TUTUP BEJANA ( HEAD ) Tutup tangki (head) adalah bagian tutup atas suatu tangki yang penggunaanya disesuaikan dengan tekanan operasi. Tutup bejana tersebut terbagi menjadi 5 bentuk yaitu : 1. Hemispherical Head (Tutup Bejana bentuk Setengah Bola) Bentuk hemispherical atau setengah bola adalah bentuk yang ideal untuk head atau tutup bejana, karena tekanan dalam bejana tersebut dibagi rata di seluruh permukaan head. Jari-jari (r) dari head sama dengan jari-jari bagian silinder bejana. Biasanya tutup atau head yang berbentuk setengah bola ini digunakan untuk bejana yang menggunakan tekanan tinggi. Suatu tutup bejana setengah bola adalah bentuk yang paling kuat, mampu menahan tekan dua kali lebih banyak dari bentuk tutup torisperikal dilihat dari ketebalan yang sama. Gambar 1. Hemispherical Head Dari segi biaya, pembuatan suatu bejana setengah bola lebih tinggi dibandingkan dengan pembuatan torispherical. karena tutup ini terdiri dari sejumlah kelopak bunga atau Gores. Jumlah Gores tergantung pada ukuran kepala dan ketebalan pelat yang akan digunakan. Kedalaman kepala adalah setengah dari diameter. Hemispherical head juga digunakan dalam aplikasi arsitektur dengan menggabungkan dua belahan bersama untuk membentuk sebuah bola bulat. Aplikasi umum lainnya untuk stainless steel cooking kettles dengan steam jackets. Dari berbagai macam pengujian didapat bahwa untuk tekanan sama di bagian yang silindris dan tutup setengah bola dari suatu bejana, ketebalan dari tutup yang diperlukan adalah separuh silinder tangkinya. Persyaratan Thicknessnya jika thickness pada Hemispherical Heads tidak lebih 0.356 L atau P tidak lebih dari 0.665 SE. Adapun formula untuk perhitungan Thickness Required yaitu: Dengan : P = tekanan desain atau tekanan maksimal yang bekerja pada ketel uap (psi atau Pa) S = nilai tegangan dari material (psi atau Pa) E = efisiensi dari pengelasan D = diameter bagian dalam ketel uap (inchi atau mm) L = diameter bagian dalam dari tutup tipe Torishperical (inchi atau mm) t = ketebalan tutup V (inchi atau mm) 2. Tutup bejana bentuk Elliptical (Bentuk Ellips) Tutup bejana bentuk Elliptical dihasilkan dengan perbandingan axis mayor dan minor 2:1 sehingga kekuatan tutup mendekati sama dengan kekuatan pipa shell silinder yang sesuai dengan diameter dalam dan diameter luarnya. Karena alasan ini banyak perusahaan menstandarisasi pembuatan elliptical dished dengan perbandingan axis 2: 1. Gambar 2. Ellipsoidal Head Dimana : D - Outside diameter s - Thickness R - Dishing radius r - Knuckle radius h - Straight flange Persamaan dari sebuah elips adalah: π₯2 π¦2 + =1 π2 π 2 Untuk ellipsoideal a=2b disubstitusi dan dikembangkan sehingga dihasilkan: π₯ 2 = 4π 2 − 4π¦ 2 Differensial volume ππ = π΄ ππ¦ = ππ₯ 2 ππ¦ Di integralkan sehingga: π¦3 π 8 2 ππ3 π = 4π [π π¦ − ] = ππ = 3 0 3 3 2 Maka Volume equivalent silinder π = ππ2 π» H : panjang silinder Sehingga volume tutup yang berbentuk ellipsoidal dengan perbandingan axis mayor dan minor 2:1 adalah ππ·2 π· ππ·3 π=( )( )2 = 4 6 12 Persyaratan Thicknessnya adalah ½ minor axis (inside depth pada head minus skirt) sama dengan ¼ dari diameter dalam pada head skirt. Pendekatan yang dapat diterima pada Ellipsoidal Head 2 : 1 adalah Knuckle Radius 0.17 D dan Sperical Radius 0.90 D. Jika diketahui Outside Diameter, maka referensi formulanya : Dimana : Untuk Ellipsoidal Head jika K > 1.0 maka nilai S yang digunakan = 20.000 Psi (147.2 Mpa) pada room temperature. Nilai “ K “ Faktornya dapat dilihat pada tabel dibawah ini : 3. Conical Head ( Bejana Konis ) Gambar 3. Conical Head Tutup bejana conis secara luas digunakan sebagai tutup bawah untuk jenis peralatan proses seperti evaporator, spray dryer, kristalizer, dan settling tank ( tangki pengendap). Selain itu biasanya digunakan sebagai penutup atas pada tangki slinder tegak dengan alas flat bottom yang beroperasi pada tekanan atmosferik. Keuntungan menggunakan tutup bejana conis bawah adalah dalam akumulasi dan pembuangan padatan pada alat tersebut. Besarnya sudut yang dibentuk tutup bejana conis atas tangki silinder tegak dengan alas flat bottom adalah < 450C ( menurut Morris ), tetapi menurut Buthod dan Megsey < 300C. Sebaiknya menggunakan ο‘ < 300C , karena 300C < ο‘ < 600C adalah kemiringan sudut yang dibentuk tutup conis untuk tutup bawah bejana ( bin, hopper ) yang mengalirkan cairan 300C < ο‘ < 450C dan 450C < ο‘ < 600C untuk mengalirakan butiran padat. Adapun formula untuk perhitungan Thickness Required yaitu : Catatan : α ≤ 30°, jika lebih dari 30° maka ada perhitungan khusus. P = tekanan desain atau tekanan maksimal yang bekerja pada ketel uap (psi atau Pa) S = nilai tegangan dari material (psi atau Pa) E = efisiensi dari pengelasan D = diameter bagian dalam ketel uap (inchi atau mm) α = sudut puncak tutup ketel uap ( º ) L = diameter bagian dalam (inchi atau mm) t = ketebalan tutup V (inchi atau mm) 4. Tutup bejana datar (Flanged Head) a. flanged-only head Gambar 4. flanged-only head Perancangan tutup bejana ini adalah yang paling ekonomis karena gabungan antara flange dan flat plate. Aplikasi nya dapat digunakan sebagai tutup bejan penyimpan jenis slinder horizontal yanng beroperasi pada tekanan, P atm dan tutup bawah pada tangki silinder tegak dengan tutup atas conical yang berdiameter < 20 ft. Jenis ini dapat digunakan untuk menyimpan fuel oil, kerosen, minyak solar, atau cairan yang mempunyai tekanan uap rendah. πΆπ π‘β = π√ + π π Dengan : th = Tebal head, in d = Diameter dalam shell, in P = Tekanan Perancangan, psi f = Stress yang diizinkan, psi C = Konstanta c = Faktor Koreksi b. Flanged standard dished and flanged shallow dishedheads Digunakan untuk bejana horizontal yang digunakan untuk menyimpan cairan yang mudah menguap (volatile) seperti : naphta, bensin, dan alkohol. Sedangkan pada bejana silinder tegak biasanya digunakan sebagai bejana proses yang beroperasi pada tekanan rendah atau vakum. Jika digunakan head diameter < diameter shell maka digunakan flangeds standard dished. Sedangkan jika digunakan diameter head lebih besar daripada diameter shell maka digunakan flanged shallow dishedheads. Gambar 5. Flanged Standard Dished and Flanged Shallow 5. Torispherical Head Torisperical head merupakan jenis tutup yang terdiri dari dua buah radius, yaitu crown radius dan kuckle radius. Tutup bejana ini banyak digunakan pada pabrik yang menggunakan bejana bertekanan (pressure vessels) dan merupakan jenis yang paling ekonomis dibanding jenis lainnya. 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 dinaikkan dengan mengurangi lokal stress yang berada pada sudut head. Bentuk tutup torispherical sering digunakan sebagai penutup bejana silindris. Bentuknya mendekati bentuk lonjong dan mudah untuk dibuat. Perbandingan radius sendi engsel dan dan radius mahkota harus dibuat kurang dari 6% untuk menghindari tekuk. Tekuk akan menjadi lebih tinggi dibagian torus dibandingkan dengan bagian yang berbentuk bola. Gambar 6. Torispherical Head Keterangan : d = inside diameter D = outside diameter S = thickness R = dishing radius r = knuckle radius h = straight flange H = total depth Tutup torispherical dapat digunakan untuk gaya tekan yang tinggi diatas 10 bar. Penekukan dan daya tekan disebabkan oleh pembesaran diferensial dan harus diperhitungkan dalam perancangan tutup bejana tersebut. Pendekatan yang diambil adalah menggunakan persamaan dasar untuk suatu bentuk setengah bola dan untuk memberikan konsentrasi tekan yang berkaitan dengan dikontinuitas. Faktor konsentrasi tekan adalah suatu fungsi dari radius sendi engsel dan radius mahkota. 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. Jika terdapat Diameter Luarnya, maka persamaan menjadi : 6. 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, alcohol 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 7. Flanged Standard Dished & Flanged Shallow Dished Heads CONTOH SOAL. 1. Sebuah Ellipsoidal head terbuat dari pelat SA.516 Gr.70 tebal 5/8 in inside diameternya 40 in. setelah dilakukan cold forming diketemukan tebal minimum di knuckle = 17/32 in. Jika ukuran lainnya memenuhi ketentuan ukuran SE = 2.1 dimana CA = 0.0625 in. dengan E = 1 Berapa MAWP dibagian concave ? Given : P = 1000 Psi. D = 40 in. E = 1 t = 17/32 in (0.531 in) Material SA. 516 Gr.70 ; Temperature = 650°F S = 18800 Psi. dari ASME Sect. II D. CA = 0.0625 in. Type Head = Semi Ellipsoidal. Solution : Karena ada Corrosion Allowance maka : DAFTAR PUSTAKA http://etd.eprints.ums.ac.id/5939/1/D200000015.pdf ( Diakses pd tgl 10 Maret 2012) http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/18445/4/Chapter%20II.pdf ( Diakses pd tgl 10 Maret 2012)
