Operasi teknik kimia heat exchanger
-
Upload
fero-guna-wiyono -
Category
Engineering
-
view
293 -
download
43
Transcript of Operasi teknik kimia heat exchanger
Laporan Praktikum OTK Percobaan “Heat Exchanger”
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Dalam praktikum OTK yang berjudul “Heat Exchanger” ini diharapkan dapat
mengetahui factor – factor apa saja yang mempengaruhi perpindahan panas yaitu Luas
penmapang (A), Debit fluida dan suhu fluida masuk (panas / dingin) dan keluar.
Selain itu juga kita dapat mengetahui mekanisme perpindahan pans sehingga
dapat kita terapkan penggunaannya pada alat – alat industri proses untuk berbagai
keperluan.
1.2. Tujuan Praktikum
Memperkirakan harga keseluruhan dari proses perppindahan secara konveksi
air panas dan air dingin.
1.3. Manfaat Praktikum
1. Mahasiswa dapat mengetahui cara kerja single pass double pipe.
2. Mahasiswa dapat menghitung harga koefisien perpindahan panas secara keseluruhan.
Teknik Kimia UPN “Veteran” Jawa Timur1
Laporan Praktikum OTK Percobaan “Heat Exchanger”
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Secara Umum
Apabila dua benda yang berbeda temperatur dikontakkan, maka panas akan
mengalir dari benda bertemperatur tinggi ke benda yang bertemperatur lebih rendah.
Mekanisme perpindahan panas yang terjadi dapat berupa konduksi, konveksi, atau
radiasi. Dalam aplikasinya, ketiga mekanisme ini dapat saja berlangsung secara
simultan.
Konduksi ( keadaan steady )
Suatu material bahan yang mempunyai gradient, maka kalor akan mengalir
tanpa disertai oleh suatu gerakan zat. Aliran kalor seperti ini disebut Konduksi
atau hantaran. Konduksi thermal pada logam - logam padat terjadi akibat
gerakan elektron yang terikat dan konduksi thermal mempunyai hubungan
dengan konduktivitas listrik. Pemanasan pada logam berarti pengaktifan gerakan
molekul, sedangkan pendinginan berarti pengurangan gerakan molekul
[McCabe, 1993]
Gambar 2.1 Pergerakan molekul yang sama dengan suhu beda
Contoh perpindahan kalor secara konduksi antara lain: perpindahan kalor
pada logam cerek pemasak air atau batang logam pada dinding tungku. Laju
Teknik Kimia UPN “Veteran” Jawa Timur2
Laporan Praktikum OTK Percobaan “Heat Exchanger”
perpindahan kalor secara konduksi sebanding dengan gradien suhu
[McCabe,1993]
Dan dengan konstanta kesetimbangan ( konduksi ) maka menjadi
persamaan Fourier.
dimana; q = laju perpindahan kalor
Gradient suhu kearah perpindahan kalor
k = konduktuvitas termal
A = luas permukaan bidang hantaran
Tanda ( - ) digunakan untuk memenuhi hukum II Thermodinamika yaitu “
Kalor mengalir ke tempat yang lebih rendah dalam skala temperatur“
[Holman,1986].
Konveksi
Arus fluida yang melintas pada suatu permukaan, maka akan ikut terbawa
sejumlah enthalphi. Aliran enthalphi ini disebut aliran konveksi kalor atau
Konveksi. Konveksi merupakan suatu fenomena makroskopik dan hanya
berlangsung bila ada gaya yang bekerja pada partikel atau ada arus fluida yang
dapat membuat gerakan melawan gaya gesek [McCabe,1993] . Contoh sederhana
pepindahan panas secara konveksi adalah aliran air yang dipanaskan dalam
belanga.Kalor yang dipindahkan secara konveksi dinyatakan dengan persamaan
Newton tentang pendinginan [Holman , 1986 ].
dimana : q = Kalor yang dipindahkan
h = Koefisien perpindahan kalor secara konveksi
A = Luas bidang permukaan perpindahan panas
T = T emperatur
Tanda minus (-) digunakan untuk memenuhi hukum II thermodinamika,
sedangkan panas yang dipindahkan selalu mempunyai tanda positif (+).
Berdasarkan gaya penyebab terjadinya arus aliran fluida, konveksi dapat
diklasifikasikan.
Teknik Kimia UPN “Veteran” Jawa Timur3
Laporan Praktikum OTK Percobaan “Heat Exchanger”
Radiasi ( pancaran )
Pada radiasi panas, panas diubah menjadi gelombang elektromagnetik yang
merambat tanpa melalui ruang media penghantar. Jika gelombang tersebut mengenai
suatu benda, maka gelombang dapat mengalami transisi (diteruskan), refleksi
( dipantulkan ), dan absorpsi ( diserap ) dan menjadi kalor. Hal itu tergantung pada
jenis benda, sebagai contoh memantulkan sebagian besar radiasi yang jatuh padanya,
sedangkan permukaan yang berwarna hitam dan tidak mengkilap akan menyerap
radiasi yang diterima dan diubah menjadi kalor.
Contoh radiasi panas antara lain pemanasan bumi oleh matahari. Menurut hukum
Stefan Boltzmann tentang radiasi panas dan berlaku hanya untuk benda hitam, bahwa
kalor yang dipancarkan ( dari benda hitam ) dengan laju yang sebanding dengan
pangkat empat temperatur absolut benda itu dan berbanding langsung dengan luas
permukaan benda [ Artono Koestoer,2002 ].
Pertukaran panas dengan aliran searah ( co - current / paralel flow )
Pertukaran panas jenis ini, kedua fluida (dingin dan panas) masuk pada sisi penukar
panas yang sama, mengalir dengan arah yang sama, dan keluar pada sisi yang sama pula.
Karakter penukar panas jenis ini, temperatur fluida dingin yang keluar dari alat penukar panas
( Tcb ) tidak dapat melebihi temperatur fluida panas yang keluar dari alat penukar panas (T hb),
sehingga diperlukan media pendingin atau media pemanas yang banyak. Neraca panas yang
terjadi:
Teknik Kimia UPN “Veteran” Jawa Timur4
Laporan Praktikum OTK Percobaan “Heat Exchanger”
gambar 2.2 Profil temperatur pada aliran co - current [McCabe,1993]
Alat penukar panas
Alat penukar panas konvensional seperti penukar panas pipa rangkap (Double pipe
heat exchanger) dan penukar panas cangkang buluh (shell and tube Heat exchanger)
selama beberapa decade mendominasi fungsi sebagai penukar panas di industri.
Perkembangan kemudian, karena tuntutan effisiensi energi, biaya, serta tuntutan terhadap
beban perpindahan panas yang lebih tinggi dengan ukuran penukar panas yang kompak
menjadi penting. Menanggapi hal itu, maka dibuat suatu penukar panas kompak. Salah
satu jenis penukar panas kompak tersebuat adalah penukar panas Plate and frame Heat
Exchanger.
Penukar panas pipa rangkap ( double pipe heat exchanger )
Alat penukar panas pipa rangkap terdiri dari dua pipa logam standart yang dikedua
ujungnya dilas menjadi satu atau dihubungkan dengan kotak penyekat. Fluida yang satu
mengalir di dalam pipa, sedangkan fluida kedua mengalir di dalam ruang anulus antara
pipa luar dengan pipa dalam. Alat penukar panas jenis ini dapat digunakan pada laju alir
fluida yang kecil dan tekanan operasi yang tinggi. Sedangkan untuk kapasitas yang lebih
besar digunakan penukar panas jenis selongsong dan buluh ( shell and tube heat
exchanger ).
ganbar 2.3 Penukar panas jenis pipa rangkap
Penukar panas cangkang dan buluh ( shell and tube heat exchanger )
Teknik Kimia UPN “Veteran” Jawa Timur5
Laporan Praktikum OTK Percobaan “Heat Exchanger”
Alat penukar panas cangkang dan buluh terdiri atas suatu bundel pipa yang
dihubungkan secara parallel dan ditempatkan dalam sebuah pipa mantel (cangkang ).
Fluida yang satu mengalir di dalam bundel pipa, sedangkan fluida yang lain mengalir di
luar pipa pada arah yang sama, berlawanan, atau bersilangan. Kedua ujung pipa tersebut
dilas pada penunjang pipa yang menempel pada mantel. Untuk meningkatkan effisiensi
pertukaran panas, biasanya pada alat penukar panas cangkang dan buluh dipasang sekat
(buffle). Ini bertujuan untuk membuat turbulensi aliran fluida dan menambah waktu
tinggal (residence time), namun pemasangan sekat akan memperbesar pressure drop
operasi dan menambah beban kerja pompa, sehingga laju alir fluida yang dipertukarkan
panasnya harus diatur.
gambar 2.4 Penukar panas jenis cangkang dan buluh
Penukar Panas Plate and Frame ( plate and frame heat exchanger )
Alat penukar panas pelat dan bingkai terdiri dari paket pelat – pelat tegak lurus,
bergelombang, atau profil lain. Pemisah antara pelat tegak lurus dipasang penyekat lunak
( biasanya terbuat dari karet ). Pelat – pelat dan sekat disatukan oleh suatu perangkat
penekan yang pada setiap sudut pelat ( kebanyakan segi empat ) terdapat lubang pengalir
fluida. Melalui dua dari lubang ini, fluida dialirkan masuk dan keluar pada sisi yang lain,
sedangkan fluida yang lain mengalir melalui lubang dan ruang pada sisi sebelahnya
karena ada sekat.
Teknik Kimia UPN “Veteran” Jawa Timur6
Laporan Praktikum OTK Percobaan “Heat Exchanger”
gambar 2.5 Penukar panas jenis pelat and Frame
BAB III
PELAKSANAAN PRAKTIKUM
3.1. Bahan-bahan Yang Digunakan
Air
3.2. Alat-alat Yang Digunakan
a. 1 set alat HE
b. Gelas ukur
c. Beaker glass
d. Thermometer
e. Stop watch
3.3. Gambar Susunan Alat
Teknik Kimia UPN “Veteran” Jawa Timur7
a
Laporan Praktikum OTK Percobaan “Heat Exchanger”
3.4 Peubah
- putaran kran aliran air ¼, ½, ¾, 1, 1¼
3.5 Prosedur Percobaan
a. Panaskan air dalam tangki penampung air panas sehingga temperatur tertentu
b. Isi pipa air dan hilangkan gelembung-gelembung udara dari pipa manometer, alirkan
air melalui bagian dalam pipa pada laju alir yang diinginkan
c. Alirkan air panas kedalam bagian shell pada tekanan tertentu
d. Setelah aliran dan temperatur konstan (tercapai kedaan steady), lakukan pengamatan
selama 20 menit untuk data-data berikut selama selang waktu 2 menit:
Waktu
Pembacaan manometer
Temperatur air pendingin / air panas masuk dan keluar
Tekanan air panas
e. Ulangi percobaan dengan variasi laju alir dan temperatur umpan air panas
Teknik Kimia UPN “Veteran” Jawa Timur8
b c dee
Laporan Praktikum OTK Percobaan “Heat Exchanger”
BAB IV
HASIL PEMBAHASAN
4.1. Hasil Pengamatan
Tabel Hasil Pengamatan untuk T = 60°C
T1(°C) T2(°C) t1(°C) t2(°C) V1 (ml) V2 (ml) V3 (ml) Vrata2(ml)
Bukaan ¼
56 52 30 31 1810 1720 1720 1750 350Bukaan ½
55 50 31 34 1440 1380 1370 1396.6 279.3Bukaan ¾
53 50 33 35 1010 1000 960 990 198Bukaan 1
52 49 32 34 590 650 620 620 124Bukaan 1¼
52 49 29 34 400 400 510 436.6 87.3
4.2. Hasil Perhitungan
Untuk T = 60oC (dalam SI)
Bukaan m (gr/menit) Δt (°C) Q(cal/jam) ΔtLMTD (°C) UD (cal/jam.m2 °C)
¼ 105000 1 105000 23.347 10773.04463
½ 83796 3 251388 19.983 30250.67253
¾ 59400 2 118800 17.495 16328.77759
1 37200 2 74400 17.495 10226.10314
1¼ 26196 5 130980 18.982 16592.59057
Teknik Kimia UPN “Veteran” Jawa Timur9
Laporan Praktikum OTK Percobaan “Heat Exchanger”
Untuk T = 60oC (dalam British)
Bukaan m (Lbm/jam) Δt (°F) Q(Btu/jam) ΔtLMTD (°F) UD (Btu/jam.ft2 °F)
¼ 13897.35477 -1.8 -25015.23859 42.242 -132.4214632
½ 11090.88324 -5.4 -59890.7695 35.977 -372.2486677
¾ 7861.932127 -3.6 -28302.95566 31.491 -200.9756973
1 4923.634261 -3.6 -17725.08334 31.491 -125.863568
1¼ 3467.191482 -9 -31204.72333 34.168 -204.2203345
4.3 Grafik Perhitungan Data
Teknik Kimia UPN “Veteran” Jawa Timur10
Grafik 1 q vs ∆t LMTD Si
q ∆t LMTD
350 23.437
279.3 19.983
198 17.495
124 17.495
87.3 18.982
Laporan Praktikum OTK Percobaan “Heat Exchanger”
Grafik 2
q vs ∆t LMTD
British
q ∆t LMTD
222.6148 42.242
177.6594 35.977
125.9364 31.491
78.8692 31.491
55.5392 34.168
Grafik 3 q vs Ud Si
q Ud
350 10773.04463
279.3 30250.67253
198 16328.77759
124 10226.10314
87.3 16592.59057
Grafik 4 q vs Ud British
q Ud
222.6148 -132.42146
Teknik Kimia UPN “Veteran” Jawa Timur11
Laporan Praktikum OTK Percobaan “Heat Exchanger”
177.6594 -372.24866
125.9364 -200.97569
78.8692 -125.86356
55.5392 -204.22033
4.4 Pembahasan
Setelah melakukan percobaan dan dilihat pada data yang di olah menjadi grafik,
ternyata didapatkan nila Ud terbesar yaitu 30250.67253 untuk satuan internasional dan nilai
Ud terbesar adalah -125.86356 untuk satuan british, sedangkan berdasarkan literatur (Kern),
harga Ud untuk hot fluid dan cold fluid berupa air adalah berkisar antara 200-500 untuk heat
exchanger, maka hasilnya tidak sama dengan literatur. Hal ini mungkin disebabkan karena
peralatan heat exchanger yang digunakan sudah terlalu lama sehingga terdapat banyak kerak
di dalam pipa, dikarenakan air yang sudah bercampur dengan kotoran dan bahan lain yang
menyebabkan nilai Ud kurang dari 250. Selain itu mungkin juga dikarenakan kurang
ketilitian praktikan di dalam mengamati suhu yang masuk dan suhu yang keluar pada
percobaan heat exchanger ini.
Pembahasan secara vertikal dari pengamatan terdapat kesalahan yang dimana
seharusnya dengan suhu T1 sama maka T2 semakin menurun dikarenakan pengaruh dari air
pendingin.
Teknik Kimia UPN “Veteran” Jawa Timur12
Laporan Praktikum OTK Percobaan “Heat Exchanger”
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
Teknik Kimia UPN “Veteran” Jawa Timur13
Laporan Praktikum OTK Percobaan “Heat Exchanger”
5.1. Kesimpulan.
1. Dengan percobaan ini kita dapat mengetahui jumlah panas yang dialirkan dengan
suhu awal dan akhir dari steam dan padat juga menghitung waktu yang dibuhtukan
untuk mengalirkan panas .
2. Semakin kecil luas permukaan, maka makin besar laju alir air, sehingga semakin
besar pula koefisien perpindahan panas keseluruhan.
3. Faktor - faktor yang berpengaruh dalam perhitungan :
a. Suhu fluida yang masuk dan keluar.
b. Perbedaan suhu secara rata-rata logaritma.
c. Debit fluida untuk menghitung laju alir.
d. Panjang dan diameter pipa, untuk menghitung luas penampang aliran fluida
dalam pipa.
5.2. Saran
a. Sebaiknya tempat untuk mendidihkan air sebagai fluida panas diganti yang baru
agar perpindahan panas dapat lebih sempurna.
b. Kran pada alat H E harus diperhatikan dari kerusakan dan kebocoran .
Teknik Kimia UPN “Veteran” Jawa Timur14