Furnace Heater

Furnace Heater

Salah satu bentuk energi yang digunakan pada pengilangan minyak adalah energi panas. Energi panas ini diperlukan dalam proses dan didapatkan dari hasil pembakaran bahan bakar. Proses pembakarannya memerlukan udara yang disupply dari luar, sebagian besar dari udara ini merupakan nitrogen, yang tidak turut terbakar, tetapi keluar dari ruang pembakaran bersama sama gas hasil pembakaran.

Sistim proses pembakaran  yang menghasilkan panas dan selanjutnya mentransfer panas tersebut ke media service terjadi didalam ruangan yang disebut Fired Heater atau Heater atau furnace. Pada semua Heater, oksigen yg berasal dari udara diperoleh secara natural draft atau forced draft. Pemanasan langsung terhadap pipa pipa yang berisi aliran minyak didalam Heater adalah merupakan faktor utama dalam suatu kilang minyak untuk menunjang terjadinya proses distilasi atmospheric, distilasi vaccum, thermal cracking dan reforming, dan semua proses temperatur tinggi. Beberapa tipe Heater digunakan untuk memanaskan minyak pada suhu sampai 1500 ^oF (815 ^oC) dan tekanan sampai 1600 psi (105 kg/cm²). Pembakaran didalam heater pada umumnya menggunakan bahan bakar minyak atau gas hidrokarbon.

Perpindahan panas dalam suatu Heater terjadi dengan cara radiasi dan konveksi pada permukaan pipa pipanya. Dengan cara radiasi, pada Heater kapasitas rendah dapat menyerap panas 5.000.000 BTU/jam. Dengan pemakaian pemanas udara (air preheater) biasanya memperoleh effisiensi lebih tinggi, karena udara yang diperlukan untuk pembakaran mempunyai suhu lebih tinggi. Dalam proses pembakaran, oksigen akan bereaksi dengan hidrogen dan karbon, yang berbentuk molekul hidrokarbon. Produksi pembakaran ini dibuang melalui cerobong (stack) setelah panas yang dihasilkan dimanfaatkan. Pada pembakaran sempurna, hidrogen dan oksigen akan terbakar membentuk senyawa air (H₂O), sedangkan karbon dengan oksigen akan terbakar membentuk karbon dioksida (CO₂). Nitrogen tidak terbakar pada proses ini dan keluar melalui stack bersama sama H₂O dan CO₂ tadi. Untuk mendapatkan pembakaran yang sempurna, umumnya proses pembakaran menggunakan kelebihan udara (excess air), maksudnya agar semua hidrokarbon dapat terbakar. Kelebihan udara ini biasanya berkisar antara 15 – 25% atau sama dengan 3 – 5% oksigen. Ketentuan ini harus diperhatikan untuk mendapatkan effisiensi maksimum, sebab kelebih an udara dan nitrogen akan menyerap sebagian panas yg dihasilkan. Panas flue gas keluar stack harus dijaga pada temperatur tertentu untuk menghindari proses korosi.

JENIS BAHAN BAKAR.

BAHAN BAKAR CAIR: Biasanya adalah jenis minyak berat (heavy oil) yang didapatkan dari produk refinery itu sendiri. Oleh karena berupa minyak berat, maka sangat kental sehingga sebelum proses pembakaran dilakukan bahan bakar cair tsb. Perlu dipanasi dan diatomisasi terlebih dahulu agar dapat bercampur secara baik dengan oksigen dan terbakar sempurna. Untuk atomizing bahan bakar cair ini biasanya digunakan steam.

Semburan steam dan panas dari steam akan mengkabutkan bahan bakar cair yang kental tsb. Dan dengan mudah akan bercampur oksigen dari udara dan dibakar oleh api dari pilot. Kejelekan bahan bakar cair yaitu bila tidak terbakar dengan sempurna, sisanya akan melekat pada dinding, lantai dan tube dalam bentuk jelaga, akan menghambat proses heat transfer.

BAHAN BAKAR GAS: Berasal dari produk refinery atau dapat juga dari gas alam. BBG pada umumnya dengan mudah dapat bercampur dengan udara sehingga mudah terbakar dengan sempurna. Selain itu BBG mempunyai density dan BTU yang tetap sehingga dapat memberikan panas yg tetap pada media proses. BBG yg cukup baik adalah LPG, campuran butana dengan propana, tetapi relatip mahal.

BBG umumnya tidak menimbulkan nyala terang, sedangkan bahan bakar cair yg terbakar menimbul
kan nyala beberapa tingkat lebih terang; tergantung desain dari burner yang berfungsi memperbaiki atomisasi dan pencampuran udara yg digunakan. Serbuk batu bara yg dibakar dapat menghasilkan tingkat nyala api yg lebih terang.

Perbedaaan sifat pada bentuk nyala api atau panas yg dihasilkan dari pembakaran yg konvensional dari beberapa macam bahan bakar membedakan beberapa macam bahan bakar minyak, gas atau batu bara. Pemanasan dari pembakaran gas yg tidak menimbulkan nyala api yg terang menghasilkan panas yg merata atau tidak banyak menimbulkan variasi temperatur didalam heater.

Tidak ada nyala api yang terang meradiasi kearah pipa pipa dan dinding refractory, satu satunya sumber panasnya adalah dari produk combustion sendiri yang diperkirakan menghasilkan temperatur yg merata.
Panas yg dihasilkan oleh pembakaran bahan bakar, dipindahkan dengan 3 cara, yaitu:

- Radiation

- Convection

- Conduction.

Radiasi:
Adalah perpindahan panas cahaya api . Bila tube menerima panas dari nyala api burner, maka panas tsb dinyatakan ditransfer dengan radiasi dan tubenya disebut radiation tube. Panas yang ditransfer didalam fire box radiation section adalah sebesar 60% - 70%.

Konveksi:
Panas yang ditransfer secara konveksi didapatkan dari panas yang dikandung oleh flue gas, yang dialirkan dari fire box sebelum keluar dari stack. Persinggungan antara flue gas dan dinding tube akan menyebabkan terjadinya perpindahan panas. Tube yang menerima panas secara konveksi ini disebut convection tube.

Konduksi:
Perpindahan panas secara konduksi merupakan proses perpindahan panas antara tube dengan aliran fluida yang ada didalamnya.

Pada umumnya Heater terdiri atas:

- Benda benda penerima panas

- Bahan pemanas (sumber panas)

- Media yang akan diubah temperaturnya karena adanya penyerapan panas.

DESAIN & KONSTRUKSI

Pada dasarnya Heater terdiri dari ruang pembakaran, yaitu tempat berlangsungnya proses pembakaran bahan bakar sebagai sumber kalor. Pada dinding atas, bawah dan samping dalam ruang pembakaran tsb. Ditempatkan deretan pipa pipa (tube) dimana didalamnya mengalir minyak yg dipanasi. Minyak tsb menyerap kalor dg cara rambatan panas (konduksi).

TYPE HEATER:

- Large Box Type

- Separate Convection

- Down Convection

- Straight – up

- A-frame

- Circular

- Large isoflow

- Small isoflow

- Equiflux

- Double upfired

- Radiant Wall.

VERTICAL HEATER:

 

Terdiri dari cylindrical vertical steel box yang ditempatkan diatas pondasi. Bagian dalam dibuat tahan api dengan concrete, bagian luarnya dibuat setinggi 7 ft dari lantai, untuk memberikan ruang bekerja bagi operator. Bagian dalam cylindrical steel box dilapisi refractories. Pada Fire Box terdapat Radiant tube yang satu dengan lainnya disambungkan dengan 180 ^o  short return bend pada bagian atas dan bawah tube, deretan tube disupport dengan high alloy tube support. Burner dan castable muffle blocks terletak pada lantai heater. Snuffing atau purge steam heater terpasang dibagian bawah heater. Saluran outlet pipa proses ke luar melalui bottom heater dan inlet dari atap heater.  Roof juga berfungsi sebagai support seksi konveksi yang biasanya dalam bentuk horizontal tube. Daerah konveksi dan stack juga diinsulasi dengan concrete. (Lihat gambar 5, 6 dan 7)  Pada stack dipasang stack damper, termokople, sambungan pengambilan contoh flue gas dan draft gauge connection yg gunanya utk mengukur tekanan didalam stack.

Tekanan didalam stack harus negatip, agar supaya Flue gas dapat keluar dengan baik. Vertical Heater banyak digunakan karena ukurannya memang tidak terlalu besar. Dapat berupa single pass, dimana aliran fluida masuk dari satu inlet, mengalir melalui fire box, turun naik pada vertical tube dan keluar melalui bottom. Dapat juga berupa multi pass dengan beberapa inlet masuk ke seksi konveksi dan cross over ke seksi radiant dengan beberapa outlet ke bottom.  Aliran proses masuk dari bagian atas heater dari seksi konveksi dan dipanasi mula mula oleh flue gas sebelum keluar melalui stack, kemudian dialirkan keseksi radiasi dan dipanasi sesuai dengan temperatur yang diperlukan oleh proses kemudian keluar meninggalkan heater. Bentuk bahan bakar yang digunakan dapat berupa gas maupun liquid.  Convection section digunakan untuk memanfaatkan panas flue gas sebelum dibuang keluar melalui stack. Baris pertama deretan tube diseksi konveksi disebut juga shock tube, karena tubes ini langsung kena panas nyala api burner; bentuk tube nya dapat berupa extended tube, yaitu studded tube atau finned tube, tergantung dari jenis bahan bakar yang digunakan.

Umumnya tube ini tersusun secara horizontal dan disupport oleh tube sheet pada masing masing ujung tube, sekeliling tube dibungkus oleh header box. Temperatur dari Convection section pada umumnya dibatasi tidak lebih dari 1450 ^oF atau 787 ^oC  Temperatur stack dioperasikan diatas 260 ^oC agar tidak terbentuk kondensat, karena bila flue gas mengandung sulfur dan terjadi kondensat maka sifatnya akan korosip. Bila dilihat dari atas, potongan radiant section pada gambar, terlihat short radius bend, sambungan antara tube satu dengan lainnya. Inlet tube proses line langsung masuk atau melalui seksi konveksi dulu baru keseksi radiasi dan keluarb dari bagian bottom heater. Dapat dilihat arah aliran yang turun naik dari satu tube ke tube yang lainnya sampai keluar dari bottom heater. Dapat juga dilihat access door, bentuk simetris burner dan juga lokasi dari peep hole.

BOX TYPE HEATER:

Lihat gambar 8 & 9: Bentuknya berupa box, sering juga disebut tipe Kabin, umumnya digunakan untuk Crude Distilation Unit dan Vaccuum Unit. Tube pada daerah seksi radiasi tersusun horisontal sepanjang vertikal wall, burner terletak pada kedua sisi heater. Kadang kadang ditengah fire box juga terdapat center wall yang terbuat dari fire brick. Pada heater jenis ini sangat kecil kemugkinannya terjadi jilatan api (flame impingement) Tube tube yang horisontal disupport dibagian bawahnya dan sewaktu tube berekspansi, akan ber-gerak diatas support ini. Tube support akan menerima panas yang sangat tinggi, karena itu dibuat lah dari material yang tahan temperatur tinggi yaitu High Chrome content alloy dengan 25% Cr.

VISBREAKER CHARGE HEATER:

Merupakan Box type, hanya saja burnernya terletak pada lantai heater. Biasanya terdiri dari satu pass.; tapi ada juga yang terdiri dari beberapa pass. Lihat gambar 10 & 11. Seksi radiasi terdiri dari Hip section dan Wall Tube section. Shock tube ditempatkan dekat dengan breeching stack dan biasanya heater ini tidak mempunyai seksi konveksi. Heater ini dilengkapi juga dengan snuffing steam, stack damper, draft gauge, temperatur indikator dan thermocouple. Karena burner berada dibawah heater maka lantai heater didesain setinggi lebih kurang 7 feet dari lantai dasar. Visbreaker biasanya dioperasikan untuk temperatur tinggi dan digunakan untuk thermally crack heavy oil, biasanya temperatur operasi sekitar 930 ^oF.

HIGH PRESSURE BOX HEATER:

Lihat gambar 12 & 13. Digunakan sebagai Reformer charge heater dan Hydrocracking unit Reactor Charge Heater, beroperasi pada tekanan dan temperatur tinggi yaitu 2200 psig dan 700 ^oF. Tube tergantung pada atap heater, vertikal ke lantai. Burner terletak dilantai heater, yang besar ditengah dan yang kecil dipinggir. Heater jenis ini, insulating refractoriesnya menggunakan high duty fire brick

KOMPONEN UTAMA HEATER DAN PERALATANNYA.

Heater mempunyai komponen komponen yang merupakan perlengkapan dan peralatan yang membantu melaksanakan fungsinya agar menghasilkan kinerja yang baik.

Antara lain:

Instrumentasi:

Untuk mengatur dan mengontrol kesempurnaan proses pembakaran, serta mengetahui temperatur minyak yang dipanaskan, heater dilengkapi dengan instrumentasi, antara lain:

Temperatur:

Umumnya pencatat temperatur dipasang pada heater untuk mencatat temperatur diruang pemba- karan, konveksi dan jalur gas pembakaran sebelum damper di stack. Temperatur ditempat tersebut perlu direcord terus.

Draft (tarikan):

Untuk mengetahui beda tekanan didalam ruang pembakaran dengan atmosfer, perbedaan tersebut dapat menyebabkan udara masuk kedalam ruang bakar, untuk kebutuhan pembakaran.

Sampling Connection:

Untuk mengetahui kesempurnaan proses pembakaran, perlu diambil contoh gas hasil pembakaran dg jalan melakukan analisa kandungan oksigen, Karbondioksida dan Karbon monoksida. Dari pem bacaan hasil analisa tersebut dapat diketahui tentang kesempurnaan pembakaran yang berlang sung diruang bakar.

CEROBONG / STACK:

Berfungsi untuk menyalurkan gas hasil pembakaran ke atmosfer. Tinggi cerobong ditentukan berdasarkan perhitungan draft diruang pembakaran, keselamatan dan peraturan tentang polusi udara. Bahan yang dipakai biasanya terbuat dari pelat baja karbon yang dibagian dalamnya dilapisi insulation refractory (Fire Brick atau castable).

SOOT BLOWER:

Fungsinya untuk menghilangkan atau meniup jelaga atau senyawa logam teroksidasi lainnya yang menempel dipermukaan tube diruang konveksi. Dengan cara ini diharapkan jelaga terbuang melalui stack bersama dengan gas buang, permukaan luar tube selalu bersih sehingga heat transfernya sempurna.

DINDING HEATER dan INSULATION

Umumnya dinding heater dibuat berlapis lapis, lapis terluar adalah pelat baja, lapis bagian dalam berupa refractory yang merupakan insulation, tahan panas maupun tahan api. Lapisan refractory bisa terbuat dari Fire Brick atau castable. Dan dilekatkan kedinding dengan anchor.

TUBES

Rangkaian tube merupakan bagian yang paling penting dan paling mahal dari suatu heater. Umumnya terdiri atas deretan tubes yang dihubungkan secara seri satu sama lain dengan sambungan U.

Minyak yang dipanaskan mengalir didalam tubes, masuk keheater melalui seksi konveksi, dan terus menuju ruang pembakaran pada seksi radiasi, kemudian keluar. Heater yang beroperasi pada temperatur tinggi dengan memanaskan minyak berat, mudah terbentuk cokes dibagian dalam tubes

Pada periode tertentu cokes ini harus dibersihkan, bila tidak akan menghambat heat transfer dan bisa mengakibatkan overheating, bulging dan bahkan tube split. Cleaning bisa dengan cara SAD atau bila konstruksinya memakai “Plug type header” dengan cara mechanical (turbine cleaning).

BURNER:

Fungsi burner untuk melaksanakan pembakaran bahan bakar yang berfase gas dengan udara, yang keduanya harus bercampur dengan baik (homogeen) pada jumlah tertentu; sehingga reaksi pembakaran terjadi dengan baik. Bila bahan bakar berbentuk cair, maka terlebih dulu harus dikabutkan dan dipanaskan sehingga dapat terjadi kontak permukaan maksimal dengan udara dan mudah terbakar.

Faktor yang perlu diperhatikan dalam memilih burner:

-          Kemampuan menangani semua macam grade fuel (liquid)

-          Keamanan penyalaan dan kemudahan perawatan.

-          Kemudahan dan kesinambungan pengaturan laju pengapian diantara laju minimum dan maksimum (turndown ratio)

-          Pattern nyala api untuk semua bahan bakar dan laju pengapian dapat diperkirakan dengan baik.

Sesuai dengan bahan bakarnya, ada 3 jenis burner, yaitu : Burner untuk bahan bakar gas, burner untuk bahan bakar minyak dan untuk kombinasi (dual system)

PEEP HOLE (LUBANG PENGINTAI):

Terdapat pada dinding ruang pembakaran untuk mengamati keadaan diruang pembakaran, seperti : nyala api, warna pipa pemanas, dan warna batu tahan api. Peep hole dilengkapi dengan penutup dari baja, dan harus selalu tertutup setelah digunakan. Jumlah peep hole tergantung dari ukuran dan tipe heaternya, yang penting semua titik bisa diamati dari peep hole ini.

EXPLOSION DOORS :

Terletak pada dinding heater; fungsinya adalah apabila terjadi tekanan tinggi diruang pembakaran (akibat dari pembakaran yang tidak normal), jendela ini akan membuka dengan sendirinya oleh tekanan tersebut.

KONEKSI STEAM:

Heater dilengkapi dengan koneksi steam hampir pada seluruh bagian bagiannya yang berfungsi untuk keselamatan. Steam untuk mencegah terjadinya kebakaran bila terjadi kebocoran di header box atau mematikan api bila sudah terjadi kebocoran ditempat tersebut. Snffing steam, yaitu koneksi steam diruang pembakaran untuk purging sebelum memulai start-up. Maksudnya untuk menghilangkan gas agar tak terjadi explode saat penyalaan api pertama kali.

PROSEDUR INSPEKSI dan MAINTENANCE

Inspeksi dan pemeliharaan diperlukan secara periodik untuk mengetahui kondisinya, terutama terhadap efek korosi, erosi dan faktor faktor lain yang dapat mempengaruhi life time heater.

Dari hasil pemeriksaan ini akan dapat ditentukan langkah langkah perbaikan sebelum kondisinya bertambah buruk atau dapat ditentukan kapan suatu part dari heater harus diganti. Jika part tersebut tidak segera diganti atau dijadwalkan penggantiannya dapat memperpendek life time secara keseluruhan.

Inspeksi ini dapat pula sebagai bahan untuk mempersiapkan kebutuhan material, sehingga tepat pada waktunya suatu perbaikan dan penggantian part dapat dilakukan dengan baik. Dan juga untuk memastikan bahwa peralatan dapat bekerja dengan aman sampai periode inspeksi yang akan datang.

Secara praktis inspeksi akan memberikan kenaikan operating cycle dan menurunkan emergency shutdown. Emergency shutdown akan membutuhkan biaya yang cukup besar karena loss production dan memerlukan manpower untuk repair sehingga menurunkan effisiensi secara keseluruhan.

Beberapa penyebab kerusakan :

-          Tipe proses

-          Sifat Charge Stock

-          Kecepatan aliran

-          Tekanan

-          Temperatur

-          Produk pembakaran.

-          Mechanical deterioration.

TIPE PROSES:

Perbedaan proses operasi akan dapat memberikan bentuk kerusakan yang berbeda pula terhadap heater. Kondisi operasi pada proses CDU, Vaccum Unit, Cracking, Reforming bentuk kerusakan yang ditimbulkan berbeda.

SIFAT SIFAT CHARGE STOCK

Kandungan bahan kimia yang korosip dari berbagai macam charge stock akan memberikan kerusakan yang berbeda pula.  Sulfur, asam chloride, solid material merupakan penyebab kerusakannya. Kandungan sulfur dari suatu charge stock adalah suatu faktor yang penting dalam memilih material yang akan digunakan. Beberapa charge stock mempunyai tendensi untuk membentuk coke atau garam organik, yang tidak secara langsung dapat merupakan penyebab kerusakan. Adanya coke yang menempel didinding tube heater akan menyebabkan terhambatnya heat transfer, makin tebal cokenya maka diperlukan panas yang berlebih, lama kelamaan terjadi overheating, bulging dan split tube.

KECEPATAN ALIRAN

Kecepatan aliran fluida didalam tube dapat menyebabkan terjadinya erosi dan biasanya terjadi akibat kombinasi dari kecepatan dan tumbukan langsung dari partikel partikel feed. Jika kapasitas dari suatu heater dinaikkan akan menyebabkan kenaikan aliran didalam tubes yang akibatnya menyebabkan terjadinya erosi.

TEKANAN dan TEMPERATUR :

Tekanan dan temperatur operasi yang sesuai dengan jenis material yang digunakan dan juga bila temperatur operasi dibawah temperatur creep tidak akan menimbulkan kerusakan yang serius. Bila suatu material dioperasikan diatas temperatur creep, seca perlahan lahan kekuatan material akan menurun dan pada suatu waktu akan pecah. Kelebihan tekanan pada temperatur creep akan menyebabkan split tube.

Temperatur operasi dari suatu heater merupakan faktor yang menentukan didalam pemilihan jenis material yang digunakan. Kerusakan yang disebabkan oleh temperatur adalah: sagging, bowing, burning, scalling, bulging dan lain lain.

PRODUK PEMBAKARAN:

Korosi dapat juga disebabkan oleh hasil pembakaran bahan bakar, tergantung jenis bahan bakar yang digunakan. Terutama bila mengandung Sulfur, menghasilkan sulfida, pada temperatur tinggi tidak berbahaya, tetapi pada temperatur rendah dan ada uap air akan jadi sulfat dan akan menyerang metal. Jika bahan bakar berkadar Vanadium yang tinggi, maka metal pada temperatur kritis, antara 1200 ^oF – 1400 ^oF adanya vanadium pentoxide akan melelehkan metalnya.

MECHANICAL DETERIORATION.

Tube dan Fitting suatu heater kadang kadang harus diganti akibat dari mechanical deterioration yang berupa bocoran pada tube rolls dan pengikisan. Bocoran rollan dapat disebabkan oleh prosedur atau kekurang telitian dari pelaksanaan pengerollan ataupun akibat thermal upset pada waktu operasi.

FREKUENSI dan WAKTU INSPEKSI:

Inspeksi terhadap heater diperlukan dengan tujuan untuk menilai kondisinya, memberikan garansi agar dapat beroperasi dengan aman dan effisien. Inspeksi secara periodik akan memberikan kepastian terhadap operasi dan menentukan klapan inspeksi berikutnya perlu dilakukan.

Beberapa metode inspeksi yang dilakukan adalah:

-          Inspeksi secara visual.

-          Hammer Test

-          Pengukuran ketebalan tube

-          Hydrostatic test, dan lain lain.

INSPEKSI VISUAL:

Sebelum inspeksi, terlebih dahulu dilakukan cleaning terhadap outside tube maupun inside tube.

Cleaning outside tube dapat dengan jalan menggunakan wire brush, sandblast, ditiup angin.

Cleaning inside dapat dengan jalan SAD (Steam Air Decoking) atau juga Mechanical (Turbine Cleaning).

Kerusakan yang terjadi diluar tube, secara visual dapat berupa: sagging, bowing, bulging, pitting, scalling, external corrosion, leaking roll.

Sedangkan kerusakan dibagian dalam tube dapat berupa: pitting, thinning, erosi, loosening of tube roll.

HAMMER TEST:

Hammer test dilakukan terhadap permukaan tube, dengan membandingkan bunjinya dapat diketahui tube dalam keadaan buntu atau tidak, sudah tipis atau masih baik / tebal.

PENGUKURAN TEBAL:

Pengukuran tebal menggunakan alat ultra sonic. Dengan hasil pengukuran ketebalan ini bisa diketahui berapa corrosion ratenya, tinggal berapa lama lagi tube ini harus diganti.

HYDROSTATIC TEST:

Hydrostatic test diperlukan terhadap semua coil heater, bila dilakukan penggantian tube atau pembongkaran fitting fitting tube, test dilakukan dengan tekanan 1 ½  tekanan operasi dengan koreksi temperatur operasi.

METALLURGICAL TEST:

Metallurgical test dilakukan untuk mengetahui apakah telah terjadi perubahan struktur metal, setelah diberi paparan panas selama bertahun tahun. Dengan test ini dapat diketahui apakah tube telah mengalami overheating.

Bentuk perubahan struktur metal dapat berupa carburization, decarburization, Stress Corrosion Cracking, Fatique, hydrogen attack.