Lapres He.docx

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

BAB I PENDAHULUAN

I.1.

Latar Belakang Ketika dua benda yang memiliki perbedaan suhu bertemu maka kalor akan

mengalir dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Heat exchanger adalah peralatan yang digunakan untuk melakukan proses pertukaran kalor antara dua fluida (cair maupun gas), dimana fluida ini mempunyai suhu yang berbeda. Idealnya heat exchanger mempunyai koefisien pepindahan kalor menyeluruh (U) yang tinggi sehingga mampu mentransfer kalor dengan baik dan mempunyai penurunan tekanan (∆P) yang rendah. Dalam industri proses, heat exchanger digunakan untuk berbagai keperluan dengan memanfaatkan kembali panas diantara dua fluida proses uap dan air sebagai utilitas. Pada percobaan ini digunakan alat double-pipe heat exchanger Untuk pengoperasian alat double-pipe heat exchanger, pertama-tama air dalam tangki penampung dipanaskan sampai dengan suhu tertentu. Lalu isi pipa air dan hilangkan gelembung-gelembung udara dari manometer. Kemudian air pendingin dialirkan melalui bagian dalam pipa pada laju alir yang diinginkan. Air panas dialirkan ke dalam bagian annulus pada tekanan tertentu. Setelah tercapai keadaan steady (aliran air dan suhu konstan), dilakukan pengamatan terhadap waktu, pembacaan manometer, suhu air pendingin yang masuk dan keluar, suhu air panas yang masuk dan keluar, serta tekanan air panas setiap selang waktu 2 menit selama minimal 20 menit. Percobaan diulang dengan variasi laju alir (putaran kran) dan suhu air panas yang masuk. Untuk alat shell-and-tube heat exchanger, prosedur yang dilakukan sama dengan pengoperasian alat double-pipe heat exchanger. Pada percobaan ini diharapkan praktikan memahami pengoperasian dari alat double-pipe heat exchanger dan alat shell-and-tube heat exchanger. Kemudian pada saat percobaan, praktikan dapat mengamati mekanisme perpindahan panas secara konveksi. Dengan demikian praktikan dapat mengetahui nilai koefisien perpindahan panas dari data hasil percobaan.

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

1

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

I.2.

Tujuan Percobaan

1. Agar praktikan dapat mengetahui pengoperasian dari alat double-pipe heat exchanger dan alat shell-and-tube heat exchanger. 2. Agar praktikan dapat mengamati mekanisme perpindahan panas secara konveksi. 3. Agar praktikan dapat mengetahui nilai koefisien perpindahan panas dari hasil percobaan.

I.3.

Manfaat Percobaan

1. Praktikan memahami faktor-faktor apa saja yang mempengaruhi nilai koefisien perpindahan panas keseluruhan. 2. Praktikan mengetahui jenis-jenis alat heat exchanger dan karakteristiknya masing-masing. 3. Praktikan mengetahui pengaplikasian alat heat exchanger khususnya dalam bidang industri.

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

2

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

II.1.

Secara Umum Alat penukar panas (Heat Exchanger) adalah suatu peralatan dimana

terjadi perpindahan panas dari suatu fluida yang mempunyai temperatur yang lebih tinggi ke fluida lain yang temperaturnya lebih rendah, baik secara langsung maupun tidak langsung. Apabila heat exchanger tersebut telah dioperasikan beberapa waktu, maka akan terjadi penurunan unjuk kerja dari alat tersebut. Penurunan unjuk kerja bisa jadi disebabkan oleh terbentuknya kerak, korosi, kebocoran, maupun aliran fluida yang menyebabkan friksi terhadap dinding alat. Penurunan kinerja ini bisa dilihat dari parameter-parameter seperti pressure drop tinggi, serta dirt factor melebihi harga yang diizinkan. II.1.1. Proses Perpindahan Panas Ada 3 macam cara perpindahan panas yaitu : A. Perpindahan panas secara konduksi Perpindahan panas konduksi adalah mekanisme perpindahan panas yang terjadi dari suatu benda ke benda lain dengan kontak langsung. B. Perpindahan panas secara konveksi Perpindahan panas konveksi adalah mekanisme perpindahan panas yang terjadi dari satu benda ke benda yang lain dengan perantaraan benda itu sendiri. Perpindahan panas konveksi ada 2 macam yaitu konveksi paksa dan konveksi bebas. Konveksi alami adalah perpindahan molekul–molekul didalam zat yang dipanaskan karena adanya perbedaan densitas. Konveksi paksa yaitu perpindahan panas konveksi yang berlangsung dengan bantuan tenaga lain. C. Perpindahan panas secara radiasi Perpindahan panas radiasi adalah perpindahan panas dari suatu benda ke benda lain dengan bantuan gelombang elektromagnetik, dimana tenaga ini akan diubah menjadi panas jika tenaganya diserap oleh benda yang lain. (Setyoko, 2008)

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

3

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

II.1.2. Jenis Arah Aliran Pertukaran Kalor a) Pertukaran Kalor dengan Aliran Searah (Co-current/Parallel Flow) Yaitu apabila arah aliran dari kedua fluida di dalam penukar kalor adalah sejajar, artinya kedua fluida masuk pada sisi yang satu dan keluar dari sisi yang lain mengalir dengan arah yang sama. b) Pertukaran Kalor dengan Aliran Berlawanan Arah (Counter-current Flow) Yaitu bila kedua fluida mengalir dengan arah yang saling berlawanan dan keluar pada sisi yang berlawanan. Pada tipe ini masih mungkin terjadi bahwa temperatur fluida yang menerima panas (temperatur fluida dingin) saat keluar penukar kalor lebih tinggi dibanding temperatur fluida yang memberikan kalor (temperatur fluida panas) saat meninggalkan penukar kalor. (Nisfi, 2015) II.1.3. Alat Penukar Kalor Penukar-kalor merupakan peralatan yang sangat penting dan banyak digunakan dalam industry pengolahan. Sehingga rancangan penukar-kalor pun sudah sangat berkembang. Standar-standar yang telah disusun dan diterima oleh Standards of the Turbulen Exchanger Manufacturers Association (TEMA) sudah ada dan meliputi perincian mengenai bahan konstruksi, metode konstruksi, teknik perancangan, dan dimensi-dimensi dari penukar kalor. (McCabe. 1994) Karakteristik umum untuk mayoritas alat-alat penukar kalor adalah perpindahan panas dari bahan yang bersuhu tinggi ke bahan yang bersuhu rendah sementara kedua bahan tersebut dipisahkan oleh sebuah pembatas padat. A. Penukar Kalor Pipa Rangkap (Double-Pipe Heat Exchanger) Bentuk yang paling sederhana dari alat penukar kalor adalah penukar kalor pipa rangkap. Pada dasarnya alat ini terbentuk dari dua pipa konsentris dengan satu fluida mengalir melalui bagian dalam pipa sementara fluida yang lain mengalir secara searah atau berlawanan arah dalam ruang yang berbentuk cincin. Pemakaian penukar kalor pipa rangkap tidak terbatas pada pertukaran kalor cairan-cairan saja tetapi juga memungkinkan pertukaran kalor untuk gas-cairan dan untuk gas-gas.

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

4

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

Gambar 1. Alat Penukar Kalor Pipa Rangkap B. Penukar Kalor Selongsong dan Tabung (Shell-and-Tube Heat Exchanger) Saat luas permukaan pertukaran kalor yang dibutuhkan besar, tipe alat penukar kalor yang direkomendasikan adalah jenis penukar kalor selongsong dan tabung. Dalam tipe pemanas atau pendingin, luas permukaan pertukaran kalor yang besar dapat dicapai secara ekonomis dan praktis dengan menghubungkan tabung-tabung (tubes) menjadi satu gabungan; ujung dari tabung tersebut terpasang dalam satu plat tabung (tube sheet). Bentuk paling sederhana dari penukar kalor selongsong dan tabung adalah penukar kalor lintas-tunggal. Fluida mengalir melalui tabung dan masuk dalam sebuah saluran (header) lalu fluida didistribusikan ke tabung yang disusun parallel dan keluar meninggalkan alat melalui sebuah saluran yang lain. Viskositas fluida sangat penting untuk menentukan fluida mana yang akan lewat selongsong (shell). Fluida yang umumnya mengalir secara laminar harus ditempatkan dalam selongsong untuk meningkatkan karakteristik pertukaran kalor. Fluida yang bertekanan tinggi harus mengalir melalui tabung untuk menghindari mahalnya penggunaan selongsong bertekanan tinggi.

Gambar 2. Alat Penukar Kalor Selongsong dan Tabung (Foust, 1960)

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

5

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

C. Penukar Kalor Tabung dan Plat-Tabung (Plate and Frame Heat Exchanger) Tabung dibuat dengan proses tarik sehingga didapatkan ketebalan dinding tertentu (sesuai dengan BWG-nya) dan diameter-luar yang dikehendaki. Panjang standar tabung yang dibuat untuk konstruksi penukar kalor adalah 2, 12, 16 dan 20 ft. Tabung dipasang dalam susunan segi-tiga atau bujur-sangkar. Susunan bujursangkar memberikan penurunan tekanan yang lebih rendah pada sisi-selongsong dibandingkan dengan susunan segi-tiga. Standar TEMA menentukan bahwa jarak minimum antara pusat tabung harus sedikitnya 1,25 kali diameter-luar tabung untuk susunan segi-tiga, dan jalur pembersih minimum ¼ inch untuk susunan bujur-sangkar.

Gambar 3. Alat Penukar Kalor Tabung dan Plat-Tabung (McCabe. 1994)

II.1.4. Analisa Perhitungan pada Heat Exchanger A. Neraca Panas Untuk mengetahui besarnya panas yang dapat ditransfer dari fluida panas ke fluida dingin pada HE dilakukan perhitungan dengan menggunakan rumus: Q = m Cp ∆T Dengan : Q

... (1)

= laju perpindahan kalor (Btu/jam)

m

= massa air (lb/jam)

Cp

= kapasitas panas (Btu/lb.oF)

∆T

= selisih suhu (oF)

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

6

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

B. Beda Temperatur Rata-rata Logaritma (LMTD) Untuk menghitung suhu rata – rata dari suatu fluida yang mengalir dalam HE dapat dihitung dengan rumus: …(2)

C.

Dengan : ∆th

= selisih suhu fluida panas (oF)

∆tc

= selisih suhu fluida dingin (oF)

Faktor Koreksi (FT) untuk perhitungan ∆TLMTD FT dihitung karena di dalam tube terjdi perubahan arah aliran. Sebagai contoh untuk 1-2 exchanger, lewatan merupakan gabungan antara aliran searah dan lawan arah. Dengan demikian dalam 1-2 exchanger tersebut jika dihitung LMTD untuk countercurrent maka harus dihitung faktor koreksi FT nya. a) Untuk 1-2 exchanger FT > 0,75. jika FT pada 1-2 Exchanger < 0,75 maka gunakan 2-4 Exchanger. b) Untuk 2-4 exchanger FT > 0,9 untuk removable longitudinal baffle. FT 0,85 untuk welded longitudinal baffle. Untuk menentukan perbedaan temperatur yang sebenarnya (Δt) : Δt = Δt LMTD x FT

.... (6) (Wibawa, 2014)

Nilai faktor koreksi (FT) untuk jenis 1-2-exchanger digambarkan dalam Grafik 18 sampai dengan dengan S dan R sebagai parameternya. .... (7) .... (8)

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

7

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

Gambar 5. Grafik Faktor Koreksi LMTD untuk 1-2-Exchanger

(Kern, 1983) D. Luas Penampang perpindahan panas Luas penampang perpindahan panas dapat dihitung dengan menggunakan rumus: A=πDL Keterangan: A = Luas penampang perpindahan panas (ft2) D = Diameter inner pipe (ft) L = Panjang pipa heat exchanger (ft) E. Koefisien Perpindahan Panas pada Pipa Kotor (UD)

Keterangan: UD

= Koefisien perpindahan panas pada pipa kotor (Btu ft2 oF/jam)

Q

= Laju perpindahan kalor (Btu/jam)

A

= Luas penampang perpindahan panas (ft2)

Δt

= perbedaan temperatur yang sebenarnya (ᵒF)

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

8

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

Penukar kalor yang baik adalah penukar kalor yang memiliki nilai koefisien perpindahan panas (U) yang besar. Saat penukar kalor telah digunakan cukup lama, maka akan terbentuk kotoran di bagian dalam dan di bagian luar pipa. Setelah diketahui nilai UD yang didapat dari hasil perhitungan, maka nilai ini dibandingkan dengan nilai standar UD yang terdapat di Tabel 8 halaman 840 buku “Process Heat Transfer” oleh D. Q. Kern untuk mengetahui apakah rancangan alat tersebut sudah tepat.

Gambar 4. Tabel UD Standar oleh Kern F. Penurunan Tekanan (Pressure Drop) Pressure drop adalah penurunan tekanan maksimal yang diperbolehkan dalam HE apabila suatu fluida melaluinya. Penurunan tekanan ini semakin besar dengan bertambahnya fouling factor pada heat exchanger. Umumnya besarnya pressure drop yang diperbolehkan untuk setiap aliran fluida untuk satu kali proses adalah 5 sampai 10 psi. (Kern, 1983)

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

9

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

G. Faktor Pengotor (Dirt Factor) Dirt factor adalah hambatan perpindahan panas karena adanya endapan – endapan didalam HE. Fouling factor ini dipengaruhi oleh bebrapa hal antara lain: jenis fluida, temperatur, jenis material tube, kecepatan aliran serta lamanya operasi. Rd = Rdi + Rdo

....(3)

Dengan : Rd = Faktor pengotor total Rdi = Faktor pengotor untuk inner pipe pada inside diameter dari inner pipe Rdo = Faktor pengotor untuk annulus pada outside diameter dari inner pipe (Setyoko, 2008)

II.2.

Sifat Bahan

1) Aquadest A. Sifat Fisika 1. Rumus molekul

: H2O

2. Massa molar

: 18,0153 gr/mol

3. Densitas

: 0,998 gr/cm3

4. Penampilan

: Cairan tak berwarna

B. Sifat Kimia 1. Satu molekul air tersusun atas dua atom hidrogen yang terikat secara kovalen pada satu atom oksigen. 2. Memiliki kemampuan untuk melarutkan banyak zat kimia. (Anonim, 2015)

II.3.

Hipotesa Semakin besar perbedaan suhu rata-rata logaritmik (∆TLMTD) maka nilai

koefisien perpindahan panas keseluruhan (Ud) akan semakin kecil. Apabila bukaan kran semakin besar, maka nilai debit alir fluida (Q) dan nilai Ud juga akan semakin besar. Hal-hal tersebut berlaku juga untuk keadaan sebaliknya.

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

10

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

II.4.

Diagram Alir Panaskan air dalam tangki pemanas sampai dengan temperatur 65ᵒC

Isi pipa air dan hilangkan gelembung udara dari pipa manometer, alirkan air melalui bagian dalam pipa pada laju alir yang diinginkan

Alirkan air panas ke dalam bagian annulus dengan tekanan tertentu

Amati waktu, suhu air pendingin yang masuk dan keluar, suhu air panas yang masuk dan keluar

Tampung air dingin yang keluar

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

11

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

BAB III PELAKSANAAN PRAKTIKUM

III.1 Bahan Praktikum 1.

Air panas

2.

Air dingin

III.2 Alat Praktikum 1. 1 unit alat single pass double pipe heat exchanger 2. Gelas ukur 3. Stopwatch 4. Termometer 5. Penggaris

III. 3 Gambar Alat

Gelas Ukur

Stopwatch

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

Thermometer

Penggaris

12

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

III.4 Rangkaian Alat

Satu unit alat double pipe heat exchanger

III.5 Prosedur Percobaan Single Pass Double Pipe Heat Exchanger 1. Panaskan air dalam tangki penampung air panas sehingga temperature tertentu 2. Isi pipa air dan hilangkan gelembung-gelembung udara dari pipa manometer, alirkan air melalui bagian dalam pipa pada laju alir yang diinginkan. 3. Alirkan air panas kedelam bagian annulus pada tekanan tertentu 4. Setelah aliran dan temperatur konstan (tercapai keadaan steady), lakukan pengamatan selama sedikitnya 20 menit untuk data-data berikut selama selang waktu 2 menit : a. Waktu b. Pembacaaan manometer c. Temperatur air pendingin atau air panas masuk dan keluar d. Tekanan air panas 5. Ulangi percobaan dengan variasi laju alir dan temperature umpan air panas serta variasi bukaan kran. Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

13

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

V.1.

Tabel Hasil Pengamatan Tabel 1. Hasil Pengamatan Suhu dan Tekanan

Bukaan Panas Dingin 2/7 3/7 4/7 6/7 2/7 5/7 4/7 6/7 2/7 1 4/7 6/7

Waktu (detik) 5

5

5

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

Suhu Panas (oC) T1 T2 58 49 58 49 58 49 59 49 59 49 59 49 60 50 60 50 60 50

Suhu air pendingin (ᵒC) t1 t2 35 41 35 41 36 41 36 41 37 41 38 41 38 41 38 41 39 41

Volume air panas (ml) V1 V2 V3

Volume rata-rata air panas (ml)

2400

2400

2300

2366,67

2500

2500

2500

2500

2800

2800

2800

2800

14

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

Bukaan Panas 3/7

5/7

1

Volume air dingin (ml)

Volume Manometer rata-rata air (cm) dingin (ml) 1633,33 2,10

2/7

V1 1650

V2 1600

V3 1650

4/7

1750

1750

1750

1750,00

2,20

6/7

1800

1800

1800

1800,00

2,10

2/7

1700

1700

1750

1716,67

2,30

4/7

1800

1850

1850

1833,33

2,20

6/7

1900

1900

1950

1916,67

2,20

2/7

1800

1870

1800

1823,33

2,20

4/7

1850

1900

1900

1883,33

2,20

6/7

2000

1950

2000

1983,33

2,30

Dingin

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

15

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

Tabel 2. Hasil Pengamatan Laju Alir Fluida Bukaan Kran Panas

3/7

5/7

1

V.2.

Dingin

Waktu (s)

Manometer Ratarata (cmHg)

2/7

5

2.10

4/7

5

2.20

6/7 2/7

5 5

2.10 2.30

4/7

5

2.20

6/7 2/7

5 5

2.20 2.20

4/7

5

2.20

6/7

5

2.30

Volume air panas (ml) 2366

2500

2800

Debit Air Panas (ml/s)

473.2

500

560

Volume air dingin (ml) V.rataV1 V2 V3 rata 1600 1650 1650 1633.33 1750 1750 1750 1750.00

Debit Air Pendingin (ml/s) 326.67 350.00

1800

1800

1800

1800.00

360.00

1700

1700

1750

1716.67

343.33

1800

1850

1850

1833.33

366.67

1900

1900

1950

1916.67

383.33

1800

1870

1800

1823.33

364.67

1850

1900

1900

1883.33

376.67

2000

1950

2000

1983.33

396.67

Tabel Perhitungan Diketahui: a) Diameter pipa luar 2” (OD)

= 2,38 in

b) Diameter pipa dalam 1,25” (ID)

= 1,38 in (Data diambil dari Tabel 11 Kern)

c) Panjang pipa (L)

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

= 305 cm = 3,05 m

16

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

d) Suhu rata-rata air panas (Tav) =

𝑇1 + 𝑇2 2

Suhu rata-rata air pendingin (tav) =

=

𝑡1 + 𝑡2 2

136.4+120.2 2

= 127,4 °𝐹, maka Cp air panas = 1 Btu/lb.ᵒF

89,6+92,3

=

2

= 90,95 °𝐹, maka Cp air pendingin = 1 Btu/lb.ᵒF (Data diambil dari Grafik 2 Kern)

e) ρ air = 1,09991

𝑔𝑟𝑎𝑚 𝑚𝑙

𝑙𝑏𝑚

= 68,6 𝑐𝑢𝑓𝑡

Tabel 3. Perhitungan Neraca Panas pada Air Panas Volume Debit Debit ρ Air m Air Cp Air air Waktu Air Air Panas Panas Panas panas (detik) Panas Panas (lbm/cuft) (lbm/jam) (Btu/lbm.ᵒF) Panas Dingin (ml) (ml/s) (cuft/s) 5 473 0.0167 2/7 2366.67 68.6 4127.547 1 2366.67 5 473 0.0167 4127.547 3/7 4/7 68.6 1 2366.67 5 473 0.0167 4127.547 6/7 68.6 1 2500 5 500 0.0177 4360.079 2/7 68.6 1 2500 5 500 0.0177 4360.079 5/7 4/7 68.6 1 Bukaan Kran

1

Suhu Air Panas (ᵒF)

∆T (ᵒF)

Q Air Panas (Btu/jam)

T1

T2

149 149

132.8

16.2

66866.26

132.8

16.2

66866.263

149

132.8

16.2

66866.263

149

132.8

16.2

70633.277

149

132.8

16.2

70633.277

6/7

2500

5

500

0.0177

68.6

4360.079

1

149

132.8

16.2

70633.277

2/7

2800

5

560

0.0198

68.6

4883.288

1

149

132.8

16.2

79109.270

4/7

2800

5

560

0.0198

68.6

4883.288

1

149

132.8

16.2

79109.270

6/7

2800

5

560

0.0198

68.6

4883.288

1

149

132.8

16.2

79109.270

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

17

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

Tabel 4. Perhitungan Neraca Panas pada Air Pendingin Volume Debit Debit ρ Air m Air Cp Air air Waktu Air Air dingin dingin dingin dingin (detik) dingin dingin (lbm/cuft) (lbm/jam) (Btu/lbm.ᵒF) Panas Dingin (ml) (ml/s) (cuft/s) 5 326.67 0.0115 68.6 2848.585 1 2/7 1633.33 1750.00 5 350.00 0.0124 68.6 3052.055 1 3/7 4/7 1800.00 5 360.00 0.0127 68.6 3139.257 1 6/7 Bukaan Kran

5/7

1

∆T (ᵒF)

Q Air dingin (Btu/jam)

T1

T2

86

107.6

21.6

61529.432

86

107.6

21.6

65924.391

86

107.6

21.6

67807.945

2/7

1716.67

5

343.33 0.0121

68.6

2993.921

1

86

105.8

19.8

59279.631

4/7

1833.33

5

366.67 0.0129

68.6

3197.391

1

86

105.8

19.8

63308.344

6/7

1916.67

5

383.33 0.0135

68.6

3342.727

1

86

105.8

19.8

66185.996

2/7

1823.33

5

364.67 0.0129

68.6

3179.951

1

86

109.4

23.4

74410.849

4/7

1883.33

5

376.67 0.0133

68.6

3284.593

1

86

109.4

23.4

76859.469

6/7

1983.33

5

396.67 0.0140

68.6

3458.996

1

86

109.4

23.4

80940.503

Bukaan Kran Panas Dingin 2/7 3/7

Suhu Air dingin (ᵒF)

∆T LMTD (ᵒF)

4/7

44.04 44.04

6/7

44.04

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

18

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

5/7

1

2/7

44.98

4/7

44.98

6/7

44.98

2/7

43.10

4/7

43.10

6/7

43.10

Tabel 5. Perhitungan Tekanan Bukaan Kran Panas Dingin 2/7 3/7

5/7

1

4/7

Rata-rata Selisih Manometer (cmHg) 2.10 2.20

6/7

2.10

2/7

2.30

4/7

2.20

6/7

2.20

2/7

2.20

4/7

2.20

6/7

2.30

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

19

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

Tabel 6. Perhitungan Koefisien Perpindahan Panas

Bukaan Kran

Panas

3/7

5/7

1

Dingin

Suhu Air Panas (ᵒC)

Suhu Air Panas (ᵒF)

Suhu Air Pendingin (ᵒC)

Suhu Air Pendingin (ᵒF)

Cp Air Panas (Btu/lb m.ᵒF)

Cp Air Dingin (Btu/lb m.ᵒF)

T1 T2

T1

T2

t1

t2

t1

t2

2/7

65

56

149

132,8

30

42

80,6

107,6

1

1

4/7

65

56

149

132,8

30

42

80,6

107,6

1

6/7

65

56

149

132,8

30

42

80,6

107,6

2/7

65

56

149

132,8

30

41

80,6

4/7

65

56

149

132,8

30

41

6/7

65

56

149

132,8

30

2/7

65

56

149

132,8

4/7

65

56

149

6/7

65

56

149

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

∆T LMTD (ᵒF)

R

S

FT

∆T (ᵒF)

UD (Btu.ft2.ᵒF /jam)

1

46,59 46,59

0.600 0.395 0.99 46.13 0.600 0.395 0.99 46.13

209.41 224.3679

1

1

46,59

0.600 0.395 0.99 46.13

230.7784

105,8

1

1

47,56

0.643 0.368 0.99 47.08

215.621

80,6

105,8

1

1

47,56

0.643 0.368 0.99 47.08

230.2748

41

80,6

105,8

1

1

47,56

0.643 0.368 0.99 47.08

240.7418

30

43

80,6

109,4

1

1

45,61

0.562 0.421 0.99 45.15

238.7993

132,8

30

43

80,6

109,4

1

1

45,61

0.562 0.421 0.99 45.15

246.6574

132,8

30

43

80,6

109,4

1

1

45,61

0.562 0.421 0.99 45.15

259.7543

20

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

Tabel 7. Perhitungan Panas

V1

V2

V3

1650 1750

1600

1650

4/7

2.10 2.20

Volume Rata-rata (ml) 1633,33

1750

1750

1750,00

6/7

2.10

1800

1800

1800

2/7

2.30

1700

1700

4/7

2.20

1800

6/7

2.20

2/7

Bukaan Kran Panas

Manometer Dingin Rata-rata

5/7

1

Debit (ml/s)

Q (Btu/jam)

D (in)

D (ft)

A (ft2)

2591.46

1,66

0,138

4,3463 41981,67

350,00

2776.57

1,66

0,138

4,3463 44980,36

1800,00

360,00

2855.90

1,66

0,138

4,3463 46265,51

1750

1716,67

343,33

2723.68

1,66

0,138

4,3463 44123,59

1850

1850

1833,33

366,67

2908.78

1,66

0,138

4,3463 47122,28

1900

1900

1950

1916,67

383,33

3041.00

1,66

0,138

4,3463 49264,20

2.20

1800

1870

1800

1823,33

364,67

2892.92

1,66

0,138

4,3463 46865,25

4/7

2.20

1850

1900

1900

1883,33

376,67

2988.11

1,66

0,138

4,3463 48407,43

6/7

2.30

2000

1950

2000

1983,33

396,67

3146.77

1,66

0,138

4,3463 50977,74

2/7 3/7

Volume (ml)

326,67

m (lb/jam)

Tabel 8. Perbandingan Heat Balance Bukaan Kran Panas Dingin 2/7 3/7

Q Air Panas (Btu/jam)

4/7

473.334 473.334

6/7

473.334

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

Q Air Pendingin (Btu/jam) 326.66667 350 360

21

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

5/7

1

2/7

500

343.33333

4/7

500

366.66667

6/7

500

383.33333

2/7

560

364.66667

4/7

560

376.66667

6/7

560

396.66667

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

22

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

IV.3. Grafik

Debit Air Dingin Vs LMTD 48.00

LMTD (˚F)

47.50

Debit Air Panas 473.334 (ml/s)

47.00

Debit Air Panas 500 (ml/s)

46.50

Debit Air Panas 560 (ml/s)

46.00 45.50 300

350 Laju Alir Air Dingin (ml/s)

400

Grafik 1. Log Mean Temperature Difference VS Q Air Pendingin

Debit Air Dingin Vs UD 245 240 Debit Air Panas 473.334 (ml/s)

UD (Btu.ft2.ᵒF/jam)

235 230

Debit Air Panas 500 (ml/s)

225 220

Debit Air Panas 560 (ml/s)

215 210

205 300

350 400 Debit Air Dingin (ml/s)

450

Grafik 2. Q Air Pendingin Vs Koefisien Perpindahan Panas Pipa Kotor

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

23

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

Debit Air Panas Vs LMTD 48.00

Axis Title

47.50 Debit Air Panas 473.334 (ml/s)

47.00

Debit Air Panas 500 (ml/s)

46.50

Debit Air Panas 560 (ml/s)

46.00 45.50 460

480

500

520

540

560

580

Axis Title

Grafik 3. Log Mean Temperature Difference Vs Q Air Panas

Debit Air Panas Vs UD

270

UD (Btu.ft2.ᵒF/jam

260 Debit Air Panas 473.334 (ml/s)

250 240

Debit Air Panas 500 (ml/s)

230

Debit Air Panas 560 (ml/s)

220 210 200

460

480

500

520

540

560

580

Debit Air Dingin (ml/s)

Grafik 4. Q Air Pendingin Vs Koefisien Perpindahan Panas Pipa Kotor

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

24

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

V.3.

Pembahasan Heat exchanger adalah peralatan yang digunakan untuk melakukan proses

pertukaran kalor antara dua fluida (cair maupun gas), dimana fluida ini mempunyai suhu yang berbeda. Tujuan dari percobaan ini adalah memahami pengoperasian dari alat single pass double-pipe heat exchanger. Kemudian untuk dapat mengamati mekanisme perpindahan panas secara konveksi dan untuk mengetahui nilai koefisien perpindahan panas dari data hasil percobaan. Dalam percobaan ini digunakan alat single pass double-pipe heat exhanger dengan variabel laju alir air panas 473,3; 500; dan 560.. Pengamatan yang dilakukan yaitu terhadap pengaruh bukaan kran terhadap banyaknya volume air yang keluar selama 5 detik, besarnya debit aliran fluida, selisih tekanan yang ditunjukkan oleh manometer, dan suhu yang tertera pada thermometer. Pengamatan dilakukan tiga kali untuk masing-masing bukaan kran dengan laju alir air pendingin 326,67; 350 dan 360. Berdasarkan hasil percobaan, debit air yang keluar selama 5 detik akan meningkat seiring dengan besarnya bukaan kran. Hal ini dibuktikan dengan semakin banyaknya volume air yang keluar saat bukaan kran ditingkatkan. Sehingga semakin banyak volume air yang keluar, maka debit air juga akan semakin besar. Pada saat kran dibuka, maka manometer akan menunjukkan perbedaan tekanan antara kedua aliran fluida. Besarnya selisih tekanan yang diperoleh berbanding lurus dengan besarnya bukaan kran. Artinya, semakin besar debit alir fluida maka selisih tekanannya juga akan semakin besar. Untuk suhu air panas yang diperoleh, semakin besar bukaan kran air dingin memberikan penurunan suhu air panas yang kecil untuk setiap bukaan kran yang berbeda. Hal ini mungkin disebabkan karena air dingin yang diumpankan suhunya lebih tinggi dari semula, karena air dingin tersebut sudah menerima panas dari hasil kontak dengan fluida panas pada percobaan sebelumnya. Dan kecilnya penurunan suhu air panas mungkin juga disebabkan oleh adanya kotoran yang menempel pada permukaan pipa sehingga proses pertukaran kalor menjadi tidak maksimal. Hasil pengamatan sesuai dengan teori yang menyatakan bahwa

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

25

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

jika semakin besar debit aliran air panas yang diumpankan dan semakin banyak air panas yang dikontakkan dengan air pendingin, maka suhu air panas akan menurun. Berdasarkan hasil perhitungan, besarnya koefisien perpindahan panas pada pipa kotor (UD) pada laju alir air panas 473,3 dengan laju alir air pendingin 326,67; 350 dan 360 adalah

209.41; 224.3679 dan 230.7784Btu/jam ft2 ᵒF.

Kemudian pada laju alir air panas 500 yaitu 215.621; 230.2748 dan 240.7418 Btu/jam ft2 ᵒF. Laju alir air panas 560 yaitu 238.7993; 246.6574; dan 259.7543 Btu/jam ft2 ᵒF.. Pada percobaan ini, nilai Q masuk ≠ Q keluar karena kurang telitinya dalam mengukur volume air yang ditampung dalam waktu 5 detik, hal ini berdampak pada laju massa air. . Berdasarkan analisa grafik hubungan antara ΔTLMTD dengan laju perpindahan kalor atau Q air pendingin diperoleh hasil bahwa nilai ΔT

LMTD

menunjukkan nilai penurunan suhu yang kecil dengan nilai Q air pendingin yang meningkat seiring besarnya bukaan kran. Hal ini terjadi karena semakin banyak fluida yang mengalir maka akan semakin banyak panas yang akan berpindah seiring dengan besarya variabel bukaan kran. Pada grafik hubungan antara Q air pendingin dengan koefisien perpindahan panas pada pipa kotor (UD) diperoleh hasil bahwa nilai Q berbanding lurus dengan nilai UD. Hasil ini sesuai dengan persamaan UD = Q/(A.∆t). Berdasarkan analisa grafik hubungan antara ΔT

LMTD

dengan Q air panas diperoleh hasil bahwa nilai ΔTLMTD dengan Q air panas adalah berbanding terbalik, artinya semakin kecil nilai ΔTLMTD maka nilai Q

akan

semakin meningkat. Pada grafik hubungan antara Q air panas dengan koefisien perpindahan panas pada pipa kotor (UD) diperoleh hasil bahwa nilai UD meningkat seiring dengan besarnya nilai laju perpindahan kalor (Q) air panas. Nilai hasil perhitungan koefisien perpindahan kalor pada pipa kotor (UD) yang didapatkan pada percobaan ini akan dibandingkan dengan nilai UD standar pada literatur (Tabel 8 Kern dengan total dirt factor 0,001 dan pressure drop antara 5 sampai 10 psi). Dari literatur diketahui nilai UD untuk fluida panas dan fluida dingin berupa air, adalah 250 sampai dengan 500. Sehingga nilai UD dari percobaan ini seluruhnya sudah memenuhi nilai UD standar.

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

26

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

V.1.

Kesimpulan 1. Koefisien perpindahan panas pada pipa kotor (UD) pada laju alir air panas 473,3 dengan laju alir air pendingin 326,67; 350 dan 360 adalah 209.41; 224.3679 dan 230.7784Btu/jam ft2 ᵒF. Kemudian pada laju alir air panas 500 yaitu 215.621; 230.2748 dan 240.7418 Btu/jam ft2 ᵒF. Laju alir air panas 560 yaitu 238.7993; 246.6574; dan 259.7543 Btu/jam ft2 ᵒF.... Besarnya debit air yang keluar berbanding lurus dengan besarnya bukaan kran. Semakin besar bukaan kran, maka volume air yang keluar semakin banyak sehingga debit air juga semakin besar.. 2. Besarnya selisih tekanan yang diperoleh berbanding lurus dengan besarnya bukaan kran. Artinya, semakin besar debit alir fluida maka selisih tekanannya juga akan semakin besar. 3. Nilai ΔT

LMTD

menunjukkan penurunan suhu yang kecil dengan nilai

Q yang meningkat seiring besarnya bukaan kran. 4. Nilai koefisien perpindahan panas (UD) meningkat seiring dengan besarnya nilai laju perpindahan kalor (Q). 5. Nilai UD dari percobaan ini seluruhnya sudah memenuhi nilai UD standar, yaitu antara 250 sampai 500.

V.2.

Saran 1. Sebaiknya praktikan lebih teliti dalam pembacaan manometer, thermometer dan skala gelas ukur agar hasil percobaan akurat. 2. Sebaiknya air yang digunakan pada percobaan ini adalah air yang bersih. Karena jika yang digunakan adalah air yang kotor, maka akan menimbulkan kerak-kerak pada dinding pipa yang akan mengurangi keakuratan hasil pengamatan.

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

27

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

DAFTAR PUSTAKA Anonim. 2015. “Air”. (http://id.wikipedia.org/wiki/Air). Diakses pada tanggal 7 September 2016 pukul 18.30 WIB Foust, Alan S. 1960. “Principles of Unit Operations 2nd Edition”. Canada: John Wiley & Sons Inc. Kern, D.Q. 1983. “Process Heat Transfer”. New York: McGraw Hill Book Company McCabe. 1994. “Operasi Teknik Kimia Jilid 1”. Jakarta: Erlangga. Nisfi, Rahma. 2015. “Alat Penukar Kalor”. (http://rahmanisfi.blogspot.co.id/ 2015/04/alat-penukar-kalor_10.html). Diakses pada tanggal 4 September 2016 pukul 14.00 WIB. Setyoko, Bambang. 2008. “Evaluasi Kinerja Heat Exchanger dengan Metode Fouling Faktor”. (ejournal.undip.ac.id/index.php/teknik/article/download/ 1931/1691). Diakses pada tanggal 7 September 2016 pukul 14.16 WIB. Wibawa, Indra. 2014. “Algortima Heat Exchanger”. (https://indrawibawads.files. wordpress.com/2014/09/algoritma-heat-exchanger.pdf). Diakses pada 23 September 2016 pukul 08.30 WIB

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

28

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

APPENDIX

Diketahui: a)

Diameter pipa luar 2” (OD)

= 2,38 in = 0,1983 ft

b)

Diameter pipa dalam 1,25” (ID)

= 1,38 in = 0,115 ft (Data diambil dari Tabel 11 Kern)

c)

Panjang pipa (L)

= 305 cm = 3,05 m = 10 ft

d)

Suhu rata-rata air panas (Tav) =

𝑇1 + 𝑇2 2

=

136.4+120.2 2

= 127,4 °𝐹, maka

Cp air panas = 1 Btu/lb.ᵒF Suhu rata-rata air pendingin (tav) =

𝑡1 + 𝑡2 2

=

89,6+92,3 2

= 90,95 °𝐹, maka

Cp air pendingin = 0,95 Btu/lb.ᵒF (Data diambil dari Grafik 2 Kern)

Perhitungan untuk bukaan kran air panas 3/7 dan kran air dingin 2/7 1. Debit air Volume rata-rata air dingin yang ditampung selama 5 detik = 1633,33 ml Q =

𝑉 𝑡

=

1633,33 5

ml

= 326,67 detik = 0,0115 𝑐𝑢𝑓𝑡/𝑗𝑎𝑚

Volume air panas yang ditampung selama 5 detik = 2366,67 ml Q=

𝑉 𝑡

=

2366,67 5

ml

= 473 detik = 0,0167 𝑐𝑢𝑓𝑡/𝑗𝑎𝑚

2. Densitas air ρ air

= =

𝑏𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑝𝑖𝑘𝑛𝑜𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 𝑖𝑠𝑖−𝑏𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑝𝑖𝑘𝑛𝑜𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 𝑘𝑜𝑠𝑜𝑛𝑔 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑝𝑖𝑘𝑛𝑜𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 22,0883−11,0892 10 𝑔𝑟

𝑙𝑏𝑚

= 1,09991 𝑚𝑙 = 68,6 𝑐𝑢𝑓𝑡 3. Massa air yang masuk HE 𝑐𝑢𝑓𝑡

𝑙𝑏𝑚

𝑙𝑏𝑚

Air dingin : m = Q . ρ = 0,0115 𝑗𝑎𝑚 𝑥 68,6 𝑐𝑢𝑓𝑡 𝑥 3600 = 2848,585 𝑗𝑎𝑚 𝑐𝑢𝑓𝑡

𝑙𝑏𝑚

Air panas : m = Q . ρ = 0,0167 𝑗𝑎𝑚 𝑥 68,6 𝑐𝑢𝑓𝑡 𝑥 3600 = 4127,54

𝑙𝑏𝑚 𝑗𝑎𝑚

4. Laju perpindahan kalor (Q) Air dingin: Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

29

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OTK II “HEAT EXCHANGER”

Q

= m.Cp.(t2-t1) 𝑙𝑏𝑚

Btu

= 2848,585𝑗𝑎𝑚 𝑥 0,95 𝑥 (107,6 − 80,6)ᵒF =61529,432 jam Air panas: Q

= m.Cp.(T1-T2) 𝑙𝑏𝑚

Btu

= 4127,547 𝑗𝑎𝑚 𝑥 1 𝑥 (149 − 132,8)ᵒF =66866.263 jam 5. ∆T LMTD =

T1 - t 2  T2 - t 1  149 - 107,6 (132,8  80,6)  44,04 = ᵒF ln T1 - t 2  /T2 - t 1  ln (149 - 107,6) /(132,8  80,6)

6. Diameter inner pipe 𝐷𝑜−𝐷𝑖

D = ln 𝐷𝑜/𝐷𝑖 =

0,198− 0,115 ln(0,198/0,115)

= 0,153 𝑓𝑡

7. Luas permukaan perpindahan kalor A = 𝜋 𝑥 𝐷 𝑥 𝐿 = 3,14 𝑥 0,153 𝑥 10 = 4,804 𝑓𝑡 2 8. Faktor koreksi (FT) untuk ∆T LMTD 𝑇1−𝑇2

=

R

=

S

= 𝑇1−𝑡1 =

FT

= 0,99

𝑡2−𝑡1 𝑡2−𝑡1

149−132,8 107,6−80,6 107,6−80,6 149−80,6

= 0.6 = 0,395

9. Selisih suhu ∆𝑡 = ∆𝑇𝐿𝑀𝑇𝐷 𝑥 𝐹𝑇 = 46,13 ℉ 10. Koefisien perpindahan panas pipa kotor Btu

41981,67 jam 𝑄 𝑈𝐷 = = = 209,41 𝐵𝑡𝑢 𝑓𝑡 2 ℉/𝑗𝑎𝑚 2 𝐴 𝑥 ∆𝑡 4,804 𝑓𝑡 𝑥 46,13 ℉

Hasil perhitungan UD sudah memenuhi syarat UD standar pada literatur buku “Process Heat Transfer” Tabel 8 oleh Kern yaitu antara 250 sampai 500.

Praktikum Operasi Teknik Kimia II UPN “VETERAN” JAWA TIMUR

30