TIPE-TIPE BEJANA / TANGKI Head adalah bagian tutup suatu bejana (vessel) yang penggunaan disesuaikan dengan tekanan operasi bejana. Tutup bejana ini tebagi menjadi 6 bentuk yaitu: a. Bejana ½ Bola (Hemispherical) Suatu tutup bejana setengah bola adalah bentuk yang paling kuat, mampu menahan tekan dua kali banyak dari bentuk tutup torispherical dilihat dari ketebalan yang sama. Ongkos pembentukan suatu tutup bejana setengah bola, bagaimanapun lebih tinggi dibandingkan dengan yang untuk suatu tutup berbentuk torispherical. Tutup bejana yang setengah bola ini biasanya digunakan pada tekan tinggi. Gambar 1. Bejana ½ Bola (Hemispherical) Dari berbagai macam pengujian, didapat bahwa untuk tekanan sama di bagian yang silindris dan tutup setengah bola dari suatu bejana, ketebalan dari -1- tutup yang diperlukan adalah separuh silinder tangkinya. Bagaimanapun, ketika pembesaran dari dua bagian berbeda, tekan discontinuitas akan di-set ke arah tutup dan sampingan silinder. Untuk tidak ada perbedaan di dalam pembesaran antara kedua bagian (ketegangan diametral yang sama) dapat ditunjukkan bahwa untuk baja (perbandingan Poisson D 0.3) perbandingan dari ketebalan tutup bejana setengah bola ketebalan jumlah maksimumnya, secara normal sama dengan 0.6 (Brownell dan Young 1959). Cara perancangan tutup tipe Hemispherical adalah sebagai berikut : 1. Cara Brownell & Young Hemispherical head Langkah-langkah perancangan: ◘ Trial th ◘ Tentukan nilai rc (radius of curvature) rc = d/2 (1) ◘ Tentukan nilai rc/(100 th) ◘ Pilih grafik sesuai dengan bahan konstruksi pilihan yang memberikan nilai yield point (Tabel 5.1 Brownell dan Young 1959) yang masuk dalam kisaran grafik tersebut. ◘ Tentukan nilai f/E Tarik garis horizontal dari nilai (l1/100 th) = rc/(100 th) ke arah kanan memotong garis “sphere line”, Kemudian tarik garis ke arah bawah. ◘ Tentukan nilai B Dari nilai f/E tarik garis vertikal ke arah suhu operasi bejana, kemudian dari perpotongan garis tersebut tarik garis horizontal ke kanan. ◘ Tentukan nilai r/th r rc th 100t h *100 ◘ Tentukan Pallow. -2- (2) Pallow. B r/t h (3) ◘ Bandingkan nilai Pallow. dengan Plingkungan = 15 psi. Perhitungan benar jika Pallow. > Plingkungan, tapi tidak Pallow. > >> Plingkungan. Jika Pallow. < Plingkungan. maka lakukan trial th kembali dengan langkah sama seperti di atas ( dengan nilai trial th berikutnya > nilai trial th sebelumnya). 2. Cara Buthod & Megyesy Hemispherical head Langkah-langkah perancangan: ◘ Trial th ◘ Tentukan nilai A A 0,125 Ro / t h (4) Ro = Do/2 ◘ Pilih Grafik (hal. 41-45 Brownell dan Young 1959) sesuai dengan bahan konstruksi yang digunakan. ◘ Tentukan nilai B Dengan cara menarik garis vertikal dari nilai A yang diperoleh ke arah suhu operasi bejana, kemudian tarik garis horizontal ke arah kanan. ◘ Tentukan tekanan kerja maksimum yang diizinkan (Pa) Pa B (Ro/t h ) (5) Pa = tekanan kerja maksimum yang diizinkan, psi. Jika nilai A berada di daerah sebelah kiri garis-garis suhu maka Pa ditentukan menggunakan rumus sebagai berikut: -3- Pa 0,0625 E (Ro/t h ) 2 (6) dengan: E = Modulus elastisitas bahan konstruksi pada suhu tertentu. ◘ Bandingkan nilai Pa dengan Plingkungan = 15 psi. Perhitungan benar jika Pa > Plingkungan, tapi tidak Pa. > >>Plingkungan. Jika Pa < Plingkungan. maka lakukan trial th kembali dengan langkah sama seperti di atas ( dengan nilai trial th berikutnya > nilai trial th sebelumnya). b. Bejana Ellips Piring (Ellipsoidal) 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 400 psig. -4- Gambar 2. Bejana Ellips Piring (Ellipsoidal) Tutup bejana Ellipsoidal yang standar dihasilkan dengan suatu perbandingan poros utama dan kecil sebesar 2:1. Cara perancangan tutup tipe Ellipsoidal adalah sebagai berikut : 1. Cara Brownell & Young Ellipsoidal head Langkah-langkah perancangannya sama dengan Hemispherical head. Perbedaan hanya pada perhitungan rc awal dengan menggunakan persamaan di bawah ini: rc = k * d (7) Nilai k tergantung pada nilai (a/b) (Fig. 5.2 Brownell dan Young 1959), distribusi nilai k pada berbagai nilai (a/b) dapat dilihat pada Tabel 2 di bawah ini. Umumnya a/b yang digunakan adalah 2. Tabel 1. Distribusi Nilai k pada Berbagai Nilai a/b a/b 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 k 1,36 1,27 1,18 1,08 0,99 0,9 0,81 0,73 0,65 0,57 0,5 2. Cara Buthod & Megyesy Elliptical head Langkah-langkah perancangannya sama dengan Hemispherical head. Perbedaanya pada nilai Ro, setiap Do pada persamaan torispherical diganti dengan Ro. Ro = k Do (8) Nilai k dapat dilihat pada Tabel 1 pada setiap distribusi a/b. Umumnya digunakan a/b = 2. c. Torispherical Head -5- Suatu bentuk torispherical, yang mana sering digunakan sebagai penutup akhir dari bejana silindris, dibentuk dari bagian dari suatu torus dan bagian dari suatu lapisan. Bentuknya mendekati dari suatu bentuk lonjong tetapi adalah lebih murah dan lebih mudah untuk membuatnya. Gambar 3. Torispherical Head Keterangan : * (on demand) d = inside diameter D = outside diameter S = thickness R = dishing radius r = knuckle radius h = straight flange H = total depth -6- Tutup torispherical yang standar adalah penutup yang paling umum digunakan sebagai penutup akhir untuk bejana yang beroperasi pada tekan 15 bar. Dia dapat digunakan untuk tekan yang lebih tinggi, tetapi di atas 10 bar, biayanya harus dibandingkan dengan suatu tutup ellipsoidal. Diatas 15 bar, suatu tutup ellipsoidal pada umumnya terbuktikan sebagai penutup paling hemat untuk digunakan. Head tipe ini digunakan pada bejana yang beroperasi pada tekanan 15-200 psig dan dapat dinaikkan dengan mengurangi local stress yang berada pada sudut head, yaitu dengan cara membuat ior head ini sekurang-kurangnya 3 kali tebal shell atau 6 % diameter dalam bejana. Bentuk torispherical yang sering digunakan sebagai penutup akhir dari bejana silindris, dibentuk dari bagian suatu torus dan bagian dari suatu lapisan. Bentuknya mendekati bentuk lonjong tetapi lebih murah dan lebih mudah untuk membuatnya. Perbandingan radius sendi engsel dan radius mahkota harus dibuat kurang dari 6/100 untuk menghindari tekuk. Tekan akan menjadi lebih tinggi di bagian torus dibanding bagian yang berbentuk bola. Ada dua ujung batas tutup bejana torispherical: bahwa antar bagian yang silindris dan tutupnya, adan itu adalah pada ujung dari radius mahkota dan radius sendi engsel. Penekukan dan shear stress disebabkan oleh pembesaran diferensial yang terjadi pada titik-titik ini harus diperhitungkan di perancangan tutup bejana tersebut. Suatu pendekatan yang diambil adalah menggunakan persamaan dasar untuk suatu bentuk setengah bola dan untuk memperkenalkan konsentrasi tekan atau bentuk, faktor yang memungkinkan tekan bisa ditingkatkan dalam kaitan dengan discontinuitas. 1. Cara Brownell & Young Torispherical head Langkah-langkah perancangannya sama dengan Hemispherical head. Perbedaanya pada nilai rc yaitu: rc = d (9) 2. Cara Buthod & Megyesy Torispherical head -7- Langkah-langkah perancangannya sama dengan Hemispherical head. Perbedaanya pada nilai Do, setiap Ro pada persamaan Hemispherical diganti dengan Do. d. Bejana Piring Standar (Flanged Standart Dished & Flanged Shallow Dished Heads) Tutup jenis ini umunya digunakan untuk bejana horizontal yang menyimpan cairan yang mudah menguap (volatile), seperti: nafta, bensin, alkohol dan lain-lain. Sedangkan pada bejana silinder tegak biasanya digunakan sebagai bejana proses yang beroperasi pada tekan rendah (vakum). Jika diinginkan diameter tutup ≤ diameter shall maka digunakan flanged standart dished sedangkan jika diinginkan diameter tutup ≥ diameter shell maka digunakan flanged shallow dished head. Sizes 14 to 252 inches diameter. From 12 gauge to 1-1/8 inches thick. Gambar 4. Flanged Standard Dished & Flanged Shallow Dished Heads e. Bejana Konis (Conical Head) Tutup bejana konis biasanya digunakan sebagai penutup atas pada tangki silinder tegak dengan alas flat bottom yang beroperasi pada tekan atmosperik. Disamping itu juga digunakan sebagai tutup bawah pada alat-alat proses seperti: evaporator, spray dryer, crystallizer, bin, hopper, tangki pemisah dan lain-lain. -8- Gambar 5. Conical Head Besarnya sudut (α) yang dibentuk pada jenis konis pada tutup atas tangki silinder tegak dengan alas flat bottom adalah < 450C (menurut Morris), tetapi menurut Buthod & Megsey < 300C. sebaiknya menggunakan α < 300C, karena 300C < α < 600C adalah kemiringan sudut yang dibentuk tutp konis untuk tutup bawah bejana (bin, hopper) yang mengalirkan cairan 300C < α < 450C dan 450C < α < 600C untuk mengalirkan butiran padatan. 1. Cara Brownell & Young Conical head Langkah-langkah perancangan: ◘ Trial th ◘ Tentukan nilai l l d 2 tan α (10) α adalah sudut puncak. Jika α = 45o maka bejana tanpa stiffeners. ◘ Tentukan nilai l/do = l/d ◘ Tentukan nilai do/th = d/th ◘ Pilih grafik sesuai dengan bahan konstruksi pilihan yang memberikan nilai yield point (Tabel 5.1) yang masuk dalam kisaran grafik tersebut. ◘ Tentukan nilai f/E -9- Tarik garis horizontal dari nilai (l/do) ke arah kanan memotong garis do/th = do/t, Kemudian tarik garis ke arah bawah. ◘ Tentukan nilai B Dari nilai f/E tarik garis vertikal ke arah suhu operasi bejana, kemudian dari perpotongan garis tersebut tarik garis horizontal ke kanan. ◘ Tentukan Pallow. Pallow. B do/t h (11) ◘ Bandingkan nilai Pallow. dengan Plingkungan = 15 psi. Perhitungan benar jika Pallow. > Plingkungan, tapi tidak Pallow. > >>Plingkungan. Jika Pallow. < Plingkungan. maka lakukan trial th kembali dengan langkah sama seperti di atas ( dengan nilai trial th berikutnya > nilai trial th sebelumnya). 2. Cara Buthod & Megyesy Conical head α te L Dl Gambar 6a. Dl α te - 10 - L DS Gambar 6b. Langkah-langkah perancangan untuk Gambar 6a: ◘ Trial th ◘ Tentukan nilai L (in) L D l /2 tan α (12) dengan: Dl = Do ◘ Tentukan nilai te te = th cos α (13) ◘ Tentukan nilai Le Le = L/2 (14) ◘ Tentukan nilai Le/Dl dan Dl /te ◘ Tentukan nilai A (Grafik hal. 40) Dari nilai Le/Dl (= L/Do pada Grafik ) tarik horizontal ke kanan momotong nilai Dl /te (= Do/t pada Grafik). Kemudian tarik garis ke bawah ◘ Pilih Grafik (hal. 41-45) sesuai dengan bahan konstruksi yang digunakan. ◘ Tentukan nilai B Tarik garis vertikal ke arah suhu operasi bejana (pada grafik yang dipilih). Kemudian perpotongan garis tersebut, tarik garis horizontal ke kanan. ◘ Tentukan Pa Pa 4B 3(D l / t e ) (15) - 11 - Jika nilai A berada di daerah sebelah kiri garis-garis suhu maka Pa ditentukan menggunakan rumus sebagai berikut: Pa 2AE 3 (D l / t e ) (16) ◘ Bandingkan nilai Pa dengan Plingkungan = 15 psi. Perhitungan benar jika Pa > Plingkungan, tapi tidak Pa. > >>Plingkungan. Jika Pa < Plingkungan. maka lakukan trial th kembali dengan langkah sama seperti di atas ( dengan nilai trial th berikutnya > nilai trial th sebelumnya). Langkah-langkah perancangan untuk Gambar 6b: ◘ Trial th ◘ Tentukan nilai L (in) L (D l - DS )/2 tan α (17) dengan: Dl = Do ◘ Tentukan nilai te te = th cos α (18) ◘ Tentukan nilai Le Le = (L/2)(1+ DS /Dl) (19) Langkah-langkah selanjutnya sama dengan cara Gambar 1. f. Bejana Datar (Flanged – Only Head) Perancangan tutup bejana ini adalah yang paling ekonomis karena merupakan gabungan antara flange dan flat plate. - 12 - Sizes 14 to 275 inches diameter. From 12 gauge to 1 inch thick. I.D. or O.D. Gambar 7. Flanged – Only Head Aplikasi dari flanged-only dapat digunakan sebagai tutup bejana penyimpan jenis silinder horizontal yang beroperasi pada tekan atmosferik. Tipe bejana dengan jenis tutup ini dapat digunakan unutk menyimpan fuel oil (minyak bahan bakar), kerosin, minyak solar ataupun cairan yang mempunyai tekanan uap rendah, disamping itu dapat juga digunakan sebagai tutup atas konis, kisaran diameternya ≤ 20 ft. Tutup bejana setengah bola, ellipsoidal dan torispherical secara bersama dikenal sebagai tutup bejana yang bundar. Mereka dibentuk dengan menekan atau memutar, diameter yang besar dibuat dari bagian pembentukan. Tutup torispherical sering dikenal sebagai tutup bagian akhir. Ukuran yang lebih disukai dari tutup bejana yang bundar diberikan didalam standard dan kode. Persamaan untuk ketebalan dinding pada table 1.1. Volume penuh Vo dan permukaan S sebagai V/Vo yang akan berhubungan dengan kedalaman atau ketinggian H/D pada vessel horizontal. - 13 - Tabel 1 Tabel Data-data Standar API untuk Tangki Kode ASME memberikan persamaan yang berhubungan ketebalan dinding terhadap diameter, tekanan, ketegangan, dan efisiensi sambungan. Sejak ASME hanya menyebutkan hubungannya dengan shell yang tipis, beberapa pembatasan diletakkan pada aplikasinya. Untuk bentuk yang tidak biasanya, tidak ada metode perancangan yang sederhana, uji coba harus dilakukan untuk bentuk yang - 14 - dibutuhkan. Persamaan diekpresikan dalam bentuk berdimensi. Walaupun jarang dipergunakan,persamaan yang tak berdimensi, misalnya Do, dapat diturunkan dengan mensubstitusikan Do = 2t untuk D. Untuk perbandingan 2:1, ellipsoidal head misalnya: Sebagai tambahan pada shell dan head, kontirbusi berat pada vessel dapat memerlukan nozzle, manway, kebutuhan internal lainnya, dan struktur pendukung seperti lugs untuk vessel horizontal dan skirt untuk vessel vertical. Nozzle dan manway distandarisasi untuk perhitungan tekanan yang berlainan; dimension dan beratnya ditunjukkan pada catalog pabrik. Perhitungan alat ini akan membantu sekitar 10-20% dalam perhitungan berat vessel. Persamaan Brownell & Young untuk head jenis flange-only : th d CP c f Keterangan : th = tebal head, in d = diameter dalam shell, in P = tekanan perancangan, psi f = stress yang diizinkan, psi C = konstanta dari appendix H atau Fig 13.8 c = faktor koreksi - 15 -
