LABORATORIUM PROSES PEMISAHAN DENGAN PERPINDAHAN MASSA Heat Exchanger

LABORATORIUM PROSES PEMISAHAN DENGAN PERPINDAHAN MASSA

Heat Exchanger Percobaan : ..................................... III α Kelompok : ...............

Nama

: Zandhika Alfi P.

1. ........................................... May Saktianie N.

2. ........................................... Nurul Qiftiyah

3. ........................................... Rizka Amalia K. P.

4. ...........................................

2313 030 035

NRP. ........................................ 2313 030 029

NRP. ........................................ 2313 030 067

NRP. ........................................ 2313 030 073

NRP. ........................................

21 April 2015 Tanggal Percobaan : ................................................................. 28 April 2015 Tanggal Penyerahan : .................................................................

Asisten

Ema R. : Gita .................................................................

Dosen Pembimbing

Altway S.T.,M.T.,M.Sc. : Saidah .................................................................

PROGRAM STUDI D3 TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2015

ABSTRAK Tujuan dari percobaan Heat Exchanger adalah Menentukan nilai ∆TLMTD, hi/ho, Q, UD, Rd, dan Efisiensi, Mengetahui pengaruh flow Rate terhadap ∆TLMTD, hi/ho, Q, UD, Rd, dan Efisiensi. Mendemonstrasikan penggunaan salah satu jenis exchanger yang beroperasi dengan aliran Co-Curent maupun aliran Counter-Curent serta perbandingan nilai ∆TLMTD, UD, Q, dan Efisiensi antara kedua aliran tersebut. Prosedur Percobaan adalah Tahap Persiapan, yaitu pertama mengisi tangki minimal ¾ bagian dari volume. Menghidupkan pompa, sampai pompa mati dengan sendirinya. Mengecek volume boiler, dengan cara melihat pada gelas penduga pada unit control. Volume control air tidak boleh penuh, jika penuh akan menyebabkan bahaya karena tidak ada ruang penguapan ketika boiler dipanaskan. Membuangnya atau mengurangi air jika penuh melalui kran drain atau pembuangan hingga pada batas aman. Membuka katup kompor lalu menyulutkan api ke kompor. Jika bau gas menyengat, maka tutup kembali regulator tabung LPG dengan segera. Menunggu sampai air mendidih pada temperatur130oC dengan melihat pada termometer. Menyeting tekanan uap pada tekanan 1.2 bar dengan jalan mengatur katup pengaman SV (Safety Valve). Tekanan dapat dilihat pada manometer. Menjaga isi bak atau tangki minimal ¾ volumenya. Menggunakan boiler apabila tekanan telah stabil. Tahap Percobaan dibagi dua yaitu arah aliran co-current, membuka valve V2, V6, V9. Menutup valve V4, dan V7. Mengalirkan air dengan membuka valve V5 sebagai variabel setelah keadaan steady state. Mengukur Rate steam dan juga Rate air. Mengamati suhu steam yang masuk (T1) dan suhu steam yang keluar (T 2). Mengukur suhu air yang masuk (t1) dan suhu air yang keluar (t2). Mencatat suhu yang telah di dapat. Tahap yang kedua adalah Arah Aliran Counter-Current, yaitu membuka valve V2, V7, dan V8. Menutup valve V4, V6, V9, dan V5. Mengalirkan air dengan membuka valve V9 sebagai variabel setelah keadaan steady state. Membuka valve V1 sebagai variabel setelah keadaan steady state. Mengukur Rate steam dan juga Rate air. Mengamati suhu steam yang masuk (T 1) dan suhu steam yang keluar (T2). Mengukur suhu air yang masuk (t1) dan suhu air yang keluar (t2). Mencatat suhu yang telah didapat. Dari hasil percobaan Heat Exchanger yang telah dilakukan, maka dapat diperoleh kesimpulan untuk Hubungan flow rate dengan ∆TLMTD, hi/ho, Q, Ud, dan efisiensi adalah berbanding lurus, maksudnya nilai ∆T LMTD, hi/ho, Q, Ud, dan efisiensi akan semakin bertambah seiring bertambahnya flow rate, sedangkan untuk nilai Rd mengalami penurunan seiring bertambahnya flow rate. Namun dari hasil praktikum untuk nilai-nilai ho, Q, Ud, Rd dan efisiensi ada yang mengalami penyimpangan dari literatur. Perbandingan nilai ∆T LMTD, Q, dan efisiensi antara aliran Counter-Curent lebih besar yang aliran Co-Curent. Sedangkan untuk nilai Ud berlawanan dengan nilai ∆T LMTD, Q, dan efisiensi, yaitu nilai Ud lebih besar pada aliran Co-Curent. Namun dari hasil praktikum terjadi penyimpangan dengan literatur pada nilai ∆TLMTD, Ud dan efisiensi.

i

DAFTAR ISI ABSTRAK ............................................................................................................... DAFTAR ISI ........................................................................................................... DAFTAR GAMBAR .............................................................................................. DAFTAR TABEL ................................................................................................... DAFTAR GRAFIK.................................................................................................. BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang ............................................................................................ I.2 Rumusan Masalah ....................................................................................... I.3 Tujuan Percobaan ....................................................................................... BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1. Dasar Teori ............................................................................................. II.2. Aplikasi Industri ..................................................................................... BAB III METODOLOGI PERCOBAAN III.1. Variabel percobaan ................................................................................ III.2. Bahan yang digunakan .......................................................................... III.3. Alat yang digunakan .............................................................................. III.4. Prosedur percobaan ............................................................................... III.5. Diagram alir ........................................................................................... III.6 Gambar alat ........................................................................................... BAB IV HASIL PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN IV.1 Hasil Percobaan ..................................................................................... IV.2 Hasil Perhitungan .................................................................................... IV.3 Pembahasan ............................................................................................ BAB V KESIMPULAN .......................................................................................... DAFTAR NOTASI .................................................................................................. DAFTAR PUSTAKA .............................................................................................. APPENDIKS ............................................................................................................ Lampiran Laporan Sementara Lembar Revisi

ii

i ii iii iv v I-1 I-2 I-2 II-1 II-13 III-1 III-1 III-1 III-1 III-3 III-6 IV-1 IV-3 IV-10 V-1 vi viii ix

DAFTAR GAMBAR Gambar II.1 Proses Perpindahan Panas ..................................................................... II-1 Gambar II.2 Double Pipe Heat Exchanger ............................................................... II-4 Gambar II.3 Shell and Tube Heat Exchanger............................................................ II-5 Gambar II.4 Cross flow Heat Exchanger .................................................................. II-6 Gambar II.5 Pola Aliran dan Distribusi Temperatur dalam Co-current Flow .......... II-7 Gambar II.6 Pola Aliran dan Distribusi Temperatur dalam Counter-Current Flow . II-8 Gambar III.6 Seperangkat Peralatan Heat Exchanger ................................................ III-6

iii

DAFTAR TABEL Hasil Percobaan dan Perhitungan ∆TLMTD dengan Rate Aliran Dingin Konstan Co-Curent ..................................................................... Tabel IV.2 Hasil Percobaan dan Perhitungan ∆TLMTD dengan Rate Aliran Dingin Konstan Counter-Curent............................................................. Tabel IV.3 Hasil Perhitungan Properti Fisik untuk Rate Dingin Konstan pada Aliran Co-Current ................................................................................... Tabel IV.4 Hasil Perhitungan Properti Fisik untuk Rate Dingin Konstan pada Aliran Counter-Current .......................................................................... Tabel IV.5 Hasil Perhitungan Rate Massa (W), Kecepatan (v) dan Rate Massa per satuan Luas (G) untuk Rate Dingin Konstan pada Aliran CoCurrent .................................................................................................... Tabel IV.6 Hasil Perhitungan Rate Massa (W), Kecepatan (v) dan Rate Massa per satuan Luas (G) untuk Rate Dingin Konstan pada Aliran Counter-Current ..................................................................................... Tabel IV.7 Hasil Perhitungan UD, Uc, dan Rd untuk Rate Dingin Konstan pada Aliran Co-Current ................................................................................... Tabel IV.8 Hasil Perhitungan UD, Uc, dan Rd untuk Rate Dingin Konstan pada Aliran Counter-Current .......................................................................... Tabel IV.9 Hasil Perhitungan Efisiensi Heat Exchanger .......................................... Tabel IV.10 Hasil Perhitungan NRe, JH, hi, ho, hio untuk Rate Dingin Konstan pada Aliran Co-Current .......................................................................... Tabel IV.11 Hasil Perhitungan NRe, JH, hi, ho, hio untuk Rate Dingin Konstan pada Aliran Counter-Current .................................................................. Tabel IV.1

iv

IV-1 IV-1 IV-2 IV-2

IV-3

IV-3 IV-4 IV-4 IV-4 IV-5 IV-5

DAFTAR GRAFIK Grafik IV.1 Grafik IV.2

Grafik IV.3

Grafik IV.4 Grafik IV.5

Grafik IV.6

Grafik IV.7

Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) vs ∆TLMTD (oF) pada Aliran CoCurrent dan Counter-Curent dengan Rate Dingin Konstan............... IV-6 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) vs hi (BTU/hr.ft2ᵒF) pada Aliran Co-Current dan Counter-Curent dengan Rate Dingin Konstan............................................................................................... IV-7 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) vs ho (BTU/hr.ft2ᵒF) pada Aliran Co-Curent dan Counter-Current dengan Rate Dingin Konstan............................................................................................... IV-8 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) vs Qavg (BTU/hr) pada Aliran Co-Current dan Counter-Curent dengan Rate Dingin Konstan......... IV-9 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) vs Ud (BTU/hr.ft2ᵒF) pada Aliran Co-Curent dan Counter-Current dengan Rate Dingin Konstan.............................................................................................. IV-10 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) vs Rd (BTU/hr.ft2ᵒF) pada Aliran Co-Curent dan Counter-Current dengan Rate Dingin Konstan............................................................................................... IV-11 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) vs Efisiensi % pada Aliran CoCurent dan Counter-Current dengan Rate Dingin Konstan............... IV-12

v

DAFTAR NOTASI

No.

Simbol

Keterangan

Satuan

1

A

Luas Heat Exchanger

ft2

2

Ap

Luas penampang pipa

ft2

3

Aa

Luas penampang annulus

ft2

4

Cpc

Kapasits panas aliran air dingin

(BTU/(lb)(°F))

5

Cph

Kapasits panas aliran air panas

(BTU/(lb)(°F))

6

D

Diameter inside pipa

Ft

7

D1

Diameter inside annulus

Ft

8

D2

Diameter outside annulus

Ft

9

De

Diameter ekivalen

Ft

10

Gc

Kecepatan massa aliran air dingin

(lb/hr.ft2)

11

Gh

Kecepatan massa aliran air panas

(lb/hr.ft2)

12

hi

Koefisien perpindahan panas inside fluida

(BTU/hr.ft2ᵒF)

13

ho

Koefisien perpindahan panas outside fluida

(BTU/hr.ft2ᵒF)

14

hio

Nilai hi dibanding diameter pipa outside

(BTU/hr.ft2ᵒF)

15

kc

Konduktivitas termal aliran air dingin

(BTU/[hr.ft2.°F/ft])

16

kh

Konduktivitas termal aliran air panas

(BTU/[hr.ft2.°F/ft])

17

L

Panjang pipa

Ft

18

LMTD

Log mean temperature difference

19

NRe,c

Bilangan Reynold aliran air dingin

-

20

NRe,h

Bilangan Reynold aliran air panas

-

21

JH,c

Bilangan Prandtl aliran air dingin

-

22

JH,h

Bilangan Prandtl aliran air panas

-

23

P

Tekanan udara

mmHg

24

Qc

Kalor aliran air dingin

(BTU/hr)

25

Qh

Kalor aliran air panas

(BTU/hr)

26

Qav

Kalor rata-rata

(BTU/hr)

27

T1

Suhu aliran air panas masuk

o

28

T2

Suhu aliran air panas keluar

o

vi

o

F

F F

29

t1

Suhu aliran air dingin masuk

o

30 31 32

t2 Tavg tavg

Suhu aliran air dingin keluar Suhu rata-rata aliran air panas Suhu rata-rata aliran air dingin

o

33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44

UD Uc Rd Vc Vh Wc Wh μc μh ρc ρh Η

Over all Heat transfer Dirt Coeffition Over all Heat transfer Clean Coefficient Dirt Factor Debit aliran air dingin Debit aliran air panas Berat aliran air dingin Berat aliran air panas Viskositas a;iran air dingin Viskositas aliran air panas Densitas aliran air dingin Densitas aliran air panas Efisiensi

vii

F

F F o F o

(BTU/hr.ft2ᵒF) (BTU/hr.ft2ᵒF) (BTU/hr.ft2ᵒF) ft3/hr ft3/hr lb/hr lb/hr (lb/ft.hr) (lb/ft.hr) (lb/ft3) (lb/ft3) %

DAFTAR PUSTAKA Geankoplis Christie John Transport Processes and Separation Process Principles [Book]. New Jersey : Pearson Education.Inc, 2003. - Vol. IV. Barun, A. (2007). ANALISIS PERFORMANSI PADA HEAT EXCHANGER JENIS SHEELAND TUBE TIPE BEM DENGAN MENGGUNAKAN PERUBAHAN LAJU ALIRAN MASSA FLUIDA PANAS (Mh). Jakarta: Universitas Muhammadiya Jakarta. Dewi, L. (2010). Shell and Tube Heat Exchanger. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Dwi, I. W. (2012). Heat Exchanger. Lampung: Universitas Lampung. Kern Donald Q. Process Heat Transfer [Book]. - Japan : McGraw Hill Boook Company, 1965. - Vol. 21. Murugesan. (2012). The Effect of Mass Flow Rate on the Enhanced Heat Transfer Charactristics in A Corrugated Plate Type Heat Exchanger. Research Journal of Engineering Sciences, 25. Sadiawan, S. S. (2013). PENGARUH SIRIP CINCIN INNER TUBE TERHADAP KINERJA PERPINDAHAN PANAS PADA HEAT EXCHANGER. 5(1). Sutowo Cahya Analisa Heat Exchanger Jenis Sheel and Tube dengan Sistem Single Pass [Journal]. - Jakarta : Universitas Muhammadiyah, 2010. - 1 : Vol. II.

viii

BAB I PENDAHULUAN I.1

Latar Belakang Pada dunia industri saat ini, proses perpindahan kalor merupakan salah satu proses kunci dalam kerja mesin. Mesin-mesin industri bekerja menghasilkan berbagai macam perubahan energi, dari energi termis maupun energi mekanis yang dapat meningkatkan peningkatan suhu kerja dalam sistem. Untuk dapat mencegah maupun terjadinya peningkatan panas yang semakin tinggi maka di perlukan proses pendinginan (Sutowo, 2010). Alat penukar kalor adalah suatu alat yang dapat memberikan fasilitas perpindahan panas dari satu fluida ke fluida lain yang berbeda temperaturnya, serta menjaga agar kedua fluida tersebut tidak bercampur. Proses perpindahan panas yang paling sederhana adalah proses yang terjadi dimana fluida yang panas dan fluida yang dingin secara langsung. Dengan sistem demikian kedua fluida akan mencapai temperatur yang sama, dan jumlah panas yang berpindah dapat diperkirakan dengan mempersamakan kerugian energi dari fluida yang lebih panas dengan perolehan energi yang lebih dingin (Sutowo, 2010). Sehingga alat penukar kalor memiliki peran penting dalam dunia penindustrian terhadap keberhasilan keseluruhan rangkaian proses, karena kegagalan operasi alat ini baik akibat kegagalan mekanikal maupun operasional dapat menyebabkan berhentinya operasi unit yang ada dalam proses industri tersebut. Maka suatu alat penukar kalor (Heat exchanger) dituntut untuk memiliki kinerja yang baik agar dapat diperoleh hasil yang maksimal serta dapat menunjang penuh terhadap suatu operasional unit.

I.2

Rumusan Masalah 1. Bagaimana cara menentukan nilai ∆TLMTD, hi/ho, Q, UD, Rd, dan Efisiensi? 2. Bagaimana pengaruh flow rate terhadap ∆TLMTD, hi/ho, Q, UD, Rd, dan Efisiensi? 3. Bagaimana cara mendemonstrasikan penggunaan salah satu jenis exchanger yang beroperasi dengan aliran Co-Curent maupun aliran Counter-Curent serta perbandingan nilai ∆TLMTD, UD, Q, dan Efisiensi antara kedua aliran tersebut?

I-1

BAB I PENDAHULUAN I-2 I.3

Tujuan Percobaan 1. Menentukan nilai ∆TLMTD, hi/ho, Q, UD, Rd, dan Efisiensi. 2. Mengetahui pengaruh flow rate terhadap ∆TLMTD, hi/ho, Q, UD, Rd, dan Efisiensi. 3. Mendemonstrasikan penggunaan salah satu jenis exchanger yang beroperasi dengan aliran Co-Curent maupun aliran Counter-Curent serta perbandingan nilai ∆TLMTD, UD, Q, dan Efisiensi antara kedua aliran tersebut.

II Laboratorium Proses Pemisahan dan Perpindahan Massa Program Studi D3 Teknik Kimia FTI - ITS

BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1 Dasar Teori II.1.1 Perpindahan Panas Perpindahan panas adalah laju perpindahan panas antara medium panas dan dingin yang kemudian disebut sebagai medium source dan receiver. Besarnya laju perpindahan panas pada setiap medium (zat padat, cair dan gas) berbeda-beda (Kern, 1965).

Perpindahan energi dalam bentuk panas terjadi dalam proses kimia atau proses lainnya. Perpindahan panas sering terjadi dalam proses pemisahan, seperti proses pengeringan makanan, distilasi alkohol, pembakaran dan evaporasi. Perpindahan panas terjadi karena adanya perbedaan temperatur dan aliran panas mengalir dari daerah bersuhu tinggi menuju daerah yang bersuhu rendah (Geankoplis, 2003).

Gambar II.1 Proses Perpindahan Panas Terdapat tiga jenis mekanisme dasar dari perpindahan panas yaitu secara konduksi, konveksi dan radiasi. Dan dalam proses perpindahan panas dapat terjadi antara salah satu jenis mekanisme tersebut atau lebih. Dan jenis perpindahan panas tersebut yaitu : 1. Konduksi Panas dikonduksikan oleh adanya transfer energi dari gerakan molekul yang saling berdekatan. Dalam konduksi, perpindahan energi juga bisa dilakukan oleh elektron bebas, dimana terdapat pada zat padatan seperti logam. Contoh konduksi adalah perpindahan panas melalui dinding exchangers atau alat pendingin,

II-1

BAB II TINJAUAN PUSTAKA II-2 pengolahan besi, dll. Proses perpindahan panas yang mengikuti aliran ini dapat dituliskan persamaannya sebagai berikut :

qx  

T drivingforce qx dT  atau  k x resis tan ce A dx k

Dimana : qx = rate perpindahan panas dalam arah x (watt) A = luas penampang searah aliran panas (m2) k

= Thermal conductivity bahan (W/m.K)

x

= jarak perpindahan panas (m)

T = suhu (oK) 2. Konveksi Konveksi adalah perpindahan panas akibat adanya gerakan/pencampuran dari daerah panas ke dingin. Contohnya adalah kehilangan panas dari radiator mobil, pendinginan secangkir kopi dengan cara meniup bagian atas, dll. Perpindahan panas secara konveksi dapat digolongkan menjadi dua bagian yaitu: a. Forced convection, disebabkan oleh adanya bantuan tenaga atau gaya dari luar sehingga terjadi gerakan dimana fluida secara paksa dialirkan melalui permukaan zat padat dengan menggunakan pompa, kipas atau alat lainnya. b. Natural atau free convection, dimana pergerakan perpindahan panas disebabkan oleh adanya perbedaan densitas yang diakibatkan adanya perbedaan temperatur dari fluida tersebut. Perpindahan panas secara konveksi dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:

q  hA(Tw  Tf ) dimana : h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.K) Tw = suhu dinding yang berkontak dengan fluida (oK) T = suhu fluida / rata-rata (oK) A = luas area / dinding (m2) 3. Radiasi Berbeda halnya dengan proses perpindahan panas secara konduksi dan konveksi dimana proses tersebut membutuhkan media fisik untuk mengalirkan panas, radiasi tidak membutuhkan hal tersebut. Sehingga radiasi merupakan perpindahan energi panas melalui suatu ruangan karena adanya gelombang Laboratorium Proses Pemisahan dengan Perpindahan Massa Program Studi D3 Teknik Kimia FTI-ITS

BAB II TINJAUAN PUSTAKA II-3 elektromagnetik. Contohnya adalah pemindahan panas ke bumi akibat sinar matahari, pemanasan fluida pada koil dari tabung furnace, dll. Perpindahan panas secara radiasi dapat dinyatakan dalam persamaan berikut :

Q  AT 4 Dimana :  = konstanta Boltzman = 5,676 x 10-8 W/m2..oK4 ε = emissivity (=1 untuk benda hitam) A = luas permukaan benda (Geankoplis, 2003)

II.1.2 Heat Exchanger Peralatan perpindahan panas sangat dibutuhkan dalam berbagai proses industri. Heat Exchanger (HE) memanfaatkan panas antara dua aliran proses. Heater digunakan terutama untuk memanaskan fluida proses. Cooler untuk mendinginkan fluida proses dimana air digunakan sebagai medium pendingin utama. Condenser adalah cooler yang tujuan utamanya untuk memanfaatkan panas laten menggantikan panas sensibel. Reboiler adalah penyuplai panas yang diperlukan pada proses distilasi sebagai panas laten. Evaporator berfungsi untuk memekatkan larutan dengan menguapkan airnya.Dan jika yang diuapkan bukan air, maka alatnya disebut vaporizer (Kern, 1965). Dalam proses industri perpindahan panas antara dua fluida dilakukan dengan menggungakan Heat Exchanger. Umumnya fluida panas dan dingin tidak dikontakkan secara langsung, melainkan dipisahkan dengan adanya tube wall atau flat atau curved surface. Perpindahan panas fluida panas ke tube wall atau permukaan tube merupakan proses perpindahan panas secara konduksi kemudian secara konveksi menuju fluida dingin. Sehingga Heat Exchanger adalah alat perpindahan panas yang digunakan sebagai media perpindahan panas yang terjadi karena perbedaan temperatur dari dua fluida yang mengalir dan tidak saling bercampur. Terdapat berbagi jenis Heat Exchanger yaitu : a. Double pipe Heat Exchanger Double pipe Heat Exchanger (DPHE) merupakan jenis alat Heat Exchanger yang sederhana. Dimana salah satu fluida mengalir di dalam pipa dan fluida lainnya mengalir di dalam annular (ruang diantara dua pipa). Aliran dalam fluida bisa secara co-current dan counter current. Alat ini dapat dibuat Laboratorium Proses Pemisahan dengan Perpindahan Massa Program Studi D3 Teknik Kimia FTI-ITS

BAB II TINJAUAN PUSTAKA II-4 dengan sepasang pipa tunggal panjang dengan fitting pada bagian akhir atau dari beberapa pasang yang dihubungkan secara seri. Heat Exchanger tipe ini biasa digunakan untuk aliran rate yang kecil.

Gambar II.2 Double Pipe Heat Exchanger b. Shell and tube exchanger Apabila diperlukan aliran fluida yang lebih besar maka Shell and tube exchanger dapat digunakan. Alat ini merupakan exchanger yang diperlukan dalam proses industri. Aliran fluida dalam exchanger ini merupakan aliran secara kontinyu (berlangsung terus menerus). Terdapat beberapa tube yang diperlukan dalam alat ini, dimana fluida mengalir di dalam tube. Tube yang disusun dalam bundle, yang dimasukkan dalam satu shell dan fluida lain dialirkan di luar tube namun berada di dalam shell. Shell and tube exchanger yang paling sederhana ditunjukkan dalam gambar II.3 (a) untuk 1 shell pass dan 1 tube pass atau 1-1 counter-flow exchanger. Fluida dingin masuk dan mengalir di bagian dalam melalui tube dalam paralel pada satu pass. Fluida panas masuk pada bagian akhir yang lain dan mengalir counterflow across di luar tube-tube. Cross baffle digunakan agar memaksa fluida mengalir across tube dari susunan parallel. Dibutuhkan aliran fluida yang turbulen dalam cross flow agar dapat meningkatkan koefisien perpindahan panas.

Laboratorium Proses Pemisahan dengan Perpindahan Massa Program Studi D3 Teknik Kimia FTI-ITS

BAB II TINJAUAN PUSTAKA II-5 Cold fluid in

Hot fluid out

Hot fluid in Cold fluid out

(a) 1 shell pass and 1 tube pass Hot fluid in

Cold fluid in

Cold fluidout

Hot fluid out

(b) 1 shell pass and 2 tube passes Gambar II.3 Shell and Tube Heat Exchanger

1-2 paralel counter flow exchanger, fluida pada tube side mengalir dalam 2 passes dan shel-side liquid mengalir dalam satu pass. Pada pass pertama dari tube side fluida dingin mengalir counter flow menuju fluida panas shell-side, dan pada pass kedua dari tube side fluida dingin mengalir dalam paralel (co-current) dengan fluida panas. Tipe lainnya, yaitu exchanger dengan 2 shell-side passes dan 4 tube passes. c. Cross-flow Exchanger Apabila suatu gas seperti udara dipanaskan atau didinginkan, peralatan yang digunakan biasanya adalah cross-flow exchanger. Salah satu fluida, yaitu liquid mengalir pada bagian dalam tube dan gas mengalir melalui tube bundle disebabkan oleh konveksi paksa atau konveksi bebas.


BAB II TINJAUAN PUSTAKA II-6

Gambar II.4 Cross flow Heat Exchanger

Neraca panas Berdasarkan Kern (1965), menyatakan persamaan neraca panas sebagai berikut : Qh = Qc 𝑊ℎ 𝐶𝑝ℎ (𝑇1 − 𝑇2 ) = 𝑊𝑐 𝐶𝑝𝑐 (𝑡1 − 𝑡2 ) Dimana : Qh

= Panas yang dilepas oleh fluida panas, kJ/s

Qc

= Panas yang dilepas oleh fluida dingin, kJ/s

Wh

= Laju alir fluida panas, kg/s

Wc

= Laju alir fluida dingin, kg/s

CP,h

= Kapasitas panas untuk fluida panas, kJ/kgoK

CP,c

= Kapasitas panas fluida dingin, kJ/kgoK

II.1.3 Logarithmic Mean Temperature Difference (LMTD) Pada umumnya kedua fluida yang mengalir bervariasi tidak linear dengan temperatur. Pada setiap titik T-t antara kedua aliran berbeda sehingga LMTD diperlukan untuk mempelajari T-t vs Q, sehingga persamaan perpindahan panas di dalam double pipe exchanger menurut Geankoplis (2003), dapat ditulis sebagai berikut : Q=A UD LMTD


BAB II TINJAUAN PUSTAKA II-7 Dimana : A

= Luas perpindahan panas, m2

UD

= Overall heat transfer coefficient, kJ/sm 2 oK

LMTD

= Logarithmic Mean Temperature Difference, oK

Ketika fluida panas dan dingin dalam Heat Exchanger mengalir secara countercurrent atau co-current, Log Mean Temperature Difference (LMTD) akan digunakan :

LMTD=

(∆T2- ∆T1) ∆T

ln ∆T2 1

Dimana ∆T2 adalah perbedaan suhu pada ujungexchanger dan∆T1adalah ujung yang lain.LMTDinidigunakan untuk

douple pipe Heat Exchanger dan 1-1exchanger

dengan 1 shell pass dan 1 tube pass dalam aliran counter maupun co-current (Geankoplis, C.J., 1997).

LMTD untuk co-current : Berdasarkan Kern (1965), meyatakan bahwa jika dua fluida memasuki exchanger pada dua ujung yang sama dan mengalir dengan arah yang sama, alirannya disebut parallel atau cocurrent flow. t1

T1

T1

T2 T2

t2

t2

t1

Gambar II.5 Pola Aliran dan Distribusi Temperatur dalam Co-current Flow Berdasarkan Kern (1965), Log Mean Temperature Difference (LMTD) untuk aliran co-current dinyatakan dalam persamaan berikut ini :

LMTD=

(T1 -t1 )-(T2 -t2 ) (T -t )

ln (T1 -t1) 2 2


BAB II TINJAUAN PUSTAKA II-8 LMTD untuk Counter Current : Berdasarkan Kern (1965), meyatakan bahwa ketika dua fluida memasuki exchanger pada ujung yang berbeda dan melewati exchanger unit dengan arah yang berlawanan, aliran tipe ini disebut counter flow atau counter current flow. t1

T1 t2

T1 T2 T2 t1

t2

Gambar II.6 Pola Aliran dan Distribusi Temperatur dalam Counter-Current Flow

Berdasarkan Kern (1965), Log Mean Temperature Difference (LMTD) untuk aliran cocurrent dinyatakan dalam persamaan berikut ini : LMTD=

(T1 -t2 )-(T2 -t1 ) (T -t )

ln (T1 -t2) 2 1

Berdasarkan Kern (1965), meyatakan bahwa penurunan dari perbedaan temperatur antara kedua fluida pada aliran berlawanan berlaku asumsi-asumsi dibawah ini : 1. Koefisien perpindahan panas total (U) adalah konstan pada keseluruhan proses. 2. Laju alir massa adalah konstan karena aliran dianggap steady state. 3. Panas spesifik dalah konstan pada keseluruhan proses. 4. Tidak ada perubahan fase dalam temperature, yaitu penguapan dan kondensasi. Penurunan itu dapat dipakai pada perubahan panas temperatur dan pada saat penguapan atau kondensasi adalah isothermal pada keseluruhan proses. 5. Kehilangan panas diabaikan.

II.1.4 Individual Heat Transfer Koefisien Menurut Geankoplis (2003), individual heat transfer koefisien adalah koefisien perpindahan panas untuk menyatakan besarnya perpindahan panas antara fluida yang mengalir dalam suatu permukaan dengan permukaan tersebut. Untuk mecari besarnya individual heat transfer biasanya dipergunakan analisa dimensional dari bilangan-bilangan tak berdimensi, antara lain : Laboratorium Proses Pemisahan dengan Perpindahan Massa Program Studi D3 Teknik Kimia FTI-ITS

BAB II TINJAUAN PUSTAKA II-9 1. Reynold Number (Nre) Nre =

DG µ

Nnu =

hD k

Npr=

𝐶𝑝 µ k

2. Nusel Number (Nnu)

3. Pradtl Number (Npr)

Karena untuk perhitungan OHTC harus dipergunakan satu harga luas perpindahan panas yang biasanya adalah permukaan luar pipa,maka berdasarkan Kern (1965), menyatakan bahwa individual heat transfer coefficient aliran dalam pipa harus diubah dengan menggunakan persamaan : hio =hi

D1 De

II.1.6 Fouling Factors Dalam realitanya permukaan dari alat heat-transfer tidak bersih, kotoran, scale, dan deposit lain terbentuk pada salah satu atau kedua sisi tube exchanger serta pada heat-transfer surface lainnya. Deposit-deposit ini akan resistansi pada aliran dan mereduksi koefisien heattransfer overall U. Untuk mencegah atau mengurangi permasalah fouling yaitu dengan menggunakan inhibitor kimia ditambahkan untuk meminimalkan korosi, deposisi garam, dan pertumbuhan alga. Kecepatan air yang digunakan adalah di atas 1 m/s untuk membantu mereduksi fouling. Perbedaan temperatur yang tinggi bisa memungkinkan untuk mencegah deposisi solid pada permukaan (Geankoplis, 2003). Laboratorium Proses Pemisahan dengan Perpindahan Massa Program Studi D3 Teknik Kimia FTI-ITS

BAB II TINJAUAN PUSTAKA II-10 Berdasarkan Kern (1965), koefisien overall dari perpindahan panas diperlukan untuk memperoleh kondisi proses dapat diperoleh dari persamaan Fourier bila luas permukaan A diketahui dan Q dan Δt dihitung dari proses. Lalu U = Q/A Δt. Abaikan resistensi dinding pipa : 1 1 1 = Rio+Ro = + U hio ho

U=

hio ho hio + ho

Berdasarkan Kern (1965), menyatakan bahwa timbulnya kerak atau kotoran yang menempel pada pipa sehingga perpindahan panas tidak lagi efektif adalah sebagai masalah dalam pengoperasian pada double pipe Heat Exchanger. Makin tebal kerak tersebut, maka tahanan terhadap proses perpindahan panas makin besar sehingga koefisien perpindahan panas menjadi kecil. Untuk menyatakan hal tersebut maka secara matematis dapat ditulis : 1 1 1 = + Uc hio ho

Uc =

hioho hio + ho

Gambar II.6 Lokasi fouling factor dan koefisien perpindahan panas Berdasarkan Kern (1965), koefisien perpindahan panas dan faktor kekotoran untuk fluida dalam inner pipe dan annulus ditunjukkan dalam Gambar II.6. Berdasarkan Kern (1965), persamaan Fourier yang menyatakan hubungan antara dua koefisien overall UC dan UD adalah sebagai berikut : 1 1 = +Rd UD Uc


BAB II TINJAUAN PUSTAKA II-11

Rd= Rdi +Rd0 Dimana : UC

= Overall heat transfer coefficient dalam keadaan bersih, kJ/sm2 oK

UD

= Overall heat transfer coefficient dalam keadaan kotor, kJ/sm2 oK

Rd

= Faktor kekotoran gabungan, sm2 oK/kJ

Geankoplis (2003), menyatakan bahwa efek dari deposit dan fouling biasanya diperhatikan dalam design dengan menambahkan resistance dari fouling pada inside dan outside tube ke dalam persamaan : Ui =

1 1 hi

Dimana :

+

1 hdt

+

(ri -ro )Ai ki AAim

+

Ai hi ho

+

Ai hi hdo

hdi = fouling factor untuk inside tube (W/m2oK) hdo = fouling factor untuk outside tube (W/m2oK)

Uo =

1 Ao Ai hi

(r -r )Ao

+ k o Ai

A Aim

+

1 hi

II.1.7 Harga efisiensi Menurut Dodge, efisiensi dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara panas yang diberikan dengan panas yang seharusnya dapat diberikan secara maksimum, atau dapat didefinisikan sebagai berikut :

ƞ=

jumlah perpindahan panas aktual jumlah perpindahan panas ideal


BAB II TINJAUAN PUSTAKA II-12 Efisiensi Heat Exchanger, sebagai berikut : 

Untuk counter current

Bila Qid panas < Qid dingin

ƞ=

T1 -T2 x 100% t1 -t2

ƞ=

t1 -t2 x 100% T1 -T2

ƞ=

T1 -T2 x 100% T1 -t1

ƞ=

t1 -t2 x 100% T1 -t1

Bila Qid panas > Qid dingin



Untuk co-current

Bila Qid panas < Qid dingin

Bila Qid panas > Qid dingin


BAB II TINJAUAN PUSTAKA II-13 II.2 Aplikasi Industri ANALISA HEAT EXCHANGER JENIS SHEEL AND TUBE DENGAN SISTEM SINGLE PASS Cahya Sutowo Proses perpindahan kalor pada dunia industri pada saat ini, merupakan proses kunci kerja dalam suatu mesin, karena semua mesin bekerja dalam temperatur yang cukup tinggi. Berbicara mengenai alat penukar kalor, defenisi dari alat penukar kalor ialah suatu alat yang memfasilitasi perpindahan panas dari satu fluida ke fluida lain yang berbeda tamperatur , dan menjaga agar kedua fluida tersebut tidak saling bercampur. Fungsi dari alat penukar kalor ini tidak hanya terbatas untuk proses pendinginan saja, tetapi juga di fungsikan untuk proses pemanasan. Salah satu alat penukar kalor (Heat Exchanger), yang digunakan pada untuk mempertukarkan kalor antara fluida kerja yang berbeda temperaturnya. Oleh karena itu penggunaan Heat Exchanger perlu diperhatikan kinerjanya secara teratur karena penggunaan Heat Exchanger dapat menghemat pemakaian energi pada mesin dengan menjaga agar mesin tersebut tidak bekerja dengan temperatur yang cukup tinggi. Proses perpindahan panas yang paling sederhana adalah proses yang terjadi dimana fluida yang panas dan fluida yang dingin secara langsung. Dengan sistem demikian kedua fluida akan mencapai temperatur yang sama, dan jumlah panas yang berpindah dapat diperkirakan dengan mempersamakan kerugian energi dari fluida yang lebih panas dengan perolehan energi yang lebih dingin. Penelitian ini dilakukan untuk menganalisa unjuk kerja alat penukar kalor jenis shell and tube dengan system satu lintasan sebagai pendingin mesin pada PLTU, PJB Muara karang Unit 1 seperti kompresor, hydrogen cooler. Dimana alat penukar kalor ini bekerja untuk mendinginkan kembali air pendingin dari mesin selama mesin itu bekerja, dengan menggunakan air laut sebagai fluida pendinginnya. Dari penelitian dan perhitungan yang dilakukan alat penukar kalor jenis cangkang dan pipa satu lintas sebagai pendingin tambahan maka dapat diambil kesimpulan, dengan bilangan Reynold. Pada cangkang maupun pada pipa semua hasil bilangan tersebut (Re>10.000), maka didapat aliran yang mengalir pada pipa maupun pada cangkang adalah aliran Turbulen, hal tersebut diakibatkan dengan besarnya nilai kecepatan aliran massa pada cangkang dan pada pipa sehingga aliran yang timbul adalah aliran turbulen. Keuntungan timbulnya aliran turbulen dari pada aliran laminar adalah dengan tingginya kecepatan aliran massa maka akan mempercepat proses perpindahan panas dari air panas ke air dingin melalui pipa. Laboratorium Proses Pemisahan dengan Perpindahan Massa Program Studi D3 Teknik Kimia FTI-ITS

BAB III METODOLOGI PERCOBAAN III.1 Variabel Percobaan Dengan rate dingin konstan aliran co-current dan aliran counter-current: 38,14 ft3/hr, rate dingin 7,97 ft3/hr, 10,41 ft3/hr, dan 11,37 ft3/hr.

III.2 Bahan yang Digunakan 1. Air

III.3 Alat yang Digunakan 1. Beaker Glass 2. Gelas Ukur 3. Serangkaian alat Double Pipe Heat Exchager 4. Stopwatch 5. Termometer

III.4 Prosedur Percobaan III.4.1 Tahap Persiapan 1. Mengisi air minimal ¾ bagian dari volume. 2. Mengecek volume boiler dengan cara melihat pada gelas penduga pada unit control. 3. Membuangnya atau mengurangi air jika penuh melalui kran drain atau pembuangan hingga pada batas aman. 4. Membuka katup kompor lalu menyulutkan api ke kompor. 5. Menunggu sampai manometer menunjukan tekanan 2.2 bar dengan suhu sekitar 1340C. 6. Menyeting tekanan uap pada tekanan 2.2 bar dengan jalan mengatur katup pengaman SV. 7. Menjaga volume bak atau tangki maksimal ¾ volumenya. 8. Menjaga agar volume boiler berada pada maksimal ¾ unit control.

III-1

BAB III METODOLOGI PERCOBAAN III-2 III.4.2 Tahap Percobaan a.

Aliran Co- Current 1. Membuka valve V2, V6, dan V9. 2. Menutup valve V4 dan V7. 3. Mengalirkan air dengan membuka valve V5 sebagai variabel setelah keadaan steady state. 4. Membuka valve V1 sebagai variabel setelah keadaan steady state. 5. Mengukur rate steam dan juga rate air. 6. Mengamati suhu steam yang masuk T1 dan suhu steam yang keluar pada T2. 7. Mengukur suhu air yang masuk t1 dan suhu air yang keluar t2. 8. Mencatat suhu yang telah di dapat.

b.

Aliran Counter Current 1. Membuka valve V2, V7, dan V8. 2. Menutup valve V4, V6, V9dan V5. 3. Mengalirkan air dengan membuka valve V9 sebagai variabel setelah keadaan steady state. 4. Membuka valve V1 sebagai variabel setelah keadaan steady state. 5. Mengukur rate steam dan juga rate air. 6. Mengamati suhu steam yang masuk T1 dan suhu steam yang keluar pada T2. 7. Mengukur suhu air yang masuk t1 dan suhu air yang keluar t2. 8. Mencatat suhu yang telah di dapat.

III.5 Diagram Alir Percobaan III.5.1 Tahap Persiapan Mulai Mengisi air minimal ¾ bagian dari volume Mengecek volume boiler dengan cara melihat pada gelas penduga pada unit control

A

Laboratorium Proses Pemisahan dengan Perpindahan Massa Program Studi D3 Tekinik Kimia FTI-ITS

BAB III METODOLOGI PERCOBAAN III-3 A

Membuangnya atau mengurangi air jika penuh melalui kran drain atau pembuangan hingga pada batas aman

Membuka katup kompor lalu menyulutkan api ke kompor Menunggu sampai manometer menunjukan tekanan 2.2 bar dengan suhu sekitar 1340C Menyeting tekanan uap pada tekanan 2.2 bar dengan jalan mengatur katup pengaman SV Menjaga volume bak atau tangki maksimal ¾ volumenya.

Menjaga agar volume boiler berada pada maksimal ¾ unit control.

Selesai


BAB III METODOLOGI PERCOBAAN III-4 III.5.2 Tahap Percobaan a. Aliran Co-Current Mulai

Membuka valve V2, V6, dan V9 Menutup valve V4 dan V7 Mengalirkan air dengan membuka valve V5 sebagai variabel setelah keadaan steady state Membuka valve V1 sebagai variabel setelah keadaan steady state Mengukur rate steam dan juga rate air Mengamati suhu steam yang masuk T1 dan mengukur suhu steam yang keluar T2 Mengukur suhu air yang masuk t1 dan suhu air yang keluar t2 Mencatat suhu yang telah didapat

Selesai


BAB III METODOLOGI PERCOBAAN III-5 b. Aliran Counter-Current

Mulai

Membuka valve V2, V7, dan V8

Menutup valve V4,V6,V9 dan V5

Mengalirkan air dengan membuka valve V9 sebagai variabel setelah keadaan steady state.

Membukavalve V1 sebagai variabel setelah keadaan steady state

Mengukur rate steam dan juga rate air

Mengamati suhu steam yang masuk T1 dan suhu steam yang keluar T2

Mengukur suhu air yang masuk t1 dan suhu air yang keluar t2

Mencatat suhu yang telah didapat

Selesai


BAB III METODOLOGI PERCOBAAN III-6

Gambar III.6 Seperangkat Peralatan Heat Exchanger


BAB IV HASIL PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN Data-data yang diperoleh dari Double Pipe Heat Exchanger (DPHE) : Panjang pipa

= 6,06948 ft

ID inner pipe

= 0,068667 ft

OD inner pipe

= 0,0875 ft

ID annulus

= 0,13417 ft

Flow Area annulus

= 0,008120389 ft2

Flow Area inner pipa = 0,003701362 ft2 Diameter ekivalen

= 0,118222 ft

IV.1 Hasil Percobaan Tabel IV.1 Hasil Percobaan dan Perhitungan ∆TLMTD dengan Rate Aliran Dingin Konstan Co-Curent Rate Aliran (ft3/hr) Dingin

38,14

Panas

Temperatur (°F) T1

T2

Ht1

Tt2

Tavg

tavg

LMTD (°F)

7,97

276,8 111,2

93,2

95

194

94,1

68,953

10,41

276,8 172,4

93,2

95

224,6

94,1

122,949

11,28

276,8 179,6

93,2

95

228,2

94,1

127,771

Tabel IV.2 Hasil Percobaan dan Perhitungan ∆TLMTD dengan Rate Aliran Dingin Konstan Counter-Curent Rate Aliran (ft3/hr)

Temperatur (°F) LMTD (°F)

Dingin

38,14

Panas

T1

T2

Ht1

Tt2

Tavg

tavg

7,97

273,2

172,4

98,6

111,2

222,8

104,9

112,18

10,41

273,2

179,6

102,2 111,2

226,4

106,7

114,54

11,28

273,2

190,4

107,6 114,8

231,8

111,2

116,542

IV-1

BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-2


BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-3 Tabel IV.5 Hasil Perhitungan Rate Massa (W), Kecepatan (v) dan Rate Massa per satuan Luas (G) untuk Rate Dingin Konstan pada Aliran Co-Current Vc (ft3/hr)

38,14

Vh (ft3/hr)

Wh (lb/hr)

Wc (lb/hr)

Gh (lb/hr.ft2)

Gc (lb/hr.ft2)

7,97

480,11

2366,21

129711,71

291391,21

10,41

619,19

2366,21

167287,07

291391,21

11,28

669,92

2366,21

180992,83

291391,21

Tabel IV.6 Hasil Perhitungan Rate Massa (W), Kecepatan (v) dan Rate Massa per satuan Luas (G) untuk Rate Dingin Konstan pada Aliran Counter-Curent Vc (ft3/hr)

38,14

Vh (ft3/hr)

Wh (lb/hr)

Wc (lb/hr)

Gh (lb/hr.ft2)

Gc (lb/hr.ft2)

7,97

474,45

2361,25

128182,54

290780,4

10,41

618,67

2360,48

167146,58

290685,58

11,28

668,79

2357,81

180687,54

290356,78


BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-4 Tabel IV.7 Hasil Perhitungan UD, Uc, dan Rd untuk Rate Dingin Konstan pada Aliran CoCurrent Vc (ft3/hr)

38,14

Vh (ft3/hr)

Qh

Qc

Qav

UD

Uc

Rd

(BTU/hr)

(BTU/hr) (BTU/hr) (BTU/hr.ft2ᵒF) (BTU/hr.ft2ᵒF) (hr.ft2ᵒF/BTU)

7,97

79585,72

4301,77

41943,75

182,22

299,12

0,00214

10,41

64902,01

4301,77

34601,89

84,31

299,12

0,00852

11,28

65441,81

4301,77

34871,79

81,76

299,12

0,00889

Tabel IV.8 Hasil Perhitungan UD, Uc, dan Rd untuk Rate Dingin Konstan pada Aliran Counter-Current Vc (ft3/hr)

38,14

Qh

Qc

Qav

(BTU/hr)

(BTU/hr)

(BTU/hr)

7,97

48015,86

30049,27

39032,57

104,23

291,73

0,00617

10,41

58139,14

21456,76

39797,95

104,09

293,8

0,0062

11,28

55708,07

17129,02

36418,55

93,61

290,88

0,00724

Vh (ft3/hr)

UD

Uc

(BTU/hr.ft2ᵒF) (BTU/hr.ft2ᵒF) (hr.ft2ᵒF/BTU)

Tabel IV.9 Hasil Perhitungan Efisiensi Heat Exchanger Vc (ft3/hr) Vh (ft3/hr)

38,14

Rd

Aliran Co-Current: Aliran Counter Current: η (%)

η (%)

7,97

90,2

57,73

10,41

56,86

54,74

11,28

52,94

50


BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-5


BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-6 IV.3 Pembahasan

Berdasarkan dari percobaan heat exchanger yang telah dilakukan didapatkan hasil perhitungan yang ditampilkan pada tabel IV.1 hingga tabel IV.11, kemudian didapatkan grafik hubungan Vh dengan Δ LMTD, h0, hi, Ud, Rd dan efisiensi, untuk setiap aliran CoCurrent dan Counter Current, seperti yang telah dijelaskan dibawah ini:

140

Vc=38,14 untuk Co Current Vc=38,14 untuk Counter Current

130

LMTD (0F)

120 110 100 90 80 70 60 7.50

8.00

8.50

9.00

9.50 Vh

10.00

10.50

11.00

11.50

(ft3/h)

Grafik IV.1 Grafik hubungan Vh (ft3/hr) vs LMTD (0F) untuk Aliran Counter Current dan Aliran Co-Current dengan Rate Dingin Konstan

Pada Grafik IV.1, dapat dilihat hubungan antara Vh pada arah aliran Co-Curent dan Counter-Curent (Rate Dingin Konstan) dengan ∆TLMTD mengalami kenaikan, hal ini sesuai dengan literatur yang menyebutkan bahwa nilai LMTD akan meningkat seiring dengan meningkatnya debit aliran (Sadiawan, 2013). Pada grafik dapat dilihat bahwa harga ∆T LMTD untuk aliran Counter-Curent lebih kecil dibandingan dengan nilai ∆TLMTD aliran Co-Curent, hal ini tidak sesuai dengan literatur yang menyebutkan bahwa harga ∆TLMTD untuk aliran Counter Curent lebih besar dan memiliki driving force atau perbedaan suhu yang lebih besar dibandingkan dengan aliran Co-Curent (Kern, 1988).


BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-7 550

Vc=38,14 untuk Co Current Vc=38,14 untuk Counter Current

hi (BTU/hr.ft2.0F)

500

450

400

350

300 7.50

8.00

8.50

9.00

9.50 10.00 3 Vh (ft /h)

10.50

11.00

11.50

Grafik IV.2 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) dengan hi (BTU/hr.ft2ᵒF) pada Aliran CoCurrent dan Counter-Curent dengan Rate Dingin Konstan Pada Grafik IV.2, dapat dilihat hubungan antara Vh pada arah aliran Co-Current dan Counter-Curent (Rate Dingin Konstan) dengan hi menunjukkan nilai yang semakin meningkat. Hal ini sesuai dengan literatur yang mengatakan bahwa koefisien perpindahan panas individu (hi, ho) akan semakin besar dengan penambahan rate aliran yang mengalir pada Heat Exchanger (Murugesan,2012).



ho (BTU/hr.ft2.0F)

373 371

Vc=38,14 untuk Co Current

369

Vc=38,14 untuk Counter Current

367 365 363 361 359 357 7.50

8.00

8.50

9.00

9.50 10.00 3 Vh (ft /h)

10.50

11.00

11.50

Grafik IV.3 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) dengan ho (BTU/hr.ft2ᵒF) pada Aliran Co-Current dan Counter-Curent dengan Rate Dingin Konstan Pada Grafik IV.3, dapat dilihat hubungan antara Vh pada arah aliran CounterCurrent (rate Dingin Konstan) dengan Vh sebesar 7,97 ft3/h menuju Vh sebesar 10,41 ft3/h, nilai ho menunjukkan peningkatan. Hal ini sesuai dengan literatur yang menyebutkan bahwa kenaikan pada laju alir masa yang diikuti dengan kenaikan laju alir yang pada akhirnya meningkatkan harga koefisien perpindahan panas total dan juga menaikan koefisien perpindahan panas individu. Sedangkan pada grafik aliran Co-Current nilai ho menunjukkan nilai yang sama atau konstan, dan pada aliran Counter-Current dengan Vh sebesar 10,41 ft3/h menuju Vh sebesar 11,28 ft3/h nilai ho menunjukkan penurunan, hal ini tidak sesuai dengan literatur yang ada. Ketidaksesuaian ini disebabkan oleh kurang ketelitian dalam mengukur suhu pada air dan tekanan serta bukaan valve yang tidak konstan dilakukan untuk mengatur besarnya laju aliran fluida sehingga memperngaruhi hasil percobaan (Murugesan, 2012).




42357


41357

Q (BTU/hr)

40357 39357 38357 37357 36357 35357 34357 33357 7.50

8.00

8.50

9.00

9.50 10.00 3 Vh (ft /h)

10.50

11.00

11.50

Grafik IV.4 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) dengan Qavg (BTU/hr) pada Aliran Co-Current dan Counter-Curent dengan Rate Dingin Konstan Pada Grafik IV.4, dapat dilihat hubungan antara Vh pada arah aliran Co-Current dengan Vh sebesar 10,41 ft3/h menuju Vh sebesar 11,28 ft3/h dan Counter-Curent dengan Vh sebesar 7,97 ft3/h menuju Vh sebesar 10,41 ft3/h nilai Q mengalami kenaikan, hal ini sesuai dengan literatur yang menyebutkan bahwa semakin tinggi laju aliran/debit aliran maka akan meningkat pula Q. Sedangkan pada aliran Co-Current dengan Vh sebesar 7,97 ft3/hr menuju Vh sebesar 10,41 ft3/hr serta aliran Counter-Curent dengan Vh sebesar 10,41 ft3/h menuju Vh sebesar 11,28 ft3/h grafik mengalami penurunan sehingga hal ini tidak sesuai dengan literatur yang ada, dikarenakan kurangnya ketelitian dalam pengamatan suhu dan tekanan serta bukaan valve yang dilakukan untuk mengatur besarnya laju aliran fluida tidak konstan sehingga mempengaruhi hasil percobaan (Sadiawan, 2013). Harga Q pada aliran Counter-Curent lebih besar dibandingkan dengan aliran CoCurent, hal ini sesuai dengan literatur, dimana di dalam literatur menyatakan dalam persamaan Q ≈ LMTD dan untuk aliran Co-Curent harga LMTD lebih kecil jikadibandingkan dengan harga LMTD Counter-Curent, sehingga harga Q Counter-Curent lebih besar dari harga Q aliran Co-Curent (Kern, 1988).


BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-10 200 Vc=38,14 untuk Co Current 180


Ud (BTU/hr.ft2ᵒF)

160 140 120 100 80 60 7.50

8.00

8.50

9.00

9.50 Vh

10.00

10.50

11.00

11.50

(ft3/h)

Grafik IV.5 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) dengan Ud (BTU/hr.ft2ᵒF) pada Aliran CoCurrent dan Counter-Curent dengan Rate Dingin Konstan Pada Grafik IV.5, dapat dilihat hubungan antara Vh pada arah aliran Co-Current dan Counter-Curent (Rate Dingin Konstan) dengan Ud menunjukkan nilai yang semakin kecil atau mengalami penurunan. Hal ini tidak sesuai dengan literatur yang menyebutkan bahwa kenaikan pada laju alir masa yang diikuti dengan kenaikan laju alir yang pada akhirnya meningkatkan harga koefisien perpindahan panas total dan juga menaikan koefisien perpindahan panas individu, ketidaksesuaian ini dikarenakan kurang ketelitian dalam pengamatan suhu dan tekanan serta bukaan valve yang dilakukan untuk mengatur besarnya laju aliran fluida tidak konstan sehingga mempengaruhi hasil percobaan (Murugesan, 2012).

Pada aliran Counter-Curent lebih besar dibandingkan dengan aliran Co-Curent, sehingga tidak sesuai dengan literatur yang ada. Dimana di dalam literatur disebutkan bahwa harga Ud untuk aliran Co-Curent lebih besar jika dibandingkan dengan harga Ud Counter-Curent, hal ini disebabkan karena harga Ud berbanding terbalik dengan ∆TLMTD dan nilai ∆TLMTD Counter-Curent lebih besar dari nilai ∆TLMTD Co-Current. Dimana untuk aliran Co-Curent harga ∆TLMTD nya lebih kecil dari pada Counter-Curent (Kern, 1988).


BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-11 0.01


0.009


Rd (hr.ft2.°F/Btu)

0.008 0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0 7.50

8.00

8.50

9.00

9.50 10.00 3 Vh (ft /h)

10.50

11.00

11.50

Grafik IV.6 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) dengan Rd (hr.ft2.°F/Btu) pada Aliran CoCurrent dan Counter-Curent dengan Rate Dingin Konstan Pada Grafik IV.6, dapat dilihat hubungan antara Vh pada arah aliran Co-Current dan Counter Current (rate Dingin Konstan) dengan Rd menunjukkan nilai yang semakin meningkat. Hal ini tidak sesuai dengan literatur yang menyebutkan bahwa semakin tinggi kecepatan linier fluida, semakin rendah kemungkinan terjadinya fouling, maka harga Rd adalah semakin kecil. Ketidaksesuaian ini disebabkan oleh kurang ketelitian dalam pengamatan suhu dan tekanan serta bukaan valve yang dilakukan untuk mengatur besarnya laju aliran fluida tidak konstan sehingga mempengaruhi hasil percobaan (Dwi, 2012).


BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-12 95 Vc=38,14 untuk Co Current 90


85

Effisiensi (%)

80 75 70 65 60 55 50 7.50

8.00

8.50

9.00

9.50 10.00 3 Vh (ft /h)

10.50

11.00

11.50

Grafik IV.7 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) dengan Efisiensi (%) pada Aliran CoCurrent dan Counter-Curent dengan Rate Dingin Konstan Pada Grafik IV.7, dapat dilihat hubungan antara Vh pada arah aliran Co-Current dan Counter Current (Rate Dingin Konstan) dengan harga efisiensi yang semakin menurun. Hal ini tidak sesuai dengan literatur yang menyebutkan bahwa semakin besar laju aliran massa fluida dingin yang dialirkan pada suatu alat penukar panas maka akan semakin besar keefektifan yang akan dihasilkan oleh alat penukar panas tersebut, maka efisiensi alat penukar panas besar. Ketidaksesuaian ini dipengaruhi oleh kurangnya ketelitian dalam pengamatan suhu dan tekanan serta bukaan valve yang dilakukan untuk mengatur besarnya laju aliran fluida tidak konstan sehingga mempengaruhi hasil percobaan. Pada arah aliran Co-Current harga efisiensi mengalami kenaikan (Barun, 2007). Harga Efisiensi untuk aliran Co-Curent lebih besar dibandingkan dengan aliran Counter-Curent, hal ini tidak sesuai dengan literatur yang menyebutkan bahwa aliran counter-current lebih efisien karena menghasilkan koefisien transfer panas yang lebih besar dibanding aliran Co-Curent (Dewi, 2010).


BAB V KESIMPULAN Dari hasil praktikum yang dilakukan, telah didapatkan nilai-nilai sebagai berikut : 1. Nilai ∆TLMTD pada variabel dingin konstan dalam keadaan Co-Curent adalah 68,953 0F; 122,949 0F; 127,771 0F, dan pada aliran Counter-Curent sebesar 112,18 0F; 114,54 0F; 116,542 0F.

2. Nilai hi pada variabel dingin konstan dalam keadaan Co-Curent adalah 325,73 (BTU/hr.ft2oF), 416,76 (BTU/hr.ft2oF), 481,31 (BTU/hr.ft2oF), dan pada aliran CounterCurent sebesar 310,13 (BTU/hr.ft2oF), 482,57(BTU/hr.ft2oF), 485,27 (BTU/hr.ft2oF). 3. Nilai ho pada variabel dingin konstan dalam keadaan Co-Curent adalah 373,62 (BTU/hr.ft2oF), dan pada aliran Counter-Curent sebesar 362,16 (BTU/hr.ft2oF), 365,36 (BTU/hr.ft2oF), 360,85 (BTU/hr.ft2oF). 4. Nilai Qavg pada variabel dingin konstan dalam keadaan Co-Curent adalah 41943,75 (BTU/hr), 34601,89 (BTU/hr), 34871,79 (BTU/hr), dan pada aliran Counter-Curent sebesar 39032,57 (BTU/hr), 39797,95 (BTU/hr), 36418,55 (BTU/hr). 5. Nilai Ud pada variabel dingin konstan dalam keadaan Co-Curent 182,22 (BTU/hr.ft2oF), 84,31 (BTU/hr.ft2oF), 81,76 (BTU/hr.ft2oF), dan pada aliran CounterCurent sebesar 104,23 (BTU/hr.ft2oF), 104,09 (BTU/hr.ft2oF), 93,61 (BTU/hr.ft2oF). 6. Nilai Rd pada variabel dingin konstan dalam keadaan Co-Curent adalah 0,00214 (hr.ft2oF/BTU), 0,00852 (hr.ft2oF/BTU), 0,00889 (hr.ft2oF/BTU), dan pada aliran Counter-Curent sebesar 0,00617 (hr.ft2oF/BTU), 0,0062 (hr.ft2oF/BTU), 0,00724 (hr.ft2oF/BTU). 7. Nilai Efisiensi pada variabel dingin konstan dalam keadaan Co-Curent adalah 90,2 %, 56,86%, 52,94%, dan pada aliran Counter-Curent sebesar 57,73%, 54,74%, 50%. 8. Hubungan flow rate dengan ∆TLMTD, hi/ho, Q, Ud, dan efisiensi adalah berbanding lurus, maksudnya nilai ∆TLMTD, hi/ho, Q, Ud, dan efisiensi akan semakin bertambah seiring bertambahnya flow rate, sedangkan untuk nilai Rd mengalami penurunan seiring bertambahnya flow rate. Namun dari hasil praktikum untuk nilai-nilai ho, Q, Ud, Rd dan efisiensi ada yang mengalami penyimpangan dari literatur. 9. Perbandingan nilai ∆TLMTD, Q, dan efisiensi antara aliran Counter-Curent lebih besar

yang aliran Co-Curent. Sedangkan untuk nilai Ud berlawanan dengan nilai ∆T LMTD, Q,

V-1

BAB V Kesimpulan V-2 dan efisiensi, yaitu nilai Ud lebih besar pada aliran Co-Curent. Namun dari hasil praktikum terjadi penyimpangan dengan literatur pada nilai ∆TLMTD, Ud dan efisiensi.

II Laboratorium Proses Pemisahan dengan Perpindahan Massa Program Studi D3 Teknik Kimia FTI - ITS

APPENDIKS Perhitungan pada aliran Co-Curent fluida dingin konstan dengan bukaan aliran panas (Vh) 7,97 ft3/hr dan aliran dingin 38,14 ft3/hr t1

∆t1

T2 Heat Exchanger T1 ∆t2

t2

Untuk aliran Co-Curent panas konstan, Menghitung ∆LMTD : T1=276,8ᵒF ; T2=111,2ᵒF ; t1=93,2ᵒF ; t2=95ᵒF

(T1-t1)-(T2-t2) ∆LMTD=

ln

(T1-t1) (T2-t2)

(276,8-93,2)-(111,2-95) ∆LMTD =

ln

(276,8-93,2) (111,2-95)

∆LMTD = 68,953 ᵒF

Bagian inner pipe : Fluida panas 1. Flow Area T1+T2 Tav= 2 276,8+111,2 Tav= 2

Bagian annulus : Fluida dingin 1. Flow Area t1+t2 tav= 2 93,2+95 tav= 2

Tav=194ᵒF

tav=94,1ᵒF

ρh = 60,24 lbm/ft3

ρh = 62,04 lbm/ft3

 x (ID pipa)2 4  A pipa= x (0,068667 )2 4

 x ((ID annulus)2 − (OD pipa)2 ) 4  A annulus= x ((0,13417)2 - (0,0875 )2 )

A pipa=

A annulus=

4

A pipa= 0.0081204 ft2

A pipa= 0.00370136 ft2 ix

62, 6906924 ml 1ft3 3600 s Vh= x x s 28317ml hr

300 ml 1ft3 3600 s Vc= x x s 28317ml hr

Vh= 7.97 𝑓𝑡 3 /hr

Vc= 38,14 𝑓𝑡 3 /hr

Wh= Vh av x ρh

Wc= Vc x ρc

Wh=7,97 x60,24= 480,11 lb/hr

Wc=38,14 x 62,04 = 2366,21 lb/hr Wh

Wh Gh=

Gc=

A pipa

2366,21

480,11 Gh=

A annulus

Gc=

0,00370136

Gh= 129711,71 lb/hr.ft

2

0,0081204

Gc= 291391,21 lb/hr.ft

2

2. Nrec

2. Nreh µh=0,7531 lb/ft.hr

µc=1,756 lb/ft.hr

Nre h=

ID x Gh µh

Nre c=

De x Gc µh

Nre h=

0.068667 x 129711,71 0,7531

Nre c=

0,11822 x 291391,21 1,756

Nre h=11827

Nre c=19617,8

3. Individual Heat Transfer (hi dan ho) Pada Tav= 194 ᵒF

3. Individual Heat Transfer (hi dan ho) Pada Tav= 94,1 ᵒF

Cp h=1,001 Btu/lb.ᵒF

Cp c=1,01 Btu/lb.ᵒF

Kh=0.3905 Btu/hr.ft .ᵒF/ft

Kc=0.3608 Btu/hr.ft2.ᵒF/ft

jHh=46

jHc=72

2

hi = jH

Kh Cphµh ) x( D Kh

1/3

x(

µ 0,14 ) µo

Kc Cpcµc 1/3 µ 0,14 ) x( ) ho = jH x ( D Kc µo

0,3905 1,001x0.7531 1/3 ) x1.0 hi = 46 x( 0,068667 0.3905 hi=325,73

0.3608 1.01x1.756 1/3 ) x1.0 ho=72 x( 0.11822 0.3608 Btu 2 ᵒF ho=373,62 .ft . hr ft

Btu 2 ᵒF .ft . hr ft

x

hio=1500

Btu

hio=1500

ᵒF hr.ft2. ft

4. Qh Qh=Wh x Cph x (T1-T2)

Btu ᵒF hr.ft2. ft

4. Qc Qc=Wc x Cpc x (t2-t1)

Qh=480,11 x 1.001 x (276,8-111,2)

Qc=2366,21 x 1.01 x (95-93,2)

Qh=79585,72 Btu/hr

Qc=4301,77 Btu/hr

Qav= ½ (Qh+Qc) Qav= ½ (79585,72 +4301,77) Qav= 41943,75 Btu/hr Qav A x LMTD 41943,75 Ud= 3,33821 x 68,953 Ud=

Ud= 182,22

ƞ=

(T1-T2) (T1-t1)

Btu hr.ft2 .ᵒF

hio x ho hio + ho 1500 x 371,62 Uc = 1500 + 371,62 Uc=

Uc = 299,12

x 100%

ƞ = 90,2% Uc-Ud Uc x Ud 299,12-182,22 Rd= 299,12x 182,22 Rd=

Rd=0.00214

Btu hr.ft2 .ᵒF

Sesuai dengan Rd Heat Exchanger 0,003

xi

Btu hr.ft2 .ᵒF

 Perhitungan pada aliran Counter-Curent fluida panas konstan dengan bukaan aliran panas 7,97 ft3/hr dan aliran dingin 38,14 ft3/hr. ∆t2

t1 T1 Heat Exchanger T2

t2

∆t1

Untuk aliran Counter-Curent panas konstan, Menghitung ∆LMTD : T1=273,2 ᵒF ; T2=172,4 ᵒF ; t1=98,6 ᵒF ; t2=111,2 ᵒF

(T1-t2)-(T2-t1) ∆LMTD=

ln

(T1-t2) (T2-t1)

(273,2-111,2)-(172,4-98.6) ∆LMTD=

ln

(273,2-111,2) (172,4-98.6)

∆LMTD = 112,180F Bagian inner pipe : Fluida panas

Bagian annulus : Fluida dingin

1. Flow Area T1+T2 Tav= 2 273,2+172,4 Tav= 2

1. Flow Area t1+t2 Tav= 2 98,6+111,2 tav= 2

Tav=222,8ᵒF

tav=104,9 ᵒF

ρh = 59,53 lbm/ft3

ρh = 61,91 lbm/ft3

 x (ID pipa)2 4  A pipa= x (0,06867 )2 4

 x ((ID annulus)2 − (OD pipa)2 ) 4  Aannulus= x ((0,13417)2 - (0,0875 )2 )

A pipa=

A annulus=

4

A pipa= 0.003701362 ft2

A annulus= 0.0081204 ft2

62, 6906924 ml 1ft3 3600 s Vh= x x s 28317ml hr

300 ml 1ft3 3600 s Vc= x x s 28317ml hr

Vh= 7.97 𝑓𝑡 3 /hr

Vc= 38,14 𝑓𝑡 3 /hr xii

Wh= Vh av x ρh

Wc= Vc x ρc

Wh=7,97x59,53= 474,45 lb/hr

Wc=38,14 x 61,91 = 2361,25 lb/hr Wh

Wh Gh=

Gc=

A pipa

2361,25

474,45 Gh=

A annulus

Gc=

0,00370136

2 Gh= 128182,54 lb/hr.ft

Gc= 290780,4 lb/hr.ft

Nre h=

µc=1,756 lb/ft.hr

ID x Gh µh

Nre c=

0,068667 x 128182,54 0,6347

Nre c=

Nre h=13867,8

De x Gc µc

0,11822 x 290780,4 1,756

Nre c=22022,2



Cp h=1,004 Btu/lb.ᵒF

Cp c=1,01 Btu/lb.ᵒF

Kh=0.3946 Btu/hr.ft .ᵒF/ft

Kc=0.3652 Btu/hr.ft2.ᵒF/ft

jHh=46

jHc=72

2

hi=jH

Kh Cphµh ) x( D Kh

1/3

x(

µ 0,14 ) µo

Kc Cpcµc 1/3 µ 0,14 ) x( ) ho=jH x ( D Kc µo

0,3946 1,004x0.6347 1/3 ) x1.0 hi = 46 x( 0,068667 0.3946 hi=310,13

hio=1500

2

2. Nrec

2. Nreh µh=0,6347 lb/ft.hr Nre h=

0,0081204

0.3652 1.01x1,756 1/3 ) x1.0 ho=72 x( 0,11822 0.3652

Btu 2 ᵒF .ft . hr ft

ho=362,16

Btu

hio=1500

ᵒF hr.ft . ft 2

xiii

Btu 2 ᵒF .ft . hr ft Btu

ᵒF hr.ft2. ft

4. Qh Qh=Wh x Cph x (T1-T2)

4. Qc Qc=Wc x Cpc x (t2-t1)

Qh=474,45 x 1.004 x (100,8)

Qc=2361,25 x 1.01 x (12,6)

Qh=48015,86 Btu/hr

Qc=30049,27 Btu/hr

Qav= ½ (Qh+Qc) Qav= ½ (48015,86 +30049,27) Qav= 39032,57 Btu/hr Qav A x LMTD 39032,567 Ud= 3,33821 x 112,18 Ud=

Ud= 104,23

ƞ=

Btu hr.ft2 .ᵒF

hio x ho hio + ho 1500 x 362,16 Uc = 1500 + 362,16 Uc=

Uc = 291,73

(T1-T2) x 100% (T1-t1)

ƞ = 57,73% Uc-Ud Uc x Ud 291,73 - 104,23 Rd= 291,73 x 104,23 Rd=

Rd=0.00617

Btu hr.ft2 .ᵒF

Tidak sesuai dengan Rd Heat Exchanger 0,003

xiv

Btu hr.ft2 .ᵒF

LABORATORIUM PROSES PEMISAHAN DENGAN PERPINDAHAN MASSA Heat Exchanger

Recommend Documents