View
226
Download
16
Category
Preview:
DESCRIPTION
ftft
Citation preview
PERCOBAAN 2
HEAT EXCHANGER
2.1. Pendahuluan
2.1.1. Tujuan Percobaan
Tujuan percobaan ini adalah:
1. Menentukan kecepatan transfer panas pada berbagai heat exchanger.
2. Menentukan koefesien transfer panas overall pada berbagai tipe heat
exchanger.
3. Menentukan keefektifan dari berbagai tipe heat exchanger.
2.1.2. Latar Belakang
Heat exchanger merupakan alat penukar kalor yang sangat penting dalam
proses industri. Prinsip kerja heat exchanger adalah perpindahan panas dan fluida
panas dan fluida dingin. Heat exchanger dapat digunakan untuk memanaskan dan
mendinginkan fluida. Sebelum bahan masuk ke reaktor, biasanya bahan
dimasukan dulu ke dalam alat penukar kalor agar suhu bahan 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. Di mana
pada percobaan ini digunakan concentric tube heat exchanger dan jacketed vessel.
2.2. Dasar Teori
Dalam industri proses kimia masalah perpindahan energi atau panas
adalah hal yang sangat banyak dilakukan. Sebagaimana diketahui bahwa panas
dapat berlangsung lewat 3 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 2.1 di mana suatu aliran fluida dalam pipa seperti pada
gambar 2.1 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).
A
A’B
B’
Hot fluit out
Cold fluit in
Cold fluit out Gambar 2.1. Aliran double pipe heat exchanger
Gambar 2.2 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 2.1.
Tabel 2.1. double Pipe Exchanger fittings
Outer Pipe, IPS Inner Pipe, IPS
3
2½
3
4
1¼
1¼
2
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.
T2
t1
T1
t2
T1
t1
T2
t2
L
T
T1
T2
L
TT
T
L
L
T1T1
T2T2
t2
t1
t1
t2
(a)
(c) (d)
(b)
Gambar 2.3 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 2.3 dan gambar 2.4.
Gambar 2.3. Double-pipe heat exchangers in series
Gambar 2.4. Double-pipe heat exchangers in series–parallel
(Allan, 1981).
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
a) Bagian hairpin adalah desain khusus yang mana secara normal tidak
dibangun untuk industri standar dimanapun selain ASME code.
b) Bagian multiple hairpin tidaklah selisih secara ekonomis bersaing dengan
single shell dan tube heat exchanger.
c) 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).
(a) (b) Gambar 2.5. 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 2.6. shell and tube heat exchanger
Kebaikan-kebaikan 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 2.7. 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, instrument 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
Hot inlet
Hot outlet
Cold inlet
Cold outlet
Hot outlet Hot inlet
Gambar 2.8. 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:
)(. 21 TTlAkqk −= ............................................................................. (2.1)
(Tim Dosen PS Teknik Kimia, 2009).
L
T1
qk
T2
Gambar 2.9. 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:
( )∞−= TTAhq scc .. ............................................................................. (2.2)
Gambar 2.10. Konveksi dari Permukaan ke Fluida
Kecepatan transfer panas konveksi dalam persamaan (2.2) bisa ditulis sebagai
berikut:
cc
sc R
T
Ah
TTq Δ=
−= ∞
.1
.............................................................................. (2.3)
3. 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) .................................................... (2.4)
U.A.(Ta – Tb) =
AhAkAh
TT
bcac
ba
.1
..1
,,++
−
U.A = R
AhL
Ah bcac
∑=
++
1
.1
.1
1
,,
U =
.11
1
,, bcac hkL
h++
.................................................... (2.5)
(Tim Dosen PS Teknik Kimia, 2009).
qc
Fluid
T∞ hc
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:
UURf
d
11+= ...................................................................................... (2.6)
(Tim Dosen PS Teknik Kimia, 2009).
(source : Coulson, “Chemical Engineering”, vol 6, page : 640)
5. Transfer Panas antara Dua Fluida Melalui Sebuah Dinding
Gambar 2.11. Transfer Panas dari Fluida a ke b
L
Tb
Ta
fluida a fluida b
q
T2
T1
k
bch ,
ach ,
Tabel 2.2. Fouling factors (coefficients), typical values
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.
)(. 1. TTAhq aac −=
1.
TTAhq
aac
−= ................................................................................... (2.7)
Transfer panas konduksi dari permukaan dinding sebelah kiri ke sebelah kanan.
)(. 21 TTLAkq −=
21.TT
LAkq
−= ................................................................................... (2.8)
Kecepatan transfer panas konveksi dari permukaan dinding sebelah kanan ke
fluida b. .........................................................................................................
).(. 2. bbc TTAhq −=
bbc
TTAhq
−= 2. .
................................................................................... (2.9)
Penjumlahan dari persamaan 2.7 dan 2.8:
ba
bcac
ba TT
hkAL
h
TTq −=
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
++
−
,,
11
RT
hkAL
h
TTq
bcac
ba
∑
Δ=
++
−=
,,
11 ............................................................... (2.10)
(Tim Dosen PS Teknik Kimia, 2009).
6. Log Mean Temperature Difference (LMTD)
Sebelum menentukan luas permukaan panas alat penukar kalor, maka
ditentukan dulu nilai dari ΔT . ΔTdihitung 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 :
( )
ΔTbΔTaln
ΔTbΔTaLMTD −= ............................................................... (2.11)
(Kern, 1983).
Untuk aliran countercurrent ;
Ta
Th, in
T
0
mc
mh
Tc, in
a
Area
dA
dTh
b
Th, out
Tc, out
Atotal
dTc
Tb
Gambar 2.12. LMTD untuk aliran countercurrent
( ) ( )( )( )12
21
1221
tTtTln
tTtTLMTD
−−
−−−= ........................................................ (2.12)
Untuk aliran cocurrent;
Ta
Th, in
T
0
mc
mh
Tc, in
a
Area
dA
dTc
dTh
b
Th, out
Tc, out
Atotal Gambar 2.13. LMTD untuk aliran cocurrent
( ) ( )( )( )22
11
2211
tTtTln
tTtTLMTD
−−
−−−= ..................................................... (2.13)
7. Keefektifan
Keefektifan heat exchanger adalah ratio/perbandingan transfer panas aktual
dengan transfer panas maksimum yang mungkin terjadi.
Keefektifan heat exchanger (ε)
( )( ) ( )inc,inh,min
outh,inh,1
max
act
TTmcpTTh.mcp
ε−
−== ............................................. (2.13)
( )( ) ( )inc,inh,min
inc,outc,1
max
act
TTmcpTTh.mcp
ε−
−== ............................................. (2.14)
Karena itu, jika kita mengetahui keefektifan heat exchanger, kita bisa
menentukan kecepatan transfer panas:
maxact ε.qqq == ....................................................................... (2.15)
( ) ( )inc,inh,min TTmcpε.q −= ....................................................... (2.16)
2.3. Metodologi Percobaan
2.3.1. Alat dan Deskripsi Alat
2.3.1.1 Alat Utama
- TH 240 Multi Heat Exchanger with flow sensors
2.3.1.2 Alat Pendukung
- Gelas ukur 1.000 mL
- Stopwatch
Keterangan Gambar 2.14 : 1. Rotameter, inlet air panas. 2. Flow control valve, air panas. 3. Flow control valve, air dingin. 4. Rotameter (flowmeter), air panas. 5. Rotameter (flowmeter),air dingin. 6. Inlet air dingin ke sistem. 7. Outlet air dingin ke pembuangan. 8. Inlet cocentric tube, air panas CH1. 9. Inlet cocentric tube, air dingin CC1. 10. Plate inlet, air panas PH1. 11. Plate inlet, air dingin PC1. 12. Plate outlet, air panas PH2. 13. Plate outlet, air dingin PC2. 14. Inlet air panas ke sistem. plate outlet, air
panas PH2 15. Cocentric tube heat exchanger. 16. Control kecepatan. 17. Tombol heater ON-OFF.
18. Tombol pompa ON-OFF. 19. Tombol utama. 20. Control temperature. 21. Tampilan flowrate, fluida panas. 22. Tampilan flowrate, fluida dingin. 23. Tampilan temperatur, fluida panas. 24. Tampilan temperatur, fluida dingin. 25. Tombol pilihan, temperature fluida panas. 26. Tombol pilihan, temperature fluida dingin. 27. Shell and tube outlet, fluida panas SH2 28. Shell and tube outlet, fluida dingin SC2. 29. Shell and tube heat exchanger. 30. Plate heat exchanger 31. Shell and tube inlet, fliuda dingin SC1. 32. Shell and tube inlet, fluida panas SH1. 33. Cocentric tube outlet, fluida dingin SC2. 34. Cocentric tube outlet, fluida panas SH2.
Multy head exchanger
110
11 30
2
1213
3234 33 31
29
2827 17 19 18
2524
2623
20
211622151479
8
6
5
4
3
Gambar 2.14. Rangkaian Alat TH 240 Multi Heat Exchanger
Keterangan : 1. Rotameter (Flowmeter) Inlet cold
2. Jacket Vessel
3. Stirrer
4. Heater, pump, motor switch
5. Temperature control
6. Selector Switch (cold water)
7. Selector Switch (hot water)
8. Stirrer speed adjusting knob
Multy head exchanger
1
3
2
7
6
54
8
Gambar 2.15. Rangkaian Alat TH 231 Jacketed Vessel With Coil and Stirrer
2.3.2 Bahan
Bahan yang digunakan adalah:
- Air kran
2.3.3. Prosedur Percobaan
2.3.3.1.Persiapan Alat
1. Menghubungkan inlet dari air dingin (pada bagian belakang alat) dengan
sumber air (kran air).
2. Menghubungkan outlet pada pembuangan dari air dingin ke pembuangan yang
ada di laboratorium.
3. Mengisi tangki air dingin dengan membuka kran: ketika tangki telah penuh
dengan air, menghentikan dengan menggunakan rotameter.
4. Mengisi tangki air panas secara manual melewati batas safety.
2.3.3.2.Concentric Tube Heat Exchanger
2.3.3.2.1. Aliran cocurrent
1. Menghubungkan inlet air dingin (1) ke CC1 (2).
2. Menghubungkan CC2 (3) ke outlet air dingin (4).
3. Menghubungkan inlet air panas (5) ke CH1 (6).
4. Menghubungkan CH2 (7) ke rotameter inlet (8).
1
9b9a
8b8a
7
6 54
3
2
8
Gambar 2.16. Concentric Tube in Parallel Flow
5. Membuka kran sumber air.
6. Menekan ON pada tombol utama.
7. Menekan tombol ON heater.
8. Mengatur temperatur yang diinginkan dengan memutar tombol control (3) ke
temperatur 75 oC.
9. Pilot lamp (4) pada bagian kanan bawah akan menyala. Pilot lamp di bagian
kanan tersebut akan mati dan pilot lamp (5) pada bagian kiri bawah akan
menyala jika temperatur yang telah diatur tercapai.
10. Menyalakan pompa air panas (6).
11. Mengatur flowrate dari air panas melalui kran (8a) ke harga yang diinginkan
dan harga pada penampilan digital (7).
12. Mengatur flowrate air dingin melalui kran (9a) ke harga yang diinginkan dan
dibaca di rotameter (9b) dan pada penampilan digital (7).
13. Menunggu sampai temperatur dari air dingin dan air panas menjadi steady.
14. Membaca temperatur fluida panas pada tube di titik CH1 dan CH2
menggunakan tombol selector (9). Pembacaan ditampilkan pada (9a).
15. Membaca temperatur fluida dingin pada tube di titik CC1 dan CC2
menggunakan tombol selector (10). Pembacaan ditampilkan pada (10a).
16. Mengubah flowrate dari air dingin dan mengulangi langkah di atas.
Multy head exchanger
3
101
62
10a
9a
45
8 7
9
Gambar 2.17. Control Panel
2.3.3.2.2. Aliran counter current
1. Mematikan pompa.
2. Menghubungkan inlet air dingin (1) ke CC2 (3).
3. Menghubungkan CC1 (2) ke outlet air dingin (4).
4. Melakukan hal yang sama seperti pada cocurrent untuk prosedur 5-16
1
9b9a
8b8a
7
6 54
3
2
8
Gambar 2.18. Concentric Tube Co Current
2.3.3.3. Jacketed Vessel
2.3.3.3.1. Batch Operation
Multy head exchanger
Gambar 2.19. Jacketed Vessel Batch Operation
1. Mengisikan air ke dalam tangki.
2. Menghubungkan alat dengan arus listrik.
3. Mengeset temperatur heater sesuain dengan yang diinginkan, yaitu
75°C.
4. Menghubungkan selang/pipa inlet dan outlet air panas ke heating
jacket, setelah temperatur pada heater tercapai.
5. Menyalakan pompa air panas dan mengatur aliran air panas yang
diinginkan, yaitu 2,5 lpm, sampai tercapai kondisi steady state.
6. Mencatat temperature awal TH1, TH2 dan TC5 setelah kondisi steady
tercapai.
7. Mengisikan air dingin ke dalam vessel dan menghidupkan stopwatch.
8. Mengeset kecepatan pengaduk 0 rpm.
9. Mencatat temperatur awal TH1, TH2 dan TC5 sekali dalam satu menit..
10. Mengulangi untuk kecepatan pengaduk 300 rpm.
2.3.3.3.2. Continuous Operation
Multy head exchanger
Gambar 2.20. Jacketed Vessel Continuous Operation
1. Mengisikan air ke dalam tangki.
2. Menghubungkan alat dengan arus listrik.
3. Mengeset temperature heater sesuain dengan yang diinginkan, yaitu
75°C.
4. Menghubungkan selang/pipa inlet dan outlet air panas ke jacket vessel,
setelah temperature pada heater tercapai.
5. Menyalakan pompa air panas dan mengatur aliran air panas yang
diinginkan, yaitu 2,5 lpm, sampai tercapai kondisi steady state.
6. Mencatat temperature awal TH1, TH2, TC1 dan TC4 setelah kondisi
steady tercapai.
7. Mengisikan air dingin ke dalam vessel dan menghidupkan stopwatch.
8. Mengeset kecepatan pengaduk 0 rpm.
9. Mencatat temperature awal TH1, TH2, TC1 dan TC4 sekali dalam satu
menit.
10. Mengulangi untuk kecepatan pengaduk 300 rpm.
Recommended