Artikel berikut mungkin sesuai dengan kebutuhan dan masalah di lndustri Anda:
– Mengetahui kadar kemurnian steam
– mengetahui efek dan penyebab carryover
– Mengetahui berbagai bahan kimia penyebab carryover
– Mengetahui pencegahan carryover
– prinsip pemisahan untuk carryover

Semoga artikel ini membantu Anda.

 

BAB 16 KEMURNIAN STEAM

Kontrol sistem yang akurat dibutuhkan untuk pengoperasian dari superheated steam turbin modern. Padatan di dalam steam yang meninggalkan boiler dapat terdeposit di dalam superheater dan turbin, menyebabkan kerusakan yang memakan biaya. Karena alasan ini, pengontrolan yang baik dari kemurnian steam merupakan bagian kritikal.

Kemurnian steam merujuk pada jumlah kontaminasi padatan, cairan, dan uap di dalam steam. Steam dengan kemurnian tinggi mengandung kontaminan yang sangat sedikit. Normalnya kemurnian steam di laporkan sebagai kandungan padatan.

Kemurnian steam tidak sama dengan kualitas steam. Kualitas steam merupakan sebuah ukuran dari jumlah embun yang terkandung di dalam steam. Ini dinyatakan sebagai berat dari uap kering di dalam campuran steam dan tetesan air. Sebagai contoh steam dengan kualitas 99% berarti mengandung 1% air dalam bentuk cairan.

Carryover dari kontaminan padatan, cairan, atau uap yang minggalkan steam drum boiler bersama dengan steam. Pada boiler yang beroperasi pada tekanan di bawah 2000 psig, air boiler yang terbawa merupakan penyebab paling umum dari kontaminasi steam. Air boiler yang terbawa mengandung padatan terlarut dan juga mengandung padatan tersuspensi.

Ada beberapa penyebab dari terbawanya air boiler pada steam. Beberapa dari mekanisme yang lebih umum telah diberi nama seperti “spray carryover”, “primming”, dan “leakage carryover.”

EFEK CARRYOVER
Padatan di dalam air boiler yang terbawa bersama steam membentuk deposit di dalam nonreturn valve, superheater, dan stop turbin dan kontrol valve. Carryover dapat mengontaminasi aliran proses dan mempengaruhi kualitas produk. Deposisi pada superheater dapat menyebabkan kerusakan akibat overheating dan korosi seperti pada Gambar 16.1.

Gambar 16.1 Overheating pada superheater tube disebabkan oleh deposit yang berasal dari carry over air boiler menuju steam

Turbin superheated steam rentan terhadap kerusakan akibat carryover. Tersumbatnya valve karena deposit dapat mengakibatkan turbin kelebihan kecepatan dan kerusakan parah. Partikel padatan di dalam steam dapat mengerosi bagian turbin, sedangkan deposisi pada kipas turbin dapat mengurangi efisiensi dan kapasitas. Kehilangan 5% efisiensi dan 20% kapasitas turbin telah terjadi karena deposisi. Ketika sumbatan besar dari carryover air boiler dengan steam menghasilkan kejutan termal dan mekanik yang dapat menimbulkan kerusakan parah. Boiler mengalami efisiensi pembakaran rendah dengan pemakaian bahan bakar melebihi standar

Kehilangan produksi dapat terjadi dari berkurangnya kapasitas atau kerusakan peralatan akibat carryover. Pada beberapa kasus, efek carryover terhadap produksi membayangi semua pertimbangan lain.

Steam dapat terkontaminasi dengan padatan bahkan disaat carryover tidak terjadi. Air semprotan attemperating yang terkontaminasi digunakan untuk mengontrol temperatur steam pada inlet turbin dapat memasukkan padatan pada steam. Koil heat exhanger dapat dipasang di dalam mud drum boiler (Gambar 16.2) untuk memberikan attemperation dari superheated steam. Karena mud drum bertekan lebih tinggi dibandingkan superheated steam, kontaminasi akan terjadi jika kebocoran terjadi di dalam koil. Kegagalan dalam mengecek kemungkinan sumber dari kontaminasi membutuhkan waktu yang lama untuk mempelajari kemurnian steam.

Gambar 16.2 Kebocoran pada koil drum attemperator membuat terjadinya kontaminasi steam oleh air boiler

PENYEBAB CARRYOVER
Carryover disebabkan oleh pemisahan yang tidak sempurna steam dari campuran steam-air di dalam boiler. Ada banyak faktor, baik mekanikal maupun kimia yang berperan terhadap pemisahan yang tidak sempurna. Faktor mekanikal meliputi desain boiler, kebocoran atau tidak mumpuninya alat pemisah, level air yang tinggi, metode pembakaran, dan karakteristik beban.

Faktor kimia diantaranya konsentrasi total padatan yang tinggi (padatan terlarut dan/atau padatan tersuspensi), kelebihan alkalinitas, dan keberadaan material berminyak dan kontaminan organik lainnya. Metode pengolahan eksternal dan internal dapat juga mempengaruhi kemurnian steam. Pada kasus tertentu, penguapan padatan dapat terjadi dan merupakan bentuk lain dari carryover kimia. Boiler mengalami efisiensi pembakaran rendah dengan pemakaian bahan bakar melebihi standar

Penyebab Mekanikal
Pada boiler water-tube modern, pemisahan campuran steam dan air masuk ke dalam steam drum yang relatif kecil merupakan proses yang kompleks. Untuk setiap pon steam yang dihasilkan, sebanyak 15-20 pon air bersirkulasi di dalam drum. Akibatnya, 99,7% atau lebih air yang bersirkulasi harus dipisahkan dari steam untuk menjamin kemurnian steam yang dinginkan.

Desain Boiler
Beberapa tipe boiler diketahui karena kemampuan mereka untuk menghasilkan steam yang bersih secara konstan, tipe lain secara tradisional diketahui karena sering menimbulkan masalah. Faktor yang mempengaruhi carryover meliputi tekanan desain, ukuran steam drum, desain laju produksi, laju sirkulasi, susunan downcomer dan riser, dan tipe pemisahan mekanik yang digunakan.

Pada beberapa desain boiler lama, keluaran pembawa steam atau riser tube berada di bawah level air, menyebabkan turbulen yang sangat parah di dalam steam drum. Kondisi ini minimal untuk unit yang keluaran steam generating tubenya di atas level air atau di bawah baffle yang memisahkan mereka dari steam drum.

Penggunaan peralatan pemisahan  yang cocok juga efektif mencegah kontaminasi steam yang parah. Namun, unit ini menyebabkan sedikit penurunan tekanan sehingga jika ada kebocoran pada unit ini, carryover akan terjadi.

Kondisi Oprerasi
Operasi pada beban yang melebihi desain dapat meningkatkan carryover. Peningkatan secara tiba-tiba pada beban (seperti ketika safety valve terbuka atau ketika hembusan jelaga dimulai) juga menimbulkan carryover.

Peningkatan tiba-tiba di dalam kebutuhan steam proses dapat menurunkan tekanan steam header dan sebaliknya dengan tekanan drum boiler, menyebabkan ekspansi secara cepat pada campuran air-steam di dalam boiler. Hal ini secara signifikan meningkatkan level air di dalam drum dan menyebabkan carryover. Perubahan tiba-tiba di dalam operasi boiler harus dihindari sebanyak mungkin. Pada pabrik dengan boiler yang beroperasi lebih dari satu, boiler yang sangat rentan terhadap carryover harus dioperasikan pada beban yang aman dan konstan, sedangkan boiler lainnya digunakan untuk mengakomodasi perubahan beban.

Level air yang tinggi di dalam steam drum mengurangi ruangan deentraiment, meningkatkan carryover.

Penyebab Kimia
Foaming
Foaming dan vaporous carryover selektif merupakan dua mekanisme dasar dari chemical carryover. Foaming merupakan pembentukan gelembung stabil di dalam air boiler. Karena gelembung memiliki densitas mendekati densitas steam, mereka tidak terpisahkan dengan baik oleh peralatan pemurnian steam. Foaming telah menyebabkan permasalahan carryover yang beragam dan dapat menyebabkan kesalahan pembacaan level air yang menghasilkan perubahan dari aliran air umpan. 
Boiler mengalami efisiensi pembakaran rendah dengan pemakaian bahan bakar melebihi standar

Kecenderungan foaming dari air boiler meningkat seiring meningkatnya alkalinitas dan kandungan padatan. Padatan air boiler memiliki dua efek pada carryover. Pertama, pada boiler dan kondisi operasi tertentu, padatan yang tinggi di dalam air boiler menghasilkan kandungan padatan yang tinggi pada setiap tetesan air boiler yang mengalami carryover. Kedua, potensi foaming meningkat seiring dengan meningkatnya kandungan padatan. Jika kandungan air boiler menjadi dua kali (tanpa adanya foaming), carryover akan menjadi dua kali lipat. Jika semakin tinggi padatan akan menyebabkan foaming, carryover akan meningkat lebih tinggi.

Kontaminasi Organik dan Sintesis
Kontaminan minyak dan organik lainnya di dalam air boiler dapat menyebabkan kondisi carryover yang lebih parah. Alkalinitas air boiler akan menyabunkan asam lemak, menghasilkan sabun mentah yang menyebabkan foaming.

Analisa konvensional mineral dari air tidak mengungkapkan kecenderungan foaming yang dihasilkan dari kontaminasi organik. Bahkan penentuan kandungan organik dari air tidak memberikan informasi yang dibutuhkan ini, karena suplai air permukaan dari daerah yang memiliki banyak kayu relatif mengandung zat organik tipe lignin yang bermamfaat atau tidak berbahaya dengan konsentrasi yang tinggi.

Pembuangan limbah menuju suplai air permukaan mengandung deterjen sintetik dan agen pembasah. Kontaminasi pada air permukaan oleh agen ini telah menyebabkan kesulitan dengan boiler foaming.

Selective Vaporous Carryover
Selective vaporous carryover terjadi sebagai akibat dari variasi di dalam sifat solven di dalam steam untuk pengotor air yang berbeda fasa. Garam air boiler, seperti sodium sulfat, sodium klorida, sodium hidroksida, dan sodium fosfat merupakan larut di dalam air dan (untuk bervariasi derajat) di dalam steam. Akan tetapi, kelarutan dari garam ini di dalam steam rendah  dan biasanya bukan masalah ketika tekanan boiler berkurang dari 2400 psig. 
Boiler mengalami efisiensi pembakaran rendah dengan pemakaian bahan bakar melebihi standar

Selective vaporous carryover dari silika dan dapat terjadi pada tekanan di bawah 400 psig. Akan tetapi penguapan silika tidak biasanya terjadi di bawah tekanan 900 psig.

PENCEGAHAN CARRYOVER
Carry over tidak dapat dihilangkan secara sempurna. Bahkan desain boiler terbaik beroperasi dengan air boiler dengan kandungan kimia yang dikontrol dengan baik menghasilkan jumlah yang sangat sedikit (0,001-0,01 ppm padatan total) carryover. Akan tetapi, pertimbangan utama di dalam pemilihan boiler dan kondisi operasi adalah jumlah carryover yang dapat ditoleransi.

Kapanpun superheated steam dibutuhkan untuk proses atau turbin, kemurnian steam paling rendah yaitu mengandung 10-30 ppb dari total padatan yang diperlukan untuk mencegah deposit. Batasan ini diterapkan hampir di semua industri di dalam rentang operasi 300-1500 psig, untuk menjamin servis dari superheater dan turbin tidak terganggu.

Meski pembuat boiler biasanya tidak menjamin carryover kurang dari 0,03%, tingkat kemurnian baik di bawah level ini biasanya rutin dicapai di banyak sistem. Untuk mencapai kemurnian steam yang diinginkan, perancang boiler maupun operator harus hati-hati untuk memilih sistem peralatan dan kondisi operasi. Metode yang digunakan untuk mencapai kemurnian steam yang diinginkan dapat dibagi menjadi tindakan secara mekanik dan kimia untuk mencegah carryover.

Pemisahaan Mekanik
Boiler dengan kapasitas rendah, tekanan rendah (biasanya boiler fite-tube) secara prinsip mengandalkan pada pemisahan steam dan air secara gravitasi. Pada tekanan 200 psig dan kondisi jenuh, densitas air 115 kali lebih besar dibandigkan steam. Karena steam biasanya digunakan untuk pemanasan, kebutuhan kemurnian steam tidak terlalu ketat. Instalasi pipa kering di dekat bagian atas drum (Gambar 16.3) untuk meningkatkan pemisahan air dengan steam normalnya cukup memuaskan.

Gambar 16.3 Pemisahan secara gravitasi, sering ditingkatkan oleh sebuah pipa kering yang digunakan untuk menghasilkan steam dengan kemurnian yang diinginkan pada boiler fire-tube

Untuk memenuhi kebutuhan dari superheated steam turbine, kemurnian steam menjadi lebih ketat pada boiler bertekanan tinggi. Pada aplikasi ini, perbedaan densitas antara air dengan steam menurun secara cepat. Pada tekanan 1000 psig, densitas air hanya 20 kali dari densitas steam. Dibandingkan dengan boiler bertekanan rendah, gaya pisah antara steam dan air berkurang menjadi 83%, membuat entrainment mungkin terjadi pada kecepatan steam yang relatif rendah. Biaya dari sebuah drum yang memiliki ukuran cukup untuk memisahkan air dan steam pada tekanan yang lebih tinggi hanya dengan gravitasi saja terlalu mahal.

Peralatan pemisahan mekanik internal dapat dipasang agar dapat menggunakan ukuran drum yang lebih ekonomis pada tekanan yang lebih tinggi. Peralatan ini dikelompokkan menjadi dua kategori: pemisah primer dan pemisah sekunder. Boiler mengalami efisiensi pembakaran rendah dengan pemakaian bahan bakar melebihi standar

Pemisahaan Primer
Pemisahan primer dari air dan steam terjadi oleh perubahan pada arah aliran. Pada metode ini, perbedaan densitas air dan steam digunakan sebagai cara pemisahan. Pemisahan utama dipengaruhi oleh peralatan primer (seperti pelat baffle), yang juga mengurangi turbulensi dan kandugan steam pada air boiler yang bersirkulasi (Gambar 16.4). Seberapapun jumlah steam di alam sirkuit downcomer (carryunder) mengurangi jumlah head yang tersedia untuk sirkulasi, sehingga menurunkan laju sirkulasi boiler. Selain itu, kesalahan pada indikasi level air yang disebabkan oleh adanya steam di dalam drum air juga berkurang.

Gambar 16.4 Pelat baffle di dalam steam drum mengurangi turbulensi, meningkatkan kemurnian steam dan mengurangi jumlah steam yang ada pada air boiler yang bersirkulasi

Gambar 16.5 menunjukkan sebuah instalasi pemisah primer sentrifugal di dalam drum boiler. Steam dan air dari riser masuk secara tangensial. Air bergerak ke bawah di dalam jalur helix panjang  pada dinding bagian dalam silinder, dan steam bergerak ke atas secara spiral. Gaya sentrifugal pada campuran berputar mengelilingi silinder membantu pemisahan steam dari air.

Gambar 16.5 Siklon sering digunakan sebagai pemisah primer

Pemisahan Sekunder
Metode ini juga disebut sebagai “steam scrubbing” atau “steam drying”. Pemisahan sekunder digunakan untuk memisahkan moistur dalam jumlah sedikit dari banyak steam. Aliran steam diarahkan di dalam sebuah pola yang sering berlawanan melewati sebuah permukaan kontak yang luas. Sebuah embun dari air boiler berkumpul pada permukaan dan dipisahkan dari unit pemisah. 
Boiler mengalami efisiensi pembakaran rendah dengan pemakaian bahan bakar melebihi standar

Screen dengan lubang yang rapat atau pelat bergelombang biasanya digunakan. Kecepatan steam dijaga agar tetap rendah untuk mencegah reentrainment dari air boiler yang telah dipisahkan dan untuk memastikan permukaan kontak yang maksimum. Gambar 16.6 menggambarkan tipikal susunan dari pemisah primer dan steam scrubber di dalam sebuah steam drum boiler. Gambar 16.7 menunjukkan steam drum dengan tipikal peralatan pemurnian steam.

Gambar 16.6 Susunan tipikal dari pemisah primer dan sekunder di dalam sebuah steam drum boiler bertekanan tinggi
Gambar 16.7 Steel drum tipikal dengan pelat baffle tube, pemisah sentrifugal, dan scrubber sekunder

Meski pemisah steam dilakukan di dalam steam drum, unit pemisah eksternal juga tersedia. Mereka biasanya pemisah sentrifugal, mirip dengan yang digunakan pada pemisah primer pada kebanyakan boiler. Mereka berguna dimana hanya ada sebagian steam yang dihasilkan harus dimurnikan untuk penggunaan tunggal. Pada beberapa kasus, biaya pemurnian eksternal dapat lebih murah dibandingkan dengan memodifikasi internal dari drum boiler untuk meningkatkan kemurnian boiler.

Kontrol Kimia
Prinsip dari faktor kimia yang menyebabkan caryyover adalah konsentrasi dari total padatan terlarut, alkalinitas, silika, dan kontaminasi organik di dalam air boiler.

Rekomendasi dari American Boiler Manufacturers Association (ABMA) untuk batasan air boiler disajikan pada tabel dibawah ini.

Tabel 16.1 Parameter air boiler dan steam menurut American Boiler Manufacturers Association (ABMA)

 

Drum peessure, psig

Total dissolved solidsa in boiler water, ppm (max.)

Total Alkalinityb in boiler water, ppm

Suspended solids in boiler water, ppm (max.)

Total dissolved solidsb,d in steam, ppm (max. expected value)

Drum-type boilers

0-300

700-3500

140-700

15

0.2-1.0

 

301-450

600-3000

120-600

10

0.2-1.0

 

451-600

500-2500

100-500

8

0.2-1.0

 

601-750

200-2000

40-400

3

0.1-0.5

 

751-900

150-1500

30-300

2

0.1-0.5

 

901-1000

125-1250

25-250

1

0.1-0.5

 

1001-1800

100

Variablec

1

0.1

 

1801-2350

50

Variablec

N/A

0.1

 

2351-2600

25

Variablec

N/A

0.05

 

2601-2900

15

Variablec

N/A

0.05

Once-through boilers

1400 & above

0.05

N/A

N/A

0.05

a Nilai actual di dalam rentang yang menunjukkan nilai TDS di dalam air umpan.
b Nilai actual di dalam rentang yang sebanding dengan nilai actual dari TDS air boiler. Semakin tinggi nilainya menunjukkan kandungan padatan yang tinggi begitu sebaliknya.
c Ditentukan oleh boiler water treatment.
d Nilai ini tidak termasuk kadar silika.

Panduan nilai di atas bukanlah nilai absolut. Beberapa sistem tidak dapat menoleransi operasi pada nilai konsentrasi di atas, ada juga boiler lainnya yang beroperasi kontiniu pada konsentrasi yang lebih tinggi untuk kondisi operasi di atas.

Kondisi operasi juga berefek pada boiler. Sulit untuk menprediksi kandungan padatan maksimum pada air boiler yang dapat ditoleransi tanpa carryover yang signifikan pada kondisi operasi yang paling umum. Batasan maksimum spesifik untuk sebuah set dari kondisi operasi  dapat ditentukan hanya setelah dilaksanakannya studi kemurnian steam pada kondisi tersebut.

Kapanpun ketika carryover disebabkan kelebihan konsentrasi air boiler, sebuah peningkatan laju blowdown merupakan langkah paling sederhana dan mudah dilakukan. Ketika konsentrasi yang tinggi disebabkan pengotor air boiler yang tinggi, pengaturan atau peningkatan pengolahan eksternal dapat memberikan solusi paling ekonomis. carryover Boiler mengalami efisiensi pembakaran rendah dengan pemakaian bahan bakar melebihi standar

Karena berbagai padatan tersuspensi dan senyawa organik di dalam air umpan memiliki efek yang berbeda pada carryover maka tidak ada generalisasi pada batas konsentrasi yang dibolehkan di dalam air umpan. Konsentrasi harus di jaga sedekat mungkin dengan nol. Tidak ada metode pengolahan internal dapat diandalkan untuk mengatasi permasalahan carryover yang disebabkan oleh minyak dan senyawa organik lainnya. Untuk mencegah permasalahan carryover yang disebabkan kontaminan ini, mereka harus dihilangkan dari air umpan boiler.

Senyawa organik dan campuran penggunaan penanganan secara kimia pada air boiler dan kondensat dipilih berdasarakan dua faktor ini:

  • Kemampuan untuk mencegah deposit, korosi, dan carryover, sesuai dengan korosi pada sistem kondensat.
  • Rendahnya kecenderungan untuk menyebabkan foaming pada air boiler.

Studi Kemurnian Steam
Desain dari steam turbin modern memiliki toleransi yang sangat rendah terhadap pengotor. Ada peningkatan kebutuhan tidak hanya pada kemurnian steam, juga teknik untuk mengukur kandungan pengotor pada kadar yang sangat rendah. Teknik tracer natrium dan konduktivitas kation juga umum digunakan untuk mendeteksi pengotor di dalam rentang satu per satu milyar (ppb).

Carryover dapat menjadi permasalahan serius dari pabrik steam, dan sering menyebabkan kontaminasi steam dapat ditentukan hanya dengan studi mendalam menggunakan teknik pengujian dan pengambilan sampel yang sensitif. Seorang engineer pengolahan air, melalui penggunaan alat ini secara tepat mampu untuk membantu operator pabrik untuk mendapatkan kemurnian steam maksimum dengan blowdown minimum di saat menjaga kebersihan permukaan sisi air boiler. carryover

Agen Antifoam
Biasanya penyebab carryover tidak dapat diperbaiki secara ekonomis melalui pengaturan keseimbangan air boiler atau instalasi dari fasilitas pengolahan eksternal tambahan. Pada banyak kasus, penggunaan agen antifoam yang efektif dapat mengurangi kecenderungan carryover secara signifikan (Gambar 16.8).

Gambar 16.8 Hasil pengujian menunjukkan efek dari agen antifoam pada kemurnian steam di dalam boiler percobaan

Tujuan utama dari penggunaan antifoam adalah menghasilkan steam dengan kemurnian tinggi. Akan tetapi, agen antifoam juga berkontribusi untuk mengurangi kebutuhan blowdown. Umpan antifoam akan memperbesar toleransi konsentrasi air boiler  tanpa mengurangi kemurnian steamcarryover

Referensi:
Suez Water Technologies & Solutions. “Handbook of Industrial Water Treatment”carryover 

Jl. Pelajar Pejuang 45 No. 43
Kota Bandung, Jawa Barat

WA  : 082237062772
Telp : 0227317077

Copyright 2021 solusitirtaoptima.com