8/7/2019 pendahuluan 27.02.07

1/10

PAP TKS 3246 Martunus

Perancangan Alat Proses (TKS 3246)

Martunus, ST, MT.

Buku Acuan:

1. Brownell, L.E. & Young, E.H., Process Equipment Design, John Wiley &Sons, Inc., New York.

2. Buthod, P. & Megyesy, E.F., 1983, Pressure Vessel HandBook, 6 ed.,

Publishing Inc., Tusla, USA.

3. Moss, D.R., 1997, Pressure Vessel Design Manual, 2 ed., Gulf Publishing

Company, Houston.

4. Walas, S.M., 1988, Chemical Process Equipment, Butterworth Publisher

Inc., USA.

5. Coulson, J.M. & Richardson, J.F., Chemical Engineering: An

Introduction to Chemical Engineering Design, Vol. 6, Pergamon Press

Inc., Maxwell House, New York.

6. Das, D.K. & Prabhudesai, R.K., 1996, Chemical Engineering LicenseReview, 2 ed, Engineering Press, San Jose.

8/7/2019 pendahuluan 27.02.07

2/10

PAP TKS 3246 Martunus

PENDAHULUAN

Faktor utama yang mempengaruhi dalam pemilihan dan perancangan bejana

(vessel) adalah:

Fungsi dan lokasi bejana

Sifat fisis fluida yang akan digunakan

Suhu dan tekanan operasi

Volum/kapasitas penyimpanan atau proces

Bejana (vessel)

Berdasarkan bentuk geometrinya bejana dapat diklasifikasikan ke dalam 2

bentuk yaitu:

1. Open tanks (bejana terbuka)

Bejana jenis ini digunakan jika fluidanya: tidak bewujud gas, tidak mudah

menguap, tidak mudah terbakar, tidak menjijikkan, tidak berbahaya dan tidak

beracun. Bejana yang termasuk ke dalam katagori ini adalah berupa

tangki/vessel tanpa tutup atau bak terbuka yang beroperasi pada tekanan

atmosferis dan suhu kamar. Bejana terbuka biasanya digunakan pada: tangki-

tangki unit pengolahan air; tangki penampung bejana proses (separtor padat-cair,

dekanter, rotary drum, dll.) yang menghasilkan padatan/slurry yang tidak

berbahaya atau air yang ingin dipisahkan; bejana penyimpan bahan baku atau

produk yang berbentuk butiran dengan ukuran tertentu seperti: bin; dll. Bahan

konstruksi untuk bejana jenis ini biasanya adalah baja karbon, konsentrat dan

kayu yang tahan terhadap proses pelapukan.

8/7/2019 pendahuluan 27.02.07

3/10

PAP TKS 3246 Martunus

2. Closed vessels (bejana tertutup)

Bejana jenis ini digunakan jika fluidanya: berwujud gas, mudah menguap, mudah

terbakar, menjijikkan, berbahaya dan beracun. Bejana yang termasuk ke dalam

katagori ini adalah berupa tangki/vessel tertutup yang beroperasi pada tekanan

dan suhu tertentu. Closed vessels berdasarkan bentuk geometrinya dapat dibagi

menjadi:

Tangki silinder tegak dengan tutup atas berbentuk konikal dan

tutup bawah (alas) berbentuk flat.

Bejana ini hanya digunakan untuk menyimpan bahan baku atau

produk yang beroperasi pada tekanan atmosferis dan lokasi yang tersedia

cukup luas. Bejana jenis ini merupakan bejana yang paling ekonomis dalam

perancangannya karena shell/plate yang digunakan lebih tipis dibandingkan

dengan bejana yang beroperasi pada tekanan > 1 atm dan tutup (head) lebih

mudah dibuat dibandingkan jenis lainnya. Disamping itu setiap coursenya

dapat digunakan dengan ketebalan yang berbeda dan jenis bahan konstruksi

yang berbeda pula (lihat Fig. 2.6. Brownell & Young).

Pada perancangannya jika diameter tangki < 10 ft maka diameter

dapat dibuat sama dengan tinggi tangki (D = H) dan shell tanpa course atau

dengan satu ketebalan. Bahan konstruksi yang digunakan biasanya adalah

SA-7, SA-283 grade C atau D.

Untuk tutup bawah (flat battom) jika diameter tangki 20 ft dapat

digunakan head jenis flanged only. Jika diameter tangki > 20 ft maka flat

bottom ketebalannya disamakan dengan course shell paling bawah dan

dilebihkan sekitar 10 cm dari diameter tangki. Jenis sambungan atau

8/7/2019 pendahuluan 27.02.07

4/10

PAP TKS 3246 Martunus

pengelasan shell dengan flat bottom dapat dilihat pada Fig. 4.1. Brownell &

Young.

Sebelum tangki ini dipasang maka lokasi bejana ini harus diberi

fondasi terlebih dahulu sesuai dengan total stress yang diberikan tangki dalam

keadaan penuh.

Bejana silinder tegak atau horizontal dengan tutup ke dua ujunnya.

Bejana silinder horizontal dan tegak dapat digunakan sebagai bejana

penyimpan bahan baku/produk dan bejana proses. Bejana horizontal dan

tegak digunakan sebagai penyimpan bahan baku atau produk pada kisaran

tekanan operasi > 1 atm atau lokasi yang tersedia relatif kecil

Bejana horizontal dengan diameter < 12 ft dapat digunakan sebagai

bejana pengangkut bahan kimia pada truk trailer. Umumnya satu bejana

horizontal dapat digunakan sebagai bejana penyimpan bahan baku atau

produk dengan diameter 35 ft dan panjang 200 ft. Jika cairan ingin

disimpan jumlah sangat besar maka bejana horizontal dapat buat dalam

beberapa bejana dengan ukuran yang sama dan disusun seperti baterai (lihat

Fig. 1.3. Brownell & Young).

Sebagai tutup (head) bejana jenis ini dapat digunakan semua jenis

bergantung pada tekanan operasi seperti: conical, toriconical, torispherical,

elliptical dished dan hemispherical.

Semua industri kimia menggunakan bejana jenis ini, contoh bejana

silinder tegak: tangki penyimpan tekanan tinggi, kolom distilasi, absorber,

desorber, scrubber, striper, ekstraktor, heat exchanger, separator tegak,

8/7/2019 pendahuluan 27.02.07

5/10

PAP TKS 3246 Martunus

reaktor, dll. Sedangkan silinder horizontal: tangki penyimpan tekanan tinggi,

heat exchanger horizontal, ekstraktor horizontal, separator horizontal dll.

Bejana berbentuk bola (spherical vessel)

Bejana ini untuk menyimpan gas pada tekanan relatif tinggi sampai

200 psig dengan kapasitas cukup besar 42.000 sampai 1.050.000 gal. Pada

proses penyimpanan bejana ini dapat juga disusun secara baterai (lihat Fig.

1.4. Brownell & Young). Modifikasi ini dimaksudkan untuk pertimbangan

ekonomisnya yaitu dengan volum yang besar tetapi tekanannya diturunkan.

Bejana ini juga dapat dimodifikasi menjadi semi-ellipsiodal untuk kapasitas

penyimpanan yang sangat besar dengan tekanan vakum (lihat Fig. 1.5.

Brownell & Young).

Head

Head adalah bagian tutup suatu bejana (vessel), penggunaannya disesuaikan

dengan tekanan operasi bejana.

Berdasarkan bentuk geometrinya tutup (head) bejana dapat diklasifikasikan

sebagai berikut (lihat Fig. 5.7. & Fig. 5.15. Brownell & Young; Fig. 18.17. Walas;

hal. 18-26 Buthod & Megyesy; hal. 31-57 Moss; hal. 643-644 Coulson &

Richardson):

1) Flanged-only head

Perancangan head ini adalah yang paling ekonomis karena merupakan

gabungan antara flange dan flat plate.

Aplikasi dari flanged-only dapat digunakan sebagai tutup bejana penyimpan

jenis silinder horizontal yang beroperasi pada tekanan atmosferis. Tipe bejana

8/7/2019 pendahuluan 27.02.07

6/10

PAP TKS 3246 Martunus

dengan jenis head ini dapat digunakan untuk menyimpan antara lain: fuel oil (minyak

bakar), kerosin, minyak solar atau cairan yang mempunyai tekanan uap rendah. Di

samping itu dapat digunakan sebagai tutup bawah (alas) pada tangki silinder tegak

dengan tutup atas konikal, kisaran diameternya 20 ft.

2) Flanged standard dished & flanged shallow dished heads

Head jenis ini umumnya digunakan untuk bejana horizontal yang menyimpan

cairan yang mudah menguap (volatil) seperti: nafta, bensin, alkohol dll. Sedangkan

pada bejana silinder tegak biasanya digunakan sebagai bejana proses yang beroperasi

pada tekanan rendah (vakum).

Jika diinginkan diameter head diameter shell maka digunakan flanged

standard dished sedangkan jika diinginkan diameter head diameter shell maka

digunakan flanged shallow dished head.

3) Flanged & dished head (Torispherical head)

Head tipe ini digunakan pada bejana yang beroperasi pada tekanan 15 sampai

200 psig. Kisaran tekanan head ini (dari 15 psig sampai 200 psig) dapat dinaikan

dengan mengurangi lokal stress yang berada pada sudut head. Modifikasi ini

dilakukan dengan cara membuat icr head ini sekurang-kurangnya tiga kali tebal shell

atau 6% diameter dalam bejana. Perancangan head ini ada dalam kode-kode

standar yang wajib dipakai seperti ASME (American Society of Mechanical

Engineering) dll.

4) Elliptical dished head

Kode spesifikasi untuk head ini sudah dibakukan oleh ASME-API (American

Petroleum Institute) pada konferensi ASME. Head tipe ini digunakan pada bejana

yang beroperasi pada tekanan > 200 sampai 400psig.

8/7/2019 pendahuluan 27.02.07

7/10

PAP TKS 3246 Martunus

5) Hemispherical Head

Head tipe ini dapat digunakan sampai 2 kali kisaran tekanan operasi pada

head jenis elliptical pada bejana silinder dengan ketebalan dan diameter yang sama.

6) Conical & Toriconical head

Conical head digunakan sebagai tutup atas pada tangki silinder tegak dengan

dengan alas flat bottom yang beroperasi pada tekanan atmosferis. Disamping itu juga

digunakan sebagai tutup bawah pada alat-alat proses seperti: evaporator, spray drier,

crystallizer, bin, hopper dan tangki pemisah dll.

Besarnya sudut ( ) yang dibentuk pada jenis conical pada tutup atas tangki

silinder tegak dengan dengan alas flat bottom adalah < 45 o (menurut Moris) tetapi

menurut Buthod & Megyesy < 30o. Sebaiknya menggunakan < 30o, karena 30o P

operasi) supaya bejana mempunyai ketahanan dan dapat beroperasi sampai

waktu yang lama.

Maximum allowable stress value (f atau S)

Maximum allowable stress nilainya berbeda-beda untuk tiap bahan konstuksi

yang berbeda. Nilai f atau S ini dapat dilihat pada Tabel 13.1 Brownel &

Young atau Tabel pada hal. 148-149 Buthod & Megyesy.

Joint efficiency (E)

Joint efficiency atau efisiensi pengelasan dapat dilihat pada Tabel 13.2

Brownel & Young; Tabel pada hal 134 Buthod & Megyesy atau Tabel 13.3.

Coulson & Richardson.

8/7/2019 pendahuluan 27.02.07

9/10

PAP TKS 3246 Martunus

Corrosion allowance (c)

Corrosion allowance atau faktor korosi adalah faktor penambahan ketebalan

pada logam atau metal yang disebabkan hilangnya atau erosi dan scale pada

bejana. Kecepatan korosi per tahun diperkirakan sekitar 0,25 mm/tahun jika

umur alat 10 tahun maka nilai c = 2,5 mm, umumnya nilai c berkisar antara 1

sampai 4 mm. Sebagai contoh carbon steel yang sering digunakan adalah

SA-283 atau SA-285 grade C atau D faktor korosinya adalah c = 0,125 in.

Perancangan bejana berdasarkan tekanan luar bejana (vessel under external

pressure)

Perancangan ini dimaksudkan mengantisipasi kemungkinan adanya tekanan dari

luar shell karena adanya hoop stress (tekanan ke arah sekeliling shell) seperti

bejana yang meggunakan jacket. Penggunaan jacket sebagai pemanas atau

pendingin akan menimbulkan tekanan ke arah shell yang dibawa oleh media

pemanas atau pendingin tersebut. Disamping itu untuk menentukan apakah

bejana tersebut perlu penguat atau tidak, serta menentukan berat bejana.

8/7/2019 pendahuluan 27.02.07

10/10

PAP TKS 3246 Martunus

Metoda Perancangan Bejana

Metoda Perancangan Bejana menurut ASME dapat dibagi dalam 2 cara:

I. Design by rule (Perancangan dengan persamaan)

Perancangan cara ini menggunakan persamaan-persamaan sederhana untuk

menentukan ketebalan minimum (vessel under internal pressure) atau tekanan kerja

maksimum untuk kondisi tekanan beban (vessel external pressure). Perancangan

dengan metoda ini lebih: sederhana, cepat dan umumnya digunakan pada

perancangan bejana bertekanan, karena dapat mengurangi biaya teknis

perancangan.

II. Design by analysis

Perancangan ini berdasarkan teori maksimum shear stress. Teori ini menggunakan

metoda linear elastisitas, katagori persamaan stress dan pendekatan limit untuk

menentukan perancangan kondisi beban pada bejana. Metoda juga membutuhkan

analisis ketahanan bejana (fatigue analysis) dan evaluasi retak mekanis

(fracture

mechanics evaluations). Perancangan dengan cara analisis ini didasarkan pada

analisis plastik, analisis elastisitas plastik dan penelitian analisis stress. Design by

analysis membutuhkan derajad keteknikan (keahlian) yang lebih baik dari design

by rule karena semua aspek bejana harus dipertimbangkan dan dievaluasi.