Fouling pada Heat Exchanger ARIANA email:
[email protected] UNIVERSITAS SRIWIJAYA
Heat exchanger akan sulit terlepas dari Fouling ( beberapa heat exchanger dapat tidak terjadi fouling dan beberapa heat exchanger lainnya terus menurus mengalami akumulasi fouling ) , cukup banyak kerugian yang dapat ditimbulkan oleh fouling tersebut. Biasanya perancang heat exchanger akan memasukkan nilai koefisien fouling pada saat penentuan koefisien keseluruhan ( overall coefficient heat transfer ) untuk memastikan bahwa heat exchanger tersebut nantinya ketika dioperasikan tidak mengalami masalah dalam jangka waktu yang cepat. Apakah yang dimaksud dengan fouling ? Fouling dapat didefinisikan sebagai akumulasi endapan yang tidak diiinginkan pada permukaan perpindahan panas4. Dikarenakan terdapat endapan atau deposit pada permukaan perpindahan panas, maka dibutuhkan luas perpindahan panas yang lebih agar perpindahan panas yang diinginkan dapat tercapai ( dengan beban atau duty yang diberikan ). Pada shell & tube heat exchanger, fouling dapat terjadi baik pada bagian dalam ( inner tube ) maupun luar tube ( outside tube ) dan dapat terjadi pula pada bagian dalam shell . Fouling juga dapat menyebabkan pengurangan cross sectional area ( luas penampang melintang ), dan meningkatkan pressure drop, sehingga dibutuhkan energi ekstra untuk pemompaan. Mukherjee menyatakan bahwa walaupun tidak secara umum, masalah peningkatan pressure drop lebih serius dari pada peningkatan thermal resistance atau tahanan panas ( thermal resistance meningkat, overall coefficient heat transfer berkurang ). Berikut beberapa kerugian yang disebabkan oleh fouling3 : 1. Peningkatan capital cost Heat exchanger dengan fouling yang tinggi akan menyebabkan pengurangan overall coefficient heat transfer, dengan demikian dibutuhkan luas area perpindahan yang lebih ( bila dibandingkan dengan fouling yang lebih rendah ). Luas HE yang lebih besar mengakibatkan peningkatan cost. 2. Energi tambahan sehubungan dengan a. Peningkatan energi pompa b. Effisiensi termodinamika yang rendah pada kondensasi dan siklus refrigerasi. 3. Maintanance cost untuk antifoulant, chemical treatment dan untuk pembersihan permukaan perpindahan panas yang tertutup oleh fouling 4. Pengurangan output atau keluaran ( rate ) dikarenakan pengurangan cross sectional area 5. Downtime cost ( downtime adalah kerugian waktu produksi yang diakibatkan oleh peralatan tidak dapat dioperasikan dengan semestinya dikarenakan oleh maintanance, power failure atau power trip, breakdown dan lain lain ).
) mencatat bahwa cost fouling pada 1992 mencapai 1 x 1010 pertahunnya, di UK (1979 ) cost fouling mencapai £ 3 – 5 x 108 jika di hitung pada tahun 1993 mencapai £ 8 – 14 x 108 pertahunnya4. Jenis – jenis fouling Fouling secara umum dapat dibagi menjadi : Precipitation fouling ( scaling ), adalah pengendapan bahan – bahan terlarut pada permukaan perpindahan panas. Jika solute memiliki karakteristik inverse ( kebalikan ) solubility, maka pengendapan terjadi pada permukaan panas lanjut ( superheated surface ), pengendapan ini disebut dengan scaling, contohnya calsium sulfat pada air, pengkristalan garam dari larutan encer. Pengendapan juga dapat terjadi melalui sublimasi seperti pada ammonium choride pada aliran uap.
Particulate fouling, adalah akumulasi partikel ( dalam fluida ) pada permukaan perpindahan panas. Pada beberapa aplikasi, akumulasi partikel ini terjadi disebabkan oleh gravitasi. Fenomena ini disebut juga sedimentasi fouling. Contoh : dust , karat, pasir halus ( fine sand ) dan lain – lain.
Chemical reaction fouling, adalah pembentukan deposit yang disebabkan oleh reaksi kimia, Nesta juga menyatakan chemical reaction fouling adalah pemecahan dan pengikatan senyawa – senyawa yang tidak stabil pada permukaan perpindahan panas. Oil sludge, Polimerisasi, coking dan cracking hidrokarbon adalah contohnya Corrosion fouling, Terjadi ketika permukaan perpindahan panas itu sendiri bereaksi membentuk produk korosi ( karat ) yang kemudian mengotori ( foul ) dan dapat menyebabkan bahan atau materi pengotor ( foulant ) lainnya menempel pada permukaan. Biological fouling, adalah penempelan mikro atau makro organisme biologi pada permukaan perpindahan panas.
Solidification fouling, adalah solidifikasi ( pembekuan ) liquid pada permukaan subcooled heat transfer ( perpindahan panas pada sub cooled ) contohnya adalah pembekuan es.
Ice Fouling in Tube Condenser Sumber : http://abduh137.files.wordpress.com/2008/05/he0411.jpg?w=340&h=257 Pada prakteknya fouling dapat terbentuk dari dua atau lebih jenis fouling di atas, satu mekanisme bisa menjadi inisasi atau pemicu bagi terbentuknya fouling jenis lainnya. Fluida dapat dibagi menjadi 3 jenis berdasarkan potensi membentuk fouling2 : 1. Non Fouling Fluid tidak membutuhkan pembersihan secara regular. Contohnya adalah nonpolimerisasi hidrokarbon ringan, steam dan subcooled boiler feed water. 2. Asymptotic fouling fluid, dimana tahapan fouling mencapai nilai maksimum secara konstant dalam waktu yang singkat. Kecepatan fluida mengakibatkan shear stress pada lapisan fouling dimana dapat mengakibatkan lapisan tersebut berkurang ( kehilangan deposit ). Dengan semakin tebalnya lapisan fouling , mengakibatkan luas area aliran ( flow area, ingat bahwa kecepatan fluida dijabarkan dengan Q/A, dimana Q adalah debit atau volumetrik flowrate dan A adalah luas penampang melintang, dengan semakin kecil A maka kecepatan fluida akan semakin tinggi )
semakin berkurang dan kecepatan meningkat, sehingga menyebabkan laju pengurangan deposit atau fouling semakin tinggi. Apabila laju pengurangan sama dengan laju deposit atau endapan sama, fouling mencapai asymptotic limit. Ketebalan akhir lapisan fouling berbanding terbalik proporsional terhadap kecepatan. Cooling tower water adalah contoh dari asymptotic fouling. 3. Linear fouling fluid. Lapisan fouling secara terus menerus terbentuk terbentuk secara linear terhadap waktu ( fouling fungsi waktu ). Laju terbentuknya fouling tergantung dari kecepatan, pada kecepatan rendah, pembentukan fouling di kontrol oleh difusi massa ke permukaan panas, peningkatan laju ( pada range ini ) meningkatkan laju difusi sehingga dengan demikian akan meningkatkan fouling. Pada kecepatan tinggi fouling di kontrol oleh deposit shearing dan waktu tinggal ( resident time ), sehingga fouling akan semakin berkurang dengan naiknya kecepatan. mekanisme linear fouling sangat tergantung pada temperature permukaan. Crude oil dan polimerisasi hidrokarbon adalah contoh dari linear fouling fluid. Christopher A Bennet mengatakan “ A common misconception is that heat exchanger always foul “. Hal tersebut memang berlaku pada fluid – fluida yang memang memiliki tendensi untuk mengakibatkan fouling, berikut jenis – jenis fluida yang berpotensi dan tidak berpotensi fouling : Do not foul
Foul heavily
Refrigerant
Crude Oil
Deminerized water
Crude Oil distillation Overhead
Non-Polimerizing (olefin-free ) condensing gases
Hydrogen Florida ( HF )
Liquid natural gas ( LNG )
Coal Gasification Improperly Maintained Cooling Water
Apa yang mempengaruhi Fouling ? Beberapa faktor yang dapat mempengaruhi fouling sebagai berikut3 : Flow Velocity, dengan kecepatan tinggi dapat meminimalkan pembentukan fouling ( untuk segala jenis fouling ) , namun yang harus di perhatikan juga bahwa menjalankan STHE ( shell & tube heat exchanger ) pada kecepatan alir tinggi dapat menyebabkan tingginya pressure drop, kecepatan tinggi juga dapat mengakibatkan erosi dan juga memerlukan energi pemompaan yang besar. Idealnya kecepatan untuk liquid yang mengalir dalam tube ( inside tube ) adalah dari range 1.5 – 2 m/s dan 1 – 1.5 m/s untuk luar tube. J. Nesta menyarankan ( untuk penggunaan heat exchanger pada campuran medium – high boiling liquid hydrocarbon dengan API gravity kurang dari 45 ) kecepatan dalam tube minimum sebesar 2 m/s, limit kecepatan ini digunakan untuk tube dengan diameter luar sebesar 0.75 inc (19.05 mm ) dan 1 inc (25.4 mm ), untuk shell kecepatan aliran B ( cross flow stream ) sekurang – kurangnya 2 ft/s ( 0.6 m/s ) Temperature. Temperature permukaan sangat berpengaruh dalam pembentukan fouling. Pada normal solubility salt solution ( kelarutan normal larutan garam ) peningkatan konsentrasi garam akan naik seiring dengan naiknya temperature contohnya adalah NaCl, NaNO3. Untuk garam yang memiliki karakterisktik inverse solubility ( kelarutan terbalik ), kelarutan garam – garam tersebut akan turun ketika temperature naik atau kelarutan garam akan naik bila temperature di turunkan, contohnya adalah garam – garam CaCO3, Ca(OH)2, Ca3(PO4)2, CaSiO3, CaSO4, LiCO3, Mg(OH)2, NaSO4 dan lain – lain. Air sungai ( river water ) umumnya banyak mengandung garam – garam, dan tiap –tiap sungai memiliki konsentrasi garam yang bebeda – beda. Biofouling juga tergantung pada temperatur, pada temperature tinggi, reaksi kimia dan reaksi enzim akan berjalan lebih cepat, dengan begitu terjadi peningkatan pertumbuhan sel, namun begitu, pada beberapa jenis organisme yang sensitif, peningkatan temperature justru akan membuat organisme tersebut tidak aktif ( deactivate ). Material konstruksi dan permukaan yang halus, pemilihan meterial tube sangat penting, beberapa tipe biofouling dapat
terhambat pembentukannya dengan menggunakan cooper-bearing alloy, permukaan bahan atau materi tube yang halus dapat mengurangi laju pembentukan fouling. Copper dan alloy nya dapat mengurangi pembentukan biofouling dikarenakan materi atau bahan ini bersifat toksit terhadap organisme tersebut. Bagaimana cara mengurangi Fouling ? Pemilihan heat exchanger ( HE ) yang tepat, Penggunaan beberapa tipe HE tertentu dapat mengurangi pembentukan fouling di karenakan area dead space yang lebih sedikit dibandingkan dengan tipe yang lainnya, seperti plate dan spiral heat exchanger, namun begitu jenis HE tersebut hanya dapat menangani design pressure sampai 20 – 25 bar dan design temperature 250 oC ( plate ) dan 400 oC ( spiral ). Untuk pemilihan HE yang tepat dengan kondisi fouling dapat dilihat pada blog ini dengan judul " Bingung Mau Pilih HE Tipe Apa ? " Untuk penggunaan HE tipe Shell & tube ( STHE ), dapat digunakan panduan sebagai berikut : Apabila Fluida kotor ditempatkan pada Tube : Gunakan diameter tube yang lebih besar. STHE umumnya didesain dengan ukuran tube dari 20 mm atau 25 mm, untuk penggunaan fluida yang kotor ( fouling resistance > 0.0004 h-m2 C/kal ) gunakan tube dengan diameter ( minimum ) 25 mm ( outside diameter, OD ) Kecepatan tinggi, seperti yang telah di jelaskan di atas bahwa pada kecepatan tinggi, fouling dapat dikurangi, koefisien heat transfer juga akan semakin tinggi, namun demikian mengoperasikan HE dengan kecepatan tinggi mengakibatkan pressure drop yang tinggi pula serta erosi , kenaikan pressure drop lebih cepat dari pada kenaikan koefisien perpindahan panas, maka perlu dicari kecepatan yang optimum. Untuk cooling water, kecepatan minimum yang disarankan adalah 1.5 m/s ( untuk penggunaan material mild steal tubes ) and 1.2 m/s ( untuk nonferrous tube ), apabila kecepatan yang digunakan tinggi seperti 5 m/s maka tube yang digunakan adalah berberbahan titanium. Margin pressure drop yang cukup. Pada HE yang digunakan untuk fluida yang berpotensi membentuk fouling yang tinggi, disarankan untuk menggunakan margin 30 – 40 % antara pressure drop yang diijinkan ( allowable ) dengan pressure drop yang dihitung ( calculated ) hal ini dilakukan untuk antisipasi pressure drop yang tinggi akibat penggunakan kecepatan yang tinggi. Gunakan tube bundle dan heat exchanger cadangan. Jika penggunaan HE untuk fluida yang berpotensi membentuk fouling yang sangat ekstrim, maka tube bundle candangan sebaiknya digunakan. Jika fouling telah terjadi cukup cepat ( setiap 2 – 3 bulan ) maka sebaiknya digunakan HE cadangan. STHE cadangan juga diperlukan untuk tipe STHE Fixed tubesheet ( pembentukan fouling yang tinggi pada tube , seperti pada reboiler thermosiphon vertikal yang menggunakan fluida polimer seperti pada Butadiene plant ) Gunakan 2 shell yang disusun secara paralel. dengan penggunaan STHE dimana Shell disusun secara seri, maka jika salah satu STHE telah terjadi penumpukan ( akumulasi ) fouling ( dimana STHE tersebut diservice ) maka STHE yang satunya lagi dapat digunakan, walaupun tentunya terjadi penurunan output, sebaiknya kapasitas yang digunakan masing- masing antara 60 – 70 % dari kapasitas total Gunakan Wire Fin tube. Penggunaan Wire fin tube,dapat mengurangi terbentuknya fouling, pada awalnya penambahan wire fin tube ini digunakan untuk meningkatkan perpindahan panas tube pada aliran laminar. Wire fin dapat menaikkan pencampuran radial ( radial mixing ) dari dinding tube hingga kebagian centre ( tengah ), efek gerakan pengadukan inilah yang dapat meminimalisasikan deposit pada dinding tube. Gunakan Fluidized Bed HE, HE tipe ini dapat menghandle fouling yang ekstrim. Apabila Fluida kotor ditempatkan pada shell
Gunakan U-Tube atau Floating head. Kelemahanan penggunaan U tube adalah kesulitan pembersihan pada bagian U. Gunakan susunan tube secara Square atau Rotate Square. susunan square menyediakan akses yang lebih sehingga cleaning HE secara mechanical dengan menggunakan Rodding atau hydrojetting baik pada susunan triangle, namun begitu tube yang disusun secara square memberikan koefisien heat transfer yang rendah, untuk situasi seperti ini , maka rotate square dapat digunakan. Meminimalisasikan dead space dengan desain baffle secara optimum. STHE lebih mudah mengalami Fouling dikarenakan adanya dead space, oleh sebab itu , penentuan jarak antar baffle ( baffle spacing ) dan baffle cut sangatlah penting, kedua variable tersebut sangat berpengaruh dalam pentuan besar kecilnya koefisien perpindan panas pada shell. Nilai Baffle cut sebaiknya digunakan antara 20 -30 %, dimana baffle cut sebesar 25 % adalah nilai yang cukup baik sebagai starter. Untuk perpindahan panas yang hanya melibatkan panas sensible ( seperti heater atau cooler ) disarankan tidak menempatkan posisi baffle secara vertikal, untuk perpindahan panas yang melibatkan panas laten atau terjadinya perubahan fase ( seperti condenser, vaporizer ) disarankan untuk menempatkan posisi baffle secara vertikal. Rasio antara baffle-space / shell diameter yang tepat akan dapat mengurangi fouling pada shell, nilai rasio antara 0.3 – 0.6 dapat digunakan sebagai starter. Pemilihan Baffle cut dan spacing yang baik sebaiknya yang dapat menghasilkan stream B ( cross flow ) yang besar dan menimalisasikan kebocoran ( leakage ) dan bypass stream. Kecepatan tinggi, sama seperti pada tube, pengunaan kecepatan tinggi pada shell akan dapat mengurangi pembentukan fouling, dan dapat menaikkan koefisien perpindahan panas shell. Kecepatan pada shell umumnya ( disamping faktor lain seperti tube pitch dan lain –lain ) dipengaruhi oleh diameter shell dan baffle spacing. Gunakan tube pitch yang lebih besar untuk fouling yang lebih sangat tinggi. Umumnya tube pith yang digunakan adalah sebesar 1.25 kali dari OD untuk triangular pitch dan 6 mm lebih dari OD untuk square. Sumber : 1. C.A. Bennet, R.Stanley Kistler, Thomas G. Lestina dan D.C. King, Improving Heat Exchanger Design, 2007, Chemical Engieering Progress 2. J. Nesta dan C.A Bennet, Reduce Fouling in Shell & Tube Heat Exchanger, 2004, Hydrocarbon Processing 3. R.Mukherjee, Conquer Heat Exchanger Fouling, 1996, Hydrocarbon Processing 4. T.R. Bott, Fouling of Heat Exchanger, 1995, Elsevier
