LAPORAN TETAP PRAKTIKUM SATUAN OPERASI II PENUKAR KALOR 1 DAN 2
OLEH : Nama
: Abdillah Prasetya
(061440420813)
Andri yani
(061440420816)
Dwi Indah Lestari
(061440420821)
Wahyu Jati Kusuma
(061440420836)
Agung Nursyawaly
(061440421741)
Andi Fitra Safitri
(061440421744)
M. Maulana
(061440421751)
Feny Ayu Lestari
(061440422036)
Kelas
: 4KIA - 4KIB
Instruktur
: Ir. Selastia Yuliati, M.Si JURUSAN TEKNIK KIMIA
PRODI. TEKNOLOGI KIMIA INDUSTRI POLITEKNIK NEGERI SRIWIJAYA 2016
PENUKAR KALOR (HEAT EXCHANGER TYPE SHELL AND TUBE) 1
TUJUAN PRAKTIKUM Mengetahui prinsip kerja Alat Penukar Kalor dan mempelajari karakteristik yang
dihasilkan dari perpindahan kalor antara fluida panas dan fluida dingin. 2
ALAT DAN BAHAN - Seperangkat alat Heat Exchanger Type Double Pipe - Cooler - Pompa
3
DASAR TEORI Heat exchanger merupakan alat penukar kalor yang sangat penting dalam proses
industri. Prinsip kerja heat exchanger adalah perpindahan panas dari fluida panas menuju fluida dingin. Heat exchanger dapat digunakan untuk memanaskan dan mendinginkan fluida. Sebelum fluida masuk ke reaktor, biasanya fluida dimasukan terlebih dahulu ke dalam alat penukar kalor agar suhu fluida sesuai dengan spesifikasi jenis reaktor yang digunakan. Di dunia industri, heat exchanger merupakan unit alat yang berperan dalam berbagai unit operasi, misalnya dalam industri obat-obatan farmasi, industri perminyakan, industri makanan-minuman dan lain-lain. Percobaan dalam skala kecil (skala laboratorium) ini dimaksudkan agar praktikan lebih memahami tentang kecepatan transfer panas, keefektifan, jenis dan berbagai macam hal yang menyangkut heat exchanger agar ilmu pengetahuan ini dapat diterapkan pada skala yang lebih besar, yaitu skala industri. Dalam industri proses kimia masalah perpindahan energi atau panas adalah hal yang sangat banyak dilakukan. Sebagaimana diketahui bahwa panas dapat berlangsung lewat tiga cara, dimana mekanisme perpindahan panas itu sendiri berlainan adanya. Adapun perpindahan itu dapat dilaksanakan dengan: 1
Secara molekular, yang disebut dengan konduksi
2
Secara aliran yang disebut dengan perpindahan konveksi.
3
Secara gelombang elektromagnetik, yang disebut dengan radiasi.
Pada heat exchanger menyangkut konduksi dan konveksi (Sitompul, 1993).
Heat exchanger yang digunakan oleh teknisi kimia tidak dapat dikarakterisasi dengan satu rancangan saja, perlu bermacam-macam peralatan yang mendukung. Bagaimanapun satu karakteristik heat exchanger adalah menukar kalor dari fase panas ke fase dingin dengan dua fase yang dipisahkan oleh solid boundary (Foust, 1980). Beberapa jenis heat exchanger : 1. Concentric Tube Heat Exchanger (Double Pipe) Double pipe heat exchanger atau consentric tube heat exchanger yang ditunjukkan pada gambar 1 di mana suatu aliran fluida dalam pipa seperti pada gambar 1 mengalir dari titik A ke titik B, dengan space berbentuk U yang mengalir di dalam pipa. Cairan yang mengalir dapat berupa aliran cocurrent atau countercurrent. Alat pemanas ini dapat dibuat dari pipa yang panjang dan dihubungkan satu sama lain hingga membentuk U. Double pipe heat exchanger merupakan alat yang cocok dikondisikan untuk aliran dengan laju aliran yang kecil (Geankoplis, 1983).
Gambar 1. Aliran double pipe heat exchanger
Gambar 2. Hairpin heat exchanger (source : Kern, “Process Heat Transfer”, 1983) Exchanger ini menyediakan true counter current flow dan cocok untuk extreme temperature crossing, tekanan tinggi dan rendah untuk kebutuhan surface area yang moderat (range surface area: 1 – 6000 ft2). Hairpin heat exchanger tersedia dalam :
-
Single tube (double pipe) atau berbagai tabung dalam suatu hairpin shell (multitube),
-
Bare tubes, finned tube, U-Tubes,
-
Straight tubes,
-
Fixed tube sheets Double pipe heat exchanger sangatlah berguna karena ini bisa digunakan dan dipasang
pada pipe-fitting dari bagian standar dan menghasilkan luas permukaan panas yang besar. Ukuran standar dari tees dan return head diberikan pada tabel 1. Tabel 1. double Pipe Exchanger fittings Outer Pipe, IPS 3
Inner Pipe, IPS 1¼
2½
1¼
3
2
4
3
(source : Kern, “Process Heat Transfer”, 1983) Double pipe exchangers biasanya dipasang dalam 12-, 15- atau 20-ft Panjang efektif, panjang efektif dapat membuat jarak dalam each leg over di mana terjadi perpindahan panas dan mengeluarkan inner pipe yang menonjol melewati the exchanger section. (Kern, 1983). Susunan dari concentric tube ditunjukan pada gambar di bawah ini. Aliran dalam type heat exchanger dapat bersifat cocurrent atau counter current dimana aliran fluida panas ada pada inner pipe dan fluida dingin pada annulus pipe.
Gambar 3 Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan counter current
Pada susunan cocurrent maka fluida di dalam tube sebelah dalam (inner tubes) maupun yang di luar tube (dalam annulus), artinya satu lintasan tanpa cabang. Sedangkan pada aliran counter current, di dalam tube sebelah dalam dan fluida di dalam annulus masing-masing mempunyai cabang seperti terlihat pada gambar 4 dan gambar 5.
Gambar 4. Double-pipe heat exchangers in series
Gambar 5. Double-pipe heat exchangers in series–parallel Keuntungan dan kerugian penggunaan double pipe heat exchanger: a
Keuntungan
1
Penggunaan longitudinal tinned tubes akan mengakibatkan suatu heat exchanger untuk shell sides fluids yang mempunyai suatu low heat transfer coefficient.
2
Counter current flow mengakibatkan penurunan kebutuhan surface area permukaan untuk service yang mempunyai suatu temperature cross.
3
Potensi kebutuhan untuk ekspansi joint adalah dihapuskan dalam kaitan dengan konstruksi pipa-U.
4
Konstruksi sederhana dalam penggantian tabung dan pembersihan.
b
Kerugian
1
Bagian hairpin adalah desain khusus yang mana secara normal tidak dibangun untuk industri standar dimanapun selain ASME code.
2
Bagian multiple hairpin tidaklah selisih secara ekonomis bersaing dengan single shell dan tube heat exchanger.
3
Desain penutup memerlukan gasket khusus.
(Kern, 1983). 2. Shell And Tube Heat Exchanger Shell and tube heat exchanger biasanya digunakan dalam kondisi tekanan relatif tinggi, yang terdiri dari sebuah selongsong yang di dalamnya disusun suatu annulus dengan rangkaian tertentu (untuk mendapatkan luas permukaan yang optimal). Fluida mengalir di selongsong maupun di annulus sehingga terjadi perpindahan panas antara fluida dengan dinding annulus misalnya triangular pitch dan square pitch (Anonim1, 2009).
Gambar 6. Shell and Tube, (a) Square pitch dan (b) Triangular pitch Keuntungan square pitch adalah bagian dalam tube-nya mudah dibersihkan dan pressure drop-nya rendah ketika mengalir di dalamnya (fluida) (Kern, 1983).
Gambar 7. shell and tube heat exchanger Keuntungan dari shell and tube: 1
Konfigurasi yang dibuat akan memberikan luas permukaan yang besar dengan bentuk atau volume yang kecil.
2
Mempunyai lay-out mekanik yang baik, bentuknya cukup baik untuk operasi bertekanan.
3
Menggunakan teknik fabrikasi yang sudah mapan (well-astablished).
4
Dapat dibuat dengan berbagai jenis material, dimana dapat dipilih jenis material yang digunakan sesuai dengan temperatur dan tekanan operasi.
5
Mudah membersihkannya.
6
Prosedur perencanaannya sudah mapan (well-astablished).
7
Konstruksinya sederhana, pemakaian ruangan relatif kecil.
8
Pengoperasiannya tidak berbelit-belit, sangat mudah dimengerti (diketahui oleh para operator yang berlatar belakang pendidikan rendah).
9
Konstruksinya dapat dipisah-pisah satu sama lain, tidak merupakan satu kesatuan yang utuh, sehingga pengangkutannya relatif gampang (Sitompul,1993). Kerugian penggunaan shell and tube heat exchanger adalah semakin besar jumlah
lewatan maka semakin banyak panas yang diserap tetapi semakin sulit perawatannya (Kern, 1983). 3. Plate Type Heat Exchanger Plate type heat exchanger terdiri dari bahan konduktif tinggi seperti stainless steel atau tembaga. Plate dibuat dengan design khusus dimana tekstur permukaan plate saling berpotongan satu sama lain dan membentuk ruang sempit antara dua plate yang berdekatan. Jika menggabungkan plate-plate menjadi seperti berlapis-lapis, susunan plate-plate tersebut tertekan dan bersama-sama membentuk saluran alir untuk fluida. Area total untuk perpindahan panas tergantung pada jumlah plate yang dipasang bersama-sama seperti gambar dibawah
Gambar 8. Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent (Allan, 1981). 4. Jacketed Vessel With Coil and Stirrer
Unit ini terdiri dari bejana berselubung dengan coil dan pengaduk, tangki air panas, instrumen untuk pengukuran flowrate dan temperatur. Fluida dingin dalam vessel dipanaskan dengan mengaliri selubung atau koil dengan fluida panas. Pengaduk dan baffle disediakan untuk proses pencampuran isi vessel. Volume isi tangki dapat divariasikan dengan pengaturan tinggi pipa overflow. Temperatur diukur pada inlet dan outlet fluida panas, vessel inlet dan isi vessel
Gambar 9. Skema Dari Jacketed Vessel With Coil And Stirrer (Tim Dosen Teknik Kimia, 2009). Hal-hal yang mempengaruhi rancangan suatu heat exchanger, yaitu: 1
Panas Konduksi Melalui Dinding Plat Transfer panas di antara dua fluida melalui sebuah dinding pemisah secara umum dapat
ditulis: qk
k.A (T1 T2 ) l
(Tim Dosen PS Teknik Kimia, 2009). L T1 qk T2
Gambar 10. Konduksi Panas Melalui Dinding
2
Transfer Panas Konveksi Kecepatan transfer panas konveksi dari permukaan benda yang bersuhu tinggi ke fluida
yang bersuhu rendah (Gambar 2.10) bisa dihitung dengan persamaan berikut:
qc hc . A. Ts T Fluid T∞ hc
qc
Gambar 11. Konveksi dari Permukaan ke Fluida Kecepatan transfer panas konveksi bisa ditulis sebagai berikut:
qc
3
Ts T T 1 Rc hc . A
Koefisien Transfer Panas Overall, U (Dinding Plat Datar) Kecepatan transfer panas antara dua fluida melalui dinding pemisah yang datar, dapat
dihitung dengan persamaan: Q = U . A. (Ta – Tb)
Ta Tb 1 hc, a . A
k.A
U.A.(Ta – Tb) = 1 1 hc, a . A
U.A =
L
1 hc,b . A
1 R
1 hc ,b . A
1 1 L 1 hc, a k hc ,b .
U= (Tim Dosen PS Teknik Kimia, 2009). 4
Fouling Factor (Faktor Pengotor) Koefisien transfer panas overall heat exchanger sering berkurang akibat adanya
timbunan kotoran pada permukaan transfer panas yang disebabkan oleh scale, karat, dan sebagainya. Pada umumnya pabrik heat exchanger tidak bisa menetapkan kecepatan penimbunan kotoran sehingga memperbesar tahanan heat exchanger. Fouling factor dapat didefinisikan sebagai berikut:
Rf
1 1 Ud U
(Tim Dosen PS Teknik Kimia, 2009). Tabel 2. Fouling factors (coefficients), typical values
(source : Coulson, “Chemical Engineering”, vol 6, page : 640) 5
Transfer Panas antara Dua Fluida Melalui Sebuah Dinding L
Ta
hc ,b
T1 fluida a
hc , a
q fluida b
k T2
Tb
Gambar 12. Transfer Panas dari Fluida a ke b Jika Ta > Tb , panas akan mengalir dari fluida a ke permukaan dinding sebelah kiri dengan cara konveksi. Di dalam dinding, panas mengalir secara konduksi dari permukaan sebelah kiri ke permukaan sebelah kanan. Heat transfer rate konveksi dari fluida a bersuhu Ta ke permukaan dinding sebelah kiri Tb.
q h c.a . A (Ta T1 ) q h c .a A
Ta T1
Transfer panas konduksi dari permukaan dinding sebelah kiri ke sebelah kanan. q
k.A (T1 T2 ) L
q T1 T2 k.A L
Kecepatan transfer panas konveksi dari permukaan dinding sebelah kanan ke fluida b.
q h c.b . A.(T2 Tb ) q T2 Tb h c .b . A
Penjumlahannya adalah:
Ta Tb 1 L 1 h c , a kA h c ,b
T T a b
q
q
Ta Tb T 1 L 1 R h c , a kA h c ,b
(Tim Dosen PS Teknik Kimia, 2009).
6
Log Mean Temperature Difference (LMTD) Sebelum menentukan luas permukaan panas alat penukar kalor, maka ditentukan dulu
ΔT ΔT nilai dari . dihitung berdasarkan temperatur dari fluida yang masuk dan keluar. Selisih
temperatur rata-rata logaritmik (Tlm) (logaritmic mean overall temperature difference-LMTD) depat dihitung dengan formula berikut : LMTD
ΔTa ΔTb ln
ΔTa ΔTb
(Kern, 1983). Untuk aliran countercurrent ;
Gambar 13. LMTD untuk aliran countercurrent
LMTD
T1 t2 T2 t1 T 1 t2 ln T 2 t1
Untuk aliran cocurrent;
Gambar 14. LMTD untuk aliran concurrent
LMTD
7
T1 t1 T2 t2 T1 t1 ln T2 t2
Keefektifan Keefektifan heat exchanger adalah ratio/ perbandingan transfer panas aktual dengan
transfer panas maksimum yang mungkin terjadi. Keefektifan heat exchanger (ε)
ε
mcp 1 h. Th,in Th,out q act q max mcp min Th,in Tc,in
ε
mcp 1 h. Tc,out Tc,in q act q max mcp min Th,in Tc,in
Karena itu, jika kita mengetahui keefektifan heat exchanger, kita bisa menentukan kecepatan transfer panas: q q act ε.q max
q ε. mcp min Th,in Tc,in
4
PROSEDUR PERCOBAAN 1 Menghidupkan alat penukar kalor, kemudian melanjutkan dengan menghidupkan 2 3 4 5 6
pompa dan cooler Memanaskan fluida air dengan menggunakan heater Mengatur salah satu laju alir dari fluida panas dan dingin konstan Mencatat temperatur yang terlihat pada display Mematikan pamanas tangki difluida panas setelah selesai Mematikan aliran fluida dingin pada cooler setelah 2 menit dahulu dari fluida
7
panas Mematikan peralatan penuakr kalor
GAMBAR ALAT
Seperangkat alat Penukar Kalor Heat Exchanger Type Double Pipe
DIAGRAM ALIR DOUBLE PIPE HEAT EXCHANGER COCURRENT
Keterangan : -
Cw : cold water Hw : hot water
DIAGRAM ALIR DOUBLE PIPE HEAT EXCHANGER COUNTER CURRENT
Keterangan :
-
Cw : cold water Hw : hot water
