Data [PDF]

Citation preview

LAPORAN PRAKTIKUM PILOT PLANT



PERPINDAHAN PANAS PADA TANGKI BERJAKET BERPENGADUK (JACKETED VESSEL)



Hari



: Selasa, 2 Oktober 2018



Kelompok



: 3



Praktikan



: Dwi Cahya Ayu Ningtyas



NIM



: 1631410089



PROGRAM STUDI D-III TEKNIK KIMIA JURUSAN TEKNIK KIMIA POLITEKNIK NEGERI MALANG 2018



BAB I PENDAHULUAN



1.1 Tujuan Praktikum 1. Memahami proses perpindahan panas dalam tangki berjaket yang tergolong proses perpindahan panas secara tak mantap (unsteady state). 2. Mengoperasikan peralatan tangki berjaket berpengaduk. 3. Menghitung koefisien perpindahan panas overall untuk perpindahan panas dalam tangki berjaket berpengaduk.



1.2 Dasar teori Perpindahan panas dalam tangki berjaket berpengaduk merupakan salah satu contoh proses perpindahan panas secara tak mantap (unsteady state heat transfer). Jadi



koefisien



perpindahan



panas



(U)



tidak



dapat



digunakan



dalam



persamaan Fourier: Q = U.A.Δt. Persamaan Fourier hanya dapat digunakan bila tangki beroperasi kontinu (steady state). Perpindahan panas secara tak tetap terjadi bila panas yang mengalir atau suhu pada suatu bagian atau keduanya (aliran panas dan suhu) tidak tetap atau bervariasi terhadap waktu. Perpindahan panas dimana perubahan panas yang terjadi tidak kontinu biasa disebut sebagai proses perpindahan panas secara batch.



Proses perpindahan panas secara batch ini terbagi menjadi berbagai jenis berdasarkan berbagai variasi variabel proses yang dipergunakan, antara lain: a. prosesnya pemanasan atau pendinginan; b. pemanasnya/pendinginnya coil; c. jaket atau external exchanger; d. jenis pemanas/pendinginnya isotermal atau non-isotermal; e. dengan pengadukan (agitated) atau tidak (non-agitated); Pada proses pemanasan atau pendinginan fluida dalam tangki berjaket berpengaduk, perhitungan perpindahan panasnya biasanya diarahkan untuk mendapatkan beberapa variabel penting, di antaranya : a. waktu proses; b. luas penampang/kontak perpindahan panas; c. koefisien perpindahan panas overall; d. koefisien perpindahan panas film; e. suhu fluida pemanas atau pendingin yang diperlukan, dll. Untuk keperluan perhitungan di atas, diperlukan beberapa asumsi, antara lain: a. Koefisien perpindahan panas overall selama proses untuk seluruh permukaan dianggap konstan; b. Kapasitas panas masing-masing fluida dianggap konstan; c. Suhu masuk medium pemanas/pendingin dianggap konstan; d. Suhu fluida di dalam tangki dianggap konstan (akibat agitasi); e. Kehilangan panas selama proses diabaikan; Khusus untuk proses pemanasan fluida dalam tangki berjaket berpengaduk dengan medium pemanas non-isotermal, digunakan persamaan-persamaan sebagai berikut : 𝑑𝑄 ′ 𝑑𝜃



= 𝑀𝑐



𝑑𝑡 𝑑𝜃



= 𝑊𝐶(T1 – T2 ) = UA ∆t



∆𝑡 = 𝐿𝑀𝑇𝐷 = ln(T



T1 −T2



1 −𝑡)/(T2 −𝑡)



(1) (2)



T −𝑡



1 T2 = 𝑡 + 𝑒 𝑈𝐴/𝑊𝐶



(3)



Apabila K1 = 𝑒 𝑈𝐴/𝑊𝐶 maka persamaan (1) dapat ditulis ulang menjadi: 𝑀𝑐



𝑑𝑡



K1 −1



= 𝑊𝐶 (



𝑑𝜃



T −t



(4)



𝑊𝐶 K1 −1



ln T1 −t1 = 1



) (T1 − 𝑡)



K1



𝑀𝑐



2



(



)𝜃



K1



(5)



Sedangkan untuk proses pendinginan fluida dalam tangki berjaket berpengaduk dengan medium pendingin non-isotermal, digunakan persamaanpersamaan sebagai berikut : 𝑑𝑄 ′ 𝑑𝜃



𝑑𝑇



= −𝑀𝐶



= 𝜔𝑐(𝑡2 – 𝑡1 ) = UA ∆t



𝑑𝜃



𝑇 −t



𝜔𝑐



K2 −1



ln 𝑇1 −t1 = 𝑀𝐶 ( 2



Jika



proses



K2



1



pemanasan



(6)



fluida



)𝜃



dalam



(7) tangki



berjaket



berpengaduk



menggunakan medium pemanas yang isothermal, maka persamaan-persamaan yang digunakan adalah: 𝑑𝑄 𝑑𝜃



Di mana:



= 𝑀𝑐



𝑑𝑡 𝑑𝜃



= UA ∆t



∆t = (𝑇1 − t) 𝑑𝑡 𝑑𝜃



𝑈𝐴



= 𝑀𝑐 ∆𝑡



𝑑𝑡



𝑈𝐴



∫ ∆𝑡 = 𝑀𝑐 ∫ 𝑑𝜃 𝑑𝑡



𝑈𝐴



∫ (𝑇 −𝑡) = 𝑀𝑐 ∫ 𝑑𝜃 1



Sehingga:



(8)



𝑇 −𝑡



𝑈𝐴



ln 𝑇1 −𝑡1 = 𝑀𝑐 − 𝜃 1



2



(9) (10) (11)



Sedangkan untuk proses pendinginan fluida dalam tangki berjaket berpengaduk menggunakan medium pemanas yang isothermal, maka digunakan persamaan yang hamper sama dengan di atas, sehingga diperoleh persamaan berikut: 𝑇 −𝑡



𝑈𝐴



ln 𝑇1 −𝑡1 = 𝑀𝑐 − 𝜃 2



1



(12)



BAB 2 METODOLOGI DAN HASIL PERCOBAAN



2.1 Alat dan Bahan Peralatan dan bahan yang digunakan dalam percobaan ini terdiri dari : - Tangki berjaket berpengaduk (stirred tank reactor) - Wadah air 100 Liter - Pompa portable - Stopwatch - Air bersih - Steam 2.2 Prosedur Kerja 2.2.1



Persiapan



1. Pastikan V8, V10, V11, dan V12 dalam kondisi tertutup. 2. Buka penuh valve udara bertekanan (pengendali pneumatic). 3. Buka penuh valve V7 (fresh water).



2.2.2



Start-up



1. Pada panel pengendali, putar switch udara tekan (hitam) keposisi I dan switch utama (merah) keposisi I. 2. Pengaturan air di jaket: a. Tekan tombol ON pompa P1 pada panel pengendali. b. Buka penuh valve V9 dan tunggu sampai pembacaan Indikator konstan. Apabila sudah konstan, atur bukaan valve V7 (fresh water) hingga tinggal terbuka sedikit dan pembacaan konstan. 3. Pengaturan suhu air di jaket (proses pemanasan): a. Nyalakan Agitator. b. Buka sedikit valve V8 sebagai penyeimbang agar volume air di jaket tidak terus bertambah dengan masuknya steam.



c. Untuk pemanasan secara non isotermal, atur bukaan valve V5 steam dan bukaan valve V7 hingga tidak ada aliran masuk dan keluar sehingga proses berjalan non isothermal. d. Perhatikan PIx yang menunjukkan tekanan steam menuju ke jaket, apabila PIx menunjukkan nilai 4 psig atau safety valve berbunyi, segera buka valve V10 (di kondensat) hingga tekanan PIx berkurang. (Hatihati: Suhu Kondensat sangat panas). 4. Pengaturan suhu air di jaket (proses pendinginan): a. Tutup katup utama steam. b. Tutup valve V7 (fresh water). c. Pastikan pompa P1 dan agitator dalam posisi ON. d. Tunggu hingga suhu fluida di vessel < 10 °C suhu fluida pada jaket. g. Untuk pendinginan secara non isotermal, h. Tutup valve V7 dan Valve V9.



2.2.3



Operasi



1. Masukkan seluruh air (volume 100 L) ke dalam vessel



dari tangki



penampung menggunakan pompa yang tersedia. 2. Tekan tombol ON agitator pada panel pengendali. 3. Hidupkan stopwatch bersamaan dengan aktifnya agitator/pengaduk. 4. Catat data perubahan suhu air di jaket, suhu air di vessel dan kondisi operasi lain (laju alir air di vessel, setiap 5 menit untuk proses pemanasan atau 5 menit untuk proses pendinginan. 5. Isikan data yang diperoleh pada tabel pengamatan. 6. Hentikan pengamatan apabila suhu air di jaket dan suhu air di vessel telah seimbang atau sudah tidak bisa saling mengubah atau konstan.



2.2.4



Shut Down



1. Tutup katup utama steam. 2. Tekan tombol OFF agitator pada panel pengendali.



3. Tekantombol OFF pompa P1 pada panel pengendali. 4. Tunggu hingga suhu di jaket maupun di vessel ± 45°C. 5. Buka valve V11 dan V12 untuk membuang air di vessel. 6. Buka valve V8 untuk membuang air di jaket. 7. Putar switch utama (merah) keposisi OFF dan putar switch udara tekan (hitam) keposisi 0. 8. Tutup valve udarabertekanan (pengendali pneumatic).



2.3 Hasil Percobaan 2.3.1 Hasil Percobaan Tangki Berjaket Berpengaduk Dengan Medium Pemanas Non- Isotermal Jacket No



t (min)



Vessel



t (sec) t (°C)



t (K )



T (°C)



T (K)



1



0



0



84



357



47.5



320.5



2



5



300



66



339



50.8



323.8



3



10



600



60



333



53.7



326.7



4



15



900



56



329



54



327



5



20



1200



54



327



54



327



2.3.2 Hasil Percobaan Tangki Berjaket Berpengaduk Dengan Medium Pendingin Non-Isotermal Jacket No



t (min)



Vessel



t (sec) t (°C)



t (K )



T (°C)



T (K )



1



0



0



40



313



51.8



324.8



2



5



300



42



315



50.2



323.2



3



10



600



43



316



49.2



322.2



4



15



900



44



317



48.9



321.9



5



20



1200



44



317



48.2



321.2



6



25



1500



44



317



48.4



321.4



BAB 3 HASIL PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN



3.1 Hasil Perhitungan 3.1.1 Hasil Perhitungan Tangki Berjaket Berpengaduk Dengan Medium Pemanas Non-Isotermal No



t (min)



t (sec)



1



0



2



Jacket



Vessel



T1-t1



T1-t2



320.5



-36.5



-18.5



50.8



323.8



-15.2



-9.2



333



53.7



326.7



-6.3



-2.3



56



329



54



327



-2



0



54



327



54



327



0



1



t (°C)



t (K)



T (°C)



T (K)



0



84



357



47.5



5



300



66



339



3



10



600



60



4



15



900



5



20



1200



Jacket



Vessel



Cp (Kj/kg.K)



Cp (Kj/kg.K)



0.67954153



4.19530



1.65217391



0.50209194



2.73913043



ρ (kg/m3)



M (kg)



W(kg/s)



Mc



4.18070



991.7140



99.1714



1.515119



414.6059



4.18810



4.18202



981.2888



98.12888



1.499191



410.3769



1.00764051



4.18570



4.18318



972.1272



97.21272



1.485194



406.6583



#DIV/0!



#DIV/0!



4.18410



4.18330



971.1795



97.11795



1.483746



406.2735



0



#NUM!



4.18330



4.18330



971.1795



97.11795



1.483746



406.2735



(T1t1)/(T1-t2)



Ln((T1t1)/(T1-t2))



1.97297297



Wc



wc/mc



(k1-1)/k1



1/k1



k1



U



6.334256



0.015278



#DIV/0!



#DIV/0!



#DIV/0!



#DIV/0!



6.269647



0.015278



0.109547



0.890453



1.123024



413.9603



6.212835



0.015278



0.109924



0.890076



1.1235



411.7067



6.206956



0.015278



#DIV/0!



#DIV/0!



#DIV/0!



#DIV/0!



6.206956



0.015278



#NUM!



#NUM!



#NUM!



#NUM!



3.1.2 Hasil Perhitungan Tangki Berjaket Berpengaduk Dengan Medium Pendingin Non-Isotermal Jacket No



t (min)



Vessel



t (sec) t (°C)



t (K)



T (°C)



T (K)



T1-t1



T2-t1



1



0



0



40



313



51.8



324.8



11.8



10.2



2



5



300



42



315



50.2



323.2



8.2



7.2



3



10



600



43



316



49.2



322.2



6.2



5.9



4



15



900



44



317



48.9



321.9



4.9



4.2



5



20



1200



44



317



48.2



321.2



4.2



4.4



6



25



1500



44



317



48.4



321.4



4.4



-317



Vessel Cp (Kj/kg.K) 4.18242



ρ (kg/m3)



M (kg)



1.15686275 0.14571181



Jacket Cp (Kj/kg.K) 4.17770



1.13888889 0.13005313



4.17850



4.18178



983.1842 98.31842 1.502087



1.05084746 0.04959694



4.17890



4.18138



986.3434 98.63434 1.506914 412.4277



1.16666667 0.15415068



4.17930



4.18126



987.2911 98.72911 1.508361 412.8121



0.95454545 0.01388013



-0.04652



4.17930



4.18098



989.5025 98.95025



#NUM!



4.17930



4.18106



988.8707 98.88707 1.510775 413.4528



(T1t1)/(T2-t1)



Ln((T1t1)/(T1-t2))



W(kg/s)



Mc



978.1296 97.81296 1.494365 409.0949



1.51174



411.146



413.709



Wc



wc/mc



(k2-1)/k2



1/k2



k2



U



6.250061



0.015278



#DIV/0!



#DIV/0!



#DIV/0!



#DIV/0!



6.281398



0.015278



0.028375



0.971625



1.029204



102.895



6.300978



0.015278



0.005411



0.994589



1.00544



19.45323



6.306851



0.015278



0.011211



0.988789



1.011338



40.46355



6.320555



0.015278



-0.00254



1.002537



0.997469



-9.11519



6.31664



0.015278



#NUM!



#NUM!



#NUM!



#NUM!



3.2 Pembahasan Pada percobaan jacked vessel kali ini dilakukan dengan 2 kondisi operasi yaitu pada kondisi pemanasan dan kondisi pendinginan. Pada percobaan kali ini juga digunakan prinsip pemanasan secara non-isothermal. Pemanasan nonisothermal sendiri yaitu memanaskan air umpan yang terdapat pada vessel dengan panas dalam jaket yang terjadi secara batch ini dikarenakan tidak adanya uap panas serta air yang masuk dan keluar selama proses berlangsung maka suhu pada jaket akan terus menurun sedangkan suhu pada vessel akan terus meningkat sampai suhu keduanya menjadi konstan. Pada perconaan pertama yaitu pemanasan jumlah air umpan yang digunakan sebanyak 100 liter dan bersuhu 47,5°C yang kemudian dipanaskan dengan suhu dalam jaket sebesar 84°C. Untuk mencapai suhu mendekati konstan antara jaket dan vessel (suhu pada jaket sebesar 53°C dan suhu pada vessel sebesar 56.4°C) waktu proses yang dibutuhkan adalah selama 25 menit. Parameter suhu digunakan untuk mengetahui seberapa besar panas yang dipindahkan dari panas jaket atau yang diserap oleh umpan yang terdapat pada vessel. Suhu pada jaket, vessel dan steam diukur setiap 5 menit. Dari data yang diperoleh pada percobaan pertama ini dapat disimpulkan bahwa suhu didalam jaket akan menurun sedangkan suhu pada vessel akan meningkat. Dari data yang didapat pada percobaan juga diperoleh nilai koefisien perpindahan panas overall (U) yang lebih kecil dibandingkan dengan data teoritis yang sebesar 1420 W/m2.K (Geankoplis, 2003). Pada percobaan kedua pada kondisi pendinginan non-isothermal suhu set point yang digunakan sebesar 40ºC. Sama seperti pada percobaan pertama untuk mencapai suhu antara jaket dan vessel mendekati konstan (suhu pada jacket sebesar 44°C dan suhu pada vessel sebesar 48°C) dibutuhkan waktu selama 25 menit. Suhu vessel dan suhu steam yang diukur setiap 5 menit. Dari data yang didapatkan pada percobaan dapat disimpulkan bahwa suhu jaket akan meningkat sedangkan suhu pada vessel akan menurun. Hal ini sudah sesuai dengan literatur. Dari data yang didapat juga diperoleh nilai koefisien perpindahan panas overall



(U) yang lebih kecil dibandingkan dengan data teoritis yang sebesar 1420 W/m2.K (Geankoplis, Ed.4).



BAB 4 KESIMPULAN



Berdasarkan percobaan telah dilakukan maka dapat diperoleh kesimpulan sebagai berikut : 1. Perpindahan panas dalam tangki berjaket berpengaduk merupakan salah satu contoh proses perpindahan panas secara unsteady state dimana panas yang mengalir atau suhu pada suatu bagian atau aliran panas dan suhu tidak tetap atau bervariasi terhadap waktu. 2. Proses pengoperasian pada steam tidak boleh lebih dari 4 Psig. 3. Koefisien perpindahan panas overall untuk perpindahan panas dalam tangki



berjaket berpengaduk dalam kondisi pemanasan dan pendinginan nonisotermal didapat lebih kecil dibandingkan dengan data teoritis yaitu sebesar 1420 W/m2.K.



DAFTAR PUSTAKA



Geankoplis, Cristie John. 1983. Transport Proses and Separation Prosess Principles Fourth Editions Tim Pilot Plant. 2018. Modul praktikum pilot plant. Malang:Politeknik Negeri Malang. Laporan Praktikum Pilot Plant Stired Tank Reacktor, Anika D.M dkk. 2001. Politeknik Negeri Bandung