Perancangan Tangki Dan Vessel Ppt

Perancangan Tangki dan Vessel (Bejana Tekan)

Kuliah Perancangan Alat Proses (PAP)

Tangki/Storage Tank Tangki merupakan alat utama dalam proses kimia, dimana hampir semua proses terjadi didalamnya. Secara umum tangki dibedakan menjadi dua menurut kegunaannya, yaitu: a)Tangki penyimpanan (Storage tank/vessel) b)Tangki pemprosesan (Process tank/vessel)

Sedangkan menurut tekanan operasinya tangki dibagi menjadi tiga: a)Tangki tekanan atmosferis (Athmospheric tank) b)Tangki tekanan tinggi (Pressure tank) c)Tangki hampa (Vacuum tank)

TEKANAN/PRESSURE Tekanan tinggi (compressed system)

A Tekanan gauge positif (+)

Tekanan atmosfer

Tekanan absolut A

Tekanan gauge negatif (-) Tekanan vakum (vacuum system)

B

Tekanan absolut B Tekanan nol (zero pressure)

Vessel (bejana)  Vessel merupakan basic part of processing equipment.  Process equipment units dapat dipandang sebagai

vessels dengan bermacam-macam modifikasi yang diperlukan sehingga dapat menjalankan fungsinya sebagaimana yang diinginkan (misalnya menara distilasi, reaktor, alat penukar kalor, menara absorber dll).

9/7/2014

4

Tangki Penyimpan Cairan Atmospheric Tanks • Yang dimaksud atmosferis adalah semua tangki yang didesain untuk digunakan pada tekanan atmosferis plus minus sekitar beberapa ratus pascal atau beberapa Psi. • Tangki dapat berupa tangki terbuka maupun tertutup. • Harga yang minimum biasanya didapat dengan bentuk silinder vertikal dan dengan dasar mendatar (flat bottom)

Standarisasi Tangki American Petroleum Institute (API) Institut ini telah mengembangkan standar untuk tangki atmosferis, diantaranya adalah: 1.API Specification 12B, Bolted Production Tanks 2.API Specification 12D, Large Welded Production Tanks 3.API Specification 12F, Small Welded Production Tanks 4.API Standard 650, Steel Tanks for Oil Storage

American Water Works Association (AWWA) • Asosiasi ini mengembangkan standar untuk penyimpanan air. Daftar lengkap setiap tahun diterbitkan didalam the AWWA Handbook (annually). • AWWA D100, Standard for Steel Tanks—Standpipes, Reservoirs, and Elevated Tanks for Water Storage contains rules for design and fabrication. • Meskipun AWWA ini dikhususkan untuk penyimpanan air, namun bisa juga digunakan untuk mendesain penyimpanan cairan lain. Underwriters Laboratories Inc. juga telah menerbitkan beberapa standar 1. UL 58, Steel Underground Tanks untuk Flammable and Combustible Liquids 2. UL 142, Steel Aboveground Tanks untuk Flammable and Combustible Liquids 3. UL 58 covers horizontal steel tanks berukuran sampai dengan 190 m3 (50,000 gal), dengan diameter maksimal 3,66 m (12 ft), dan panjang maksimum 6 kali panjang diameter. 4. UL 142, mencakup UL 58, dan vertical tanks dengan panjang maksimum 10,7m. Ketebalan dinding dan detil lainnya diberikan

Posttensioned Concrete • Material ini biasa dipakai untuk membuat tangki sampai dengan kapasitas 57.000 m3, biasanya digunakan untuk menyimpan air. • Desain mereka disebutkan dalam (Prestressed Concrete Cylindrical Tanks, Wiley, New York, 1961). • Untuk desain yang paling ekonomis dari tangki besar di level permukaan tanah direkomendasikan tinggi yang dipakai 6 m (20 ft). • Yang perlu diperhatikan adalah bisa jadi terjadi rembesan jika menyimpan cairan tertentu dengan beton seperti gasoline. Elevated Tanks • Mampu mensuplai aliran dengan debit yang besar. • Dapat mensuplai aliran jika terjadi kerusakan pompa sehingga menjadi pertimbangan penting untuk sistem pemadam kebakaran.

Open Tanks • Jenis ini dapat digunakan untuk menyimpan material yang tidak rusak karena air dan polusi udara serta cuaca. • Jika cairan dapat beruba karena pengaruh – pengaruh tersebut maka atap dibutuhkan. • Atap bisa berupa fixed roof ataupun floating roof. • Fixed roof biasanya berbentuk dom atau konis • Fixed roofs membutuhkan ventilasi untuk menghindari perubahan tekanan akibat perubahan suhu, pengisian dan pengeluaran cairan didalam. • API Standard 2000, Venting Atmospheric and Low Pressure Storage Tanks, memberikan petunjuk praktis untuk mendesain ventilasi.

• Prinsip – prinsip dari standar diatas dapat dipakai untuk cairan selain cairan produk minyak bumi. • Karena jika open vent ini digunakan untuk cairan dengan flash point dibawah 38°C (100°F), maka akan terjadi kehilangan yang cukup besar. • Langkah mudah untuk menghindari kehilangan akibat ventilasi adalah dengan memakai tangki jenis variablevolume tanks (API Standard 650). Floating Roofs • Tangki jenis ini memiliki sekat antara atap dan dinding tangki. • Jika tidak memakai fixed roof, maka dinding harus memiliki ―wind girder‖ untuk menghindari distorsi. • Jenis atap tangki ini menyebabkan minimum kondensasi dan lebih dianjurkan.

Jenis – jenis Tangki

Pressure Tanks • Standar untuk membuat tangki penyimpan cairan dengan tekanan tinggi menggunakan API Standard 620. • Bentuk yang digunakan bisa bulat, elipsoidal, toroidal dan sirkular silinder dengan bentuk head: torispherical, ellipsoidal, or hemispherical heads. • The ASME Pressure Vessel Code (Sec. VIII of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code) juga bisa digunakan sebagai acuan. • Tangki yang didesain untuk tekanan vakum dalam operasinya harus dilengkapi dengan vacuumbreaking valves.

Tangki Penyimpan gas • Gas bisa disimpan dalam expandable gas holders bisa berupa tipe liquid-seal atau dry-seal type. Tipe liquid-seal holder lebih sering dijumpai. • Tangki berupa container silinder, dan berubah volumenya dengan bergerak keatas dan kebawah dengan annular water-filled seal tank. • Tangki jenis ini bisa didesain sampai dengan volume 280,000 m3 (10 ´ 106 ft3). • dry-seal holder memiliki atap yang terhubung dengan dinding tangki menggunakanflexible fabric diaphragm yang memungkinkan untuk bergerak keatas dan kebawah. • Informasi yang lebih lengkap mengenai gas holder dapat dijumai di Gas Engineers Handbook, Industrial Press, New York, 1966. • Tangki penyimpan gas bertekanan biasanya terpasang permanen, tekanan biasanya diatas 7 kPa. • Menyimpan gas dalam tekanan tidak hanya mereduksi volume tapi dapat juga mencairkan gas pada suhu lingkungan

• Beberapa gas yang seperti ini adalah carbon dioxide, beberapa petroleum gases, chlorine, ammonia, sulfur dioxide, Freon. • Tangki bertekanan biasanya diinstal dibawh tanah • Liquefied petroleum gas (LPG) penyimpanannya sesuai dengan standar API Standard 2510,. • Standar yang lain adalah: 1. National Fire Protection Association (NFPA) Standard 58, Standard untuk Penyimpanan dan Handling dari Liquefied Petroleum Gases 2. NFPA Standard 59, Standard untuk Storage dan Handling dari Liquefied Petroleum Gases di Utility Gas Plants 3. NFPA Standard 59A, Standard untuk Produksi, Penyimpanan, and Handling dari Liquefied Natural Gas (LNG) • API Standard juga memberikan jarak minimum dari tangki ke peralatan lainnya.

Low-Temperature dan Cryogenic Storage • Dalam penyimpanan cryogenic gas dalam tekanan atmosferis yang dipertahankan cair karena diturunkan suhunya. • Dalam sebuah sistem dapat dioperasikan dengan mengkombinasikan tekanan dan suhu. • Disebut ―cryogenic‖ biasanya berhubungan dengan temperatur dibawah -101°C (-150°F). • Penyimpanan cryogenic membutuhkan insulasi dan material konstruksi yang khusus. • Material untuk gas yang dicairkan perlu tahan terhadap temperatur rendah dan tidak akan terjadi brittle. • Carbon steels dapat digunakan sampai -59°C (-75°F), dan low-alloy steels sampai -101°C (-150°F). Dibawah suhu ini digunakan austenitic stainless steel (AISI 300 series) dan aluminum adalah material penting.

Perancangan Tangki beberapa faktor harus dipertimbangkan pada

perancangan setiap vessel atau unit. • Tipe vessel untuk melaksanakan tugas yang diinginkan dan

dapat bekerja sesuai dengan keinginan perancang. • Hal lain yang perlu diperhatikan adalah bahan konstruksi,

induced stresses, elastic stability, aesthetic appearance dan cost of production (terkait dengan penggunaan dan useful life)

9/7/2014

16

SILINDER •Bejana tekan bentuk silinder banyak dipakai di industri, dengan bermacam-

macam heads, seperti flat, ellipsoidal (elliptical dished), standard dished, hemispherical atau conical. •Kebutuhan proses menentukan jenis head yang akan dipakai •Misalnya head bentuk konis dipakai pada setlling drum.

•Untuk tekanan tertentu, maka tebal head dari tebal ke tepis dengan urutan: standard dished ellipsoidal dan hemispherical. •Untuk tekanan >150 psig, dipilih ellipsoidal (elliptical dished) dengan

perbandingan sumbu panjang berbanding sumbu pendek=2:1

9/7/2014

17

Skema Tangki

9/7/2014

18

Vessel (bejana)

9/7/2014

19

Vessel (bejana)

9/7/2014

20

Vessel (bejana)

9/7/2014

21

Vessel (bejana)

9/7/2014

22

Vessel (bejana)

9/7/2014

23

Vessel (bejana)

9/7/2014

24

Vessel (bejana)

9/7/2014

25

Vessel (bejana)

9/7/2014

26

Vessel (bejana)

9/7/2014

27

Vessel (bejana)

9/7/2014

28

Vessel (bejana) Aboveground Storage Tank Systems — Facilities with a Capacity of One Million Gallons or More

9/7/2014

29

Vessel (bejana) Underground Storage Tank (UST) Systems

9/7/2014

30

Vessel (bejana) Bentuk bola Idealnya, vessel (bejana) berbentuk bola karena tebalnya lebih tipis dibandingkan bejana bentuk silinder untuk tekanan yang sama. Tangki bentuk bola biasanya dipakai menyimpan bahan-bahan

yang mudah menguap dan gas, tetapi tidak sesuai untuk alat-alat proses.

9/7/2014

31

Vessel (bejana)

9/7/2014

32

Vessel (bejana)

9/7/2014

33

Vessel (bejana) Pengelasan Pengelasan merupakan hal yang umum untuk menyambung dua metal. Setelah pengelasan perlu dilakukan beberapa proses untuk penyempurnaannya. Operasi stress relieving tergantung pada bahan konstruksi. Misalnya baja karbon, dipanasi samapi 1100 oF dan kemudian didinginkan secara perlahan-lahan. Stress Relieving Akibat pengelasan sering ada residual stress yang perlu diperhatikan karena dapat menurunkan kekuatan bejana (vessel) terutama untuk

vessel yang mempunyai tebal lebih besar 1,25 in. Stress relieving dapat dilakukan dengan proses annealing, atau heat treating process. 9/7/2014

34

Vessel (bejana) Radiographing

•Jika diinginkan konstruksi vessel dengan kesempurnaan yang tinggi, maka perlu dilakukan proses radiographing untuk melihat adanya kerusakan atau defect •Untuk vessel ukuran dengan diameter 20-30 ft, biasanya difabrikasi di lapangan (dimana akan dibangun).

9/7/2014

35

Vessel (bejana) Efisiensi masing-masing tipe sambungan las dapat dilihat ada table berikut:

9/7/2014

36

Vessel (bejana) Tebal tidak boleh lebih tipis dari tebal minimum yang diijinkan (Rase, F.H. and Barrow, M.H., 1957, Project Engineering of Process Plants, John Wiley &Sons, Inc, New York, pp.187-213)

Tebal, inch

Increment, inch

3/16 - 1

1/16

1 - 1,5

1/8

1,5 - 4,0

1/4

Panjang plate dapat sampai 800 in, untuk plate yang lebih tipis. Lebar plate maksimum bisa 195 dan panjang diatas 100 in ada penambahan

ongkos pembuatan ekstra.

9/7/2014

37

Vessel (bejana) Vessel Heads

9/7/2014

38

Vessel (bejana)

9/7/2014

39

Vessel (bejana) Alat kelengkapan vessel (bejana) Kelengkapan bagian luar vessel •Nozzle •Manholes •Handholes dan kelengkapan lainnya, seperti •Support untuk isolasi •Ladders •Skirt pada elevasi tertentu •Lug, •Dike 9/7/2014

40

Vessel (bejana) Kelengkapan bagian dalam vessel •Tray

•Packing •Packing support •Distributor, •Dan lain-lain

9/7/2014

41

break

Vessel (bejana) Kondisi operasi Kondisi design:

pdesign  1.10  1, 2  poperasi Tdesign  Toperasi  50o F

Dimensi dasar Low pressure tanks (50-75 psig): Untuk tekanan >100 psig:

L  3 4 D L  46 D

Faktor lain seperti plant lay out, appearance, foundation juga harus diperhatikan.

9/7/2014

43

Vessel (bejana) Bahan konstruksi • Pemilihan bahan konstruksi didasarkan pada pertimbangan ekonomi dan tahan terhadap korosi. • Pemilihan bahan konstruksi didasarkan pada pertimbangan berikut (Bakhurst, J.R. and Harker, J.H., 1983,Process Plant Design, Heinemann, Educational Books, London, pp.230)

9/7/2014

44

Vessel (bejana) Pemilihan bahan konstruksi didasarkan pada pertimbangan berikut • cukup kuat untuk menahan beban yang ada • tahan terhadap perubahan suhu yang ekstrim • tahan terhadap bahan kimia yang berkontak • harga

9/7/2014

45

Vessel (bejana) •Biasanya dibuat dari metal, alloy, bahan yang dilapisi bahan yang sesuai dengan bahan yang disimpan. •Misalnya dilapisi karet atau gelas. Jika tidak korosif, maka dipilih bahan baja dengan kandungan karbon rendah (hot rolled mild (low carbon) steel plate).

9/7/2014

46

Vessel (bejana) PEMILIHAN TIPE VESSEL (Brownell, L.E. and Young, E.H., 1959, PROCESS EQUIPMENT DESIGN: Vessel Design, Wiley Eastern Limited, New Delhi).

Pertama yang harus diperhatikan adalah pemilihan tipe vessel yang sesuai dengan tugas yang akan dibebankan padanya Faktor utama yang perlu diperhatikan adalah: •Fungsi dan lokasi •Sifat fluida •Kondisi operasi: suhu dan tekanan •Volum yang diperlukan untuk penyimpanan atau untuk proses

9/7/2014

47

Vessel (bejana) Vessel juga dapat diklasifikasikan sesuai dengan • Fungsinya, • Tekanan dan suhu operasi,

• Bahan konstruksi atau • geometrinya.

9/7/2014

48

Vessel (bejana) UMUMNYA VESSEL DIKLASIFIKASIKAN BERDASARKAN GEOMETRI-NYA: • Open tanks (tangki terbuka)

• Flat-bottomed, vertical cylindrical tanks (tangki bentuk silinder vertical dengan dasar datar)

9/7/2014

49

Vessel (bejana) UMUMNYA VESSEL DIKLASIFIKASIKAN BERDASARKAN GEOMETRI-NYA:

• Vertical cylindrical and horizontal vessels with formed ends (vessel bentuk silinder dipasang horizontal atau vertical dengan formed ends) • Spherical or modified spherical tanks(tangki bentuk bola atau bola termodifikasi )

9/7/2014

50

Vessel (bejana) Vessel tersebut diatas umumnya dipakai untuk storage atau processing vessels for fluids. Penggunaan vessel tersebut saling

overlaping (tidak jelas perbedaannya), sehingga sangat sulit membuat klasifikasi

secara tegas. 9/7/2014

51

Vessel (bejana) Open tanks (tangki terbuka) Biasanya dipakai untuk: • surge tanks diantara dua unit operations

• tangki untuk proses batch (untuk mencampur bahan atau blending) • settling tank • decanter • reactor

• reservoirs

9/7/2014

52

Vessel (bejana) Closed tanks (tangki tertutup) • Untuk menyimpan fluida yang mudah terbakar, fluida yang menghasilkan uap beracun dan gas harus disimpan di dalam tangki tertutup. •Tangki yang dipakai untuk menyimpan minyak mentah dan petroleum products dirancang berdasarkan API Standard 12

C, API Specificaton for Welded Oil-Storage Tanks. •Standar ini juga berlaku sebagai petunjuk untuk penggunaan lainnya.

9/7/2014

53

Vessel (bejana) Secara umum tangki dengan atap bentuk conical adalah untuk tekanan atmosferik. Jika atap bentuk dome tekanan operasi dapat berkisar antara 2,5 sampai 15 psig. Umumnya perbandingan tinggi: diameter >1. Tipe atap

Tekanan operasi, psig

conical

0

dome

2,5-15 9/7/2014

54

Vessel (bejana) FLAT BOTTOM CYLINDRICAL VESSEL • Nilai H/D optimum • Dimensi tangki

• Ukuran standar untuk tangki penyimpan pada tekanan atmosferik: • Diameter: 10 sampai 220 ft • Tinggi: 6 sampai 64 ft • Lihat Appendix E (B&Y)

9/7/2014

55

Vessel (bejana)

9/7/2014

56

Vessel (bejana) Perbandingan diameter (D terhadap tinggi (H) terletak diantara dua nilai: Batas bawah untuk: (D/H) optimum

 cos t of

shell , bottom, roofs per unit area   f (D , H )

Hal ini terjadi bila tangki volumnya kecil, hanya elastic stability dan corrosion allowance yang mengendalikan tebal shell

9/7/2014

57

Vessel (bejana) Batas atas untuk:(D/H) optimum

Bila tebal shell sebagai fungsi d, h ( t  f  D , H  ), dan unit area costs of the bottom dan roofs tidak tergantung pada D dan H

9/7/2014

58

Vessel (bejana) Misalkan: D diameter dalam tangki, ft H tinggi tangki dalam, ft V volum tangki dalam, ft3 Volum tangki tertentu, sehingga H merupakan fungsi D

V 

 D2H

atau

H 

4 9/7/2014

4V D  2

59

Vessel (bejana) Bila: A1=luas shell, ft2, A2=luas bottom (projected area), ft2, C1= annual cost of fabricated shell, $/ft2 C2= annual cost of fabricated bottom, $/ft2 C3= annual cost of fabricated roof, $/ft2 C4= annual cost of installed foundation under the vessel,

$/ft2bottom C5= annual cost of land in the tank area chargeable to the tank area, $/ft2 bottom

C= total annual cost of the vessel, $/year

9/7/2014

60

Vessel (bejana) C

4VC1 D



 D2 4

 C 2  C3  C 4  C5 

Jika tebal tangki

t  f ( D, H )

4VC1  D dC  2   C 2  C3  C 4  C5   0 dD D 2 9/7/2014

61

Vessel (bejana) D  2H

C1

 C 2  C3  C 4  C5 

Jika tebal tangki

t  f ( D, H )

C1  C6  H  1 D

C

4V  C6  H  1 D  D



 D2 4 9/7/2014

 C 2  C3  C 4  C5  62

Vessel (bejana) H diganti dengan

H 

4V D 2

 4V C  4VC6  2 D

D   4 VC  6  4 

 32C6V 2 dC   2 dD  D 

 2 D  C 2  C3  C 4  C5   0 0 4 

2

 C 2  C3  C 4  C5 

9/7/2014

63

Vessel (bejana) Didapat

D  4H Kasus khusus

C1

 C 2  C3  C 4  C5 

Tangki kecil (small tank) terbuka harga tanah dan fondasi diabaikan. Biasanya tebal shell sama dengan tebal bottom. Jika C1  C 2 dan , C3  C 4  C5  0 didapat

D  2H

(C) Tangki kecil (small tank) tertutup harga tanah dan fondasi diabaikan C1  C 2  C3 dan C 4  C5  0, didapat

DH

(D) 9/7/2014

64

Vessel (bejana) Tangki besar tertutup , atap dan shell harganya dua kali harga bottom, C1  2C2  C3 dan C4  C5  0 didapat 2C 2

8 D  4H  H  C 2  2C 3  0  0  3

9/7/2014

(E)

65

Vessel (bejana) Shell design of small and medium sized vessels (production tanks) pp.43 B&Y. Vertical flat bottomsdisebut production tanks. Tebal sama (single thickness). Ukuran optimum:d (diameter=H(tinggi) Lihat fig:3.7 dan tabel 3.3 (B&Y, pp.43-44) Tebal:3/16‖ or ¼‖, lebar flat 60‖

9/7/2014

66

Vessel (bejana) Shell design of large storage tanks (pp.34 B&Y). •

Tanks bentuk silinder, great structure strength dan mudah dibuat

•

Several types of stresses yang mungkin terjadi pada tangki bentuk silinder:

•

Longitudinal stressinternal pressure

•

Circumferential stressinternal pressure

•

Residual weld stresseslocalized heating

9/7/2014

67

Vessel (bejana) •

Stressessuperimposed loads seperti: wind, snow, and ice, auxiliary equipment, and impact loads

•

Stresses karena thermal differences

•

Others dijumpai didalam paraktek

9/7/2014

68

Vessel (bejana) Stress in thin shell based on membrane

theory

Longitudinal stress

t 

pd 4 f

Circumferential stress

t 

p d 2 f

9/7/2014

69

Vessel (bejana) Joint Efficiencies dan Corrosion Allowance E= joint efficiency