Laporan Praktikum Heat Exchangers [PDF]

Citation preview

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II “HEAT EXCHANGER”



Paralel: C GRUP: L 1. ALIF SEPTIARI WIBOWO



(1631010092)



2. ANNISA NUR RAHMI



(1631010110)



Tanggal Percobaan: 8 November 2018



LABORATORIUM OPERASI TEKNIK KIMIA PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL “VETERAN” JAWA TIMUR



SURABAYA 2018



HEAT EXCHANGER



BAB I PENDAHULUAN



I.1. Latar Belakang Heat exchanger merupakan alat yang dapat memindahkan panas dari satu sistem kesistem yang lain tanpa terjadi perpindahan massa dari sistem satu ke sistem lainnya. Penukar panas atau heat exchanger merupakan suatu alat yang memungkinkan perpindahan panas dan bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium pemanas yang dipakai adalah uap lewat panas (superheated steam) dan air biasa sebagai air pendingin (cooling water). Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien. Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak, baik antara fluida terdapat dinding yang memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung begitu saja. Prosedur yang dilakukan pada percobaan heat exchanger terdapat dua cara, yaitu single pass double pipe heat exchanger dan single pass shell and tube pipe heat exchanger. Panaskan air dalam tangki penampung air panas dengan temperature tertentu. Isi pipa air dan hilangkan gelembung-gelembung udara dari pipa manometer, alirkan air melalui bagian dalam pipa pada laju alir yang diinginkan. Alirkan air panas kedalam bagian shell pada tekanan tertentu. Setelah aliran dan temperature konstan (tercapai keadaan steady), lakukan pengamatan selama sedikitnya 20 menit untuk data-data berikut selama selang waktu 2 menit : waktu, pembacaan manometer, temperatur air pendingin/ air panas masuk dan keluar tekanan air panas. Ulangi percobaan dengan variasi laju alir dan temperature umpan air panas. Dalam percobaan ini bertujuan untuk mengetahui harga koefisien perpindahan panas keseluruhan (over all) pada proses pendinginan air. Untuk membandingkan nilai UD percobaan dengan UD pada literature. Untuk memtukan nilai UD berdasarkan percobaan. Aplikasi dari percobaan ini sendiri banyak digunakan dalam bidang industri kertas, industri pembangkit tenaga listrik,



PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II



2



HEAT EXCHANGER



industri kimia, untuk proses chemical plant, power plant, atau natural gas processing dan lain sebagainya.



I.2. TUJUAN 1. Untuk menentukan nilai UD berdasarkan percobaan 2. Untuk mengetahui harga koefisien perpindahan panas keseluruhan (over all) pada proses pendinginan air 3. Untuk membandingkan nilai UD percobaan dengan UD pada literature



I.3. MANFAAT 1. Agar praktikan dapat mengetahui jenis-jenis heat exchanger dan prinsip kerjanya. 2. Agar praktikan dapat mengetahui cara kerja alat single pass double pipe heat exchanger dan single pass shell and tube pipe heat exchanger. 3. Agar praktikan dapat mengetahui faktor yang mempengaruhi percobaan heat exchanger



PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II



3



HEAT EXCHANGER



BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1. Secara Umum Dalam proses industri energi panas ditransfer oleh berbagai metode, termasuk konduksi dalam pemanas resistensi listrik, konduksi-konveksi di penukar, boiler, dan kondensor, radiasi dalam tungku dan pengering panas, dan dengan metode khusus seperti pemanasan dielektrik. Seringkali peralatan beroperasi di bawah kondisi steady state, tetapi dalam banyak proses beroperasi secara siklis, seperti dalam tungku regeneratif. Dalam mendesain suatu exchanger banyak keputusan harus dibuat untuk menspesifikasi bahan konstruksi, diameter pipa, panjang pipa, jarak baffle, jumlah passes, dan lain sebagainya. Kompromi juga harus dilakukan, misalnya kecapatan fluida yang tinggi di dalam pipa kecil mengarah ke koefisien perpindahan panas yang lebih baik dan area yang dibutuhkan kecil, tetapi meningkatkan kerugian gesekan dan biaya pemompaan. Desain penukar individu dapat dioptimalkan dengan prosedur formal untuk menyeimbangkan area transfer panas dan karenanya harga peralatan dan biaya tetap terhadap biaya energi untuk memompa cairan. Namun dalam pabrik pengolahan, penukar (exchanger) adalah komponen dari jaringan peralatan pemindah panas yang kompleks, dan itu adalah jaringan, bukan unit individual, yang dioptimalkan untuk memberikan investasi minimum dan biaya operasi. (McCabe,2005) Peralatan transfer panas didefinisikan oleh fungsi yang terpenuhi dalam suatu proses. Exchanger memulihkan panas antara dua aliran proses. Uap dan air pendingin adalah utilitas dan tidak dianggap dalam arti yang sama seperti aliran proses yang dapat dipulihkan. Pemanas digunakan terutama untuk memanaskan cairan proses. Pendingin digunakan untuk mendinginkan cairan proses, air menjadi media pendingin utama. Kondensor adalah pendingin yang tujuan utamanya adalah penghilangan panas laten dari panas sensibel. Tujuan reboilers adalah untuk memasok kebutuhan panas dari proses destilasi sebagai panas laten. Evaporator digunakan untuk konsentrasi larutan oleh penguapan air. Jika ada



PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II



4



HEAT EXCHANGER



cairan lain yang diuapkan selain air, unit tersebut adalah alat penguap (evaporizer). (Kern, 1988) II.1.1 Proses Perpindahan Panas Panas adalah salah satu bentuk energi yang dapat dipindahkan dari suatu tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan sama sekali. Dalam suatu proses, panas dapat mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu suatu zat dan atau perubahan tekanan, reaksi kimia dan kelistrikan. Pada dasarnya prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu memindahkan panas dari dua fluida pada temperatur berbeda dimana transfer panas dapat dilakukan secara langsung ataupun tidak langsung. 1.



Secara kontak langsung Panas yang dipindahkan antara fluida panas dan dingin melalui permukaan kontak langsung berarti tidak ada dinding antara kedua fluida. Transfer panas yang terjadi yaitu melalui interfase / penghubung antara kedua fluida. Contoh: aliran steam pada kontak langsung yaitu 2 zat cair yang immiscible (tidak dapat bercampur), gas-liquid, dan partikel padat-kombinasi fluida.



2.



Secara kontak tak langsung Perpindahan panas terjadi antara fluida panas dan dingin melalui dinding pemisah. Dalam sistem ini, kedua fluida akan mengalir. (Paduana,2015) Cara pertukaran panas meliputi konduksi, konveksi dan radiasi. Kombinasi



konduksi dan konveksi dapat ditemukan pada semua HE, sedangkan cara radiasi tidak digunakan. Kondisi ideal untuk pertukaran panas (heat teansfer) adalah perbedaan yang besar antara produk yang dipanasi dan didinginkan (semakin besar perbedaan suhu tersebut, semakin tinggi transfer panasnya), tingginya aliran media pemanas atau media pendingin, dan luasnya kontak dari HE tersebut. Ada 2 tipe aliran dalam aliran fluida yakni laminar dan turbulent. Kondisi aliran turbulent inilah yang diinginkan sehingga proses transfer panas berjalan efektif. Hal ini karena pada aliran turbulent aktivitas molekuler dipercepat sampai fluida turbulent secara seragam, yang membuat molekul-molekul dari fluida bercampur PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II



5



HEAT EXCHANGER



dan menyerap panas lebih baik daripada aliran laminar. Pada aliran laminar mendorong terbentuknya film statis, yang berfungsi sebagai isolator. Sedangkan pada aliran turbulent mengurangi ketebalan film statis, dan meningkatkan kecepatan transfer panasnya. (Bentra,2015) Mekanisme yang digunakan untuk mengalirkan panas adalah : 1.



Konduksi Merupakan perpindahan panas antara molekul-molekul yang saling berdekatan antar yang satu dengan yang lainnya dan tidak diikuti oleh perpindahan molekul-molekul tersebut secara fisik. Molekul-molekul benda yang panas bergetar lebih cepat dibandingkan molekul-molekul benda yang berada dalam keadaan dingin. Getaran-getaran yang cepat ini, tenaganya dilimpahkan kepada molekul di sekelilingnya sehingga menyebabkan getaran yang lebih cepat maka akan memberikan panas.



2.



Konveksi Perpindahan panas dari suatu zat ke zat yang lain disertai dengan gerakan partikel atau zat tersebut secara fisik.



3.



Radiasi Perpindahan panas



tanpa melalui media (tanpa melalui molekul). Suatu



energi dapat dihantarkan dari suatu tempat ke tempat lainnya (dari benda panas ke benda yang dingin) dengan pancaran gelombang elektromagnetik dimana tenaga elektromagnetik ini akan berubah menjadi panas jika terserap oleh benda yang lain. (Paduana,2015) II.1.2 Klasifikasi Penukar Panas Terdapat banyak sekali jenis-jenis alat penukar kalor. Maka untuk mencegah timbulnya kesalah pahaman alat penukar kalor dikelompokan berdasarkan fungsinya menjadi : 1. Condenser Condenser merupakan alat penukar panas yang digunakan untuk mendinginkan fluida sampai terjadi perubahan fase dari fase uap menjadi fase cair. Media PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II



6



HEAT EXCHANGER



pendingin yang dipakai biasanya air sungai atau air laut dengan suhu udara luar. 2. Chiller Chiller merupakan alat penukar panas yang digunakan untuk mendinginkan (menurunkan suhu) cairan atau gas pada temperatur yang sangat rendah. Temperatur pendingin di dalam chiller jauh lebih rendah dibandingkan dengan pendinginan yang dilakukan oleh pendingin air. Media pendingin yang digunakan antara lain freon. 3. Reboiler Reboiler merupakan alat penukar panas yang bertujuan untuk mendidihkan kembali serta meenguapkan sebagian cairan yang diproses. Media pemanas yang digunakan antara lain uap (steam) dan minyak (oil). Alat penukar panas ini digunakan pada peralatan distilasi. 4. Cooler Cooler adalah alat penukar panas yang digunakan untuk mendinginkan (menurunkan suhu) cairan atau gas dengan menggunakan air sebagai media pendingin. Dengan perkembangan teknologi saat ini, media pendingin cooler menggunakan udara dengan bantuan kipas (fan). 5. Heat Exchanger Heat Exchanger (HE) adalah alat penukar panas yang bertujuan memanfaatkan panas suatu aliran fluida untuk pemanasan aliran fluida yang lain. Dalam hal ini terjadi 2 fungsi sekaligus, yaitu memanaskan fluida yang dingin dan mendinginkan fluida yang panas 6. Heater Heater merupakan alat penukar kalor yang bertujuan memanaskan (menaikkan suhu) suatu fluida proses dengan menggunakan media pemanas. Media pemanas yang biasa digunakan antara lain uap atau fluida panas lain. 7. Thermosiphon dan Forced Circulation Reboiler Thermosiphon reboiler merupakan reboiler dimana terjadi sirkulasi fluida yang akan dididihkan dan diuapkan dengan proses sirkulasi alamiah (natural circulation). Sedangkan Forced Circulation Reboiler adalah reboiler yang PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II



7



HEAT EXCHANGER



sirkulasi fluida terjadi akibar adanya pompa sirkulasi sehingga menghasilkan sirkulasi paksaan (forced circulation). 8. Steam Generator Alat ini sering disebut sebagai ketel uap dimana terjadi pembentukan uap dalam unit pembangkit. Panas hasil pembakaran bahan bakar dalam ketel dipindahkan dengan cara konveksi, konduksi dan radiasi. Berdasarkan sumber panasnya, steam generator dibagi 2 macam, yaitu Steam generator tipe pipa air dan Steam generator tipe pipa api 9.



WHB (Waste Heat Boiler) WHB adalah alat penukar panas sejenis dengan ketel uap tetapi memiliki perbedaan pada sumber panas yang digunakan. Sumber panas pada ketel uap yaitu hasil pembakaran bahan bakar sedangkan sumber panas pada WHB yaitu memanfaatkan panas dari gas asap pembakaran atau cairan panas yang diperoleh dari reaksi kimia.



10. Superheater Alat penukar panas jenis ini digunakan untuk mengubah uap basah (saturated steam) pada steam generator (ketel uap) menjadi uap kering (superheated steam). 11. Evaporator Evaporator adalah alat penukar panas yang digunakan untuk menguapkan cairan yang ada pada larutan sehingga diperoleh larutan yang lebih pekat (mother liquor). 12. Vaporizer Alat penukar panas ini digunakan untuk menguapkan suatu cairan sehingga fasenya berubah dari cair menjadi gas. 13. Ekonomizer Ekonomizer (disebut juga pemanas air pengisi ketel uap) digunakan untuk menaikkan suhu air sebelum air masuk ke dalam ketel uap. Tujuannya untuk meringankan beban ketel. (Agustin,2011)



PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II



8



HEAT EXCHANGER



Klasifikasi penukar panas susunan aliran fluida di sini adalah berapa kali fluida



mengalir



sepanjang



penukar



kalor



sejak



saat



masuk



hingga



meninggalkannya serta bagaimana arah aliran relatif antara kedua fluida (apakah sejajar/parallel, berlawanan arah/counter atau bersilangan/cross). a) Pertukaran panas dengan aliran searah (co-current/parallel flow) Apabila arah aliran dari kedua fluida di dalam penukar kalor adalah sejajar. Artinya kedua fluida masuk pada sisi yang satu dan keluar dari sisi yang lain mengalir dengan arah yang sama. Karakter penukar panas jenis ini temperatur fluida yang memberikan energi akan selalu lebih tinggi dibanding yang menerima energi sejak mulai memasuki penukar kalor hingga keluar.



Gambar 2.1. Grafik Co-Current b) Pertukaran panas dengan aliran berlawanan arah (counter current / flow) Bila kedua fluida mengalir dengan arah yang saling berlawanan dan keluar pada sisi yang berlawanan. Pada tipe ini masih mungkin terjadi bahwa temperatur fluida yang menerima panas (temperatur fluida dingin) saat keluar penukar kalor (T4) lebih tinggi dibanding temperatur fluida yang memberikan kalor (temperatur fluida panas) saat meninggalkan penukar kalor.



PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II



9



HEAT EXCHANGER



Gambar 2.2. Grafik Counter-Current c ) Pertukaran panas dengan aliran silang ( cross flow ) Artinya arah aliran kedua fluida saling bersilangan. Contoh yang sering kita lihat adalah radiator mobil dimana arah aliran air pendingin mesin yang memberikan energinya ke udara saling bersilangan. Apabila ditinjau dari efektivitas pertukaran energi, penukar kalor jenis ini berada diantara kedua jenis di atas. Dalam kasus radiator mobil, udara melewati radiator dengan temperatur rata-rata yang hampir sama dengan temperatur udara lingkungan kemudian memperoleh panas dengan laju yang berbeda di setiap posisi yang berbeda untuk kemudian bercampur lagi setelah meninggalkan radiator sehingga akan mempunyai temperatur yang hampir seragam.



Gambar 2.3. Cross-Flow (Andini,2015) II.1.3. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi/Menentukan dalam Pemilihan Heat Exchanger : 1.



Temperatur strains = thermal strains Pemuaian logam selama menerima panas dapat mengakibatkan penyempitan pipa. Hal tersebut terjadi karena ada ∆T yang cukup drastic dan shell tidak



PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II



10



HEAT EXCHANGER



sama pemuaiannya, maka batasan yang dipakai : jika ∆T antara shell & tube max = 500F → boleh dipakai. 2.



Tube size, pitch & shell size Ukuran standart (table 9 Kern/842) Standart panjang tube : 8ft ; 12ft ; 16ft ;20 ft Standart diameter tube : ⅝" ; ¾" ; 1" ;1½" Yang paling banyak dipakai : ¾" & 1". Biasanya shell dibuat dengan tebal ⅜" untuk ID shell 12 – 24 inch kecuali jika fluidanya sangat korosif & tekanan operasi besar ( >300 psig). Over design : bila Rd hitung >>> Rd ketentuan, maka alat dapat dipakai tapi mahal. Diharapkan : Rd hitung ≈ Rd ketentuan Under design : Rd hitung