BAB V TUGAS KHUSUS 5.1 Latar Belakang Penukar panas (Heat Exchanger) adalah alat yang digunakan untuk memindahkan energi dalam bentuk panas antara fluida yang berbeda temperaturnya. Fluida yang bertukar energi dapat berupa fluida yang sama fasenya (cair ke cair atau gas ke gas) atau dua fluida yang berbeda jenisnya. Kondensor adalah salah satu alat penukar panas yang sering digunakan di industri. Kondensor adalah suatu alat yang terdiri dari jaringan pipa dan digunakan untuk mengubah uap menjadi zat cair (air). dapat juga diartikan sebagai alat penukar kalor (panas) yang berfungsi untuk mengkondensasikan fluida atau mendinginkan fluida. Dalam penggunaanya kondensor diletakkan diluar ruangan yang sedang didinginkan supaya panas yang keluar saat pengoperasiannya dapat dibuang keluar sehingga tidak mengganggu proses pendinginan. Kondensor sangat berpengaruh dalam industri terhadap seluruh keberhasilan rangkaian proses, karena kegagalan operasi pada peralatan ini akan mengakibatkan kegagalan mekanika maupun kegagalan operasional yang dapat menyebabkan berhentinya unit operasi. Di samping itu di dalam pabrik pupuk, proses pertukaran panas penting dalam rangka konversi energi, keperluan proses, persyaratan keamanan, dan perlindungan terhadap lingkungan. Maka kondensor dituntut untuk mampu memiliki kinerja yang baik agar dapat diperoleh hasil yang maksimal serta dapat menunjang penuh terhadap suatu unit operasi. 5.2 Permasalahan Pada umumnya alat-alat yang berada di pabrik harus dilakukan perawatan serta perbaikan untuk memantau kondisi alat tersebut. Setelah dilakukan perbaikan dan perawatan, dilakukan test pada alat-alat tersebut untuk melihat kinerja setelah dilakukan perbaikan dan perawatan. Pada unit urea 1-A, terdapat kondensor EA-404 (A-D) pada seksi ammonia recovery yang berguna untuk menurunkan suhu ammonia yang berasal dari ammonia reservoir yang akan dipompa menuju ammonia preheater dan menuju kembali ke reaktor sebagai feed recycle. Akan dilakukan evaluasi kondensor ammonia EA-404 (A-D) setelah dilakukan performance test.
5.3 Tujuan Untuk mengevaluasi kondensor EA-404 (A-D) jenis Shell and Tube pada seksi ammonia recovery dan dibandingkan dengan data kondensor desain. 5.4 Landasan Teori 5.4.1 Alat Penukar Panas Alat penukar panas (Heat Exchanger) adalah alat yang sangat banyak digunakan di dalam industri yang berguna untuk memindahkan atau mentransfer panas dari suatu zat ke zat lainnya. Terdapat banyak sekali jenis alat penukar panas, maka untuk mencegah timbulnya kesalahpahaman maka alat penukar panas dikelompokkan berdasarkan fungsinya : 1. Chiller Digunakan untuk mendinginkan fluida sampai temperature yang sangat rendah. Temperature fluida hasil pendinginan di dalam chiller yang lebih rendah di bandingkan dengan fluida pendinginan yang dilakukan dengan cooling water. Untuk chiller media pendingin yang digunakan umumnya ammonia atau Freon. 2. Kondensor Digunakan untuk mendinginkan uap atau campuran uap, sehingga fasenya berubah menjadi cairan. Media pendingin yang digunakan umumnya air atau udara. Uap atau campuran uap akan melepaskan panas laten kepada pendingin, sehingga akan mengembun menjadi kondensat. 3. Cooler Digunakan untuk mendinginkan cairan atau gas dengan menggunakan air sebagai media pendingin. Disini tidak terjadi perubahan fase, dengan perkembangan teknologi dewasa ini maka pendingin cooler mempergunakan media pendingin berupa udara dengan bantuan fan (kipas). 4. Evaporator Digunakan untuk menguapkan cairan menjadi upa. Pada alat ini terjadi evaporasi (penguapan) suatu zat dari fase cair ke fase gas.yang dimanfaatkan alat ini adalah panas laten dan zat yang digunakan adalah air atau refrigerant cair. 5. Reboiler Digunakan untuk mendidihkan kembali (reboil) serta menguapkan sebagian cairan yang diproses. Adapun media pemanas yang digunakan adalah uap zat panas yang sedang diproses itu sendiri.
Alat penukar panas ini bertujuan untuk memanfaatkan panas suatu aliran fluida yang lain. Maka akan terjadi dua fungsi sekaligus, yaitu 5.4.2
Memanaskan fluida Mendinginkan fluida
Kondensor Kondensor adalah suatu alat untuk terjadinya kondensasi refrigeran uap dari kompresor dengan suhu tinggi dan tekanan tinggi. Kondensor sebagai alat penukar kalor berguna mendinginkan uap atau campuran uap, sehingga fasenya berubah menjadi cairan. Faktor-faktor yang mempengaruhi kapasitas kondensor: 1. Luas muka perpindahan panasnya meliputi diameter pipa kondensor, panjang pipa
2. 3. 4. 5.4.3
kondensor dan karakteristik pipa kondensor. Aliran udara pendinginnya secara konveksi natural atau aliran paksa oleh fan. Perbedaan udara pendinginnya antara refrigeran dengan udara luar. Sifat dan karakteristik refrigeran di dalam sistem.
Klasifikasi kondensor Menurut zat yang mendinginkannya, kondensor dapat dibagi menjadi tiga jenis yaitu: 1. Kondensor berpendingin udara (Air Cooled Condenser) Air Cooled Condenser adalah kondensor yang menggunakan udara sebagai cooling mediumnya, biasanya digunakan pada sistem berskala rendah dan sedang dengan kapasitas hingga 20 ton refrigerasi. Air Cooled Condenser merupakan peralatan AC (Air Conditioner) standard untuk keperluan rumah tinggal (residental) atau digunakan di suatu lokasi di mana pengadaan air bersih susah diperoleh atau mahal. Untuk melayani kebutuhan kapasitas yang lebih besar biasanya digunakan multiple air colled condenser. Udara sebagai pendingin kondensor dapat mengalir secara alamiah atau dialiri paksa oleh fan. Kulkas pada umumnya menggunakan kondensor berpendingin udara secara alamiah (konveksi natural) yang umum disebut sebagai kondensor statis. Fan dapat meniupkan udara kearah kondensor dalam jumlah yang lebih besar, sehingga dapat memperbesar kapasitas pelepasan panas oleh kondensor. Refrigeran dari kompresor pada suhu dan tekanan tinggi dialirkan ke bagian paling atas kondensor. Di dalam kondensor, refrigeran melepas kalor embunnya sehingga mengembun, wujudnya berubah dari uap menjadi cair. Refrigeran dengan tekanan tinggi ini dialirkan dari bagian bawah kondensor ke saringan dan alat ekspansi. Pelepasan panas ini dapat dirasakan yaitu muka kondensor menjadi hangat.
Kondensor berpendingin udara bentuknya sederhana, tidak memerlukan perawatan khusus. Ini adalah keuntungan dari kondensor berpendingin udara. Sistem refrigerasi yang berkapasitas kurang dari 1 kW umumnya menggunakan kondensor jenis ini.
2. Kondensor berpendingin air (Water Cooled Condenser) Kondensor jenis ini digunakan pada system yang berskala besar untuk keperluan komersil di lokasi yang mudah memperoleh air bersih. Kondensor jenis ini menjadi pilihan yang ekonomis bila terdapat suplai air bersih mudah dan murah. Pada umumnya kondensor seperti ini berbentuk tabung yang di dalamnya berisi pipa (tubes) tempat mengalirnya air pendingin. Uap refrigeran berada di luar pipa tetapi di dalam tabung (shell). Kondensor seperti ini disebut shell and tube water cooled condenser. Air yang menjadi panas, akibat kalor yang dilepas oleh refrigeran yang mengembun, kemudian air yang telah menjadi panas ini didinginkan di dalam alat yang disebut menara pendingin (cooling tower). Setelah keluar dari cooling tower, air menjadi dingin kembali dan disalurkan dengan pompa kembali ke kondensor. Dengan cara inilah pendingin disirkulasikan. Kondensor jenis ini biasanya digunakan pada sistem berkapasitas besar. 3. Kondensor berpendingin campuran udara dan air (Evaporative Condenser) Kondensor jenis ini merupakan kombinasi dari kondensor berpendingin udara dan kondensor berpendingin air. Koil kondensor ini diletakkan berdekatan dengan media pendinginnya yang berupa udara tekan dan air yang disemprotkan melalui suatu lubang nozzle. Kondensor jenis ini disebut juga evaporative condenser. Kondensornya sendiri berbentuk seperti kondensor dengan pendingin air, namun diletakkan di dalam menara pendingin. Percikan air dari atas menara akan membasahi muka kondensor jadi kalor dari refrigeran yang mengembun diterima oleh air dan kemudian diberi pada aliran udara yang mengalir dari bagian bawah ke bagian atas menara. Sebagai akibatnya air yang telah menjadi panas tersebut diatas, didinginkan oleh aliran udara, sehingga pada saat air mencapai bagian bawah menara, air ini sudah menjadi dingin kembali. Selanjutnya air dingin ini dipompakan ke bagian atas menara demikian seterusnya. Dalam Negara yang bemusim empat, pada musim dingin sering kali tidak dibutuhkan percikan air dari atas menara, karena udara sudah cukup dingin dan mampu secara langsung menerima beban kondensor. Dalam keadaan seperti ini, dikatakan bahwa evaporative condenser
dioperasikan secara kering. Dengan cara ini maka evaporative condenser dioperasikan secara kering. Maka evaporative condenser ini akan berfungsi seperti kondensor berpendingin udara. 5.5
Parameter evaluasi kinerja kondensor Evaluasi kinerja kondensor dapat ditentukan oleh beberapa parameter berikut: 5.5.1 Laju perpindahan panas Laju perpindahan panas dapat di evaluasi dengan menggunakan persamaan Q=m x L Namun pada kasus ini, tidak terjadi perubahan fase hanya perubahan nilai temperature sehinnga persamaan yang digunakan menjadi Q=m x cp x ∆ T
5.5.2
LMTD (Log Mean Temperature Difference) Beda temperature rata-rata logaritmik dievaluasi dengan menggunakan persamaan : ∆ T 1−∆ T 2 LMTD= x Ft ∆T 1 ln( ) ∆T 2
5.5.3
Koefisien perpindahan kalor / panas Saat kondensor beroperasi, maka nilai koefisien perpindahan kalor akan berubah terhadap waktu (kondisi kotor). Koefisien perpindahan kalor kondisi kotor, dievaluasi menggunakan persamaan : Q U= A x LMTD
5.6 5.6.1
Metodologi perhitungan Menghitung laju perpindahan panas / kalor Tidak terjadi perubahan fase zat hanya perubahan suhu, maka digunakan persamaan sebagai berikut: Q=m x cp x ∆ T Q = Laju perpindahan panas / kalor fluida panas atau dingin m = laju alir massa fluida panas atau dingin cp = kalor jenis fluida panas atau dingin ∆T = beda temperature fluida
5.6.2
Mencari LMTD (Log Mean Temperature Difference) ∆ T 1−∆ T 2 LMTD= x Ft ∆T 1 ln ∆T 2
(
)
LMTD = beda temperature rata – rata logaritmik ∆T1 = beda temperature fluida panas masuk kondensor dengan temperature fluida dingin keluar kondensor. ∆T1 = Thi - Tco Thi = temperatut fluida panas masuk kondensor Tco = temperature fluida dingin keluar kondensor ∆T2 = beda temperature fluida panas keluar kondensor dengan temperature fluida dingin masuk kondensor. ∆T2 = Tho – Tci Tho = temperature fluida panas keluar kondensor Tci = temperature fluida dingin kelaur kondensor Ft = Faktor koreksi Mencari faktor koreksi Thi−Tho R= Tco−Tci S=
Tco−Tci Thi−Tho
Setelah menghitung nilai R dan S maka dapat dilihat faktor koreksinya pada grafik dalam 5.6.3
lampiran. Menghitung koefisien perpindahan kalor / panas Q U= A x LMTD U = Koefisien perpindahan kalor / panas menyeluruh Q = laju perpindahan kalor / panas fliuda panas atau dingin A = luas permukaan perpindahan kalor / panas
LMTD = beda temperature rata-rata logaritmik
5.7 Hasil Perhitungan
Keterangan :
5.7.1
DA-401 = High Pressure Absorber (HPA) EA-405 = Ammonia Recovery Absorber FA-401 = Ammonia Reservoir CW = Cooling Water
Laju perpindahan panas / kalor (Q)
Item EA-404 A EA-404 B EA-404 C EA-404 D
Description Ammonia condenser Ammonia condenser Ammonia condenser Ammonia condenser
Q Kcal/hr
Desain
Aktual
5,272,8 00 5,272,8 00 5,272,8 00 5,272,8 00
637,60 0 5,470,8 80 4,063,6 40 712,80 0
5.7.2
Log Mean Temperature Difference (LMTD)
Item EA-404 A EA-404 B EA-404 C EA-404 D
5.7.3
Description Ammonia condenser Ammonia condenser Ammonia condenser Ammonia condenser
LMTD C
Desain
Aktual
8.592
5.464
8.592
3.198
8.592
4.222
8.592
5.108
Koefisien perpindahan panas / kalor (U)
Item EA-404 A EA-404 B EA-404 C EA-404 D
Description Ammonia condenser Ammonia condenser Ammonia condenser Ammonia condenser
Ud Kcal/hr.m2.C
Desain
Aktual
625.57
118.96
625.57
1743.74
625.57
981.13
625.57
142.26
5.8 Pembahasan Hasil pengamatan dan perhitungan evaluasi kondensor EA-404 A dan D umumnya untuk kondensor EA-404 A dan D menunjukkan penurunan kinerja terlihat dari nilai Q, LMTD dan U yang menurunan terhadap nilai desain. Nilai laju perpindahan kalor / panas (Q) desain sebesar 5.272.800 kcal/hr sedangkan hasil aktual kondensor EA-404 A sebesarc637.600 kcal/hr, kondensor EA-404 D sebesar 712.800 kcal/hr sedangkan untuk kondensor EA-404 B dan C hasil aktualnya 5.470.880 kcal/hr, dan 4.063.640 kcal/hr. Untuk nilai LMTD desain sebesar 8.592°C sedangkan hasil aktual kondensor EA-404 A 5.464°C, kondensor EA-404 D sebesar 5.108°C sedangkan untuk kondensor EA-404 dan C masing – masing 3.198°C, dan 4.222°C. Untuk nilai koefisien perpindahan panas / kalor (U) desain sebesar 625.57 kcal/hr.m2.°C sedangkan hasil aktual kondensor EA-404 A sebesar 118.96 kcal/hr.m2.°C, kondensor EA-404 D sebesar 142.26 kcal/hr.m2.°C sedangkan untuk nilai kondensor EA-404 B dan C masing – masing sebesar 1743.74 kcal/hr.m2.°C, dan 981.13 kcal/hr.m2.°C. Ada beberapa faktor yang dapat mempengaruhi penurunan yang terjadi, salah satunya fouling faktor yang terdapat di dalam tube atau shell. Akibat dari fouling faktor ini sangat mempengaruhi perpindahan panas atau kalor pada kondensor. Pengotoran ini dapat terjadi dari fliuda yang mengalir, juag disebabkan oleh korosi alat pada komponen kondensor akibat dari pengaruh fluida yang mengalir. Namun hal tersebut dapat diperlambat dengan maintenance yang teratur dan menambahkan treatment khusus pada alat exchanger ini. 5.9 Kesimpulan Berdasarkan hasil pengamatan dan perhitungan data desain dan data aktual, dapat disimpulkan: 1. Kinerja dari kondensor EA-404 A-D secara keseluruhan mengalami penurunan dari nilai Q, LMTD, dan U. 2. Salah satu penyebab penurunan ini karena adanya fouling faktor yang dapat mengakibatkan penurunan hantaran panas / kalor oleh fliuda dingin.
5.10 Saran Dilakukan pengecekkan dan perawatan secara rutin dan berkala terhadap kondensor EA404 A-D yang khususnya di kondensor A dan D.
