TUGAS PAPP ALAT EVAPORATOR DAN VAPORIZER
KELOMPOK : 2
Nor Hidayah
( H1D113002 )
Adya Faurina
( H1D113010 )
Zahratunnisa
( H1D113013 )
Norhasanah
( H1D113025 )
Anisa Purwanti
( H1D113027 )
Khairul Fauziah Hanisa
( H1D113030 )
Eka Pramita
( H1D113037 )
Annisa Ayu Fitria
( H1D113041 )
Dinda Dewi Yulimasita
( H1D113046 )
Kurnia Sandy Ari K.
( H1D113034 )
PROGRAM STUDI S-1 TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMBUNG MANGKURAT BANJARBARU
2015
1.
Evaporator
1.1
Pengertian Evaporator
Evaporator adalah sebuah alat yang berfungsi mengubah sebagian atau keseluruhan sebuah pelarut dari sebuah larutan dari bentuk cair menjadi uap. Evaporator mempunyai dua prinsip dasar, untuk menukar panas dan untuk memisahkan uap yang terbentuk dari cairan. Evaporator umumnya terdiri dari tiga bagian, yaitu penukar penuk ar panas, bagian evaporasi (tempat di mana cairan mendidih lalu menguap), dan pemisah untuk memisahkan uap dari cairan lalu dimasukkan ke dalam kondenser (untuk diembunkan/kondensasi) atau ke peralatan lainnya. Hasil dari evaporator (produk yang diinginkan) biasanya dapat berupa padatan atau larutan berkonsentrasi. Larutan yang sudah dievaporasi bisa saja terdiri dari beberapa komponen volatil (mudah menguap). Evaporator biasanya digunakan dalam industri kimia dan industri makanan. Pada industri kimia, contohnya garam diperoleh dari air asin jenuh (merupakan contoh dari proses pemurnian) dalam evaporator. Evaporator mengubah air menjadi uap, menyisakan residu mineral di dalam evaporator. Uap dikondensasikan menjadi air yang sudah dihilangkan garamnya. Pada sistem pendinginan, efek pendinginan diperoleh dari penyerapan panas oleh cairan pendingin yang menguap dengan cepat (penguapan membutuhkan energi panas). Evaporator juga digunakan untuk memproduksi air minum, memisahkannya dari air laut atau zat kontaminasi lain. Evaporator merupakan alat yang digunakan untuk 1.
Memproses cairan encer sampai menjadi cairan pekat (untuk industri susu sampai kadar padatan sekitar 50%)
2.
Proses ini dibatasi oleh kekentalan cairan ataupun kemungkinan terjadinya pengendapan karena larutan terlalu pekat.
3.
1.2
Kebutuhan panas untuk penguapan air relatif Iebih sedikit.
Prinsip Kerja Evaporator
Prinsip kerja evaporator didasarkan pada perbedaan titik didih yang sangat besar antara zat-zat yang yang terlarut dengan pelarutnya yaitu dengan penambahan
1
kalor atau panas untuk memekatkan suatu larutan yang terdiri dari zat terlarut yang memiliki titik didih tinggi dan zat pelarut yang memiliki titik didih lebih rendah sehingga dihasilkan larutan yang lebih pekat serta memiliki konsentrasi yang tinggi. 1.
Pemekatan larutan didasarkan pada perbedaan titik didih yang sangat besar antara zat-zatnya.
2.
Titik didih cairan murni dipengaruhi oleh tekanan.
3.
Dijalankan pada suhu yang lebih rendah dari titik didih normal.
4.
Titik didih cairan yang mengandung zat tidak mudah menguap (misalnya: gula) akan tergantung tekanan dan kadar zat tersebut.
5.
Beda titik didih larutan dan titik didih cairan murni disebut kenaikan titik didih (boiling ). ).
1.3
Tipe – Tipe Tipe Evaporator
Evaporator dibedakan dalam beberapa tipe, antara lain : a.
Berdasarkan Banyak Proses
Evaporator efek tunggal ( single single effect ) Yang dimaksud dengan single dengan single effect adalah adalah bahwa produk hanya melalui satu buah ruang penguapan dan panas diberikan oleh satu luas permukaan pindah panas.
Evaporator efek ganda Proses penguapan bahan dapat digunakan dua, tiga, empat atau lebih dalam sekali proses, inilah yang disebut dengan evaporator efek majemuk. Penggunaan evaporator efek majemuk berprinsip pada penggunaan uap yang dihasilkan dari evaporator sebelumnya. Tujuan penggunaan evaporator efek majemuk adalah untuk menghemat panas secara keseluruhan, hingga akhirnya dapat mengurangi ongkos produksi. Pada evaporator efek majemuk ada 3 macam penguapan, yaitu : - Evaporator Pengumpan Muka ( Forward-feed Forward-feed ) - Evaporator Pengumpan Belakang ( Backward-feed Backward-feed ) - Evaporator Pengumpan Sejajar ( Parallel-feed Parallel-feed )
2
b.
Berdasarkan Bentuk
Evaporator Sirkulasi Alami/paksa Evaporator sirkulasi alami bekerja dengan memanfaatkan sirkulasi yang terjadi akibat perbedaan densitas yang terjadi akibat pemanasan. Pada evaporator tabung, saat air mulai mendidih, maka buih air akan naik ke permukaan dan memulai sirkulasi yang mengakibatkan pemisahan liquid dan uap air di bagian atas dari tabung pemanas. Jumlah evaporasi bergantung dari perbedaan
temperatur
uap
dengan
larutan.
Sering
kali
pendidihan
mengakibatkan sistem kering, Untuk menghidari hal ini dapat digunakan sirkulasi paksa, yaitu dengan manambahkan pompa untuk meningkatkan tekanan dan sirkulasi sehingga pendidihan tidak terjadi.
Falling Film Evaporator Evaporator ini berbentuk tabung panjang (4-8 meter) yang dilapisi dengan jaket uap ( steam jacket ). Distribusi larutan yang seragam sangat penting. Larutan masuk dan memperoleh gaya gerak karena arah larutan yang menurun. Kecepatan gerakan larutan akan mempengaruhi karakteristik medium pemanas yang juga mengalir menurun. Tipe ini cocok untuk menangani larutan kental sehingga sering digunakan untuk industri kimia, makanan, dan fermentasi.
c.
Rising Film ( Long Tube Vertical ) Evaporator Pada evaporator tipe ini, pendidihan berlangsung di dalam tabung dengan sumber panas berasal dari luar tabung (biasanya uap). Buih air akan timbul dan menimbulkan sirkulasi.
Plate Evaporator Mempunyai luas permukaan yang besar, Plate biasanya tidak rata dan ditopangoleh bingkai ( frame). Uap mengalir melalui ruang-ruang di antara plate. Uap mengalir secara co-current dan counter current terhadap larutan. Larutan dan uap masuk ke separasi yang nantinya uap akan disalurkan ke condenser. Eveporator jenis ini sering dipakai pada industri susu dan
3
fermentasi karena fleksibilitas ruangan. Tidak efektif untuk larutan kental dan padatan.
Multi stage Evaporator Menggunakan uap untuk dipakai pada tahap berikutnya. Semakin banyak tahap maka semakin rendah konsumsi energinya. Biasanya maksimal terdiri dari tujuh tahap, bila lebih seringkali ditemui biaya pembuatan melebihi penghematan energi. Ada dua tipe aliran, aliran maju dimana larutan masuk dari tahap paling panas ke yang lebih rendah, dan aliran mundur yang merupakan kebalikan dari aliran maju. Cocok untuk menangani produk yang sensitive terhadap panas seperti enzim dan protein.
Horizontal-tube Evaporator Evaporator horisontal-tabung merupakan pengembangan dari panci terbuka, di mana panci tertutup dalam, umumnya dalam silinder vertikal. Tabung pemanas disusun dalam bundel horisontal direndam dalam cairan di bagian bawah silinder. Sirkulasi cairan agak miskin dalam jenis evaporator.
Vertikal-tube Evaporator Dengan menggunakan tabung vertikal, sirkulasi alami dari cairan dipanaskan dapat dibuat untuk memberikan transfer panas yang baik.
d.
Berdasarkan Metode Pemanasan
Submerged combustion evaporator , evaporator yang dipanaskan oleh api yang menyala di bawah permukaan cairan, dimana gas yang panas bergelembung melewati cairan.
Direct fired evaporator , evaporator dengan pengapian langsung dimana api dan pembakaran gas dipisahkan dari cairan mendidih lewat dinding besi atau permukaan untuk memanaskan.
Steam heated evaporator , evaporator dengan pemanasan stem dimana uap atau uap lain yang dapat dikondensasi adalah sumber panas dimana uap terkondensasi di satu sisi dari permukaan pemanas dan panas ditranmisi lewat dinding ke cairan yang mendidih.
4
e.
Berdasarkan Konstruksinya
Jenis pipa bersirip ( finned tube) Evaporator jenis finned , maka hanya pipa refrijeran yang disebut permukaan primer, sedangkan finned -nya disebut sebagai evaporator permukaan sekunder. Finned hanya berfungsi menangkap udara disekitarnya dan mengubungkannya ke pipa refrijeran. Evaporator jenis finned adalah evaporator bare-tube tetapi dilengkapi dengan sirip-sirip yang terbuat dari plat tipis alumunium yang dipasang disepanjang pipa untuk menambah luas permukaan perpindahan panas. Sirip-sirip alumunium ini berfungsi sebagai permukaan transfer panas sekunder. Jarak antar sirip disesuaikan dengan kapasitas evaporator, biasanya berkisar antara 40 sampai 500 buah sirip per meter. Evaporator untuk keperluan suhu rendah, jarak siripnya berkisar 80 sampai 200 sirip per meter. Untuk keperluan suhu tinggi, seperti room AC, jarak fin berkisar 1,8 mm.
Jenis pipa polos (tube) Evaporator jenis bare-tube, terbuat dari pipa baja atau pipa tembaga. Penggunaan pipa baja biasanya untuk evaporator berkapasitas besar yang menggunakan ammonia. Pipa tembaga biasa digunakan untuk evaporator berkapasitas rendah dengan refrijeran selain ammonia. Evaporator jenis Bare tube dan plate-surface dapat dikelompokkan sebagai evaporator permukaan primer, di mana permukaan untuk transfer panas mempunyai kontak langsung dengan refrijeran cair yang menguap di dalamnya. Kalau evaporator Baretube dan plate-surface lazim digunakan untuk keperluan pendinginan air dan pendnginan udara yang suhunya di bawah 1°C. Akumulasi bunga es pas permukaan evaporator tidak dapat dicegah. Oleh karena itu perlu diupayakan untuk menghilangkan bunga es di permukaan evaporator.
Jenis shell and tube (tipe cangkang) Tipe shell and tube digunakan untuk pendinginan tidak langsung dimana refigeran mendidih di dalam pipa dan air sebagai fluida pendingin mengalir di luar pipa dan masih di dalam cangkang (Holman 1991). Laluan pipa di dalam
5
tabung dibuat berselang seling yang tujuannya untuk meningkatan koefisien perpindahan panas evaporator.
Jenis pelat permukaan ( plate-surface) Evaporator permukaan plat atau plate-surface dirancang dengan berbagai jenis. Beberapa diantaranya dibuat dengan menggunakan dua plat tipis yang dipres dan dilas sedemikian sehingga membentuk alur untuk mengalirkan refrijean cair.
1.4
Metodologi Perancangan
Pada disain evaporator ini menggunakan disain evaporator jenis tabung dan pipa ( shell and tube) dimana refrigerant mendidih di dalam pipa dan air sebagai fluida pendingin mengalir di luar pipa dan masih di dalam cangkang. Laluan pipa di dalam tabung dibuat berselang-seling yang tujuannya untuk meningkatkan nilai perpindahan panas pada evaporator ini. Data awal yang diperlukan dalam disain evaporator adalah: 1. Kapasitas refrigerasi rancangan; 2. Jenis refrigerant yang digunakan untuk menganalisis tingkat keadaan termodinamik di evaporator; 3. Temperatur evaporasi refrigerant; 4. Temperatur dan kecepatan air memasuki evaporator.
*Kecepatan refrigerant Pipa evaporator yang digunakan dalam perancangan ini adalah pipa tembaga dan dimensinya akan diasumsikan berdasarkan ukuran pipa tembaga yang tersedia di pasaran kemudian dianalisa berdasarkan data pada tabel 1 berikut ini: Tabel 1 Kecepatan aliran refrigerant yang dianjurkan Refrigeran
Amoniak
Kecepatan refrigerant (m/s) Cair
Saluran hisap
Kondensor
0,51-1,27
20,32-25,40
25,4-30,48
6
R-12
0,41-0,51
7,62-9,14
9,14-11,43
R-22
0,51-0,64
7,62-9,14
9,14-11,43
R-502
0,51-0,64
7,62-9,14
9,14-11,43
Air
0,51-1,27
0,15-0,25
9,14-11,43
Kecepatan aliran refrigerant di evaporator dihitung dengan persamaan: Vref =
∗
Beda Temperatur Rata-Rata Logaritmik (LMTD) Temperatur air keluar evaporator dihitung dengan persamaan: Qc=mwxC pwx∆
*Penguapan Refrigeran Aliran refrigerant didalam evaporator merupakan aliran dua fase. Pada saat memasuki evaporator, persentase uap refrigerant rendah tetapi pada saat memasuki bagian lebih dalam lagi persentase uapnya meningkat sehingga kecepatan alirannya juga meningkat. Penguapan refrigerant tersebut disertai perpindahan panas dari lingkungan ke dalam refrigerant, yang mana prosesnya sangat rumit dan kompleks. Tabel 2 Penguapan Refrigeran
Koefisien panas penguapan, h b diperoleh:
3,96
= 2,253(∆x)
2
W/m
Untuk 0,2 < p < 0,7 Mpa
4/3
3,96
= 2,253p (∆x)
2
W/m
7
Kapasitas refrigerant rata-rata dihitung dengan rumus Qm=mref x hfg(
1+ 2
)
*Konveksi Paksa pada Sisi Air Pipa evaporator disusun dengan pola selang-seling ( staggered ) dengan jarak antar pipa sedemikian rupa. Koefisien perpindahan panas konveksi sisi air evaporator, dihitung dengan menggunakan sifat-sifat termofisik air pada temperatur rata-rata, sehingga kecepatan air pada kotak evaporator tanpa pipa adalah: Vmax = (
−0
)x Vw
Koefisien konveksi rata-rata pada sisi air dihitung menggunakan persamaan Zhukauskas: h0 = C x C2 x
m
max
x Re D
0,36
x Pr x (
Pr 1/4 )
*Faktor Pengotoran Pengoperasian normal dari evaporator sebagai suatu penukar kalor, sering mengalami pengotoran akibat pengotor (impurities) dalam fluida kerja atau terbentuknya karat pada pipa. Terbentuknya lapisan pengotor pada permukaan pipa meningkatkan tahanan perpindahan panas diantara dua fluida kerjanya. Efek tersebut akan ditanggulangi dengan menambahkan tahanan termal pada saat disain, yang sering disebut faktor pengotoran ( fouling factor ) seperti ditunjukkan pada Tabel 3. Tabel 3 Faktor pengotoran beberapa fluida kerja
8
*Koefisien perpindahan panas total Perpindahan panas yang terjadi di dalam evaporator mencakup tiga proses, yaitu penguapan refrigeran di bagian dalam pipa, yaitu konveksi paksa dibagian luar pipa, proses konduksi pada dinding pipa. Tahanan termal total pipa evaporator ditentukan dengan mengevaluasi koefisien perpindahan panas total (U), yaitu dengan persamaan: 1
=
ℎ
+
. "
+ + R” f,o+
1 ℎ
*Luas Permukaan dan Panjang Pipa Evaporator Luas permukaan perpindahan panas dapat dihitung: A0 =
∆
Panjang pipa tembaga yang diperlukan untuk evaporator adalah: Ltot =
0
Untuk mendapatkan hasil disain yang memuaskan maka perhitungan di atas dapat diulang kembali untuk dicocokkan dengan asumsi awal (diiterasi).
1.5
Hasil dan Pembahasan
Kapasitas refigerasi rancangan (Q evaporator) ditetapkan sebesar 7000 Btu/h, pada temperatur evaporasi 5°C. Refrigeran yang digunakan untuk menganalisis tingkat keadaan termodinamik di evaporator menggunakan R22. Air memasuki evaporator pada kecepatan maksimum 1000 liter/jam, dengan temperatur air masuk 27°C. Pada desain ini digunakan adalah evaporator jenis tabung dan pipa (shell and tube) dimana refrigeran mendidih di dalam pipa dan air sebagai fluida pendingin mengalir di luar pipa dan masih di dalam cangkang. Ukuran pipa yang dipilih sesuai tabel 1 dengan memperhatikan kecepatan refrigeran di dalam evaporator adalah pipa tembaga berdiameter 3/8 in, dimana: Di = 8mm, Do=9,5 mm, luas penampang dalam 2
0,7088 cm , dengan k = 401 W/mK.
9
Diagram P-h asumsi perancangan dapat dilihat pada Gambar 1
Data termodinamik dan termofisik perancangan menggunakan tabel sifat-sifat termodinamika
R-22
sebagai
refrigeran,
data
perancangan
hasil
analisis
termodinamika dapat dilihat pada Tabel 4. Distribusi temperatur air-refrigeran di evaporator dapat dilihat pada Gambar 2 dibawah ini:
Temperatur permukaan evaporator diasumsikan sekitar Ts = 8°C. ukuran basah 2
penampang kotak evaporator adalah (0,36 × 0,36) m Sebagai data awal perancangan ditetapkan: Tekanan Evaporasi = 583,78 kPa [Te= 5°C] Tekanan Kondensasi = 1729 kPa [Tk = 45°C]
10
Tabel 4 Data Perancangan Hasil Analisis Termodinamika
Proses termodinamika di dalam kompresor terjadi secara isentropik dari tingkat 1 ke tingkat keadaan 2, s1=s2= 1,74463 (kJ/kgK), maka untuk mencari h2 dan v2 dapat dicari dengan interpolasi. Dari analisa tingkat keadaan termodinamika siklus kompresi uap pada gambar 4 diperoleh: 1. Kapasitas refrigerasi (QQ) 2,0516 kW -3
2. Laju aliran massa refrigeran (mref ) = 13,7 × 10 kg/s 3. Daya kompresor (Wk ) = 0,7 HP Kompresor yang digunakan adalah jenis hermetik dengan daya 1 HP 4. Koefisien Prestasi (COP) = 3,9 5. Laju aliran panas yang dibuang kondensor (Qk ) = 2,58 kW
11
Skema aliran air di evaporator dapat dilihat pada Gambar 3 dibawah ini:
Rekapitulasi hasil desain evaporator: 1. Evaporator, menggunakan pipa tembaga ukuran diameter 3/8 in yang disusun sedemikian rupa dalam bentuk laluan dengan panjang satu laluan adalah 31 cm maka jumlah laluan seluruhnya adalah 66 laluan dan disusun dalam 11 tingkat dengan jumlah laluan pertingkat adalah 6. Data hasil perancangan evaporator 2. Temperatur permukaan , Ts adalah 9,17 °C 2
3. Luas total permukaan pipa, Ao adalah 0,6175 m 4. Panjang total pipa, L adalah 20,69 m
2
5. Koefisien konveksi rata-rata sisi evaporator h0= 219,018 W/m °C 2
6. Koefisien perpindahan kalor total, U0= 172,7496 W/m °C
Gambar 4 dibawah ini menunjukkan disain evaporator pipa polos
12
Kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini adalah: 1. Data awal dalam desain evaporator ini adalah: kapasitas refrigerasi rancangan, jenis refrigeran yang digunakan untuk menganalisis tingkat keadaan termodinamik di evaporator, temperatur evaporasi, temperatur dan laju massa air memasuki evaporator. 2. Dimensi hasil desain evaporator jenis shell and tube: Tabel 5 Hasil Desain Evaporator Jenis Shell and Tube
2.
Vaporizer
2.1
Pengertian Alat Penukar Panas
Alat penukar kalor adalah suatu alat yang memungkinkan perpindahan panas dan bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium pemanas dipakai uap lewat panas (super heated 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
memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung begitu saja.
13
dinding
yang
Perpindahan panas pada alat penukar kalor biasanya melibatkan konveksi masing-masing fluida dan konduksi sepanjang dinding yang memisahkan kedua fluida. Laju perpindahan panas antara kedua fluida pada alat penukar kalor bergantung pada besarnya perbedaan temperatur pada lokasi tersebut, dimana bervariasi sepanjang alat penukar kalor. Berdasarkan kontak dengan fluida, alat penukar kalor tersebut dapat dibedakan menjadi dua macam, antara lain alat penukar kalor kontak langsung dan alat penukar kalor kontak tak langsung. Pada alat penukar kalor kontak langsung, fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin (tanpa adanya pemisah) dalam suatu bejana atau ruangan. Salah satu contohnya adalah deaerator . Deaerator adalah alat yang bekerja untuk membuang gas-gas yang terkandung dalam air ketel, sesudah melalui proses pemurnian air (water treatment ). Sedangkan pada alat penukar kalor kontak tak langsung, fluida panas tidak berhubungan langsung (indirect contact ) dengan fluida dingin. Jadi proses perpindahan panasnya itu mempunyai media perantara, seperti pipa, plat, atau peralatan jenis lainnya. Salah satu contohnya adalah kondensor. Berdasarkan tipe aliran di dalam alat penukar panas ini, ada 4 macam aliran yaitu : a) Counter current flow (aliran berlawanan arah) b) Paralel flow/co current flow (aliran searah) c) Cross flow (aliran silang) d) Cross counter flow (aliran silang berlawanan) Selain itu, alat enukar kalor ini juga memiliki 4 jenis antara lain:
Turbular Heat Excharger Plate Heat Excharger Shell and Tube Heat Excharger Jacketed Vessel Menurut pendapat Sitompul (1993), alat penukar kalor adalah suatu peralatan
di mana terjadi perpindahan panas dari suatu fluida yang temperaturnya lebih tinggi kepada fluida lain yang temperaturnya lebih rendah atau sebaliknya. Klasifikasi peralatan penukar dapat panas didasarkan pada proses perpindahan panas, jumlah
14
fluida yang mengalir, kompak tidaknya luas permukaan, mekanisme perpindahan panas, konstruksi bahan, tipe pelat, dan juga pengaturan aliran. Ada banyak jenis jenis alat penukar panas, salah satunya adalah vaporizer.
2.2
Pengertian Vaporizer
Vaporizer adalah suatu perangkat yang digunakan untuk mengektraksi suatu bahan dimana bahan yang diperoleh berupa uap. Uap dapat diekstraksi dengan cara memanfaatkan semua kaca pemanas, ekstraksi, dan sebuah ruang ekstraksi venturi berurutan. Sebuah vaporizer memanaskan bahan dalam vakum parsial sehingga senyawa aktif yang terkandung dalamnya menjadi uap. Tidak terjadi pembakaran, sehingga tidak ada asap. Uap air idealnya tidak mengandung partikel lain dan secara signifikan menurunkan konsentrasi gas beracun seperti karbon monoksida. Uap air diekstraksi dalam berbagai bentuk didalam bilik-bilik ekstraksi yang termasuk lubang lurus, venturi atau venturi urutan, dan yang dibuat dari bahan-bahan yang berbeda termasuk logam dan kaca. Uap air yang diekstraksi kemudian adalah menghisap secara langsung melalui suatu selang atau pipa yang termasuk uap air untuk keaktifan yang paling tinggi. Pada vaporizer tidak ada asap dihasilkan, suhu-suhu lebih dingin, dan lebih sedikit bahan yang diperlukan untuk mencapai tingkat tertentu. Secara umum vaporizer digunakan untuk menguapkan cairan. Yang membedakan vaporizer dengan evaporator adalah dimana evaporator berfungsi untuk memekatkan suatu larutan dengan cara menguapkan airnya, sedangkan vaporizer berfungsi untuk memekatkan suatu larutan dengan cara menguapkan cairan selain air. Uap yang dihasilkan dari vaporizer digunakan untuk proses kimia, bukan sebagai sumber panas seperti halnya steam pada boiler . Vaporizer menggunakan elemen pemanas listrik, sering kali disertai Thermostatic pengatur suhu. Harga vaporizer yang berkualitas tinggi sangat mahal, mencapai beberapa ratus dolar AS. Dalam pemanasan secara konduksi, substansi ditempatkan pada pelat logam yang kemudian dipanaskan untuk melepaskan
15
konstituen aktif. Konduksi vaporizer merupakan jenis pertama muncul yang dipasaran, dan masih di produksi. Di dalam pemanasan konveksi, substansi tidak pernah menyentuh suatu unsur pemanasan. Sebaliknya, udara melalui pemanasan dengan cepat, dan membiarkan pelepasan; pembebasan dari unsur-unsur yang aktif. Metoda tentang pemanasan membebaskan unsur-unsur lebih aktif dibanding pemanasan secara konduksi. Suatu vaporizer atau vaporisasi menggunakan tiang penyangga yang terbuat dari kaca, ketika dihubungkan dengan wadah pada banyak pipa atau pipa air, atau ketika dihubungkan dengan sebuah wadah pada ruang vaporisasi khusus memungkinkan kita menarik udara untuk melewati permukaan pemanas kaca kemudian memanaskan udara melalui substrat dalam wadah tersebut sedangkan uap diekstrak dan kemudian melewati pipa, sering kali dengan air atau air dingin. Banyak vaporizer menggunakan tube, dimana dapat menghisap udara. Beberapa vaporizer memiliki suatu tambahan kantong atau balon; uap dimasukkan ke dalam kantong. Tambahan-tambahan dapat ditempatkan antara vaporizer atau kantong. Vaporizer yang baik yaitu udara yang secara aktif masuk melalui elemen pemanas, atau jenis pasif, di mana pengguna menghirup udara tanpa bantuan fan atau pompa. Sebagian besar vaporizer menggunakan prinsip konveksi. Dalam pemanasan secara radiasi, substansi terkena cahaya terang. Substansi menyerap energi radiasi dan suhu naik. Vaporizer secara radiasi masih sangat jarang, tetapi mampu menggandakan kinerja vaporizer secara konveksi. Contoh vaporizer secara radiasi yaitu sebuah pipa dan kaca pembesar yang diletakkan pada siang hari kemudian akan menyerap udara. Beberapa studi atau tinjauan mengenai vaporizer sudah benar-benar menunjukan kualitas uap yang diekstrak; sebaliknya, pada umumnya berada di modus penggunaan vaporizer. Karena sebagian besar vaporizer komersial lambat dalam pengambilan dan pengiriman, menghisap uap pertama aromatik, tetapi hanya sedikit yang aktif, dan kemudian sebagai bahan mengalami kenaikan suhu, uap menjadi semakin bio-aktif, tapi minimal aromatik, karena sebagian besar telah aromatik.
16
Masalah ini ditujukan di dalam penguapan yang modular didasarkan pada sistem dengan menggunakan suatu efek venturi yang urutan untuk ekstraksi-ekstraksi lebih cepat melalui suatu chamber dan penguapan memanaskan tongkat atau bedil bahang dan ditujukan dalam beberapa kotak vaporizer melalui suatu venturi yang mempengaruhi daya hisap ekstraksi. Dengan chamber penguapan mendekati banyak pipa yang umum secara sederhana dapat mempermudah transfer uap air pada spektrum yang lebih luas yang lebih disukai oleh banyak para pemakai dan yang lebih tinggi di dalam pemusatan, konsistensi, dan densitas berbau harum karena yang ditingkatkan tingkat ekstraksi dan ukuran contoh lebih kecil. Vaporizer yang menampilkan sistem berbasis ekstraksi dan transfer cepat dikombinasikan dengan air dan air es dan pengkondisian dari uap dengan menjalankan melalui pipa air, mendinginkan dan uap air moisturized untuk bio-aktivitas yang dimaksimalkan dan memperkecil dampak.
2.3
Prinsip Umum Vaporizer
Prinsip umum dari vaporizer cairan diumpankan ke dalam vaporizer kemudian dipanaskan dengan suatu media pemanas (umpan tidak kontak langsung dengan media pemanas). Biasanya tidak semua umpan dapat teruapkan dengan sempurna. Produk yang dihasilkan (uap dan cairan) dipisahkan dalam suatu tangki pemisah. Uap yang dihasilkan kemudian digunakan untuk proses selanjutnya, cairan yang tidak menguap di recycle kembali.
2.4
Tipe-Tipe Vaporizer
Ada beberapa jenis dari vaporizer berdasarkan sirkulasinya yaitu vaporizer dengan sirkulasi paksa dan vaporizer dengan sirkulasi alamiah. Berikut akan dijelaskan mengenai kedua jenis vaporizer berdasarkan sirkulasi. a) Vaporizer dengan sirkulasi paksa Prinsip kerja dari vaporizer dengan sirkulasi paksa ini adalah dimana fluida yang akan dipisahkan dengan komponen lainnya diumpankan ke dalam vaporizer dengan menggunakan pompa. Pompa disini berfungsi untuk mengalirkan fluida liquid
17
ke dalam vaporizer. Itulah mengapa jenis ini disebut dengan jenis sirkulasi paksa. Vaporizer dengan sirkulasi paksa ini ada berbagai macam, yaitu vaporizer atau pompa melalui reboiler dengan titik didih isotermal, vaporizer atau pompa-melalui reboiler dengan rentang didih, pompa-melalui vaporizer atau reboiler dengan atau tanpa rentang titik didih, dan evaporator sirkulasi paksa atau water solution reboiler. b) Vaporizer dengan sirkulasi alamiah Vaporizer jenis ini memiliki prinsip kerja dimana cairan umpan dapat mengalir sendiri dalam vaporizer dengan bantuan gaya gravitasi. Hal ini dapat terjadi jika umpan diletakkan di ketinggian yang lebih tinggi daripada vaporizer. Ada berbagai macam vaporizer dengan sirkulasi alamiah, yaitu kettle reboiler dan thermosyphon reboiler. Jenis yang pertama adalah kettle reboiler.
2.5
Deskripsi Proses
Tipe vaporizer yang digunakan adalah tipe thermosyphon vertikal, yaitu tipe exchanger berbentuk vertikal dengan penguapan terjadi pada tubes. Sirkulasi cairan melewati exchanger dipengaruhi oleh perbedaan densitas antara campuran cairan-uap pada exchanger dengan cairan pada dasar kolom.
2.6
Metodologi Perancangan Vaporizer
2.6.1
Asumsi-Asumsi yang Digunakan
Tabel 6 Asumsi-asumsi yang digunakan dalam perancanganVaporizer Natural Gas No.
Proses
Asumsi
1
Aliran masuk
Laju alir konstan/ tunak (perubahan laju alir = 0) Aliran masuk natural gas diasumsikan hanya terdapat metana dengan tujuan simplifikasi
2.
Pertukaran panas
Laju pemanasan fluida berlangsung secara steady state
3.
Aliran keluar
Aliran keluar pada fluida proses diasumsikan
18
semua fasa cair dapat berubah menjadi terdapat 1 fasa yaitu fasa gas. Fasa
pada
aliran
keluar service
fluid
diasumsikan tetap berfasa gas karena dengan temperatur dan tekanan keluaran pabrik, steam tersebut masih berada pada kondisi vapour , bukan liquid . 4.
Penentuan service fluid
Service fluid yang digunakan adalah air.
5.
Data fisik fluida
Data fisik fluida proses diasumsikan pada tekanan
operasi,
yaitu
temperatur
diasumsikan pada temperatur saturated karena terdapatnya uap serta cair secara bersama dalam suhu tersebut 6.
Penentuan metana
kalor
laten Nilai
kalor
laten
metana
berasal
dari
ᵒ
interpolasi antara suhu 90,69 C dengan kalor -7
ᵒ
laten 0,8724 x 10 dengan suhu 190,56 C dengan kalor laten 0
19
2.6.2
Tahapan-Tahapan Perancangan Vaporizer
20
21
22
23
24
25
Gambar 5 Tahapan-Tahapan Perancangan Vaporizer
26
2.6.3 Heat Exchanger yang Digunakan HE yang digunakan merupakan jenis Vaporizer bertipe Thermosyphon pada posisi verikal, dengan tipe one shell pass; one tube pass dan tipe alirannya adalah counter-current . Heat exchanger ini berbahan dasar Copper size 5/8. 2.6.4
Pertimbangan Dasar Pemilihan Jenis Heat Exchanger Pemilihan heat exchanger vaporizer karena vaporizer digunakan untuk
mengubah fasa dari campuran dua fasa, yaitu cair dan gas, menjadi satu fasa, yaitu fasa gas semua. Jenis vaporizer mempunyai 3 tipe, yaitu forced circulation, thermosyphon, dan ketttle type. Pemilihan tipe ini didasarkan pada 3 hal, yaitu sifat alami fluida proses seperti viskositasnya, tekanan operasi, serta luas tempat yang dibutuhkan. Dari ketiga tipe tersebut, kami memilih thermosyphone type. Tipe ini merupakan tipe yang paling ekonomis dan cocok karena pada tipe ini menggunakan sirkulasi natural yang tidak menggunakan pompa, sehingga mengurangi biaya pengeluaran pompa. Berbeda dengan tipe forced circulation yang memerlukan pompa untuk mengalirkan dan mengubah fasa. Tipe thermosyphon ini juga cocok untuk aliran fluida berviskositas rendah, sehingga sesuai dengan viskositas fluida ini. Selain itu, tipe ini biasanya tidak cocok untuk tekanan di bawah 0,3 bar. Pada perancangan vaporizer ini, tekanan masuk dan keluar dari vaporizer ini di atas 0,3 bar, sehingga sangat cocok menggunakan tipe thermosyphon ini.
27
Appendix A – Data Fisik Aliran
A.1 DATA FISIK ALIRAN
Heat Exchanger
In
Out
Water (vapor)
Water(vapor)
Laju Alir
1,8084 kg/s
Temperatur
226,667 C
Dew/Bubble Point
Laju Alir
o
o
138,3255 C
1,8084 kg/s o
Temperatur
147,78 C
Dew/Bubble
138,3255
Point
o
C
Quality
0
Quality
0
Tekanan
3,4474 bar
Tekanan
3,4485 bar
0,0689 bar
Delta P allow/calc
Shell Delta P allow/calc
Kecepatan
6,27623 m/s
Kecepatan
Densitas
1,516332 kg/m
3
Densitas
Viskositas
0,017203 mPa.s
Viskositas
Kapasitas
1,54653 kJ/kg.K
Kapasitas Panas
28
0,001084 bar 14,5111 m/s 1,83195 3
kg/m
0,001397 mPa.s 1,640323
Panas
kJ/kg.K
Konduktivitas Termal
Berat Molekul
Laju Alir
18,0153 g/mol
Metan
Metan
(vapor)
(liquid )
0,5894
2,4793
0,030453
Termal
W/m.K
kg/s
kg/s
Temperatur
o
18,0153 g/mol
Metan (vapor)
Laju Alir
-133,847 C
Dew/Bubble
Konduktivitas
Berat Molekul
o
Temperatur
3,0687 kg/s 43,889 o
C
o
-133,847 C
Dew/Bubble Point
-164 C
Quality
0,2377
Quality
0
Tekanan
6,2224 bar
Tekanan
0,18116 bar
Delta P allow/calc
6,1612 m/s
Kecepatan
Point
Tube
0,036602 W/m.K
Delta allow/calc
Kecepatan
Densitas
P
377,92
9,8632
26
3
kg/m
Densitas 3
kg/m
29
6,2237 bar 0,0013 bar 0,19206 m/s
316,4052 3
kg/m
Viskositas
0,0670
0,00569
4
mPa.s
Viskositas
mPa.s
0,1185 mPa.s
3,8022 Kapasitas
2,597576
26
Panas
kJ/kg.K
kJ/kg.
Kapasitas Panas
1,7595 kJ/kg.K
K 0,1521
Konduktivitas
0,015688
Termal
W/m.K
Berat Molekul
16,04 g/mol
W/m. K
30
Konduktivitas
0,04273
Termal
W/m.K
Berat Molekul
16,04 g/mol
31
32
33
34
35
