## ANALISIS SISTEM DISTRIBUSI UAP DARI WATER TUBE BOILER
DENGAN KAPASITAS 45 TON/JAM

## ANALYSIS OF STEAM DISTRIBUTION SYSTEM FROM WATER TUBE BOILER WITH A CAPACITY OF 45 TONS/HOUR
Desi Rismawati a *, Husin Ibrahim a , Joko Sutrisno b , Nisfan Bahri b
* a Jurusan Teknik Mesin Program Studi Teknik Konversi Energi, Politeknik Negeri Medan b Jurusan Teknik Mesin Program Studi Teknik Mesin, Politeknik Negeri Medan Jl. Almamater No.1, Padang Bulan, Kec. Medan Baru, Kota Medan, Sumatera Utara 20155 Email korespondensi: desirismawati@students.polmed.ac.id

## Abstrak
Sistem  distribusi  uap  sangat  berpengaruh  dalam  proses  produksi  di  Pabrik  Kelapa  Sawit  (PKS) sehingga  penting  untuk  mengetahui  kapasitas  uap  pada  proses  pengolahan  kelapa  sawit  dan kapasitas  uap  lainnya  di  PKS.  Alat-alat  yang  berhubungan  dengan  sistem  distribusi  uap  yaitu boiler , turbin uap, Back Pressure Vessel (BPV) dan Pressure Reducing Valve (PRV). Boiler yang akan dianalisis kapasitas uap dan efisiensi adalah water tube boiler berbahan bakar cangkang dan tandan  kosong  sawit  dengan  kapasitas  45  ton/jam  di  PT  Multimas  Nabati  Asahan.  Perhitungan kapasitas  uap  berdasarkan  desain  pabrik  dan  efisiensi boiler dengan  menggunakan  metode langsung dengan pertimbangan ketersediaan instrumen ukur untuk memperoleh data yang akurat dan  keterbatasan  waktu  dalam  mengumpulkan  data.  Setelah  dilakukan  analisis  data  diperoleh rugi-rugi  kapasitas  uap  dengan  membandingkan  hasil  analisis  teoritis  dengan  data  aktual  di lapangan sebesar 299,6 ton/hari, salah satu yang mempengaruhi rugi-rugi uap yaitu menurunnya efisiensi boiler ,  dimana  diperoleh  efisiensi boiler sebesar  48,61%  yang  berdampak  pada berkurangnnya  jumlah  produksi  uap  yang  dibutuhkan  dalam  proses  produksi  dan  pengolahan kelapa sawit di PT Multimas Nabati Asahan.
Kata kunci: uap, boiler , efisiensi

## Abstract
The steam distribution system is very influential in the manufacturing process at the Palm Oil Mill ( PKS ) so it is important to know the steam capacity in the oil palm processing and another steam capacity in the PKS . The tools associated with the steam distribution system are boilers, steam turbines, Back Pressure Vessels ( BPV ) and Pressure Reducing Valve ( PRV ). The boiler that will be analyzed for steam capacity and efficiency is a water tube boiler fueled by shells and empty palm fruit bunches with a capacity of 45 tons/hour at PT Multimas Nabati Asahan . Calculation of steam  capacity  based  on  factory  design  and  boiler  efficiency  using  the  direct  method  with consideration of the availability of measuring instruments to get correct data and limited time in collecting data. After data analysis, steam capacity losses are obtained by comparing the results of theoretical analysis with real data in the field of 299.6 tonnes/day, one of the factors that affect steam losses is a decrease in boiler efficiency, where the boiler efficiency is obtained by 48.61%, which has an impact on reducing the amount of steam production required in the production and processing of palm oil at PT Multimas Nabati Asahan .
Keywords: steam, boiler, efficiency

## PENDAHULUAN
Perkembangan  industri  minyak  kelapa  sawit  mengalami  kemajuan  yang  sangat  pesat  pada saat ini, dimana terjadi peningkatan jumlah produksi minyak kelapa sawit bersamaan dengan meningkatnya  kebutuhan  masyarakat.  Pengolahan  kelapa  sawit  merupakan  suatu  proses pengolahan yang menghasilkan minyak kelapa sawit. Hasil utama yang bisa diperoleh yakni minyak  sawit,  inti  sawit,  sabut,  cangkang  serta  tandan  kosong.  Pabrik  Kelapa  Sawit  (PKS) dalam konteks industri kelapa sawit di Indonesia dipahami sebagai unit ekstraksi Crude Palm Oil (CPO)  dan Palm  Kernel  Oil (PKO)  dari  Tandan  Buah  Segar  (TBS)  kelapa  sawit  yang diikuti dengan proses pemurnian (Samosir, 2016; Naibaho, P.M., 2016,). PT Multimas Nabati Asahan adalah salah satu anak perusahaan Wilmar Group yang ada di Sumatera Utara  yang bergerak  dibidang  pengolahan  minyak  kelapa  sawit.  Sebuah  industri  khususnya  PKS membutuhkan boiler yang  digunakan  untuk  membangkitkan  tenaga  mekanik  dan menyuplai kebutuhan  uap  panas  untuk  keperluan  industri  ( manufacturing  process )  pada  proses pengolahan kelapa sawit. Boiler adalah salah satu dari sekian banyak peralatan dalam siklus energi  thermal  yang  bertujuan  untuk  mengubah  air  menjadi  uap  bertekanan  sehingga  dapat digunakan  untuk  mengoperasikan  beberapa  mesin  atau  pesawat  yang  menggunakan  tenaga uap  (Pranaseta,  D.D.  dan  Tsamroh  D.  I.,  2015).  Sistem  distribusi  uap  sangat  berpengaruh dalam proses produksi di PKS sehingga penting untuk mengetahui kapasitas uap pada proses pengolahan  kelapa  sawit  dan  kapasitas  uap  lainnya  di  PKS.  Selain  itu,  agar  produksi  uap dapat memenuhi kebutuhan pabrik, maka setiap komponen boiler harus berada dalam kondisi baik,  untuk  itu  evaluasi  terhadap  prestasi  kerja  boiler  perlu  dilakukan  untuk  mengetahui efisiensi dari boiler tersebut.
Gambar 1. Boiler 2 co-gen (Pelawi, N., 2019)

## METODE PENELITIAN
Metode  yang  digunakan  untuk  menyelesaikan  permasalahan  pada  penelitian  ini  adalah metode langsung.
Nilai kalor ( heating value )
Nilai  kalor  merupakan  jumlah  energi  kalor  yang  dilepaskan  bahan  bakar  pada  waktu terjadinya oksidasi unsur-unsur kimia yang ada pada bahan bakar tersebut. Dikenal dua jenis pembakaran yaitu (Culp, A. W, 2016) :
1. Nilai kalor pembakaran tinggi/ high heating value (HHV)
Nilai kalor pembakaran tinggi adalah nilai pembakaran dimana panas pengembunan air dari  proses  pembakaran  ikut  diperhitungkan  sebagai  panas  dari  proses  pembakaran sesuai pada Persamaan 1 sebagai berikut:
( – ) .......................................(1)
2. Nilai kalor pembakaran rendah/ istilah low heating value (LHV)
Nilai  kalor  pembakaran  rendah  atau  juga  dikenal  dengan  adalah  nilai  pembakaran
dimana  panas  pengembunan  uap  air  dari hasil  pembakaran  tidak  ikut  dihitung  sebagai panas dari proses pembakaran sesuai pada Persamaan 2 sebagai berikut:
( ) ...........................................(2)

## Kebutuhan udara pembakaran
Kebutuhan udara pembakaran didefinisikan sebagai kebutuhan oksigen yang diperlukan untuk pembakaran 1 kg bahan bakar secara sempurna yang meliputi (Djokosetyardjo, 2016): 1. Kebutuhan udara teoritis (U teo ):
Kebutuhan udara pembakaran teoritis dirumuskan pada Persamaan 3 sebagai berikut: (         (   –   )     ) ..........................................(3)
2. Kebutuhan udara pembakaran sebenarnya/aktual (U act ): Kebutuhan udara pembakaran aktual dirumuskan pada Persamaan 4 sebagai berikut:
(         ) .......................................................................(4) dimana EA = koefisien/angka kelebihan udara ( excess air ).

## Gas asap
Reaksi  pembakaran  akan  menghasilkan  gas  baru,  udara  lebih  dari  sejumlah  energi.  Senyawa- senyawa yang merupakan hasil dari reaksi pembakaran disebut gas asap (Djokosetyardjo, 2016): 1. Berat gas asap teoritis (G teo )
Berat gas asap teoritis dapat dirumuskan pada Persamaan 5 sebagai berikut:
(       ) ...................................................................(5) dimana A = kandungan abu dalam bahan bakar ( ash )
2. Berat gas asap sebenarnya/aktual (G act )
Dalam  menghitung  berat  gas  asap  pembakaran  perlu  dihitung  dulu  masing-masing komponen gas asap tersebut (Muin, 1988).
Berat CO ₂ = 3,67C [kg/kgBB] Berat SO ₂ = 2S [kg/kgBB] Berat H 2 O = 9H 2 [kg/kgBB] Berat N ₂ = (77% × U act ) + N ₂ [kg/kgBB]
Berat O ₂ = (23% × EA) U teo
[kg/kgBB]
Dari  perhitungan  di  atas  maka  akan  didapatkan  jumlah  gas  asap  pembakaran sebenarnya pada Persamaan 6 sebagai berikut:
G act = WCO 2 + WSO 2 + WH 2 O + WN 2 + WO 2 [kg/kgBB] ..................................(6) Atau Berat gas asap sebenarnya/aktual (G act ):
Berat  gas  asap  pembakaran  aktual  dapat  dirumuskan  pada  Persamaan  7  sebagai berikut:
G act = U act + (1 – A)  [ kg/kgBB]..........................................................................(7)

## Neraca kalor atau neraca energi
Neraca  kalor  atau  neraca  energi  adalah  perimbangan  antara  “energi  masuk”  ( input )  dengan “energi berguna” ( output ) dan “kehilangan energi” ( losses ) (Muin, S. A., 2016). Sebagai  energi  masuk  atau  suplai  energi  (Q in )  adalah  jumlah  energi  hasil  pembakaran bahan bakar pada Persamaan 8 sebgai berikut (Cengel, A. Y dan Boles, A. M., 2008): Q in = W f × (LHV) [kJ/jam] .....................................................................................(8) Energi berguna (Q out ) adalah energi yang diserap oleh air umpan sampai terbentuk uap didalam ketel pada persamaan 9 sebagai berikut (Cengel, A. Y dan Boles, A. M., 2008); Q out = W s (h u – h a )  [ kJ/jam] .................................................................................(9)
Perhitungan efisiensi boiler dengan metode langsung
Energi  yang  didapat  dari  fluida  kerja  (air  dan steam )  dibandingkan  dengan  energi  yang terkandung  dalam  bahan  bakar boiler .  Metodologi  ini  dikenal  juga  sebagai  metode  „ input- output ‟ karena kenyataan bahwa metode ini hanya memerlukan keluaran/ output ( steam )  dan panas masuk/ input (bahan bakar) untuk evaluasi efisiensi pada Persamaan 10 sebagai berikut (Muin, S. A., 2016):
( ) .....................................................................................(10) Keterangan: W s = kapasitas produksi uap (kg uap/jam) W f = konsumsi bahan bakar (kgBB/jam) h u = entalpi uap (kJ/kg) h a = entalpi air umpan/pengisi ketel (kJ/kg) LHV = nilai kalor pembakaran rendah (kJ/kg)

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Analisis Kapasitas Uap Secara Teoritis
Boiler yang berada di PT Multimas Nabati Asahan ada  tujuh unit, diataranya, yaitu tiga unit di Co-Gen , dua unit di Biomass 1 and 2 serta dua unit di power plant . Namun yang beroperasi hanya boiler yang  ada  di Co-Gen .  Pada boiler  Co-Gen di  PT  Multimas  Nabati  Asahan memiliki  tiga boiler yaitu Boile r  1  dan  2 superheat dan Boiler 3  saturasi. Boiler tersebut digunakan sebagai penyuplai kebutuhan uap untuk proses pengolahan dan pembangkit tenaga listrik. Boiler yg dipergunakan adalah jenis ketel pipa air ( water tube boiler ). Boiler tersebut menggunakan bahan bakar cangkang sawit dan Empty Fruit Bunch (EFB). Dalam penelitian ini penulis mengAnalisis kapasitas uap dari B oiler 2 dan 3 co-gen dengan kapasitas masing- masing 45 ton/jam sedangkan untuk mengAnalisis efisiensi boiler dari B oiler 2 co-gen . Uap yang dihasilkan oleh boiler di PKS PT Multimas Nabati Asahan memiliki tekanan kerja 45 ton/jam. Untuk kondisi normal, boiler minimal efektif mampu menghasilkan uap 60 % dari kapasitas TBS olah per jam di PKS. Jika kapasitas uap boiler per jam adalah 45 ton/jam, maka jumlah kapasitas olah TBS per jam = 45 ton/jam : 60% sehingga kapasitas olah TBS minimal yang  harus  dihasilkan  oleh boiler adalah  sekitar  75  ton  TBS/jam.  Dengan  demikian  kondisi uap normal turbin sama dengan kebutuhan maksimal uap yang dibutuhkan dalam pengolahan kelapa sawit di PKS.
Berdasarkan desain pabrik PT Multimas Nabati Asahan:
a. Tekanan kerja boiler 45 ton/jam
b. Kapasitas PKS 75 TBS/jam
c. Kapasitas olah TBS 1500 TBS/hari
Kemudian  dilakukan  perhitungan  secara  teoritis  berdasarkan  desain  pabrik  (Naibaho,  P.M., 2016):
Berdasarkan data kapasitas distribusi uap PT Multimas Nabati Asahan, pada tanggal 09 maret 2020, diperoleh hasil aktual yang didapatkan di lapangan sebesar 1498 ton/hari. Dari Analisis perhitungan kapasitas uap, maka diperoleh bahwa kapasitas uap dari hasil perhitungan secara teori  berdasarkan  desain  pabrik  sebesar  1797,6  ton/hari  sedangkan  hasil  aktual  yang didapatkan di lapangan sebesar 1498 ton/hari. Dimana rugi-rugi uap sebesar 299,6 ton/hari.

## Analisis Bahan Bakar Boiler 1. Pemakaian bahan bakar
Jumlah  bahan  bakar boiler yang  digunakan  selama  24  jam  (1  hari)  diperoleh  dari log sheet  operational  boiler  co-gent pada  tanggal  09  Maret  2020  di  PT  Multimas  Nabati Asahan sebagai berikut:
1. Total Pemakaian Bahan Bakar (24 Jam) pada Boiler 2: Cangkang + EFB = 123890,6897 kg + 26229,53793 kg = 150120,2276 kg perhari
2. Kebutuhan bahan bakar
3. Kapasitas produksi uap
4. Persentase bahan bakar
Cangkang = 82,53% EFB = 17,47%

## 2. Komposisi bahan bakar
Komposisi bahan bakar cangkang dan EFB, sebagai berikut: C=57,64% H 2 =3,42% O 2 =30,98% N 2 =5,92% Ash =2,04%

## 3. Nilai kalor bahan bakar
1. Nilai  kalor  Pembakaran  Tinggi/ High  Heating  Value (HHV),  pada  Persamaan  1 (Sinaga G dan Yemima M., 2015):
HHV= 33950 C + 144200 (H 2 - ) + 9400 S ⁄ HHV= (      )          (
)       ( ) ⁄
HHV= 18656,715 ⁄
2. Nilai Kalor Pembakaran Rendah (LHV), pada Persamaan 2 (Sinaga G dan Yemima M., 2015):
LHV=HHV - 2400(9H 2 ) ⁄ LHV=18656,715 ⁄ – 2400 (9 x 3,42%)
LHV=17917,995
⁄

## 4. Kebutuhan udara pembakaran
Jumlah  udara  teoritis  dinyatakan  dalam  kg,  yang  digunakan  untuk  membakar  dengan sempurna  1  kg  bahan  bakar  dengan  perbandingan  0% fiber ,  82,53%  cangkang  dan 17,47% EFB sebagai berikut:
C + O 2 → CO 2 12 kg C + 32 kg O 2 → 44 kg CO 2
1 kg C + 2.67 kg O 2 → 3,67 kg CO 2 0,5764 kg + 1,538988 kg   → 2,115388 kg 4H + O 2 → 2H 2 O 4 kg H 2 + 32 kg O 2 → 36 kg H 2 O 1 kg H 2 + 8 kg O 2 → 9 kg H 2 O 0,0342 kg + 0,2736 kg → 0,3078 kg
Jumlah oksigen yang dibutuhkan:
O 2 = 1,538988 kg + 0,2736 kg = 1,812588 kg Kandungan  oksigen  sebesar  0,3098  O 2 di  dalam  1  kg  bahan  bakar  cangkang  dan  EFB, maka oksigen yang dibutuhkan hanya:
1,812588 kg O 2 – 0,3098 O 2 = 1,502788 kg O 2 Udara 1 kg mengandung 0,231 kg O 2 , sehingga udara teoritis yang dibutuhkan: U teo = (1,502788 kg O 2 : 0,231 kg O 2 ) kg udara/kg BB U teo = 6,50557 kg udara/kg BB Atau
1. Kebutuhan udara pembakaran teoritis (U teo ) pada Persamaan 3 (Tambunan, I, 2016): U teo = × ( 2,67C + (8H – O) + S)
kg/kgBB
U teo = × ( 2,67(0,5764) + (8(0,0342) – 0,3098) + 0)   kg/kgBB
U teo = 6,50557 kg/kgBB
2. Kebutuhan  udara  pembakaran  sebenarnya/aktual  (U act )  pada  Persamaan  4 (Tambunan, I, 2016):
U act = U teo (1 + EA) kg/kgBB U act = 7,590424 (1 + 0,50) kg/kg BB
U act = 9,75836 kg/kg BB
5. Perhitungan gas asap
1. Berat gas asap teoritis (G teo ) pada persamaan 5 (Naibaho, P.M., 2016): G teo = Uteo  + (1 - Ash ) kg/kgBB G teo = 6,50557 + (1 – 0,0204) kg/kg BB
G teo = 7,48517 kg/kg BB
2. Berat  gas  asap  hasil  pembakaran  sebenarnya/aktual  (G act )  pada  Persamaan  6 (Naibaho, P.M., 2016):
WCO 2 = 2,115388 kg/kgBB WH 2 O = 0,3078 kg/kgBB WN 2 = (77% × Uact) + N 2 = (0,77 × 9,75836) + 0,0592 = 7,573091 kg/kgBB WO 2 = (23% × EA) x Uteo = (0,23 × 0,50) x 6,50557 = 0,74814055 kg/kgBB Maka, dari perhitungan diatas didapatkan gas asap total:
G act = WCO 2 + WH 2 O + WN 2 + WO 2 G act = 2,115388 + 0,30785 + 7,573091 + 0,74814055 = 10,74446955 kg/kgBB atau
Berat gas asap hasil pembakaran sebenarnya pada Persamaan 7 (Naibaho, P.M., 2016):
G act = U act + (1 – Ash) G act =  9,75836 + (1 – 0,0204) kg/kg BB G act = 10,73796 kg/kgBB

## Analisis Efisiensi Boiler
Berdasarkan Log  Sheet  Boiler  2  Co-Gen PT  Multimas  Nabati  Asahan,  pada  tanggal  09  maret 2020:
1. Feed water temperature (T a )   = 97 o C
2. Steam pressure (P) = 22 bar 3. Steam temperature (T u ) = 320 o C Mencari nilai entalpi air umpan (h a ) pada T a = 97 0 C, menggunakan interpolasi untuk mencari h a dan diperoleh
⁄ . Mencari  nilai  entalpi  uap  (h u )  pada T u =320 0 C,    P u =  22  bar,  menggunakan  interpolasi  untuk mencari h u dan diperoleh ⁄
1. Energi masuk “ input ”
Energi masuk “ input ” (Q in )sesuai pada Persamaan 8 (Sinaga G dan Yemima M., 2015): Q in = × (LHV)
Q in = ⁄ ⁄ Q in =
⁄
2. Energi keluar “ output ”
Energi keluar “ output ” (Q out ) sesuai pada Persamaan 9 (Sinaga G dan Yemima M., 2015): Q out = ( ) Q out = ⁄ ( ⁄ ⁄ )
Q out = ⁄

## 3. Efisiensi boiler
Efisiensi boiler ( η boiler ) sesuai pada Persamaan 10 (Sinaga G dan Yemima M., 2015): ( )

## SIMPULAN
Simpulan  dari  penelitian  ini  adalah  sistem  distribusi  uap  di  PT  Multimas  Nabati  Asahan berawal dari proses water treatment sebagai bahan baku air untuk boiler yang merupakan alat penghasil  uap,  lalu  uap  masuk  ke  sudu-sudu  turbin,  selanjutnya  uap  sisa  dari  tubin  uap  di simpan di BPV, sebelum didistribusikan uap akan diturunkan tekanannya menggunakan PRV kemudian  uapnya  akan  didistribusikan  ke plant-plant yang  membutuhkan  suplai  uap.  Dari data  kebutuhan  uap  yang  diperoleh  bahwa  kapasitas  uap  dari  hasil  perhitungan  secara  teori berdasarkan desain pabrik sebesar 1797,6 ton/hari sedangkan hasil aktual yang didapatkan di lapangan  sebesar  1498  ton/hari.  Dimana  rugi-rugi  uap  sebesar  299,6  ton/hari.  Berikut  yang mempengaruhi  rugi-rugi  uap.  Faktanya  di  lapangan  kapasitas  olah  TBS  setiap  harinya  tidak sesuai  dengan  desain  pabrik  yaitu  sebesar  1500  ton/hari,  tergantung  kebutuhan  dan  tidak dilakukan  setiap  hari.  Sehingga  pada  perhitungan  kebutuhan  uap  secara  teori  asumsi dilakukan  tanpa  perhitungan  pada  beberapa  keadaaan,  misalnya  kehilangan  kalor  akibat perpindahan  panas  pada  pipa  distribusi  uap  dan  efisiensi boiler menurun  sehingga mempengaruhi kapasitas uap. Efisiensi boiler yang diperoleh yaitu sebesar 48,61 ton/jam.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  atas  dukungan  yang  diberikan  oleh  Politeknik  Negeri Medan  (POLMED).  Penulis  juga  mengucapkan  terima  kasih  kepada  Dr.  Arridina  Susan Silitonga, S.T., M. Eng. atas pelatihannya tentang penulisan jurnal ini.

## REFERENSI
Cengel,  A.  Y  dan  Boles,  A.  M.,  2008, Thermodynamics  An  Engineering  Approach , Sixth Edition , Mc Graw-Hill, New York. Culp,  A.  W,  2016, Prinsip-Prinsip  Konversi  Energi  (Penerjemah  Darwin  Sitompul) , Erlangga, Jakarta.
Djokosetyardjo, M J., 2016, Ketel Uap , PT. Pradnya Paramita, Jakarta. Muin, S. A., 2016, Pesawat-Pesawat Konversi Energi I (Ketel Uap) , CV. Rajawali, Jakarta. Naibaho,  P.M.,  2016, Teknologi  Pengolahan  Kelapa  Sawit ,  Pusat  Penelitian  Kelapa  Sawit, Medan.
Pelawi,  N.,  2019, Laporan  PKL  PT.  Multimas  Nabati  Asahan  (Wilmar  Grup) ,  Universitas Sumatera Utara, Medan.
Pranaseta,  D.D.  dan  Tsamroh  D.  I.,  2015, Prinsip  Kerja  dan  Jenis  Ketel  Uap ,  Universitas Negeri Malang, Malang.
Samosir,  Christine  Noviani,  2015, Analisis  Distribusi  Uap  pada  Proses  Pengolahan  Kelapa Sawit  dan  Optimasi  Boiler  dengan  Tekanan  Kerja  21  kg/cm2  di  Pabrik  Kelapa  Sawit , Politeknik Negeri Medan, Medan.
Sinaga  G  dan  Yemima  M.,  2015, Analisis  Sistem  Distribusi  Uap  dengan  Kapasitas  20 Ton/Jam  pada  Proses  Pengolahan  Kelapa  Sawit  dan  di  PKS  Pagar  Merbau ,  Politeknik Negeri Medan, Medan.
Tambunan,  I,  2016, Analisis  Efisiensi  Water  Tube  Boiler  Kapasitas  200  Ton/Jam  dan Tekanan 84 Bar di PT Toba Pulp Lestari Tbk , Politeknik Negeri Medan, Medan.