Analisa Dll He.docx

LAPORAN TETAP PRAKTIKUM SATUAN OPERASI II PENUKAR KALOR 1 DAN 2

OLEH : Nama

:

* * * * * *

Kelas

: 5KIA

Instruktur

: Dr. Laela Kalsum,. S.T., M.T,

JURUSAN TEKNIK KIMIA PRODI. TEKNOLOGI KIMIA INDUSTRI POLITEKNIK NEGERI SRIWIJAYA 2018

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.

3.

ALAT DAN BAHAN -

Seperangkat alat Heat Exchanger Type Double Pipe

-

Cooler

-

Pompa

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). A Cold fluit in

A’

B Hot fluit out

Cold fluit out

B’

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

Inner Pipe, IPS

3

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. T2

T1

t1

T1 t2

T

T2 t2

t1

T T1 T1

T2

T2 t2

t1 (a)

L

(b)

T

L

T T1

t2 T2 t1

(c)

L

L (d)

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).

(a)

(b)

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 Hot inlet

Hot outlet

Hot outlet

Hot inlet Cold outlet

Cold inlet

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:

Ts  T T  1 Rc hc . A

qc 

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)

Ta  Tb U.A.(Ta – Tb) =

1 hc, a . A



k.A

1

U.A =

1 hc, a . A

U=

L

1 hc,b . A





1 hc ,b . A

1 R

1 1 L 1   hc , a k hc ,b .

(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 T1 fluida 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  hc.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  hc.b . A.(T2  Tb ) q  T2  Tb hc.b . A

Penjumlahannya adalah:

  Ta  Tb q  1 L 1     hc , a kA hc ,b q

   T  T  a b  

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

nilai dari ΔT . ΔT dihitung berdasarkan temperatur dari fluida yang masuk dan keluar. Selisih temperatur rata-rata logaritmik (Tlm) (logaritmic mean overall temperature differenceLMTD) depat dihitung dengan formula berikut : LMTD 

ΔTa  ΔTb  ln

ΔTa ΔTb

(Kern, 1983).

Untuk aliran countercurrent ; a

b dTh

Th, in mh

T

dTc

Th, out

Ta Tb

mc Tc, in

dA 0

Tc, out Atotal

Area

Gambar 13. LMTD untuk aliran countercurrent

LMTD 

T1  t2   T2  t1 T1  t2  ln T2  t1

Untuk aliran cocurrent; a

b

Th, in mh dTh Th, out Ta

T Tc, out dTc mc

Tc, in

dA 0

Area

Atotal

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 1h.Th,in  Th,out  q act  q max mcp min Th,in  Tc,in 

ε

mcp 1h.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 pompa dan cooler

2.

Memanaskan fluida air dengan menggunakan heater

3.

Mengatur salah satu laju alir dari fluida panas dan dingin konstan

4.

Mencatat temperatur yang terlihat pada display

5.

Mematikan pamanas tangki difluida panas setelah selesai

6.

Mematikan aliran fluida dingin pada cooler setelah 2 menit dahulu dari fluida panas

7.

Mematikan peralatan penuakr kalor

5. Data Pengamatan SEMANGAT!!!!!!! 6.

Perhitungan SEMANGAT YAAA!!!!

7.

Analisa Percobaan Co-Current

Pada Praktikum ini, Percobaan yang dilakukan yaitu tentang Heat Exchanger type Double Pipe. Percobaan ini dilakukan untuk mengetahui kerja alat penukar panas dengan menghitung koeefisien perpindahan panas, faktor kekotoran, efektivitas dan perbandingan untuk aliran searah dan berlawanan arah di dalam pipa ganda. Percobaan ini dilakukan sebanyak dua kali, dilihat dari jenis aliran terbagi menjadi 2 yaitu searah (co-current/paralel flow) dan berlawanan arah(counter flow). Untuk percobaan pertama digunakan satu jenis aliran yaitu co-current. Prinsip kerja dari aliran tipe ini ialah fluida panas dan fluida dingin masuk dan keluar pipa mengalir searah. Terdapat 5 data yang diperoleh dengan memvariasikan besar/kecinya laju alir. Data diambil setelah 3 menit fluida panas dingin mengalir di dalam pipa. Secara teoritis, bahwa panas yang diiserap oleh fluida dingin sama dengan panas yang dilepas fluida panas. Namun, secara pada kenyataannya dalam praktikum panas yang diserap oleh fluida dingin tidak sama dengan panas yag dilepas oleh fluida panas. Hal ini terjadi karena panas yang berlebih dipengaruhi oleh CP dimana antara CP dengan Q berbandng lurus sedgkan CP dengan T berbanding terbalik. Semakin besar suhu maka semakin kecil harga CP. Hubungan CP dengan Q berbanding lurus sehingga nilai QC lebih besar daripada nilai QN. Ditinjau dari segi LMTD, bilangan Reynold dan jenis aliran, maka untuk perbandingan nilai LMTD belum bisa dilakukan karena data belum cukup dan ada pada praktikum HE dengan jenis aliran counter flow. Jika dilihat dari bilangan Reynold pada bagian inner pipe termasuk mdalam aliran turbulen dan begitupun pada bagian annulus karena nilainya >2000 dan dipengaruhi oleh laju alir antara fluida dingin dan fluida panas.

Counter Current Pada prinsipnya, Percobaan ini memiliki sedikit kesamaan yaitu untuk mengetahui kerja alat penukar panas dan dapat menghitung koefisien perpindahan panas. Perbedaannya terletak pada arah alir fluida panas dan dingin yang berlawanan, artinya masing-masing fluida masuk dari sisi pipa yang berbeda. Prinsip kerjanya, adanya kontak dalam pipa antara fluida panas dengan fluida dingin dan terjadi perpindahan panas dari fluida panas ke fluida dingin. Pada alat Heat Exchanger Duoble Pipe terdiri dari dua pipa konsentrs yaitu annulus (outer pipe) dan tipe inner pipe. Perpindahan panas yang terjadi ialah secara konduksi dan konveksi . Perpindahan panas secara konduksi terjadi pdadinding pipa. Sedangkan secara konveksi terjadi pada fluida panas dan dingin. Sebagaimana secara teori dijelaskan bahwa panas yang diserap fluida dingin sama dengan dengan panas yang dilepas oleh fluida panas. Tetapi pada kenyataanya pada praktikum ternyata ada panas yang hilang ditandai karena jumlah panas yang ditransfer tidak sama dengan jumlah panas yang diserap. 8.

Kesimpulan Dari percobaan yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa pada praktikum: Co-Current 1. Jenis aliran yang digunakan adalah paralel flow/co-current(searah) 2. Nilai Re pada inner pipe lebih besar dibandingkan outer pipe karena semakin kecil pipa semakin besar laju alir. 3. Sesuai dengan teorinya, LMTD Counter Flow lebih besar dengan LMTD paralel flow 4. Nilai perhitungan didasarkan pada data ke-3, nilai dari: UC = Clean Overall Coefficient = 230,7948 Btu/hr.ft2.oF UD = Design Overall Coefficient = 187,6172 Btu/hr.ft2.oF

Counter-Current 1. Prinsip kerja alat penukar panas adalah perpindahan panas dari fluida ysng memiliki temperatur tinggi ke temperatur rendah. 2. Jenis aliran yang digunakan adalah counter flow 3. Nilai LMTD yang didapat sebesar 17,34oC 4. Nilai Koefiien pepindahan panas yang didapat sebesar 223,5765 Btu/hr.ft2.oF

DAFTAR PUSTAKA Jobsheet. 2018. Penuntun Praktikum Satuan Operasi II. Double Pipe Heat Exchanger. Palembang:POLSRI Kern.QQ1965.”Process Heat Transfer”MC.Grow Hill book co.Singapore http://kc12engineer.blogspot.com/2014/03/heat-exchanger-he.html. Diakses pada tanggal 18 November 2018

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