seminar pthb.pdf

LAPORAN SEMINAR PRAKTIKUM PEMISAHAN MEKANIK DAN TRANSPORTASI BAHAN PADAT DINAMIKA SUHU PADA PEMANAS TANGKI HORIZONTAL BERPENGADUK M-6

Disusun Oleh 1.

Muhammad Irfan Al-Hamdan

121150005

2.

Dimas Bakti Setia Yasa

121150012

3.

May Salvi Rosa Damayanti

121150013

LABORATORIUM DASAR TEKNIK KIMIA PROGRAM STUDI S1 TEKNIK KIMIA JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK INDUSTRI UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL “VETERAN” YOGYAKARTA 2017

i

LEMBAR PENGESAHAN LAPORAN SEMINAR PRAKTIKUM PEMISAHAN MEKANIK DAN TRANSPORTASI BAHAN PADAT DINAMIKA SUHU PEMANAS TANGKI HORIZONTAL BERPENGADUK M-6

Disusun Oleh 1. Muhammad Irfan Al-Hamdan

121150005

2. Dimas Bakti Setia Yasa

121150012

3. May Salvi Rosa Damayanti

121150013

Yogyakarta,

Juni 2017

Disetujui oleh Asisten Pembimbing

Bembi Herjuno

ii

KATA PENGANTAR

Puji syukur atas rahmat Tuhan Yang Maha Esa akhirnya penyusun dapat menyelesaikan Laporan Seminar Praktikum Pemisahan Mekanik dan Transportasi Bahan yang berjudul “Dinamika Suhu Pada Pemanas Tangki Horizontal Berpengaduk”. Dengan selesainya laporan ini, penyusun mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada : 1. Ir. Danang Jaya, M.T., Selaku kepala Laboratorium Dasar Teknik Kimia UPN “Veteran” Yogyakarta. 2. Bembi Herjuno, selaku asisten pembimbing praktikum acara M-6. 3. Staf Laboratorium Dasar Teknik Kimia atas seluruh bantuannya yang telah diberikan kepada praktikan. 4. Rekan-rekan sesama praktikan atas kerjasama yang baik. Akhir kata penyusun berharap agar laporan PTHB ini dapat bermanfaat bagi penyusun dan semua pihak yang memerlukan laporan ini.

Yogyakarta,

Juni 2017

Penyusun

iii

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL........................................................................................... i LEMBAR PENGESAHAN ................................................................................ ii KATA PENGANTAR ........................................................................................ iii DAFTAR ISI ....................................................................................................... iv DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... v DAFTAR TABEL ............................................................................................... vi DAFTAR LAMBANG ....................................................................................... vii INTISARI............................................................................................................ viii BAB I PENDAHULUAN ................................................................................... 1 I.1 Latar Belakang ................................................................................... 1 I.2 Tujuan Percobaan ............................................................................... 2 I.3 Tinjauan Pustaka ................................................................................ 2 I.4 Hipotesis ............................................................................................ 8 BAB II PELAKSANAAN PERCOBAAN ......................................................... 9 II.1 Alat ................................................................................................... 9 II.2 Bahan ................................................................................................ 9 II.3 Rangkaian Alat ................................................................................. 9 II.4 Cara Kerja ......................................................................................... 10 II.5 Bagan Alir Percobaan ....................................................................... 11 II.6 Analisis Perhitungan ......................................................................... 13 BAB III HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN ................................... 14 III.1 Hasil Percobaan ............................................................................... 14 III.2 Pembahasan ..................................................................................... 15 BAB IV PENUTUP ............................................................................................ 18 IV.I Kesimpulan ...................................................................................... 18 IV.2 Kritik dan Saran .............................................................................. 18 DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 19 LAMPIRAN

iv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1 : Fungsi Step ....................................................................................... 2 Gambar 2 : Neraca panas dalam PTHB .............................................................. 5 Gambar 3 : Rangkaian Alat PTHB ..................................................................... 9 Gambar 4 : Bagan alir percobaan pendahuluan .................................................. 11 Gambar 5 : Bagan alir percobaan tunak .............................................................. 11 Gambar 6 : Bagan alir percobaan kondisi dinamik ............................................. 12 Gambar 7 : Grafik hubungan waktu dengan suhu pada kondisi tunak ............... 15 Gambar 8 : Grafik hubungan waktu dengan suhu pada kondisi dinamik ........... 16

v

DAFTAR TABEL

Tabel 1. Hubungan waktu dan suhu pada kondisi tunak ..................................... 14 Tabel 2. Hubungan antara waktu dan suhu pada kondisi dinamik ...................... 15

vi

DAFTAR LAMBANG

Ae = Laju permukaan koil pemanas (cm²) Cp = Kapasitas panas cairan (joule/g ˚C) he = Koefisien konveksi (W/m2˚C) Fi

= Laju alir volumetric (ml/s)

Kp = Konstanta Gain process K1 = Konstanta perpindahan panas di PTHB K2 = Konstanta perpindahan panas di tangki gangguan Qe = Laju perpindahan panas (W) V

= Volume tangki (ml)

𝜏

= Konstanta waktu (s)

𝜏𝑝 = Konstanta waktu proses (s) ρ

= Densitas air (g/ml)

vii

INTISARI

Tujuan pengoperasian pabrik secara keseluruhan adalah mengubah (mengonversi) bahan baku menjadi produk yang lebih bernilai guna. Proses kimia di pabrik kimia menggunakan berbagai macam peralatan baik secara kontinyu maupun fluktuasi. Salah satu peralatan tersebut adalah pemanas tangki horizontal berpengaduk. Cara kerja pada pemanas tangki horizontal berpengaduk yang pertama pada percobaan pendahuluan dengan cara mengisi PTHB dengan air hingga penuh, menbuka kran buangan PTHB dan menampung air yang keluar dari PTHB, kemudian mengukur volume air yang telah ditampung.Yang kedua pada percobaan kondisi tunak dengan cara mengisi tangki umpan dengan air hingga penuh,menghidupkan pompa pada tangki umpan cadangan dan membuka kran pada tangki umpan, mengatur bukaan kran pada tangki umpan,mengatur bukaan kran tangki umpan hingga aliran menjadi overflow, melakukan pengukuran suhu awal pada tangki umpan,kemudian menghidupkan pemanas pada PTHB dan mengukur suhu keluar PTHB setiap selang waktu 30 detik sampai suhu konstan. Yang ketiga pada percobaaan kondisi dinamik dengan cara mengisi tangki gangguan degan air hingga penuh, menghidupkan pemanas pada tangki gangguan hingga air pada tangki gangguan mencapai suhu tertentu. Menyalakan pompa pada tangki gangguan cadangan dan mengatur kran pada tangki gangguan dan tangki umpan hingga aliran overflow,kemudian mengukur suhu keluar PTHB setiap selang waktu 40 detik sampai memperoleh data konstan. Dari percobaan didapat data dan dilakukan perhitungan jadi dapat diketahui harga 𝜏𝑝 = 412,5 sekon, 𝐾𝑝 = 0,0351792, 𝜏 = 398,48174 sekon, 𝐾1 = 0,9660163, 𝐾2 = 0,0339837, 𝑇𝑠 = 35 °𝐶 , 𝑇(𝑡) = 35 + (0,9660163)(24) (1 − 𝑒 −𝑡⁄398,48174 ), dan dari menyusun persamaan matematis didapat rumus T(t) = T(s) + K1.M + (1-𝑒 −𝑡⁄𝜏 ).

Kata Kunci: Laplace, Pemanas, Horizontal, Berpengaduk

viii

Laporan Seminar Praktikum Pemisahan Mekanik dan Transportasi Bahan Dinamika Suhu Pada Pemanas Tangki Horizontal Berpengaduk (M-6)

BAB I PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang Pabrik kimia merupakan susunan/rangkaian berbagai unit pengolahan yang terintegrasi satu sama lain secara sistematik dan rasional. Adapun tujuan pengoperasian pabrik secara keseluruhan adalah mengubah (mengonversi) bahan baku menjadi produk yang lebih bernilai guna. Dalam pengoperasiannya pabrik akan selalu mengalami gangguan (disturbance) dari lingkungan eksternal. Selama beroperasi, pabrik harus terus mempertimbangkan aspek keteknikan, keekonomisan, dan kondisi sosial agar tidak terlalu signifikan terpengaruh oleh perubahan-perubahan eksternal tersebut. Di dalam pabrik kimia itu sendiri prosesnya menggunakan gabungan dari beberapa unit proses seperti reaktor,pompa,tangki,heat exchanger, dan lain-lain yang tersusun secara sistematis dan proporsional untuk mengubah bahan baku menjadi produk (yang mempunyai nilai lebih) dengan cara seekonomis mungkin. (Stephanopoulus,1984) Perubahan atau fluktuasi Control Variable di dalam suatu pabrik mempengaruhi kinerja proses. Kelakuan dinamis dari Control Variable sangat penting untuk diketahui guna mendukung tercapainya tujuan proses. Selain itu, kelakuan dinamika proses juga bermanfaat dalam perancangan sistem pengendalian proses. Dalam percobaan ini, diambil kasus dinamika suhu pada Pemanas Tangki Horizontal Berpengaduk. Dalam penelitian dan praktik industri, pemahaman mengenai dinamika suatu proses kimia telah berkembang dan terbentuk karena faktor-faktor berikut: 1. Struktur proses kimiawi menjadi sangat kompleks, yang menuntut perhatian profesi keteknikan untuk mengkaji/ merancang pengendalian proses keseluruhan pabrik dari pada per satu unit operasi. Perancangan sistem instrumentasi menjadi bagian yang tidak terpisahkan dari perancangan proses kimia itu sendiri. 2. Perancangan instrumentasi sistem proses yang dituntut untuk memenuhi: a. Tujuan dan sasaran sistem kontrol. b. Pemilihan cara pengukuran, manipulasi serta rangkaian yang tepat. c. Identifikasi sistem komputerisasi dan instrumentasi yang tepat.

Muhammad Irfan Al-Hamdan | 121150005 Dimas Bakti Setia Yasa | 121150011 May Salvi Rosa Damayanti | 121150013

1


3. Pertumbuhan komputer digital yang sangat cepat sehingga dapat merombak praktik instrumentasi proses kimia dan telah menerapkan sistem instrumentasi yang modern. I.2 Tujuan Percobaan 1. Menyusun permodelan matematis untuk mempelajari dinamika suhu pada sistem tangki pemanas berpengaduk berbentuk silinder horizontal. 2. Mempelajari dinamika respon suhu (T) terhadap perubahan input (gangguan). 3. Menghitung harga K1, K2, Kp, 𝜏𝑝 , dan 𝜏.

I.3 Tinjauan Pustaka I.3.1 Macam-macam Variabel Proses Variabel-variabel yang terlibat dalam proses operasi pabrik adalah F (laju alir), T (temperatur), P (tekanan), dan C (konsentrasi). Variabel-variabel tersebut dapat dikategorikan menjadi 2 kelompok, yaitu variabel input dan variabel output. 1. Variabel Input Variabel input adalah variabel yang menandai efek lingkungan pada proses kimia yang dituju. Variabel ini juga diklasifikasikan dalam 2 kategori, yaitu: a. Manipulated (adjustable) variable, jika harga variabel tersebut dapat diatur dengan bebas oleh operator atau mekanisme pengendalian. b. Disturbance variable, jika harga tidak dapat diatur oleh operator atau sistem pengendali, tetapi merupakan gangguan. 2. Variabel Output Variabel output adalah variabel yang menandakan efek proses kimia terhadap lingkungan yang diklasifikasikan dalam 2 kelompok: a. Measured output variables, jika variabel dapat diketahui dengan pengukuran langsung . b. Unmeasured output variables, jika variabel tidak dapat diketahui dengan pengukuran langsung. (Stephanopoulus,1984)


2


I.3.2 Fungsi Perubahan Dinamis Dalam analisis dinamika proses, variabel proses dan sinyal control merupakan fungsi waktu. Ada beberapa fungsi yang dapat mewakili perubahan atau dinamika yang terjadi pada input dalam respon sistem order satu. 1. Fungsi Step Fungsi step adalah fungsi yang bernilai nol pada saat t < c dan bernilai 1 pada saat t ≥ c.

Gambar 1. Fungsi step Fungsi ini dinotasikan dengan f(t) = u(t-c), dimana c merupakan nilai t yang menandai perubahan nilai fungsi dari 0 ke 1. Adapun transformasi Laplace pada fungsi ini, sebagai berikut: ∞

𝐴 ∞ 𝐹(𝑠) = ∫ 𝐴 𝑒 −𝑠𝑡 𝑑𝑡 = − 𝑒 −𝑠𝑡 | 𝑠 0 0

𝐴 = − (0 − 1) 𝑠 =

𝐴 𝑠

2. Fungsi Ramp Fungsi ramp adalah fungsi dimana input mengalami kenaikan secara linier dengan waktu mulai dari nol. Fungsi input pada fungsi ramp adalah: 𝑋(𝑡) = 𝑟 𝑡


3


Dimana r merupakan slope dari fungsi ramp tersebut. Adapun transformasi Laplace dari persamaan tersebut: 𝑋(𝑠) = 𝑟/𝑠 2

3. Fungsi Sinusoidal Fungsi sinusoidal ini adalah fungsi yang menyatakan respon mengalami osilasi akibat perubahan dinamiknya sebelum mencapai nilai steady barunya. Fungsi ini dinotasikan dengan : 𝑋(𝑡) = 𝐴 sin(𝜔𝑡) Dimana A merupakan amplitudo dan 𝜔 adalah frekuensi (radian/waktu). Transformasi Laplace pada fungsi ini adalah: 𝐴𝜔 𝑋(𝑠) = 2 𝑠 + 𝜔2 (Hermawan,Y.D., 2008) I.3.3. Sistematika Transformasi Laplace Penyelesaian persamaan diferensial dengan menggunakan transformasi Laplace beranggapan bahwa kondisi awal merupakan keadaan tunak (steady state) dan semua variabel dinyatakan dalam prosedur penyelesaian term deviasi. Sistematika transformasi Laplace: 1. Menyusun persamaan diferensial neraca massa dan neraca panas yang terjadi pada sistem dalam keadaan steady dan unsteady. 2. Membuat term deviasi dari setiap variabel steady dan unsteady. 3. Mengubah persamaan diferensial menjadi bentuk Laplace dengan variabel s. 4. Membuat hubungan antara variabel output dan variabel input. 5. Meng-invers persamaan yang telah terbentuk menjadi bentuk waktu (t) untuk memperoleh respon output. Dalam percobaan ini fungsi dan transformasi Laplace tersebut digunakan untuk menghitung dan mengetahui perubahan dinamik pada suhu air didalam sistem PTHB. PTHB atau Pemanas Tangki Horizontal Berpengaduk sendiri merupakan Chemical Process Industries (CPI) dimana sistem ini terdiri dari beberapa unit prose, antara lain: tangki, pompa pengangkut, dan pemanas. PTHB biasanya digunakan pada perusahaan bioethanol yang fungsinya untuk Muhammad Irfan Al-Hamdan | 121150005 Dimas Bakti Setia Yasa | 121150011 May Salvi Rosa Damayanti | 121150013

4


mengontrol suhu atau mereaksikan suatu zat. (Stephanopoulus, 1984)

Gambar 2. Neraca panas dalam PTHB Susunan neraca panas pada PTHB Neraca panas pada keadaan unsteady: Panas masuk – Panas Keluar + Panas Koil = Panas Akumulasi F(i).ρ.Cp.Ti(t) – F(i).ρ.Cp.T(t) + he.Ae.[ Te(t) – T(t) ] =

d V.ρ.Cp T(t) dt

F(i).ρ.Cp.Ti(t) – F(i).ρ.Cp.T(t) + he.Ae.[ Te(t) – T(t) ] = V. ρ. Cp F(i).ρ.Cp Ti(t) F.ρ.Cp

-

F(i).ρ.Cp T(t)

F.ρ.Cp he.Ae

+

he.Ae.[ Te(t) – T(t) ] F.ρ.Cp

Ti(t) – T(t) + F.ρ.Cp [ Te(t)– T(t)] =

=

V dT(t) 𝐹

𝑑𝑡

V.ρ.Cp

d T(t) dt

F.ρ.Cp

..................(1)

d T(t) dt

...............(2)

..............................(3)

...............................................(4)

V

Dimana : 𝜏p = 𝐹 ...................................................................................................(5) he.Ae

Kp = F.ρ.Cp ...........................................................................................(6) maka persamaan (4) menjadi : Ti(t) – T(t) + Kp [ Te(t)– T(t)] = 𝜏p Ti(t) - T(t) + Kp. Te(t) – Kp.T(t) = 𝜏p Ti(t) + Kp. Te(t) – (1+ Kp). T(t) = 𝜏p Ti(t) (1+Kp)

+

Kp.Te(t) (1+Kp)

-

(1+ Kp).T(t) (1+Kp)

𝜏p

dT(t)

.....................................................(7)

𝑑𝑡 dT(t) 𝑑𝑡 dT(t) 𝑑𝑡

...................................................(8)

.....................................................(9)

dT(t) 𝑑𝑡

= (1+Kp) ..................................................................(10)


5

Laporan Seminar Praktikum Pemisahan Mekanik dan Transportasi Bahan Dinamika Suhu Pada Pemanas Tangki Horizontal Berpengaduk (M-6) Ti(t) (1+Kp)

+

Kp.Te(t) (1+Kp)

𝜏p

- T(t) = (1+Kp)

dT(t) 𝑑𝑡

.................................................................(11)

Jika, 1 (1+Kp) Kp (1+Kp) 𝜏p (1+Kp)

= K1 .........................................................................................................(12) = K 2 .........................................................................................................(13) = 𝜏 ...........................................................................................................(14)

Substitusi persamaan (12), (13), dan (14) ke persamaan (11), maka menjadi : K1.Ti(t) + K2.Te(t) – T(t) = 𝜏  

Asumsi : steady state term deviasi :

dT(t) 𝑑𝑡

.....................................................................(15)

Ti’(t) = Ti(t) - Ti(s) ...................................................(16) Te’(t) = Te(t) - Te(s) .................................................(17) T’(t) = T(t) - T(s) .......................................................(18)

Substitusi persamaan (16),(17),(18) ke persamaan (15) menjadi : K1.[Ti(t) – Ti(s)] + K2 .[Te(t) – Te(s)] - [T(t) – T(s)] = 𝜏

d[T(t) – T(s)] 𝑑𝑡

...............(19)

Jika, [Ti(t) – Ti(s)] = Ti’(t) .........................................................................................(20) [Te(t) – Te(s)] = Te’(t) .......................................................................................(21) [T(t) – T(s)] = T’ .................................................................................................(22) Substitusi persamaan (20), (21), dan (22) ke persamaan (19) Maka menjadi : K1. Ti’(t) + K2.Te’(t) - T’(t) = 𝜏

dT’(t) 𝑑𝑡

..............................................................(23)

Transformasi Laplace persamaan (23) menjadi : K1.Ti’(s) + K2.Te’(s) - T’(s) = 𝜏s. T’(s) ...........................................................(24) K1. Ti’(s) + K2.Te’(s) = T’(s) (𝜏s +1) ...............................................................(25) T’(s) =

K1 .Ti’(s) + K2 .Te’(s)

.................................................................................(26)

(𝜏s +1) K

K

1 2 T’(s) = (𝜏s +1) Ti’(s) + (𝜏s +1) Te’(s) ................................................................(27)


6


K1 𝜏𝑠 + 1

Ti(s)

(+) T’s

K2 𝜏𝑠 + 1

Te(s)

(+)

Jika suhu koil dibuat konstan, Te(s) = 0, maka persamaan (27) menjadi : T’(s) =

K1 (𝜏s +1)

Ti’(s) .........................................................................................(28)

K1 𝜏𝑠 + 1

Ti(s)

T’(s)

Jika gangguannya fungsi step, persamaan (28) menjadi : K1

T’(s) =

𝑀

.............................................................................................(29)

(𝜏s +1) 𝑆

Di selesaikan dengan penyelesaian limit, K1 𝑀 1 𝜏

τ(𝑆+ )s

=

A= lim1

𝐴 𝑆+

𝐵

1 𝜏

+ 𝑆 ............................................................................................(30)

K1 𝑀

1

1 𝑠→− 𝜏(𝑆+𝜏 )𝑆 𝜏

. (𝑆 + 𝜏 ) ..............................................................................(31)

A = -K1M ........................................................................................................(32) B= lim

K1 𝑀 1

𝑠→0 𝜏(𝑆+𝜏 )𝑆

. 𝑆 ...........................................................................................(33)

B= K1M ..........................................................................................................(34) T’(s) = −

K1 .M 𝑆+

1 𝜏

+

K1 M 𝑠

....................................................................................(35)

T’(s) = -K1.M.𝑒 −t/𝜏 + K1.M .......................................................................(36) T’(s) = K1.M (1- .𝑒 −t/𝜏 ) .............................................................................(37) T(t) - T(s) = K1.M (1- 𝑒 −t/𝜏 ) ......................................................................(38) T(t) = T(s) + K1.M (1- 𝑒 −t/𝜏 ) .....................................................................(39)


7


I.4

Hipotesis Semakin tinggi suhu gangguan (Tis new) maka semakin tinggi pula suhu steadynya (Tsnew )


8


BAB II PELAKSANAAN PERCOBAAN

II.1

Bahan 1. Air

II.2

Alat 1. 2. 3. 4. 5. 6.

II.3

Termometer Tangki Stopwatch Gelas beker Pemanas Gelas ukur

Rangkaian Alat

Gambar 3.Rangkaian Alat PTHB


9


Keterangan : a. b. c. d. e. f.

II.4

PTHB Tangki Umpan Tangki Umpan Cadangan Tangki Gangguan Tangki Gangguan Cadangan Pengaduk Elektrik

g. Termometer h. Pompa i. Pemanas j. Kran Umpan k. Kran Gangguan l. Kran Keluaran PTHB

Cara Kerja Percobaan dilakukan dengan satu percobaan pendahuluan untuk mengetahui volume pada PTHB dan dua percobaan utama dalam kondisi yang berbeda, yaitu tunak dan dinamik.

1. Percobaan pendahuluan Percobaan pendahuluan dilakukan untuk mengetahui volume air pada PTHB dengan cara mengisi PTHB dengan air hingga penuh, ditandai dengan mengalirnya air menuju tangki umpan cadangan. Setelah itu dilanjutkan dengan membuka kran buangan PTHB sambil menampung dan mengukur air yang keluar dari PTHB dan mencatat volume yang terukur. 2. Percobaan kondisi tunak Bertujuaan untuk mengetahui suhu steady pada sistem. Percobaan ini dilakukan dengan cara mengisi air pada tangki umpan lalu membuka kran umpan kemudian dinyalakan pompa umpan. Tahap berikutnya, mencatat suhu umpan masuk (Tis). Setelah keadaan tunak, kemudian menyalakan pemanas pada PTHB hingga suhu konstan (Ts). 3. Percobaan kondisi dinamik Tahap yang pertama adalah mengisi air pada tangki gangguan dan menyalakan pemanas gangguan sampai suhu tertentu. Kemudian menyalakan pompa dan mengatur kran gangguan. Terakhir mencatat suhu air keluar PTHB.


10


II.5

Bagan Alir Percobaan 1. Percobaan Pendahuluan Mengisi PTHB dengan air hingga penuh

Membuka kran buangan PTHB dan menampung air yang keluar dari PTHB

Mengukur volume air yang telah ditampung Gambar 4. Bagan alir percobaan pendahuluan 2. Percobaan Kondisi Tunak Mengisi tangki umpan dengan air hingga penuh

Menghidupkan pompa pada tangki umpang cadangan dan membuka kran pada tangki umpan

Mengukur bukaan kran tangki umpan hingga overflow

Melakukan pengukuran suhu awal pada tangki umpan

Menghidupkan pemanas pada PTHB dan mengukur suhu keluar PTHB setiap selang waktu tertentu sampai suhu konstan Gambar 5. Bagan alir percobaan kondisi tunak


11


3. Percobaan Kondisi Dinamik

Mengisi tangki gangguan dengan air hingga penuh

Menghidupkan pemanas pada tangki gangguan hingga air pada tangki gangguan mencapai suhu tertentu

Menyalakan pompa pada tangki gangguan cadangan dan mengatur kran pada tangki gangguan dan tangki umpan hingga overflow

Mengukur suhu air keluar PTHB setiap selang waktu tertentu sampai memperoleh data konstan

Gambar 6. Bagan alir percobaan kondisi dinamik


12


II.6

Analisis Perhitungan 1. Mencari nilai 𝜏𝑝 dan 𝐾𝑝 𝜏𝑝 = 𝐾𝑝 =

𝑉 𝐹1 ℎ𝑒 𝐴𝑒 𝐹 𝜌 𝐶𝑝

2. Mencari nilai 𝜏, 𝐾1 , 𝐾2

𝜏=(

𝜏𝑝 1+ 𝐾𝑝

𝐾1 = (

)

1 1+ 𝐾𝑝

𝐾2 = (

𝐾𝑝 1+ 𝐾𝑝

) )

3. Pada kondisi tunak, mencari hubungan suhu dan waktu dari data yang diperoleh saat percobaan akan didapatkan grafik hubungan antara waktu dengan suhu 4. Pada kondisi dinamik, mencari hubungan waktu dan suhu untuk menghitung proses dinamik. Suhu keluar PTHB digunakan transformasi Laplace dari persamaan diferensial yang diperoleh dari dari cara kerja sistem: 𝑇(𝑡) = 𝑇𝑠 + 𝐾𝑖 (𝑇𝑖𝑠𝑛𝑒𝑤 − 𝑇𝑖𝑠)(𝑇 − 𝑒 −(𝑡⁄𝜏) ) = 𝑇𝑠 + 𝐾𝑖. 𝑀. (1 − 𝑒 −(𝑡⁄𝜏) ) Invers dari transformasi Laplace diatas digunakan untuk menghitung suhu keluar PTHB. 5. Mencari Persen Kesalahan (%Kesalahan) 𝑇𝑑𝑎𝑡𝑎 − 𝑇ℎ𝑖𝑡𝑢𝑛𝑔 %𝐾𝑒𝑠𝑎𝑙𝑎ℎ𝑎𝑛 = | | × 100% 𝑇𝑑𝑎𝑡𝑎


13


BAB III HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN

III.1

Hasil Percobaan Volume tangki (V) Kapasitas panas cairan (Cp) Densitas air (𝜌) Laju alir volumetric (F) Luas permukaan coil pemanas (Ae) Koefisien konveksi (he) Panas yang diberikan coil (Qe) Suhu gangguan (Tc)

= 13,2 liter = 42 J/gram℃ = 0,995647 gr/cm3 = 32 cm3/s = 188,3 cm2 = 2500 W/m2℃ = 420 W = 55 ℃

A. Kondisi tunak Tabel 1. Hubungan waktu dan suhu pada kondisi tunak

No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Waktu (detik) Suhu(℃) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540

31 31 31 31.5 32 32 32.5 32.8 33 33 33.2 33.5 34 34 34 34.2 34.2 34.5 34.5


20 21 22 23

570 600 630 660

35 35 35 35

14


B. Kondisi dinamik Tabel 2. Hubungan antara waktu dan suhu pada kondisi dinamik No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

III.2

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Waktu (detik) Suhu(℃) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270

35 37 39 40 41 42 43 43.5 44 44.5

300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630

45 45 45.2 45.2 45.2 45.5 45.5 45.5 46 46 46 46

Pembahasan

1. Dinamika suhu pada PTHB dengan kondisi tunak 40 y = 0.0066x + 31.122 R² = 0.9646

35

Suhu ('C)

30 25 20

Ydata

15

Yhitung

10 5

0 0

100

200

300

400

500

600

700

Waktu (detik)

Gambar 7.Grafik hubungan antara waktu dengan suhu pada kondisi tunak


15


Dari grafik di atas hubungan antara waktu dengan suhu dapat diketahui bahwa waktu yang lama mengakibatkan suhu meningkat hingga mencapai titik konstan pada suhu 35℃. Kenaikan suhu pada pthb dikarenakan terjadi transfer panas dari koil yang terdapat di dalam pemanas tangki horizontal berpengaduk ke air di dalam PTHB dimana air mengalami overflow karena menerima air dari tangki umpan secara terus menerus.

60 y = 37.93e0.0004x R² = 0.7635

50

Suhu ('C)

40 30

T data

20

T hitung

10 0

0

200

400

600

800

Waktu (detik)

Gambar 8. Grafik hubungan waktu dengan suhu pada kondisi dinamik

2. Dinamika suhu pada PTHB pada kondisi dinamik Pada percobaan ini seharusnya mengikuti teori gangguan sistem berdasarkan fungsi tahap karena suhu umpan masuk tiba-tiba diganggu dengan gangguan yang bersuhu konstan oleh karena itu dapat digunakan rumus berikut: 𝑇(𝑡) = 𝑇𝑠 + (𝑘1)(𝑀) (1 − 𝑒 −𝑡⁄𝜏 ) Akibat dari adanya gangguan menyebabkan suhu dari output PTHB naik lagi karena gangguan yang diberikan memiliki suhu yang lebih besar dari umpan dan suhu air di dalam PTHB. Persen kesalahan pada percobaan ini Muhammad Irfan Al-Hamdan | 121150005 Dimas Bakti Setia Yasa | 121150011 May Salvi Rosa Damayanti | 121150013

16


diperoleh karena kesalahan pembacaan suhu keluar PTHB dan juga suhu pada tangki gangguan sulit untuk di jaga konstan.


17


BAB IV PENUTUP

IV.1

Kesimpulan

Dari hasil percobaan dan perhitungan yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut : 1. Semakin besar suhu gangguan yang diberikan ke PTHB, suhu steady state yang baru akan lebih besar dibandingkan suhu steady tanpa gangguan. 2. Persamaan garis pada kondisi tunak Y = 0,014126x + 38,96403 3. Fungsi baru kondisi dinamik 𝑇(𝑡) = 35 + (0,9660163)(24) (1 − 𝑒 −𝑡⁄398,48174 ) 4. Dari perhitungan diperoleh: 𝜏𝑝 = 412,5 𝑠 𝐾𝑝 = 0,0351792 𝜏 = 398,48174 𝑠 𝐾1 = 0,9660163 𝐾2 = 0,0339837

IV.2

Kritik dan Saran Rangkaian alat PTHB pada lab yang sudah tidak berfungsi dengan baik dan penanganan alat yang kurang tanggap, sehingga data yang diperoleh tidak sesuai yang diharapkan.


18


DAFTAR PUSTAKA

Hermawan, Y.D. 2008. “Matematika Untuk Analisis Sistem Dinamik”. Jurusan Teknik Kimia-FTI : UPN “Veteran” Yogyakarta.

Stephanopoulus, G. 1984. Chemical Process Control : An Introduction to Theory and Practice. Prentice-Hall, Inc: New Jersey.


19

LAMPIRAN PERHITUNGAN DINAMIKA SUHU PADA PEMANAS TANGKI HORIZONTAL BERPENGADUK (PTHB)

A. Mencari nilai 𝜏𝑝 dan Kp 𝑉 𝐹𝑖

𝜏𝑝 =

13200 𝑚𝑙 32 𝑚𝑙/𝑠

=

= 412,5 𝑠 𝐾𝑝 =

=

ℎ𝑒 𝐴𝑒 𝐹 𝜌 𝐶𝑝 (2500 𝐽⁄𝑚2 ℃)( 0,01883 𝑚2 ) (32 𝑚𝑙 ⁄𝑠)(0,995945 𝑔𝑟⁄𝑚𝑙)(42 𝐽⁄𝑔℃)

= 0,0351792

B. Mencari nilai 𝜏, K1 ,dan K 2 𝜏 = =

𝜏𝑝 1 + 𝑘𝑝 412,5 𝑠 1+0.0351792

= 398,48174 s

𝐾1 = =

1 1 + 𝐾𝑝 1 1 + 0,0351792

= 0,9660163

𝐾2 = =

𝐾𝑃 1 + 𝐾𝑃 0,0351792 1 + 0,0351792

= 0,0339837

C. Mencari Persamaan Garis Grafik Standar 1. Kondisi Tunak Tabel 1. Hubungan antara waktu dengan suhu pada kondisi tunak No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Waktu (x) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420

Suhu (y) 31 31 31 31.5 32 32 32.5 32.8 33 33 33.2 33.5 34 34 34

x2

xy

0 900 3600 8100 14400 22500 32400 44100 57600 72900 90000 108900 129600 152100 176400

0 930 1860 2835 3840 4800 5850 6888 7920 8910 9960 11055 12240 13260 14280

16 17 18 19 20 21 22 23 ∑

450 480 510 540 570 600 630 660 7590

34.2 34.2 34.5 34.5 35 35 35 35 765.9

202500 15390 230400 16416 260100 17595 291600 18630 324900 19950 360000 21000 396900 22050 435600 23100 3415500 258759

Dengan menggunakan metode least square ∑𝑦 = ∑𝑥𝑎 + 𝑛𝑏 ∑𝑥𝑦 = ∑𝑥 2 𝑎 + ∑𝑥𝑏 765,9 = 7590a + 23b |x7590 persamaan 1 258759 = 3415500a + 7590b |x23 _ persamaan 2 5813181 = 57608100a + 174570b 5951457 = 78556500a + 174570b _ -138276 = -20948400a a = 0,006601 nilai a disubtitusikan pada persamaan 1 dan didapat nilai b = 31.12174 sehingga persamaan garis: y= 0,006601x + 31,12174 Mencari yhitung (yh) dan Persentase Kesalahan yhitung untuk data 1  x = 0 yh = 0,006601x + 31,12174 yh = 0,006601(0) + 31,12174 yh = 31,12174 Persentase Kesalahan %Kesalahan = |

𝑦𝑑𝑎𝑡𝑎−𝑦ℎ𝑖𝑡𝑢𝑛𝑔

=|

𝑦𝑑𝑎𝑡𝑎 31−31,12174 31

| x100%

| x100%

= 0,393 % Seterusnya dengan cara yang sama didapat data berikut :

Tabel 2. Hasil perhitungan yhitung (yh) dan Persentase Kesalahan ydata

yhitung

31 31.121739 31 31.3198 31 31.5178 31.5 31.7158 32 31.9138 32 32.1119 32.5 32.3099 32.8 32.5079 33 32.7059 33 32.9040 33.2 33.1020 33.5 33.3000 34 33.4980 34 33.6960 34 33.8941 34.2 34.0921 34.2 34.2901 34.5 34.4881 34.5 34.6862 35 34.8842 35 35.0822 35 35.2802 35 35.4783 %Kesalahan rata-rata

%Kesalahan 0.393 1.031 1.670 0.685 0.269 0.350 0.585 0.891 0.891 0.291 0.295 0.597 1.476 0.894 0.312 0.316 0.264 0.034 0.540 0.331 0.235 0.801 1.366 0.631

40 y = 0.0066x + 31.122 R² = 0.9646

35

Suhu ('C)

30 25 20

Ydata

15

Yhitung

10 5 0 0

200

400

600

800

Waktu (detik)

Grafik 1. Hubungan antara waktu (x) dengan suhu (y) pada keadaan steady 2. Kondisi Dinamik Tabel 3. Hubungan antara waktu dengan suhu pada kondisi dinamik No.

Waktu (x)

Suhu (y)

x2

xy

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450

35 35 37 39 40 41 42 43 43.5 44 44.5 45 45 45.2 45.2 45.2

0 900 3600 8100 14400 22500 32400 44100 57600 72900 90000 108900 129600 152100 176400 202500

0 1050 2220 3510 4800 6150 7560 9030 10440 11880 13350 14850 16200 17628 18984 20340

17 480 45.5 230400 21840 18 510 45.5 260100 23205 19 540 45.5 291600 24570 20 570 46 324900 26220 21 600 46 360000 27600 22 630 46 396900 28980 23 660 46 435600 30360 ∑ 7590 990.1 3415500 340767 Dengan menggunakan metode least square ∑𝑦 = ∑𝑥𝑎 + 𝑛𝑏 ∑𝑥𝑦 = ∑𝑥 2 𝑎 + ∑𝑥𝑏 990.1 = 7590a + 23b |x7590 persamaan 1 340767 = 3415500a + 7590b |x23 _ persamaan 2 7514859 = 57608100a + 174570b 7837641 = 78556500a + 174570b _ -322782 = -20948400a a = 0,015408 nilai a disubtitusikan pada persamaan 1 dan didapat nilai b = 37,96304 sehingga persamaan garis: y= 0.015408x+ 37,96304 Mencari yhitung (yh) dan Persentase Kesalahan yhitung untuk data 1  x = 0 yh = 0.015408x+ 37,96304 yh = 0.015408(0)+ 37,96304 yh = 37,96304 Persentase Kesalahan %Kesalahan = |

𝑦𝑑𝑎𝑡𝑎−𝑦ℎ𝑖𝑡𝑢𝑛𝑔

=|

𝑦𝑑𝑎𝑡𝑎 35−37,96304 35

| x100%

| x100%

= 8,466 % Seterusnya dengan cara yang sama didapat data berikut :

Tabel 4. Hasil perhitungan yhitung (yh) dan Persentase Kesalahan Ydata

Yhitung

35 37.9630 35 38.4253 37 38.8875 39 39.3498 40 39.8121 41 40.2743 42 40.7366 43 41.1988 43.5 41.6611 44 42.1233 44.5 42.5856 45 43.0478 45 43.5101 45.2 43.9723 45.2 44.4346 45.2 44.8968 45.5 45.3591 45.5 45.8213 45.5 46.2836 46 46.7458 46 47.2081 46 47.6704 46 48.1326 %Kesalahan rata-rata

%Kesalahan 8.466 9.787 5.101 0.897 0.470 1.770 3.008 4.189 4.227 4.265 4.302 4.338 3.311 2.716 1.693 0.671 0.310 0.706 1.722 1.621 2.626 3.631 4.636 3.238

60 y = 0.0154x + 37.963 R² = 0.7871

50

Suhu ('C)

40 30

Ydata Yhitung

20 10 0 0

100

200

300

400

500

600

700

Waktu (detik)

Grafik 2. Hubungan antara waktu (x) dengan suhu (y) pada keadaan dinamis

3. Kondisi Dinamis dengan Parameter Tunak Suhu umpan masuk (Tis) = 31℃ Suhu tunak (Ts) = 35℃ Suhu gangguan (Tis new) = 55℃ Magnitude (M) = 24℃ Kondisi dinamis suhu keluar PTHB −𝑡

T(t) = Ts + 𝐾1 (1 − 𝑒 𝜏 ) 𝑀 −𝑡

= 35 + 0,9660163(1 − 𝑒 398,48174 ) 24 Mencari T hitung Untuk data 1  t = 0 −(0)

T(0) = 35 + 0,9660163(1 − 𝑒 398,48174 ) 24 = 350 𝐶

Mencari persentase kesalahan %Kesalahan = | =|

(Tdata−Thitung) Tdata

35−35 35

|x 100%

|100%

=0

Seterusnya dengan cara yang sama didapat data berikut : Tabel 4. Hubungan antara suhu dengan waktu pada kondisi dinamik dengan parameter tunak Waktu (x) Suhu (y) Thitung 0 35 35 30 35 36,6814 60 37 38,2408 90 39 39,6871 120 40 41,0286 150 41 42,2728 180 42 43,4267 210 43 44,4969 240 43,5 45,4896 270 44 46,4102 300 44,5 47,2641 330 45 48,0561 360 45 48,7906 390 45,2 49,4718 420 45,2 50,1037 450 45,2 50,6897 480 45,5 51,2332 510 45,5 51,7374 540 45,5 52,2049 570 46 52,6385 600 46 53,0407 630 46 53,4138 660 46 53,7597 %Kesalahan rata-rata

%Kesalahan 0 4,804 3,354 1,762 2,571 3,104 3,397 3,481 4,574 5,478 6,211 6,791 8,424 9,451 10,849 12,145 12,601 13,708 14,736 14,432 15,306 16,117 16,869 8,268

60

y = 37.93e0.0004x R² = 0.7635

50

Suhu ('C)

40

30

T data T hitung

20

10

0 0

100

200

300

400

500

600

700

Waktu (detik)

Grafik 3. Hubungan antara waktu (x) dengan suhu (y) pada kondisi dinamik dengan parameter tunak

PERTANYAAN DAN JAWABAN

1. (Zaerra Regita, 121150131) Pertanyaan : Bagaimana bentuk gangguan dalam di dalam industri dan bagaimana cara menanggulanginya? Jawaban : Bentuk gangguan misalnya pada pabrik polimer terjadi reaksi eksotermis yang menyebabkan suhu tinggi (panas) sehingga cara menanggulanginya dengan memakai jaket pendingin. 2. (Aziz Nur Rohman, 121150014) Pertanyaan : Pada percobaan ini, kenapa digunakan tangki dengan posisi horizontal bukan vertikal? Jawaban : Tangki pada PTHB di buat horizontal agar distribusi suhu lebih cepat merata di bandingkan dengan tangki vertikal, pada tangki horizontal dapat di pasang koil yang permukaannya lebih luas di banding pada tangki vertikal sehingga air akan lebih cepat panas, selain itu untuk tangki horizontal tidak perlu menggunakan pengaduk yang panjang. 3. (Robertinus F, 121150002) Pertanyaan : Mengapa pada PTHB menggunakan transformasi Laplace? Jawaban : Karena mempertimbangkan gangguan dan untuk mempermudah perhitungan. 4. (Fredy Ary Sadewa, Asisten Penguji) Pertanyaan : Persamaan neraca panas orde 1 atau 2? Dilihat dari mana? Jawaban : Orde 1 karena merupakan fungsi step 5. (Rendi Sinata Andi, Asisten Penguji) Pertanyaan : -Output dengan overflow, bisakah jika lubang pengeluaran dibawah? -Mengapa di percobaan dibuat overflow? -Kenapa di neraca panas ada akumulasi? -Mengapa dalam persamaan, Tcoil = 0 ? Jawab

: -Bisa, namun keadaannya harus steady state. -Percobaan PTHB dibuat overflow dikarenakan untuk mempermudah keadaan neraca massa menjadi steady state.

-Karena pada dalam tangki koil tidak bisa langsung memanaskan air hingga suhu konstan (steady), namun koil membutuhkan waktu secara bertahap untuk memanaskan air sampai suhu konstan. Jadi di dalam tangki terdapat keadaan suhu berubah terhadap waktu sebelum keadaan konstan. -Te coil = 0, pada ke adaan term deviasi yaitu selisih antara keadaan unsteady dengan keadaan steady dimana untuk panas coil pada keadaan unsteady dan steady sama sehinggga Te coil = 0. 6. (Aldila Choirun Nisa, Asisten Penguji) Pertanyaan : -Kapan sistem dikatakan stabil atau tidak stabil? -Apa perbedaan feedback control dan feedforward control? -Apa yang disebut dengan interacting tank dan noninteracting tank? Jawab : -Sistem dikatakan stabil ketika sistem mencapai keadaan steady -Feedback control menggunakan pengukuran secara langsung dari variable yang dikontrol untuk mengatur nilai dari variable bebas. Bertujuan untuk mempertahankan variable yang dikontrol agar tetap sesuai dengan kondisi yang diinginkan (set points). Feedforward control menggunakan pengukuran secara langsung dari gangguan untuk mengatur nilai dari variabel bebas bertujuan untuk mempertahankan nilai variabel output yang dikontrol pada set point. -Non interacting tank adalah jenis tangki yang laju alir tangki tidak mempengaruhi ketinggian pada tangki kedua Interacting tank adalah laju alir dari tangki pertama mempengaruhi ketinggian pada tangki kedua.

7. (Tantriyani, Asisten Penguji) Pertanyaan : Bagaimana penurunan rumus sinusoidal? Jawab : 𝑋 (𝑡) = 𝐴 sin(𝜔𝑡) ∞ 𝑖𝜔𝑡 𝑒 − 𝑒 −𝑖𝜔𝑡 −𝑠𝑡 X (s) = A ∫ 𝑒 𝑑𝑡 2𝑖 0 𝐴 = ∫[𝑒 −(𝑠−𝑖𝜔)𝑡 − 𝑒 −(𝑠+𝑖𝜔)𝑡 ]𝑑𝑡 2𝑖 𝐴 𝑒 −(𝑠−𝑖𝜔)𝑡 𝑒 −(𝑠+𝑖𝜔)𝑡 ∞ = ∫ [− + ] 2𝑖 𝑠 − 𝑖𝜔 𝑠 + 𝑖𝜔 0 𝐴 0−1 0−1 ∞ 𝐴 2𝑖𝜔 = [− − ] = ( 2 ) 2𝑖 𝑠 − 𝑖𝜔 𝑠 + 𝑖𝜔 0 2𝑖 𝑠 + 𝜔 2 𝐴𝜔 = 2 𝑠 + 𝜔2

TABEL LAPLACE

seminar pthb.pdf

Recommend Documents