radiasi, ketel bakar, ketel listrik) dengan mengunakan bahan bakar batu bara, minyak

pemanas, atau listrik. Steam ini dibuat dari air yang telah dihilangkan seluruh garam-

garam dan gasnya (air umpan ketel). Di sini terbentuk steam pada temperatur yang

sesuai dengan tekaan di dalam ketel. Steam yang terbentuk dipanaskan lebih lanjut

oleh gas buang sehingga kehilangan panas pada saat transportasi ke tempat

pemakaian tidak segera menyebabkan terjadinya kondensasi.

Setelah tekanan tinggi direduksi, misalnya di dalam turbin uap, dan air

diinjeksikan ke dalam steam berkalor lebih, steam tersebut kemudian dialirkan ke

konsumen melalui saluran-saluran yang terisolasi dengan baik. Di tempat pemakaian,

yang dibutuhkan terutama ialah panas kondensasinya. Karena steam tidak dapat

disimpan, maka kelebihan steam akan diubah menjadi air panas atau air hangat.

Alat pemanas yang mengunakan steam sebagai media pemanas mudah untuk

diatur dengan baik. Pemanasan dapat dilakukan dengan mengalirkan steam langsung

ke bahan proses yang akan dipanaskan. Temperatur pemanasan maksimal yang dapat

dicapai pada peralatan yang menggunakan ventilasi adalah 100 oC. Cara ini hanya

dapat digunakan bila air maupun penambahan volume tidak mengganggu sistem.

Panggunaan steam dapat dilakukan secara tidak langsung, misalnya dalam alat

penukar panas. Temperatur yang dapat dicapai secara teoritis sama dengan

temperatur kondensasi steam.

Menurut United National Environment 2006, steam memberikan suatu cara

pemindahan sejumlah energi yang terkendali dari suatu pusat, ruang boiler yang

otomatis, dimana energi dapat dihasilkan secara efisien dan ekonomis, sampai ke titik

penggunaan. Steam yang bergerak mengelilingi pabrik dianggap sama dengan

transportasi dan penyediaan energi. Untuk beberapa alasan, steam merupakan

komoditas yang paling banyak digunakan untuk membawa energi panas.

Penggunaannya terkenal diseluruh industri untuk pekerjaan yang luas dari produksi

daya mekanis sampai penggunaan proses dan pemanasan ruangan. Alasan dari

penggunaan steam adalah: (UNEP, 2006)

Steam efisien dan ekonomis untuk dihasilkan

Steam dapat dengan mudah dan murah untuk didistribusikan ke titik

penggunaan

Steam mudah dikendalikan

3

Energinya mudah ditransfer ke proses

Plant steam yang modern mudah untuk dikendalikan

Steam bersifat fleksibel

I.2. Rumusan Masalah

Bagaimana proses pembentukan steam

Apa saja faktor faktor yang mempengaruhi kualitas steam

Apa saja kegunaan steam dalam pabrik

Bagaimana merancang steam dalam industri

I.3. Tujuan

Mengetahui proses pembetukan steam

Mengetahui factor factor yang mempengaruhi kualitas steam

Mengetahui kegunaan dan manfaat steam dalam pabrik

Mempelajari proses perancangan steam

4

BAB II

PERMASALAHAN

II.1. Steam

Steam berbahan dasar air (H2O) yang molekulnya tersusun dari hidrogen dan

oksigen. Hal yang perlu diperhatikan dalam pembuatan steam ialah suhu dan tekanan

dimana pada tekanan atmosfir suhu jenuhnya adalah 100C. Tetapi, jika tekanannya

bertambah, maka akan ada penambahan lebih banyak panas yang peningkatan suhu

tanpa perubahan fase. Oleh karena itu, kenaikan tekanan secara efektif akan

meningkatkan entalpi air dan suhu jenuh. Hubungan antara suhu jenuh dan tekanan

dikenal sebagai kurva steam jenuh (Gambar 1).

Gambar 2.1. Kurva Steam Jenuh (Sumber: UNEP, 2006)

Air dan steam dapat berada secara bersamaan pada berbagai tekanan pada kurva ini,

keduanya akan berada pada suhu jenuh. Steam pada kondisi diatas kurva jenuh dikenal

dengan superheated steam/ steam lewat jenuh:

Suhu diatas suhu jenuh disebut derajat steam lewat jenuh

Air pada kondisi dibawah kurva disebut air sub- jenuh.

Perubahan fase air menjadi steam ditunjukkan dalam diagram fase berikut ini:

Gambar 2.2. Diagram Fase Entalpi Suhu (Sumber: UNEP, 2006)

5

Ketika air dipanaskan dari 0C sampai suhu jenuhnya, kondisinya mengikuti

garis cair jenuh sampai menerima seluruh entalpi cairannya, hf, (A - B). Jika panas

ditambahkan lebih lanjut, maka akan merubah fase ke steam jenuh dan berlanjut

meningkakan entalpi sambil tetap pada suhu jenuhnya, hfg, (B - C). Jika campuran

steam/air meningkat kekeringannya, kondisinya bergerak dari garis cair jenuh ke garis

uap jenuh. Oleh karena itu pada titik tepat setengah diantara kedua keadaan tersebut,

fraksi kekeringan (x) nya sebesar 0,5. Hal yang sama, pada garis uap jenuh steamnya

100 persen kering. Begitu menerima seluruh entalpi penguapannya maka akan

mencapai garis uap jenuh. Jika pemanas dilanjutkan setelah titik ini, suhu steam akan

mulai naik mencapai lewat jenuh (C - D).

Garis-garis cairan jenuh dan uap jenuh menutup wilayah dimana terdapat

campuran steam/air steam basah. Dalam daerah sebelah kiri garis cair jenuh, hanya

terdapat air, dan pada daerah sebelah kanan garis uap jenuh hanya terdapat steam lewat

jenuh. Titik dimana garis cairan jenuh dan uap jenuh bertemu dikenal dengan titik kritis.

Jika tekanan naik menuju titik kritis maka entalpi penguapannya berkurang, sampai

menjadi nol pada titik kritisnya. Hal ini menunjukkan bahwa air berubah langsung

menjadi steam jenuh pada titik kritisnya. Di atas titik kritis hanya gas yang mungkin

ada. Keadaan gas merupakan keadaan yang paling terdifusi dimana molekulnya hampir

memiliki gerakan yang tidak dibatasi, dan volumnya meningkat tanpa batas ketika

tekanannya berkurang. Titik kritis merupakan suhu tertinggi dimana bahan berada

dalam bentuk cairan. Pemberian tekanan pada suhu konstan dibawah titik kritis tidak

akan mngakibatkan perubahan fase. Walau begitu, pemberian tekanan pada suhu

konstan dibawah titik kritis, akan mengakibatkan pencairan uap begitu melintas dari

daerah lewat jenuh/superheated ke daerah steam basah. Titik kritis terjadi pada suhu

374,15C dan tekanan steam 221,2 bar. Diatas tekanan ini steam disebut superkritis dan

tidak ada titik didih yang dapat diterapkan.

II.2. Masalah-Masalah pada Boiler

Suatu boiler atau pembangkit uap yang dioperasikan tanpa kondisi air yang

baik, cepat atau lambat akan menimbulkan masalah-masalah yang berkaitan dengan

kinerja dan kualitas dari sistem pembangkit uap. Banyak masalah-masalah yang

ditimbulkan akibat dari kurangnya penanganan dan perhatian khusus terhadap

penggunaan air umpan boiler.

6

Akibat dari kurangnya penanganan terhadap air umpan boiler akan

menimbulkan masalah-masalah sebagai berikut:

1. Pembentukan Kerak

Terbentuk kerak pada dinding boiler terjadi akibat adanya

mineral-mineral pembentukan kerak, misalnya ion-ion kesadahan

seperti Ca2+ dan Mg2+ dan akibat pengaruh gas penguapan. Diamping

itu pula dapat disebabkan oleh mekanisme pemekatan didalam boiler

karena adanya pemanasan. Jenis-jenis kerak yang umum dalam boiler

adalah kalsium sulfat, senyawa silikat dan karbonat. Zat-zat dapat

membentuk kerak yang keras dan padat sehingga bila lama

penanganannya akan sulit sekali untuk dihilangkan. Silika diendapkan

bersama dengan kalsium dan magnesium sehingga membuat kerak

semakin keras dan semakin sulit untuk dihilangkan.

Kerak yang menyelimuti permukaan boiler berpengaruh

terhadap perpindahan panas permukaan dan menunjukkan dua akibat

utama yaitu berkurangnya panas yang dipindahkan dari dapur ke air

yang mengakibatkan meningkatkan temperatur disekitar dapur, dan

menurunnya efisiensi boiler

2. Peristiwa Korosi

Korosi dapat disebabkan oleh oksigen dan karbon dioksida yang

terdapat dalam uap yang terkondensasi. Korosi merupakan peristiwa

logam kembali kebentuk asalnya di alam misalnya besi menjadi oksida

besi, alumunium dan lain-lain. Peristiwa korosi dapat terjadi disebabkan

oleh:

- Gas-gas yang bersifat korosif seperti O2, CO2, H2S

- Kerak dan deposit

- Perbedaan logam (korosi galvanis)

- pH yang terlalu rendah dan lain-lain

Jenis korosi yang dijumpai pada boiler dan sistem uap adalah

general corrosion, pitting (terbentuknya lubang) dan embrittlement

(peretakan baja). Adanya gas yang terlarut, oksigen dan karbon

dioksida pada air umpan boiler adalah penyebab utama general

corrosion dan pitting corrosion (tipe oksigen elektro kimia dan

diffrensial). Kelarutan gas-gas ini di dalam air umpan boiler menurun

7

jika suhu naik. Kebanyakan oksigen akan memisah pada ruang uap,

tetapi sejumlah kecil residu akan tertinggal dalam larutan atau

terperangkap pada kantong-kantong atau dibawah deposit, hal ini dapat

menyebabkan korosi pada logam-logam boiler. Karena itu pentinguntuk

melakukan proses deoksigenasi air boiler.

Jumlah rata-rata korosi atau serangan elektrokimia akan naik jika

nilai pH air menurun. Selain itu air umpan boiler akan dikondisikan

secara kimia mencapai nilai pH yang relatif tinggi. Bentuk korosi yang

tidak umum tetapi berbahaya adalah bentuk korosi embrittlement atau

keretakan inter kristalin pada baja yang terjadi jika berada pada tekanan

yang tinggi dan lingkungan kimia yang tidak sesuai. Caustic

embrittlement atau keratakan inter kristalin pada baja yang terjadi jika

berada pada tekanan yang tinggi dan lingkungan kimia yang tidak

sesuai. Caustic embrittlement terjadi pada sambungan penyumbat dan

meluas pada ujung tabung dimana celah memungkinkan perkembangan

suatu lingkungan caustic yang terkonsentrasi.

3. Pembentukan Deposit

Deposit merupakan peristiwa penggumpalan zat dalam air

umpan boiler yang disebabkan oleh adanya zat padat tersuspensi

misalnya oksida besi, oksida tembaga dan lain-lain. Peristiwa ini dapat

juga disebabkan oleh kontaminsi uap dari produk hasil proses produksi.

Sumber deposit didalam air seperti garam-garam yang terlarut dan zat-

zat yang tersuspensi didalam air umpan boiler. Pemanasan dan dengan

adanya zat tersuspensi dalam air pada boiler menyebabkan

mengendapnya sejumlah muatan yang menurunkan daya kelarutan, jika

temperaturnya dinaikkan. Hal ini menjelaskan mengapa kerak dan

sludge (lumpur) terbentuk. Kerak merupakan bentuk deposit-deposit

yang tetap berada pada permukaan boiler sedangkan sludge merupakan

bentuk deposit-deposit yang tidak menetap atau deposit lunak.

4. Terbawanya Uap (Steam Carryover)

Ketika air boiler mengandung garam terlarut dan zat tersuspensi

dengan konsentrasi yang tinggi, ada kecendrungan baginya untuk

membentuk busa secara berlebihan sehingga dapat menyebabkan steam

carryover zat-zat padat dan cairan pengotor kedalam uap. Steam

8

carryover terjadi jika mineral-mineral dari boiler ikut keluar bersama

dengan uap ke alat-alat seperti superheater, turbin, dan lain-lain.

Kontaminasi-kontaminasi ini dapat diendapkan kembali pada sistem

uap atau zat-zat itu akan mengontaminasi proses atau material-material

yang diperlukan steam.

9

BAB III

PEMBAHASAN MASALAH

III.1. Boiler

Boiler merupakan bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air

sampai terbentuk air proses atau steam. Air adalah media yang berguna dan murah

untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Boiler mengubah energi-energi kimia

menjadi bentuk energi yang lain untuk menghasilkan kerja. Boiler dirancang untuk

melakukan atau memindahkan kalor dari suatu sumber pembakaran, yang biasanya

berupa pembakaran bahanbakar. Faktor yang mendasari pemilihan jenis boiler adalah

sebagai berikut:

a. Kapasitas yang digunakan

b. Kondisi uap yang dibutuhkan

c. Bahan bakar yang dibutuhkan

d. Konstruksi yang sederhana

III.1.1. Sumber Penyediaan Air Umpan Boiler

Air yang digunakan pada air umpan boiler diperoleh dari air sungai, air

waduk, sumur bor dan sumber mata air lainnya. Kualitas air tersebut tidak

sama walaupun menggunakan sumber air sejenis, hal ini dipengaruhi oleh

lingkungan asal air tersebut. Oleh karena itu untuk dapat digunakan sebagai

air umpan boiler maka air baku dari sumber air harus dilakukan pengolahan

terlebih dahulu yang bertujuan untuk menghilangkan unsur-unsur atau

padatan yang terkandung didalam air baik dalam bentuk tersuspensi, terlarut,

ataupun koloid yang dapat menyebabkan terjadinya kerak, korosi dan

pembusaan dalam boiler. Disamping itu senyawa organik dapat menyebabkan

berbagai masalah dalam operasi boiler. Kualitas air umpan boiler juga

dipengaruhi oleh kondisi operasi boiler, dimana semakin tinggi tekanan dan

temperature operasi maka semakin murni kualitas air umpan yang diperlukan.

Batasan terhadap nilai parameter-parameter penting untuk air umpan boiler,

sering ditentukan oleh pihak pembuat alat, atau dapat mengacu pada criteria

dari badan-badan International seperti ASME dan ABMA.

10

III.1.2. Uap (Steam)

Uap air adalah sejenis fluida yang merupakan fase gas dari air, bila

mengalami pemanasan sampai temperatur didih dibawah tekanan tertentu.

Uap air tidak berwarna, bahkan tidak terlihat bila dalam keadaan murni

kering. Uap air dipakai pertama sekali sebagai fluida kerja adalah oleh James

Watt yang terkenal sebagai penemu Mesin Uap Torak.

Uap air tidak mengikuti hukum-hukum gas sempurna, sampai dia

benar-benar kering (kadar uap 100%). Bila uap adi kering dipanaskan lebih

lanjut maka dia menjadi uap adi panas (panas lanjut) dan selanjutnya dapat

dianggap sebagai gas sempurna.

Uap air terbentuk dalam tiga jenis, yaitu:

1. Uap saturasi basah (X < 1)

2. Uap saturasi kering (X = 1)

3. Uap adi panas

Sebagaimana kita ketahui bahwa pada pemanasan air dan penguapan

berlangsung pada tekanan tetap. Begitu pula pada pemanasan lanjut uap

berlangsung pada tekanan tetap. Entropi uap pada tekanan tetap, terdiri dari:

1. Kenaikan entropi air selama pemanasannya dari titik lebur sampai ke

titik didih dibawah tekanan tertentu

2. Kenaikan entropi selama peristiwa penguapan

3. Kenaikan entropi selama pemanasan lanjut

Diagram entropi-temperatur (diagram T-S) sangat berguna untuk

menyelesaikan soal-soal ekspansi secara adiabatis. Absis dari diagram

menunjukkan entropi dari fluida (air atau uap), di atas titik air, sedang

ordinatnya menyatakan temperatur fluida. Dalam gambar grafik ABCD

menggambarkan pemanasan 1 kg air dari titik cair (0OC) sampai suhu adi

panas (tsup OC) pada tekanan tetap (constant). Grafik AB menggambarkan

pemanasan air sampai temperatur saturasi (tsup OC). Kenaikan entropi : Sw

kkal/kgOC diukur sepanjang garis AB(Effendi, 2013).

11

Gambar 3.1. Diagram Suhu-Entropi untuk Air dan Uap (Sumber:

Effendi, 2013)

III.2. Proses Kerja Boiler

Menurut UNEP dalamPedoman Efisiensi Industri Asia, sistem boiler terdiri

dari:

1. Sistem air umpan: menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan

kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan

perbaikan.

2. Sistem steam: mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler.

Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruha

nsistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat

pemantau tekanan.

3. Sistembahanbakar: semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan

bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan

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

sistem.

12

Gambar 3.2. Diagram Skematik Ruang Boiler (Sumber: UNEP, 2006)

Pada gambar diatas, terdapat beberapa komponen steam boiler seperti:

1. Steam boiler, merupakan alat yang digunakan untuk memberi panas pada

fluida (air)

2. Deaerator, merupakan alat yang digunakan untuk memisahkan uap dengan

fluidanya.

3. Expansion tank, merupakan tanki yang berfungsi untuk menampung uap jenuh

yang berasal dari kerja deaerator.

4. Circulating pump, pompa yang digunakan untuk mensirkulasi fluida yang

berasal dari proses menuju steam boiler.

5. Economizer, alat ini digunakan supaya steam boiler lebih efesien dimana

fluida yang akan masuk ke steam boiler akan dipanaskan terlebih dahulu.

Air yang disuplaike boiler untuk diubah menjadi steam disebut air umpan. Dua

sumber air umpan adalah:

1. Kondensat atau steam yang mengembun yang kembali dari proses

2. Air makeup (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar

ruang boiler dan plant proses. Untuk mendapatkan efisiensi boiler yang lebih

tinggi, digunakan economizer untuk memanaskan awal air umpan

menggunakan limbah panas pada gas buang.

Secara umum suatu ketel uap (boiler) dilengkapi dengan peralatan sedikitnya sbb:

1. Superheater

13

Superheater adalah suatu alat berbentuk heat exchanger dimana panas dari

gas asap (combustion product) digunakan untuk pengeringan uap jenuh kemudian

menaikkan temperaturnya. Jalannya penyerapan panas adalah sebagai berikut:

gas asap menyerahkan superheater panas dipindahkan secar konveksi, konduksi,

selanjutnya dari pipa bagian dalam superheater panas dipindahkan secara

konveksi ke uap yang ada dalam pipa tersebut. Bahan yang digunakan untuk pipa

coil adalah dari baja carbon (carbon steel) untuk suhu 450C sednag untuk suhu

di atas 450C digunakan baja campura (alloy steel). Susunan coil terhadap gas

asap ada bermacam-macam:

a. Counter flow (aliran berlawanan)

b. Partikel flow (aliran searah)

c. Combined flow ( gabungan searah)

2. Economizer

Economizer adalah alat berbentuk heat exchanger yang digunakan untuk

menaikkan temperatur feed water boiler (air umpan ketel), sebagai pemanas

biasanya dipakai gas asap yang keluar dari superheater. Dengan penggunaan

economizer didapat keuntungan:

Memanfaatkan gas uap (exhaust gas) yang masih mempunyai kalor

Menurunkan atau memperkecil perbedaan temperatur antara feed water dan

saturated steam, dengan demikian tegangan (external stress) yang terdapat di

dalam ketetl dapat diperkecil sehingga bisa menaikkan efisiensi.

Dengan penggunaan economizer selain untuk menaikkan suhu air umpan

ketel juga dimaksudkan untuk menurunkan suhu gas sebab gas asap menyalurkan

panasnya pada cair dalam economizer, dimana setiap kenaikan 1C feed water

selalu diikuti penurunan suhu gas asap sebesar 2-3C.

Economizer biasanya terbuat dari susunan pipa-pipa yang membentuk heat

excahnger, dan terbuat dari besi tuang (cast iron pipa) ataupun terbuat dari pipa

baja (steel tube). Untuk pipa-pipa drai besi tekanan yang diizinkan adalah sampai

22 atm (atmosfer melebihi), sedangkan pada tekanan yang leih besar lagi

dipergunakan steel tube economizer. Economizer dari pipa besi banyak

dipergunakan pada ketel-ketel pipa api karena tekanan yang dihasilkan rendah.

Steel tube yang digunakan sebagai economizer kadang-kadang juga

menghasilkan uap. Apabila economizer yang dipergunakan juga berfungsi

14

menghasilkan uap, maka disebut steaming economizer. Pada prakteknya

pemanasan feed water dapat dilakukan dengan 2 cara:

Pemanasan dengan memanfaatkan gas asap dan alatnya disebut economizer.

Pemanasan dengan exhaust steam

Uap yang masih mempunyai panas/kalor disalurkan untuk pemanasan lagi.

Alat yang digunakan untuk memanasi feed water dengan exhaust steam disebut

feed water heater. Ada 2 macam feed water heater yaitu:

Open type feed water heater (direct contact).

Di sini antara feed water dan exhaust steam terjadi pencampuran. Uap

yang tak mengembun dikeluarkan melalui pipa pernapasan (vent pipa) yang

letaknya di atas.

Close type (surface water heater)

Di sini antar exhaust steam dan feed water tak ada kontak langsung.

Perpindahan panas melalui bidang pemanasan. Close type water heater

berbentuk silinder dimana dalam silinder terdapat pipa-pipa berisi feed

water.

3. Air heater

Udara yang dipergunakan untuk pembakaran sebelum masuk ke dalam

ruang bakar terlebih dahulu dilewatkan dengan alat yang namanya air heater atau

luvo, dimana tujuannya adalah untuk menaikkan suhu udara pembakaran

sehingga dapat menaikkan efisiensi pembakaran. Luvo ini biasanya diletakkan di

belakang economizer sehingga sebagai media pemanas di luvo adalah gas asap

yang keluar dari economizer luvo berbentuk besi exchanger, yang mana salah

satu jenisnya adalah regenerative type air heater.

Air heater berbentuk silinder berisi pipa-pipa yang dilengkapi dnegan rotor

yang memutar. Gas asap atau flue gas masuk pada salah satu sisi pemasukan

berjalan dari bawah ke atas. Tempat pemasukan diikatkan pada stater yang tak

ikut berputar. Udara untuk pembakaran dimasukka ke sisi lainnya dari atas ke

bawah. Rotor berputar dengan kecepatan yang rendah sekali sehingga memberi

kesempatan pada gas asap untuk meyerahkan panasnya pada permukaan pipa-

pipa itu, setelah menerima sebagian panas dengan perputaran rotor, maka udara

dilewatkan pipa untuk pembakaran.

15

4. Dapur pembakaran (furnace)

Dapur pembakaran adalah suatu ruangan temapat terjadinya proses

pembakaran dari bahan bakar. Kedudukan dapur pada ketel upa harus

direncanakan sedemikian rupa sehingga panas yang dihasilkan dari pembakaran

bahan bakar di ruang dapur dapat diserap dengan baik oleh air ketel dan kerugian

panas harus diusahakan sekecil mungkin. Pada dasarnya dapur pembakaran

dibagi 2 jenis:

1. Dapur dengan pengapian di atas kisi panggangan (gratifired furnaces).

Dapur ini digunakan untuk ketel-ketel yang menggunakan bahan bakar

padat, dimana bahan bakar terebut dibakar di atas sejumlah kisi-kisi yang

mempunyai celah udara untuk pembakar. Kisi panggangan ini sering disebut

rangka bakar.

2. Dapur dengan pengapian disemburkan (pulverined fuel furnaces).

Digunakan untuk ketel-ketel yang menggunakan bahan bakar: air, gas

atau powder (tepung), dimana bahan bakar tersebut disuspensikan dan

berbentuk nyala (flame).

Berdasarkan cara memasukkan udara dan bahan bakar (system feeding),

maka pengumpanan bahan bakar padat dibagi 2 macam:

Pengumpanan secara manual (dengan tangan, head fired)

Pengumpanan secara mekanis, secara otomatis

Sistem pengumpanan secara manual digunakan pada ketel-ketel tekanan

rendah atau kapasitas rendah. Hal ini disebabkan terbatasnya kecepatan melempar

bahan bakar ke dalam ruang dapur dengan menggunakan tangan biasa. Untuk

pengumpanan dengan tangan, biasanya bentuk rangka bakar berupa kisi-kisi yang

stasioner. Bentuk kisi panggangan yang stasioner.

5. Rangka bakar

Rangka bakar merupakan suatu rangka dimana alat untuk menyangga bahan

bakar dalam ruang bakar dan padanya terdapat lubang-lubang udara primer

berkisar antara 20-40%dari luas rangka bakar, dan tergantung pada jenis bahan

bakar yang dipergunakan. Perbandingan dengan luas bidang pemanasan biasanya

adalah: 1 m2 rangka bakar memanasi 40-60% heating surface.

16

Selain rangka bakar stasioneri yang digunakan pada sistem pengumpanan

manual. Masih ada jenis-jenis rangka bakar yang digunakan untuk siste

pengumpanan mekanis, yaitu:

a. Rangka bakar datar

b. Rangka bakar tangga

c. Rangka bakar rantai

III.3. Baku Mutu Air Boiler

Batasan terhadap nilai parameter-parameter penting untuk air umpan boiler,

sering ditentukan oleh pihak pembuat alat, atau dapat mengacu pada kriteria dari

badan-badan International seperti ASME dan ABMA. Boiler adalah tungku dalam

berbagai bentuk dan ukuran yang digunakan untuk menghasilkan uap dengan cara

penguapan air untuk dipakai pada pembangkit tenaga listrik lewat turbin, proses

kimia, dan pemanasan dalam produksi, dll. Dalam istilah lain biasa disebut ketel uap

yaitu alat untuk menghasilkan uap, yang terdiri dari dua bagian utama, yaitu sisi api

sebagai penyedia panas dan sisi air sebagai bagian untuk proses penguapan air

menjadi uap. Uap kemudian keluar dari boiler untuk digunakan dalam berbagai

aplikasi seperti pemanas, turbin, dll.

Air yang digunakan pada proses pengolahan dan air umpan boiler diperoleh

dari air sungai, air waduk, sumur bor dan sumber mata air lainnya. Kualitas air tersebu

ttidak sama walaupun menggunakan sumber air sejenis, hal ini dipengaruhi oleh

lingkungan asal air tersebut. Sumber mata air sungai umumnya sudah mengalami

pencemaran oleh aktivitas penduduk dan kegiatan industri, oleh sebab itu perlu

dilakukan pemurnian. Air umpan boiler harus memenuhi spesifikasi yang telah

ditentukan agar tidak menimbulkan masalah-masalah pada pengoperasian boiler. Air

tersebut harus bebas dari mineral-mineral yang tidak diinginkan serta pengotor-

pengotor lainnya yang dapat menurunkan efisiensi kerja dari boiler. Feed water harus

memenuhi prasyarat tertentu seperti yang diuraikan dalam tabel di bawah ini:

Tabel 3.1 Parameter Air Umpan Boiler (SNI 19-1719-1989)

Parameter Satuan Pengendalian Batas

pH Unit 10,5 11,5

Konduktivitas mhos/cm 5000 (maksimal)

17

Total Dissolved

Solid

ppm 3500 (maksimal)

P-Alkalinitas ppm -

M-Alkalinitas ppm 800 (maksimal)

O-Alkalinitas ppm 2,5 x SiO2 (minimum)

T, hardness ppm -

Silika ppm 150 (maksimal)

Besi ppm 2 (maksimal)

Residual fosfat ppm 20 50

Residual sulfit ppm 20 50

pH kondensat ppm 8,0 9,0

Sumber: Sisni. Bsn.go.id

Pada proses penguapan dalam ketel uap, air menjadi uap. Uap yang dihasilkan

adalah air murni dalam fasa uap (H2O) dimana ion-ion yang terkandung dalam air

boilernya tidak turut menguap. Sebagai akibatnya, konsentrasi ion-ion yang berada

dalam fasa cairnya (air boiler) semakin lama akan semakin tinggi dimana apabila hal

ini tidak dikendalikan kenaikan konsentrasi ion-ion tersebut akan menuju bilangan

tak terhingga, sehingga konsekuensinya pengerakan pada pipa-pipa boiler tidak akan

bisa dihindarkan. Pengendalian ion-ion dalam air boiler tersebut pada sistim boiler

dilakukan dengan membuang sebagian dari air boiler secara kontinyu dan disebut

sebagai blow-down.Tujuan blow-down adalah untuk menjaga agar ion-ion yang ada

dalam air boiler tidak melebihi batasan-batasan yang telah ditentukan.

III.4. Pengendalian Mutu Air Umpan Boiler

Air umpan boiler memiliki standarbaku mutu tertentu. Namun, sumber air baku

untuk umpan boiler belum memenuhi standar yang telah ditentukan. Oleh karena itu,

dilakuka npengolahan secara eksternal untuk membuang padatan tersuspensi,

padatan terlarut (terutama ion kalsium dan magnesium yang merupakan penyebab

utama pembentukan kerak) dan gas-gas terlarut (oksigen dan karbondioksida). Proses

pengolahan eksternal dilakukan melalui beberapa tahapan sebagai berikut:

Koagulasi dan Flokulasi

Sedimentasi

Filtrasi

Demineralisasi

18

Softening

Deaerasi

Gambar 3.3. Diagram Pengolahan Air Umpan Boiler (Sumber: UNEP, 2006)

III.5. Pemeliharaan Boiler

Boiler yang berperan dalam proses pengubahan air menjadi uap memerlukan

perlakuan dan perawatan khusus. Masalah yang timbul pada boiler umumnya

disebabkan oleh perlakuan air umpan boiler yang tidak memenuhi persyaratan. Untuk

perawatan dan pemeliharaan boiler dapat dilakukan dengan cara sebagai berikut:

1. Proses Commisioning awal

2. Operasi pada keadaan normal dan emergency (darurat)

3. Pengawasan dan perawatan

4. Ruangan ketel

III.6. Perlakuan Terhadap Kondensat (Condensate Treatment)

Perlakuan terhadap kondensat mencakup pengendalian korosi di system

kondensat dan perbaikan mutu kondensat (condensate polishing). Sekalipun

kondensat yang diumpankan kembali relatif murni, tetapi mungkin masih

mengandung impurities dari hasil proses korosi, dan erosi, baik yang larut maupun

yang tidak larut. Impurities tersebut dapat berupa mineral-mineral, kesadahan dan

minyak. Condensate polishing dimaksudkan untuk meminimumkan jumlah

impurities tersebut agar dapat mencegah pembentukan kerak pada ketel dan turbin,

dan meminimumkan pengaruh korosif. Tahap perbaikan kondensat merupakan

kombinasi dari tahap filtrasi dan pertukaran ion. Sistem pertama yang dipakai adalah

19

sistem filtrasi dan pertukaran ion secara terpisah. Filtrasi digunakan untuk menyaring

pengotor tersuspensi dan minyak.

Tahap filtrasi saja sudah cukup memadai jika dipakai untuk menyaring

impurities pada saat start-up dan operasi normal. Tetapi jika terjadi kebocoran pada

pipa kondensat dan padatan terlarut banyak memasuki kondensat, tahap filtrasi saja

tidak cukup dan dibutuhkan sistem demineralisasi (mix-bed demineralizer) untuk

operasi perbaikan. Alternatif lain yang dapat dipakai adalah penggunaan tahap filtrasi

dan demineralisasi dalam satu alat

III.7. Utilitas Pengguna Steam

Hampir semua industri kimia mendapatkan manfaat dari penggunaan steam

baik sebagai media penukar panas, pemanas, atau bahkan sebagai media penggerak

turbin pembangkit listrik. Berikut beberapa utilitas yang umum dijumpai dalam

industri kimia dan menggunakan steam:

Boiler

Boiler merupakan alat pembuat steam yang umum dijumpai dalam industri

kimia, yang berfungsi untuk menyuplai steam menuju alat penukar panas,

evaporator, dan reaktor. Boiler terdiri dari tiga sistem, yaitu: sistem air umpan,

berfungsi untuk mengontrol air yang disuplai ke dalam boiler untuk diubah

menjadi steam. Sistem steam, berfungsi untuk mengontrol produksi steam dalam

boiler yang bekerja dengan cara mengalirkan steam melalui sistem perpipaan ke

titik pengguna. Sistem bahan bakar, berfungsi untuk menyediakan bahan bakar

yang berfungsi sebagai energi penghasil panas yang dibutuhkan oleh boiler.

Heat Exchanger

Prinsip kerja pada alat penukar panas adalah terdapat dua fluida dengan suhu

yang berbeda, dialirkan melalui shell dan tube sehingga pada kedua fluida

tersebut terjadi perpindahan panas secara tidak langsung. Adapun steam yang

digunakan pada alat penukar panas umumnya berjenis saturated steam, meskipun

tidak jarang dijumpai heat exchanger dengan pemanas berupa superheated steam.

Evaporator

Evaporator merupakan alat yang berfungsi untuk memisahkan solvent dari

larutan solute berdasarkan perbedaan titik didih yang dimiliki keduanya, untuk

menghasilkan produk yang lebih pekat. Untuk proses pemisahan solvent dari

20

larutan solute, maka dibutuhkan panas (kalor) yang umumnya didapat dari boiler

atau furnace.

Terdapat beberapa komponen dasar dari sebuah evaporator, yaitu: heat

exchanger, yang berfungsi untuk menukar panas dari medium pemanas (steam)

ke produk secara tidak langsung. Vacuum, berfungsi untuk menjaga produk tetap

pada suhu rendah yang berfungsi untuk mencegah kerusakan kandungan-

kandungan dalam produk. Vapour separator, berfungsi untuk mengembalikan

padatan dan uap air ke condenser. Condenser, berfungsi untuk mengubah uap air

menjadi air dalam fasa liquid dalam heat exchanger.

III.8. Contoh Soal

Tentukan efisiensi dari siklus rankine pada siklus uap dengan tekanan

kondensor 10 Kpa. Tekanan uap keluar boiler ialah 2 Mpa. Uap keluar dari boiler

sebagai uap jenuh.

Kondisi 1.

Pada kondisi ini, fluida kerja diasumsikan sebagai kondisi cair jenuh.

Karenanya kita dapat mengetahui sifat termodinamika pada kondisi 1.

P1 = 10 Kpa (parameter diketahui dari soal)

v1 = 0,00101 m3/kg (Kondisi uap jenuh ; tabel tekanan)

h1 = 191,8 Kj/Kg (Kondisi uap jenuh ; tabel tekanan)

Kondisi 2.

Dalam kondisi ini, tekanan kerja dari fluida kerja telah meningkat dan fluida

kerja mengalami perubahan fasa dari kondisi cair jenuh menjadi kondisi cair. Hal ini

dapat dilakukan dengan memompa fluida kerja sebelum fluida tersebut masuk ke

boiler. Dikarenakan fluida kerja tidak dalam kondisi jenuh, maka kita dapat

mengetahui sifat termodinamik dari fluida kerja.

P2 = 2 Mpa (Parameter diketahui dari soal)

v1 = v2 = 0,00101 m3/kg (Karena pada kondisi ini fluida kerja memiliki

volume spesifik yang tidak berubah dari kondisi cair jenuh menjadi kondisi cair).

Enthalpi dari fluida kerja tidak dapat langsung diperoleh dari tabel uap jenuh.

Kita dapat memperoleh entalphy dengan menggunakan bantuan hukum I

thermodinamika untuk proses pemompaan. Kerja pompa dinyatakan dengan :

Wp = v (P2-P1) Wp = h2 + h1

= 0,00101 (2000 10) h2 = Wp + h1

21

= 2,0 Kj/Kg =2,0 + 191,8 = 193,8 Kj/Kg

Kondisi 3.

Pada kondisi ini, fluida kerja telah dipanaskan dalam ketel hingga mencapai

kondisi uap jenuh. Karena uap berada dalam kondisi jenuh, maka kita dapat

mengetahui sifat termodinamik dari fluida kerja dalam tabel termodinamika untuk

sifat uap.

P3 = 2 Mpa (Parameter diketahui dari soal)

s3 = 6,3409 Kj/KgOK (kondisi uap jenuh ; didapat dari tabel uap air)

h3 = 2799,5 Kj/Kg (kondisi uap jenuh ; didapat dari tabel uap air)

Perlu diketahui, bahwa penting untuk memperoleh harga entropy dari fluida

kerja pada kondisi ini. Hal ini dikarenakan jika kita memperhatikan ke proses

selanjutnya, fluida kerja tersebut akan diekspansikan ke turbine dan akan berubah

sifat dari uap jenuh menjadi uap campuran (uap dan cairan). Sehingga kita tidak dapat

mengetahui sifat termodinamika dari fluida kerja dalam tabel uap. Kita juga akan

memerlukan harga dari kualitas (fraksi). Kita dapat memperoleh kualitas dari fluida

kerja pada kondisi 4 dengan menentukan besarnya entropi terlebih dahulu. Proses

yang terjadi pada turbin ialah proses ekspansi adiabatik reversible, sehingga entropy

dari kondisi 4 sama dengan entropi fluida kerja pada kondisi 3.

Kondisi 4.

P4 = 10 Kpa (Parameter diketahui dari soal; tekanan kondensor)

s4 =s3 = 6,3409 Kj/KgOK (Ekspansi Adiabatik reversible di turbin)

sf4 = 0, 6493 Kj/KgOK (Kondisi Uap Jenuh : didapat dari tabel uap air)

sfg4 = 7, 5009 Kj/KgOK (Kondisi Uap Jenuh : didapat dari tabel uap air)

hf4 = 191, 8 Kj/KgOK (Kondisi Uap Jenuh : didapat dari tabel uap air)

hfg4 = 2392.8 Kj/KgOK (Kondisi Uap Jenuh : didapat dari tabel uap air)

Kualitas uap pada kondisi 4 dapat dihitung menurut persamaan berikut :

s4 = sf4 + x sfg4

6,3409 = 0, 6493 + x (7, 5009)

x = 0,7588

Enthalpi dari uap pada kondisi 4 dapat dihitung dengan

persamaan berikut :

h4 = hf4 + x hfg4

h4 = 191, 8 + (0,7588)( 2392,8)

= 2007,5 Kj/Kg

22

Panas yang dipindahkan oleh boiler sebesar :

qi = h3 - h2

= 2799,5 193,8

= 2605,7 Kj/Kg

Panas yang diserap oleh Kondensor sebesar :

qo = h4 - h1

= 2007,5 191,8

= 1815,7 Kj/Kg

Kerja turbine sebesar :

wt = h3 - h4

= 2799,5 2007,5

= 792 Kj/Kg

23

BAB IV

PENUTUP

IV.1. Kesimpulan

1. Boiler merupakan bejana tertutup di mana panas pembakaran dialirkan ke air

sampai terbentuk air proses atau steam. Media yang digunakan adalah air untuk

mengalirkan panas ke suatu proses karena murah.

2. Faktor yang mendasari pemilihan jenis boiler adalah sebagai berikut, kapasitas

yang digunakan, kondisi uap yang dibutuhkan, bahan bakar yang dibutuhkan, dan

konstruksi yang sederhana.

3. Uap air adalah sejenis fluida yang merupakan fase gas dari air, bila mengalami

pemanasan sampai temperatur didih dibawah tekanan tertentu. Uap air tidak

berwarna, bahkan tidak terlihat bila dalam keadaan murni kering. Uap air dipakai

pertama sekali sebagai fluida kerja adalah oleh James Watt yang terkenal sebagai

penemu Mesin Uap Torak.

4. Batasan terhadap nilai-nilai parameter penting untuk air umpan boiler ditentukan

oleh pihak dari pembuat alat, atau dapat mengacu dari kriteria dari badan-badan

Internasional seperti ASME dan ABMA.

5. Untuk memenuhi baku mutu air umpan boiler maka harus ada pengendaliaannya,

maka dilakukan pengolahan secara external yang meliputi diantaranya adalah,

koagulasi dan flokulasi; sedimentasi; filtrasi; demineralisasi; softening; dan

deaerasi.

6. Berbagai permasalahan dapat terjadi pada boiler yang disebabkan oleh perlakuan

air umpan boiler yang tidak memenuhi persyaratan, untuk pemeliharaannya dapat

dilakukan dengan proses commisioning awal; operasi pada keadaan normal dan

emergency; pengawasan dan perawatan; dan ruangan ketel.

IV.2. Saran

1. Perlunya beberapa pertimbangan dalam pemilihan boiler.

2. Selain diadakan pengolahan eksternal, untuk menjaga agar boiler tidak cepat

rusak, serta tidak terbentuk fouling, scaling, dan sebagainya, maka diperlukan

pengolahan lebih lanjut; pengolahan internal.

3. Pada umumnya, diperlukan pembersihan secara rutin pada alat penukar panas

untuk mengoptimalkan proses perpindahan panas yang terjadi.

24

DAFTAR PUSTAKA

Effendi, Dwi Ardiyanto. 2013. Rancang Bangun Boiler untuk Proses Pemanasan Sistem Uap

pada Industri Tahu dengan Menggunakan Catia V-5. Jurusan Teknik Mesin Fakultas

Teknik Universitas Negeri Semarang.

Saputra, Hendra, dkk. 2012. Studi Teknis dan Ekonomis Perubahan Steam Boiler Menjadi

Thermal Oil Boiler Sebagai Pemanas Hfo Pada Kapal MV Amazon. ITS. Department of

Marine Engineering, Faculty of marine Technology.

United Nations Environment Programme (UNEP). 2006. Cleaner Production Energy

Efficiency Manual Guidelines for the integration of Cleaner Production and Energy

Efficiency. (distribusi steam dan penggunaanya) www.uneptie.org. Diakses pada tanggal

8 maret 2014.

Wall, John, et. Al. 2009. Saturated steam vs superheated steam. www.systhermique.com.

Diakses pada tanggal 16 mei 2015.