Cara Mengurangi Fouling Pada Alat Penukar Kalor

Alat Penukar Kalor

[Year]

“Cara Mengurangi Mengurangi Fouling Pada Alat Penukar Kalor” Cahya Tri Anggara,0906488786

Fouling adalah adalah peristiwa terakumulasinya padatan yang tidak dikehendaki di permukaan Heat Exchanger yang berkontak dengan fluida kerja, termasuk permukaan heat transfer. Peristiwa tersebut adalah pengendapan, pengerakan, korosi, polimerisasi dan proses biologi. Heat exchanger akan sulit terlepas dari Fouling dari Fouling ( ( beberapa heat exchanger dapat tidak terjadi fouling terjadi fouling dan beberapa heat exchanger lainnya terus menurus mengalami akumulasi fouling ),Cukup banyak kerugian yang dapat ditimbulkan oleh fouling tersebut. Biasanya perancang heat exchanger akan akan memasukkan nilai koefisien fouling koefisien fouling pada pada saat penentuan koefisien keseluruhan ( overall coefficient heat transfer ) untuk memastikan bahwa heat exchanger tersebut tersebut nantinya ketika dioperasikan tidak mengalami masalah dalam jangka waktu yang cepat. Fouling juga juga dapat didefinisikan sebagai akumulasi endapan yang tidak diiinginkan pada permukaan alat perpindahan perpind ahan panas. Dikarenakan terdapat endapan atau deposit de posit pada permukaan perpindahan panas, maka dibutuhkan dibutuh kan luas perpindahan panas yang lebih agar perpindahan panas p anas yang diinginkan dapat tercapai. Pada shell Pada shell & tube heat exchanger , fouling dapat terjadi baik pada bagian dalam ( inner tube ) maupun luar tube ( outside tube ) dan dapat terjadi pula pada bagian dalam shell . Fouling juga dapat menyebabkan pengurangan cross sectional area ( luas penampang melintang ), dan meningkatkan pressure drop, sehingga dibutuhkan energi ekstra untuk pemompaan. Berikut beberapa kerugian yang disebabkan oleh fouling oleh fouling : 1. Peningkatan capital cost , heat exchanger dengan fouling yang tinggi akan menyebabkan pengurangan overall coefficient heat transfer , dengan demikian dibutuhkan luas area perpindahan yang lebih ( bila dibandingkan dengan fouling dengan fouling yang yang lebih rendah ). Luas HE yang lebih besar mengakibatkan peningkatan cost . 2. Memerlukan energi tambahan, energi tambahan sehubungan dengan peningkatan energi pompa dan effisiensi effisiensi termodinamika yang rendah pada kondensasi dan siklus refrigerasi. 3. Maintanance cost untuk antifoulant, chemical treatment dan untuk pembersihan permukaan perpindahan panas yang tertutup oleh fouling oleh fouling 4. Pengurangan output atau keluaran ( rate ) dikarenakan pengurangan cross sectional area 5. Downtime cost ( ( downtime adalah kerugian waktu produksi yang diakibatkan oleh peralatan tidak dapat dioperasikan dengan semestinya dikarenakan oleh maintanance, power failure atau power trip, breakdown dan lain - lain ).

1

Alat Penukar Kalor

[Year]

Fouling secara umum dapat dibagi menjadi beberapa jenis, yaitu sebagai berikut : 1. Precipitation fouling ( scaling ), adalah pengendapan bahan – bahan terlarut pada permukaan perpindahan panas. Jika solute Jika solute memiliki karakteristik inverse inverse ( kebalikan ) solubility, solubility, maka pengendapan terjadi pada permukaan panas lanjut ( superheated ( superheated surface ), pengendapan ini disebut dengan scaling , contohnya calsium sulfat pada air, pengkristalan garam dari larutan encer. Pengendapan juga dapat terjadi melalui sublimasi seperti pada ammonium choride pada aliran uap. 2. Particulate fouling , , adalah akumulasi partikel ( dalam fluida fluida ) pada permukaan perpindahan panas. Pada beberapa aplikasi, akumulasi partikel ini terjadi disebabkan oleh gravitasi. Fenomena ini disebut juga sedimentasi fouling . Contoh : dust , karat, pasir halus ( fine ( fine sand ) ) dan lain – lain – lain. lain. Chemical r eaction action f ouli ng 3. Chemical , adalah pembentukan deposit yang disebabkan oleh reaksi kimia, Nesta juga menyatakan chemical reaction fouling adalah pemecahan dan pengikatan senyawa – senyawa – senyawa senyawa yang tidak stabil pada permukaan perpindahan panas. Oil sludge, Polimerisasi, coking dan dan cracking hidrokarbon hidrokarbon adalah contohnya 4. Corrosion fouling , Terjadi ketika permukaan perpindahan panas itu sendiri bereaksi Corrosion fouling membentuk produk korosi ( karat ) yang kemudian mengotori ( foul ) dan dapat menyebabkan bahan atau materi pengotor ( foulant ( foulant ) ) lainnya menempel pada permukaan. 5. Biological fouling , , adalah penempelan mikro atau makro organisme biologi pada permukaan perpindahan panas. 6. Solidification fouling , , adalah solidifikasi ( pembekuan ) liquid pada permukaan subcooled heat transfer ( perpindahan panas pada sub cooled ) contohnya adalah pembekuan es. Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi terjadinya fouling terjadinya fouling adalah adalah sebagai berikut : Velocity 1. F low Velocity , dengan kecepatan tinggi dapat meminimalkan pembentukan fouling ( untuk segala jenis fouling ) , namun yang harus di perhatikan juga bahwa menjalankan STHE ( shell & tube heat exchanger ) pada kecepatan alir tinggi dapat menyebabkan tingginya pressure drop, drop, kecepatan tinggi juga dapat mengakibatkan erosi dan juga memerlukan energi pemompaan yang besar. Idealnya kecepatan untuk liquid yang mengalir dalam tube ( inside tube ) tube ) adalah dari range 1.5 – 1.5 – 2 2 m/s dan 1 – 1 – 1.5 1.5 m/s untuk luar tube. tube. 2. Temperature . Temperature permukaan Temperature permukaan sangat berpengaruh dalam pembentukan fouling pembentukan fouling . Pada normal solubility salt solution ( kelarutan normal larutan garam ) peningkatan konsentrasi garam akan naik seiring dengan naiknya temperature contohnya temperature contohnya adalah NaCl, NaNO3. 3. Material konstruksi dan permukaan yang halus , pemilihan meterial tube tube sangat penting, beberapa tipe biofouling dapat dapat terhambat pembentukannya dengan menggunakan cooper-bearing alloy, alloy, permukaan bahan atau materi tube tube yang halus dapat mengurangi

2

Alat Penukar Kalor

[Year]

Fouling secara umum dapat dibagi menjadi beberapa jenis, yaitu sebagai berikut : 1. Precipitation fouling ( scaling ), adalah pengendapan bahan – bahan terlarut pada permukaan perpindahan panas. Jika solute Jika solute memiliki karakteristik inverse inverse ( kebalikan ) solubility, solubility, maka pengendapan terjadi pada permukaan panas lanjut ( superheated ( superheated surface ), pengendapan ini disebut dengan scaling , contohnya calsium sulfat pada air, pengkristalan garam dari larutan encer. Pengendapan juga dapat terjadi melalui sublimasi seperti pada ammonium choride pada aliran uap. 2. Particulate fouling , , adalah akumulasi partikel ( dalam fluida fluida ) pada permukaan perpindahan panas. Pada beberapa aplikasi, akumulasi partikel ini terjadi disebabkan oleh gravitasi. Fenomena ini disebut juga sedimentasi fouling . Contoh : dust , karat, pasir halus ( fine ( fine sand ) ) dan lain – lain – lain. lain. Chemical r eaction action f ouli ng 3. Chemical , adalah pembentukan deposit yang disebabkan oleh reaksi kimia, Nesta juga menyatakan chemical reaction fouling adalah pemecahan dan pengikatan senyawa – senyawa – senyawa senyawa yang tidak stabil pada permukaan perpindahan panas. Oil sludge, Polimerisasi, coking dan dan cracking hidrokarbon hidrokarbon adalah contohnya 4. Corrosion fouling , Terjadi ketika permukaan perpindahan panas itu sendiri bereaksi Corrosion fouling membentuk produk korosi ( karat ) yang kemudian mengotori ( foul ) dan dapat menyebabkan bahan atau materi pengotor ( foulant ( foulant ) ) lainnya menempel pada permukaan. 5. Biological fouling , , adalah penempelan mikro atau makro organisme biologi pada permukaan perpindahan panas. 6. Solidification fouling , , adalah solidifikasi ( pembekuan ) liquid pada permukaan subcooled heat transfer ( perpindahan panas pada sub cooled ) contohnya adalah pembekuan es. Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi terjadinya fouling terjadinya fouling adalah adalah sebagai berikut : Velocity 1. F low Velocity , dengan kecepatan tinggi dapat meminimalkan pembentukan fouling ( untuk segala jenis fouling ) , namun yang harus di perhatikan juga bahwa menjalankan STHE ( shell & tube heat exchanger ) pada kecepatan alir tinggi dapat menyebabkan tingginya pressure drop, drop, kecepatan tinggi juga dapat mengakibatkan erosi dan juga memerlukan energi pemompaan yang besar. Idealnya kecepatan untuk liquid yang mengalir dalam tube ( inside tube ) tube ) adalah dari range 1.5 – 1.5 – 2 2 m/s dan 1 – 1 – 1.5 1.5 m/s untuk luar tube. tube. 2. Temperature . Temperature permukaan Temperature permukaan sangat berpengaruh dalam pembentukan fouling pembentukan fouling . Pada normal solubility salt solution ( kelarutan normal larutan garam ) peningkatan konsentrasi garam akan naik seiring dengan naiknya temperature contohnya temperature contohnya adalah NaCl, NaNO3. 3. Material konstruksi dan permukaan yang halus , pemilihan meterial tube tube sangat penting, beberapa tipe biofouling dapat dapat terhambat pembentukannya dengan menggunakan cooper-bearing alloy, alloy, permukaan bahan atau materi tube tube yang halus dapat mengurangi

2

Alat Penukar Kalor

[Year]

laju pembentukan fouling . Copper dan alloy alloy nya dapat mengurangi pembentukan biofouling dikarenakan dikarenakan materi atau bahan ini bersifat toksit terhadap organisme tersebut. Berikut ini adalah cara mengurangi terjadinya fouling terjadinya fouling pada Heat pada Heat Exchanger , , yaitu : 1. Pemi , Penggunaan beberapa tipe HE tertentu Pemi li han heat heat exchanger exchanger ( H E ) yang tepat tepat dapat mengurangi pembentukan fouling pembentukan fouling di di karenakan area dead space yang space yang lebih sedikit dibandingkan dengan tipe yang lainnya, seperti plate seperti plate dan spiral dan spiral heat heat exchanger , namun begitu jenis HE tersebut hanya dapat menangani design pressure sampai pressure sampai 20 – 20 – 25 25 bar dan o o design temperature 250 temperature 250 C ( plate ( plate ) ) dan 400 C ( spiral ( spiral ). ). 2. Gun akan di ameter . STHE umumnya didesain dengan ukuran tube ameter tu be yang lebih bes besar dari 20 mm atau 25 mm, untuk penggunaan fluida fluida yang kotor ( fouling resistance > 2 0.0004 h-m C/kal ) gunakan tube tube dengan diameter ( minimum ) 25 mm ( outside diameter, OD ) 3. Kece Kecepatan ti nggi, seperti yang telah di jelaskan di atas bahwa pada kecepatan tinggi, fouling dapat dikurangi, koefisien heat transfer juga akan semakin tinggi, namun demikian mengoperasikan HE dengan kecepatan tinggi mengakibatkan pressure drop yang tinggi pula serta erosi , kenaikan pressure drop drop lebih cepat dari pada kenaikan koefisien perpindahan panas, maka perlu dicari kecepatan yang optimum. 4. Margin pressure drop yang cukup . Pada HE yang digunakan untuk fluida fluida yang berpotensi membentuk fouling membentuk fouling yang tinggi, tinggi, disarankan untuk menggunakan margin 30 – 30 – 40 % antara pressure drop drop yang diijinkan ( allowable allowable ) dengan pressure drop drop yang dihitung ( calculated ) hal ini dilakukan untuk antisipasi pressure antisipasi pressure drop yang drop yang tinggi akibat penggunakan kecepatan yang tinggi. 5. Gun akan tu be bun . Jika penggunaan HE untuk fluida untuk fluida bun dle dan heat exchanger exchanger cadangan yang berpotensi membentuk fouling membentuk fouling yang sangat ekstrim, maka tube tube bundle candangan sebaiknya digunakan. Jika fouling Jika fouling telah telah terjadi cukup cepat ( setiap 2 – 3 3 bulan ) maka sebaiknya digunakan HE cadangan. STHE cadangan juga diperlukan untuk tipe STHE Fixed tubesheet tubesheet ( pembentukan fouling yang tinggi pada tube tube , seperti pada reboiler thermosiphon vertikal yang menggunakan fluida menggunakan fluida polimer polimer seperti pada Butadiene plant). shell yang disusun disusun secara paral el 6. Gun akan 2 shell . dengan penggunaan STHE dimana Shell disusun secara seri, maka jika salah satu STHE telah terjadi penumpukan ( akumulasi ) fouling ( dimana STHE tersebut diservice ) maka STHE yang satunya lagi dapat digunakan, walaupun tentunya terjadi penurunan output, sebaiknya kapasitas yang digunakan masing- masing antara 60 – 60 – 70 70 % dari kapasitas total 7. Gunakan . Penggunaan Wire fin tube,dapat tube,dapat mengurangi terbentuknya Gunakan Wir e F in tube fouling , pada awalnya penambahan wire fin tube tube ini digunakan untuk meningkatkan perpindahan panas tube tube pada aliran laminar. Wire fin fin dapat menaikkan pencampuran radial ( radial mixing ) dari dinding tube hingga tube hingga kebagian centre ( tengah ), efek gerakan pengadukan inilah yang dapat meminimalisasikan deposit pada dinding tube. tube. 3

Alat Penukar Kalor

[Year]

8. Gunakan F lui dized Bed H E , HE tipe ini dapat menghandle fouling yang ekstrim.Apabila Fluida kotor ditempatkan pada shell. 9. Gunakan U-Tube atau Floating head . Kelemahanan penggunaan U tube adalah kesulitan pembersihan pada bagian U. 10. Gunakan susunan tube secara Square atau Rotate Square . susunan square menyediakan akses yang lebih sehingga cleaning HE secara mechanical dengan menggunakan Rodding atau hydrojetting baik pada susunan triangle, namun begitutube yang disusun secara square memberikan koefisien heat transfer yang rendah, untuk situasi seperti ini , maka rotate square dapat digunakan. 11. M emi ni mal isasik an dead space dengan desain baff le secara optimu m . STHE lebih mudah mengalami Fouling dikarenakan adanya dead space, oleh sebab itu , penentuan jarak antar baffle ( baffle spacing ) dan baffle cut sangatlah penting, kedua variable tersebut sangat berpengaruh dalam pentuan besar kecilnya koefisien perpindan panas pada shell. Nilai Baffle cut sebaiknya digunakan antara 20 -30 %, dimana baffle cut sebesar 25 % adalah nilai yang cukup baik sebagai starter. Untuk perpindahan panas yang hanya melibatkan panas sensible ( seperti heater atau cooler ) disarankan tidak menempatkan posisi baffle secara vertikal, untuk perpindahan panas yang melibatkan panas laten atau terjadinya perubahan fase ( seperti condenser, vaporizer ) disarankan untuk menempatkan posisi baffle secara vertikal. 12. Kecepatan tinggi , sama seperti pada tube, pengunaan kecepatan tinggi pada shell akan dapat mengurangi pembentukan fouling , dan dapat menaikkan koefisien perpindahan panas shell. Kecepatan pada shell umumnya ( disamping faktor lain sepe rti tube pitch dan lain – lain ) dipengaruhi oleh diameter shell dan baffle spacing. 13. Gunakan tube pitch yang lebih besar untuk fouling yang lebih sangat tinggi . Umumnya tube pith yang digunakan adalah sebesar 1.25 kali dari OD untuk triangular pitch dan 6 mm lebih dari OD untuk square. Dengan mendesain Heat Exchanger sesuai dengan spesifikasi yang telah dditentukan maka intensitas tejadinya fouling pada Heat Exchanger akan berkurang.

Daftar Pustaka : 1. C.A. Bennet, R.Stanley Kistler, Thomas G. Lestina dan D.C. King, Improving Heat Exchanger Design, 2007, Chemical Engieering Progress 2. J. Nesta dan C.A Bennet, Reduce Fouling in Shell & Tube Heat Exchanger , 2004, Hydrocarbon Processing 3. R.Mukherjee, Conquer Heat Exchanger Fouling , 1996, Hydrocarbon Processing 4. T.R. Bott, Fouling of Heat Exchanger , 1995, Elsevier

4

Alat Penukar Kalor

5

[Year]

Alat Penukar Kalor

[Year]

BAB I PENDAHULUAN

Dalam kehidupan sehari-hari perpindahan energi mendapat penerapan yang luas sekali, dalam berbagi bidang dan pada berbagai tingkat kerumitan. Hampir tidak ada alat, baik dalam pabrik maupun di rumah tangga, yang tidak bersangkutan dengan perpindahan en ergi. Energi dikenal dalam berbagai bentuk, beberapa diantaranya yang dijumpai dalam bidang teknik kimia ialah : 

Energi dalam



Energi kinetic



Energi potensial



Energi mekanis



Panas

Dalam bidang teknik kimia didapati banyak masalah perpindahan panas. Pengetahuan tentang mekanisme perpindahan panas mutlak diperlukan unuk dapat memahami peristiwa peristiwa yang berlangsung dalam : pemanasan, pendinginan, pendidihan, pengeringan, distilasi, evaporasi, kondensasi dan lainlainnya. Ada tiga cara perpindahan panas, yang mekanismenya sama sekali berlainan, yaitu : 

Konduksi (secara molekuler)



Konveksi (secara aliran)



Radiasi (secara gelombamng elektromagnetik)

Konduksi Dalam konduksi, panas dapat dikonduksi melalui solids, liquids, dan gases. Panas dikonduksi oleh perpindahan panas energi gerak molekul-molekul yang berdekatan. Dalam gas 6

Alat Penukar Kalor

[Year]

“hotter” molucelus, yang sama memiliki energi kinetic yang lebih besar memberi energinya ke molekul terdekat yang berada pada level terendah. Contoh : perpindahan panas melalui dinding heat exchangers atau sebuah refrigerator dan perlakuan panas pada steel forgings.

Konveksi Konveksi merupakan suatu fenomena makroskopik, ia hanya berlangsung bila ada gaya yang bekerja pada partikel atau ada arus fluida yang dapat membuat gerakan melawan gaya gesekan. Contoh : perpindahan entalpi oleh pusaran-pusaran(eddy) aliran turbulen dan oleh arus udara panas yang mengalir melintas dan menjauhi radiator (pemanas) biasa.

Radiasi Radiasi adalah istilah yang digunakan untuk perpindahan energi melalui ruang oleh gelombang-gelombang elektromagnetik. Jika radiasi berlangsung melalui ruang kosong, ia tidak ditransformasikan menjadi kalor atau bentuk-bentuk lain enrgi, dan ia tidak akan pula terbelok dari lintasannya. Contoh : permukaan buram, mengkilap atau cermin memantulkan sebagian radiasi yang jatuh padanya.

Perpindahan panas akan terjadi apabila ada perbedaan temperatur antara 2 bagian benda. Panas akan berpindah dari temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Alat-alat penukar panas tersebut antara lain: double pipe, shell and tube, plate-frame, spiral, dan lamella.

Double pipe heat exchanger dapat disusun dengan tiga cara, yaitu : 1. Susunan seri 2. Susunan pararel 3. Susunan seri-pararel 7

Alat Penukar Kalor

[Year]

BAB II TINAJAUAN PUSTAKA

Perpindahan panas adalah salah satu faktor yang sangat menentukan operasional suatu pabrik Kimia. Penyelesaian soal-soal perpindahan kalor secara kuantitatif biasanya didasarkan pada neraca energi dan perkiraan laju perpindahan kalor. Perpindahan panas akan terjadi apabila ada perbedaan temperatur antara 2 bagian benda. Panas akan berpindah dari temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Panas dapat berpindah dengan 3 cara, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Pada peristiwa konduksi, panas akan berpindah tanpa diiukti aliran medium perpindahan panas. Panas akaan berpindah secara estafet dari satu partikel ke partikel yang lainnya dalam medium tersebut. Pada peristiwa konveksi, perpindahan panas terjadi karena terbawa aliran fluida. Secara termodinamika, konveksi dinyatakan sebagai aliran entalpi, bukan aliran panas. Pada peristiwa radiasi, energi berpindah melalui gelombang elektromagnetik. Ada beberapa alat penukar panas yang umum digunakan pada industri. Alat-alat penukar panas tersebut antara lain: double pipe, shell and tube, plate-frame, spiral, dan lamella.Penukar panas jenis plate and frame mulai dikembangkan pada akhir tahun 1950- N. Banyak penelitian yang telah dilakukan pada penukar panas jenis ini, namun umumnya fluida operasi yang digunakan adalah air.

Pengoperasian suatu pabrik tidak lepas dari proses perpindahan panas yang terjadi antara dua fluida yang berbeda temperaturnya. Alat yang digunakan adalah penukar panas (heat exchanger ). Penukar panas adalah peralatan proses yang digunakan untuk memindahkan panas 8

Alat Penukar Kalor

[Year]

dari dua fluida yang berbeda dimana perpindahan panasnya dapat terjadi secara langsusng (kedua fluida mengalami pengontakan) ataupun secara tidak langsung (dibatasi oleh suatu dinidng pemisah/ sekat). Fluida yang mengalami pertukaran panas dapat berupa fasa cair-cair, cair-gas, dan gas-gas. Dalam melakukan perancangan penukar panas harus diperhitungkan factor perpindahan panas pada fluida dan kebutuhan daya pompa mekanis untuk mengatasi gaya gesek dan menggerakkan fluida. Penukar panas untuk fluida kerja yang memiliki rapat massa besar (fluida cair), energi yang hilang akibat gesekan reletif lebih kecil daripada energi yang dibutuhkan sehingga pengaruh yang merugikan ini jarang diperhitungkan. Sedangkan untuk fluida yang rapat massanya rendah seperti gas, penambahan energy mekanik dapat lebih besar dari laju panas yang dipertukarkan. Pada sistem pembangkit daya termal, energi mekanik dapat mencapai 4 sampai 10 kali energi panas yang dibutuhkan.

Ada tiga tipe penukar panas yang sering digunakan, yakni plate and frame/ gaskette plate (umumnya disebut plate exchanger ), spiral plate, dan lamella. Kesamaan dari ketiga konfigurasi ini adalah permukaan pemindahan panas sama-sama terdiri dari paralel lempeng logam yang dipisahkan permukaan kontak dan panas yang diterima mengubah aliran fluida pada saluran tipis.

Penukar panas jenis plate adalah penukar panas yang dapat memindahkan panas lebih baik dari 2 konfigurasi lainnya. Kelebihan lain penukar panas jenis plate ini adalah: 1. fleksibel dalam penyusunan arah alir fluida 2. memiliki laju perpindahan panas yang tinggi 3. mudah dalam pengecekan/ inspeksi dan perawatan.

Proses pertukaran panas di industri digunakan untuk pemenuhan kebutuhan unit proses dan untuk konservasi energi. Penukar panas yang baik adalah yang memiliki laju perpindahan 9

Alat Penukar Kalor

[Year]

panas seoptimal mungkin. Ketidakoptimalan laju perpindahan panas ditentukan nilai koefisien perpindahan

panas

keseluruhan (U). Hasil-hasil penelitian

yang telah dipublikasikan

menunjukkan bahwa perubahan fluks massa udara dapat meningkatkan nilai U untuk setiap laju alir massa flue gas konstan pada alat penukar panas jenis plat. Marriot (1971) membatasi rentang bilangan Reynolds yang efektif untuk fluida operasi gas-gas adalah 10-400. Pada bilangan Reynolds yang terlalu tinggi, laju alir fluida juga akan tinggi, yang akan menyebabkan perpindahan panas tidak efektif.

II.1. Neraca Massa dan Energi pada Sistem Alat Perpindahan Panas

Karakteristik alat perpindahan panas ditentukan oleh beberapa faktor, antara lain: 1. jenis fluida yang akan dipertukarkan panasnya 2. laju alir fluida 3. tipe aliran yang dipakai (co-current atau counter-current ) 4. letak fluida panas dan dingin, di dalam atau di luar alat penukar panas tersebut.

Dalam neraca entalpi pendingin dan pemanas didasarkan pada asumsi bahwa dalam penukar kalor tidak terjadi kerja poros, sedang energi mekanik, energi potensial, dan nergi kinetik semuanya kecil dibandingkan dengan suku-suku lain dalam persamaan neraca energi. Maka, untuk satu arus dalam penukar kalor Q= m (Hb-Ha) ….................(1) Dimana, m = laju aliran massa dalam arus tersebut

Q=

10

q t

= laju perpindahan kalor ke dalam arus

Alat Penukar Kalor

[Year]

Ha dan Hb = entalpi per satuan massa arus pada waktu masuk dan pada waktu keluar.

Penggunaan laju perpindahan kalor dapat lebih disederhanakan dengan asumsi salah satu dari fluida dapat mengambil kalor dan melepaskan kalor ke udara sekitar jika fluida itu lebih dingin dari udara. Perpindahan kalor dari atau ke udara sekiktar dibuat sekecil mungkin dengan isolasi yang baik sehingga kehilangan kalor tersebut diabaikan terhadap perpindahan kalor yang melalui dinding tabung yang memisahkan udara panas dan udara dingin. Dengan asumsi tersebut, perpindahan kalor pada fluida panas adalah: mh (Hhb – Hha) = qh

sedangakan untuk fluida dingin adalah : mc (Hcb – Hca) = qc

Tanda qc positif sedangkan tanda qh negatif karena fluida panas menerima kalor sedangkan fluida dingin melepas kalor. Dengan asumsi tidak ada kalor yang terbuang ke lingkungan, maka qc = -qh Maka persamaan neraca entalpi keseluruhan adalah mh Cph (Thb – Tha) = mc Cpb.(Tcb – Tca) = qc

Perhitungan perpindahan klalor didasarkan atas luas penukaran pemanasan yang dinyatakan dalam laju panas per luas permukaan atas dasar luas bidang tempat berlangsungnya aliran panas. Laju perpindahan kalor per satuan luas disebut fluks kalor. Bila fluida dipanaskan atau didinginkan, suhu fluida di dalam pemanas ataupun pendingin akan berbeda-beda. Jika

11

Alat Penukar Kalor

[Year]

fluida itu sedang mengalami pemanasan, suhu minimum terdapat pada dinding pemanas, dan meningkat berangsur sampai ke pusat. Suhu rata-rata dalah suhu yang dicapai bila keseluruhan fluida yang mengalir melalui penampang dikeluarkan dan dicampurkan secara adiabatik sehingga didapatkan satu suhu yang seragam.

Fluks panas terjadi dengan driving force perbedaan suhu yaitu Th-Tc (∆T). Th adalah suhu rata-rata fluida panas dan Tc adalah suhu rata-rata fluida dingin. Perbedaan suhu tersebut disebut Overall Local Temperature Difference. Dalam suatu alat penukar panas ∆T tersebut berubah dari suatu titik ke titik lain sehingga fluks juga berubah. Fluks lokal adalah dq/dA sebanding dengan nilai ∆T pada tiap titik menurut persamaan dq da

= U.∆T ………….……...(2)

U adalah koefisien perpindahan panas keseluruhan (overall ).

Untuk menyelesaikan integrasi tersebut harus diasumsikan beberapa pengandaian untuk penyederhanaan antara lain : 1. Koefisien U bernilai konstan 2. Kalor spesifik fluida panas dan fluida dingin konstan 3. Pertukaran kalor dengan lingkungan diabaikan 4. Aliran tunak dapat searah maupuin berlawanan arah

Supaya asumsi-asumsi ini dapat berlaku benar maka nilai ∆T harus kecil karena sebetulnya parameter- parameter tersebut merupakan fungsi suhu. Perhitungan ∆T ini dihitung secara LMTD.

12

Alat Penukar Kalor

[Year]

II.2. Alat pertukaran kalor

Pada proses-proses industry,perpindahan energy dilaksanakan dengan berbagai ragam cara, termasuk diantaranya dengan konduksi di dalam pemanas tahanan listrik, konduksikonveksi di dalam penukar kalor (heat exchanger) , ketel didih (boiler) dan condenser (condesor) , radiasi di dalam tungku (furnance) dan pengering kalor radiasi (radiant – heat dryer) dan dengan berbagai metode khusus seperti pemanasan dielektrik. Sering kali peralatan itu berkerja dalam kondisi keadaan stedi (steady state) tetapi dalam banyak hal proses pula ada pula operasinya siklus seperti misalnya dalam tungku regenerasi dan dalam benjan a – proses pengaduk.

Pada bagian akan membahas akan membahas berbagai jenis peralatan yang penting penting, terutama bagi insiyur yang bergerak di bidang proses : penukar kalor berbentuk tabung (tubular exchanger) dan berbagai berbentuk plat (plate exchanger) , kondensor, ketel didih dan kalandria (calandria) peranti-peranti perpindahan kalor mekanik dan reactor kimia berbentuk tabung. Evaporator (peralatan penguapan) mekanik dan reactor kimia berbentuk tabung. Evaporator (peralatan penguapan)

Alat penukar panas pipa dan alat penukar panas shell and tube merupakan alat penukar panas yang paling luas penggunaanya. Hal ini disebabkan oleh lebarnya rentang suhu dan tekanan media pemanas yang pada hakekatnya dibatasi oleh ketahanan bahan dasar alat. Selain itu alat penukar panas ini dapat disesuaikan untuk keperluan pengoperasian yang khusus (seperti kemungkinan pembersihan yang mudah dilakukan, pembongkaran) yaitu dengan mengubah konstruksi secara sederhana.

Biaya pembuatannya relative rendah dibandingkan dengan jenis kontruksi lainnya. Suatu hal yang tidak disukai pada pertukaran panas pada melalui pip[a dalam industi kimia adalah seringnya terjadinya kebocoran pada saat digunakan media yang sangta panas atau yang sangat dingin.kebocoran terjadi pada pipa yang tidak atau hanya diberi sedikit bahahn isolasi. Tetapi dalam hal itui perpindahan panas yang terjadi kecil ,karena udara sekeliling tidak banyak 13

Alat Penukar Kalor

[Year]

bergerak dan udara merupakan penghantar panas yang bruk. Meskipu demikian alat penukar panas yang prinsip kerjanya serupa tetap dibuat.

II.3. Rancangan umum peralatan pertukaran kalor

Perancangan dan pengujian peralatan praktis untuk pertukaran kalor didasarkan atas prinsip-prinsip yang diberikan materi kulaih perpindahan panas. Pertama, harus dibuat dulu neraca bahan dan neraca energy. Dari hasil neraca itu, dihitung selanjutnya adalah koefisien perpindahan kalor secara menyeluruh, beda suhu rata-rata, dan dalam peralatan siklus (daur) ,waktu siklusnya. Dalam peranti-peranti sederhana ,besaran-besaran ini dapat dievaluasi dengan mudah dengan ketelitian yang cukup tinggi, tetapi dalam peralatan yang rumit evaluasi ini mungkin tidak mudah dan cukup tinggi, tetapi dalam peralatan yang rumit evaluasi ini mungkin tidak mudah dan mengandung berbagai ketakpastian. Rancangan akhir hampir selalu merupakan kompromi yang didasarkan atas pertimbangan keteknikan guna memberikan unjuk kerja menyeluruh yang terbaik dari berbagai segi persyaratan tugas kerjanya.

Kadang-kadang rancangan itu ditentukan oleh berbagai pertimbangan yang hampir tidak ada hubungannya sama sekali demgam perpindahan kalor seperti umpamanya ruang yang tersedia untuk menempatkan peralatan itu atau penurunan tekanan yang dapat diperbolehkan dalam arus fluida. Penukar kalor jenis tabung pada umumnya dirancang sesuai dengan berbagai standard dan kode seperti standards of the turbulen exchanger , manufacturing association (TEMA) standar asosiasi pembuat penukar kalor jenis tabung dan ASME – API ( unfired Pressure Vessel Code) kode benjana tanpa api dari ASME-API 14

Alat Penukar Kalor

[Year]

PENUKAR KALOR Penukar kalor merupakan peralatan yang sangat penting dan banyak digunakan dalam industry pengolahan sedemikian rupa sehingga rancangannya pun sudah sangat berkembang. Standar- standar yang telah disusun dan diterima oleh TEMA sudah ada dan meliputi perincian mengenai bahan kontruksi ,metode kontruksi, teknik perancangan dan dimensi-dimensi dari penukar kalor. Bagian berikut ini akan menguraikan beberapa jenis penukar kalor yang penting penting saja dan membahas prinsip-prinsip yang berkenan dengan segi keteknikan, perancanagn dan operasinya.

Penukar kalor lintas tunggal Penukar kalor pipa-rangkap (double pipe exchanger) yang sederhana ternyata tidak memadai untuk laju aliran yang lebih besar dari yang dapat ditangani dengan beberapa buah tabung saja. Jika kita menggunakan banyak penukar kalor pipa rangkap secara parallel, bobot logam yang digunakan sebgaia pipa luar akan menjadi sedemikian tinggi sehingga penggunaan konstruksi selongsong dan tabung (shell-tube) dimana satu selongsong melayani sejumlah tabung sekaligus akan menjadi lebih ekonomis. Penukar kalor ini , karena hanya melakukan satu lintas disebelah selongsong dan satu lintas pula di dalam tabung disebut penukar kalor.

Dalam penukar kalor ini koefisien perpindahan kalor sisi selongsong ( sebelah ke selongsong) dan koefiosien sisi tabung sama-sama penting dan keduanya harus cukup besar agar koefisien menyeluruh yang memuaskan dapat tercapai. Kecepatan dan kertubelanan zat cair sisi selongsong juga tidak kalah pentingnya dari kecepatan dan kertubelenan zat cair sisi tabung. Untuk meningkatakan aliran silang dan menaikkan kecepatan rata-rata fluida sisi selongsong maka pada selongsong itu dipasang sekat--sekat. Dalam kontruksinya sekat-sekat terbuat dari lembaran logan berbentuk piring bundar yang satu sisnya dipotong. Dalam praktek biasanya segmen itu dipotong pada tinggi seperempat diameter selongsong. Sekat-sekat demikian disebut 15

Alat Penukar Kalor

[Year]

sekat 25 persen (25 persen baffles) . Sekat itu lalu diberi lubang-lubang untuk melakukan tabung-tabung. Agar kebocoran dapat dibuat minimum ruang bebas pemasangan antara sekat dan selongsong dan tabung harus dibaut sekecil mungkin. Sekat itu ditunjang oleh sebuh atau beberapa buah batangan pemandu C yang dipasangkan diantara kedua plat tabung (tube sheet) dan dengan sekrup pengencang. Agar sekat-sekat itu terpasang erat ditempatnya pada batangan itu dipasang pula potongan-potongan tabung pendek sebagai penjaga jarak anatara sekat-sekat. Dalam merakit penukar kalor itu plat tabung harus dipasang terlebih dahulu lalu berturut-turut batangan penunjang, penjarak (tabung penjaga jarak) dan sekat dan barulah tabu ng-tabungnya. Peti gasket (stuffing Box) gunanya adalah untuk menampung kemungkinan ekspansi tabung itu. Tetapi kontruksi ini hanya praktis untuk selongsong kecil. Alat penukar panas pipa ganda terdiri atas dua pipa konsentris yang ujungnya-ujungnya dilas menjadi satu atau dihubungkan dengan kontak-kontak penyekat (stuffing box). Tidak seperti pada kontruksi pipa lurus yang pada panjangnya-panjangnya tertentu harus dipasangi elemen kompensasi pemuaian , pada kontruksi yang berbentuk kumparanhal itu sudah ada dengan sedirinya.

Alat penukar panas pipa ganda seringkali digunakan sebagai saluran penghubung antar alat yaitu bila cairan panas tidak boleh terdinginkan pada waktu transportasi. Alat pertuakaran panas jenis ini digunakan sebagai alat pemanas atau pendingin yang sesunguhnya bila diinginkan laju alir yang kecil dan trekanan yang tinggi.

II.4 Counterlow – double pipe heat exchangers

Definisi Peralatan transfer panas dapat didefinisikan tergantung pada keseluruhan fungsinya dalam suatu proses. Peralatan transfer panas :

16

Alat Penukar Kalor

[Year]

a) Exchangers Mengubah panas antara 2 aliran proses. Menggunakan steam dan cooling water. Steam dan cooling water adalah utilitas yang tidak dapat disamakan fungsinya dalam aliran produk yang dapat direcoery. b) Heaters Paling utama digunakan untuk proses memanaskan fluida dan steam, selalu digunakan sebagai bahan pemanas dalam proses ini, meskipun bahan bakar minyak dapat digunakan untuk tujuan yang sama.

c) Coolers Digunakan untuk proses pendinginan fluida. Media pendingin yang sering digunakan adalah air d) Condenser Adalah coolers yang tujuan utamanya adalah memindahkan panas latent disamping panas sensible. e) Reboiler Tujuan dari reboiler adalah untuk mensupply panas dalam proses distilasi sebagai panas latent. f) Evaporator Digunakan untuk konsentarsi larutan dengan eaporasi air. g) Vaporizer Jika fluida yang lain divaporasi disamping air, maka kita menggunakan vaporizer.

Gambar Double Pipe Exchanger

17

Alat Penukar Kalor

[Year]

Bagian-bagian paling penting dari 2 sets pipa konsentris, 2 tees yang dihubungkan, sebuah return head, sebuah bend. Inner pipa dihubungkan dengan outer pipa dengan packing glands dan fluida masuk ke inner pipa melalui threaded connection yang letaknya diluar bagian section exchanger.

Tees (fitting) memiliki nozzles atau penghubung baut yang mengatur masuk dan keluar dari annulus fluid dimana aliran berlawanan dari sisi satu ke sisi yang lain melalui return head. Inner pipa yang panjang diubungkan dengan return bend yang selalu di expose dan tidak menyediakan permukaan perpindahan panas yang efektif.

Double pipe exchanger sangat berguna karena dapat dipasang dengan berbagai fitting piapa dari bagian standard dan menyediakan dalam permukaan transfer panas yang mahal. Ukuran standard dari Tees dan return head dapat dilihat dari tabel dibawah ini.

18

Outer Pipe, IPS

Inner pipa, IPS

2

1,75

2,5

1,75

3

2

Alat Penukar Kalor 4

[Year]

3

Double pipe exchanger selalu dipasang dalam 12ft, 15ft atau 20ft panjang efektif. Panjang efektif menjadi jarak setiap lengan dimana heat transfer terjadi dan memasuki inner pipa yang menjulang dari inner pipe ke bagian exchanger.

Kerugian yang sangat prinsip terjadi didalam penggunaan double pipe exchangers terdapat sejumlah kecil transfer panas pada permukaan yang dilapisi single hairpin. Ketika peralatan destilasi digunakan pada proses industri banyak tipe yang dibutuhkan.

Jumlah panas yang dibutuhkan permukaan dan seiap double pipe exchangers mengatakan bahwa tidak lebih dari 14 ponts kekeurangna yang tidak boleh terjadi.

II.5 Koefisien Film Untuk Fluida Dalam Pipa Dan Tube

Persamaan (3.42) ditemukan untuk beberapa panas minyak didalam pipa berdasarkan data Morris dan Whitman. Sieder dan Tate membuat sebuhan hubungan antara koefisien pemanasan dan pendinginan, pada prinsipnya fraksi minyak didalam orizontal dan ertikal tubes dan termasuk ke dalam persamaaan aliran dimana DG/  < 2100

1

 DG  c  D  3      1.86       k k L         w 

hi D

0.14

1

   4wc  3    1.86     kL    w 

0.14

……….. (3)

Dimana : L : panjang total perpindahan panas sebelum pencampuran terjadi 19

Alat Penukar Kalor

[Year]

Persamaan (1) meberikan definisi maksimum dengan rata-rata  12% dari Re = 100 ke Re = 2100 kecuali untuk air. Sekitar range transisi data mungkin terjadi aliran turbulen

1

0.8

 DG   c  3      0.027       k k      w 

hi D

(1’) didapat D’e =

4  D22  D12  4  D2  D1 

0.14

  D2  D1  . ....................... .....(.4)

(2’)Hitung frictional Reynolds number, Re’a = D’eGa/μ. 2

2

(3’) ∆Fa = 4fG L/2gρ D’e, ft. (4’) pintu masuk dan keluar, one velocity head per hairpin:

∆Fl =

V 2 2 g '

ft / hairpin

(∆Fa + ∆Fl)ρ/144 = ∆Pa, psi.

2

(5’) mass velocity, Ga = w/aa, lb/(hr)ft ) 2

(6’) Didapat μ pada Tc atau tc, lb/(hr)ft) = centipoises x 2,42. Dari Dc ft, Ga lb/(hr)ft ), μ lb/(hr)(ft) didapat Reynolds number,

Re a 

De.Ga 

-1/3

(7’) Dari gambar dimana jH = (hoDe/k)(c μ/k)

20

-0,14

(μ/ μw)

vs DeGa/ μ, didapat jH

Alat Penukar Kalor

[Year]

1/3

(8’) Dari c, μ, dan k, semua didapat pada Tc atau tc untuk menghitung (c μ/k) 1/3

(9’) Untuk mendapatkan ho, kalikan jH dengan (k/De) (c μ/k) ( = 10) atau hoDe  c 

  k  k 

1

3

  w

 0,14

1

k  c  3 2   x1,0  hoBtu / hr  ft De  k 

  F  o

Overall coefficient: 2

o

(10’) Hitung Uc = hioho/( hi+ho), Btu/(hr)(ft )( F). (11’) hitung UD dari 1/UD = 1/Uc + Rd (12’) hitung A dari Q = UD A ∆t yang bisa diartikan panjang.

Perhitungan ∆P. Harus diketahui total panjang dari alur untuk keperluan perhitungan heat-transfer

Bagian dalam pipa: (1) untuk Re p pada nomor (6) diatas didapat f dari persamaan (3.46) atau (3.47b) 2

2

(2) ∆F p = 4FG L/2gρ D,ft ......................(5) ∆F pρ/144 = ∆P p, psi.

Double Pipe Exchanger dalam rangkaian Seri-Parallel

21

Alat Penukar Kalor

[Year]

II.6 Faktor Fouling

Overall koefisien perpidahan panas dapat dihitung dari persamaan Fourier dengan diketahuinya luas permukaan A, Q, dan Δt yang ada pada komdisi prosesnya. Maka U =

Q A.t

.

Jika luas permukaan A tidak diketahui, maka U dapat diperoleh tanpa menggunakan persamaan Fourier dari dua koefisien film. Pengabaian tahanan pipe-wall : 1

U

22

= R io + R o =

1

hio

+

1

ho

…………(6)

Alat Penukar Kalor

U=

hio .ho hio



ho

[Year]

……………….………….(7)

Ketika perpindahan panas berjalan terhadap fungsi waktu, pengotor dan scale deposit pada bagian dalam pipa, penambahan resistance dua atau lebih tahanan dimasukkan dalam perhitungan U pada persamaan (6).

Penambahan resistance akan mengurangi harga orginal U, dan dikehendaki besarnya panas tidak lebih besar dari yang ditansfer oleh luas permukaan A. T2 mengalami kenaikan dan t2akan turun pada temperature outlet, meskipun hi dan hokonstan. Untuk mengatasi hal ini, biasanya peralatan didesain untuk mengantisipasi deposisi dari pengotor dan scale oleh penempatan resistansi R dyang disebut pengotor (dirt), scale, atau factor fouling, atau resistance.

R di menjadi factor pengotor untuk annulus pada diameter inside dan R do menjadi factor annulus pada diameter outside dari bagian dalam pipa.

Harga U diperoleh dari persamaan (7) hanya

1

hio

dan

1

ho

dapat dipertimbangkan dengan

"clean overall coefficient" yang ditunjukkan oleh UC yang memperlihatkan bahwa factor pengotor belum dihitung. Koefisien yang meliputi tahanan factor pengotor disebut desain atau dirty overall coefficient UD. harga A yang megkorespondensi untuk UD lebih sering digunakan dari pada UC. Hubungan antara UC dan UD adalah sebagai berikut : 1

U D

23

=

1

U C

+ R di + R do

Alat Penukar Kalor

[Year]

Atau dapat disetting : R di + R do = R d 1

=

U D

1

…………………(8)

+ R d

U C

………………(9)

Dengan demikian, untuk double pipe Heat Exchanger, nilai hi dan ho dapat diperkirakan sekitar 300 dan 100, maka : 1

U C Atau UC =

=

1

hio

1

1

+

ho

= 0,0033 + 0,01 = 0,0133

2

0,0133

o

= 7,50 Btu/(hr)(ft )( F)

2

o

R di = 0,001 (hr)(ft )( F)/Btu R do = 0,0015 R d = R di + R do = 0,0025

Sehingga : 1

U D

=

1

U C

+ R d =

1 75,0

2

o

+ 0,0025 = 0,0158 (hr)(ft )( F)/Btu

Atau 1

U D

=

1 0,158

2

o

= 63,3 Btu/(hr)(ft )( F)

Persamaan Fourier untuk luas permukaan A pada pengotor (dirt) adalah : Q = UD . A . Δt 24

…..................(10)

Alat Penukar Kalor

[Year]

II.7 Tekanan Jatuh Pada Suatu Pipa Dan Pipa Beranulus

Tekanan jatuh pada pipa di dalam exchanger memudahkan kita untuk mengendalikan suatu fluida melalui exchanger. Pompa dapat kita gunakan di dalam proses fluida untuk mencukupkan kapasitas yang diinginkan karena adanya kapasitas yang hilang diakibatkan oleh gaya gesekan yang terjadi disebabkan oleh pemipaan, sambungan pipa, control regulator dan tekanan jatuh di dalam exchanger itu sendiri Tekanan jatuh pada suatu pipa dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Fanning. Untuk tekanan jatuh pada fluida yang mengalir pada suatu annulus, dengan menggantikan nilai D pada bilangan Reynolds dengan Dc untuk mendapatkan nilai f. Persamaan Fanning yang baru adalah :

 F 

4 fG2 L 2 g  2 D 'c

II.8. Perhitungan Pada Double Pipe Heat Exchanger

Persamaaan – persamaan yang telah ada sebelumnya dapat kita kombinasikan menjadi perhitungan double pipe heat exchanger. Perhitungan sederhana dari jenis exchanger ini adalah menghitung ho dan hio untuk mendapatkan Uc. Nilai Uc dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Fourier Q

 U p A t

Biasanya permasalahan pertama adalah menentukan dimana fluida harus diletakkan didalam annulus atau di dalam pipa dalam. Hal ini akan memepercepat dengan menentukan ukuran yang sesuai dan laju daerah untuk kedua aliran. Untuk tekanan jatuh yang bernilai sama pada aliran yang panas dan yang dingin untuk menentukannya haruslah bernilai yang paling dekat dengan kecepatan massa dan tekanan jatuh. Berikut ini adalah table untuk perkiraan standard dari diameter double pipe dan daerah laju yang dapat dilewatinya.

25

Alat Penukar Kalor Flow area, in

Exchanger, IPS

2

Annulus, in

Annulus

Inner Pipe

d c

d c

2 x 1 /4

1.19

1.50

0.915

0.40

2

2.63

1.50

2.02

0.81

3x2

2.93

3.35

1.57

0.69

4x3

3.14

7.38

1.14

0.53

x 1 /4

[Year]

Bagaimanapun perhitungan pressure drop sebesar 15 atau 20 psi dan malebihi kapasitas head. Bagaimana kemudian beban panas dapat ditransfer dengan tekanan yang tersedia di head ? Satu kemungkinan yaitu menggunakan by-pass jadi hanya ¾ atau 2/3 dari fluida saja yang mengalir melalui exchanger dan reminder melalui by-pass. Ini bukanlah solusi yang ideal, sejak aliran menurun menyebabkan beberapa kerugian dalam desain. (1) Aliran menurun mengalir melalui exchanger menurunkan mass velocity Ga dan koefisien ho . Sejak kedua koefisien tersebut hampir sama, 323 Vs 276, penurunan ukuran manapun dalam Ga menurunkan Uc 0,8

dengan hampir Ga

. (2) Jika sedikit liquid berputar melalui annulus, maka harus didinginkan o

terlebih dahulu, melebihi range yang lebih panjang daripada 160 menjadi 100 F sehingga, pada o

pencampuran dengan liquid by-pass, hasil proses memiliki temperatur 100 F. sebagai contoh, bagian yang berputar malalui annulus mungkin harus didinginkan melebihi range dari 160 o

o

sampai 85 F tergantung pada persen by-pass. Temperatur outlet 85 F mendekati bagian dalam o

o

pipa masuk, 80 F sebenarnya, dan perbedaan suhu yang baru pada ∆t1, yaitu 5 F menurunkan LMTD. Dua efek, penurunan Uc dan LMTD, meningkatkan angka hairpins secara signifikan meskipun beban panas konstan. Membalikkan lokasi dengan menempatkan benzen dalam annulus tidak memberikan solusi untuk kasus ini, sejak aliran benzen lebih besar dari aliran toluen. Kemungkinan dari membalikkan lokasi aliran harus selalu diuji terlebih dahulu.

26

Alat Penukar Kalor

[Year]

Satu solusi masih mungkin, bagaimanapun, meskipun semua solusi di atas gagal. Andaikan bahwa alirannya terlalu besar untuk diakumulasi dalam beberapa exchanger dalam series dibagi dalam setengah bagian dan tiap bagian melewati tepi satu exschanger melalui bagian dalam pipa. Membagi aliran menjadi dua bagian sementara menjaga area aliran konstan 2

menghasilkan sekitar 1-8 dari seri pressure drop, sejak G dan L menjadi dua dan produk G L menjadi 1-8. Sementara koefisien film akan menurun juga, perbedaan temperatur yang tidak diinginkan dari by-passing dapat dihindari, dimana disana terdapat subtansi yang tidak seimbang antara aliran berat dari dua aliran karena satu beroperasi melebihi range panjang dan yang satunya melebihi range yang sangat pendek. Aliran besar setiap aliran pararel dapat juga mengalir melalui beberapa exchanger dalam seri di dalam setiap bank pararel. Bentuk “pararel stream” seharusnya tidak di rancukan dengan “parael flow”. Bentuk tersebut tertuju pada pembagian aliran dari satu fluida, sementara yang lainnya tertuju pada arah aliran antara 2 fluida.

Perbedaan Temperatur Sesungguhnya Untuk Susunan Sri-Pararel LMTD telah menghitung dari T1, T2, t1, dan t2 untuk susunan seri tidak akan sama untuk susunan seri-pararel. Setengah pipa fluida memasuki bagian atas exchanger II, dimana fluida annulus panas, dan setengah lainnya masuk melalui bagian bawah heat exchanger I dimana fluida annulus telah didinginkan sebagian. Sementara exchanger di dalam seri tidak mentransfer sejumlah panas yang sama, hubungan seri-pararel meskipun merugikan, bagian bawah exchanger menghitung hanya sedikit panas yang di transfer. Jika perbedaan suhu sebenarnya disebut ∆t, tida akan sama dengan LMTD untuk kondisi proses meskipun kedua exchanger beroperasi secara counterflow.

27

Alat Penukar Kalor

[Year]

Dengan menganggap kedua exchanger di desain secara I dan II. Suhu intermediet I, dan produk dan aliran pararel didesain secara t2”; dan t1’. Dan temperatur campuran yaitu t2

Untuk exchanger I, memilkiki setengah dari permukaan

Q1 = WC (T – T2) =

UA 2

x LMTD1

Dan (T  t ' )  (T 2  t 1)

LMTD1 =

ln(T  t '2) /(T 2  t 1)

Sehingga menjadi :

UA 2WC

=

(T  T 2) (T  t '2)  (T 2  t 1)

ln

T  t '2 T 2  t 1

Susun ulang

UA 2WC

=

=

28

(T  T 2) (T  T 2)  (t '2  t 1)

ln

1 1  (t '2  t 1) /(T  T 2)

(T  t '2) (T 2  t 1)

ln

T  t '2 T 2  t 1

Alat Penukar Kalor

I

R =

T  T 2 

t

I 2

UA 2WC

=

 t 1



wc

=

2WC

R I

ln

R I  1

T  t I 2 T 2

 t 1

(11)

Begitu juga untuk exchanger II

QII = WC(T1 – T) =

LMTDII =

UA 2

x LMTDII

(12)

T  t   T  t  lnT  t  / T  t  II 2

1

1

1

II 2

(13)

1

Karena

II

R =

T 1

 T

t II 2

 t 1



wc 2WC

Maka,

UA



R II

2WC R II  1

29

ln

T 1  t 2II T  t 1

(14)

[Year]

Alat Penukar Kalor

[Year]

Karena c dan C diasumsikan konstan,

I

wc

II

R = R = R  =

2WC

(15)

Karena I

S =

t I 2  t 1 T  t 1

I

M =

T  T 2 T  t 1

Maka I

M = R  S

I

Begitu juga. maka :

II

S =

t II 2

 t 1

T 1

 t 1

M

II

=

T 1

 T

T 1

 t 1

R  dan S adalah perbandingan dimana terjadi pengulangan secara berulang-ulang dalam hasil dari perbedaan temperature

t

dari LMTD. S adalah perbandingan dari fluida dingin

sampai meliputi temperature maksimum, belakangan perbedaan temperature terjadi pada kedua temperature inlet, T1 dan t1 Tetapi II

M 30

= R S II

Alat Penukar Kalor

1-S

I

T  t I 2

=

T  t I 2 T 2  t 1

T  t 1





T  t 1 T  t 1



t 2I  t 1 T  t 1

1  S I 1  RS I

Dan dari persamaan (11)

UA 2WC



R  R   1

ln

1  S I 1  R S I

(16)

(17)


UA 2WC



R  R   1

ln

1  S II 1  R S II

Dengan membandingkan persamaan (16) dan (17)

1  S I 1  R S I

Oleh karena itu I

II

S = S

31



1  S II 1  R S II

[Year]

Alat Penukar Kalor I

II

M = M

Penggabungan persamaan (16) dan (17),

UA



2 R

WC R  1

ln

1  S I 1  RS I



2 R R  1

ln

T  t 2I T 2  t 1

I

(17.a)

II

Dimana T adalah variable yang tidak diketahui, dank arena M = M ,

T 1  T T 1  t 1



T  T 2 T  t 1

2

T – 2t1T + t1(T1 + T2) – T1T2 = 0

(18)

Persamaan (18) dikuadratkan, sehingga menghasilkan

T =

2t 1  4t I 2  4t 1 T 1  T 2   4T 1T 2 

= t1 

2

T 1  t 1 T 2  t 1 

(19)

Tanda minus digunakan ketika heaing medium berada dalam pipa, dan tanda plus digunakan ketika cooling medium berada dalam pipa. Substitusi untuk T pada persamaan (18), 32

[Year]

Alat Penukar Kalor UA WC



  R   1T 1  t 1   T 1  t 1 T 2  t 1    R   1  R  T 1  t 1 T 2  t 1   2 R 

ln 

 R   1  T  t  1 2 1    1 1  ln  =    R   1  R   T 2  t 1  R     2 R 

t adalah

[Year]

(20)

nilai tunggal untuk susunan jumlah seri-paralel; jadi

Q = UA

t =

Q UA

t



= WC(T1 – T2)

WC UA

(21)

T 1 T 2 

(22)

Hal ini sesuai dengan asal mula pemakaian dari definisi untuk perbedaan temperature yang sebenarnya dalam batas temperature maksimum T1 – t1 :

t   T 1  t 1 

Bandingkan persamaan (22) dan (23),

WC UA

T 1  T 2    T 1  t 1 

 

33

WC T 1  T 2  UA T 1  t 1 

(23)

Alat Penukar Kalor

[Year]

Karena M = (T1 – T2) / (T1 – t1), definisikan P  = (T2 – t1) / (T1 – t1) dan UA/WC = M/  , sehingga

P  + M = 1 atau M = 1 - P  Bandingkan dalam persamaan (21)

 R  1  1  12 1  ln       WC R  1  R  P   R    2 R

UA

(24)

Atau

1  P  

1  R   R  1  1  2 1   2  ln        R 1 R R       P   

(25)

Jika dikembangkan dalam cara yang umum hal itu dapat ditunjukkan, unuk one series hot stream dan n parallel cold stream, persamaan (25) menjadi

1  P  

Dimana

34

 R  1  1  1n 1  log   2.3     R  1 R   R  P    n R

(26.a)

Alat Penukar Kalor

R  

T 1  T 2 n t 2  t 1 

Untuk one series cold stream dan n parallel hot stream,

1  P  

1   1  n  log 1  R   R  2.3 1  R  P    

n

Dimana

P  

35

T 1

 t 2

T 1

 t 1

dan

R  

n T 1 t 2

 T 2  t 1



(26.b)

[Year]

Alat Penukar Kalor

[Year]

BAB III KESIMPULAN

1. Perpindahan panas akan terjadi apabila ada perbedaan temperatur antara 2 bagian benda. 2. Panas dapat berpindah dengan 3 cara, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. 3. Karakteristik alat perpindahan panas ditentukan oleh beberapa faktor, antara lain: a. jenis fluida yang akan dipertukarkan panasnya b. laju alir fluida c. tipe aliran yang dipakai (co-current atau counter-current ) d. letak fluida panas dan dingin, di dalam atau di luar alat penukar panas tersebut. 36

Alat Penukar Kalor

[Year]

4. Perhitungan perpindahan klalor didasarkan atas luas penukaran pemanasan yang dinyatakan dalam laju panas per luas permukaan atas dasar luas bidang tempat berlangsungnya aliran panas. 5. Double pipe exchanger sangat berguna karena dapat dipasang dengan berbagai fitting piapa dari bagian standard dan menyediakan dalam permukaan transfer panas yang mahal.

DAFTAR PUSTAKA

www. google. id. com. Double Pipe Exchanger. Kern. 1991. Heat Transfer Process. Bird. 1985. Transport Phenomena. Welty, James R.. 2000. Fundamental of Momentum, heat, and Mass Transfer fourt Edition. Jhon wiley and Sons Inc : Toronto.

37

Alat Penukar Kalor

38

[Year]

Alat Penukar Kalor

39

[Year]

Alat Penukar Kalor

[Year]

Fouling Dalam ilmu perpindahan kalor fouling adalah pembentukan lapisan deposit pada permukaan perpindahan panas dari bahan atau senyawa yang tidak diinginkan. Bahan atau senyawa itu berupa kristal, sedimen, senyawa biologi, produk reaksi kimia, ataupun korosi. Pembentukan lapisan deposit ini akan terus berkembang selama alat penukar kalor dioperasikan. Akumulasi deposit pada permukaan alat penukar kalor menimbulkan kenaikan pressure drop dan menurunkan efisiensi perpindahan panas. Untuk menghindari penurunan performance alat penukar kalor yang terus berlanjut dan terjadinya unpredictable cleaning, maka diperlukan suatu informasi yang jelas tentang tingkat pengotoran untuk menentukan jadwal pembersihan (cleaning schedule). Lapisan fouling dapat berasal dari partikel-partikel atau senyawa lainn ya yang terangkut oleh aliran fluida. Pertumbuhan lapisan tersebut dapat meningkat apabila permukaan deposit yang terbentuk mempunyai sifat adhesif yang cukup kuat. Gradien temperatur yang cukup besar antara aliran dengan permukaan dapat juga meningkatkan kecepatan pertumbuhan deposit. Pada umumnya proses pembentukan lapisan fouling merupakan phenomena yang sangat kompleks sehingga sukar sekali dianalisa secara analitik. Mekanisme pembentukann ya sangat beragam, dan metode-metode pendekatannya juga berbeda-beda

Proses Pembentukan

Berdasarkan proses terbentuknya endapan atau kotoran, faktor pengotoran dibagi 5 jenis, yaitu : 1.

Pengotoran akibat pengendapan zat padat dalam larutan (precipitation fouling).

Pengotoran ini biasanya terjadi pada fluida yang mengandung garam-garam yang terendapkan pada suhu tinggi, seperti garam kalsium sulfat, dll. 2.

Pengotoran akibat pengendapan partikel padat dalam fluida (particulate fouling).

Pengotoran ini terjadi akibat pengumpulan partikel-partikel padat yang terbawa oleh fluida di atas permukaan perpindahan panas, seperti debu, pasir, dll. 3.

Pengotoran akibat reaksi kimia (chemical reaction fouling).

Pengotoran terjadi akibat reaksi kimia di dalam fluida, di atas permukaan perpindahan panas, dimana material bahan permukaan perpindahan panas tidak ikut bereaksi, seperti adanya reaksi polimerisasi, dll. 40

Alat Penukar Kalor 4.

[Year]

Pengotoran akibat korosi (corrosion fouling).

Pengotoran terjadi akibat reaksi kimia antara fluida kerja dengan material bahan permukaan perpindahan panas. 5.

Pengotoran akibat aktifitas biologi (biological fouling).

Pengotoran ini berhubungan dengan akitifitas organisme biologi yang terdapat atau terbawa dalam aliran fluida seperti lumut, jamur, dll. Akibat pembentukan fouling tersebut, maka kemampuan alat penukar kalor akan mengalami penurunan. Dalam beberapa kasus, pembersihan lapisan fouling dilakukan secara kimia dan mekanis. Salah satu cara mekanis yang umum dilakukan adalah dengan metode on-line cleaning dengan menggunakan bola taprogge

Mekanisme Terjadinya Fouling

Pada umumnya mekanisme terjadinya fouling, pembentukan dan pertumbuhan deposit, terdiri dari : a.

Initiation, pada periode kristis dimana temperatur, konsentrasi dan gradien kecepatan, zona deplesi oksigen dan kristal terbentuk dalam waktu yang singkat. b.

Transport partikel ke permukaan



secara mekanik = imfaction



secara turbulen = difusion



Thermophoresis dan Thermophoresis dan Electrophoresis Electrophoresis c.

d.

Adhesi dan Kohesi pada permukaan.

Migration, berupa perpindahan foulant (bahan (bahan atau senyawa penyebab fouling) menuju ke permukaan, dan berbagai mekanisme perpindahan difusi. e.

f.

Attchment, Awal dari terbentuknya lapisan deposit.

Transformation or Aging, periode kristis dimana perubahan fisik ataupun struktur kimia/kristal dapat meningkatkan kekuatan dan ketahanan lapisan deposit. g.

Removal or Re-entrainment, perpindahan perpindahan lapisan fouling dengan cara pemutusan, erosi atau

spalling. Kecepatan aliran dan temperatur fluida (atau beda temperatur) dapat menjadi variabel signifikan terjadinya fouling. Peningkatan kecepatan menyebabkan transfer massa spesies fouling dapat meningkat, seiring dengan terbentuknya deposit pada permukaan perpindahan 41

Alat Penukar Kalor

[Year]

kalor. Secara terus menerus, shear force pada fluida/permukaan perpindahan kalor meningkat, melalui mekanisme removal deposit. Temperatur yang digunakan pada alat penukar kalor dapat mempengaruhi besarnya luasan fouling pada permukaan perpindahan kalor.

Kondisi Terjadinya Fouling

Kondisi yang mempengaruhi terjadinya fouling yaitu : 1. Parameter operasi

alat penukar penu kar kalor,

yaitu: velocity, surface tempareture, tempareture, dan fluids dan fluids

temperature. temperature. 2. Parameter alat penukar kalor, yaitu: Konfigurasi alat penukar kalor, permukaan material, dan struktur permukaan. 3. Fluids properties, yaitu yaitu : Suspended solid, Dissolved solid, Dissolved gases, gases, dan Trace element. element. Deposit partikel pada permukaan perpindahan kalor banyak dijumpai pada aliran gas partikel dengan temperatur tinggi. Proses terjadinya fouling foulin g ini dapat ditemukan di power plant system seperti di economizer, superheater, peralatan penukar kalor pipa air pendingin, dan beberapa proses di industri kimia. Salah satu contoh adalah fenomena fouling pada boiler. Partikel yang dikenal dengan fly ash (abu terbang) berasal dari sisa hasil pembakaran batubara di boiler. Fly boiler. Fly ash ini ash ini tersuspensi dalam aliran gas yang kemudian akan masuk ke peralatan penukar kalor. Aliran gas-fly ash ini akan membentuk lapisan deposit/fouling pada dinding luar tube. Tiga modus utama ash transport dalam pembentukan lapisan deposit yaitu: 1. Inertial and eddy impaction, modus ash transport ini dapat membentuk tipe fouling deposit jenis Upstream dan Upstream dan downstream. downstream. 2. Vapor-phase and small-particle diffusion, diffusion, modus ash transport ini dapat membentuk tipe deposit jenis Inner Layer. 3. Thermophoresis/Electrophoresis, modus ash transport transport ini dapat membentuk tipe deposit jenis Inner Layer.

42

Alat Penukar Kalor

[Year]

mekanisme terbentuknya deposite partikel pada dinding luar tube

Lapisan deposit paling tebal terdapat pada bagian depan tube (upstream) atau pada sudut 0o. Jumlah deposit partikel yang jatuh (removed) semakin besar dengan semakin besarnya sudut sampai pada sudut 90o. Untuk sudut mendekati nol, kecepatan aliran adalah minimal, sehingga daya lepas deposit partikel (detaching force) karena aerodynamic force dapat diabaikan (Anatoli D. Zimon). Untuk sudut mendekati 90o, boleh dibilang hampir semua deposit partikel jatuh, hal ini disebabkan oleh impact dari pergerakan partikel. Sebaliknya ketika aliran melalui sisi bagian atas tube, detaching force meningkat sesuai dengan kecepatan aliran, dimana pada sisi ini kecepatan aliran adalah maksimum. Setelah deposit mencapai kondisi jenuh pada waktu tertentu, sejumlah deposit pada bagian depan (upstream) terjatuh, namun tidak semua bagian dari deposit itu terjatuh. Setelah itu terbentuk lagi deposit, kemudian setelah mencapai kondisi jenuh, terjatuh lagi. Fenomena ini terus berulang-ulang, dan keadaan akhir distribusi ketebalan deposit.

Cara Mengurangi Fouling pada Heat Exchanger

Berikut ini adalah cara mengurangi terjadinya fouling terjadinya fouling pada Heat pada Heat Exchanger , , yaitu : 1. Pemil , Penggunaan beberapa tipe HE tertentu dapat Pemil ih an h eat exchanger exchanger ( H E ) yang tepat tepat mengurangi pembentukan fouling pembentukan fouling di di karenakan area dead space yang space yang lebih sedikit dibandingkan dengan tipe yang lainnya, seperti plate plate dan spiral heat exchanger , namun begitu jenis HE tersebut hanya dapat menangani design pressure sampai pressure sampai 20 – 20 – 25 25 bar dan design temperature 250 temperature 250 o

o

C ( plate ( plate ) ) dan 400 C ( spiral ( spiral ). ).

43

Alat Penukar Kalor 2.

[Year]

Gun akan di ameter tube yang lebih besar . STHE umumnya didesain dengan ukuran tube dari 20 2

mm atau 25 mm, untuk penggunaan fluida yang kotor ( fouling resistance > 0.0004 h-m C/kal ) gunakan tube dengan diameter ( minimum ) 25 mm ( outside diameter, OD ) 3.

Kecepatan ti nggi, seperti yang telah di jelaskan di atas bahwa pada kecepatan tinggi, fouling

dapat dikurangi, koefisien heat transfer juga akan semakin tinggi,

namun demikian

mengoperasikan HE dengan kecepatan tinggi mengakibatkan pressure drop yang tinggi pula serta erosi , kenaikan pressure drop lebih cepat dari pada kenaikan koefisien perpindahan panas, maka perlu dicari kecepatan yang optimum. 4. Margin pressure drop yang cukup . Pada HE yang digunakan untuk fluida yang berpotensi membentuk fouling yang tinggi, disarankan untuk menggunakan margin 30 – 40 % antara pressure drop yang diijinkan ( allowable ) dengan pressure drop yang dihitung ( calculated ) hal ini dilakukan untuk antisipasi pressure drop yang tinggi akibat penggunakan kecepatan yang tinggi. 5. Gun akan tu be bundl e dan h eat exchanger cadangan . Jika penggunaan HE untuk fluida yang berpotensi membentuk fouling yang sangat ekstrim, maka tube bundle candangan sebaiknya digunakan. Jika fouling telah terjadi cukup cepat ( setiap 2 – 3 bulan ) maka sebaiknya digunakan HE cadangan. STHE cadangan juga diperlukan untuk tipe STHE Fixed tubesheet ( pembentukan fouling yang tinggi pada tube , seperti pada reboiler thermosiphon vertikal yang menggunakan fluida polimer seperti pada Butadiene plant). 6. Gun akan 2 shell yang disusun secara paral el . dengan penggunaan STHE dimana Shell disusun secara seri, maka jika salah satu STHE telah terjadi penumpukan ( akumulasi ) fouling ( dimana STHE tersebut diservice ) maka STHE yang satunya lagi dapat digunakan, walaupun tentunya terjadi penurunan output, sebaiknya kapasitas yang digunakan masing- masing antara 60 – 70 % dari kapasitas total 7.

. Penggunaan Wire fin tube,dapat mengurangi terbentuknya fouling , Gunakan Wir e F in tube pada awalnya penambahan wire fin tube ini digunakan untuk meningkatkan perpindahan panas tube pada aliran laminar. Wire fin dapat menaikkan pencampuran radial ( radial mixing ) dari dinding tube hingga kebagian centre ( tengah ), efek gerakan pengadukan inilah yang dapat meminimalisasikan deposit pada dinding tube.

8. Gunakan F lu idized Bed H E , HE tipe ini dapat menghandle fouling yang ekstrim.Apabila Fluida kotor ditempatkan pada shell. 44

Alat Penukar Kalor

[Year]

9. Gunakan U -Tube atau F loating h ead . Kelemahanan penggunaan U tube adalah kesulitan pembersihan pada bagian U. 10.

. susunan square menyediakan Gunakan susunan tube secara Square atau Rotate Square akses yang lebih sehingga cleaning HE secara mechanical dengan menggunakan Rodding atau hydrojetting baik pada susunan triangle, namun begitu tube yang disusun secara square memberikan koefisien heat transfer yang rendah, untuk situasi seperti ini , maka rotate square dapat digunakan.

11. M emi ni malisasikan dead space dengan desain baff le secara opti mum . STHE lebih mudah mengalami Fouling dikarenakan adanya dead space, oleh sebab itu , penentuan jarak antar baffle ( baffle spacing ) dan baffle cut sangatlah penting, kedua variable tersebut sangat berpengaruh dalam pentuan besar kecilnya koefisien perpindan panas pada shell. Nilai Baffle cut sebaiknya digunakan antara 20 -30 %, dimana baffle cut sebesar 25 % adalah nilai yang cukup baik sebagai starter. Untuk perpindahan panas yang hanya melibatkan panas sensible ( seperti heater atau cooler ) disarankan tidak menempatkan posisi baffle secara vertikal, untuk perpindahan panas yang melibatkan panas laten atau terjadinya perubahan fase ( seperti condenser, vaporizer ) disarankan untuk menempatkan posisi baffle secara vertikal. 12. Kecepatan tinggi , sama seperti pada tube, pengunaan kecepatan tinggi pada shell akan dapat mengurangi pembentukan fouling , dan dapat menaikkan koefisien perpindahan panas shell. Kecepatan pada shell umumnya ( disamping faktor lain seperti tube pitch dan lain – lain ) dipengaruhi oleh diameter shell dan baffle spacing. 13. Gun akan tube pitch yang lebih besar u ntu k f oul in g yang lebih sangat tin ggi . Umumnya tube pith yang digunakan adalah sebesar 1.25 kali dari OD untuk triangular pitch dan 6 mm lebih dari OD untuk square.

45

Alat Penukar Kalor

46

[Year]

Alat Penukar Kalor

[Year]

BAB I PENDAHULUAN


Energi dalam



Energi kinetic



Energi potensial



Energi mekanis



Panas










Alat Penukar Kalor

[Year]






Alat Penukar Kalor

[Year]




Alat Penukar Kalor

[Year]





Alat Penukar Kalor

[Year]


panas







Q=

51

q t


Alat Penukar Kalor

[Year]






52

Alat Penukar Kalor

[Year]



= U.∆T ………….……...(2)




53

Alat Penukar Kalor

[Year]


Pada proses-proses industry,perpindahan energy dilaksanakan dengan berbagai ragam cara, termasuk diantaranya dengan konduksi di dalam pemanas tahanan listrik, konduksikonveksi di dalam penukar kalor (heat exchanger) , ketel didih (boiler) dan condenser (condesor) , radiasi di dalam tungku (furnance) dan pengering kalor radiasi (radiant – heat dryer) dan dengan berbagai metode khusus seperti pemanasan dielektrik. Sering kali peralatan itu berkerja dalam kondisi keadaan stedi (steady state) tetapi dalam banyak hal proses pula ada pula operasinya siklus seperti misalnya dalam tungku regenerasi dan dalam benjana – proses pengaduk.




Alat Penukar Kalor

[Year]





Alat Penukar Kalor

[Year]




Alat Penukar Kalor

[Year]





57

Alat Penukar Kalor

[Year]

h) Exchangers Mengubah panas antara 2 aliran proses. Menggunakan steam dan cooling water. Steam dan cooling water adalah utilitas yang tidak dapat disamakan fungsinya dalam aliran produk yang dapat direcoery. i) Heaters Paling utama digunakan untuk proses memanaskan fluida dan steam, selalu digunakan sebagai bahan pemanas dalam proses ini, meskipun bahan bakar minyak dapat digunakan untuk tujuan yang sama.

j) Coolers Digunakan untuk proses pendinginan fluida. Media pendingin yang sering digunakan adalah air k) Condenser Adalah coolers yang tujuan utamanya adalah memindahkan panas latent disamping panas sensible. l) Reboiler Tujuan dari reboiler adalah untuk mensupply panas dalam proses distilasi sebagai panas latent. m) Evaporator Digunakan untuk konsentarsi larutan dengan eaporasi air. n) Vaporizer Jika fluida yang lain divaporasi disamping air, maka kita menggunakan vaporizer.


58

Alat Penukar Kalor

[Year]




59

Outer Pipe, IPS

Inner pipa, IPS

2

1,75

2,5

1,75

3

2


[Year]

3






1

 DG  c  D  3      1.86       k k L         w 

hi D

0.14

1

   4wc  3    1.86     kL    w 

0.14

……….. (3)


Alat Penukar Kalor

[Year]


1

0.8

 DG   c  3      0.027       k k      w 

hi D


4  D22  D12  4  D2  D1 

0.14

  D2  D1  . ....................... .....(.4)


2


∆Fl =

V 2 2 g '

ft / hairpin

(∆Fa + ∆Fl)ρ/144 = ∆Pa, psi.

2



Re a 

De.Ga 

-1/3


61

-0,14

(μ/ μw)


Alat Penukar Kalor

[Year]

1/3



  k  k 

1

3

  w

 0,14

1


  F  o


o




2



62

Alat Penukar Kalor

[Year]

II.6 Faktor Fouling


Q A.t

.


U

63

= R io + R o =

1

hio

+

1

ho

…………(6)

Alat Penukar Kalor

U=

hio .ho hio



ho

[Year]

……………….………….(7)



R di menjadi factor pengotor untuk annulus pada diameter inside dan R do menjadi factor annulus pada diameter outside dari bagian dalam pipa.


1

hio

dan

1

ho



U D

64

=

1

U C

+ R di + R do

Alat Penukar Kalor

[Year]

Atau dapat disetting : R di + R do = R d 1

=

U D

1

…………………(8)

+ R d

U C

………………(9)


U C Atau UC =

=

1

hio

1

1

+

ho

= 0,0033 + 0,01 = 0,0133

2

0,0133

o

= 7,50 Btu/(hr)(ft )( F)

2

o

R di = 0,001 (hr)(ft )( F)/Btu R do = 0,0015 R d = R di + R do = 0,0025

Sehingga : 1

U D

=

1

U C

+ R d =

1 75,0

2

o

+ 0,0025 = 0,0158 (hr)(ft )( F)/Btu

Atau 1

U D

=

1 0,158

2

o

= 63,3 Btu/(hr)(ft )( F)


…..................(10)

Alat Penukar Kalor

[Year]



 F 

4 fG2 L 2 g  2 D 'c



 U p A t


66


Exchanger, IPS

2

Annulus, in

Annulus

Inner Pipe

d c

d c

2 x 1 /4

1.19

1.50

0.915

0.40

2

2.63

1.50

2.02

0.81

3x2

2.93

3.35

1.57

0.69

4x3

3.14

7.38

1.14

0.53

x 1 /4

[Year]


dengan hampir Ga




o


o


67

Alat Penukar Kalor

[Year]




68

Alat Penukar Kalor

[Year]



Q1 = WC (T – T2) =

UA 2

x LMTD1

Dan (T  t ' )  (T 2  t 1)

LMTD1 =

ln(T  t '2) /(T 2  t 1)

Sehingga menjadi :

UA 2WC

=

(T  T 2) (T  t '2)  (T 2  t 1)

ln

T  t '2 T 2  t 1

Susun ulang

UA 2WC

=

=

69

(T  T 2) (T  T 2)  (t '2  t 1)

ln

1 1  (t '2  t 1) /(T  T 2)

(T  t '2) (T 2  t 1)

ln

T  t '2 T 2  t 1

Alat Penukar Kalor

I

R =

T  T 2 

t

I 2

UA 2WC

=

 t 1



wc

=

2WC

R I

ln

R I  1

T  t I 2 T 2

 t 1

(11)


QII = WC(T1 – T) =

LMTDII =

UA 2

x LMTDII

(12)

T  t   T  t  lnT  t  / T  t  II 2

1

1

1

II 2

(13)

1

Karena

II

R =

T 1

 T

t II 2

 t 1



wc 2WC

Maka,

UA



R II

2WC R II  1

70

ln

T 1  t 2II T  t 1

(14)

[Year]

Alat Penukar Kalor

[Year]


I

wc

II

R = R = R  =

2WC

(15)

Karena I

S =

t I 2  t 1 T  t 1

I

M =

T  T 2 T  t 1

Maka I

M = R  S

I

Begitu juga. maka :

II

S =

t II 2

 t 1

T 1

 t 1

M

II

=

T 1

 T

T 1

 t 1


t



M 71

= R S II

Alat Penukar Kalor

1-S

I

T  t I 2

=

T  t I 2 T 2  t 1

T  t 1





T  t 1 T  t 1



t 2I  t 1 T  t 1

1  S I 1  RS I


UA 2WC



R  R   1

ln

1  S I 1  R S I

(16)

(17)


UA 2WC



R  R   1

ln

1  S II 1  R S II


1  S I 1  R S I

Oleh karena itu I

II

S = S

72



1  S II 1  R S II

[Year]


II

M = M


UA



2 R

WC R  1

ln

1  S I 1  RS I



2 R R  1

ln

T  t 2I T 2  t 1

I

(17.a)

II


T 1  T T 1  t 1



T  T 2 T  t 1

2

T – 2t1T + t1(T1 + T2) – T1T2 = 0

(18)


T =

2t 1  4t I 2  4t 1 T 1  T 2   4T 1T 2 

= t1 

2

T 1  t 1 T 2  t 1 

(19)


[Year]




  R   1T 1  t 1   T 1  t 1 T 2  t 1    R   1  R  T 1  t 1 T 2  t 1   2 R 

ln 

 R   1  T  t  1 2 1    1 1  ln  =    R   1  R   T 2  t 1  R     2 R 

t adalah

[Year]

(20)


Q = UA

t =

Q UA

t



= WC(T1 – T2)

WC UA

(21)

T 1 T 2 

(22)


t   T 1  t 1 


WC UA

T 1  T 2    T 1  t 1 

 

74

WC T 1  T 2  UA T 1  t 1 

(23)

Alat Penukar Kalor

[Year]



 R  1  1  12 1  ln       WC R  1  R  P   R    2 R

UA

(24)

Atau

1  P  

1  R   R  1  1  2 1   2  ln        R 1 R R       P   

(25)


1  P  

Dimana

75

 R  1  1  1n 1  log   2.3     R  1 R   R  P    n R

(26.a)

Alat Penukar Kalor

R  

T 1  T 2 n t 2  t 1 


1  P  

1   1  n  log 1  R   R  2.3 1  R  P    

n

Dimana

P  

76

T 1

 t 2

T 1

 t 1

dan

R  

n T 1 t 2

 T 2  t 1



(26.b)

[Year]

Alat Penukar Kalor

[Year]

BAB III KESIMPULAN


Alat Penukar Kalor

[Year]


DAFTAR PUSTAKA


78

Alat Penukar Kalor

79

[Year]

Alat Penukar Kalor

[Year]

BAB I PENDAHULUAN


Energi dalam



Energi kinetic



Energi potensial



Energi mekanis



Panas










Alat Penukar Kalor

[Year]






Alat Penukar Kalor

[Year]




Alat Penukar Kalor

[Year]





Alat Penukar Kalor

[Year]


panas







Q=

84

q t


Alat Penukar Kalor

[Year]






85

Alat Penukar Kalor

[Year]



= U.∆T ………….……...(2)




86

Alat Penukar Kalor

[Year]


Pada proses-proses industry,perpindahan energy dilaksanakan dengan berbagai ragam cara, termasuk diantaranya dengan konduksi di dalam pemanas tahanan listrik, konduksikonveksi di dalam penukar kalor (heat exchanger) , ketel didih (boiler) dan condenser (condesor) , radiasi di dalam tungku (furnance) dan pengering kalor radiasi (radiant – heat dryer) dan dengan berbagai metode khusus seperti pemanasan dielektrik. Sering kali peralatan itu berkerja dalam kondisi keadaan stedi (steady state) tetapi dalam banyak hal proses pula ada pula operasinya siklus seperti misalnya dalam tungku regenerasi dan dalam benjana – proses pengaduk.




Alat Penukar Kalor

[Year]





Alat Penukar Kalor

[Year]




Alat Penukar Kalor

[Year]





90

Alat Penukar Kalor

[Year]

o) Exchangers Mengubah panas antara 2 aliran proses. Menggunakan steam dan cooling water. Steam dan cooling water adalah utilitas yang tidak dapat disamakan fungsinya dalam aliran produk yang dapat direcoery. p) Heaters Paling utama digunakan untuk proses memanaskan fluida dan steam, selalu digunakan sebagai bahan pemanas dalam proses ini, meskipun bahan bakar minyak dapat digunakan untuk tujuan yang sama.

q) Coolers Digunakan untuk proses pendinginan fluida. Media pendingin yang sering digunakan adalah air r) Condenser Adalah coolers yang tujuan utamanya adalah memindahkan panas latent disamping panas sensible. s) Reboiler Tujuan dari reboiler adalah untuk mensupply panas dalam proses distilasi sebagai panas latent. t) Evaporator Digunakan untuk konsentarsi larutan dengan eaporasi air. u) Vaporizer Jika fluida yang lain divaporasi disamping air, maka kita menggunakan vaporizer.


91

Alat Penukar Kalor

[Year]




92

Outer Pipe, IPS

Inner pipa, IPS

2

1,75

2,5

1,75

3

2


[Year]

3






1

 DG  c  D  3      1.86       k k L         w 

hi D

0.14

1

   4wc  3    1.86     kL    w 

0.14

……….. (3)


Alat Penukar Kalor

[Year]


1

0.8

 DG   c  3      0.027       k k      w 

hi D


4  D22  D12  4  D2  D1 

0.14

  D2  D1  . ....................... .....(.4)


2


∆Fl =

V 2 2 g '

ft / hairpin

(∆Fa + ∆Fl)ρ/144 = ∆Pa, psi.

2



Re a 

De.Ga 

-1/3


94

-0,14

(μ/ μw)


Alat Penukar Kalor

[Year]

1/3



  k  k 

1

3

  w

 0,14

1


  F  o


o




2



95

Alat Penukar Kalor

[Year]

II.6 Faktor Fouling


Q A.t

.


U

96

= R io io + R o =

1

hio

+

1

ho

…………(6)

Alat Penukar Kalor

U=

hio .ho hio



ho

[Year]

……………….………….(7)



R di di menjadi factor pengotor untuk annulus pada diameter inside dan R do do menjadi factor annulus pada diameter outside dari bagian dalam pipa.


1

hio

dan

1

ho



U D

97

=

1

U C

+ R di di + R do do

Alat Penukar Kalor

[Year]

Atau dapat disetting : R di di + R do do = R d 1

=

U D

1

…………………(8)

+ R d

U C

………………(9)


U C Atau UC =

=

1

hio

1

1

+

ho

= 0,0033 + 0,01 = 0,0133

2

0,0133

o

= 7,50 Btu/(hr)(ft )( F)

2

o

R di di = 0,001 (hr)(ft )( F)/Btu R do do = 0,0015 R d = R di di + R do do = 0,0025

Sehingga : 1

U D

=

1

U C

+ R d =

1 75,0

2

o

+ 0,0025 = 0,0158 (hr)(ft )( F)/Btu

Atau 1

U D

=

1 0,158 158

2

o

= 63,3 Btu/(hr)(ft )( F)


…..................(10)

Alat Penukar Kalor

[Year]



 F 

4 fG2 L 2 g  2 D 'c



 U p A t


99


Exchanger, IPS

2

Annulus, in

Annulus

Inner Pipe

d c

d c

2 x 1 /4

1.19

1.50

0.915

0.40

2

2.63

1.50

2.02

0.81

3x2

2.93

3.35

1.57

0.69

4x3

3.14

7.38

1.14

0.53

x 1 /4

[Year]


dengan hampir Ga




o


o


100

Alat Penukar Kalor

[Year]




101

Alat Penukar Kalor

[Year]



Q1 = WC (T – T2) =

UA 2

x LMTD1

Dan (T  t ' )  (T 2  t 1)

LMTD1 =

ln(T  t '2) /(T 2  t 1)

Sehingga menjadi :

UA 2WC

=

(T  T 2) (T  t '2)  (T 2  t 1)

ln

T  t '2 T 2  t 1

Susun ulang

UA 2WC

=

=

102

(T  T 2) (T  T 2)  (t '2  t 1)

ln

1 1  (t '2  t 1) /(T  T 2)

(T  t '2) (T 2  t 1)

ln

T  t '2 T 2  t 1

Alat Penukar Kalor

I

R =

T  T 2 

t

I 2

UA 2WC

=

 t 1



wc

=

2WC

R I

ln

R I  1

T  t I 2 T 2

 t 1

(11)


QII = WC(T1 – T) =

LMTDII =

UA 2

x LMTDII

(12)

T  t   T  t  lnT  t  / T  t  II 2

1

1

1

II 2

(13)

1

Karena

II

R =

T 1

 T

t II 2

 t 1



wc 2WC

Maka,

UA



R II

2WC R II  1

103

ln

T 1  t 2II T  t 1

(14)

[Year]

Alat Penukar Kalor

[Year]


I

wc

II

R = R = R  =

2WC

(15)

Karena I

S =

t I 2  t 1 T  t 1

I

M =

T  T 2 T  t 1

Maka I

M = R  S

I

Begitu juga. maka :

II

S =

t II 2

 t 1

T 1

 t 1

M

II

=

T 1

 T

T 1

 t 1


t



M 104

= R S II

Alat Penukar Kalor

1-S

I

T  t I 2

=

T  t I 2 T 2  t 1

T  t 1





T  t 1 T  t 1



t 2I  t 1 T  t 1

1  S I 1  RS I


UA 2WC



R  R   1

ln

1  S I 1  R S I

(16)

(17)


UA 2WC



R  R   1

ln

1  S II 1  R S II


1  S I 1  R S I

Oleh karena itu I

II

S = S

105



1  S II 1  R S II

[Year]


II

M = M


UA



2 R

WC R  1

ln

1  S I 1  RS I



2 R R  1

ln

T  t 2I T 2  t 1

I

(17.a)

II


T 1  T T 1  t 1



T  T 2 T  t 1

2

T – 2t1T + t1(T1 + T2) – T1T2 = 0

(18)


T =

2t 1  4t I 2  4t 1 T 1  T 2   4T 1T 2 

= t1 

2

T 1  t 1 T 2  t 1 

(19)


[Year]




  R   1T 1  t 1   T 1  t 1 T 2  t 1    R   1  R  T 1  t 1 T 2  t 1   2 R 

ln 

 R   1  T  t  1 2 1    1 1  ln  =    R   1  R   T 2  t 1  R     2 R 

t adalah

[Year]

(20)


Q = UA

t =

Q UA

t



= WC(T1 – T2)

WC UA

(21)

T 1 T 2 

(22)


t   T 1  t 1 


WC UA

T 1  T 2    T 1  t 1 

 

107

WC T 1  T 2  UA T 1  t 1 

(23)

Alat Penukar Kalor

[Year]



 R  1  1  12 1  ln       WC R  1  R  P   R    2 R

UA

(24)

Atau

1  P  

1  R   R  1  1  2 1   2  ln        R 1 R R       P   

(25)


1  P  

Dimana

108

 R  1  1  1n 1  log   2.3     R  1 R   R  P    n R

(26.a)

Alat Penukar Kalor

R  

T 1  T 2 n t 2  t 1 


1  P  

1   1  n  log 1  R   R  2.3 1  R  P    

n

Dimana

P  

109

T 1

 t 2

T 1

 t 1

dan

R  

n T 1 t 2

 T 2  t 1



(26.b)

[Year]

Alat Penukar Kalor

[Year]

BAB III KESIMPULAN


Alat Penukar Kalor

[Year]


DAFTAR PUSTAKA


111

Alat Penukar Kalor

112

[Year]

Cara Mengurangi Fouling Pada Alat Penukar Kalor

Recommend Documents