ANALISA PENGARUH HOT BOX DAN PEMANASAN AWAL PADA SAMBUNGAN SHELL SKIRT UNTUK MENENTUKAN UMUR PAKAI COKE DRUM SKRIPSI

ANALISA PENGARUH HOT BOX DAN PEMANASAN AWAL PADA

  SHELL SKIRT UNTUK MENENTUKAN UMUR PAKAI SAMBUNGAN COKE DRUM SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

  Oleh : CHABIB MUHAMMAD (090401025) DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N 2014

ANALISA PENGARUH HOT BOX DAN PEMANASAN AWAL PADA

  SHELL SKIRT UNTUK MENENTUKAN UMUR PAKAI SAMBUNGAN COKE DRUM CHABIB MUHAMMAD NIM. 09 0401 025

  Diketahui / Disahkan Disetujui Ketua Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing, Fakultas Teknik – USU

  Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Dr.Eng.Himsar Ambarita, ST.MT NIP. 196412241992111001 NIP.197206102000121001

ANALISA PENGARUH HOT BOX DAN PEMANASAN AWAL PADA SAMBUNGAN

  SHELL SKIRT UNTUK MENENTUKAN UMUR PAKAI COKE DRUM CHABIB MUHAMMAD NIM. 09 0401 025 Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar Tugas Skripsi Periode ke- 676 Tanggal 8 Januari 2014 Disetujui Oleh:

  Dosen Pembanding I Dosen Pembanding II Tulus B. Sitorus, ST. MT.

  NIP. 197209231986011001 NIP. 195704121985031004 Ir. Tugiman, MT.

ANALISA PENGARUH HOT BOX DAN PEMANASAN AWAL PADA SAMBUNGAN

  SHELL SKIRT UNTUK MENENTUKAN UMUR PAKAI COKE DRUM CHABIB MUHAMMAD NIM. 09 0401 025 Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar Tugas Skripsi Periode ke- 676 Tanggal 8 Januari 2014 Disetujui Oleh: Pembimbing NIP. 197206102000121001 Dr.Eng.Himsar Ambarita, ST.MT DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK MEDAN

  

KARTU BIMBINGAN

TUGAS SARJANA MAHASISWA

  No : 2050 / TS / 2013 Sub. Program Studi : Konversi Energi Bidang Tugas : Computational Fluid Dynamic (CFD) Judul Tugas : Analisa Pengaruh Hot Box dan Pemanasan Awal Pada

  Sambungan Shell Skirt Coke Drum Untuk Menentukan Umur Pakai Coke Drum

  Diberikan Tanggal: 22 Juli 2013 Selesai Tanggal : 12 Desember 2013 Dosen Pembimbing: Dr. Eng Himsar Nama Mhs : Chabib Muhammad Ambarita, ST, MT Nim : 090401025

  Tanda Tangan Dosen Pemb. No. Tanggal KEGIATAN ASISTENSI BIMBINGAN

  1

  2

  3

  4

  5

  6

  7

  8 CATATAN Diketahui,

  1. Kartu ini harus diperlihatkan KETUA DEPARTEMEN T.MESIN kepada dosen Pembimbing setiap FT USU Asistensi

  2. Kartu ini dijaga bersih dan rapi

  3. Kartu ini harus dikembalikan kedepartemen bila kegiatan Asistensi Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri telah selesai NIP. 19641224 199211 1 0

  DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : / TS/ 2013 FAKULTAS TEKNIK USU DITERIMA TGL : / / 2013 MEDAN PARAF :

TUGAS SARJANA

  NAMA : CHABIB MUHAMMAD NIM : 090401025 MATA PELAJARAN : COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD) SPESIFIKASI : Melakukan analisa pengaruh hot box dan pemanasan awal pada coke drum

  Melakukan perhitungan temepratur dan regangan dengan menggunakan perangkat lunak Melakukan validasi hasil perhitungan numerik dengan eksperimen

  DIBERIKAN TANGGAL : 22/07/2013 SELESAI TANGGAL : 12/ 12/ 2013

  MEDAN, NOVEMBER 2013 KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, DOSEN PEMBIMBING Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri Dr.Eng.Himsar A, ST, MT NIP. 1964 1224 199211 1001 NIP. 1972 0610 200012 1001

ABSENSI PEMBANDING BEBAS MAHASISWA PADA SEMINAR SKRIPSI MAHASISWA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FT. USU

  PERIODE : ke- 676 HARI/TANGGAL : Rabu / 08 Januari 2014 NAMA : Chabib Muhammad NIM : 090401025

  No Nama Mahasiswa Tanda Tangan Medan, 8 Januari 2014 Ketua Seminar Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT.

  NIP. 197206102000121001

KATA PENGANTAR

  Segala puji beserta syukur kepada Allah SWT Tuhan semesta alam atas segala berkat, rahmat, taufik, serta hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “ Pengaruh Hot Box dan Pemanasan Awal Pada Sambungan Shell Skirt untuk Menentukan Umur Pakai Alat Coke Drum”.

  Skripsi ini diselesaikan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

  Penulis menyadari bahwa dalam proses penulisan skripsi ini banyak mengalami kendala, namun berkat bantuan, bimbingan, kerjasama dari berbagai pihak sehingga kendala-kendala yang dihadapai tersebut dapat diatasi.

  Untuk itu penulis menyampaikan ucapan dan terima kasih kepada : 1. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Jurusan dan Ir. Syahril

  Gultom MT , selaku Sekretaris Jurusan Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara 2. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT., selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan ilmu serta motivasi, arahan, dan saran- saran selama menyusun skripsi 3. Bapak Tulus B.Sitorus, ST. MT. dan Bapak Ir. Tugiman MT , selaku dosen pembanding yang telah memberikan saran-saran dalam penyempurnaan skripsi 4. Bapak Masaki Oka, Himsar Ambarita, Mashasi Daimaruya dan Hiroyuki

  Fujiki yang telah melakukan perhitungan temperatur dan regangan secara eksperimen pada coke drum

  5. Kedua orang tua saya Wismar Azial dan Harlina Siregar yang telah memberikan bantuan moral dan moril dalam penyelesaian skripsi ini, serta abangda Indrawan Azhary dan semua keluarga yang telah mendukung 6. Bapak dan Ibu dosen Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik

  Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan ilmu pengetahuan dan pengalaman selama penulis menuntut ilmu disana

  7. Abangda Munawir Siregar TM 08 yang telah bersedia meluangkan waktu dan memberikan ilmunya kepada penulis dalam menghadapi kesulitan dalam penelitian 8. Kawan-kawan mahasiswa Departemen Teknik Mesin Stambuk 2009, Ary,

  Indro, Tri, Ramadhan, Wahyu, Hari, Nazar, dan yang lainnya yang tidak bisa disebutkan satu persatu yang telah memberikan semangat dan masukan-masukan dalam menyelesaikan skripsi ini. Akhrinya, dengan segala kerendahan hati penulis menyadari masih banyak terdapat kekurangan-kekurangan, sehingga penulis mengharapkan adanya saran dan kritik yang membangun untuk penyempurnaan skripsi ini

  Medan, 14 Januari 2014 Penulis

  

ABSTRAK

  Coke drum merupakan salah satu bejana dari delayed coke unit pada kilang minyak yang dalam prosesnya mengalami beban panas berulang tetapi ia tidak didesain untuk beban tersebut. Oleh sebab itu coke drum memiliki umur pakai yang lebih singkat dibandingkan bejana lainnya. Penelitian kali ini berfokus kepada pengaruh hot box dan pemanasan awal pada sambungan badan dan penyangga coke drum, yang merupakan daerah dengan kemungkinan terbesar mengalami kegagalan. Temperatur pada beberapa titik coke drum dihitung dengan

  

software FLUENT kemudian dengan ANSYS Mechanical temperatur tersebut

dijadikan sebagai beban untuk menentukan regangan akibat temperatur tersebut.

  Untuk menentukan umur pakai alat digunakan persamaan Coffin manson yang konstantanya dikeluarkan oleh National Institute for Material Science (NIMS). Hasil menunjukkan bahwa coke dengan hot box akan mengalami kerusakaan setelah 7142 siklus sedangkan tanpa hot box setelah 2755 siklus. Untuk coke drum tanpa pemanasan awal akan memperpendek umur pakai menjadi 4375 siklus.

  Kata kunci : coke drum, kelelahan, software, umur pakai, hot box

  ABSTRACT

  Coke drum is one of vessel from delayed coke unit at an oil refinery are subjected cyclic thermla load but its not designed for cyclic load. Therefore coke drum has shorter lfe cycle tha the other vessel. This research focuses on effect of hot box and warming process on shell skirt junction as a high risk part of coke drum because of thermal cyclic load. Temperature and on several location measured using FLUENT and with ANSYS Mechanical software tod etermine strain because of the temperatur. Life cycle of coke drum detremine by Coffin manson’s equation issued by National Institute for Material Science (NIMS). The result show that coke drum with hot box will have fracture after 7142 cycles and coke drum without hot box after 2755 cycles. Coke drum with out warming process will decrease life cycle coke drum and will have fracture after 4372 cycles Keywords : coke drum, fatigue, software, life cycle, hot box

  DAFTAR ISI KATA PENGANTAR .............................................................................. i ABSTRAK ................................................................................................. iii ABSTRACT .............................................................................................. iv DAFTAR ISI ............................................................................................. v DAFTAR TABEL ...................................................................................... viii DAFTAR GAMBAR..................................................................................... ix DAFTAR NOTASI ................................................................................... xii

  BAB I PENDAHULUAN ................................................................. 1

  

1.1 Latar Belakang Masalah ........................................................ 1

  

1.2 Perumusan Masalah ................................................................ 3

  

1.3 Tujuan Penelitian ................................................................... 3

  

1.4 Luaran Yang Diharapkan ..................................................... 4

  

1.5 Kegunaan Penelitian ............................................................. 4

  

1.6 Sistematika Penulisan ........................................................... 5

  BAB II TINJAUAN PUSTAKA ......................................................... 6

  

2.1 Pendahuluan ............................................................................. 6

  

2.2 Kelelahan Bersiklus Rendah ................................................ 12

  

2.3 Tegangan dan Regangan Termal............................................. 17

  

2.4 Konveksi Paksa ......................................................................... 20

  

2.5 Konveksi Bebas ........................................................................ 21

  

2.6 Perpindahan Pansa Konduksi pada Dinding ........................ 23

  2.6.1 Konsep Ketahanan Termal .......................................... 26

  2.6.2 Ketahanan Termal Dinding Berlapis ......................... 27

  

2.7 Perhitungan Dinamika Fluida ................................................ 28

  2.8 Persamaan Umum Untuk Aliran Fluida dan Perpindahan Panas ................................................................... 29

  

2.9 Konservasi Massa .................................................................... 30

  

3.2 Diagram Alir Penelitian............................................................. 58

  3.3.4 Analisa ANSYS .............................................................. 76

  3.4.3.6 Pengaturan Simulasi ......................................... 74

  3.4.3.5 Ketahanan Termal .............................................. 73

  3.4.3.4 Konveksi Paksa.................................................... 72

  3.4.3.3 Konveksi Bebas.................................................... 70

  3.4.3.2 Kondisi Batas ....................................................... 65

  3.4.3.1 Temperatur .......................................................... 65

  3.4.3 Analisa CFD ................................................................... 63

  3.4.2 Pembuatan Mesh.............................................................. 62

  3.4.1 Pembuatan Model ............................................................ 61

  

3.4 Menentukan Praproses Simulasi .............................................. 61

  

3.3 Set-up Eksperimental .............................................................. 60

  

3.1 Pendahuluan .............................................................................. 58

  

2.10 Laju Perubahan pada Partikel Fluida dan Elemen Fluida... 32

  BAB III METODE PENELITIAN ........................................................ 58

  

2.16 Perhitungan Metode Elemen Hingga ................................. 51

  

2.15 Kelebihan dan Kekurangan Relaksasi ................................. 50

  

2.14 Konveksi Transien .................................................................. 47

  2.13.3 Skema Implisit Penuh .................................................. 44

  2.13.2 Skema Crank Nicolson ................................................ 44

  2.13.1 Skema Eksplisit .............................................................. 44

  

2.13 Konduksi Transien ................................................................. 42

  2.12.3 Persamaan Energi ...................................................... 40

  2.12.2 Fluks Energi Akibat Panas Konduksi ........................ 39

  2.12.1 Kerja Yang Dilakukan Oleh Gaya Permukaan .......... 37

  

2.12 Persamaan-Persamaan Energi ............................................... 37

  

2.11 Persamaan Momentum ......................................................... 34

  

3.4 Menjalankan Simulasi (Run) ............................................... 78

vi

  BAB IV HASIL DAN ANALISIS ...................................................... 79

  

4.1 Analisa Perpindahan Panas .............................................. 79

  4.1.1 Analisa Perpindahan Panas Coke Drum dengan Hot Box……………………………………………………….... 79

  4.1.2 Analisa Perpindahan Panas Coke Drum Tanpa Hot Box ………………………………………………………. 81

  

4.2 Analisa Regangan pada Coke Drum ................................... 83

  4.2.1 Analisa Regangan pada Coke Drum dengan Hot Box.. 83

  4.2.2 Analisa Regangan pada Coke Drum tanpa Hot Box...... 85

  

4.3 Validasi Terhadap Eksperimen ............................................. 86

  

4.4 Analisa Umur Pakai Akibat Kelelahan Termal...................... 89

  

4.5 Analisa Umur Pakai Coke Drum Tanpa Mengalami Proses

Pemanasan Awal .................................................................. 94 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .................................................. 97

  

5.1 Kesimpulan ............................................................................... 97

  

5.2 Saran ......................................................................................... 98

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................. xiii LAMPIRAN ................................................................................................ xiv

vii

  

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Sifat material coke drum ......................................................... 12Tabel 2.2 Persamaan momentum dan energi ............................................ 33Tabel 2.3 Hasil dari pendekatan persamaan parameter

  θ ........................... 43

Tabel 2.4 Implisit untuk 1D, 2D, dan 3D .................................................... 47Tabel 2.5 Nilai volum dan luas permukaan cell ......................................... 47Tabel 2.6 Nilai-nilai koefisien untuk persamaan (2.71) ........................... 49Tabel 2.7 Nilai F dan D untuk tabel 2.10 ................................................. 49Tabel 3.1 Kondisi batas ............................................................................. 67Tabel 3.2 Konduktifitas termal untuk mineral wool ............................... 68Tabel 3.3 Konduktifitas termal untuk alumunium ................................... 68Tabel 3.4 Hasil koeffisien konveksi natural (h) ........................................ 70Tabel 3.5 Hasil koeffisien konveksi paksa (h) ....................................... 71Tabel 3.6 Kondisi batas koeffisien konveksi(h) .................................... 73Tabel 3.7 Pengaturan simulasi .................................................................... 73Tabel 3.8 Sifat-sifat fluida ...................................................................... 74Tabel 4.1 Selisih regangan coke drum dengan hot box ............................ 90Tabel 4.2 Selisih regangan coke drum dengan hot box ............................ 90Tabel 4.3 Daftar konstan persamaan Coffin Manson ............................... 92Tabel 4.4 Menentukan umur coke drum ................................................. 93

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Proses cyclic load pada coke drum ................................. 7Gambar 2.2 (a) needle coke (b) sponge coke (shot coke) ........................ 10Gambar 2.3 Delayed cooker unit .............................................................. 11Gambar 2.4 Pengangkatan sisa hidrokarbon ke fraksional tower dan pengeluaran coke dari drum ................................................ 11Gambar 2.5 Lingkaran histeris tegangan dan regangan .......................... 14Gambar 2.6 Log-log umur kelelahan dikaitkan dengan amplitudo

  Regangan ………………………………………………… 14

Gambar 2.7 Siklus nilai regangan terhadap waktu pada pembebanan berulang ...................................................... 16Gambar 2.8 Ekspansi yang terjadi pada elemen akibat beban termal .... ... 18Gambar 2.9 Pengaruh suhu terhadap nilai tumbukan .......................... 19Gambar 2.10 Pengaruh nilai perpanjangan pada bahan tarik ...................... 19Gambar 2.11 Daerah batas laminar dan turbulen suatu aliran pada pelat..... 20Gambar 2.12 Grafik yang menunjukkan koefisien perpindahan panas rata-rata untuk plat datar dengan campuran antara aliran laminar dan

  turbulen ........................................................................ 21

Gambar 2.13 Distribusi temperatur pada dinding dengan arah garis lurus... 25Gambar 2.14 Ketahanan termal dengan dinding dua lapis ........................ 27Gambar 2.15 Elemen fluida ..................................................................... 29Gambar 2.16 Aliran massa masuk dan keluar elemen fluida ................... 31Gambar 2.17 Komponen viscous stress ................................................. 34Gambar 2.18 Tegangan pada komponen-komponen pada arah x ............. 35Gambar 2.19 Komponen dari vektor heat flux ........................................ 39Gambar 2.20 Kontrol volume untuk kondisi satu dimensi ......................... 42Gambar 2.21 Kontrol volume untuk situasi dua dimensi .......................... 46Gambar 2.22 Menentukan node dan elemen termasuk dalam tahapan preprocessing ......................................................................

  52 Gambar 2.23 Diagram benda bebas pada node .......................................... 53

Gambar 2.24 Gaya-gaya pada sebuah elemen .......................................... 55Gambar 3.1 Diagram alir (flowchart) penelitian .................................. 59Gambar 3.1 Titik-titik beban temperatur .................................................. 75Gambar 4.8 Distribusi regangan pada bagian shell skirt coke drum dengan hotGambar 4.7 Regangan arah x dan y pada bagian sambungan shell skirt coke drum dengan hot box ............................................................ 83Gambar 4.6 Hasil perhitungan ekperimen regagangan aksial pada beberapa siklus ................................................................................. 82Gambar 4.5 Perbandingan temperatur dan reganga shell skirt pada coke drum .................................................................. 81Gambar 4.4 Distribusi temperatur maksimal pada bagian shell skirt junction saat akhir pemanasan awal coke drum tanpa hot box ........... 80Gambar 4.3 Temperatur operasi pada bagian shell skirt terhadap waktu tanpa menggunakan hot box ................................................ 80Gambar 4.2 Distribusi temperatur pada bagian skirt junction saat akhir pemanasan awal ................................................................ 79Gambar 4.1 Temperatur operasi pada bagian shell skirt terhadap waktu ... 78Gambar 3.13 Letak displacement pada model ........................................ 76Gambar 3.12 Lokasi perhitungan temperatur dan regangan ...................... 76Gambar 3.10 Material berlapis pada dinding coke drum ............................. 69Gambar 3.2 Set up ekperimental pengukuran temperatur dan regangan ... 60Gambar 3.9 Coupled wall antara fluida dan solid ................................... 66

  (b) tanpa outlet .............................................................. 66

Gambar 3.8 Letak kondisi batas pada model (a) dengan outletGambar 3.7 Pengaturan patch temperatur ................................................ 65Gambar 3.6 Aliran fluida yang masuk dan keluar coke drum ................ 64

  CFD dan (c) ANSYY ............................................................. 63

Gambar 3.5 Mesh pada sambungan shell skirt pada (a) hot box (b) tanpa hot box

  ANSYS .............................................................................. 63

Gambar 3.4 (a) mesh CFD tanpa outlet (b) mesh CFD dengan outlet (c) meshGambar 3.3 Model coke drum (a) dengan outlet (b) tanpa outlet ........... 62

  box pada regangan maksimal .............................................. 84

Gambar 4.9 Regangan arah x dan y pada bagian sambungan shell skirt coke drum tanpa hot box ...........................................................

  84 Gambar 4.10 Distribusi regangan axial pada bagian shell skirt coke drum dengan hot box pada regangan maksimal. ............................ 85

Gambar 4.11 Grafik perbandingan temperatur antara analisa numerik dan eksperimen pada beberapa titik di shell skirt junction (a) proses

  pemanasan awal hingga pengisian (b) proses pendinginan oleh uap air hingga air. ........................................................... 86

Gambar 4.12 Grafik perbandingan antara analisa numerik dan beberapa siklus secara eksperimen saat pemanasan ............................ 87Gambar 4.13 Grafik perbandingan antara analisa numerik dan beberapa siklus secara eksperimen saat pendinginan ........................... 87Gambar 4.14 Titik regangan yang diambil untuk analisa umur pakai .......... 88Gambar 4.15 Perbandingan regangan aksial pada beberapa daerah di

  shell skirt Junction (a) dengan hot box (b) tanpa hot box ..... 89

Gambar 4.16 Distribusi regangan aksial pada shell skirt junction

  (a) maksimum dan (b) minimum ........................................ 91

gambar 4.17 Temperatur operasi pada bagian shell skirt terhadap waktu tanpa pemanasan awal ...................................................... 94Gambar 4.18 Hasil regangan arah x dan y pada coke drum tanpa pemanasan awal ................................................................. 94

DAFTAR NOTASI

  KJ/kg.K Ts temperatur permukaan

  2

  q heat flux W/m

  2 K

  R ketahanan termal W/K h koeffisien konfeksi W/m

  C β koefisien ekspansi volum m aliran massa kg/s

  o

  C T ∞ temperatur lingkungan

  o

  Notasi, simbol dan singkatan yang digunakan dalam laporan ini sebagai berikut : T temperatur

  o

  /s k konduktifitas termal W/mK Pr bilangan Prandalt Re bilanga Reynold G percepatan grafitasi m/s

  2

  ν viskositas kinemati m

  2

  μ viskositas dinamik Ns/m

  3

  N umur pakai ρ densitas kg/m

  C ε regangan m/m

  2 Cp panas spesifik