LAPORAN PRAKTIKUM PILOT PLANT

Double Pipe Heat Exchanger

Dosen Pembimbing : Ir. Emma Hermawati, MT.Tanggal Praktikum

Tanggal Penyerahan (Laporan):

:07 Desember 2015

Desember 2015

Kelompok/Kelas : 6 / 3ANama

: 1. Rika Mustika

NIM. 131411024

2. Sahara Tulaini

NIM. 131411025

3. Shofiya Wardah Nabilah NIM. 131411026

PROGRAM STUDI DIPLOMA III TEKNIK KIMIA

JURUSAN TEKNIK KIMIA

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

TAHUN 2015

BAB IPENDAHULUAN

1.1 Latar BelakangPanas adalah salah satu bentuk energi yang dapat dipindahkan dari suatu tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan sama sekali. Dalam suatu proses, panas dapat mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu suatu zat dan atau perubahan tekanan, reaksi kimia dan kelistrikan. Proses terjadinya perpindahan panas dapat dilakukan secara langsung, yaitu fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin tanpa adanya pemisah dan secara tidak langsung, yaitu bila diantara fluida panas dan fluida dingin tidak berhubungan langsung tetapi dipisahkan oleh sekat-sekat pemisah.Perpindahan panas pada alat penukar panas biasanya melibatkan konveksi masing-masing fluida dan konduksi sepanjang dinding yang memisahkan kedua fluida. Laju perpindahan panas antara kedua fluida pada alat penukar panas bergantung pada besarnya perbedaan temperatur pada lokasi tersebut, dimana bervariasi sepanjang alat penukar panas. Untuk mempelajari proses perpindahan panas yang terjadi pada alat penukar panas, maka dilakukan praktikum Double Pipe Heat Exchanger dan Shell and Tube Heat Exchanger.1.2 Tujuan

Tujuan dilakukannya praktikum ini adalah sebagai berikut :1. Memahami konsep perpindahan panas pada peralatan penukar panas double pipe dan shell and tube.2. Menghitung harga koefisien perpindahan panas keseluruhan (U) sistem dua fluida di dalam alat penukar panas double pipe dan shell and tube dengan cara neraca energi dan menggunakan persamaan empiris.3. Mengetahui pengaruh variabel laju alir fluida terhadap koefisien perpindahan panas keseluruhan (U).4. Menghitung efisiensi perpindahan panas dari kalor yang dilepas dan kalor yang diterima fuida.BAB IITINJAUAN PUSTAKA

Peralatan penukar panas sangat luas dipakai dalam industri, seperti kilang minyak, petrokimia, industri gas alam, refrigerasi bahkan pembangkit listrik. Salah satu contoh sederhana dari alat penukar panas adalah radiator mobil di mana cairan pendingin memindahkan panas mesin ke udara sekitar. 2.1 Alat Penukar PanasAlat penukar panas adalah suatu alat yang memungkinkan perpindahan panas dan dapat berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya medium pemanas yang dipakai berupa uap lewat panas (super heated steam) dan air biasa sebagai air pendingin (cooling water). Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien.Pada dasarnya prinsip kerja dari alat penukar panas yaitu memindahkan panas dari dua fluida yang memiliki perbedaan temperatur dimana perpindahan panas dapat dilakukan secara langsung ataupun tidaklangsung. 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.2.1.1Mekanisme Perpindahan Panasa. KonduksiKonduksi adalah perpindahan kalor melalui zat penghantar tanpa disertai perpindahan bagian-bagian zat itu. Perpindahan kalor dengan cara konduksi pada umumnya terjadi pada zat padat. Konduksi merupakan perpindahan panas antara molekul-molekul yang saling berdekatan antara yang satu dengan yang lainnya dan tidak diikuti oleh perpindahan molekul-molekul tersebut secara fisik. Molekul-molekul benda yang panas bergetar lebih cepat dibandingkan molekul-molekul benda yang berada dalam keadaan dingin. Getaran-getaran yang cepat ini, tenaganya dilimpahkan kepada molekul di sekelilingnya sehingga menyebabkan getaran yang lebih cepat sehingga akan memberikan panas.b. Konveksi

Konveksi adalah perpindahan kalor melalui zat penghantar yang disertai dengan perpindahan bagian-bagian zat tersebut secara fisik. Pada umumnya zat penghantar yang dipakai berupa zat cair dan gas. Kalor berpindah karena adanya aliran zat yang dipanaskan akibat adanya perbedaan massa jenis (berat jenis). Massa jenis bagian yang dipanaskan lebih kecil daripada massa jenis bagian zat yang tidak dipanaskan.c. Radiasi

Perpindahan panas tanpa melalui media (tanpa melalui molekul). Suatu energi dapat dihantarkan dari suatu tempat ke tempat lainnya (dari benda panas ke benda yang dingin) dengan pancaran gelombang elektromagnetik dimana tenaga elektromagnetik ini akan berubah menjadi panas jika terserap oleh benda yang lain.2.1.2 Tipe Aliran pada Alat Penukar Panasa. Co-current flow (aliran searah)

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 (Thb), sehingga diperlukan media pendingin atau media pemanas yang banyak. Neraca panas yang terjadi :

Mc . ( Tcb Tca ) = Mh . ( Tha Thb ) .... ( 2.1 )

Gambar 2.1 Profil temperatur pada aliran co-current (McCabe dalam Rudi,2008)

Dengan assumsi nilai kapasitas panas spesifik ( cp ) fluida dingin dan panas konstan, tidak ada kehilangan panas ke lingkungan serta keadaan steady state, maka kalor yang dipindahkan :

q = U . A . TLMTD . ( 2.2 )

dimana :

U = koefisien perpindahan panas secara keseluruhan (W/m2.0C )

A = luas perpindahan panas (m2)

TLMTD = log mean temperature diffrensial, dimana T2 = Thb TcbT1 = Tha - Tca

b. Counter current flow (aliran berlawanan arah)

Penukar panas jenis ini, kedua fluida (panas dan dingin ) masuk penukar panas dengan arah berlawanan, mengalir dengan arah berlawanan dan keluar pada sisi yang berlawanan . Temperatur fluida dingin yang keluar penukar panas (Tcb ) lebih tinggi dibandingkan temperatur fluida panas yang keluar penukar panas (Thb ), sehingga dianggap lebih baik dari alat penukar panas aliran searah (co-current).

Gambar 2.2 Profil temperatur pada aliran counter current (McCabe dalam Rudi,2008)Kalor yang dipindahkan pada aliran counter current mempunyai persamaan yang sama dengan persamaan (2.2), dengan perbedaan nilai TLMTD , dengan pengertian beda T1 dan T2, yaitu:

T1 = Thb - Tca

T2 = Tha Tcb

2.1.3 Jenis-jenis Alat Penukar Panas

a. Double Pipe Heat Exchanger

Salah satu jenis alat penukar panas adalah jenis susunan pipa ganda (double pipe heat exchanger). Dalam jenispenukarpanas dapat digunakan aliran berlawananarah ataualiran searah, baik dengancairan panasatau dingincairan yang terkandungdalam ruangannulardan cairanlainnya dalampipa. Alat penukar panas pipa rangkap terdiri dari dua pipa logam standar 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).

Gambar 2.3 Double pipe heat exchanger

b. Shell and Tube Heat ExchangerSebuah shell and tube heat exchanger terdiri dari sebuah shell silindris (badan heat exchanger) yang di dalamnya terdapat sejumlah tube yang dihubungkan secara paralel (tube bundle) yang disusun dengan pola tertentu. 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 shell. Untuk meningkatkan effisiensi pertukaran panas, biasanya pada alat penukar panas, antara shell dan tube 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.Temperatur aliran fluida di dalam tube bundle berbeda dengan di luar tube (di dalam shell) sehingga terjadi perpindahan panas melalui dinding tube antara aliran fluida di dalam tube dan di luar tube. Dengan demikian, luas permukaan perpindahan panas bergantung pada jumlah tube/pipa dalam shell. Jenis material pipa dan ketebalan harus sesuai dengan karakter fluida dan kondisi operasinya. Daerah yang berhubungan dengan bagian dalam tube disebut dengan tube side dan yang di luar tube disebut shell side.

Gambar 2.4 Shell and tube heat exchanger

2.2 Perhitungan Perpindahan Panas2.2.1 Neraca Panas dalam Alat Penukar PanasPanas yang dipindahkan untuk salah satu arus fluida dalam penukar panas :

q = m . ( Hb Ha) . ( 2.3 )

dimana :

q= laju perpindahan kalor ke dalam arus fluida

m= laju alir massa

Ha,Hb= entalphi persatuan massa arus fluida masuk dan keluar HE

Perpindahan kalor dari atau ke udara sekitar tidak dikehendaki. Salah satu dari kedua arus fluida yang berada di sebelah luar dapat mengambil kalor atau melepaskan kalor ke udara sekitar jika fluida itu lebih dingin atau lebih panas. Pencegahan hal itu dilakukan dengan mengisolasi penukar panas. Dengan menggunakan persamaan ( 2.3 ) dapat digunakan untuk menghitung besarnya kalor yang dipindahkan masing - masing fluida :

Fluida panas, qh = mh.(Hhb Hha)

Fluida dingin, qc = mc.(Hcb Hca)dimana :

mc, mh= laju alir massa fluida dingin, fluida panas

Hca,Hha = entalphi persatuan massa fluida dingin, fluida panas (masuk HE)

Hcb,Hhb = entalphi persatuan massa fluida dingin, fluida panas (keluar HE)

qc, qh= laju perpindahan panas fluida dingin, panas

Tanda qc adalah positif (+), tetapi tanda qh negatif (-). Hal itu dibuat karena fluida panas melepas kalor, dan panas yang dilepaskan diambil fluida dingin, sehingga persamaan menjadi :

qc = - qhmh.(Hha Hhb) = mc.(Hcb Hca)

dan jika kalor spesifik (Cp) dianggap konstan, neraca entalphi dapat dituliskan :

mh.Cph.(Tha Thb) = mc.Cpc.(Tcb Tca) ........ ( 2.4 )2.2.2 Koefisien Perpindahan Panas Keseluruhan (U)

Untuk menghitung koefisien perpindahan panas keseluruhan (U), dapat dilakukan melalui dua cara, yaitu dengan menggunakan neraca energi atau dengan menggunakan persamaan empiris.

a. Menggunakan Neraca Energi

...........untuk perhitungan double pipe heat exchanger

dimana :

Q= laju perpindahan panas fluida dingin atau fluida panas (Watt)A = luas permukaan (m2)

U= koefisien perpindahan panas keseluruhan (W/m2.K)

Tlm = perbedaan suhu logaritmik (K), dimana b. Menggunakan Persamaan Empiris

Untuk pipa sepanjang L

dimana :

hi,ho= koefisien pindah panas konveksi inside dan outside (W/m2.K)

K= koefisien konduksi (W/m.K)ri,ro= jari-jari inside dan outside pipa (m)L= panjang pipa (m)Harga (ri,ro) dan L dapat diukur, harga K bahan SS-204 dapat diperoleh dari buku referensi dan harga hi dan ho dihitung dari persamaan empiris.2.2.3 Efisiensi Perpindahan Panas

2.3 Pengukuran Laju AlirPengukuran laju alir dapat dilakukan melalui beberapa metode, diantaranya :

a. MetodeLangsungMetode langsung pengukuran aliran dapat dilakukan denganmengukur volume atau massa fluida dalam selang waktu tertentu. Padaselang waktu yang lama dandiukur secara tepat, serta pengukuran volume atau massa diukur secara tepat,maka pengukuran ini tidak memerlukan kalibrasi. Pengukuran laju aliran volume atau massa dengan metode langsung ini cukup teliti. Akan tetapi apabila fluida yangdiukur adalah gas, maka efekkompresibilitasnya harus diperhitungkan.

(laju alir volumetrik)

(laju alir massa)b. Metode Tidak LangsungMetode tidak langsung ini mengukur perbedaan tekanan diantara dua penampang aliranyang sebanding dengan laju aliran. Perhitungan laju aliran teoritis dapat dilakukan berdasarkan hukum kontinuitas dan persamaan Bernoulli. Kapasitas aliransebenarnya dapat ditentukan dengan memperhitungkan faktor koreksi dari masing-masing alatukur yang ditentukan secara empiris.Salah satu alat yang dapat digunakan untuk pengukuran laju alir fluida secara tidak langsung adalah orificemeter. Orifice merupakan alat untuk mengukur laju aliran dengan prinsip beda tekanan atau disebut juga Bernoullis principle yang mengatakan bahwa terdapat hubungan antaratekanan fluida dan kecepatan fuida. Jika kecepatan meningkat, tekanan akanmenurun (beda tekanan semakin besar) begitu pula sebaliknya.Pada dasarnya orifice berupa plat tipis dengan lubang di bagian tertentu (umumnya di tengah). Fluida yang mengalir melalui pipa ketika sampai pada orifice akan dipaksa untuk melewati lubang pada orifice. Halitu menyebabkan terjadinya perubahan kecepatan dan tekanan. Titik dimana terjadi kecepatan maksimum dan tekanan minimum disebut vena contracta. Setelah melewati vena contracta kecepatan dan tekanan akan mengalamiperubahan lagi. Dengan mengetahui perbedaan tekanan pada pipa normal dan tekanan pada vena contracta, laju aliran volume dan laju aliran massa dapat diperoleh dengan persamaan Bernoulli.Prinsip kerja alat ukur fluida adalah mengganggu aliran dengan penambahan alat tertentu sehingga menyebabkan terjadinya pressure drop yang dapat diukur. Nilai pressure drop ini berhubungan dengan debit dari aliran tersebut. Adanya pressure drop bias disebabkan karena adanya perubahan energi kinetik (karena laju alir berubah), skin friction, dan form friction. Berdasarkan persamaan Bernoulli, persamaan neraca energi dapat ditentukan yaitu :

disusun ulang menjadi :

digabung dengan persamaan kontinuitas :

karena fluida inkompresibel (khusus bahasan fluida cair), maka :

sehingga dimasukan ke persamaan neraca energi menjadi :

dimana :gc: = 1 kg N-1 det-2F: jumlah energi yang hilangPersamaan yang berlaku untuk orificemeter adalah :

dimana :

Co:koefisien orificemeter:

:massa jenis fluidaBAB III

METODOLOGI PERCOBAAN

3.1 Alat dan Bahan

1. Seperangkat alat double pipe yang terdiri atas sistem perpipaan air dan steam, termometer, orificemeter dan heat exchanger

2. Sumber steam dari boiler

3. Fluida (air)

3.2 Skema Percobaan

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN4.1 Data Hasil Pengamatan4.1.1 Penentuan Koefisen Perpindahan Panas

Grafik 1. Koefisien Pindah Panas pada Laju Alir Dingin Tetap secara Empiris

Grafik 2. Koefisien Pindah Panas pada Laju Alir Dingin Tetap secara Neraca Energi

Grafik 3. Koefisien Pindah Panas pada Laju Alir Panas Tetap secara Empiris dan Neraca Energi4.1.2 Penentuan Efisiensi Pindah Panas

Grafik 4. Efisiensi Pindah Panas pada Laju Alir Dingin Tetap

Grafik 5. Efisiensi Pindah Panas pada Laju Alir Panas TetapBAB V

PEMBAHASAN

BAB VI

KESIMPULAN DAN SARAN

6.1Kesimpulan

Ajdajk

6.2Saran

Ajdbja

DAFTAR PUSTAKAChristie J. Geankoplis, (1997), Transport Process and Unit Operation, 3rd Ed., Prentice-Hall of India.Elvani, L. (t.thn.). Dipetik November 30, 2015, dari Academia: https://www.academia.edu/5342072/BAB_IFebryani, N., N, R. K., & Noviandini, R. (2012). Laporan Praktikum Pilont Plant : Modul Shell and Tube Heat Exchanger. Bandung: Politeknik Negeri Bandung.Hartono, R. (2008). Penukar Panas. Banten: Universitas Sultan Agung Tirtayasa.

Ikhsan, M. (2014, Mei 21). Makalah Alat-Alat Heat Exchanger. Dipetik November 29, 2015, dari http://beck-fk.blogspot.co.id/2012/05/alat-heat-exchanger.html

Soeswanto, Bambang. 2004. Diktat Transportasi Fluida. Jurusan Teknik Kimia. Bandung : Politeknik Negeri Bandung.Tim Dosen. 2004. Buku Petunjuk Praktikum Satuan Operasi : Aliran Fluida. Jurusan Teknik Kimia. Bandung : Politeknik Negeri Bandung.Zacharias, P., & Pancoko, M. (2011). Perekayasaan Heat Exchanger Sebagai Pemanas Umpan UF6 ke Reaktor Rotary Kiln. Tangerang Selatan: BATAN.Aliran air

(kran air panas)

Aliran air

(kran air dingin)

Aliran steam

Aliran air panas (co-current)

Menutup aliran counter current

DPHE dengan aliran co-current

T cold in

T hot in

Mulai

1

T hot out;

T cold out

Laju alir fluida panas;

Laju alir fluida dingin

Selesai

Metoda langsung

Menampung fluida (panas/dingin) dalam ember

Menghitung waktu

Laju alir volumetrik

Selesai

1