Perancangan HRSG atau WHRSG BoilerPendahuluanHRSG sering digunakan dalam proses industry kimia. Karena plant ini cukup mahal dan HRSG merupakan bagian yang sangat penting, maka perlu disimulasikan performancenya sebelum plant tersebut di didirikan. Dalam simulasi tidak diperlukan perhitungan U, dimana memerlukan informasi ukuran tube, pitch, geometry, konfigurasi fin, panjang dan lain-lain. Dalam simulasi UA = Q/TLMTD, dihitung pada setiap permukaan yang digunakan untuk memprediksi performance off-design. Mechanical secara detailnya tidak perlu.Mengapa diperlukan simulasi? Supplier mungkin tidak mempelajari berbagai alternative pada tahap awal khususnya jika system steam mempunyai multiple pressure. Pada hal studi what if perlu dilakukan untuk mengoptimalkan profile suhu gas/steam ,sehingga dengan studi ini dapat menghindari ketidaksesuaian antara kenyataan dan parameter steam yang diperlukan. Methodology 1. Menentukan profile suhu flue gas dan steam. Umumnya profile suhu gas dan steam bisa dilihat dalam gambar dibawah:

Sumber : V Ganapathy, 1993 Simulation Aids Cogeration Chemical Engineering ProgressInlet gas, oCPinch point , T oCApproach point,T oC

Bare tubeFinned tube

371 649

44 - 725.5 - 175.5 - 22

Beberapa hal yang perlu diperhatikan: Dalam HRSG, efek tekanan steam sangat menentukan. Semakin besar tekanan steam, semakin besar suhu gas keluar evaporator dan semakin kecil rate steam yang dihasilkan. Hal ini menyebabkan semakin sedikit duty di economizer dan semakin besar temperature gas. Dua variable yang berpengaruh langsung pada produksi steam dan profil suhu gas dan steam adalah PINCH POINT dan APPROACH POINT (lihat gambar diatas). Pemilihan kedua variable ini akan mempengaruhi ukuran economizer, evaporator dan superheater. Suhu keluar boiler tergantung dari kondisi steam, seperti dalam table berikut

Tekanan, (Mpa)Suhu steam, oCSuhu saturated, oCKSuhu gas keluar

0.79saturated1700.904149

1.12saturated1860.8754156

1.83saturated2080.8337167

2.86saturated2310.7895178

2.863152320.8063186

4.24saturated2540.7400189

4.243992560.7728203

Data yang diperlukan dalam simulasi; Wg (flow gas), Tg1 (suhu gas masuk) dan Tekanan steam.a. Diasumsi, evaporator didesign untuk mendinginkan gas dari tg1 hingga suhu menjadi Tg3 dan transfer energy sebesar Q. Dengan asumsi hanya evaporator dan tidak ada heat loss maka bisa di rumuskanQ = (UA)d T LMTD = Wg Cp (Tg1-Tg3) = Ws H Ws (flow steam) bisa didapat dengan menghitung energy yang ditambahkan ke steam dan data H steam. Rate steam ini adalah rate steam maksimum karena mengasumsi boiler hanya terdiri dari evaporator. b. Oleh karena boiler juga terdiri dari superheater dan economizer, maka rate steam sebenarnya pasti di bawah data tersebut. Dengan trial rate steam, maka profile suhu yang diharapkan bisa digambarkan.

Salah satu tujuan simulasi adalah untuk melihat apakah evaporator masih perform pada kondisi flow gas, suhu, dan kondisi steam yang berbeda. 2. Setelah profil suhu diketahui maka TLMTD setiap alat bisa dihitung dan surface area bisa dicari dengan rumus. A = Q / U TLMTD.U tergantung dari material, ukuran tube, fin tube, pitch tube dll. Jika U kita asumsikan (diambil dari literature) maka A bisa dihitung.

Untuk memvalidasi perhitungan perancangan boiler Semen Gresik, digunakan beberapa pendekatan langkah sebagai berikut;1. Mengerjakan contoh soal dan membandingkannya dengan dengan jawaban di literature.2. Mengerjakan profile suhu kasus semen Padang3. Profile suhu dan luas permukaan boiler semen Gresik.

A. Contoh soal :Contoh 1Diketahui data gas dan steam sebagai berikut

Kasus 1

Flow gas , (lb/h)165000

Suhu gas masuk, (oF)900

Tekanan steam, (psig)200

Suhu air masuk, (oF)230

Flow steam yang diperlukan, (lb/h)40000

Analisa gas (% volume):CO2 = 3%, H2O = 7%, N2 = 75%, O2=15%Heat loss = 1% dan blow down =3%

Disimulasikan dengan pinch point dan approach point 15oFBerapa flow steam yang dihasilkan untuk ketiga kasus tersebut?

Jawab :Dari literature ( V Ganapathy, 1993 Simulation Aids Cogeration Chemical Engineering Progress)

Perhitungan Manual;Q = Wg Cp (Tg1-Tg2)

Suhu steam pada 200 psig ( 214.7 psia) = 388 oFDengan pinch dan approach point 15oF, Berarti air keluar economizer = 388 15 = 373 oFSuhu gas keluar evaporator = 388 + 15 = 403 oF

a. Dengan data dari http://www.increase-performance.com/calc-flue-gas-prop.html

flue gas masuk

flue keluar evaporator

flue gas keluar economizer

Q = WgCp (tg1-Tg2) =165000 lb/h [(0.2736+0.2585)/2] Btu/lb-F (900-403) F =21817430 Btu/h =Ws H = Ws (1199.27 361.93) = Ws *837.34Ws = 26055

b. Data dari hysys :Q =165000 lb/h [(0.2759+0.2604)/2] Btu/lb-F (900-403) F =21989641 Btu/h =Ws H = Ws (-5643-(-6482)) = Ws *839Ws = 26209

Contoh 2Saat membuat HRSG engineer sering mengasumsi dengan menggunakan luas permukaan yang besar dapat mengatur suhu gas keluar serendah yang diinginkan. Namun, mungkin secara thermodinamik tidakmungkin. Sebagaimana dalam ilustrasi contoh berikut.Dimisalkan 150000 lb/h gas dengan suhu 900oF digunakan untuk menghasilkan steam pada tekanan 450 psig dan suhu 650 oF dengan suhu air masuk 240 oF. Apakah suhu keluar gas bisa mencapai 300 oF untuk system single pressure? Jika suhu pinch 20 oF dan suhu approach 10 oF.

JawabJawaban literature

Dari gambar tersebut bisa dilihat bahwa gas keluar pada suhu 372 oF. Jika pinch dan approach point 0 oF (tidakmungkinbisasecarafisik) itu pun suhu gas hanya bisa mencapai 342 oF. Agar mungkin maka HRSG perlu multiplepressure.

Validasi jawaban dengan perhitungan manual dan bantuan data hysys:

Pada tekanan 464.7 psia suhu steam = 461 oFMaka suhu gas keluar evaporator 461 + 20 = 281 oFData darihysys :Q =150000 lb/h [(0.2759+0.2629)/2] Btu/lb-F (900-481) FQ =16931790 Btu/h

Q =Ws H = Ws (-5635-(-6403)) = Ws *768Ws = 22046Jika di pakai rate steam 22046 terjadi temperature cross di evaporator dan economizer.Oleh karena itu di trial lagi dengan data suhu flue gas masuk evaporator 845 oFdari hysys.

Trial 2Data dari hysys :Q =150000 lb/h [(0.2743+0.2629)/2] Btu/lb-F (845-481) F =14665560 Btu/h

=Ws H = Ws (-5635-(-6403)) = Ws *768Ws = 19096Jika menggunakan rate steam tersebut, sudah tidak ada temperature cross namun pinch point (8 oF).Didapat suhu flue gas masuk evaporator = 852 oF, suhu masuk economizer 469 oF dan suhu keluar economizer 347 oF dan kalau digambarkan sebagai berikut.

Untuk mendapatkan pinch point yang diharapkan perlu di trial ke-3. Dengan rate steam diturunkan sehingga didapat profile suhu yang sama dengan literature.

Kesimpulan :Rate dan tekanan steam sangat berpengaruh pada profile suhu.

B. Studi Kasus Semen Padang.Pada SP boiler terdiri dari evaporator dan superheater

Data flue gas :Flow = 265000 Nm3/hSuhu = 360 oCTekanan = -600 mmw

Tekanan steam = 1.25Mpa (suhu saturated = 190 oC)Pinch point = 225-190 = 35 oCDensitas flue gas pada tekanan -600 mmw (= 10000-600 mmw = 9400 mmw = 940 cmw) dan suhu 360 oC = 0.6227 kg/m3Dengan rumus ( P1V1/T1 = P2V2/T2) dan kondisi Normal yaitu pada (1 atm, 0oC)Volume rate 265000 Nm3/h = 652129 m3/hMass flow rate 652129 * 0.6227 = 406080 kg/h

Studi 1 : Gambarkan profil suhu gas dan steam di SP boiler jika dianggap tidak ada heat loss.Mass flow rate steam 26050 kg/h

Dengan menggunakan Hysys di dapat profil suhu sebagai berikut:

Dari profile tersebut dapat disimpulkan:1. Profile suhu tersebut pada kasus tidak ada heat loss, sehingga kalau ada heat loss suhu gas keluar kemungkinan kurang dari 223 ( untuk menghasilkan steam pada tekanan dan suhu desain)2. Pinch point adalah 33oC, nilai pinch point ini diantara kriteria bare tube dan finned tube. Untuk menaikkan pinch point, mass flow steam harus di kurangi. Untuk menaikan jumlah steam, bisa dengan menurunkan pinch point namun evaporator harus memakai finned tube.

Studi 2 : Gambarkan profil suhu gas dan steam di SP boiler jika dianggap tidak ada heat loss flue gas sebesar 10%. Mass flow rate steam 26050 kg/h

Dari profil suhu kasus 2 tersebut dapat disimpulkan:1. Jika ada heat loss 10 % maka pinch point hanya 18 oC, sehingga jika dalam realnya memang ada heat loss yang besar maka tube evaporator lebih aman didesain finned tube.2. Dari kedua kasus simulasi semen padang ini bisa dibandingkan dengan data real, sehingga perkiraan heat loss, jumlah steam maksimum yang bisa diproduksi, perlu finned tube atau tidak dll bisa dipelajari dengan jelas.

C. Merancang boiler Semen Gresik

SP Boiler Terdiri dari evaporator dan superheaterData flue gas :Flow = 576000 Nm3/hSuhu = 400 oCTekanan = -600 mmw

Tekanan steam = 2.3Mpa (suhu saturated = 220 oC)Pinch point = 330-220 = 110 oCDensitas flue gas pada tekanan -600 mmw (= 10000-600 mmw = 9400 mmw = 940 cmw) dan suhu 400 oC = 0.5857 kg/m3Volume rate 576000 Nm3/h = 1507008 m3/hMass flow rate 1507008 * 0.5857 = 882654 kg/h

AQC Boiler Terdiri dari economizer, evaporator dan superheaterData flue gas :Flow = 245000 Nm3/hSuhu = 325 oCTekanan = -600 mmw

Tekanan steam = 2.3Mpa (suhu saturated = 220 oC)Suhu gas keluar economizer = 130 oCDensitas flue gas pada tekanan -600 mmw (= 10000-600 mmw = 9400 mmw = 940 cmw) dan suhu 325 oC = 0.6591 kg/m3Volume rate 245000 Nm3/h = 569583 m3/hMass flow rate 569583 * 0.6591 = 375412 kg/h

Studi kasus 1: Gambar profile suhu flue gas dan steam di SP dan AQC boiler? Bandingkan dengan profil suhu oleh JFE. Asumsi tidak ada heat loss. (Data dan configurasi boiler di sesuai dengan desain JFE)

Studi kasus 2 : seperti kasus 1, dengan heat loss 10% baik di SP maupun di AQC boiler

Kesimpulan dari profil suhu dengan kasus tanpa dan dengan heat loss 10%1. Pinch point di SP boiler masih dalam range yang sangat aman. Sehingga evaporator cukup dengan bare tube.2. Pinch point di AQC boiler relative dekat dengan batas bare tube yaitu 44oC, penggunaan bare tube masih bisa dipertimbangkan. Namun jika heat loss besar, maka finned tube menjadi pilihan yang lebih aman.Contoh gambar finned tube;

D. Mencari luas permukaan perpindahan panas

Dari rumus Q = U A T LMTD = U A T LMTD Atau A = Q/ (U T LMTD )Jika setiap alat diketahui Q dan T LMTD dengan mengasumsi U maka A bisa dihitung.

Nilai U (overall heat transfer coefficient) yang umum berdasarkan literature.

1. Forced Convection (flowing)Gas - Free Convection Gas : U = 3 - 10 W/m2K (superheaters)2. Boiling liquid water - Free Convection Gas : 10 - 40 W/m2K (steam boiler + radiation)3. Free Convection Gas - Forced liquid(flowing)water : U = 5 - 15 W/m2K (typical radiator central heating)

Sumber :http://www.engineeringtoolbox.com/overall-heat-transfer-coefficient-d_434.html

Studi 01 : dengan menggunakan profil suhu kasus 01, dapatkan luas permukaan perpindahan panas SP dan AQC boiler.

A. Luas perpindahan panas di SP Boiler

Dari data hysys :Q (di superheater, gas) = Wg Cp (400-389) = 882654.32 kg/h*((1.114*400) (1.11*388.5)) = 12679329 kJ/hAtau Q = Wg (H masuk H keluar) = 882654.32 * (--4495.61 (-4508.42)) = 11309510.93 kJ/hQ (di superheater, SH steam, untuk cross cek ) = Ws ( H Keluar - H masuk) = 29800.21 (-379426160-(-390735672)) = 11309510.93 kJ/hMencari T LMTD Ta = 400-370 = 30, Tb = 388.5-220 = 168.5 T LMTD = (30-168.5)/log(30/168.5) = 185diambil U = 5 W/m2 K = 5 J/s m2 K = 5*3.6 kJ/h m2 K = 18 kJ/h m2 C konversi : 1 J/s = 1 W,maka A superheater = Q/ (U T LMTD ) = 11309510.93 [kJ/h] / (18 [kJ/h m2 C] * 185 C) = 3400 m2 .

Luas permukaan evaporator Q (di evaporator, gas) = Wg (H masuk H keluar) = 882654.31(-4508.42-(-4573.65)) = 57567296.15Mencari T LMTD Ta = 388.5-220 = 168.5, Tb = 329-220 = 109 T LMTD = (168.5-109)/log(168.5/109) = 315Diambil U = 20 W/m2 K = 20 J/s m2 K = 20*3.6 kJ/h m2 K = 72 kJ/h m2 C konversi : 1 J/s = 1 W,maka A evaporator = = Q/ (U T LMTD ) = 882654.31 [kJ/h] / (72 [kJ/h m2 C] * 315 C) = 2542 m2 .

B. Luas perpindahan panas di AQC BoilerQ (di superheater, gas) Q = Wg (H masuk H keluar) = 375412.3845* (--4578.17 (-4583.46)) = 1987198.78 kJ/hMencari T LMTD Ta = 325-284 = 41, Tb = 320-220 = 100 T LMTD = (41-100)/log(41/100) = 152diambil U = 5 W/m2 K = 5 J/s m2 K = 5*3.6 kJ/h m2 K = 18 kJ/h m2 C konversi : 1 J/s = 1 W,maka A superheater = Q/ (U T LMTD ) = 1987198.78 [kJ/h] / (18 [kJ/h m2 C] * 152 C) = 724 m2 .

Luas permukaan evaporator Q = Wg (H masuk H keluar) = 375412.3845* (-4583.46 (-4638.21)) = 22541653.83 kJ/hMencari T LMTD Ta = 320-220 = 100, Tb = 269-220 = 49 T LMTD = (100-49)/log(100/49) = 164diambil U = 20 W/m2 K = 5 J/s m2 K = 20*3.6 kJ/h m2 K = 72 kJ/h m2 C konversi : 1 J/s = 1 W,maka A superheater = Q/ (U T LMTD ) = 375412.3845 [kJ/h] / (72 [kJ/h m2 C] * 164 C) = 1901 m2 ..Luas permukaan economizer Q = Wg (H masuk H keluar) = 375412.3845* (-4638.21 (-4745.43)) = 40249095.87 kJ/hMencari T LMTD Ta = 269-205 = 64, Tb = 168-92 = 76 T LMTD = (64-76)/log(64/76) = 161diambil U = 10 W/m2 K = 5 J/s m2 K = 10*3.6 kJ/h m2 K = 36 kJ/h m2 C konversi : 1 J/s = 1 W,maka A superheater = Q/ (U T LMTD ) = 375412.3845 [kJ/h] / (36 [kJ/h m2 C] * 161 C) = 6953 m2 .

jika suhu keluar gas 130 oCmaka T LMTD = 1114 dan A = 9735 m2

Tube bisa disusun sebagai berikut:

Dimensi BoilerSP BoilerSuper heaterJika OD tube 1 in = 0.0254 m dan di susun persegi ( baris ke 3 dari bawah) dan panjang tube 5.9 m dan tinggi boiler 8.39 mKeliling tube = pi * D = 3.14 * 0.0254 = 0.0798 m,Luas per tube = keliling * panjang tube = 0.0798 * 5.9 = 0.47 m2Jumlah tube yang diperlukan = luas perpindahan panas / luas per tube = 3400/ 0.47 = 7225 buah.Jika tube di susun seperti pada baris ke 3 dari bawah (table diatas) maka panjang diperoleh 0.89 m.Jadi dimensi super heater 5.9 x 8.39 x 0.89 m3Evaporator : Dengan ukuran tube sama diperoleh panjang 0.65 mJadi dimensi evaporator 5.9 x 8.39 x 0.65 m3

Dengan cara yang sama dimensi AQC boiler adalah sebagai berikutSuperheater 5.9 x 8.39 x 0.19 m3Evaporator 5.9 x 8.39 x 0.49 m3Economizer 5.9 x 8.39 x 1.78 m3