BAB III METODE PENELITIAN

BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Produksi Steam
Dalam hal ini penulis akan mempergunakan metode yang pertama yaitu
metode langsung dalam melakukan perhitungan untuk mengetahui efesiensi yang
terjadi pada boiler.
Proses yang terjadi pada boiler adalah pengisian untuk boiler diperoleh
dari feed tank yang di pompakan kedalam boiler. Dan air yang masuk ke dalam
boiler dipanaskan hingga menjadi uap, maka panas yang dibutuhkan oleh boiler
untuk memanaskan air sampai menjadi ua dengan kapasitas produksi uap pada
tipe boiler MR 200, secara matematis proses tersebut dapat dituliskan seperti
dibawah ini.
Secara teoritis kesetimbangan energinya di tuliskan sebagai berikut :
(Harahap Filino, Thermodinamika Teknik, Hal 207)
1
http://digilib.mercubuana.ac.id/
+ ℎ = ℎ +
Karena tidak ada kerja yang terjadi di dalam boiler maka W = 0 sehingga
persamaan tersebut menjadi :
Q = h out - h in
Kondisi tersebut adalah kondisi aktual, dimana h in = h 1 dan h out = h 2 .
Jadi banyaknya panas yang dibutuhkan untuk memanaskan air sampai menjadi
uap dengan kapasitas produksi uap pada tipe boiler MR 200 maka :
(Djokosetyardjo.M.J, Pembahasan Lebih Lanjut Tentang Ketel Uap, Hal 54)
Q in = S (h2 – h1 )
Dimana :
Q in = panas yang dibutuhkan untuk memanaskan boiler (KJ/jam)
h1 = Entalpi Air (KJ/kg)
h2 = Entalpi Uap (KJ/kg)
S
= Produksi Uap (kg uap/Jam)
Sehingga untuk mendapatkan panas yang dihasilkan oleh boiler dituliskan
sebagai berikut :
(Lindsley David, Boiler Control System, Hal 131)
m = ρ air 80 0C x Q air
Q boiler = m (h2 – h1)
2
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Keterangan : m
= massa alir (kg/detik)
Q
= debit alir air (m3/jam)
ρair
= berat jenis air (kg/m3)
Qboiler = panas yang dihasilkan boiler (kW)
Untuk proses pembakaran pada boiler digunakan bahan bakar solar dan
gas sehingga jumlah pemakaian bahan bakar, Be (kg bahan bakar/jam) dapat
dihitung, secara matematis dituliskan sebagai berikut :
(Djokosetyardjo.M.J, Pembahasan Lebih Lanjut Tentang Ketel Uap, Hal 55)
Be =
Dimana :
Qin = Panas yang dibutuhkan untuk memanaskan boiler (kJ/jam)
NKB = Nilai pembakaran bawah bahan bakar
Perbandingan jumlah uap yang dihasilkan terhadap pemakaian bahan
bakar, E(kg uap/kg bahan bakar).
(Djokosetyardjo.M.J, Pembahasan Lebih Lanjut Tentang Ketel Uap, Hal 55)
E=
Dimana :
S = Produksi Uap (kg uap/jam)
Be = Jumlah Pemakaian Bahan Bakar (kg bahan bakar/jam)
Sehingga panas yang dihasilkan oleh bahan bakar secara matematis dapat
dituliskan sebagai berikut :
3
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Q bahan bakar
= m x NKB
Kemudian untuk menentukan efesiensi boiler berdasarkan rumus yang
telah diketahui dapat dituliskan sebagai berikut :
η boiler
=
100%
3.2 Bahan Bakar cair (solar)
Bahan bakar cair berasal dari minyak bumi. Minyak bumi didapat dari
dalam tanah dengan
jalan
mengebornya
diladang-ladang
minyak,
dan
memompanya sampai ke atas permukaan bumi untuk selanjutnya diolah lebih
lanjut menjadi berbagai jenis minyak bakar.
Bahan bakar cair yang biasa dipakai dalam industri, transportasi maupun
rumah tangga adalah fraksi minyak bumi. Minyak bumi adalah campuran
berbagai hidrokarbon yang termasuk dalam kelompok senyawa: parafin, naphtena,
olefin, dan aromatik. Kelompok senyawa ini berbeda dari yang lain dalam
kandungan hidrogennya. Minyak mentah, jika disuling akan menghasilkan
beberapa macam fraksi, seperti: bensin atau premium, kerosen atau minyak tanah,
minyak solar, minyak bakar, dan lain-lain. Setiap minyak petroleum mentah
mengandung keempat kelompok senyawa tersebut, tetapi perbandingannya
berbeda. Perbedaan minyak mentah yang utama ialah:
a. Yang bersifat Parafinis (parafinic base), ialah persenyawaan zat air
arang yang membentuk rantai yang panjang atau sering disebut sebagai
persenyawaan alifatis, yang terdiri dari Alkan CnH2 n+2 atau Alkin
CnH2 n.
4
http://digilib.mercubuana.ac.id/
b. Yang bersifat Naphtenis (naphtenic base), ialah persenyawaan zat cair
arang yang berbentuk siklis,atau Aromat CnH2 n+6 atau Cyclan CnH2 n.
Minyak bumi (crude oil) hanya digunakan sebagai minyak bakar langsung
di dalam mesin boiler bila ssedikit sekali mempunyai kandungan-kandungan
persenyawaan zat cair arang dengan titik atau temperatur mendidih yang rendah,
sehingga tidak banyak manfaatnya untuk memisah-misahkannya. Keadaan yang
demikian ini adalah keadaan yang khusus.
Umumnya dari minyak bumi (crude oil) dapat dipisah-pisahkan beberapa
macam bahan bakar cair, antara lain berbagai jenis bensin, minyak tanah, kerosin,
solar serta minyak berbagai jenis minyak bakar untuk boiler. Pemisah-pemisahan
menjadi beberapa bahan bakar tersebut dilakukan dengan jalan distilasi bertingkat
melalui berbagai tingkatan temperatur.
Minyak solar biasa digunakan pada ketel uap, baik yang stasioner maupun
yang bergerak. Dalam hal instalasinya, pemakaian minyak residu dalam ketel uap
akan lebih murah dibanding batubara. Disamping itu, pemakaian minyak residu
tidak menimbulkan masalah abu. Akan tetapi pada ketel uap tekanan tinggi dan
suhu tinggi dapat menimbulkan korosi dan kerusakan pada “superheater tube”.
Pemakaian minyak residu kecuali dalam ketel uap antara lain:

Tanur dalam indutri baja, tanur tinggi dalam indutri semen dan indutri lain
yang mempunyai kaitan dengan semen, serta berbagai dapur dalam
industri petroleum dan industri kimia.
5
http://digilib.mercubuana.ac.id/

Mesin diesel, kecuali pada mesin diesel kecepatan tinggi seperti pada truk
dan lokomotif, pada mesin diesel kapal serta mesin diesel berkecepatan
rendah untuk pembangkit tenaga listrik.
3.2.1 Prinsip Pembakaran
Proses pembakaran adalah reaksi kimia yang cepat antara bahan bakar dengan
oksigen (O2) dari udara, disertai cahaya dan menghasilkan kalor. Hasil
pembakaran yang utama adalah Karbondioksida (CO2), uap air (H2O) dan disertai
energi panas. Sedangkan hasil pembakaran yang lain adalah Karbonmonoksida
(CO), abu (ash), NOx, atau SOx tergantung pada jenis bahan bakarnya. Dalam
pembakaran proses yang terjadi adalah oksidasi dengan reaksi sebagai berikut:
 Karbon + oksigen = Karbon dioksida + panas
 Hidrogen + oksigen = Uap air + panas
 Sulfur + oksigen = Sulfur dioksida + panas
Beberapa hal yang terjadi pada proses pembakaran:
a. Pembakaran dengan uadara kenyang
Dikatakan campuran “rich” (kaya). Pembakaran ini menghasilkan api
reduksi. Api reduksi ditandai oleh lidah api panjang, kadang-kadang
sampai terlihat berasap. Keadaan ini juga disebut pembakaran tidak
sempurna.
Pada proses ini terjadi perpindahan panas berkurang dan panas hilang
karena bahan bakar terlebih serta ada bahan bakar yang tak terbakar di
samping terdapat hasil pembakaran seperti CO, CO2, uap air dan N2.
6
http://digilib.mercubuana.ac.id/
b. Pembakaran dengan udara berlebih.
Dikatakan campuran “lean” (kurus). Pembakaran ini menghasilkan api
oksidasi. Pada proses ini terjadi perpindahan panas berkurang dan panas
hilang karena udara berlebih serta hasil pembakaran seperti CO2, uap air,
O2 dan N2.
c. Pembakaran dengan udara optimum
Pada proses ini terjadi perpindahan panas yang maksimum dan panas yang
hilang minimum serta terdapatnya hasil pembakaran seperti CO2, uap air,
dan N2.
Dalam pembakaran, ada pengertian udara primer yaitu udara yang
dicampurkan dengan bahan bakar di dalam burner (sebelum pembakaran) dan
udara sekunder yaitu udara yang dimasukkan dalam ruang pembakaran setelah
burner, melalui ruang sekitar ujung burner atau melalui tempat lain pada dinding
dapur.
Pada umumnya bahan bakar telah berubah menjadi uap (combustible
vapor) sebelum terbakar. Untuk mempercepat terjadinya “combustible vavor”
diperlukan proses pengabutan. Butiran-butiran kabut tersebut luas permukaannya
menjadi sangat besar, sehingga mempercepat penguapan.
3.2.2 Perhitungan konsumsi bahan bakar solar
Data-data:
-
Spesifikasi grafity (SG) = 0,92
-
Debit solar (Qsolar) = 0,42 m3/jam
-
Nilai kalor bawah (NKB) = 10000 kkal/kg
7
http://digilib.mercubuana.ac.id/
-
Berat jenis air (Pair) pada kondisi ruang 27 0C + 273 = 300 K,
P = 1 atm = 1000 kg/m3
m = ρsolar x Qsolar
m = (ρair x SG) Qsolar
= (1000 kg/m3 x 0,92) 0,42 x
= 0,107 Kg/dtk
NKB = 10000 kkal/kg x 4,187 J/kal
= 41870 Kj/kg
Q bahan bakar
= m x NKB
= 0,107 kg/dtk x 41870 kJ/kg
= 4480,09 kW
3.3 Air Umpan
Air umpan boiler harus memenuhi persyaratan akan menimbulkan
beberapa masalah, seperti korosi, penggerak, dan busa. Salah satu terjadinya
korosi pada boiler adalah oksigen dalam air umpan boiler. Oleh karena itu,
oksigen harus disingkirkan sebelum air diumpankan ke dalam boiler. Dalam
pengisian tangki boiler temperatur 59-60 0C pengisian air dalam boiler.
Boiler merupakan bagian dari sistem boiler yang menerima semua bahan
pencemar dalam air seperti logam mineral dan gas-gas terlarut. Kinerja, efisiensi,
dan umur layanan boiler merupakan hasil langsung dari pemilihan dan
pengendalian air umpan boiler. Sistem pengolahan air umpan boiler terdiri dari
pengolahan eksternal dan internal. Oksigen merupakan salah satu gas terlarut
yang bersifat korosif dalam hal internal pengikatan oksigen terlarut dalam air
8
http://digilib.mercubuana.ac.id/
dilakukan dengan penambahan bahan kimia. Hal ini perlu dilakukan mengingat
kemampuan deaerasi sebagai pengolahan eksternal dibatasi oleh kelarutan oksigen
dalam air.
3.4 Temperature
Tekanan uap dan temperatur air selalu berubah tergantung pada banyak
pemakaian masing-masing, yang disesuaikan dengan kebutuhanya. Perubahanperubahan yang terjadi pada tekanan maupun pada temperatur dapat dikontrol
dengan pengaturan bahan bakar yang di suplai, serta menjaga agar pemakaian
bahan bakar selalu seimbang dengan tekanan dan temperatur, sehingga uap yang
dihasilkan selalu konstan dan pada waktu yang bersamaan air pengisi ketel uap
juga harus dikontrol menurut ketinggian air ketel uap di dalam drum.
Kontrol terhadap pemakaian bahan bakar dan air pengisi ketel uap
dimaksudkan untuk menjaga keseimbangan energi di dalam ketel khususnya
dalam pembentukan uap atau air panas.
Kondisi pengoperasian harus selalu dalam keadaan baik, dan juga
keseimbangan antara energi yang masuk dan yang keluar. Untuk ketel-ketel
dengan kapasitas kecil keseimbangan antara energi yang masuk dan yang keluar
dapat dikontrol secara manual. Tetapi setiap jenis ketel mempunyai kondisi yang
berbeda-beda antara yang satu dengan yang lainnya, sehingga dimungkinkan pada
satu ketel pengoperasiannya mudah dan pada ketel yang lainnya sulit.
Jika kita ingin agar efisiensi operasi tetap tinggi, harus digunakan sistem
kontrol otomatis secara menyeluruh dan ini lebih menjamin keselamatan operator
maupun ketel uapnya.
9
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Tujuan dari sistem kontrol otomatis ini adalah untuk mengontrol tekanan
dan temperatur agar di dapatkan uap dan air panas yang lebih dan konstan. Selain
itu juga diinginkan agar kondisi operasi tetap baik sehingga efisiensi
pengoperasian juga tetap tinggi, dengan demikian akan menghemat energi pada
kapasitas yang optimal. Jika suatu ketel uap menggunakan sistem kontrol
otomatis, maka biasanya digunakan sistem kontrol otomatis secara menyeluruh.
Ketel uap tekanan
uap temperatur air
panas
Bahan bakar
Air pengisi
ketel uap
Temperatur uap
ketinggian air
ketel uap
Udara untuk
pembakaran
Tekanan di dapur
Hasil uap dan
air panas
Gas buang
Panas yang
hilang
Gambar 3.4 Energi yang masuk dan keluar pada ketel uap
3.4.1 Gas Buang
Untuk ketel uap baru atau lama tidak di pakai atau setelah di bersihkan
atau di reperasi, perlu pemeriksaan dengan baik-baik sehingga didapatkan
keyakinan bahwa bagian-bagian yang dibersihkan dengan baik dan semua pintu,
lobang untuk pembersih/pemeriksaan telah di pasang kembali dan di teliti apabila
pintu-pintu tersebut telah menutup dengan baik. Saat kegiatan pemeriksaan dapur
dan saluran gas buang, yaitu :
10
http://digilib.mercubuana.ac.id/
- periksa bagian dalam dapur
- periksa peralatan dapur
- periksa peralatan saluran gas buang
3.4.2 Steam
Ada 2 (dua) jenis steam pada boiler ini yaitu steam drum dan steam
superheater :
1. Steam Drum
Steam drum dapat disebut juga main drum atau drum utama yang
letaknya pada bagian puncak boiler, berisi sebagian air jenuh dan
sebagian uap jenuh, air jenuh ini di peroleh dari economizer serta
uapnya diperoleh dari pipa-pipa riser.
2. Steam Superheater
Adalah pipa-pipa pemanas untuk memanaskan uap jenuh atau
Saturated Steam dari drum menjadi uap lewat jenuh atau Superheater
Steam.
3.4.3 Air Umpan
Pada air umpan boiler bisa mengandung mineral-mineral yang bisa
menyebabkan pengendapan korosi dan carry over. Pengendapan material dapat
mengakibatkan menurunnya efektifitas perpindahan panas sehingga menyebabkan
pengguna bahan bakar menjadi boros, metal bersuhu tinggi bahkan bisa
mengakibatkan kerusakan. Pengendapan juga merupakan masalah yang paling
11
http://digilib.mercubuana.ac.id/
serius pada boiler, bisa juga menyebabkan masalah-masalah pada sistem sebelum
dan sesudah boiler. Dimana tujuan pengolahan air umpan pada boiler, adalah :

Menghindari terbentuknya kerak

Mencegah korosi pada peralatan

Menghindari terbawanya senyawa yang tidak diinginkan kedalam steam
carry over.
3.5 Sirkulasi Air (Blow Down)
Blowdown adalah pembuangan sejumlah kecil air boiler dengan maksud
untuk menjaga tingkat maximum dari padatan terlarut dan terendap pada tingkat
yang diizinkan. Menguras air didalam pipa dalam waktu boiler berjalan dilakukan
pembungan air untuk menghindari kerak dari pipa. Sirkulasi air pada boiler
diharapkan dapat mengurangi konsentrasi zat-zat kimia, kotoran lumpur dan
mencegah terjadinya busa karena terikatnya padatan kimia ke dalam steam. Ada 2
(dua) jenis sirkulasi (blow down) pada boiler ini yaitu blow down belakang dan
blow down samping.
3.6 Waktu Operasi Per jam/hari
Spesifikasi boiler yang digunakan oleh PT. Kartika Eka Dharma adalah
boiler jenis pipa air dengan tipe boiler MR 200, uap yang dihasilkan oleh boiler
tersebut tidak dipanaskan lanjut atau hanya dalam kondisi uap jenuh.
Seperti yang telah kita ketahui, bahwa boiler jenis ini adalah boiler kecil
dan sederhana, boiler jenis ini mempunyai tekanan maksimum 18 kg/cm2. Jadi
boiler jenis ini tergolong boiler untuk tekanan rendah.
12
http://digilib.mercubuana.ac.id/
PT. Kartika Eka Dharma memproduksi chicken broiler farm, karena
produksi yang dihasilkan hanya ayam saja sehingga temperatur yang dibutuhkan
untuk proses merendam ayam menggunakan temperatur rendah pada mesin Hot
Press. Hal ini dimasudkan untuk merendam bagian bulu-bulu yang sebelumnya
masih ada.
Tabel 3.6 kondisi operasi ketel uap (boiler)
No
Uraian
Keterangan
1
Merk
MR 200
2
Bahan bakar
Solar
3
Waktu operasi
12 jam / hari
4
Menghasilkan ayam
40.000 ribu ekor
5
Konsumsi solar
± 200 liter
Sumber : Data diterima dari PT. Kartika Eka Dharma
3.7 Konstruksi Dari Boiler (skema)
Gambar 3.7 Cara Kerja Boiler
13
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Keterangan :
a. Air dimasukkan ke dalam softener tank dari tungku air utama dengan
bantuan pompa. Softener tank ini berfungsi untuk memisahkan koloidkoloid yang terkandung dalam air seperti garam, minyak dan lainnya. Jika
hal tersebut diabaikan dapat menyebabkan kerusakan pada ketel.
b. Dari softener tank air tersebut dialirkan ke dalam feed tank dengan kondisi
air masih dalam keadaan dingin.
c. Selanjutnya air di dalam feed tank dimasukkan ke dalam boiler dengan
menggunakan pompa hingga sesuai batas optimal kerja boiler.
d. Kemudian kran bahan bakar dibuka untuk menuju burner yang berada
pada boiler, apabila menggunakan solar maka pengisiannya di bantu oleh
pompa.
e. Setelah persiapan telah siap maka boiler secara otomatis akan bekerja dan
mulai memanaskan air.
f. Kemudian uap yang di hasilkan oleh boiler menuju tangki distribusi baru
kemudian di distribusikan kepada mesin hot press dan untuk keperluan
kantin.
14
http://digilib.mercubuana.ac.id/