BAB I PENDAHULUAN
Dalam kehidupan sehari-hari sehari-hari perpindahan perpindahan energi mendapat mendapat penerapan 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, konduksi, panas dapat dikonduksi dikonduksi melalui solids, liquids, liquids, dan gases. Panas Panas dikondu dikonduksi ksi oleh oleh perpin perpindah dahan an panas panas energi energi gerak gerak molekul molekul-mo -molek lekul ul yang yang berdekatan. Dalam gas “hotter” molucelus, yang sama memiliki energi kinetic yang lebih besar memberi energinya ke molekul terdekat yang berada pada level terendah.
1
Cont Contoh oh : perpi perpind ndah ahan an panas panas mela melalu luii dindi dinding ng heat heat excha exchang nger erss atau atau sebu sebuah ah 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 gera geraka kan n mela melawa wan n gaya gaya gese geseka kan. n. Cont Contoh oh : perp perpin indah dahan an enta entalp lpii oleh oleh pusar pusaran an- pusaran(eddy) aliran turbulen dan oleh arus udara panas yang mengalir melintas dan menjauhi radiator (pemanas) biasa.
Radiasi Radiasi Radiasi adalah adalah istil istilah ah yang yang diguna digunakan kan untuk untuk perpin perpindaha dahan n energi energi melalu melaluii ruang oleh gelombang-gelombang elektromagnetik. Jika radiasi berlangsung melalui ruang kosong, ia tidak ditransformas ditransformasikan ikan menjadi kalor atau bentuk-bentu bentuk-bentuk k lain enrgi, enrgi, dan ia tidak akan pula terbelok terbelok dari lintasannya. lintasannya. Contoh : permukaan 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. Sus Susuna unan se seri 2. Susu Susuna nan n para parare rell 3. Susuna Susunan n seri seri-p -par arar arel el
2
BAB II TINAJAUAN PUSTAKA
Perpi Perpind ndah ahan an pana panass adala adalah h sala salah h satu satu fakt faktor or yang yang sang sangat at mene menent ntuka ukan n 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 Pada peri perist stiw iwaa kondu konduks ksi, i, panas panas akan akan berpi berpind ndah ah tanpa tanpa diiu diiukt ktii alir aliran an medi medium um 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 exchanger ). ). Penukar Penukar panas panas adalah adalah perala peralatan tan proses proses yang digu diguna nakan kan untu untuk k memi meminda ndahka hkan n panas panas dari dari dua dua flui fluida da yang yang berb berbed edaa dima dimana na perpindahan panasnya dapat terjadi secara langsusng (kedua fluida mengalami
3
pengontakan) ataupun secara tidak langsung (dibatasi oleh suatu dinidng pemisah/ sekat). Fluida yang mengalami pertukaran panas dapat berupa fasa cair-cair, cairgas, gas,
dan dan
gas gas-gas -gas..
Dal Dalam
mel melakuk akukan an
per peranca ancang ngan an
penu penuka karr
pana panass
har harus
diperhitungkan factor perpindahan panas pada fluida dan kebutuhan daya pompa mekani mekaniss untuk untuk mengat mengatasi asi gaya gaya gesek gesek dan mengger menggerakka akkan n fluida fluida.. Penukar Penukar panas panas untuk fluida kerja yang memiliki rapat massa besar (fluida cair), energi yang hilang akib akibat at gese geseka kan n rele releti tiff lebi lebih h keci kecill darip daripad adaa ener energi gi yang yang dibut dibutuhk uhkan an sehi sehing ngga ga 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 yakni plate and frame/ gasket gaskette te plate plate (umumn (umumnya ya disebu disebutt plate exchanger ), ) , spir spiral al plat plate, e, dan lame lamell lla. a. Kesamaan dari ketiga konfigurasi ini adalah permukaan pemindahan panas samasama 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 pertukaran panas di industri industri digunakan untuk pemenuhan pemenuhan kebutuhan kebutuhan unit proses dan untuk konservasi energi. Penukar panas yang baik adalah yang memili memiliki ki laju laju perpin perpindah dahan an panas panas seopti seoptimal mal mungki mungkin. n. Ketida Ketidakopt koptima imalan lan laju laju
4
perpindahan panas ditentukan nilai koefisien perpindahan panas keseluruhan (U). Hasil-hasi Hasil-hasill penelitian penelitian yang telah dipublikasi dipublikasikan kan menunjukkan menunjukkan bahwa perubahan perubahan fluks massa udara dapat meningkatkan nilai U untuk setiap laju alir massa flue gas konstan konstan pada pada alat alat penukar penukar panas panas jenis jenis plat. plat. Marrio Marriott (1971) (1971) membat membatasi asi rentan rentang g 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 (co-current atau 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 dalam penukar penukar kalor tidak tidak terjad terjadii kerja kerja poros, poros, sedang sedang energi energi mekani mekanik, k, energi 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=
q t
= laju perpindahan kalor ke dalam arus
Ha dan Hb = entalpi per satuan massa arus pada waktu masuk dan pada waktu keluar.
Pengguna Penggunaan an laju laju perpin perpindah dahan an kalor kalor dapat dapat lebih lebih disede disederha rhanaka nakan n dengan dengan asumsi salah satu dari fluida dapat mengambil kalor dan melepaskan kalor ke udara
5
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. kalor. Bila Bila fluida fluida dipanas dipanaskan kan atau atau diding didingink inkan, an, suhu suhu fluida fluida di dalam dalam pemanas pemanas ataupun pendingin akan berbeda-beda. Jika 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 mela melalu luii penam penampan pang g dikel dikelua uark rkan an dan dan dicam dicampur purka kan n seca secara ra adia adiaba bati tik k sehi sehing ngga ga didapatkan satu suhu yang seragam.
6
Fluks panas terjadi 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 Perbedaan suhu tersebut disebut Overall Overall Local Temperature Temperature Difference Difference.. Dalam suatu alat penukar panas ∆T tersebut berubah dari suatu titik ke titik lain sehingga fluks juga berubah. Fluks lokal adalah dq/dA sebanding dengan nilai ∆T pada tiap titik menurut persamaan dq da
= U.∆T ………….……...(2)
U adalah koefisien perpindahan panas keseluruhan (overall (overall ). ).
Untuk Untuk menye menyele lesa saik ikan an inte integr gras asii ters terseb ebut ut haru haruss dias diasum umsi sika kan n bebe bebera rapa pa 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 kare karena na
sebe sebetu tuln lnya ya
para parame mete terr-pa para rame mete terr
ters terseb ebut ut
meru merupa paka kan n
fung fungsi si
suhu suhu..
Perhitungan ∆T ini dihitung secara LMTD.
II.2. Alat pertukaran kalor Pada proses proses-pr -prose osess indust industry, ry,per perpin pindah dahan an energy energy dilaks dilaksana anakan kan dengan 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 sepert sepertii pemana pemanasan san dielek dielektri trik. k.
Sering Sering kali perala peralatan tan itu itu berker berkerja ja dalam dalam kondis kondisii
keadaan stedi (steady state) state) tetapi dalam banyak hal proses pula ada pula operasinya
7
sikl siklus us sepe sepert rtii misa misaln lnya ya dalam dalam tung tungku ku rege regene nera rasi si dan dalam dalam benja benjana na –pro –prose sess pengaduk.
Pada bagian akan membahas akan membahas berbagai jenis peralatan yang penting-penting, terutama bagi insiyur yang bergerak di bidang proses : penukar kalor kalor berbent berbentuk uk tabung tabung (tubul (tubular ar exchang exchanger) er) dan berbaga berbagaii berben berbentuk tuk plat plat (plate (plate exchang exchanger) er) , kondens kondensor, or, ketel ketel didih didih dan kaland kalandria ria (calan (calandri dria) a) perant peranti-pe i-peran ranti ti perpindahan kalor mekanik dan reactor kimia berbentuk tabung. Evaporator (peralatan (peralatan penguapan) mekanik dan reactor reactor kimia berbentuk berbentuk tabung. Evaporator 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 rentan rentang g suhu suhu dan tekana tekanan n media media pemana pemanass yang pada pada hakekat hakekatnya nya dibata dibatasi si oleh oleh ketahanan bahan dasar alat. Selain itu alat penukar panas ini dapat disesuaikan untuk keperl keperluan uan pengope pengoperas rasian ian yang khusus khusus (seper (seperti ti kemung kemungkin kinan an pember pembersih sihan an yang yang mudah mudah dilaku dilakukan, kan, pembong pembongkar karan) an) yaitu yaitu dengan dengan mengub mengubah ah konstr konstruks uksii secara 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.keboc dingin.kebocoran oran 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 bergerak dan udara merupakan penghantar panas yang bruk. Meskipu demikian alat penukar panas yang prinsip kerjanya serupa tetap dibuat.
8
II.3. Rancangan umum peralatan pertukaran kalor
Peranc Perancan anga gan n dan dan pengu penguji jian an pera perala lata tan n prakt praktis is untu untuk k pert pertuk ukar aran an kalo kalor r didasarkan didasarkan atas prinsip-pr prinsip-prinsi insip p yang diberikan diberikan materi materi kulaih kulaih perpindahan 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 tidak mudah mudah dan cukup cukup tinggi tinggi,, tetapi tetapi dalam dalam perala peralatan tan yang yang rumit rumit evalua evaluasi si ini mungkin mungkin tidak mudah dan mengandung mengandung berbagai berbagai ketakpastian. ketakpastian. Rancangan akhir hampir selalu merupakan kompromi yang didasarkan atas pertimbangan keteknikan guna guna memb member erik ikan an unju unjuk k kerja kerja menye menyelu luru ruh h yang yang terb terbai aik k dari dari berba berbagai gai segi segi persyaratan tugas kerjanya.
Kadang-kadang rancangan itu ditentukan oleh berbagai pertimbangan yang hampir hampir tidak tidak ada hubunga hubungannya nnya sama sama sekali sekali demgam demgam perpin perpindaha dahan n kalor kalor sepert sepertii umpamanya ruang yang tersedia untuk menempatkan peralatan itu atau penurunan tekanan tekanan yang dapat diperbolehkan diperbolehkan dalam arus fluida. fluida. Penukar kalor kalor jenis tabung 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
PENUKAR KALOR
9
Penuk Penukar ar kalo kalorr meru merupa paka kan n peral peralat atan an yang yang sanga sangatt penti penting ng dan dan banya banyak k digunakan dalam industry pengolahan sedemikian rupa sehingga rancangannya pun sudah sangat berkembang. Standar- standar yang telah disusun dan diterima oleh TEMA TEMA sudah sudah ada ada dan dan meli meliput putii peri perinc ncia ian n meng mengena enaii bahan bahan kont kontru ruks ksii ,met ,metode ode kontruk kontruksi, si, teknik teknik peranca perancanga ngan n dan dimens dimensi-d i-dime imensi nsi dari dari penukar penukar kalor. kalor. Bagian Bagian berikut ini akan menguraikan beberapa jenis penukar kalor yang penting-penting saja saja dan dan memb membaha ahass prin prinsi sipp-pr prin insi sip p yang yang berken berkenan an deng dengan an segi segi kete ketekn knik ikan an,, 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 rangka rangkap p secara secara parall parallel, el,
bobot bobot logam yang digunakan digunakan sebgaia sebgaia pipa luar akan
menjadi sedemikian tinggi sehingga penggunaan konstruksi selongsong dan tabung (shell (shell-tu -tube) be) dimana dimana satu satu selongs selongsong ong melaya melayani ni sejuml sejumlah ah tabung tabung sekali sekaligus gus akan 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 Dalam penuk penukar ar kalo kalorr ini ini koef koefis isie ien n perpi perpind ndah ahan an kalor kalor sisi sisi selo selong ngso song ng ( sebe sebela lah h ke selo selong ngso song) ng) dan dan koefi koefios osie ien n sisi sisi tabu tabung ng sama sama-s -sam amaa pent pentin ing g dan dan keduanya harus cukup besar agar koefisien menyeluruh yang memuaskan dapat tercap tercapai. ai. Kecepat Kecepatan an dan kertub kertubela elanan nan zat cair cair sisi sisi selong selongson song g juga juga tidak tidak kalah kalah pentingnya dari kecepatan dan kertubelenan zat cair sisi tabung. Untuk meni meningk ngkat atak akan an alir aliran an sila silang ng dan dan menai menaikk kkan an kece kecepat patan an rata rata-r -rat ataa flui fluida da sisi sisi selongsong selongsong maka pada selongsong selongsong itu dipasang sekat--sekat sekat--sekat.. Dalam kontruksin kontruksinya ya sekat-sekat terbuat dari lembaran logan berbentuk piring bundar yang satu sisnya dipoto dipotong. ng. Dalam Dalam prakte praktek k biasan biasanya ya segmen segmen itu dipoto dipotong ng pada pada tinggi tinggi sepere seperempa mpatt
10
diamet diameter er selongs selongsong. ong. SekatSekat-sek sekat at demiki demikian an disebut disebut sekat sekat 25 persen persen (25 persen persen baffles) . Sekat itu lalu diberi lubang-lubang untuk melakukan tabung-tabung. Agar keboc kebocor oran an dapat dapat dibua dibuatt mini minimu mum m ruan ruang g bebas bebas pema pemasa sanga ngan n anta antara ra seka sekatt dan 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 erat ditemp ditempatn atnya ya pada batanga batangan n itu dipasa dipasang ng pula pula potonga potongan-po n-poton tongan gan tabung 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 (stuffing Box) gunanya adalah untuk menampung kemungkinan 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 kontruksi pipa lurus yang pada panjangnya-panjang panjangnya-panjangnya nya tertentu tertentu harus harus dipasa dipasangi ngi elemen elemen kompens kompensasi asi pemuai pemuaian an , pada kontruk kontruksi si yang berbent berbentuk uk kumparanhal itu sudah ada dengan sedirinya.
Alat Alat penuk penukar ar panas panas pipa pipa ganda ganda seri sering ngkal kalii digu diguna nakan kan seba sebaga gaii salu salura ran n 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 y ang 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.
11
Peralatan transfer panas : a) Exchan hangers 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 proses memanaskan memanaskan fluida dan steam, steam, selalu 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) Cond ondenser Adalah Adalah cooler coolerss yang tujuan tujuan utaman utamanya ya adalah adalah memind memindahk ahkan an panas panas latent 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) Vapo aporizer Jika Jika fluid fluidaa yang lain lain divapo divaporas rasii disamp disamping ing air, air, maka maka kita kita menggun menggunakan akan vaporizer.
Gambar Double Pipe Exchanger
12
Bagi Bagian an-ba -bagi gian an pali paling ng pent pentin ing g dari dari 2 sets sets pipa pipa konse konsent ntri ris, s, 2 tees tees yang 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.
Doubl Doublee pipe pipe exch exchang anger er sang sangat at berg bergun unaa kare karena na dapa dapatt dipas dipasang ang denga dengan n 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 2 2 ,5 3 4
Inner pipa, IPS 1,7 5 1,7 5 2 3
Double pipe exchanger selalu dipasang dalam 12ft, 15ft atau 20ft panjang efektif. Panjang efektif menjadi jarak jarak setiap lengan dimana dimana heat transfer terjadi terjadi dan memasuki inner pipa yang menjulang dari inner pipe ke bagian exchanger.
13
Kerugi Kerugian an yang sangat sangat prinsi prinsip p terjad terjadii didala didalam m pengguna penggunaan an double double pipe 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 antara koefisi koefisien en pemana pemanasan san dan pending pendingina inan, n, pada pada prinsi prinsipny pnyaa fraksi fraksi minyak minyak didala didalam m orizon orizontal tal dan ertika ertikall tubes tubes dan termas termasuk uk ke dalam dalam persam persamaaa aaan n aliran aliran dimana DG/ µ < 2100
1
hi D k
0.14
c µ D 3 µ = 1.86 DG k L µ µ w
1
0.14
4 wc 3 µ = 1.86 µ w π kL
……….. (3)
Dimana : L : panjang total perpindahan panas sebelum pencampuran terjadi 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
0.8
1
0.14
DG c µ 3 µ = 0.027 µ k µ w
14
(1’) didapat D’e =
(
2
2
4π D2
− D1
4π ( D2
+ D1
) ( D =
)
2
− D1
).
.... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .....( .(.4 .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) lb/(hr)(ft) didapat didapat Reynolds number, Re a
= De.Ga µ
(7’) Dari gambar dimana jH = (hoDe/k)(c μ/k)-1/3(μ/ μw)-0,14 vs DeGa/ μ, didapat jH (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(Φ = 10) atau hoDe k
− 13
c µ k
µ ϖ w
−0 ,14
1
c µ 3 x1,0 = hoBtu / ( hr )( ft 2 )( o F ) De k k
Overall coefficient: (10’) Hitung Uc = hioho/( hi+ho), Btu/(hr)(ft 2)(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
15
Bagian dalam pipa: (1) (1) untuk untuk Re p pada nomor (6) diatas didapat f didapat f dari dari persamaan (3.46) atau (3.47b) (2) ∆F p = 4FG2L/2gρ2D,ft ......................(5) ∆F pρ/144 = ∆P p, psi.
Double Pipe Exchanger dalam rangkaian Seri-Parallel
II.6 Faktor Fouling
Overall koefisien perpidahan panas dapat dihitung dari persamaan Fourier denga dengan n dike diketa tahui huinya nya luas luas perm permuka ukaan an A, Q, dan Δt yang yang ada pada pada komd komdis isii
16
prosesnya. Maka U =
Q A.∆t
. Jika luas permukaan A tidak diketahui, maka U dapat
diperoleh tanpa menggunakan persamaan Fourier dari dua koefisien film. Pengabaian tahanan pipe-wall : 1
U
= R ioio + R o =
U=
hio .ho hio + ho
1 + hio
1
ho
…………(6)
……………….………….(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 akan turun turun pada pada temper temperatu ature re outlet outlet,, meskip meskipun un hi dan hokons konsta tan. n.
Untuk ntuk
meng mengat atas asii
hal hal
ini ini,
bias biasan anya ya
per peralat alatan an
dide didessain ain
unt untuk
mengantisipasi deposisi dari pengotor dan scale oleh penempatan resistansi R dyang disebut pengotor (dirt), scale, atau factor fouling, atau resistance.
R didi menjad menjadii factor factor pengoto pengotorr untuk untuk annulu annuluss pada pada diamet diameter er inside inside dan R do menjadi factor annulus pada diameter outside dari bagian dalam pipa. Harg Hargaa U dipe dipero role leh h dari dari pers persam amaa aan n (7) (7) hany hanyaa
1 hio
dan
1
ho
dapat
dipertimbangkan dengan "clean overall coefficient" yang ditunjukkan oleh UC yang memperlihatkan bahwa factor pengotor belum dihitung. Koefisien yang meliputi tahanan factor pengotor disebut desain atau dirty overall coefficient UD. harga A yang megkorespondensi untuk UD lebih sering digunakan dari pada UC.
17
Hubungan antara UC dan UD adalah sebagai berikut : 1
U D
=
1
+ R didi + R do do
U C
Atau dapat disetting : R didi + R do do = R d 1
U D
=
1
U C
…………………(8) + R d
………………(9)
Dengan demikian, untuk double pipe Heat Exchanger, nilai hi dan ho dapat diperkirakan sekitar 300 dan 100, maka : 1
U C
Atau UC =
=
1
+
hio
1 0,0133
1
= 0,0033 + 0,01 = 0,0133
ho
= 7,50 Btu/(hr)(ft2)(oF)
R didi = 0,001 (hr)(ft2)(oF)/Btu R do do = 0,0015 R d = R didi + R do do = 0,0025
Sehingga : 1
U D
=
1
U C
+ R d =
1 75,0
+ 0,0025 = 0,0158 (hr)(ft2)(oF)/Btu
Atau 1
U D
=
1 0,158
= 63,3 Btu/(hr)(ft2)(oF)
Persamaan Fourier untuk luas permukaan A pada pengotor (dirt) adalah : Q = UD . A . Δt
…..................(10)
II.7 Tekanan Jatuh Pada Suatu Pipa Dan Pipa Beranulus
18
Tekan Tekanan an jatu jatuh h pada pada pipa pipa di dala dalam m exch exchang anger er memu memuda dahka hkan n kita kita untu untuk k mengendalikan suatu fluida melalui melalui exchanger. Pompa dapat kita 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 ex changer itu sendiri Tekanan Tekanan jatuh jatuh pada suatu suatu pipa pipa dapat dapat dihitu dihitung ng dengan dengan menggun menggunaka akan n persam persamaan aan Fanning. Untuk tekanan jatuh pada fluida yang mengalir pada suatu annulus, dengan menggantikan nilai D pada bilangan Reynolds dengan Dc untuk mendapatkan nilai f. Persamaan Fanning yang baru adalah : ∆ F =
4 fG 2 L 2
'
2 g ρ D c
II.8. Perhitungan Pada Double Pipe Heat Exchanger
Per Persam samaaan aaan
–
per persam samaan aan
yang yang
telah elah
ada ada
sebe sebelu lum mnya nya
dapa dapatt
kita kita
kombin kombinasi asikan kan menjad menjadii perhit perhitung ungan an double double pipe pipe heat exchang exchanger. er. Perhit Perhitung ungan an sederhana dari jenis exchanger ini adalah menghitung ho dan hio untuk mendapatkan Uc. Nilai Uc dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Fourier Q = U p A∆t Biasanya Biasanya permasalaha permasalahan n pertama pertama adalah menentukan 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.
Exchanger, IPS
Flow area, in2 Annulus
Annulus, in Inner Pipe
d c
d ’ c
19
2 x 11/4 2 ½ x 11/4 3x2 4x3
1.19 2.63 2.93 3.14
1.50 1.50 3.35 7.38
0.915 2 .0 2 1 .5 7 1 .1 4
0.40 0.81 0.69 0.53
Bagai Bagaima mana napu pun n perhi perhitu tunga ngan n pres pressu sure re drop drop sebe sebesa sarr 15 atau atau 20 psi 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 fluida saja yang mengalir mengalir melalui exchanger exchanger dan reminder reminder melalui by-pass. Ini bukanlah solusi yang ideal, sejak aliran menurun menyebabkan beberapa kerugian dalam desain. (1) Aliran menurun mengalir melalui exchanger menurunkan mass velocity Ga dan koefisien ho . Sejak kedua koefisien tersebut hampir sama, 323 Vs 276, penurunan ukuran manapun dalam Ga menurunkan Uc dengan hampir Ga0,8 . (2) Jika sedikit liquid berputar melalui annulus, maka harus diding didingink inkan an terleb terlebih ih dahulu, dahulu, melebi melebihi hi range range yang yang lebih lebih panjang panjang daripa daripada da 160 menjadi 100o F sehingga, pada pencampuran dengan liquid by-pass, hasil proses memiliki temperatur 100o F. sebagai contoh, contoh, bagian yang berputar berputar malalui malalui annulus 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 meskipun beban panas konstan. konstan. Membalikkan Membalikkan lokasi dengan menempatkan 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.
20
Satu solusi masih mungkin, bagaimanapun, meskipun semua solusi di atas gagal. Andaikan bahwa alirannya alirannya terlalu besar untuk diakumulasi 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 menjadi dua dan produk G2L menjadi 1-8. Sementara koefisien film film akan menuru menurun n juga, juga, perbed perbedaan aan temper temperatu aturr yang tidak tidak diingi diinginkan nkan dari 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, T 2, t1, dan t2 untuk susunan seri tidak akan sama sama untuk untuk susunan susunan seri-p seri-para ararel rel.. Setenga Setengah h pipa pipa fluida fluida memasu memasuki ki bagian bagian atas 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 akan sama sama denga dengan n LMTD LMTD untu untuk k kondi kondisi si pros proses es mesk meskip ipun un kedu keduaa excha exchange nger r beroperasi secara counterflow.
21
Denga Dengan n meng mengan angga ggap p kedua kedua excha exchang nger er di desa desain in secar secaraa I dan dan II. II. Suhu Suhu interm intermedi ediet et I, dan produk produk dan aliran aliran parare pararell didesa didesain in secara secara t2”; dan t1’. Dan Dan temperatur campuran yaitu t2
Untuk exchanger I, memilkiki setengah dari permukaan Q1 = WC (T – T2) =
UA 2
x LMTD1
Dan (T − t ' ) − (T 2 − t 1)
LMTD1 =
ln(T − t '2) /(T 2 − t 1)
Sehingga menjadi :
UA 2WC
(T −T 2)
=
(T − t '2) − (T 2 − t 1)
ln
T − t '2 T 2 − t 1
Susun ulang
UA 2WC
(T − T 2)
=
=
(T −T 2) − (t '2 − t 1)
1 1 − (t '2 − t 1) /(T −T 2)
R I =
( T − T ) 2
( t
I
2
− t 1 )
=
ln
ln
(T − t '2) (T 2 − t 1)
T − t '2 T 2 − t 1
wc 2WC
22
UA 2WC
=
ln
−1
R I
T − t 2
I
R I
T 2
(11)
− t 1
Begitu juga untuk exchanger II UA
QII = WC(T1 – T) =
2
x LMTDII
(12)
(T − t ) − ( T − t ) ln (T − t ) / ( T − t ) II
1
LMTDII =
2
1
(13)
II
1
2
1
Karena R II =
T 1
− T
t II 2
− t 1
=
wc 2WC
Maka, UA 2WC
=
R II R II − 1
ln
T 1 − t 2II T − t 1
(14)
Karena c dan C diasumsikan konstan, R I = R II = R ′ =
wc 2WC
(15)
Karena I
S =
− t 1 T − t 1
t I 2
MI =
T − T 2 T − t 1
Maka MI = R′ SI
Begitu juga. maka :
23
II
S =
− t 1 T 1 − t 1
t II 2
−T T 1 − t 1 T 1
MII =
R ′ dan S adalah perbandingan dimana terjadi pengulangan secara berulang∆t
ulan ulang g dala dalam m hasi hasill dari dari perb perbed edaa aan n temp temper erat atur uree perbandingan
dari
fluida
dingin
dari dari LMTD LMTD.. S adal adalah ah
sampai meliputi temperature
maksimum,
belakangan perbedaan temperature terjadi pada kedua temperature inlet, T1 dan t1 Tetapi MII = R ′S II T − t 2
I
I
1-S
=
T − t I 2 T 2 − t 1
T − t 1
=
=
T − t 1 T − t 1
− t 1 T − t 1 I
−
t 2
1 − S I 1 − R ′S I
Dan dari persamaan (11) UA 2WC
=
R ′ R ′ − 1
ln
1 − S I 1 − R ′S I
(16)
Dan dari persamaan (14) UA 2WC
=
R ′ R ′ −1
ln
1 − S II 1 − R ′S II
(17)
Dengan membandingkan persamaan (16) dan (17)
1 − S I 1 − R ′S I
=
1 − S II 1 − R ′S II
Oleh karena itu SI = SII MI = MII
24
Penggabungan persamaan (16) dan (17), UA WC
=
2 R ′ R ′ − 1
ln
1 − S I I
1 − R ′S
=
2 R ′ R ′ − 1
ln
T − t 2I
(17.a)
T 2 − t 1
Dimana T adalah variable yang tidak diketahui, dank arena MI = MII,
− T T − T 2 = T 1 − t 1 T − t 1 T 1
T2 – 2t1T + t1(T1 + T2) – T1T2 = 0
(18)
Persamaan (18) dikuadratkan, sehingga menghasilkan T =
4t I 2 − 4t 1 [ ( T 1 + T 2 ) − 4T 1T 2 ]
2t 1 ±
2
= t1 ± ( T 1
− t 1 )( T 2 − t 1 )
(19)
Tanda minus digunakan ketika heaing medium berada dalam pipa, dan tanda plus digunakan ketika cooling medium berada dalam pipa. Substitusi untuk T pada persamaan (18),
( R ′ − 1) ( T 1 − t 1 ) + ( T 1 − t 1 ) ( T 2 − t 1 ) = ln WC R ′ − 1 ′ − − ( ) ( ) R T t T t 1 1 2 1 UA
2 R ′
R′ −1 T − t 12 1 ln + 1 1 = R ′ −1 R ′ T 2 − t 1 R ′ 2 R′
∆t
(20)
adalah nilai tunggal untuk susunan jumlah seri-paralel; jadi Q = UA ∆t
=
Q UA
∆t
=
= WC(T1 – T2)
WC UA
(T 1 −T 2 )
(21) (22)
25
Hal ini sesuai dengan asal mula pemakaian p emakaian dari definisi untuk perbedaan temperature yang sebenarnya dalam batas temperature maksimum T1 – t1 :
(
∆t = γ T 1 − t 1
)
(23)
Bandingkan persamaan (22) dan (23), WC UA
( T 1 −T 2 ) = γ ( T 1 − t 1 )
γ =
− T 2 ) UA ( T 1 − t 1 )
WC ( T 1
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)
R ′ −1 1 2 UA 2 R ′ = ln WC R ′ −1 R ′ P ′ 1
+
1 R ′
(24)
Atau
1 − P ′ γ
1 R ′ R ′ − 1 1 2 1 = 2 + ln R ′ −1 R ′ P ′ R ′
(25)
Jika dikembangkan dalam cara yang umum hal itu dapat ditunjukkan, unuk one series hot stream dan n parallel cold stream, persamaan (25) menjadi 1 − P ′ γ
R ′ −1 1 n n R ′ log = 2 .3 R ′ −1 R ′ P ′ 1
+
1 R ′
(26.a)
26
Dimana R ′
=
− T 2 n ( t 2 − t 1 ) T 1
Untuk one series cold stream dan n parallel hot stream, 1 − P ′′ γ
1 1 n log (1 − R ′′) = 2. 3 + R ′′ 1 − R ′′ P ′′
n
(26.b) Dimana P ′′ =
− t 2 T 1 − t 1
T 1
dan
R ′′ =
n( T 1 t 2
− T 2 ) − t 1
27
BAB III KESIMPULAN
1. Perpin Perpindah dahan an panas akan terjad terjadii apabila apabila ada perbeda perbedaan an temperat temperatur ur antara antara 2 bagian benda. 2. Panas dapat dapat berpindah berpindah dengan dengan 3 cara, cara, yaitu yaitu konduksi, konduksi, konveksi konveksi,, dan radiasi radiasi.. 3. Karakteristik alat perpindahan panas ditentukan oleh beberapa faktor, antara lain: a. jenis fluida yang akan dipertukarkan panasnya b. laju alir fluida c. tipe aliran yang dipakai (co-current (co-current atau 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 dinyatakan dalam laju panas per luas permukaan permukaan atas dasar luas
bidang tempat berlangsungnya aliran panas. 5.
Double Double pipe exchange exchangerr sangat berguna berguna karena karena dapat dipasa dipasang ng dengan berbagai fitting piapa dari bagian standard dan menyediakan dalam permukaan transfer panas yang mahal.
28
DAFTAR PUSTAKA
www. google. id. com. Double Pipe Exchanger. Kern. 1991. Heat Transfer Process. Bird. 1985. Transport Phenomena. Welty, James R.. 2000. Fundamental of Momentum, heat, and Mass Transfer fourt Edition. Jhon wiley and Sons Inc : Toronto.
29
30
