cara mengurangi fouling pada alat penukar kalor

Alat Penukar Kalor [Year]

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

Fouling 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 ( beberapa heat exchanger dapat tidak 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 memasukkan nilai koefisien fouling pada saat penentuan koefisien keseluruhan ( overall coefficient heat transfer ) untuk memastikan bahwa heat exchanger tersebut nantinya ketika dioperasikan tidak mengalami masalah dalam jangka waktu yang cepat.

Fouling juga dapat didefinisikan sebagai akumulasi endapan yang tidak diiinginkan pada permukaan alat perpindahan panas. Dikarenakan terdapat endapan atau deposit pada permukaan perpindahan panas, maka dibutuhkan luas perpindahan panas yang lebih agar perpindahan panas yang diinginkan dapat tercapai. 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 :

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 yang lebih rendah ). Luas HE yang lebih besar mengakibatkan peningkatan cost.

2. Memerlukan energi tambahan, energi tambahan sehubungan dengan peningkatan energi pompa dan 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

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


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 memiliki karakteristik inverse ( kebalikan ) solubility, maka pengendapan terjadi pada permukaan panas lanjut ( 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 ) 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 sand ) dan lain – lain.

3. Chemical reaction fouling, adalah pembentukan deposit yang disebabkan oleh reaksi kimia, Nesta juga menyatakan chemical reaction fouling adalah pemecahan dan pengikatan senyawa – senyawa yang tidak stabil pada permukaan perpindahan panas. Oil sludge, Polimerisasi, coking dan cracking hidrokarbon adalah contohnya

4. Corrosion fouling, Terjadi ketika permukaan perpindahan panas itu sendiri bereaksi membentuk produk korosi ( karat ) yang kemudian mengotori ( foul ) dan dapat menyebabkan bahan atau materi pengotor ( 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 adalah sebagai berikut :1. Flow 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, kecepatan tinggi juga dapat mengakibatkan erosi dan juga memerlukan energi pemompaan yang besar. Idealnya kecepatan untuk liquid yang mengalir dalam tube ( inside tube ) adalah dari range 1.5 – 2 m/s dan 1 – 1.5 m/s untuk luar tube.

2. Temperature. Temperature permukaan sangat berpengaruh dalam pembentukan fouling. Pada normal solubility salt solution ( kelarutan normal larutan garam ) peningkatan konsentrasi garam akan naik seiring dengan naiknya temperature contohnya adalah NaCl, NaNO3.

3. Material konstruksi dan permukaan yang halus, pemilihan meterial tube sangat penting, beberapa tipe biofouling dapat terhambat pembentukannya dengan menggunakan cooper-bearing alloy, permukaan bahan atau materi tube yang halus dapat mengurangi laju

2


pembentukan fouling. Copper dan alloy nya dapat mengurangi pembentukan biofouling dikarenakan materi atau bahan ini bersifat toksit terhadap organisme tersebut.

Berikut ini adalah cara mengurangi terjadinya fouling pada Heat Exchanger , yaitu :

1. Pemilihan heat exchanger ( HE ) yang tepat, Penggunaan beberapa tipe HE tertentu dapat mengurangi pembentukan fouling di karenakan area dead space yang lebih sedikit dibandingkan dengan tipe yang lainnya, seperti plate dan spiral heat exchanger, namun begitu jenis HE tersebut hanya dapat menangani design pressure sampai 20 – 25 bar dan design temperature 250 oC ( plate ) dan 400 oC ( spiral ).

2. Gunakan diameter tube yang lebih besar. STHE umumnya didesain dengan ukuran tube dari 20 mm atau 25 mm, untuk penggunaan fluida yang kotor ( fouling resistance > 0.0004 h-m2 C/kal ) gunakan tube dengan diameter ( minimum ) 25 mm ( outside diameter, OD )

3. Kecepatan tinggi, 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. Gunakan tube bundle dan heat 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. Gunakan 2 shell yang disusun secara paralel. 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. Gunakan Wire Fin tube. Penggunaan Wire fin tube,dapat mengurangi terbentuknya fouling, 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.

3


8. Gunakan Fluidized Bed HE, 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 begitu tube yang disusun secara square memberikan koefisien heat transfer yang rendah, untuk situasi seperti ini , maka rotate square dapat digunakan.

11. Meminimalisasikan dead space dengan desain baffle secara optimum. 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. 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 Processing4. T.R. Bott, Fouling of Heat Exchanger, 1995, Elsevier

4


5


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 energi.

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


“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


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


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


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=

qt = laju perpindahan kalor ke dalam arus

10


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


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

dqda = 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


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, konduksi-

konveksi 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.

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


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


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


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 tabung-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


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


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.

Outer Pipe, IPS Inner pipa, IPS

2 1,75

2,5 1,75

3 2

4 3

18


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/μ < 2100

hi D

k=1. 86 [( DG

μ )( cμk )( D

L )]13 ( μ

μw)0 . 14

=1 .86 ( 4 wcπ kL )

13 ( μ

μw)0 .14

……….. (3)

Dimana :

L : panjang total perpindahan panas sebelum pencampuran terjadi

19


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

hi D

k=0 . 027( DG

μ )0.8

( cμk )

13 ( μ

μw)0 .14

(1’) didapat D’e =

4 π (D22−D1

2 )4 π (D2+D1)

=(D2−D1 ). ....................... .....(.4)

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

(3’) ∆Fa = 4fG2L/2gρ2D’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.

(5’) mass velocity, Ga = w/aa, lb/(hr)ft2)

(6’) Didapat μ pada Tc atau tc, lb/(hr)ft) = centipoises x 2,42. Dari Dc ft, Ga lb/(hr)ft2), μ

lb/(hr)(ft) didapat Reynolds number,

(7’) Dari gambar dimana jH = (hoDe/k)(c μ/k)-1/3(μ/ μw)-0,14 vs DeGa/ μ, didapat jH

20

Rea=De .Ga

μ


(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)1/3( = 10) atau

hoDek ( cμ

k )−1

3 μϖw

−0,14 kDe ( cμ

k )1

3 x1,0=hoBtu/ (hr ) ( ft2 ) (¿ o F )

Overall coefficient:

(10’) Hitung Uc = hioho/( hi+ho), Btu/(hr)(ft2)(oF).

(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 Rep pada nomor (6) diatas didapat f dari persamaan (3.46) atau (3.47b)

(2) ∆Fp = 4FG2L/2gρ2D,ft ......................(5)

∆Fpρ/144 = ∆Pp, psi.

Double Pipe Exchanger dalam rangkaian Seri-Parallel

21


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 =

QA . Δt .

Jika luas permukaan A tidak diketahui, maka U dapat diperoleh tanpa menggunakan persamaan

Fourier dari dua koefisien film.

Pengabaian tahanan pipe-wall :

1U = Rio + Ro =

1hio +

1ho …………(6)

22


U =

hio . ho

hio+ho ……………….………….(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 Rdyang disebut pengotor (dirt), scale, atau factor fouling, atau resistance.

Rdi menjadi factor pengotor untuk annulus pada diameter inside dan Rdo menjadi factor

annulus pada diameter outside dari bagian dalam pipa.

Harga U diperoleh dari persamaan (7) hanya

1hio dan

1ho 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 :

1UD =

1UC + Rdi + Rdo

23


Atau dapat disetting :

Rdi + Rdo = Rd …………………(8)

1UD =

1UC + Rd ………………(9)

Dengan demikian, untuk double pipe Heat Exchanger, nilai h i dan ho dapat diperkirakan

sekitar 300 dan 100, maka :

1UC =

1hio +

1ho = 0,0033 + 0,01 = 0,0133

Atau UC =

10 ,0133 = 7,50 Btu/(hr)(ft2)(oF)

Rdi = 0,001 (hr)(ft2)(oF)/Btu

Rdo = 0,0015

Rd = Rdi + Rdo = 0,0025

Sehingga :

1UD =

1UC + Rd =

175 , 0 + 0,0025 = 0,0158 (hr)(ft2)(oF)/Btu

Atau

1UD =

10 ,158 = 63,3 Btu/(hr)(ft2)(oF)

Persamaan Fourier untuk luas permukaan A pada pengotor (dirt) adalah :

24


Q = UD . A . Δt …..................(10)

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 :

ΔF= 4 fG2 L

2 gρ2 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 AΔt

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


Exchanger, IPSFlow area, in2 Annulus, in

Annulus Inner Pipe dc d’c

2 x 11/4 1.19 1.50 0.915 0.40

2 ½ x 11/4 2.63 1.50 2.02 0.81

3 x 2 2.93 3.35 1.57 0.69

4 x 3 3.14 7.38 1.14 0.53

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 U c

dengan hampir Ga0,8 . (2) Jika sedikit liquid berputar melalui annulus, maka harus didinginkan

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

pencampuran dengan liquid by-pass, hasil proses memiliki temperatur 100o F. sebagai contoh,

bagian yang berputar malalui annulus mungkin harus didinginkan melebihi range dari 160

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

pipa masuk, 80o F sebenarnya, dan perbedaan suhu yang baru pada ∆t1, yaitu 5o 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


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

menghasilkan sekitar 1-8 dari seri pressure drop, sejak G dan L menjadi dua dan produk G2L

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


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) =

UA2 x LMTD1

Dan

LMTD1 =

(T−t ' )−(T 2−t 1)ln (T−t ' 2)/ (T 2−t 1 )

Sehingga menjadi :

UA2WC =

(T−T 2 )(T−t ' 2 )−(T 2−t 1 ) ln

T−t ' 2T 2−t 1

Susun ulang

UA2WC =

(T−T 2 )(T−T 2 )−( t ' 2−t 1 ) ln

(T−t ' 2 )(T 2−t 1)

=

11−( t ' 2−t 1 )/(T−T 2 ) ln

T−t ' 2T 2−t 1

28


RI =

(T−T 2)(t2

I −t1 ) =

wc2WC

UA2WC =

R I

R I−1 ln

T−t2I

T2−t1 (11)

Begitu juga untuk exchanger II

QII = WC(T1 – T) =

UA2 x LMTDII (12)

LMTDII =

(T 1−t2II )−(T−t1)

ln (T1−t2II ) / (T−t1) (13)

Karena

RII =

T1−T

t2II−t1

= wc2WC

Maka,

UA2WC

= R II

R II−1ln

T 1−t2II

T−t1 (14)

29


Karena c dan C diasumsikan konstan,

RI = RII = R' =

wc2WC (15)

Karena

SI =

t2I−t1

T−t1 MI =

T−T2

T−t 1

Maka

MI = R'SI

Begitu juga. maka :

SII =

t2II−t1

T1−t1 MII =

T1−T

T1−t 1

R'dan S adalah perbandingan dimana terjadi pengulangan secara berulang-ulang dalam

hasil dari perbedaan temperature Δt dari LMTD. S adalah perbandingan dari fluida dingin

sampai meliputi temperature maksimum, belakangan perbedaan temperature terjadi pada kedua

temperature inlet, T1 dan t1

30


Tetapi

MII = R' SII

1 - SI =

T−t2I

T−t1

=T−t1

T−t1

−t2

I−t1

T−t1

T−t2I

T2−t1

= 1−SI

1−R' SI

Dan dari persamaan (11)

UA2WC

= R '

R'−1ln

1−SI

1−R' S I (16)


UA2WC

= R '

R'−1ln

1−SII

1−R' S II (17)

Dengan membandingkan persamaan (16) dan (17)

1−SI

1−R' SI= 1−S II

1−R ' SII

31


Oleh karena itu

SI = SII

MI = MII

Penggabungan persamaan (16) dan (17),

UAWC

= 2 R '

R'−1ln

1−SI

1−R ' SI= 2R '

R'−1ln

T−t2I

T 2−t1 (17.a)

Dimana T adalah variable yang tidak diketahui, dank arena MI = MII,

T1−T

T1−t 1

=T−T 2

T−t 1

T2 – 2t1T + t1(T1 + T2) – T1T2 = 0 (18)

Persamaan (18) dikuadratkan, sehingga menghasilkan

T =

2t 1±√4 t I2−4 t1 [ (T 1+T 2)−4 T1 T 2]

2

= t1±√ (T 1−t1) (T2−t1) (19)

32


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),

UAWC

= 2 R '

R'−1ln [ ( R'−1 ) (T 1−t1)+√(T1−t1) (T 2−t1 )

R '√ (T 1−t1) (T 2−t1 ) ]

=

2 R'

R '−1ln [(R '−1

R ' )( T 1−t 1

T 2−t 1)

12+ 1

R' ] (20)

Δt adalah nilai tunggal untuk susunan jumlah seri-paralel; jadi

Q = UA Δt = WC(T1 – T2) (21)

Δt =

QUA

=WCUA (T1−T 2 )

(22)

Hal ini sesuai dengan asal mula pemakaian dari definisi untuk perbedaan temperature

yang sebenarnya dalam batas temperature maksimum T1 – t1 :

Δt=γ (T1−t1) (23)

Bandingkan persamaan (22) dan (23),

33


WCUA (T 1−T 2)=γ (T 1−t1)

γ=

WC (T1−T 2)UA (T 1−t1)

Karena M = (T1 – T2) / (T1 – t1), definisikan P' = (T2 – t1) / (T1 – t1) dan

UA/WC = M/γ , sehingga

P' + M = 1 atau M = 1 - P

'

Bandingkan dalam persamaan (21)

UAWC

= 2 R '

R'−1ln [( R'−1

R' )( 1P' )

12+ 1

R' ] (24)

Atau

1−P'

γ=2( R'

R '−1 ) ln [( R'−1R' )( 1

P ' )1

2+ 1R' ]

(25)

Jika dikembangkan dalam cara yang umum hal itu dapat ditunjukkan, unuk one series hot stream

dan n parallel cold stream, persamaan (25) menjadi

34


1−P'

γ=2. 3

n R'

R '−1log [( R '−1

R' )( 1P ' )

1n+ 1

R' ] (26.a)

Dimana

R'=T 1−T 2

n (t2−t1 )

Untuk one series cold stream dan n parallel hot stream,

1−P' '

γ=2 .3

n1−R ' ' log [(1−R' ' ) ( 1

P' ' )1

n+R' ' ] (26.b)

Dimana

P' '=T 1−t2

T 1−t1 dan R' '=

n (T1−T 2)t2−t1

35


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:

36


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.

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

37


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.

38


39


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 lainnya 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 pembentukannya 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).

40


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.

4. 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 Electrophoresis

c. Adhesi dan Kohesi pada permukaan.

41


d. Migration, berupa perpindahan foulant (bahan atau senyawa penyebab fouling) menuju ke

permukaan, dan berbagai mekanisme perpindahan difusi.

e. Attchment, Awal dari terbentuknya lapisan deposit.

f. 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 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

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 kalor, yaitu: velocity, surface tempareture, dan fluids

temperature.

2. Parameter alat penukar kalor, yaitu: Konfigurasi alat penukar kalor, permukaan material, dan

struktur permukaan.

3. Fluids properties, yaitu : Suspended solid, Dissolved solid, Dissolved gases, dan Trace element.

Deposit partikel pada permukaan perpindahan kalor banyak dijumpai pada aliran gas-

partikel dengan temperatur tinggi. Proses terjadinya fouling 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 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 downstream.

42


2. Vapor-phase and small-particle diffusion, modus ash transport ini dapat membentuk tipe deposit

jenis Inner Layer.

3. Thermophoresis/Electrophoresis, modus ash transport ini dapat membentuk tipe deposit jenis

Inner Layer.

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 pada Heat Exchanger , yaitu :

1. Pemilihan heat exchanger ( HE ) yang tepat, Penggunaan beberapa tipe HE tertentu dapat

mengurangi pembentukan fouling di karenakan area dead space yang lebih sedikit dibandingkan

43

http://1.bp.blogspot.com/-GsxmcLXH_7g/T4RM4TGpU2I/AAAAAAAAADE/HlvFMtbcKEA/s1600/mekanisme-terbentuknya-deposit-partikel-pada-dinding-luar-tube.jpg


dengan tipe yang lainnya, seperti plate dan spiral heat exchanger, namun begitu jenis HE

tersebut hanya dapat menangani design pressure sampai 20 – 25 bar dan design temperature 250 oC ( plate ) dan 400 oC ( spiral ).

2. Gunakan diameter tube yang lebih besar. STHE umumnya didesain dengan ukuran tube dari 20

mm atau 25 mm, untuk penggunaan fluida yang kotor ( fouling resistance > 0.0004 h-m2 C/kal )

gunakan tube dengan diameter ( minimum ) 25 mm ( outside diameter, OD )

3. Kecepatan tinggi, 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. Gunakan tube bundle dan heat 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. Gunakan 2 shell yang disusun secara paralel. 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. Gunakan Wire Fin tube. Penggunaan Wire fin tube,dapat mengurangi terbentuknya fouling,

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

44


dinding tube hingga kebagian centre ( tengah ), efek gerakan pengadukan inilah yang dapat

meminimalisasikan deposit pada dinding tube.

8. Gunakan Fluidized Bed HE, 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 begitu tube yang disusun secara square

memberikan koefisien heat transfer yang rendah, untuk situasi seperti ini , maka rotate square

dapat digunakan.

11. Meminimalisasikan dead space dengan desain baffle secara optimum. 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. 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.

45


46


BAB I

PENDAHULUAN





kimia ialah :

Energi dalam

Energi kinetic

Energi potensial

Energi mekanis

Panas









47


Konduksi






Konveksi





Radiasi










48


4. Susunan seri

5. Susunan pararel


BAB II

TINAJAUAN PUSTAKA















adalah air.

49




















tipis.






50














2. laju alir fluida



tersebut.





Q= m (Hb-Ha) ….................(1)


51


Q=














lingkungan, maka

qc = -qh





52













dqda = U.∆T ………….……...(2)








53




secara LMTD.





















54






















55







PENUKAR KALOR







dan operasinya.












56


























Definisi

57



proses.


h) Exchangers




i) Heaters




j) Coolers


adalah air

k) Condenser


sensible.

l) Reboiler


latent.

m) Evaporator


n) Vaporizer


58






section exchanger.









2 1,75

59


2,5 1,75

3 2

4 3














hi D

k=1. 86 [( DG

μ )( cμk )( D

L )]13 ( μ

μw)0 . 14

=1 .86 ( 4 wcπ kL )

13 ( μ

μw)0 .14

……….. (3)

60


Dimana :




hi D

k=0 . 027( DG

μ )0.8

( cμk )

13 ( μ

μw)0 .14


4 π (D22−D1

2 )4 π (D2+D1)

=(D2−D1 ). ....................... .....(.4)


(3’) ∆Fa = 4fG2L/2gρ2D’e, ft.


∆Fl =

V 2

2 g 'ft /hairpin

(∆Fa + ∆Fl)ρ/144 = ∆Pa, psi.




61

Rea=De .Ga

μ





hoDek ( cμ

k )−1

3 μϖw

−0,14 kDe ( cμ

k )1

3 x1,0=hoBtu/ (hr ) ( ft2 ) (¿ o F )






heat-transfer

Bagian dalam pipa:


(4) ∆Fp = 4FG2L/2gρ2D,ft ......................(5)



62


II.6 Faktor Fouling



QA . Δt .




63


1U = Rio + Ro =

1hio +

1ho …………(6)

U =

hio . ho

hio+ho ……………….………….(7)












1hio dan





dari pada UC.


64


1UD =

1UC + Rdi + Rdo


Rdi + Rdo = Rd …………………(8)

1UD =

1UC + Rd ………………(9)



1UC =

1hio +

1ho = 0,0033 + 0,01 = 0,0133

Atau UC =

10 ,0133 = 7,50 Btu/(hr)(ft2)(oF)


Rdo = 0,0015

Rd = Rdi + Rdo = 0,0025

Sehingga :

1UD =

1UC + Rd =

175 ,0 + 0,0025 = 0,0158 (hr)(ft2)(oF)/Btu

Atau

65


1UD =

10 ,158 = 63,3 Btu/(hr)(ft2)(oF)


Q = UD . A . Δt …..................(10)










ΔF= 4 fG2 L

2 gρ2 D'c









66







2 x 11/4 1.19 1.50 0.915 0.40

2 ½ x 11/4 2.63 1.50 2.02 0.81

3 x 2 2.93 3.35 1.57 0.69

4 x 3 3.14 7.38 1.14 0.53


















67




















68




counterflow.




Q1 = WC (T – T2) =

UA2 x LMTD1

Dan

LMTD1 =

(T−t ' )−(T 2−t 1)ln (T−t ' 2)/ (T 2−t 1 )

Sehingga menjadi :

UA2WC =

(T−T 2 )(T−t ' 2 )−(T 2−t 1 ) ln

T−t ' 2T 2−t 1

Susun ulang

UA2WC =

(T−T 2 )(T−T 2 )−( t ' 2−t 1 ) ln

(T−t ' 2 )(T 2−t 1)

69


=

11−( t ' 2−t 1 )/(T−T 2 ) ln

T−t ' 2T 2−t 1

RI =

(T−T 2)(t2

I −t1 ) =

wc2WC

UA2WC =

R I

R I−1 ln

T−t2I

T2−t1 (11)


QII = WC(T1 – T) =

UA2 x LMTDII (12)

LMTDII =

(T 1−t2II )−(T−t1)

ln (T1−t2II ) / (T−t1) (13)

Karena

RII =

T1−T

t2II−t1

= wc2WC

Maka,

70


UA2WC

= R II

R II−1ln

T 1−t2II

T−t1 (14)


RI = RII = R' =

wc2WC (15)

Karena

SI =

t2I−t1

T−t1 MI =

T−T2

T−t 1

Maka

MI = R'SI

Begitu juga. maka :

SII =

t2II−t1

T1−t1 MII =

T1−T

T1−t 1

71






Tetapi

MII = R' SII

1 - SI =

T−t2I

T−t1

=T−t1

T−t1

−t2

I−t1

T−t1

T−t2I

T2−t1

= 1−SI

1−R' SI


UA2WC

= R '

R'−1ln

1−SI

1−R' S I (16)


UA2WC

= R '

R'−1ln

1−SII

1−R' S II (17)


72


1−SI

1−R' SI= 1−S II

1−R ' SII

Oleh karena itu

SI = SII

MI = MII


UAWC

= 2 R '

R'−1ln

1−SI

1−R ' SI= 2R '

R'−1ln

T−t2I

T 2−t1 (17.a)


T1−T

T1−t1

=T−T 2

T−t1

T2 – 2t1T + t1(T1 + T2) – T1T2 = 0 (18)


73


T =

2t 1±√4 t I2−4 t1 [ (T 1+T 2)−4 T1 T 2]

2

= t1±√ (T 1−t1) (T2−t1) (19)




UAWC

= 2 R '

R'−1ln [ ( R'−1 ) (T 1−t1)+√(T1−t1) (T 2−t1 )

R '√ (T 1−t1) (T 2−t1 ) ]

=

2 R'

R '−1ln [(R '−1

R ' )( T 1−t 1

T 2−t 1)

12+ 1

R' ] (20)


Q = UA Δt = WC(T1 – T2) (21)

Δt =

QUA

=WCUA (T1−T 2 )

(22)



74


Δt=γ (T1−t1) (23)


WCUA (T 1−T 2)=γ (T 1−t1)

γ=

WC (T1−T 2)UA (T 1−t1)



P' + M = 1 atau M = 1 - P

'


UAWC

= 2 R '

R'−1ln [( R'−1

R' )( 1P' )

12+ 1

R' ] (24)

Atau

1−P'

γ=2( R'

R '−1 ) ln [( R'−1R' )( 1

P ' )1

2+ 1R' ]

(25)

75




1−P'

γ=2. 3

n R'

R '−1log [( R '−1

R' )( 1P ' )

1n+ 1

R' ] (26.a)

Dimana

R'=T 1−T 2

n (t2−t1 )


1−P' '

γ=2 . 3

n1−R ' ' log [(1−R' ' ) ( 1

P' ' )1

n+R' ' ] (26.b)

Dimana

P' '=T 1−t2

T 1−t1 dan R' '=

n(T1−T 2)t2−t1

76


BAB III

KESIMPULAN

77






b. laju alir fluida



tersebut.






mahal.

78


DAFTAR PUSTAKA






79


BAB I

PENDAHULUAN





kimia ialah :

Energi dalam

Energi kinetic

Energi potensial

Energi mekanis

Panas



80








Konduksi






Konveksi





Radiasi






81






7. Susunan seri

8. Susunan pararel


BAB II

TINAJAUAN PUSTAKA










82







adalah air.



















tipis.

83



















2. laju alir fluida



tersebut.

84






Q= m (Hb-Ha) ….................(1)


Q=














lingkungan, maka

85


qc = -qh
















dqda = U.∆T ………….……...(2)





86







secara LMTD.

















87






















88











PENUKAR KALOR







dan operasinya.







89




























90





Definisi


proses.


o) Exchangers




p) Heaters




q) Coolers


adalah air

r) Condenser


sensible.

s) Reboiler

91



latent.

t) Evaporator


u) Vaporizer






section exchanger.





92






2 1,75

2,5 1,75

3 2

4 3












93




hi D

k=1. 86 [( DG

μ )( cμk )( D

L )]13 ( μ

μw)0 . 14

=1 .86 ( 4 wcπ kL )

13 ( μ

μw)0 .14

……….. (3)

Dimana :




hi D

k=0 . 027( DG

μ )0.8

( cμk )

13 ( μ

μw)0 .14


4 π (D22−D1

2 )4 π (D2+D1)

=(D2−D1 ). ....................... .....(.4)


(3’) ∆Fa = 4fG2L/2gρ2D’e, ft.


∆Fl =

V 2

2 g 'ft /hairpin

(∆Fa + ∆Fl)ρ/144 = ∆Pa, psi.

94








hoDek ( cμ

k )−1

3 μϖw

−0,14 kDe ( cμ

k )1

3 x1,0=hoBtu/ (hr ) ( ft2 ) (¿ o F )






heat-transfer

Bagian dalam pipa:


95

Rea=De .Ga

μ


(6) ∆Fp = 4FG2L/2gρ2D,ft ......................(5)



II.6 Faktor Fouling

96




QA . Δt .




1U = Rio + Ro =

1hio +

1ho …………(6)

U =

hio . ho

hio+ho ……………….………….(7)











97



1hio dan





dari pada UC.


1UD =

1UC + Rdi + Rdo


Rdi + Rdo = Rd …………………(8)

1UD =

1UC + Rd ………………(9)



1UC =

1hio +

1ho = 0,0033 + 0,01 = 0,0133

Atau UC =

10 ,0133 = 7,50 Btu/(hr)(ft2)(oF)


Rdo = 0,0015

Rd = Rdi + Rdo = 0,0025

98


Sehingga :

1UD =

1UC + Rd =

175 ,0 + 0,0025 = 0,0158 (hr)(ft2)(oF)/Btu

Atau

1UD =

10 ,158 = 63,3 Btu/(hr)(ft2)(oF)


Q = UD . A . Δt …..................(10)










ΔF= 4 fG2 L

2 gρ2 D'c


99














2 x 11/4 1.19 1.50 0.915 0.40

2 ½ x 11/4 2.63 1.50 2.02 0.81

3 x 2 2.93 3.35 1.57 0.69

4 x 3 3.14 7.38 1.14 0.53











100



















101












counterflow.




Q1 = WC (T – T2) =

UA2 x LMTD1

Dan

LMTD1 =

(T−t ' )−(T 2−t 1)ln (T−t ' 2)/ (T 2−t 1 )

Sehingga menjadi :

102


UA2WC =

(T−T 2 )(T−t ' 2 )−(T 2−t 1 ) ln

T−t ' 2T 2−t 1

Susun ulang

UA2WC =

(T−T 2 )(T−T 2 )−( t ' 2−t 1 ) ln

(T−t ' 2 )(T 2−t 1)

=

11−( t ' 2−t 1 )/(T−T 2 ) ln

T−t ' 2T 2−t 1

RI =

(T−T 2)(t2

I −t1 ) =

wc2WC

UA2WC =

R I

R I−1 ln

T−t2I

T2−t1 (11)


QII = WC(T1 – T) =

UA2 x LMTDII (12)

103


LMTDII =

(T 1−t2II )−(T−t1)

ln (T1−t2II ) / (T−t1) (13)

Karena

RII =

T1−T

t2II−t1

= wc2WC

Maka,

UA2WC

= R II

R II−1ln

T 1−t2II

T−t1 (14)


RI = RII = R' =

wc2WC (15)

Karena

SI =

t2I−t1

T−t1 MI =

T−T2

T−t 1

Maka

MI = R'SI

104


Begitu juga. maka :

SII =

t2II−t1

T1−t1 MII =

T1−T

T1−t1





Tetapi

MII = R' SII

1 - SI =

T−t2I

T−t1

=T−t1

T−t1

−t2

I−t1

T−t1

T−t2I

T2−t1

= 1−SI

1−R' SI


UA2WC

= R '

R'−1ln

1−SI

1−R' S I (16)

105



UA2WC

= R '

R'−1ln

1−SII

1−R' S II (17)


1−SI

1−R' SI= 1−S II

1−R ' SII

Oleh karena itu

SI = SII

MI = MII


UAWC

= 2 R '

R'−1ln

1−SI

1−R ' SI= 2R '

R'−1ln

T−t2I

T 2−t1 (17.a)


106


T1−T

T1−t 1

=T−T 2

T−t 1

T2 – 2t1T + t1(T1 + T2) – T1T2 = 0 (18)


T =

2t 1±√4 t I2−4 t1 [ (T 1+T 2)−4 T1 T 2]

2

= t1±√ (T 1−t1) (T2−t1) (19)




UAWC

= 2 R '

R'−1ln [ ( R'−1 ) (T 1−t1)+√(T1−t1) (T 2−t1 )

R '√ (T 1−t1) (T 2−t1 ) ]

=

2 R'

R '−1ln [(R '−1

R ' )( T 1−t 1

T 2−t 1)

12+ 1

R' ] (20)


Q = UA Δt = WC(T1 – T2) (21)

107


Δt =

QUA

=WCUA (T1−T 2 )

(22)



Δt=γ (T1−t1) (23)


WCUA (T 1−T 2)=γ (T 1−t1)

γ=

WC (T1−T 2)UA (T 1−t1)



P' + M = 1 atau M = 1 - P

'


UAWC

= 2 R '

R'−1ln [( R'−1

R' )( 1P' )

12+ 1

R' ] (24)

108


Atau

1−P'

γ=2( R'

R '−1 ) ln [( R'−1R' )( 1

P ' )1

2+ 1R' ]

(25)



1−P'

γ=2. 3

n R'

R '−1log [( R '−1

R' )( 1P ' )

1n+ 1

R' ] (26.a)

Dimana

R'=T 1−T 2

n (t2−t1 )


1−P' '

γ=2 . 3

n1−R ' ' log [(1−R' ' ) ( 1

P' ' )1

n+R' ' ] (26.b)

Dimana

109


P' '=T 1−t2

T 1−t1 dan R' '=

n(T1−T 2)t2−t1

110


BAB III

KESIMPULAN





b. laju alir fluida



tersebut.






mahal.

111


DAFTAR PUSTAKA






112


113

cara mengurangi fouling pada alat penukar kalor

Documents