Laporan Praktikum Heat Exchanger

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II “HEAT EXCHANGER”

Disusun Oleh: Nama/ NPM

:

1. Beta Cahaya Pertiwi

/1631010086

2. Ludira Lindra

/1631010104

3. Farhan Muhammad

/1531010048

Paralel/ Grup

: C/ I

Tanggal Percobaan

: 27 September 2018

LABORATORIUM RISET DAN OPERASI TEKNIK KIMIA PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL “VETERAN” JAWA TIMUR SURABAYA 2018

HEAT EXCHANGER

LEMBAR PENGESAHAN

LAPORAN TUGAS PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II

“HEAT EXCHANGER“

GRUP C : 1.

FARHAN MUHAMMAD

( 1531010048 )

2.

BETA PERTIWI

( 1631010086 )

3.

LUDIRA LINDRA

( 1631010120 )

Telah diperiksa dan disetujui oleh: Kepala Laboratorium Operasi Teknik Kimia II

Ir. Caecilia Pujiastuti, MT NIP. 19630305 198803 2 001

Dosen Pembimbing

Ir. Ketut Sumada, MS NIP. 19620118 198803 1 001

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II i

HEAT EXCHANGER

KATA PENGANTAR Puji syukur kami panjatkan kepada Tuhan yang Maha Esa, atas berkat dan rahmat-Nya, sehingga kami dapat menyelesaikan Laporan Resmi Operasi Teknik Kimia II ini dengan judul “Heat Exchanger”. Laporan Resmi ini merupakan salah satu tugas mata kuliah praktikum Operasi Teknik Kimia II yang diberikan pada semester V. Laporan ini disusun berdasarkan pengamatan hingga perhitungan dan dilengkapi dengan teori dari literatur serta petunjuk asisten pembimbing yang dilaksanakan pada tanggal 27 September 2018 di Laboratorium Operasi Teknik Kimia. Laporan hasil praktikum ini tidak dapat tersusun sedemikian rupa tanpa bantuan baik sarana, prasarana, pemikiran, kritik dan saran. Oleh karena itu, tidak lupa penulis ucapkan terima kasih kepada: 1. Ir. Caecilia Pujiastuti, MT selaku Kepala Laboratorium Operasi Teknik Kimia. 2. Ir. Ketut Sumada, MS selaku dosen pembimbing. 3. Kakak Indah yang telah menjadi kakak pembimbing yang setia mendengarkan kesedihan penulis. 4. Rekan – rekan mahasiswa yang membantu dalam memberikan masukanmasukan dalam praktikum. Tidak ada gading yang tak retak, tidak ada sesuatu yang sempurna, kecuali yang Maha Sempurna. Oleh karena itu, penulis sangat menyadari dalam penyusunan laporan ini masih banyak kekurangan. Maka dengan rendah hati, penulis selalu mengharapkan kritik dan saran, guna kesempurnaan laporan ini. Penulis berharap penyusun mengharapkan semua laporan praktikum yang telah disusun ini dapat bermanfaat bagi kita semua khususnya bagi mahasiswa Fakultas Teknik khususnya jurusan Teknik Kimia. Surabaya, 29 September 2018

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II ii

HEAT EXCHANGER

Penyusun

DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN......................................................................I KATA PENGANTAR..............................................................................II DAFTAR ISI ............................................................................................III INTISARI .................................................................................................V BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang .......................................................................................... 1 I.2 Tujuan ....................................................................................................... 2 I.3 Manfaat ...................................................................................................... 2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1 Secara Umum ................................................................................ 3 II.2 Sifat Bahan .................................................................................. 12 II.3 Hipotesa ...................................................................................... 13 II.4 Diagram Alir ................................................................................ 14 BAB III PELAKSANAAN PRAKTIKUM III.1 Bahan yang Digunakan ................................................................. 15 III.2 Alat yang Digunakan .................................................................. 15 III.3 Gambar Alat ............................................................................... 15 III.4 Rangkaian Alat ........................................................................... 16 III.5 Prosedur Percobaan .................................................................... 17

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II iii

HEAT EXCHANGER

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN IV.1 Tabel Pengamatan ..................................................................... 17 IV.2 Tabel Hasil Perhitungan ............................................................. 19 IV.3 Grafik ......................................................................................... 20 IV.4 Pembahasan ............................................................................... 22

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN V.1 Kesimpulan .................................................................................. 24 V.2 Saran ............................................................................................. 24 DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... APPENDIX .....................................................................................................

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II iv

HEAT EXCHANGER

INTISARI

Percobaan heat exchanger ini bertujuan untuk menentukan nilai koefisien perpindahan panas dari hasil percobaan dengan menggunakan alat penukar panas yang tersedia yaitu single pass double pipe exchanger. Percobaan dimulai dengan memanaskan air dalam tangki hingga bersuhu 700C terlebih dahulu. Kemudian pompa air yang telah panas dan buka gate valve air panas dan air dingin secara bersamaan dengan variabel tertentu tampung volume air yang keluar dari pipa pemanas. Tampung volume keluar dan amati tekanan serta suhu air dingin dan panas yang masuk beserta yang keluar. Mengukur volume air yang keluar dari tangki dengan menggunakan gelas ukur, dan mengukur suhu air masuk dan keluar. Kemudian mengulangi percobaan dengan menggunakan bukaan gate valve yang mana dapat memvariasi besaran laju alir. Dari percobaan yang telah dilakukan, data-data yang diperolah tidak sesuai dengan teori yang ada. Hal ini disebabkan oleh terjadinya kebocoran pada pipa air dingin sehingga panas yang berpindah memiliki nilai yang fluktuatif. Nilai koefisien panas yang berpindah semakin besar, berbanding lurus dengan besar bukaan kran atau laju alir air panas. UD pada tiap bukaan sebesar 50.481; 80.435l 55.1; 88.637; 62.922; 63.756; 71.45; 149.827; dan 159.369. Rata-rata UD sebesar 86.886. Sehingga dapat disimpulkan, semakin besar bukaan kran, akan semakin besar pula laju alir air panas, dan semakin besar UD semakin besar pula panas yang bertukar antara air dingin dan air panas.

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II v

HEAT EXCHANGER

BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang 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 Pada percobaan ini, hal pertama yang harus dipersiapkan ialah memanaskan air dalam tangki penampung air panas dengan temperature tertentu dan mengisi pipa air dan menghilangkan gelembung-gelembung udara dari pipa manometer, mengalirkan air melalui bagian dalam pipa pada laju alir yang diinginkan. Mengalirkan air panas kedalam bagian shell pada tekanan tertentu dan setelah itu mengamati aliran dan temperature konstan (tercapai keadaan steady), lakukan pengamatan dengan variable putaran kran air pendingin dan putaran air panas untuk data volume air masuk dan keluar, pembacaan manometer, temperature, dan tekanan air panas. Ulangi percobaan dengan variasi laju alir , dan hitung koefisien perpindahan panas nya. Tujuan percobaan kali ini adalah untuk megenal peralatan Heat Exchanger dalam skala laboratorium, untuk mengetahui salah satu jenis dari Heat Exchanger dan untuk menghitung koefisien perpindahan panas nya. 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.

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 1

HEAT EXCHANGER

I.2 TUJUAN PERCOBAAN 1. Untuk mengenal perangkat perangkat dalam satu alat Heat Exchanger dalam skala laboratorium 2. Praktikan mengetahui pengaplikasian alat heat exchanger khususnya dalam bidang industri. 3. Untuk menghitung harga koefisien perpindahan panas keseluruhan pada proses pendinginan air I.4 MANFAAT 1. Agar praktikan dapat mengamati mekanisme perpindahan panas secara konveksi. 2. Mahasiswa dapat mengaplikasikan proses perpindahan panas 3. Mahasiswa dapat mengetahui faktor

yang mempengaruhi dalam

perpindahan panas

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 2

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. Dalam hal ini heat exchanger digunakan sebagai pemanas pendahuluan sebelum crude oil masuk dalam furnace dengan menggunakan residu sebagai media pemanasnya. Heat exchanger yang digunakan adalah tipe shell and tube, dimana shell dilalui oleh fluida panas (residu) sedangkan tube di lalui oleh fluida dingin (crude oil). Heat exchanger ini juga bisa berfungsi untuk menurunkan temperature dari solar sebelum masuk ke cooler. 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 (Rd) melebihi harga yang diizinkan. II.1.1. Proses Perpindahan Panas Perpindahan panas adalah proses pertukaran panas yang terjadi antara benda panas dan benda dingin yang masing-masing disebut source and receiver (sumber dan penerima).

Gambar 1. Perpindahan Panas

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 3

HEAT EXCHANGER

Ada 3 macam cara perpindahan panas, dan ilustrasinya digambarkan pada Gambar 1, diantaranya yaitu : A. Perpindahan panas secara konduksi Mekanisme perpindahan panas yang terjadi pada Gambar 1, dengan suatu aliran atau rambatan proses dari suatu benda yang bertemperature lebih tingginke benda yang bertemperature lebih rendah atau dari suatu benda ke benda lain dengan kontak langsung. B. Perpindahan panas secara konveksi Mekanisme perpindahan panas yang terjadi pada Gambar 1, dari satu benda ke benda yang lain dengan perantaraan benda itu sendiri. Perpindahan panas konveksi ada 2 macam Konveksi alami adalah perpindahan molekul dalam zat yang dipanaskan karena perbedaan densitas. Konveksi paksa yaitu perpindahan panas konveksi yang berlangsung dengan bantuan tenaga lain. C. Perpindahan panas secara radiasi Mekanisme perpindahan panas yang terjadi pada Gambar 1 , 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)

II.1.2 Heat Exchanger Penukar kalor merupakan peralatan yang sangat penting dan banyak digunakan dalam industri pengolahan, sedemikian rupa sehingga rancangannya pun sudah sangat berkembang. Standar-standar yang telah di susun dan diterima oleh Standards of the Turbulen Exchangers Manufactures Association (TEMA). Sudah ada dan meliputi perancangan dan dimensi dari penukar kalor. (McCabe,1994)

II.1.3 Klasifikasi Penukar Kalor Klasifikasi penukar kalor berdasarkan susunan aliran fluida yang dimaksud dengan susunan aliran fluida disini adalah berapa kali fluida mengalir sepanjang

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 4

HEAT EXCHANGER

penukar kalor sejak saat masuk hingga meninggalkannya serta bagaimana arah aliran relatif antara kedua fluida (apakah sejajar atau paralel, berlawanan arah atau counter, serta bersilangan atau cross). a) Pertukaran Panas 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.

Gambar 2. Grafik Co-current b) Pertukaran Panas 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.

Gambar 3. Grafik Counter-current

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 5

HEAT EXCHANGER

c)

Pertukaran Panas dengan Aliran Silang ( Cross Flow ) Yaitu artinya arah aliran kedua fluida saling bersilangan.

Gambar 4. Grafik Cross-flow (o, 2015) 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.

Gambar 4. Alat Penukar Kalor Pipa Rangkap (Foust, 1960) II.1.4 Aplikasi Heat Exchanger pada Industri Penukar Panas, merupakan peralatan yang banyak dipergunakan di berbagai bidang industri, seperti perminyakan, petrokimia, energi dan lain

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 6

HEAT EXCHANGER

sebagainya. Fungsi alat penukar panas, sebagaimana namanya, adalah untuk memindahkan panas dari satu fluida ke fluida yang lainnya dengan tujuan untuk merubah temperatur baik itu menurunkan suhu ataupun menaikan suhu. Salah satu tolak ukur yang menentukan pemilihan suatu jenis penukar panas adalah kemampuannya untuk memindahkan panasyang bai, yang pada umumnya disebut efektivitas

dan

elisiensi

energi

supaya

tidak

banyak

membuang

dan

menghamburkan waktu. Untuk satu ukuran penukar panas yang digunakan, maka efektivitas dan efisiensi energi yang tinggi akan menunjukkan semakin banyaknya fluks panas dan waktu yang digunakan akan lebih efisiens dan panas yang dapat dipindahkan per satuan massa fluida akan bagus. Sehingga upaya untuk mengembangkan suatu rancangan penukar panas yang memberikan efektivitas perpindahan panas tinggi senantiasa menjadi lebih baik dan menjadi sebuah topik litbang di berbagai lembaga riset, universitas ataupun industri dunia Heat Exchanger biasa digunakan pada dunia industry seperti mislnya digunakan untuk : 1. Pemanas ruangan 2. mesin pendingin 3. pembangkit tenaga listrik 4. pabrik kimia 5. pabrik petrokimia 6. kilang minyak bumi 7. pengolahan limbah Contohnya : l. Telah dilakukan desain sebuah penukar kalor jenis pipa ganda (double pipe heat exchanger) untuk memanaskan air. Alat ini didesain untuk dipergunakan sebagai alat uji laboratorium fenomena dasar mesin. 2. Mesin internal dimana air sebagai pendingin yang mengalir dalam sebuah pipa, sehingga air mendinginkan mesin, dan memanaskan udara yang masuk.

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 7

HEAT EXCHANGER

II.1.5 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)

B. Beda Temperatur Rata-rata Logaritma (LMTD) Untuk menghitung suhu rata – rata dari suatu fluida yang mengalir dalam HE , pola aliran dapat dilihat pada gambar 2 dan gambar 3, yang kemudian dapat dihitung dengan rumus:

(2) Dengan : ∆th

= selisih suhu fluida panas (oF)

∆tc

= selisih suhu fluida dingin (oF)

C. 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) :

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 8

HEAT EXCHANGER

Δt = Δt LMTD x FT

(3) (Wibawa, 2014)

Nilai faktor koreksi (FT) untuk jenis 1-2-exchanger digambarkan dalam Grafik 18 dengan S dan R sebagai parameternya. (4)

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

(5)

Keterangan: A = Luas penampang perpindahan panas (ft2) D = Diameter inner pipe (ft) L = Panjang pipa heat exchanger (ft)

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 9

HEAT EXCHANGER

E. Koefisien Perpindahan Panas pada Pipa Kotor (UD) (6) 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)

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 6. Tabel UD Standar oleh Kern

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 10

HEAT EXCHANGER

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) 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

(7)

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.1.6 Faktor yang mempengaruhi panas berpindah secara konveksi Faktor-faktor yang Mempengaruhi Laju Perpindahan Kalor Secara Konveksi 1. Koefisien Konveksi Q, nilainya bergantung pada bentuk dan kedudukan permukaan 2. Luas permukaan A, makin besar luas permukaan makin cepat perpindahan kalor 3. Beda Suhu, makin besar beda suhu makin cepat perpindahan kalor (Tiwi, 2013)

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 11

HEAT EXCHANGER

II.2 SIFAT BAHAN 1. Air a. Sifat fisika 

Cairan



Tidak berbau



Tidak berwarna

b. Sifat kimia 

Rumus molekul H2O



Massa molar 18,0153 g/mol



Densitas 0,998 g/cm3



Titik lebur 0OC



Titik didih 100oC (Anonim, 2013 .“MSDS water)

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 12

HEAT EXCHANGER

II.3 Hipotesa Pada praktikum heat exchanger ini menggunakan jenis single pass double pipe. Dengan pada percobaan ini suhu yang berbeda secara signifikan akan menghasilkan hasil yang maksimal. Semakin besar variasi laju alir maka semakin besar pula koefisien perpindahan panas yang didapatkan.

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 13

HEAT EXCHANGER

II.4 Diagram Alir Panaskan air dalam tangki penampung air panas hingga suhu 70 0C

Nyalakan pompa air panas dan air dingin

Buka kran air panas dan air dingin secara bersamaan dengan variabel yang sudah ditentukan

Tampung volume yang keluar dan amati tekanan serta suhu air dingin dan air panas yang masuk dan keluar.

Hitung koefisien perpindahan panas keseluruhan dari data setiap putaran kran.

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 14

HEAT EXCHANGER

BAB III PELAKSANAAN PERCOBAAN

III.1 Bahan yang Digunakan 1. Air

III.2 Alat yang Digunakan 1. Thermometer 2. Stopwatch 3. Gelas Ukur 4. Serangkaian alat Heat Exchanger

III.3 Gambar Alat

Stopwatch

Thermometer

Gelas Ukur

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 15

HEAT EXCHANGER

III.4 Rangkaian Alat

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 kedalam bagian shell pada tekanan tertentu.

4.

Setelah aliran dan temperature konstan ( tercapai keadaan steady), lakukan pengamatan dengan variabel putaran kran air pendingin dan putaran air panas untuk data – data berikut selama waktu 5 detik :

a. Volume air dingin yang keluar b. Pembacaan manometer. c. Temperature air pendingin atau air panas masuk dan keluar. d. Tekanan air panas. 5.

Ulangi percobaan dengan variasi laju alir dan temperature umpan air panas.Hitung koefisien perpindahan panas keseluruhan dari data setiap run.

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 16

HEAT EXCHANGER

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 17

HEAT EXCHANGER

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 18

HEAT EXCHANGER

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 19

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN IV. 1. Tabel Hasil Pengamatan Tabel 4.1 Hasil Pengamatan Suhu dan Tekanan Bukaan

Manometer (cmHg)

Panas

Dingin

P1

P2

P3

1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 3 3.25 3.5

1 1.25 0.75 1.25 0.75 0.75 0.5 1.5 1

3.5 3.4 3.5 3.2 3.4 3.5 3.5 3.4 3.2

3.4 3.3 3.2 3.4 3.2 3.4 3.5 3.4 3.5

3.5 3.5 3.3 3.2 3.3 3.3 3.5 3.5 3.5

Manometer Rata-rata (cmHg) 3.4667 3.4000 3.3333 3.2667 3.3000 3.4000 3.5000 3.4333 3.4000

Suhu Panas (oC)

Suhu air pendingin (ᵒC)

T1

T2

t1

t2

56 55.5 55 54.5 54 54 53 53 53

55 54 54 53 53 53 52 51 51

37 37 37 37 37 37 37 37 37

39.3 39.5 39.5 40 40 40 41 41 42

Tabel 4.2. Hasil Pengamatan Laju Alir Fluida

Bukaan Kran Panas 1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 3 3.25 3.5

Dingin 1 1.25 0.75 1.25 0.75 0.75 0.5 1.5 1

Waktu (s) 5 5 5 5 5 5 5 5 5

Laju Manometer volumepanas Alir air Rata-rata (mL) panas (cmHg) (cm3/s) 3.46666667 3.4 3.33333333 3.26666667 3.3 3.4 3.5 3.43333333 3.4

2570 2596.666667 2626.666667 2643.333333 2766.666667 2803.333333 2820 2853.333333 2910

514 519.333 525.333 528.667 553.333 560.667 564 570.667 582

Volume air dingin (ml) V1 1120 1430 1100 1320 920 940 705 1520 1140

V2 1113 1120 1100 1620 934 942 710 1331 1240

V3 1118 1300 950 1026 912 920 700 1430 1110

Volume Air Dingin Rata-rata (ml)

Laju Alir air dingin (cm3/s)

1117 223.4 1283.333333 256.6666667 1050 210 1322 264.4 922 184.4 934 186.8 705 141 1427 285.4 1163.333333 232.6666667

IV. 2 Tabel Perhitungan Tabel 4.3. Perhitungan Koefisien Perpindahan Panas Bukaan Kran

Suhu Air Panas (ᵒF)

Suhu Air Pendingin (ᵒF)

Panas

Dingin

T1

T2

t1

t2

1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 3 3.25 3.5

1 1.25 0.75 1.25 0.75 0.75 0.5 1.5 1

132.8 131.9 131 130.1 129.2 129.2 127.4 127.4 127.4

131 129.2 129.2 127.4 127.4 127.4 125.6 123.8 123.8

98.6 98.6 98.6 98.6 98.6 98.6 98.6 98.6 98.6

102.74 103.1 103.1 104 104 104 105.8 105.8 107.6

m Air m Air ∆T Panas dingin LMTD (lbm/jam) (lbm/jam) (ᵒF) 4,079.439 1,773.047 31.215 4,121.734 2,473.059 29.691 4,169.354 1,666.697 29.229 4,195.841 2,098.449 27.428 4,391.611 1,463.518 26.960 4,449.813 1,482.566 26.960 4,476.269 1,119.066 24.200 4,529.180 2,265.119 23.354 4,619.129 1,846.593 22.392

Cp Air CpAir Panas Dingin (Btu/lbm.ᵒF) (Btu/lbm.ᵒF)

R

S

FT

∆T (ᵒF)

0.435 0.600 0.400 0.500 0.333 0.333 0.250 0.500 0.400

0.121 0.135 0.139 0.171 0.176 0.176 0.250 0.250 0.313

0.970 0.970 0.970 0.970 0.970 0.970 0.970 0.970 0.970

30.279 28.800 28.352 26.605 26.151 26.151 23.474 22.653 21.720

Debit Air Panas (cuft/s)

Debit Air Dingin (cuft/s)

0.1814934 0.1833766 0.1854952 0.1866722 0.195382 0.1979714 0.1991484 0.2015024 0.2055042

0.07888254 0.090629 0.074151 0.09335964 0.06511164 0.06595908 0.0497871 0.10077474 0.0821546

1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1

Q Air Dingin (Btu/jam) 7,340.414 11,128.766 7,500.134 11,331.626 7,902.995 8,005.854 8,057.272 16,308.856 16,619.340

Q Air Panas (Btu/jam) 7,342.990 11,128.681 7,504.837 11,328.770 7,904.900 8,009.664 8,057.284 16,305.046 16,628.864

A (ft) 4.804 4.804 4.804 4.804 4.804 4.804 4.804 4.804 4.804

Ud (Btu/jam. ft2.˚F) 50.481 80.435 55.100 88.637 62.922 63.756 71.450 149.827 159.369

HEAT EXCHANGER

IV.3. Grafik Debit air dingin vs ∆T LMTD 35.000

∆T LMTD (ᵒF)

30.000 25.000

20.000 15.000 10.000 5.000 0.000 0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

Debit air dingin (cuft/jam) Grafik 1. Q Air Pendingin Vs Log Mean Temperature Difference

Debit air dingin vs Ud 180.00

Ud (Btu/jam. ft2.˚F)

160.00 140.00 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

Debit air dingin (cuft/jam) Grafik 2. Q Air Pendingin Vs Koefisien Perpindahan Panas Pipa Kotor

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 20

HEAT EXCHANGER

Debit air panas vs ∆T LMTD 35.000

∆T LMTD (ᵒF)

30.000 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 0.000 0.18

0.185

0.19

0.195

0.2

0.205

0.21

Debit air panas (cuft/jam) Grafik 3. Debit Air Panas Vs Log Mean Temperature Difference

Debit air panas vs Ud 180.00

Ud (Btu/jam. ft2.˚F)

160.00 140.00 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0.18

0.185

0.19

0.195

0.2

0.205

0.21

Debit air panas (cuft/jam) Grafik 4. Debit Air Panas Vs Koefisien Perpindahan Panas Pipa Kotor

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 21

HEAT EXCHANGER

IV. 4. 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. Dalam percobaan ini digunakan alat single pass double-pipe heat exhanger dengan variabel laju alir air panas yang berbeda yaitu 514; 519.33; 525,333; 528,6667; 553,33; 560,667; 564; 570,667; dan 582 cm3/s. Pengamatan yang dilakukan yaitu besarnya debit aliran fluida, selisih tekanan yang ditunjukkan oleh manometer, dan suhu yang tertera pada thermometer. Pengamatan air dingin dilakukan tiga kali untuk masing-masing laju alir air panas dengan laju alir air dingin yang di rata-rata dari kesembilan laju alir air panas yaitu 223.4; 256.6667; 210.0000; 264.4000; 184.4000; 186.8000; 141.0000; 285.4000; 232.6667 cm3/s. 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 atau dinaikkan . Sehingga semakin banyak volume air yang keluar, maka debit air juga akan semakin besar. Saat kran dibuka, manometer akan menunjukkan perbedaan tekanan antara kedua aliran fluida. Dalam hipotesis dituliskan bahwa pada percobaan heat exchanger suhu yang berbeda secara signifikan akan menghasilkan hasil yang maksimal. Semakin besar variasi laju alir maka semakin besar pula koefisien perpindahan panas yang didapatkan, dimana laju alir dan koefisien perpindahan panas (Ud) akan berbanding lurus. Setelah dilakukan pengamatan dan perhitungan untuk menentukan nilai Ud hasil yang didapatkan tiap bukaan air panas yaitu, 50.481; 80.435; 55.1; 88.637; 62.922; 63.756; 71.450; 149.827; dan 159.367 (Btu/jam. ft2.˚F). Apabila teori dibandingkan dengan data percobaan, laju alir air panas dan air dingin tidak berbanding lurus dengan Ud yang ditunjukkan dengan laju air panas dan dingin meningkat bersamaan dengan besarnya bukaan kran sedangkan hasil Ud fluktuatif terhadap bukaan. Pada teori disebutkan bahwa fluida air panas dan air dingin berada pada 250 sampai dengan 590 (Kern, table 8). Berdasarkan hasil perhitungan pada percobaan, didapatkan nilai Ud yang dibawah standar, sehingga dapat disimpulkan bahwa alat yang digunakan overdesign, dan

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 22

HEAT EXCHANGER

panas yang dilepas maupun yang diterima terlalu kecil sehingga alat tersebut tidak efisien. Faktor yang menyebabkan Ud terlalu kecil salah satunya adalah nilai Delta T dan Delta t keduanya, dimana delta T pada tiap bukaan tidak konstan sehingga mempengaruhi perhitungan Ud. Terjadinya variasi pada delta T disebabkan oleh alat heat exchanger yang digunakan terjadi kebocoran. Hal tersebut juga dapat dilihat dari panas yang diserap maupun yang dilepas. Untuk itu alat heat exchanger ini seharusnya dilakukan perawatan maupun pembersihan agar tidak terjadi kesalahan pada perhitungan Ud dan temperature.

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 23

HEAT EXCHANGER

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN V.1.

Kesimpulan 1. Nilai koefisien perpindahan panas (UD) bergantung pada laju perpindahan panas (Q) 2. Koefisien perpindahan panas pada pipa kotor (UD) pada debit air panas 4.079 – 4.619 lbm/jam berkisar antara 50.481- 159.369 (Btu/jam. ft2.˚F) 3. Percobaan ini tidak memenuhi nilai UD karena nilai UD tertinggi dibawah range (250 – 500). Kecilnya nilai UD berarti alat tersebut overdesign, sehingga alat tersebut dapat digunakan untuk melakukan pertukaran panas yang lebih besar dari pada panas yang bertukar saat pengamatan. Untuk memperbesar panas, maka alat perlu dilakukan pembersihan dan perawatan agar panas yang bertukar lebih efektif.

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 24

HEAT EXCHANGER

DAFTAR PUSTAKA Anonim. 2013. “Air”. (sciencelab.com/msds?931281). Diakses pada tanggal 16 September 2018 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. “Unit Operation of Chemical Engineering”. New York: McGrawHill. Nisfi, Rahma. 2015. “Alat Penukar Kalor”. (http://rahmanisfi.blogspot.co.id/ 2015/04/alat-penukar-kalor_10.html). Diakses pada tanggal 16 September 2018 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 16 September 2018 pukul 14.16 WIB. Tiwi, Tika. 2013. “Perpindahan Kalor secara Konveksi” . (tikatiwiberbagitentang fisika.blogspot.com/2013/06/perpindahan-kalor-secara-konveksi_7). Diakses pada tanggal 26 September 2018 pukul 18.01 WIB. Wibawa, Indra. 2014. “Algortima Heat Exchanger”. (https://indrawibawads.files. wordpress.com/2014/09/algoritma-heat-exchanger.pdf). Diakses pada 16 September 2018 pukul 08.30 WIB

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 25

HEAT EXCHANGER

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II 26

HEAT EXCHANGER

APPENDIX Diketahui: a) Diameter pipa luar 2” (OD)

= 2,38 in = 0,1983 ft

Diameter pipa dalam 1,25” (OD)

= 1,66 in = 0,1382 ft

c)

Panjang pipa (L)

(Data diambil dari Tabel 11 Kern) = 305 cm = 3,05 m = 10 ft

d)

Suhu rata-rata air panas (Tav) =

b)

𝑇1+ 𝑇2 2

132.8+131

=

2

= 131.215℉, maka

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

𝑡2+ 𝑡1 2

=

102.74+98.6 2

= 100.67 ℉,

maka Cp air pendingin = 1 Btu/lb.ᵒF (Data diambil dari Grafik 2 Kern) e)

Diameter inner pipe 𝐷𝑜−𝐷𝑖

D = ln 𝐷𝑜/𝐷𝑖 = f)

0,198− 0,115 ln(0,198/0,115)

= 0,153 𝑓𝑡

Luas Penampang pada pipa A=𝛑.D.L = 3,14 . 0,153 . 10 = 4,804

g)

Densitas air ρ air

=

𝑏𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑝𝑖𝑘𝑛𝑜𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 𝑖𝑠𝑖−𝑏𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑝𝑖𝑘𝑛𝑜𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 𝑘𝑜𝑠𝑜𝑛𝑔

=

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑝𝑖𝑘𝑛𝑜𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 21.3419−11.1228 10

𝑔𝑟

𝑙𝑏𝑚

= 1,02191 𝑚𝑙 = 62.428 𝑐𝑢𝑓𝑡

Perhitungan untuk bukaan kran air panas 1.5 dan kran air dingin 1 : 1. Debit air Volume rata-rata air panas yang ditampung selama 5 detik = 2570 ml Q =

𝑉 𝑡

=

2570 5

ml

= 514 detik =65.346 𝑐𝑢𝑓𝑡/𝑗𝑎𝑚

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II

HEAT EXCHANGER

Volume air dingin yang ditampung selama 5 detik = 1117 ml Q=

𝑉 𝑡

=

1117 5

ml

= 223.4 detik = 28.4014 𝑐𝑢𝑓𝑡/𝑗𝑎𝑚

2. Massa air yang masuk HE 𝑐𝑢𝑓𝑡

𝑙𝑏𝑚

𝑐𝑢𝑓𝑡

𝑙𝑏𝑚

𝑙𝑏𝑚

Air panas : m = Q . ρ =28.4014 𝑗𝑎𝑚 𝑥 62.428 𝑐𝑢𝑓𝑡 =4,079.439 𝑗𝑎𝑚 𝑙𝑏𝑚

Air dingin : m = Q . ρ = 65.346 𝑗𝑎𝑚 𝑥 62.428 𝑐𝑢𝑓𝑡 =1,773.047 𝑗𝑎𝑚 3. Laju perpindahan kalor (Q) Air panas: Q = M.Cp.(T1-T2) = 4,079.439

𝑙𝑏𝑚 𝑗𝑎𝑚

Btu

𝑥 1 𝑥 (132.8 − 131)ᵒF =7,342.99jam

Air dingin: Q = m.Cp.(t2-t1) 𝑙𝑏𝑚

Btu

= 1,773.047𝑗𝑎𝑚 𝑥 1 𝑥 (102.74 − 98.6)ᵒF =7,340.414 jam ∆TLMTD=

T1 - t 2  T2 - t 1  ( 132.8−102,74)−(131−98.6) = =31.21 ℉ ln T1 - t 2  /T2 - t 1  ln(( 132.8−102,74)/(131−98.6))

4. Faktor koreksi (FT) untuk ∆T LMTD 𝑇1−𝑇2

=

R

=

S

= 𝑇1−𝑡1 =

𝑡2−𝑡1 𝑡2−𝑡1

132.8−313 102.74−98.6 102.74−98.6 132.8−98.6

= 0.435 = 0.121

FT = 0,97 5. Selisih suhu ∆𝑡 = ∆𝑇𝐿𝑀𝑇𝐷 𝑥 𝐹𝑇 = 31.21 𝑥 0,97 = 30.279 ℉ 6. Koefisien perpindahan panas pipa kotor Btu 7340.41 jam 𝑄 𝑈𝐷 = = = 50.481 𝐵𝑡𝑢 𝑓𝑡 2 ℉/𝑗𝑎𝑚 𝐴 𝑥 ∆𝑡 4,804 𝑓𝑡 2 𝑥 30.279 ℉

Hasil perhitungan UD tidak memenuhi syarat UD standar pada literatur buku “Process Heat Transfer” Tabel 8 oleh Kern. Karena pada literatur UD terpenuhi apabila mencapai 250 sampai dengan 500.

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II