Perwali Desain Stabilitas Menara Bersama
TUGAS PAP-A
Desain Stabilitas Menara
oleh:
Wildan Maulana Nugroho
(11/319069/TK/38203)
Pembimbing:
Dr. Ir. P. Sumardi, SU.
JURUSAN TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS GADJAH MADA
2015
Data untuk absorber yang dimiliki oleh perusahaan MITSUBISHI adalah sebagai berikut:
o
Berat bejana absorber :
Kondisi operasi
=
100.000 kg
Kondisi kosong
=
50.000 kg
Kondisi hidrostatik tes
=
200.000 kg
o
Diameter absorber
=
10 ft
o
Tinggi menara
=
75 ft
Asumsi yang diambil :
o
Tekanan operasi
=
17 atm
o
Pulling Stress max of material
=
17500 psi
o
Kecepatan angin di pabrik
=
180 mph
Tugas :
1. Rancanglah ketebalan plat yang dipakai dari atas menara absorber sampai dasar
menara absorber ditinjau dari sisi upwind side dan downwide side
3
1
(Diketahui tebal plat sisi paling atas menara adalah in dengan corrossion allowance sebesar in)
8
2. Lengkapi assesment tersebut dengan :
Basic Process Control System (BPCS) yang diperlukan
Safety Protection Layer yang harus dipasang
Perhitungan :
Gambar 1. Ilustrasi Menara Absorber
8
Semua satuan dibuat dalam british unit (lb-ft). Sehingga data menjadi :
Berat bejana absorber :
Kondisi operasi (Wop)
=
100.000 kg
=
220000 lb
Kondisi kosong (Ws)
=
50.000 kg
=
110000 lb
Kondisi hidrostatik tes (Wht)
=
200.000 kg
=
440000 lb
Diameter absorber (D)
=
10 ft
=
10 ft
Tinggi menara (H)
=
75 ft
=
75 ft
Tebal plat paling atas (ts1)
=
3/8 in
=
0,03125 ft
Corrosiion allowance (C)
=
1/8 in
=
0,01042 ft
Tekanan operasi (P)
=
17 atm
=
35976,59 lb/ft2
Tegangan tarik yang diijinkan bahan ( ft )
=
17500 psi
=
2520000 lb/ft2
Kecepatan angin (Vw)
=
180 mph
Tinjauan Upwind-side :
Gambar 2. Ilustrasi Tegangan yang Bekerja pada
Upwind-side
Persamaan untuk tinjauan upwind side
∑𝑓𝑡 |𝑚𝑎𝑥 = 𝑓𝑎𝑝 + 𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 + 𝑓𝑠,𝑠 |𝑥 − 𝑓𝑑,𝑤 |𝑥
(1)
Dianggap hanya angin yang berpengaruh, seismic factor pengaruhnya kecil sekali,
sehingga,
∑𝑓𝑡 |𝑚𝑎𝑥 = 𝑓𝑎𝑝 + 𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 − 𝑓𝑑,𝑤 |𝑥
∑𝑓𝑡 |𝑚𝑎𝑥
𝑊
∑ (𝐻)
2 𝑃𝑤
𝑃𝐷
2
+
𝑋 −
𝑋
=
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
4 (𝑡𝑠 − 𝐶) 𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
(2)
(3)
Persamaan diatur ulang sehingga menjadi
𝑊
∑( )
𝑃𝐷
2 𝑃𝑤
𝐻
2
𝑋 −
𝑋+(
− 𝑓𝑡 |𝑎𝑙𝑙𝑜𝑤 ) = 0
4 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
(4)
a) Tegangan karena pengaruh angin
𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 =
2 𝑃𝑤
𝑋2
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 =
2 𝑥 0,0025 (200 𝑚𝑝ℎ)2
𝑋2
𝜋 (10 𝑓𝑡) (𝑡𝑠 − 0,01042)𝑓𝑡
𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 =
𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 =
2 𝑥 0,0025 𝑉𝑤 2 2
𝑋
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
200 𝑙𝑏
𝑋2
31,43 (𝑡𝑠 − 0,01042)𝑓𝑡 4
(5)
b) Tegangan karena bobot mati (dead weight)
𝑓𝑑,𝑤 |𝑥 =
∑(𝑊/𝐻)
𝑋
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝑓𝑑,𝑤 |𝑥 =
(𝑊𝑜𝑝 + 𝑊ℎ𝑡 − 𝑊𝑠 )/𝐻
𝑋
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝑓𝑑,𝑤 |𝑥 =
10266,67 𝑙𝑏
𝑋
31,43 (𝑡𝑠 − 0,01042)𝑓𝑡 3
𝑓𝑑,𝑤 |𝑥 =
(220000 + 440000 − 110000)𝑙𝑏 / 75𝑓𝑡
𝑋
𝜋 10 𝑓𝑡 (𝑡𝑠 − 0,01042)𝑓𝑡
(6)
c) Tegangan akibat tekanan operasi
𝑓𝑎𝑝 =
𝑓𝑎𝑝 =
𝑃𝐷
4 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝑙𝑏
) (10 𝑓𝑡)
𝑓𝑡 2
4 (𝑡𝑠 − 0,01042) 𝑓𝑡
(29627,78
Bentuk umum persamaan menjadi :
∑(𝑊/𝐻)
𝑃𝐷
2 𝑃𝑤
𝑋2 −
𝑋+(
− 𝑓𝑡 |𝑎𝑙𝑙𝑜𝑤 ) = 0
4 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
(7)
(31,43 (𝑡
200 𝑙𝑏
𝑠
−0,01042)𝑓𝑡 4
𝑙𝑏
(29627,78 2 ) (10 𝑓𝑡)
𝑓𝑡
(
4 (𝑡𝑠 −0,01042) 𝑓𝑡
10266,67 𝑙𝑏
) 𝑋 2 − (31,43 (𝑡
𝑠 −0,01042)𝑓𝑡
− 3600000) = 0
3
)𝑋
+
(9)
Persamaan di atas analog dengan bentuk
𝐴𝑋 2 + 𝐵𝑋 + 𝐶 = 0
(10)
Nilai X bisa dicari dengan rumus a,b,c
𝑥1,2 =
−𝑏 ± √𝑏 2 − 4𝑎𝑐
2𝑎
(11)
Penyelesaian persamaan disajikan dalam bentuk tabel berikut ini :
ts, in
ts, ft
Bentuk Persamaan
X1, ft
3//8
0,03125
305,4545 X2 - 11200 X - 44665,8 =0
40,2955
-3,6289
0,03646
244,3636 X2 - 8960 X - 755733 = 0
76,8890
-40,2223
3/8 + 1/16
=7/16
X2, ft
Karena ketinggian menara tidak mungkin berada pada nilai minus, maka dipilih
nilai X1 sebagai tinggi menara. Perhitungan dihentikan pada ts2 karena untuk ketebalan
tersebut nilai X>H.
Konfigurasi ketebalan menara adalah sebagai berikut :
Gambar 3. Konfigurasi Tebal Menara pada Upwind-side
Tinjauan Downwind-side :
Gambar 4. Ilustrasi Tegangan yang Bekerja pada
Downwind-side
Persamaan untuk tinjauan downwind-side
∑𝑓𝑡 |𝑚𝑎𝑥 = 𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 + 𝑓𝑠,𝑠 |𝑥 + 𝑓𝑑,𝑤 |𝑥 − 𝑓𝑎𝑝
Dianggap hanya angin saja yang berpengaruh, seismic factor tidak terlalu berpengaruh,
sehingga
∑𝑓𝑡 |𝑚𝑎𝑥 = 𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 + 𝑓𝑑,𝑤 |𝑥 − 𝑓𝑎𝑝
∑𝑓𝑡 |𝑚𝑎𝑥
(12)
𝑊
∑( )
𝑃𝐷
2 𝑃𝑤
𝐻
2
𝑋 +
𝑋−
=
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
4 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
Persamaan diatur ulang sehingga menjadi
2 𝑃𝑤
∑(𝑊/𝐻)
𝑃𝐷
𝑋2 +
𝑋−(
+ 𝑓𝑡 |𝑎𝑙𝑙𝑜𝑤 ) = 0
(𝑡
(𝑡
(𝑡
4 𝑠 − 𝐶)
𝜋 𝐷 𝑠 − 𝐶)
𝜋 𝐷 𝑠 − 𝐶)
(13)
1. Tegangan karena pengaruh angin
𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 =
2 𝑃𝑤
𝑋2
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 =
2 𝑥 0,0025 (200 𝑚𝑝ℎ)2
𝑋2
𝜋 (10 𝑓𝑡) (𝑡𝑠 − 0,01042)𝑓𝑡
𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 =
𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 =
2 𝑥 0,0025 𝑉𝑤 2 2
𝑋
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
200 𝑙𝑏
𝑋2
31,43 (𝑡𝑠 − 0,01042)𝑓𝑡 4
(14)
2. Tegangan karena bobot mati (dead weight)
𝑓𝑑,𝑤 |𝑥 =
∑(𝑊/𝐻)
𝑋
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝑓𝑑,𝑤 |𝑥 =
(𝑊𝑜𝑝 + 𝑊ℎ𝑡 − 𝑊𝑠 )/𝐻
𝑋
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝑓𝑑,𝑤 |𝑥 =
10266,67 𝑙𝑏
𝑋
31,43 (𝑡𝑠 − 0,01042)𝑓𝑡 3
𝑓𝑑,𝑤 |𝑥 =
(220000 + 440000 − 110000)𝑙𝑏 / 75𝑓𝑡
𝑋
𝜋 10 𝑓𝑡 (𝑡𝑠 − 0,01042)𝑓𝑡
(15)
3. Tegangan akibat tekanan operasi
𝑓𝑎𝑝 =
𝑓𝑎𝑝 =
𝑃𝐷
(𝑡
4 𝑠 − 𝐶)
𝑙𝑏
) (10 𝑓𝑡)
𝑓𝑡 2
4 (𝑡𝑠 − 0,01042) 𝑓𝑡
(29627,78
(16)
Bentuk umum persamaan menjadi :
2 𝑃𝑤
∑(𝑊/𝐻)
𝑃𝐷
𝑋2 +
𝑋−(
+ 𝑓𝑡 |𝑎𝑙𝑙𝑜𝑤 ) = 0
(𝑡
(𝑡
(𝑡
𝜋 𝐷 𝑠 − 𝐶)
4 𝑠 − 𝐶)
𝜋 𝐷 𝑠 − 𝐶)
(31,43 (𝑡
200 𝑙𝑏
𝑠
−0,01042)𝑓𝑡 4
𝑙𝑏
(29627,78 2 ) (10 𝑓𝑡)
𝑓𝑡
(
4 (𝑡𝑠 −0,01042) 𝑓𝑡
10266,67 𝑙𝑏
) 𝑋 2 + (31,43 (𝑡
𝑠 −0,01042)𝑓𝑡
+ 3600000) = 0
3
) 𝑋−
Persamaan di atas analog dengan bentuk
(17)
𝐴𝑋 2 + 𝐵𝑋 + 𝐶 = 0
Nilai X bisa dicari dengan rumus a,b,c
𝑥1,2 =
−𝑏 ± √𝑏 2 − 4𝑎𝑐
2𝑎
Penyelesaian persamaan disajikan dalam bentuk tabel berikut ini :
ts, in
ts, ft
Bentuk Persamaan
X1, ft
3//8
0,03125
305,4545 X2 + 11200 X +7155334 =0
135,8137
X2, ft
-52,2668
Karena ketinggian menara tidak mungkin berada pada nilai minus, maka dipilih
nilai X1 sebagai tinggi menara. Perhitungan cukup sekali karena pada ts1 nilai X sudah
melebihi tinggi menara yang dimiliki (H). Tebal dinding pada sisi downwind cukup satu
jenis ketebalan saja.
Konfigurasi ketebalan menara adalah sebagai berikut :
Gambar 5. Konfigurasi Tebal Menara pada Downwind-side
Overall, tebal menara absorber adalah sebagai berikut.
Gambar 6. Konfigurasi Tebal Menara Absorber
Basic Process Control System (BPCS) pada Menara Absorber
Absorbsi adalah peristiwa perpindahan massa secara difusi dari fasa gas ke fasa cair
pada suhu dan tekanan operasi tertentu. Absorbsi gas disebut juga differential contacting
yang berbanding lurus dengan nilai koefisien transfer massa. Penyerapan zat yang ingin
dipisahkan dengan absorban mengikuti mekanisme penyerapan fisis tanpa reaksi kimia.
Absorbsi umumnya dilakukan dengan menggunakan menara yang dirancang sedemikian
sehingga diperoleh kontak yang baik antara kedua fasa.
Fungsi menara absorber adalah menyerap gas-gas dengan bantuan solvent dengan
prinsip kelarutan gas pada cairan. Untuk itu, kelancaran proses operasi menara absorber
sangat bergantung pada tekanan dan suhu operasinya. Adanya dua fase yang terlibat
pada proses ini juga memengaruhi tekanan dari menara. Menara absorber yang
berukuran besar dan bertekanan tinggi ini tentu saja memerlukan perhatian serius terkait
sistem keamanannya.
Faktor yang perlu diperhatikan dalam perancangan menara absorber antara lain
tekanan menara, ketinggian cairan dalam menara, dan kecepatan aliran masuk baik
solvent maupun gas yang akan diserap. Apabila digambar, sistem keamanan dari menara
absorber adalah sebagai berikut.
Gambar 7. Basic Process Controll System pada Menara Absorber
Absorber bekerja pada tekanan tinggi sehingga tekanan menara perlu dikontrol
agar tidak melebihi dari tekanan yang dijinkan. Controller akan mengirim sinyal ke kran
pengeluaran gas untuk memutar membuka sehingga melepas sejumlah gas yang ada
dalam menara untuk mengurangi tekanan dalam menara apabila tekanan sudah berada
pada ambang batas yang dijinkan. Apabila tekanan dalam menara berlebih, menara dapat
meledak karena overpressured.
Ketinggian (level) cairan dalam menara perlu diatur juga agar tidak terjadi
penumpukan cairan di dasar kolom. Penumpukan cairan dalam kolom ini dapat
mengakibatkan inversi proses dari gas terdispersi ke cairan berubah menjadi cairan
terdispersi ke aliran gas. Akan tetapi, sebgaian cairan diperlukan untuk tetap berada di
dasar menara guna menyerap langsung sebgian gas masuk untuk menstabilkan tekanan
di dalam menara. Untuk mengantisipasi kegagalan ini, menara dilengkapi dengan level
controller yang terhubung ke kran outlet di dasar menara. Apabila ketinggian cairan di
dasar menara sudah berada pada ambang batas, controller akan mengirim sinyal ke kran
untuk memutar membuka sehingga sejumlah cairan dapat dikeluarkan. Sebaliknya,
apabila jumlah cairan di dasar menara terlalu sedikit, controller akan mengirim sinyal ke
kran untuk memutar menutup guna mngurangi jumlah cairan keluar menara.
Safety Protection Layer yang harus dipasang
Bahaya utama dari menara absorber adalah tekanannya yang sangat tinggi
sehingga harus diatur sedemikan rupa agar tekanan dalam menara tidak terlalu tinggi
yang akan menyebabkan kerusakan pada tangki akibat overpressured. Selain alat
(menara) dilengkapi dengan BPCS, menara juga perlu dilengkapi dengan safety protection
layer lain untuk mengantisipasi kegagalan-kegagalan dari BPCS.
Gambar 8. Safety Protection Layer pada Menara absorber
Alat kontrol yang diperlukan pada absorber adalah :
Level controller
Ketinggian cairan di dasar menara juga perlu penanganan selain dilengkapi
dengan level controller. Level controller memungkinkan menangani kegagalan proses
secara otomatis sebelum proses terinterupsi. Apabila controller mengalami kegagalan,
proses sudah memasuki tahap terinterupsi sehingga pengangannya tidak bisa lagi
dilakukan secara otomatis tetapi harus secara manual untuk itu, menara perlu dilengkapi
dengan High Level Alarm (HLA) dan Low Level Alarm (LLA) yang merupakan sistem
peringatan dini agar kegagalan proses segera ditangani.
Menara sebaiknya juga dilengkapi dengan tanggul. Fungsi tanggul ini adalah
menampung cairan mengandung gas apabila terjadi kebocoran atau bila cairan tumpah
dari atas menara atau untuk pengosongan tangki jika dilakukan maintenance. Hal ini
dilakukan agar tidak mengganggu proses-proses lain di sekitar menara. Pembangunan
tanggul ini adalah sebagai tindakan antisipasi apabila kegagalan semakin parah. Volume
tanggul minimal sama dengan volume menara absorber.
Pressure controller
Alat ini berfungsi untuk mengatur tekanan di dalam absorber agar tetap beroperasi
pada tekanan yang diinginkan. Pressure controller berfungsi menjaga agar tekanan
didalam absorber tidak terlalu besar atau tidak terlalu kecil dari tekanan operasi. Akibat
yang ditimbulkan jika tekanan didalam absorber terlalu besar, desain dari absorber tidak
mampu menahan tekanan yang terlalu besar, sehingga dapat menyebabkan ledakan.
Sedangkan jika didalam absorber terjadi penurunan tekanan, maka kondisi operasi yang
diinginkan tidak tercapai, sehingga produk yang dihasilkan kurang maksimal. Tekanan
dapat diatur dengan mengatur valve pengeluran dengan cara memperbesar/
memperkecil jumlah flowrate gas hasil reaktor, dengan demikian maka tekanan di dalam
absorber dapat diatur untuk mendapatkan tekanan absorber yang diinginkan.
Temperature controller
Alat kontrol ini digunakan untuk memantau suhu dari transfer panas di dalam
absorber, sehingga dapat diketahui jumlah pendingin yang dibutuhkan di untuk mencapai
suhu yang diinginkan dikarenakan untuk mencegah kenaikan suhu diluar setting point.
Safety guard berlapis dari absorber ditunjukkan pada gambar (8). Alat pengamanannya
antara lain:
o
Pressure Controller (Layer 1)
Alat ini berfungsi mengatur tekanan di dalam absorber supaya tekanan dalam
sistem tetap stabil dan sesuai dengan tekanan yang diinginkan. Tekanan dalam absorber
akan disensor dan dipertahankan pada kondisi operasinya, apabila terjadi penurunan
tekanan, maka pressure controller akan mengatur sistem valve pengeluaran reaktor,
engan mengurangi flow rate keluar absorber sehingga tekanan dapat dinaikkan lagi
hingga stabil. Apabila tekanan dalam absorber terlalu tinggi, maka pressure controller
akan mengatur valve pengeluran absorber dan jumlah flow rate keluar absorber
dinaikkan, supaya tekanan dalam sistem menjadi stabil.
o
Temperature Controller (Layer 2)
Alat ini berfungsi mengatur suhu di dalam absorber supaya tetap stabil sesuai
dengan suhu yang diinginkan. Apabila terjadi reaksi yang tidak diinginkan maka, akan
terjadi kanaikan suhu yang drastis, temperature controller berperan dalam mengatur
aliran pendingin yang masuk absorber. Apabila suhu yang di baca oleh sensor di absorber
terlalu tinggi, temperature controller akan menambah jumlah flowrate yang masuk ke
absorber dengan cara mengatur valve flowrate pendingin.
o
Pressure relief valve (Layer 3)
Apabila terjadi kegagalan pada temperature controller, maka akan terjadi runaway
reaction, akibatnya terjadi over pressure. Jika pressure controller dan temperature
controller sudah tidak mampu lagi mengendalikan, maka digunakan safety guard yang
ketiga yaitu relief valve. Alat ini berfungsi untuk mengurangi tekanan di dalam absorber
jika terjadi kenaikan tekanan secara cepat atau jika tekanan sudah berada jauh atas di
atas tekanan yang diizinkan dalam perancangan reaktor. Sistem kerja dari relief valve
adalah akan membuka pada tekanan tertentu, yaitu diatas batas tekanan absorber yang
diizinkan. Tipe relief valve yang digunakan adalah relief valve dengan pegas (springloaded), karena bahan yang ada di dalam absorber tidak korosif, sehingga relief valve
dapat menutup kembali setelah tekanan dalam absorber menjadi stabil. Gas yang dibuang
melewati relief valve adalah 1-butene, butilen oksid dan udara.
o
Flare (Layer 4)
Apabila gas yang keluar rekator melelui relief valve cukup banyak, maka akan
berbahaya berbahaya jika dilepas ke lingkungan, karena gas yang keluar dari absorber bisa
jadi bersifat flammable yang dapat menimbulkan resiko kebakaran apabila bertemu
dengan oksigen dan sumber api, di sekitar area absorber. Untuk mengurangi resiko
tersebut, maka diperlukan safety guard yang keempat, yaitu flare system. Gas yang keluar
dari relief valve akan dibakar di flare sistem, sehingga menjadi CO2 dan H20 yang kemudian
lebih aman untuk dilepas ke lingkungan. Flare system juga mengurangi resiko terjadinya
kebakaran di tempat lain karena adanya gas yang terlepas ke lingkungan dengan kadar
yang cukup banyak.
Desain Stabilitas Menara
oleh:
Wildan Maulana Nugroho
(11/319069/TK/38203)
Pembimbing:
Dr. Ir. P. Sumardi, SU.
JURUSAN TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS GADJAH MADA
2015
Data untuk absorber yang dimiliki oleh perusahaan MITSUBISHI adalah sebagai berikut:
o
Berat bejana absorber :
Kondisi operasi
=
100.000 kg
Kondisi kosong
=
50.000 kg
Kondisi hidrostatik tes
=
200.000 kg
o
Diameter absorber
=
10 ft
o
Tinggi menara
=
75 ft
Asumsi yang diambil :
o
Tekanan operasi
=
17 atm
o
Pulling Stress max of material
=
17500 psi
o
Kecepatan angin di pabrik
=
180 mph
Tugas :
1. Rancanglah ketebalan plat yang dipakai dari atas menara absorber sampai dasar
menara absorber ditinjau dari sisi upwind side dan downwide side
3
1
(Diketahui tebal plat sisi paling atas menara adalah in dengan corrossion allowance sebesar in)
8
2. Lengkapi assesment tersebut dengan :
Basic Process Control System (BPCS) yang diperlukan
Safety Protection Layer yang harus dipasang
Perhitungan :
Gambar 1. Ilustrasi Menara Absorber
8
Semua satuan dibuat dalam british unit (lb-ft). Sehingga data menjadi :
Berat bejana absorber :
Kondisi operasi (Wop)
=
100.000 kg
=
220000 lb
Kondisi kosong (Ws)
=
50.000 kg
=
110000 lb
Kondisi hidrostatik tes (Wht)
=
200.000 kg
=
440000 lb
Diameter absorber (D)
=
10 ft
=
10 ft
Tinggi menara (H)
=
75 ft
=
75 ft
Tebal plat paling atas (ts1)
=
3/8 in
=
0,03125 ft
Corrosiion allowance (C)
=
1/8 in
=
0,01042 ft
Tekanan operasi (P)
=
17 atm
=
35976,59 lb/ft2
Tegangan tarik yang diijinkan bahan ( ft )
=
17500 psi
=
2520000 lb/ft2
Kecepatan angin (Vw)
=
180 mph
Tinjauan Upwind-side :
Gambar 2. Ilustrasi Tegangan yang Bekerja pada
Upwind-side
Persamaan untuk tinjauan upwind side
∑𝑓𝑡 |𝑚𝑎𝑥 = 𝑓𝑎𝑝 + 𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 + 𝑓𝑠,𝑠 |𝑥 − 𝑓𝑑,𝑤 |𝑥
(1)
Dianggap hanya angin yang berpengaruh, seismic factor pengaruhnya kecil sekali,
sehingga,
∑𝑓𝑡 |𝑚𝑎𝑥 = 𝑓𝑎𝑝 + 𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 − 𝑓𝑑,𝑤 |𝑥
∑𝑓𝑡 |𝑚𝑎𝑥
𝑊
∑ (𝐻)
2 𝑃𝑤
𝑃𝐷
2
+
𝑋 −
𝑋
=
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
4 (𝑡𝑠 − 𝐶) 𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
(2)
(3)
Persamaan diatur ulang sehingga menjadi
𝑊
∑( )
𝑃𝐷
2 𝑃𝑤
𝐻
2
𝑋 −
𝑋+(
− 𝑓𝑡 |𝑎𝑙𝑙𝑜𝑤 ) = 0
4 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
(4)
a) Tegangan karena pengaruh angin
𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 =
2 𝑃𝑤
𝑋2
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 =
2 𝑥 0,0025 (200 𝑚𝑝ℎ)2
𝑋2
𝜋 (10 𝑓𝑡) (𝑡𝑠 − 0,01042)𝑓𝑡
𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 =
𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 =
2 𝑥 0,0025 𝑉𝑤 2 2
𝑋
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
200 𝑙𝑏
𝑋2
31,43 (𝑡𝑠 − 0,01042)𝑓𝑡 4
(5)
b) Tegangan karena bobot mati (dead weight)
𝑓𝑑,𝑤 |𝑥 =
∑(𝑊/𝐻)
𝑋
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝑓𝑑,𝑤 |𝑥 =
(𝑊𝑜𝑝 + 𝑊ℎ𝑡 − 𝑊𝑠 )/𝐻
𝑋
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝑓𝑑,𝑤 |𝑥 =
10266,67 𝑙𝑏
𝑋
31,43 (𝑡𝑠 − 0,01042)𝑓𝑡 3
𝑓𝑑,𝑤 |𝑥 =
(220000 + 440000 − 110000)𝑙𝑏 / 75𝑓𝑡
𝑋
𝜋 10 𝑓𝑡 (𝑡𝑠 − 0,01042)𝑓𝑡
(6)
c) Tegangan akibat tekanan operasi
𝑓𝑎𝑝 =
𝑓𝑎𝑝 =
𝑃𝐷
4 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝑙𝑏
) (10 𝑓𝑡)
𝑓𝑡 2
4 (𝑡𝑠 − 0,01042) 𝑓𝑡
(29627,78
Bentuk umum persamaan menjadi :
∑(𝑊/𝐻)
𝑃𝐷
2 𝑃𝑤
𝑋2 −
𝑋+(
− 𝑓𝑡 |𝑎𝑙𝑙𝑜𝑤 ) = 0
4 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
(7)
(31,43 (𝑡
200 𝑙𝑏
𝑠
−0,01042)𝑓𝑡 4
𝑙𝑏
(29627,78 2 ) (10 𝑓𝑡)
𝑓𝑡
(
4 (𝑡𝑠 −0,01042) 𝑓𝑡
10266,67 𝑙𝑏
) 𝑋 2 − (31,43 (𝑡
𝑠 −0,01042)𝑓𝑡
− 3600000) = 0
3
)𝑋
+
(9)
Persamaan di atas analog dengan bentuk
𝐴𝑋 2 + 𝐵𝑋 + 𝐶 = 0
(10)
Nilai X bisa dicari dengan rumus a,b,c
𝑥1,2 =
−𝑏 ± √𝑏 2 − 4𝑎𝑐
2𝑎
(11)
Penyelesaian persamaan disajikan dalam bentuk tabel berikut ini :
ts, in
ts, ft
Bentuk Persamaan
X1, ft
3//8
0,03125
305,4545 X2 - 11200 X - 44665,8 =0
40,2955
-3,6289
0,03646
244,3636 X2 - 8960 X - 755733 = 0
76,8890
-40,2223
3/8 + 1/16
=7/16
X2, ft
Karena ketinggian menara tidak mungkin berada pada nilai minus, maka dipilih
nilai X1 sebagai tinggi menara. Perhitungan dihentikan pada ts2 karena untuk ketebalan
tersebut nilai X>H.
Konfigurasi ketebalan menara adalah sebagai berikut :
Gambar 3. Konfigurasi Tebal Menara pada Upwind-side
Tinjauan Downwind-side :
Gambar 4. Ilustrasi Tegangan yang Bekerja pada
Downwind-side
Persamaan untuk tinjauan downwind-side
∑𝑓𝑡 |𝑚𝑎𝑥 = 𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 + 𝑓𝑠,𝑠 |𝑥 + 𝑓𝑑,𝑤 |𝑥 − 𝑓𝑎𝑝
Dianggap hanya angin saja yang berpengaruh, seismic factor tidak terlalu berpengaruh,
sehingga
∑𝑓𝑡 |𝑚𝑎𝑥 = 𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 + 𝑓𝑑,𝑤 |𝑥 − 𝑓𝑎𝑝
∑𝑓𝑡 |𝑚𝑎𝑥
(12)
𝑊
∑( )
𝑃𝐷
2 𝑃𝑤
𝐻
2
𝑋 +
𝑋−
=
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
4 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
Persamaan diatur ulang sehingga menjadi
2 𝑃𝑤
∑(𝑊/𝐻)
𝑃𝐷
𝑋2 +
𝑋−(
+ 𝑓𝑡 |𝑎𝑙𝑙𝑜𝑤 ) = 0
(𝑡
(𝑡
(𝑡
4 𝑠 − 𝐶)
𝜋 𝐷 𝑠 − 𝐶)
𝜋 𝐷 𝑠 − 𝐶)
(13)
1. Tegangan karena pengaruh angin
𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 =
2 𝑃𝑤
𝑋2
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 =
2 𝑥 0,0025 (200 𝑚𝑝ℎ)2
𝑋2
𝜋 (10 𝑓𝑡) (𝑡𝑠 − 0,01042)𝑓𝑡
𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 =
𝑓𝑤,𝑠 |𝑥 =
2 𝑥 0,0025 𝑉𝑤 2 2
𝑋
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
200 𝑙𝑏
𝑋2
31,43 (𝑡𝑠 − 0,01042)𝑓𝑡 4
(14)
2. Tegangan karena bobot mati (dead weight)
𝑓𝑑,𝑤 |𝑥 =
∑(𝑊/𝐻)
𝑋
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝑓𝑑,𝑤 |𝑥 =
(𝑊𝑜𝑝 + 𝑊ℎ𝑡 − 𝑊𝑠 )/𝐻
𝑋
𝜋 𝐷 (𝑡𝑠 − 𝐶)
𝑓𝑑,𝑤 |𝑥 =
10266,67 𝑙𝑏
𝑋
31,43 (𝑡𝑠 − 0,01042)𝑓𝑡 3
𝑓𝑑,𝑤 |𝑥 =
(220000 + 440000 − 110000)𝑙𝑏 / 75𝑓𝑡
𝑋
𝜋 10 𝑓𝑡 (𝑡𝑠 − 0,01042)𝑓𝑡
(15)
3. Tegangan akibat tekanan operasi
𝑓𝑎𝑝 =
𝑓𝑎𝑝 =
𝑃𝐷
(𝑡
4 𝑠 − 𝐶)
𝑙𝑏
) (10 𝑓𝑡)
𝑓𝑡 2
4 (𝑡𝑠 − 0,01042) 𝑓𝑡
(29627,78
(16)
Bentuk umum persamaan menjadi :
2 𝑃𝑤
∑(𝑊/𝐻)
𝑃𝐷
𝑋2 +
𝑋−(
+ 𝑓𝑡 |𝑎𝑙𝑙𝑜𝑤 ) = 0
(𝑡
(𝑡
(𝑡
𝜋 𝐷 𝑠 − 𝐶)
4 𝑠 − 𝐶)
𝜋 𝐷 𝑠 − 𝐶)
(31,43 (𝑡
200 𝑙𝑏
𝑠
−0,01042)𝑓𝑡 4
𝑙𝑏
(29627,78 2 ) (10 𝑓𝑡)
𝑓𝑡
(
4 (𝑡𝑠 −0,01042) 𝑓𝑡
10266,67 𝑙𝑏
) 𝑋 2 + (31,43 (𝑡
𝑠 −0,01042)𝑓𝑡
+ 3600000) = 0
3
) 𝑋−
Persamaan di atas analog dengan bentuk
(17)
𝐴𝑋 2 + 𝐵𝑋 + 𝐶 = 0
Nilai X bisa dicari dengan rumus a,b,c
𝑥1,2 =
−𝑏 ± √𝑏 2 − 4𝑎𝑐
2𝑎
Penyelesaian persamaan disajikan dalam bentuk tabel berikut ini :
ts, in
ts, ft
Bentuk Persamaan
X1, ft
3//8
0,03125
305,4545 X2 + 11200 X +7155334 =0
135,8137
X2, ft
-52,2668
Karena ketinggian menara tidak mungkin berada pada nilai minus, maka dipilih
nilai X1 sebagai tinggi menara. Perhitungan cukup sekali karena pada ts1 nilai X sudah
melebihi tinggi menara yang dimiliki (H). Tebal dinding pada sisi downwind cukup satu
jenis ketebalan saja.
Konfigurasi ketebalan menara adalah sebagai berikut :
Gambar 5. Konfigurasi Tebal Menara pada Downwind-side
Overall, tebal menara absorber adalah sebagai berikut.
Gambar 6. Konfigurasi Tebal Menara Absorber
Basic Process Control System (BPCS) pada Menara Absorber
Absorbsi adalah peristiwa perpindahan massa secara difusi dari fasa gas ke fasa cair
pada suhu dan tekanan operasi tertentu. Absorbsi gas disebut juga differential contacting
yang berbanding lurus dengan nilai koefisien transfer massa. Penyerapan zat yang ingin
dipisahkan dengan absorban mengikuti mekanisme penyerapan fisis tanpa reaksi kimia.
Absorbsi umumnya dilakukan dengan menggunakan menara yang dirancang sedemikian
sehingga diperoleh kontak yang baik antara kedua fasa.
Fungsi menara absorber adalah menyerap gas-gas dengan bantuan solvent dengan
prinsip kelarutan gas pada cairan. Untuk itu, kelancaran proses operasi menara absorber
sangat bergantung pada tekanan dan suhu operasinya. Adanya dua fase yang terlibat
pada proses ini juga memengaruhi tekanan dari menara. Menara absorber yang
berukuran besar dan bertekanan tinggi ini tentu saja memerlukan perhatian serius terkait
sistem keamanannya.
Faktor yang perlu diperhatikan dalam perancangan menara absorber antara lain
tekanan menara, ketinggian cairan dalam menara, dan kecepatan aliran masuk baik
solvent maupun gas yang akan diserap. Apabila digambar, sistem keamanan dari menara
absorber adalah sebagai berikut.
Gambar 7. Basic Process Controll System pada Menara Absorber
Absorber bekerja pada tekanan tinggi sehingga tekanan menara perlu dikontrol
agar tidak melebihi dari tekanan yang dijinkan. Controller akan mengirim sinyal ke kran
pengeluaran gas untuk memutar membuka sehingga melepas sejumlah gas yang ada
dalam menara untuk mengurangi tekanan dalam menara apabila tekanan sudah berada
pada ambang batas yang dijinkan. Apabila tekanan dalam menara berlebih, menara dapat
meledak karena overpressured.
Ketinggian (level) cairan dalam menara perlu diatur juga agar tidak terjadi
penumpukan cairan di dasar kolom. Penumpukan cairan dalam kolom ini dapat
mengakibatkan inversi proses dari gas terdispersi ke cairan berubah menjadi cairan
terdispersi ke aliran gas. Akan tetapi, sebgaian cairan diperlukan untuk tetap berada di
dasar menara guna menyerap langsung sebgian gas masuk untuk menstabilkan tekanan
di dalam menara. Untuk mengantisipasi kegagalan ini, menara dilengkapi dengan level
controller yang terhubung ke kran outlet di dasar menara. Apabila ketinggian cairan di
dasar menara sudah berada pada ambang batas, controller akan mengirim sinyal ke kran
untuk memutar membuka sehingga sejumlah cairan dapat dikeluarkan. Sebaliknya,
apabila jumlah cairan di dasar menara terlalu sedikit, controller akan mengirim sinyal ke
kran untuk memutar menutup guna mngurangi jumlah cairan keluar menara.
Safety Protection Layer yang harus dipasang
Bahaya utama dari menara absorber adalah tekanannya yang sangat tinggi
sehingga harus diatur sedemikan rupa agar tekanan dalam menara tidak terlalu tinggi
yang akan menyebabkan kerusakan pada tangki akibat overpressured. Selain alat
(menara) dilengkapi dengan BPCS, menara juga perlu dilengkapi dengan safety protection
layer lain untuk mengantisipasi kegagalan-kegagalan dari BPCS.
Gambar 8. Safety Protection Layer pada Menara absorber
Alat kontrol yang diperlukan pada absorber adalah :
Level controller
Ketinggian cairan di dasar menara juga perlu penanganan selain dilengkapi
dengan level controller. Level controller memungkinkan menangani kegagalan proses
secara otomatis sebelum proses terinterupsi. Apabila controller mengalami kegagalan,
proses sudah memasuki tahap terinterupsi sehingga pengangannya tidak bisa lagi
dilakukan secara otomatis tetapi harus secara manual untuk itu, menara perlu dilengkapi
dengan High Level Alarm (HLA) dan Low Level Alarm (LLA) yang merupakan sistem
peringatan dini agar kegagalan proses segera ditangani.
Menara sebaiknya juga dilengkapi dengan tanggul. Fungsi tanggul ini adalah
menampung cairan mengandung gas apabila terjadi kebocoran atau bila cairan tumpah
dari atas menara atau untuk pengosongan tangki jika dilakukan maintenance. Hal ini
dilakukan agar tidak mengganggu proses-proses lain di sekitar menara. Pembangunan
tanggul ini adalah sebagai tindakan antisipasi apabila kegagalan semakin parah. Volume
tanggul minimal sama dengan volume menara absorber.
Pressure controller
Alat ini berfungsi untuk mengatur tekanan di dalam absorber agar tetap beroperasi
pada tekanan yang diinginkan. Pressure controller berfungsi menjaga agar tekanan
didalam absorber tidak terlalu besar atau tidak terlalu kecil dari tekanan operasi. Akibat
yang ditimbulkan jika tekanan didalam absorber terlalu besar, desain dari absorber tidak
mampu menahan tekanan yang terlalu besar, sehingga dapat menyebabkan ledakan.
Sedangkan jika didalam absorber terjadi penurunan tekanan, maka kondisi operasi yang
diinginkan tidak tercapai, sehingga produk yang dihasilkan kurang maksimal. Tekanan
dapat diatur dengan mengatur valve pengeluran dengan cara memperbesar/
memperkecil jumlah flowrate gas hasil reaktor, dengan demikian maka tekanan di dalam
absorber dapat diatur untuk mendapatkan tekanan absorber yang diinginkan.
Temperature controller
Alat kontrol ini digunakan untuk memantau suhu dari transfer panas di dalam
absorber, sehingga dapat diketahui jumlah pendingin yang dibutuhkan di untuk mencapai
suhu yang diinginkan dikarenakan untuk mencegah kenaikan suhu diluar setting point.
Safety guard berlapis dari absorber ditunjukkan pada gambar (8). Alat pengamanannya
antara lain:
o
Pressure Controller (Layer 1)
Alat ini berfungsi mengatur tekanan di dalam absorber supaya tekanan dalam
sistem tetap stabil dan sesuai dengan tekanan yang diinginkan. Tekanan dalam absorber
akan disensor dan dipertahankan pada kondisi operasinya, apabila terjadi penurunan
tekanan, maka pressure controller akan mengatur sistem valve pengeluaran reaktor,
engan mengurangi flow rate keluar absorber sehingga tekanan dapat dinaikkan lagi
hingga stabil. Apabila tekanan dalam absorber terlalu tinggi, maka pressure controller
akan mengatur valve pengeluran absorber dan jumlah flow rate keluar absorber
dinaikkan, supaya tekanan dalam sistem menjadi stabil.
o
Temperature Controller (Layer 2)
Alat ini berfungsi mengatur suhu di dalam absorber supaya tetap stabil sesuai
dengan suhu yang diinginkan. Apabila terjadi reaksi yang tidak diinginkan maka, akan
terjadi kanaikan suhu yang drastis, temperature controller berperan dalam mengatur
aliran pendingin yang masuk absorber. Apabila suhu yang di baca oleh sensor di absorber
terlalu tinggi, temperature controller akan menambah jumlah flowrate yang masuk ke
absorber dengan cara mengatur valve flowrate pendingin.
o
Pressure relief valve (Layer 3)
Apabila terjadi kegagalan pada temperature controller, maka akan terjadi runaway
reaction, akibatnya terjadi over pressure. Jika pressure controller dan temperature
controller sudah tidak mampu lagi mengendalikan, maka digunakan safety guard yang
ketiga yaitu relief valve. Alat ini berfungsi untuk mengurangi tekanan di dalam absorber
jika terjadi kenaikan tekanan secara cepat atau jika tekanan sudah berada jauh atas di
atas tekanan yang diizinkan dalam perancangan reaktor. Sistem kerja dari relief valve
adalah akan membuka pada tekanan tertentu, yaitu diatas batas tekanan absorber yang
diizinkan. Tipe relief valve yang digunakan adalah relief valve dengan pegas (springloaded), karena bahan yang ada di dalam absorber tidak korosif, sehingga relief valve
dapat menutup kembali setelah tekanan dalam absorber menjadi stabil. Gas yang dibuang
melewati relief valve adalah 1-butene, butilen oksid dan udara.
o
Flare (Layer 4)
Apabila gas yang keluar rekator melelui relief valve cukup banyak, maka akan
berbahaya berbahaya jika dilepas ke lingkungan, karena gas yang keluar dari absorber bisa
jadi bersifat flammable yang dapat menimbulkan resiko kebakaran apabila bertemu
dengan oksigen dan sumber api, di sekitar area absorber. Untuk mengurangi resiko
tersebut, maka diperlukan safety guard yang keempat, yaitu flare system. Gas yang keluar
dari relief valve akan dibakar di flare sistem, sehingga menjadi CO2 dan H20 yang kemudian
lebih aman untuk dilepas ke lingkungan. Flare system juga mengurangi resiko terjadinya
kebakaran di tempat lain karena adanya gas yang terlepas ke lingkungan dengan kadar
yang cukup banyak.