Bab I Tugas Khusus Print.docx

BAB I PENDAHULUAN 1.1

Latar Belakang PT. Indo Acidatama Tbk selain memproduksi etanol integrated, juga memproduksi asam asetat dan etil astetat, tetapi khusus saat ini PT. Indo Acidatama Tbk hanya memproduksi asam asetat dan etil asetat apabila ada permintaan pasar. Unit fermentasi dalam PT. Indo Acidatama Tbk adalah unit proses awal pada pembuatan etanol, sehingga perlu diperhatikan kualitas nya. Dimana dalam proses fermentasi menggunakan bahan baku berupa molasses dan adanya bantuan mikroba berupa yeast Saccharomyces cereviceae strain Kyowa, dengan ditambah urea dan asam pospat sebagai nutrient. Pada unit fermentasi terdapat 3 jenis fermenter, pada tahap awal pembiakan yeast dilakukan dalam seed fermenter, dilanjutkan ke dalam pre fermenter, dan terakhir pada main fermenter. Reaktor main fermenter inilah yang menggunakan alat perpindahan panas berupa heat exchanger jenis plate and frame. Suhu optimal untuk operasi yeast Saccharomyces cereviceae strain Kyowa adalah sekitar 32oC-36oC. Heat exchanger adalah alat perpindahan panas yang digunakan untuk memanaskan atau mendinginkan fluida tanpa adanya perubahan massa. Biasanya, medium panas yang dipakai adalah fluida yang dipanaskan sebagai fluida panas, sedangkan air biasa digunakan sebagai cooling water atau air pendingin. Namun, dalam proses fermentasi ini, panas timbul karena adanya aktivitas mikroba atau yeast. Penukar panas dirancang agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien.

1.2

Rumusan Masalah Pada semua reaktor ada banyak macam Heat Exchanger yang dapat digunakan. Pada main fermenter di PT. Indo Acidatama Tbk. HE yang 1

digunakan adalah HE plate and frame, dimana penggunaannya membutuhkan banyak plate dan frame karena main fermenter ukurannya sangat besar pada seed fermenter sehingga kebutuhan air pendinginya berbeda dengan proses lainya. Oleh karena itu, perlu dilakukan desain ulang HE menjadi shell and tube dan dibutuhkan tinjauan jumlah kebutuhan air pendingin pada main fermenter dengan harapan dapat menggunakan HE yang lebih efektif dan lebih murah. 1.3

Tujuan Pengamatan 1.

Merancang ulang (redesign) heat exchanger dari jenis plate and frame menjadi shell and tube untuk membandingkan luas transfer panas heat exchanger pada unit fermentasi.

2.

Menghitung jumlah air pendingin yang digunakan untuk pendingin pada main fermenter

1.4

Manfaat Pengamatan 1.

Mengetahui jumlah air pendingin yang digunakan untuk pendingin pada main fermenter.

2.

Mengetahui luas transfer panas HE mana yang lebih efektif bila HE plate frame dibandingkan dengan shell and tube.

1

BAB II DESKRIPSI PROSES 2.1. Neraca Massa dan Neraca Energi Neraca massa adalah suatu perhitungan yang tepat dari semua bahanbahan yang masuk, yang terakumulasi dan yang keluar dalam waktu tertentu. Pernyataan tersebut sesuai dengan hukum kekekalan massa yakni: massa tak dapat dijelmakan atau dimusnahkan. Prinsip umum neraca massa adalah membuat sejumlah persamaan-persamaan yang saling tidak tergantung satu sama lain, dimana persamaan-persamaan tersebut jumlahnya sama dengan jumlah komposisi massa yang tidak diketahui. Persamaan neraca massa secara umum adalah: [ massa masuk ] – [ massa keluar ] = [ akumulasi ] Neraca energy dibuat berdasarkan pada hokum pertama thermodinamika dimana menyebutkan bahwa energy tidak dapat dibuat ataupun dimusnahkan (kekal). Neraca energy adalah persamaan matematis yang menyatakan hubungan antara energy masuk dan energy keluar suatu system yang berdasarkan pada satuan waktu operasi. [ Panas Masuk Main Fermenter ] – [ Panas Keluar Main Fermenter ] – [ Panas Pendingin ] + [ Panas Reaksi Fermentasi ] = [ Akumulasi Panas ] Qin – Qout – Qcw + Qr = Qacc ( Wuryanti, 2016) 2.2. Alat Utama Fermentasi 1.

Seed Fermenter Tangki seed fermenter merupakan tangki yang digunakan untuk perkembangbiakan yeast. Tangki seed fermenter ini terdapat 3 tangki yaitu FB 209A, FB 209B, dan FB 209C dengan ukuran sebesar 2,65 m 3. Tangki ini dilengkapi dengan sparger di bagian bawah tangki, 1

dioperasikan pada suhu 32oC. Pada seed berlangsung proses aerob yaitu membutuhkan udara sehingga dilengkapi dengan blower untuk sistem aerasinya. Proses yang terjadi dalam seed fermenteryaitu proses strelisasi media, pembuatan media dan pembiakan media. Sebelum tangki seed disterilisasi maka terlebih dahulu dilakukan cleaning. Cleaning yaitu membersihkan tangki dengan cara menyemprotkan air lewat sparger di dasar kolom selama 1 jam dengan penambahan formalin atau desinfektan sebanyak 0,1 liter, setelah itu dibilas kembali dengan air. Setelah dilakukan proses cleaning maka langkah selanjutnya yaitu membuat media dengan memasukkan molases sebanyak 0,5 m3, air sebanyak 1,7 m3, aquatabs sebanyak 0,01 kg untuk menghilangkan bakteri-bakteri yang tidak diinginkan seperti bakteri E-coli, nutrient yaitu urea sebanyak 2 kg dan asam pospat sebanyak 1 kg, serta anti foam sebanyak 1 liter untuk memperbesar tegangan permukaan pada saat proses berlangsung sehingga buih-buih akan pecah. Setelah media dibuat maka dilakukan sterilisasi dengan memasukkan steam 100oC selama sekitar 1-2 jam.Selanjutnya media didinginkan dengan jacket cooler hingga suhunya 32oC selama 3-4 jam untuk dilakukan inokulasi.Sebelum menuju tahap inokulasi, terlebih dahulu media diambil sampelnya dan di cek TS (Total Sugar), kekentalan (Brix), dan pH media. Syarat kandungan TS awal adalah 10-12%, Brix awal adalah 16-18oBX, dan pH sebesar 5-5,2. Setelah selesai dianalisa maka akan dilakukan inokulasi yaitu memasukkan kultur dalam media. Sebanyak 16 liter. Kemudian, tahap selanjutnya yaitu inkubasi dimana berlangsung selama 14-16 jam. Pada tahap perkembangbiakan yeast di tangki seed akan menghasilkan panas sehingga harus didinginkan menggunakan jacket cooler untuk menjaga 1

suhunya tetap pada 31 – 32oC agar mikroba tetap hidup dan berkembang biak. Karena volume dari seed tidak terlalu besar maka proses perkembangbiakan yeast yang lebih banyak akan dilakukan di tangki pre fermenter yang mempunyai ukuran lebih besar. Sebelum dipindahkan ke tangki pre fermenter makan di cek terlebih dahulu jumlah selnya, biasanya jumlah selnya sekitar 2,5 -3,5x108. 2.

Pre Fermenter Hasil keluaran dari seed fermenter di transfer ke tangki pre fermenter untuk perkembangbiakan yeast yang lebih besar. Jumlah tangki pre fermenterada 3 yaitu tangki FB 210, FB 211, FB 212, ketiganya dilengkapi dengan sparger pada bagian bawah tangki. Ukuran volume dari tangki ini sebesar 68 m3. Pada tangki ini dilengkapi dengan blower karena proses berlangsung secara aerob dimana membutuhkan udara. Proses yang terjadi di dalam pre fermenter hampir sama dengan seed fermenter yang berbeda yaitu pada seed dilakukan sterilisasi namun pada pre fermenter dilakukan pasteurisasi. Sebelum pembuatan media, tangki dibersihkan (cleaning) dan ditambah formalin atau desinfektan sebanyak 0,1 liter sama seperti seed fermenter. Media pada pre fermenter dibuat dengan menambahkan molases sebanyak 7 m3, air sebanyak 37 m3, aquatabssebanyak 0,1 kg, nutrient yaitu urea sebanyak 50 kg dan asam pospat sebanyak 35 kg, serta anti foam sebanyak 5 liter. Setelah media dibuat maka dilakukan pasteurisasi dengan memasukkan steam 70-75oC selama sekitar 1-2 jam. Selanjutnya media didinginkan dengan surface area cooler hingga suhunya ± 32oC selama 6 jam untuk dilakukan inokulasi. Sebelum menuju tahap inokulasi, terlebih dahulu media diambil sampelnya dan di cek TS (Total Sugar), kekentalan (Brix), dan pH media. Syarat kandungan TS awal adalah 12-14%, Brix awal adalah 16-18oBX, dan pH sebesar 5-5,2. 1

Setelah selesai dianalisa maka akan dilakukan inokulasi yaitu memasukkan kultur dalam media. Kemudian, tahap selanjutnya yaitu inkubasi

dimana

berlangsung

selama

14-16

jam.

Pada

tahap

perkembangbiakan yeast di tangki pre fermenterakan menghasilkan panas sehingga harus didinginkan menggunakan surface area coooler untuk menjaga suhunya tetap pada 31 – 32oC agar mikroba tetap hidup dan berkembang biak. Selanjutnya dari tangki pre fermenter akan dialirkan ke tangki mainfermenter. 3.

Main Fermenter Tangki main fermenter terdiri dari 4 tangki yaitu FC 213, FC 215, FC 217, dan FC 218. Tangki ini mempunyai volume 880 m3dilengkapi dengan sparger di bagian bawahnya. Pada tangki ini terjadi proses pembuatan media, pembiakan media, dan perubahan glukosa menjadi alkohol dengan bantuan enzim yang dikeluarkan oleh yeast. Sebelum dilakukan pembuatan media, tangki dibersihkan (cleaning) dengan ditambah formalin atau desinfektan sebanyak 0,5 liter. Pembuatan media yaitu dengan menambahkan molases sebanyak 195m3, air sebanyak 680 m3, urea sebanyak 50 kg, asam pospat sebanyak 34 kg, antifoam sebanyak 12 liter, dan aquatabs sebanyak 0,38 kg. Mashyang dihasilkan dari pre fermenter akan dialiri ke tangki main fermenter. Mengalirkan bahan-bahan yang akan dibuat untuk media serta mash dari pre ferementer ke tangki main fermenter akan membutuhkan waktu sekitar 12-13 jam, proses ini biasanya disebut dengan filling. Setelah selesai filling maka proses fermentasi dimulai. Proses fermentasi membutuhkan waktu sekita 36-40 jam. Pada proses ini berlangsung secara anaerob dan akan menghasilkan energi berupa panas sehingga untuk menjaga suhu tetap pada 31-32oC digunakan Heat exchanger tipe plat. Selain itu dalam proses fermentasi akan 1

menghasilkan produk samping yaitu gas CO2. Gas CO2 yang dihasilkan akan dialirkan ke PT. Saman Mandiri untuk pembuatan minuman bersoda. Brix akhir pada proses fermentasi yaitu 6-8oBX, kadar gula TS akhir sebesar 1-2% dan kadar alkohol yang dihasilkan sebesar 8-10%. Hasil alkohol dari tangki main fermenter ini akan dimasukaan ke dalam tangki hopper FB 214 untuk selanjutnya dilakukan distilasi sehinggal kadarnya akan mencapai 96,6%. 2.3. Perpindahan Panas Perpindahan panas dari suatu zat ke zat lain berupa penyerapan atau pelepasan panas, untuk mencapai dan mempertahankan keadaan yang dibutuhkan sewaktu proses berlangsung. Panas sendiri adalah salah satu bentuk energi. Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak musnah, contohnya hukum kekekalan massa dan momentum, yang artinya panas tidak dapat hilang. Energi hanya berubah dari suatu bentuk ke bentuk yang lain. 2.4. Pengertian Heat Exchanger Fungsi penukar panas yang dipergunakan dalam industri lebih diutamakan untuk menukarkan energi dua fluida yang berbeda temperaturnya. Pertukaran energi dapat berlangsung melalui bidang atau permukaan perpindahan panas yang memisahkan kedua fluida atau secara kontak langsung (fluida bercampur). Energi yang dipertukarkan akan menyebabkan perubahan temperatur fluida (panas sensibel) atau kadang dipergunakan untuk merubah fasa (panas laten). Laju perpindahan energi dalam penukar kalor dipengaruhi oleh kecepatan aliran fluida, sifat-sifat fisik (viskositas, konduktivitas termal, kapasitas kalor spesifik, dan lain-lain), beda temperatur antara kedua fluida, dan sifat permukaan bidang perpindahan panas yang memisahkan kedua fluida. 2.5. Macam-Macam Jenis Heat Exchangers 1

Heat exchanger memiliki beberapa macam jenis yang berbeda-beda, beberapa contohnya yaitu, a. Shell and Tube Jenis ini terdiri dari suatu tabung dengan diameter yang cukup besar dan di dalamnya berisi seberkas pipa dengan diameter relatif kecil. Salah satu fluida yang dipertukarkan energinya dilewatkan di dalam pipa atau berkas pipa, sedangkan fluida yang lainnya dilewatkan diluar pipa atau di dalam tabung.

b. Tubular Heat Exchanger Heat exchanger tipe ini melibatkan penggunaan tube pada desainnya. Bentuk penampang tube yang digunakan bisa bundar, elips, kotak, twisted, dan lain sebagainya. Heat exchanger tipe tubular didesain untuk dapat bekerja pada tekanan tinggi, baik tekanan yang berasal dari lingkungan kerjanya maupun perbedaan tekanan tinggi antar fluida kerjanya. c. Plate Heat Exchanger Penukar panas terdiri dari pelat-pelat yang sudah dibentuk dan ditumpuk-tumpuk sedemikian rupa sehingga alur aliran untuk suatu fluida akan terpisahkan oleh pelat itu sendiri terhadap aliran fluida satunya, serta dipisahkan dengan gasket. 2.6. Analisa Kerja Heat Exchanger a. Koefisien Overall Heat Transfer (U) Menyatakan mudah atau tidaknya panas berpindah dari fluida panas ke fluida dingin dan juga menyatakan aliran panas menyeluruh sebagai gabungan proses konduksi dan konveksi. b. Fouling Factor (Rd) Merupakan angka yang menunjukkan hambatan akibat adanya kotoran yang terbawa oleh fluida yang mengalir di dalam heat exchanger. Fouling adalah peristiwa terakumulasinya padatan yang tidak dikehendaki di permukaan heat exchanger yang berkontak dengan fluida kerja, termasuk 1

permukaan

heat

transfer.

Peristiwa

tersebut

adalah

pengendapan,

pergerakan, korosi, polimerisasi, dan proses biologi. Penyebab terjadinya fouling adalah adanya pengotor berat yaitu kerak keras yang berasal dari hasil korosi dan adanya pengotor berpori yaitu kerak lunak yang berasal dari dekomposisi kerak keras. Fouling ini mengakibatkan kenaikan tahanan heat transfer sehingga meningkatkan biaya investasi, biaya operasi, dan biaya perawatan. c. Pressure Drop (∆P) Ukuran untuk mengetahui sejauh mana fluida dapat mempertahankan tekanan yang dimilikinya selama fluida mengalir. Disebabkan oleh friksi aliran dengan dinding dan pembelokan aliran. Jika ∆P terlalu besar, aliran akan melambat sehingga tenaga pompa yang dibutuhkan menjadi besar. Namun apabila ∆P terlalu rendah, maka perpindahan panas tidak sempurna.

1

BAB III PENGUMPULAN DAN PENGOLAHAN DATA 3.1. Pengumpulan Data Data dan keterangan yang diperoleh dan digunakan dalam penyusunan laporan ini menggunakan beberapa cara, yaitu: 1.

Data Primer Data primer merupakan data hasil pengamatan langsung dari sumbernya. Data ini diperoleh dari A-200/unit fermentasi. Data-data tersebut meliputi: volume mash, berat jenis mash, laju alir fluida produksi, suhu masuk dan keluar mash dan cooling water pada HE, spesifikasi alat dan jumlah plate serta luas transfer HE.

2.

Data Sekunder Data sekunder yaitu data yang diperoleh secara tidak langsung dari sumbernya. Data ini diperoleh dari literature/buku, materi kuliah, dan referensi lain yang dapat mendukung data primer.

Proses fermentasi pada main fermenter terjadi reaksi sebagai berikut : C6H12O6(l)  2 C2H5OH(l) + 2 CO2(g) Dengan data panas pembentukan standar masing masing senyawa sebagai berikut : ΔHof CO2

= -395 KJ/ mol

ΔHof C6H12O6

= -2820 KJ/ mol

ΔHof C2H5OH

= -1368 KJ/ mol

1

(Clara, 2017)

3.2. Tahapan Pengolahan Data 1.

Pegolahan Data Kebutuhan Air Pendingin Tahap 1

Menyiapkan persamaan dan data sekunder

Tahap 2

Menhitung pamas bahan masuk (Qin), panas bahan keluar

(Qout) dan panas reaksi (QR) Tahap 3 2.

Menghitung kebutuhan air pendingin pada main fermenter

Pengolahan Data merancang HE Adapun cara mengolah data yang telah didapat adalah dengan menggunakan rumus yang tersedia dalam buku Kern “Process Heat Transfer”.

1

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Kebutuhan Jumlah Air Pendingin Pada Main Fermenter 1.

Menyiapkan persamaan dan data sekunder Persamaan neraca energi pada main fermenter adalah sebagai berikut : [ Panas Masuk Main Fermenter ] – [ Panas Keluar Main Fermenter ] – [ Panas Pendingin ] + [ Panas Reaksi Fermentasi ] = [ Akumulasi Panas ] Qin – Qout – Qcw + QR = Qacc 𝑑

0 – 0 – Mw. Cpw. ΔTw + M. ΔHR = 𝑑𝑇 ( 𝑀. 𝐶𝑝. 𝑇) Dengan perubahan suhu

dT pada main fermenter dijaga tetap

mendekati = 0 sehingga, Mw. Cpw. ΔTw + M. ΔHR = 0 Mw. Cpw. ΔTw = M. ΔHR Sehingga dari persamaan diatas diketahui bahwa panas yang terjadi akibat fermentasi sebanding dengan panas air pendingin yang dibutuhkan. Data sekunder yang didapat dari main fermenter adalah sebagai berikut : Tabel 4.1 Tabel Data Sekunder pada Main Fermenter Data

Nilai

Satuan

Twin

29

o

Twout

33

o

ΔHR

-3665.82

Kkal/kg

V mash

600

m3

Kadar Alkohol

10,3

%V

Cpw

1

Kkal/ Kg K

C C

(Data Fermentasi PT Indo Acidatama Tbk. Batch 15782) 1

2.

Menghitung masuk fermenter (Qin), panas keluar fermenter (Qout) dan panas reaksi (QR) a.

Panas Masuk Fermenter ( Qin) Proses fermentasi pada main fermenter dipertahankan dan dijaga untuk tidak kontak dengan suhu luar agar tidak berpengaruh pada proses fermentasi sehingga panas dari luar masuk fermenter dijaga = 0

b.

Panas Keluar Fermenter ( Qout ) Proses fermentasi pada main fermenter dipertahankan dan dijaga untuk tidak kontak dengan suhu luar agar tidak berpengaruh pada proses fermentasi sehingga panas dari fermenter keluar lingkungan dijaga = 0

c.

Panas Reaksi (QR ) Proses fermentasi pada main fermenter terjadi reaksi sebagai berikut : C6H12O6 (l)  2C2H5OH (l) + 2CO2 (g) Dengan data panas pembentukan standar masing masing senyawa sebagai berikut : ΔHof CO2

= -395 KJ/ mol

ΔHof C6H12O6

= -2820 KJ/ mol

ΔHof C2H5OH

= -1368 KJ/ mol ( Clara, 2017 )

Sehingga ΔHR

= Ʃ ΔHof Produk - Ʃ ΔHof Reaktan = 2. (ΔHof C2H5OH + ΔHof CO2) - ΔHof C6H12O6 = 2. ( -1368 KJ/ mol + -395 KJ/ mol ) – ( -2820 KJ/ mol ) = ( -3526 + 2820 ) = -706 KJ/ mol

ΔHR

= −706

𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙

𝐾𝑘𝑎𝑙 𝐾𝐽 𝑔 10−3 𝑘𝑔 46 . 𝑚𝑜𝑙 𝑔

0,23885

= -3665,82 Kkal/Kg 1

3.

Menghitung kebutuhan air pendingin pada main fermenter Dari persamaan neraca energi pada main fermenter diketahui bahwa besarnya kalor reaksi fermentasi sebanding dengan kalor yang ditransfer ke air pendingin sehingga kebutuhan air pendingin adalah sebagai berikut : Mw. Cpw. ΔTw = - ( M. ΔHR ) Mw. 1

𝐾𝑘𝑎𝑙 𝐾𝑔 𝐾

( 306 – 302) K = 10,3%. 600m3 . 1,03

𝑀𝑤. 4

𝐾𝑔 𝑚3

. −3665,82

𝐾𝑘𝑎𝑙 𝐾𝑔

𝐾𝑘𝑎𝑙 𝐾𝑘𝑎𝑙 = −( 63,654 𝐾𝑔. −3665,82 ) 𝐾𝑔 𝐾𝑔 Mw =

233.344,106 4

𝐾𝑔/cycle

𝑀𝑤 = 58.336,03 𝐾𝑔/cycle Satu cycle membutuhkan waktu 36 jam sehingga kebutuhan air pendingin pada tangki main fermenter adalah 𝑀𝑤 = 58.336,03 𝐾𝑔/36 𝑗𝑎𝑚 𝑀𝑤 = 1620,44 Kg/jam Dari perhitungan di atas dapat diketahui bahwa kebutuhan air selama proses fermentasi pada main fermenter sebanyak 58.336,03 𝐾𝑔/cycle atau 1620,44 Kg/jam. Sedangkan kapasitas penyimpanan air pada water pit menurut data utilitas PT. Indo Acidatama Tbk (2018), adalah sebesar 500.000 Kg sehingga air yang digunakan sebagai air pendingin pada tangki main fermenter dalam satu cycle sebesar 11,67 % dari kapasitas air pada water pit.

1

4.2. Redesign HE Plate and Frame menjadi Shell and Tube Tabel 4.2 Hasil Perhitungan Redesign HE pada Main Fermenter Data

Shell side

Tube side

(cooling water)

(ethanol)

Total flow, lbm/jam

30.515,03

22.046

Q, Btu/jam

219.049,1

219.049,1

Number of passes

1

2

Inside diameter, in

21,25

0,652

Baffle spacing, in

5

-

Number of tube

-

270

OD x length, ft2

-

0,75 x 16

Tube pitch

-

1

BWG

-

18

Viskositas, lbm/ft.jam

1,089

2,057

Flow area, ft2

0,1844

1,2525

Mass velocity, lbm/ft2.jam

165.427,3

17.601,6

Reynolds number

12.026,02

464,926

∆LMTD koreksi, oF

7,506

7,506

35

11

h, Btu/jam.ft2.oF

102,59

102,94

hio, Btu/jam.ft2.oF

-

2916,811

Pressure drop, psi

1,719

0,008802

jH (fig.24&28, Kern)

Uc, Btu/jam.ft2.oF

99,1053

Ud, Btu/jam.ft2.oF

75 1

Rd, jam.ft2.oF/Btu

0,003243

A, m2

78,017

Dari perhitungan didapatkan luas transfer sesungguhnya (A), nilai pressure drop (∆P) pada shell and tube, nilai design overall coefficient (Ud), nilai clean overall coefficient (Uc), dan nilai dirt factor (Rd). 1.

Luas area transfer a. Shell and tube

= 78,017 m2

b. Plate and frame

= 53,5 m2

Luas area transfer panas pada shell and tube heat exchanger lebih besar daripada luas area transfer panas plate and frame heat exchanger, sehingga apabila menggunakan shell and tube heat exchanger, luas area transfer menjadi salah satu bahan pertimbangan. 2.

Pressure drop (∆P) a. Shell side Nilai pressure drop pada shell side adalah 1,7198 psi b. b. Tube side Nilai pressure drop pada tube side adalah 0,008802 psi Nilai pressure drop yang diijinkan, baik dalam shell side maupun tube side, adalah kurang dari sama dengan 10 psi.

3.

Fouling factor (Rd) Harga fouling factor (Rd) pada heat exchanger berdasarkan perhitunga n adalah sebesar 0,003243 jam.ft2.oF/Btu. Nilai tersebut sudah melebihi nilai batas Rd yang diijinkan, yaitu sebesar 0,003 jam.ft2.oF/Btu. Nilai Rd yang melebihi batas yang diijinkan menunjukkan bahwa mulai terjadi endapan dalam heat exchanger. Hal ini akan mengurangi kinerja dari shell and tube heat exchanger itu sendiri karena menghambat panas 1

yang terjadi antara masing- masing fluida. Nilai dari Rd dipengaruhi oleh nilai Ud dan Uc. 4.

Clean overall coefficient (Uc) dan design overall coefficient (Ud) Nilai Uc yang didapat dari hasil perhitungan adalah 99,1053 Btu/jam.ft2.o F dan nilai Ud sebesar 75 Btu/jam.ft2.oF. Uc adalah koefisien perpindahan panas menyeluruh pada awal penggunaan heat exchanger, umumnya ditentukan oleh besarnya tahanan konveksi h dan hio. Ud adalah koefisien perpindahan panas menyeluruh setelah terjadi pengotoran pada heat exchanger. Nilai Ud seharusnya lebih kecil daripada nilai Uc. Nilai Uc dan Ud berpengaruh dalam kinerja heat exchanger terutama pada harga Rd (fouling factor). Jika nilai Uc naik, maka nila i Rd akan naik dan begitu pula sebaliknya. Apabila nilai Ud naik, maka nilai Rd akan turun dan sebaliknya.

1

BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan 1.

Kebutuhan air pendingin pada main fermenter adalah ± 58 ton/cycle dalam waktu 36 jam/cycle.

2.

Shell and tube heat exchanger memiliki luas area transfer panas yang lebih besar daripada luas area transfer panas yang dimiliki plate and frame heat and exchanger sehingga tetap dipilih heat exchanger jenis plate and frame karena dengan semakin luasnya area transfer panas akan semakin besar pula biaya dan lahan konstruksi dari heat exchanger.

3.

Plate and frame heat exchanger lebih menguntungkan untuk digunakan daripada shell and tube heat exchanger karena biaya operasional, biaya perawatan, dan harga alat yang lebih murah.

1

LAMPIRAN PERHITUNGAN TUGAS KHUSUS II Pengolahan Data Dari data yang diperoleh baik data primer maupun sekunder, kemudian dilakukan pengolahan data melalui perhitungan sesuai dengan metode yang terdapat di dalam buku Process Heat Transfer (Donald Q. Kern). Data desain Mash

Data

(Ethanol)

Air

Debit, ton/jam

10

15

Suhu masuk, oC

40

29

Suhu keluar, oC

34

33

Heat capacity (Cp), Btu/lbm.oF

0,92

0,9997

Density (ρ), gr/ml

1,427

0,99653945

Viscosity (μ), Pa.s

0,000786

0,000894

0,095491

0,359

Thermal

conductivity

(k),

Btu.ft/hr.ft2.oF

Asumsi : Ud = 75 Btu/hr.ft2.oF

(Tabel. 10, Kern)

Heat Balance Q

= W.Cp.(T1-T2)

= w.cp.(t2-t1)

MASH (ETANOL) : 1

= 22.046 lbm/jam x 0,92 Btu/lbm.oF x (104 – 93,2)oF

Q

= 20.282,32 btu/jam x 10,8 = 219.049,1 Btu/jam AIR : Q

= 30.433 lbm/jam x 0,9997 Btu/lbm.oF x (91,4 – 84,2)oF = 30.423,87 btu/jam x 7,2 =219.051,8 Btu/jam

∆t (𝑇1−𝑡2)−(𝑇2−𝑡1)

LMTD =

𝑙𝑛

=

(104−84,2)−(93,2−91,4) 𝑙𝑛

(104−84,2) (93,2−91,4)

19,8−1,8

=

=

(𝑇1−𝑡2) (𝑇2−𝑡1)

𝑙𝑛

19,8 1,8

18 𝑙𝑛11

=

18 2,397

LMTD = 7,5065 oF R =

S =

𝑇1− 𝑇2 𝑡2−𝑡1 𝑡2−𝑡1 𝑇1−𝑡1

=

=

104− 93,2 91,4− 84,2 91,4− 84,2 104− 84,2

=

=

10,8 7,2 7,2 19,8

= 1,5

= 0,364 1

Ft (temperature difference factor) = 0,94 ∆t

(Fig. 18, Kern)

= LMTD x Ft = 7,5065 x 0,94 = 7,056oF

Tc dan tc tc =

Tc =

𝑡1+ 𝑡2 2

=

𝑇1+ 𝑇2 2

84,2+ 91,4

=

2 104+ 93,2 2

=

=

175,6 2 197,2 2

= 87,8oF = 98,6oF

Luas Transfer A

=

𝑄𝑚𝑎𝑠ℎ 𝑈𝑑 𝑥 ∆T

=

219.049,1 75 𝑥 7,056

= 413,925 ft2 Jumlah Pipa Nt

= A/Ao.L = 413,925/0,1963.16 = 252,8 ft

Berdasarkan Tabel 9 Kern, dengan jumlah pipa diatas, maka dipilih : Nt

: 270

Pass

:1 1

Shell side ID

: 21,25 in

Baffle space

: 5 in

Ao

: 0,334 in2

Length : 16 in

Ao

: 0,1963 ft2 /in

OD

: 0,75 in

Pitch

: 1 in

ID

: 0,652 in

Tube side BWG

: 18

A koreksi

= Nt x L x Ao = 270 x 16 x 0,1963 = 848,016 ft2

COLD FLUID (WATER), SHELL SIDE Flow Area, as

=

=

=

𝐼𝐷 𝑥 𝐶 𝑥 𝐵 144 𝑃𝑇 21,25 𝑥 (1−0,75) 𝑥 5 144 𝑥 1 26,5625 144

= 0,1844 ft2 Mass velocity, Gs

=

=

𝑊 𝑎𝑠 219.049,1 0,1844

1

= 165.427,3 lbm/ft2.jam Viskositas cold fluid pada tc = 87,8oF μ = 0,31 cp = 1,089 lbm/ft.jam (Fig.14, Kern) 𝐷𝑒 𝑥 𝐺𝑠

Reynold, Res

=

De

= 0,95 in =

µ

(Fig. 28, Kern)

0,95 12

= 0,07916 ft Res

=

=

0,07916 𝑥 165.427,3 1,089 13.096,327 1,089

= 12.026,01 jH

= 35

(Fig. 28, Kern)

Pada tc

= 96,8oF

μ

= 0,89 cp = 2,1538 lbm/ft.jam

(Fig. 16, Kern)

cp

= 0,77 Btu/lbm.oF

(Fig. 4, Kern)

k

= 0,082 Btu/jam.ft2.oF/ft

(Fig. 1, Kern)

𝐶𝑝 𝑥 µ 1/3

(

hs

k

)

= 3,4086 Btu/jam.ft2.oF/ft

= jH x k/De x (Cp x μ / k)1/3 x φs 1

hs/φs =

35 𝑥 0,082 𝑥 3,4086 0,0791

= 123,573 Btu/jam.ft2.oF

HOT FLUID (ETHANOL), TUBE SIDE Flow area, ao

= 0,334 ft2

at

=

=

(Tabel. 10, Kern)

𝑁𝑡 𝑥 𝑎𝑜 144𝑛 270 𝑥 0,334 144 𝑥 1

= 1,2525 ft2 Mass velocity, Gt

=

=

W 𝑎𝑡 22.046 1,2525

= 17691,6 lbm/jam.ft3 Viskositas pada Tc = 98,6oF μt = 0,85 cp = 2,057 lbm/ft.jam Reynold, Ret

=

D

=

Ret

=

D x Gt µ 0,625 12

= 0,05433 ft

0,05433 x 17691,6 2,057

1

(Tabel. 10, Kern)

= 464,926 jH

= 11

(Fig. 24, Kern)

Pada Tc = 98,6oF cp

= 0,83 Btu/lbm.oF

(Fig. 4, Kern)

k

= 0,079 Btu/jam.ft2.oF/ft

(Fig. 1, Kern)

𝐶𝑝 𝑥 µ 1/3

(

ht

k

)

= jH x k/D x (c x μ / k)1/3 x φt =

ht φt hio φt

= 7,2038 Btu.ft/jam.ft2.oF

11 x 0,079 x 7,2038 0,05433

= 115,217 Btu.ft/jam.ft2.oF

=

ℎ𝑡 𝜑𝑡

x

𝐼𝐷 𝑂𝐷

= 115,217 x

21,25 0,75

= 3264,488 Btu/jam.ft2.oF Tube wall temperature

tw

= tc +

ℎ𝑠 𝝋𝒐 𝒉𝒊𝒐 𝒉𝒊𝒐 + 𝝋𝒕 𝝋𝒕

= 84,2 +

x (Tc – tc)

123,5728 3264,488 + 123,5728

𝑥 14,4 1

= 84,725 oF Cold fluid (water), shell side = 84,725oF

Pada tw μw

= 1,7 cp = 4,114 lbm/ft.jam

φs

=(

=(

(Fig. 4, Kern)

0,14

µ

) µw

1,089 0,14 4,114

)

= 0,8302 hs

=(

ℎ𝑠 𝜑𝑠

) x φs

= 123,5728 x 0,8302 = 102,59 Btu/jam.ft2.oF Hot fluid (ethanol), tube side = 84,725oF

Pada tw μw

= 1,9 cp = 4,598 lbm/ft.jam

φt

=(

=(

µ

0,14

) µw

2,057 0,14 4,598

)

= 0,893

1

ht

=(

ℎ𝑡 𝜑𝑡

) 𝑥 φt

= 115,217 x 0,893 = 102,946 Btu/jam.ft2.oF Hio

=

ℎ𝑖𝑜 𝜑𝑡

x φt

= 3264,488 x 4,598 = 2916,811 Btu/jam.ft2.oF Clean Overall Coefficient, Uc Uc

=

=

ℎ𝑖𝑜 𝑥 ℎ𝑠 ℎ𝑖𝑜+ℎ𝑠 2916,811 x 102,59 2916,811 + 102,59

= 99,105 Btu/jam.ft2.oF Design Overall Coefficient, Ud Ao

= 0,1963 in2

Total surface A

= Nt x L x Ao = 270 x 16 x 0,1963 = 848,016 ft2 = 78,17 m2

1

Ud

=

=

𝑄 𝐴 𝑥 ∆𝑡 219.049,1 848,016 x 7,056

= 75 Btu/jam.ft2.oF Dirt Factor (Rd) R

=

=

𝑈𝑐−𝑈𝑑 𝑈𝑐 𝑥 𝑈𝑑 99,105 − 75 99,105 + 75

= 0,00324 jam.ft2.oF/Btu Rd yang diijinkan = 0,003 jam.ft2.oF/Btu Pressure Drop (∆P) Cold fluid (water), shell side, tc = 84,2oF Res

= 11221,39

Ds

= 21,25/12 = 1,2708 ft

f

= 0,0026 ft2/in2

s

= 0,82

N+1

= 12 x L/B = 12 x 16/5 = 38,4

1

∆Ps

=

=

𝑓 𝑥 𝐺𝑠 2 𝑥 𝐷 𝑥 ( 𝑁+1) 5,22 𝑥 1010 𝑥 𝐷𝑒 𝑥 𝑠 𝑥 φs 0,0026 𝑥 165427,32 𝑥 1,27083 𝑥 38,4 (5,22 𝑥 1010 ) 𝑥 0,079167 𝑥 0,82 𝑥 0,8302

= 1,719 psi ∆Ps yang diijinkan ≤ 10 psi Hot fluid (ethanol), tube side, Tc = 98,6oF Ret

= 464,926

f

= 0,0018 ft2/in2

s

= 0,8

∆Pt

=

=

𝑓 𝑥 𝐺𝑡 2 𝑥 𝐿 𝑥 𝑛 5,22 𝑥 1010 𝑥 𝑠 𝑥 𝐷 𝑥 φt 0,0018 𝑥 12026,022 𝑥 16 𝑥 2 (5,22 𝑥 1010 ) 𝑥 0,8 𝑥 0,05433 𝑥 0,893

= 0,008802 psi ∆Pt yang diijinkan ≤ 10 psi

1