BAB IX TUGAS KHUSUS
9.2 Tinjauan Pustaka
9.2.1 Pengertian Perpindahan Panas
Perpindahan panas (heat transfer) adalah ilmu untuk menganalisa perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu diantara benda atau material [6] Perpindahan panas merupakan suatu bentuk energi yang berpindah dari suatu tempat ke tempat lain
78 karena adanya perbedaan temperatur, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Proses perpindahan panas yang terjadi pada suatu fluida merupakan bagian terpenting dalam proses industri kimia. Perpindahan panas adalah ilmu yang berkaitan dengan laju perpindahan panas antara fluida panas dengan fluida dingin yang disebut dengan source and receiver [7].
Mekanisme perpindahan panas ada 3 jenis yaitu secara konduksi, konveksi dan radiasi. Pada konduksi aliran panas akan mengalir tanpa disertai oleh suatu gerakan zat, seperti pada pemanasan logam yang mengaktifkan gerakan molekul sehingga suhunya berubah menjadi rendah [8]. Pada konveksi, peprindahan panas diakibatkan oleh gerakan dari zat yang dipanaskan dan hanya terjadi pada permukaan bahan [7]. Sedangkan pada Radiasi, panas diubah menjadi gelombang elektromagnetik yang merambat tanpa melalui ruang media penghantar dan akan diabsorpsi hingga menjadi panas atau kalor [6].
9.2.2 Macam-macam Proses Perpindahan Panas
Proses perpindahan panas yang terjadi didalam proses-proses kimia dapat berlangsung dengan tiga cara, yaitu :
1. Perpindahan Panas Konduksi (hantaran)
Perpindahan panas konduksi adalah proses perpindahan panas dimana panas mengalir dari daerah yang bertempertaur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah dalam suatu media (padat, cair ataupun gas) atau antara media-media yang berlainan dan bersinggungan secara langsung, sehingga terjadi pertukaran energi dan momentum [6].
Gambar 9.1 Perpindahan Panas Konduksi Sumber : [6]
2. Perpindahan Panas Konveksi
Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan panas yang berhubungan dengan perbedaan temperatur keseluruhan antara dinding dan fluida, dan luas permukaan (Holman,1986)
Menurut cara menggerakkan alirannya, perpindahan panas secara konveksi
79 diklasifikasikan menjadi dua jenis yaitu.
a. Konveksi bebas (natural convection)
Konveksi bebas (natural convection) adalah proses perpindahan panas yang berlangsung secara alamiah, dimana perpindahan panas molekul- molekul dalam zat yang dipanaskan terjadi dengan sendirinya tanpa adanya tenaga dari luar (Holman, 1986). Contoh : plat panas dibiarkan berada di udara sekitar tanpa ada sumber gerakan dari luar.
b. Konveksi paksa (forced convection)
Konveksi paksa (forced convection) adalah proses perpindahan panas yang terjadi karena adanya tenaga dari luar, misalnya pengadukan. Jika dalam suatu alat dikehendaki pertukaran panas, maka perpindahan panas terjadi secara konveksi paksa karena laju panas yang dipindahkan naik dengan adanya aliran atau pengadukan (Holman, 1986).
Gambar 9.2 Perpindahan Panas Konveksi Sumber : Holman, 1986
3. Perpindahan Panas Radiasi
Berbeda dengan mekanisme konduksi dan konveksi, dimana transfer energi melalui media material terlibat, panas juga dapat ditransfer melalui daerah dimana vakum sempurna ada. Mekanisme dalam hal ini adalah radiasi elektromagnetik (Holman, 1986).
Jika radiasi berlangsung melalui ruang hampa, maka partikel-partikel tidak ditransformasikan menjadi kalor atau bentuk lain dari energi, dan tidak pula keluar dari lintasannya. Tetapi sebaliknya, apabila terdapat zat pada lintasannya, maka akan terjadi transmisi, refleksi, dan absorpsi.
Gambar 9. 3 Perpindahan Panas Radiasi Sumber : Holman, 1986
80 9.2.3 Heat Exchanger
Heat Exchanger adalah alat penukar panas yang digunakan untuk memanfaatkan atau mengambil panas dari suatu fluida untuk dipindahkan ke fluida lainnya (fluida dingin) melalui suatu proses yang disebut dengan proses perpindahan panas (heat transfer).
Dalam proses industri, perpindahan panas antara dua fluida umumnya menggunakan peralatan Heat Exchanger. Fluida panas dan fluida dingin tidak saling berkontakan satu sama lainnya tetapi dipisahkan oleh dinding tabung atau permukaan datar atau melengkung (Geankoplis, 1993)
Berdasarkan jenis aliran Heat Exchanger dibagi menjadi tiga, yaitu:
1) Parallel Flow adalah jenis pertukaran panas di mana kedua fluida mengalir dalam Heat Exchanger dengan aliran searah. Kedua fluida memasuki Heat Exchanger dengan perbedaan temperatur yang besar, namun perbedaan tersebut akan berkurang seiring dengan bertambahnya jarak (x) dalam Heat Exchanger. Temperatur keluaran dari fluida dingin tidak akan melebihi temperatur fluida panas.
Gambar 4. 16 Parallel Flow
2) Counter Flow adalah kebalikan dari Parallel Flow, di mana kedua aliran fluida dalam Heat Exchanger masuk dari arah berlawanan. Temperatur keluaran fluida dingin 3) mendekati temperatur masukan fluida panas, sehingga hasil temperatur yang diperoleh
lebih efektif dibandingkan dengan Parallel Flow.
Gambar 4. 17 Counter Flow
81 4) Counter-Current Flow atau aliran melawan arus adalah jenis Heat Exchanger di mana kedua fluida mengalir dengan arah yang saling berlawanan. Dalam Heat Exchanger tipe ini, kedua fluida bersilangan atau saling memotong arah satu sama lain. Meskipun efisiensi perpindahan panasnya lebih rendah secara termodinamik dibandingkan dengan Counter Flow, namun lebih tinggi dibandingkan dengan tipe Parallel Flow.
Gambar 4. 18 Counter-Current Flow 9.2.4 Pengertian Heat Exchanger
Plate Heat Exchanger (PHE) terdiri dari tumpukan pelat tipis yang dijepit bersama dalam satu bingkai. Setiap pelat dipisahkan oleh gasket tipis yang menyegel di sekeliling tepinya. Pelat biasanya memiliki ketebalan antara 0,5 hingga 3 mm dan terdapat celah antara pelat-pelat tersebut sekitar 1,5 hingga 5 mm. Luas permukaan pelat bisa bervariasi dari 0,03 hingga 1,5 m2, dengan rasio lebar terhadap panjang pelat antara 2,0 hingga 3,0. Ukuran PHE dapat sangat bervariasi, mulai dari yang sangat kecil dengan luas 0,03 m2 hingga sangat besar mencapai 1500 m2.
Laju aliran maksimum fluida dalam PHE biasanya dibatasi hingga sekitar 2500 m3 per jam. Tata letak dasar dan pengaturan aliran dalam PHE dapat berpengaruh signifikan terhadap efisiensi pertukaran panasnya, yang menjadi fokus penting dalam desain dan operasi PHE. Plate Heat Exchanger (PHE) adalah alat yang berfungsi untuk meningkatkan temperatur suatu fluida dengan memanfaatkan fluida pemanas. Prosesnya melibatkan pemanasan fluida dingin dengan memanfaatkan fluida panas, sehingga terjadi transfer panas dari fluida dingin ke fluida panas melalui pelat-pelat yang berfungsi sebagai media pertukaran panas. Pentingnya PHE adalah bahwa fluida panas dan fluida dingin tidak bersentuhan langsung, melainkan mengalir di ruang yang berbeda di antara pelat-pelat PHE.
Dengan demikian, PHE memfasilitasi pertukaran panas efisien tanpa pencampuran antara kedua fluida tersebut.
82 Gambar 9. 4 Plate Heat Exchanger
Sumber :[9]
9.2.5 Jenis jenis Heat Exchanger
Adapun jenis-jenis dari Heat Exchanger adalah sebagai berikut.
1. Berdasarkan fungsinya heat exchanger dapat digolongkan pada beberapa nama, yaitu [10].
a. Heater
Alat penukar kalor ini digunakan untuk memanaskan fluida proses dan sebagai bahan pemanas alat ini menggunakan steam.
b. Condensor
Alat penukar kalor ini digunakan untuk mengembunkan uap atau menyerap kalor laten penguapan. Campuran uap tersebut akan mentransfer panasnya kepada media pendingin yang biasa digunakan yaitu air
c. Reboiler
Alat penukar kalor ini digunakan untuk mendidihkan kembali (re-boil) serta menguapkan sebagian cairan yang diproses. Adapun media pemanas yang sering dipergunakan adalah steam atau uap panas yang sedang diproses itu sendiri.
d. Cooler
Alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan fluida proses hingga mencapai temperatur tertentu, dan sebagai bahan pendingin digunakan air.
e. Chiller
Alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan fluida hingga pada temperatur yang sangat terendah. Temperatur pendingin didalam chiller jauh lebih rendah bila dibandingkan dengan pendinginan yang dilakukan pendingin air. Media pendingin yang biasanya digunakan berupa air, propane, freon, ataupun ammonia.
83 f. Evaporator
Alat ini digunakan untuk memekatkan suatu larutan dengan cara menguapkan airnya.
Menguapkan fluida cair dengan menggunakan suatu media pemanas (steam) atau media pemanas lainnya.
2. Klasifikasi Heat Exchanger Berdasarkan Bentuk : a. Double Pipe Exchanger
Double pipe exchanger atau concentric pipe exchanger merupakan peralatan heat exchanger yang paling sederhana yang hanya terdiri atas pipa besar dan kecil [11].
Gambar 9.5 Laju Alir didalam Double Pipe Exchanger Sumber : [11]
Pada penukar panas dapat menggunakan aliran panas berlawanan atau searah arah aliran, baik dengan fluida panas atau fluida dingin yang terkandung dalam ruang annulus dan cairan lainnya dalam pipa. Aliran fluida bias secara co-current (aliran searah) atau counter current ( aliran berawanan arah). Alat penukar panas pipa rangkap terdiri dari dua pipa logam standar yang dikedua ujungnya dilas menjadi satu atau dihubungkan dengan kotak penyekat [7]. Fluida yang satu mengalir didalam pipa, sedangkan fluida kedua mengalir didalam ruang annulus antara pipa luar dengan pipa dalam. Alat penukar panas jenis ini dapat digunakan pada laju alir fluida yang kecil dan tekanan operasi yang tinggi [12].
b. Shell and Tube Exchanger
Jenis ini merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam industri terutama industri perminyakan, dikarenakan jenis ini mampu untuk menerima laju alir fluida umpan dalam jumlah yang besar dan bersifat kontinyu. Alat ini terdiri dari sebuah shell dimana didalamnya terdapat suatu bundle pipa dengan diameter yang relatif kecil [7]. Pada tipe ini satu jenis fluida mengalir didalam pipa-pipa sedangkan fluida yang lain mengalir dibagian luar pipa atau didalam shell pada arah yang sama, berlawanan atau bersilangan. Shell and Tube Heat Exchanger terdiri atas satu pipa yang dihubungkan secara parallel dan ditempatkan dalam sebuah shell. Untuk meningkatkan efisiensi pertukaran pana, biasanya
84 pada alat penukar shell and tube heat exchanger dipasang sekat (baffle) supaya turbulensi aliran fluida dapat menambah waktu tinggalnya.
(a)
(b)
Gambar 9.6 Shell and Tube Heat Exchanger : (a) 1 shell pass and 1 tube pass (1 1 exchanger); (b) 1 shell pass and 2 tube passes (1 2 exchanger)
Shell and tube exchanger pada Gambar 9.5 merupakan tipe 1 shell pass dan 1 tube pass, atau 1-1 counterflow exchanger. Fluida dingin yang masuk akan mengalir melalui semua tabung secara parralel dalam 1 tube pass. Jenis ini dapat digunakan untuk mendinginkan atau memanaskan fluida proses.
Dari semua tipe alat penukar panas, shell and tube heat exchanger memiliki sejumlah keunggulan diantaranya [13].
1. Kondensasi atau boiling heat transfer. Dapat dengan mudah diakomodasikan dari Shell dan Tube Heat Exchanger.
2. Presure Drop dapat divariasikan sesuai dengan kapasitas heat exchanger.
3. Thermal stress dapat ditekan.
4. Pemilihan bahan atau pemilihan material dapat divariasikan.
5. Untuk meningkatkan heat transfer maka dapat digunakan fins (sirip) pada Tube.
6. Perawatan lebih relatif lebih mudah karena dapat di bongkar-pasang.
c. Plate and Frame Exchanger
Plate and frame heat exchanger (PHE) adalah salah satu jenis Heat Exchanger yang terdiri dari pelat (plate) dan rangka (frame) dimana proses perpindahan kalor terjadi di antara kedua fluida yang mengalir pada sisi pelat heat exchanger .Plate and Frame Exchanger merupakan heat exchanger yang terdiri dari pelat-pelat dan bingkai yang tegak lurus, bergelombang, atau produk lainnya. Pemisah antara tiap pelat tegak lurus dipasang peyekat lunak (biasanya terbuat dari karet). Pelat-pelat dan sekat tersebut disatukan oleh suatu perangkat penekan yang pada setiap sudut pelat terdapat lubang pengalir untuk fluida.
85 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 adanya sekat [14].
Gambar 9. 7 Penukar Panas Jenis Plate and Frame Sumber: [11]
9.2.6 Bagian-Bagian Heat Exchanger
Secara umum, komponen utama dari unit Plate Heat Exchanger terdiri dari sejumlah pelat logam persegi panjang tipis yang disegel di sekitar tepinya oleh gasket dan ditempatkan dalam sebuah frame.
Gambar 9.8 Plate Heat Exchanger Sumber : [15]
1. Frame pada Plate Heat Exchanger berfungsi sebagai penyangga untuk unit heat exchanger. Frame ini terletak di sekitar tepi unit heat exchanger untuk mengapit susunan pelat di dalamnya. Biasanya, frame dilengkapi dengan kepala atau penutup ujung tetap yang memiliki pori-pori penghubung dan penutup ujung yang dapat dipindah.
Material yang umum digunakan untuk frame adalah carbon steel yang dilapisi dengan lapisan anti karat untuk melindungi dari korosi. Di lingkungan yang cenderung korosif, stainless steel dengan lapisan clad (tahan karat) adalah pilihan yang sangat cocok. Unit heat exchanger umumnya ditempatkan di atas lantai, namun untuk unit berukuran kecil, bisa ditempatkan melekat pada tembok untuk menghemat ruang.
2. Plate pada Plate Heat Exchanger berfungsi sebagai tempat aliran fluida panas dan fluida dingin. Bentuk dan pola dari plate sangat penting karena mempengaruhi proses
86 perpindahan panas yang terjadi. Setiap plate dibuat dengan membentuk cekungan sehingga permukaannya menjadi bergelombang. Pola bergelombang ini, yang disebut juga Corrugated Pattern, menciptakan jalur aliran yang berliku-liku antara fluida panas dan dingin.
Pola bergelombang ini memiliki beberapa manfaat, antara lain meningkatkan efisiensi perpindahan panas dengan meningkatkan turbulensi aliran, yang secara efektif meningkatkan transfer panas antara fluida yang mengalir. Selain itu, pola ini juga membantu mengurangi masalah endapan (fouling) dalam PHE, karena gerakan aliran yang berliku-liku dapat mencegah penumpukan material yang bisa menghambat pertukaran panas.
Gambar 9.9 Plate Sumber :[15]
3. Gasket pada Plate Heat Exchanger (PHE) memiliki fungsi penting untuk mengatur aliran fluida, memastikan bahwa fluida yang berbeda tidak bercampur satu sama lain.
Pada desain gasket, seperti yang ditunjukkan dalam gambar 9.10, setiap sisi gasket mengarahkan fluida masuk ke area plate yang berbeda. Sebagai contoh, fluida 1 masuk ke area plate (a), sedangkan fluida 2 masuk ke area plate (b).
Dari semua komponen yang ada dalam unit heat exchanger, gasket adalah komponen yang paling sering diganti. Ini disebabkan karena setiap kali PHE dibongkar, gasket sering mengalami deformasi (seperti menjadi gepeng), sehingga tidak bisa digunakan lagi. Material gasket harus memiliki ketahanan terhadap reaksi kimia dan temperatur tinggi serta mampu digunakan dalam jangka waktu yang lama.
Ada dua metode umum yang digunakan untuk memasang gasket pada plate PHE.
Metode pertama adalah menggunakan lem (glue type), di mana gasket ditempel pada plate menggunakan lem khusus. Metode kedua adalah tanpa lem (glue free), di mana gasket memiliki desain atau fitur tertentu yang memungkinkannya untuk terpasang dengan rapat pada plate tanpa memerlukan lem tambahan.
87 Gambar 9. 10 Gasket
Sumber : [15]
9.2.7 Kelebihan Plate Heat Exchanger
Plate Heat Exchanger tipe ini memang merupakan pilihan yang relatif murah dengan koefisien perpindahan panas yang baik. Keunggulan lainnya adalah kemudahan dalam perawatannya, karena proses bongkar-pasangnya lebih sederhana dibandingkan dengan tipe lain seperti shell & tube heat exchanger.
Namun, ada beberapa keterbatasan yang perlu diperhatikan. PHE tipe ini kurang cocok untuk digunakan pada aliran fluida dengan debit tinggi. Selain itu, mereka juga tidak sesuai untuk aplikasi di mana tekanan dan temperatur fluida kerja sangat tinggi. Hal ini terkait dengan kekuatan dari material gasket yang digunakan. Gasket pada PHE harus mampu menahan tekanan dan suhu tinggi tanpa mengalami deformasi atau kebocoran, yang menjadi faktor kritis dalam keandalan dan keselamatan operasi heat exchanger.
Ada beberapa kelebihan dari Plate Heat Exchanger:
1) Plate Heat Exchanger (PHE) memang hemat ruang karena memiliki konstruksi yang kompak. Hal ini membuatnya membutuhkan ruang penempatan unit yang lebih kecil dibandingkan dengan jenis heat exchanger lainnya. Sebagai perbandingan, PHE memiliki ukuran dan berat yang sekitar 80% lebih kecil dibandingkan dengan Shell and Tube Heat Exchanger (STHE).
2) Plate Heat Exchanger (PHE) memiliki kapasitas perpindahan panas yang besar karena desainnya yang memungkinkan terjadinya aliran fluida turbulen. Plate yang tersusun dalam PHE memiliki jalur aliran yang sempit dan berpola bergelombang, yang mengarahkan aliran fluida untuk mengalami turbulensi. Hal ini meningkatkan kontak antara fluida panas dan fluida dingin, sehingga efisiensi perpindahan panasnya juga meningkat. Dengan demikian, PHE mampu memberikan perpindahan panas yang efektif dan efisien antara fluida yang berbeda yang mengalir di dalamnya.
88 3) Plate Heat Exchanger (PHE) cenderung memiliki fouling yang rendah karena aliran turbulen yang terbentuk pada celah-celah plate membuat partikel kotoran sulit untuk mengendap dalam jangka waktu yang lama. Dibandingkan dengan heat exchanger konvensional, di mana partikel kotoran cenderung mudah mengendap dan dapat mengganggu proses perpindahan panas, PHE memiliki keunggulan ini.
Fouling layer yang tipis yang terbentuk pada PHE tidak hanya meningkatkan perpindahan panas antara fluida yang berbeda, tetapi juga menguntungkan dalam proses pembersihan. Lapisan fouling yang tipis relatif mudah untuk dibersihkan, meminimalkan downtime peralatan dan biaya perawatan yang terkait dengan maintenance.
4) Pemilihan material plate dan gasket pada Plate Heat Exchanger (PHE) sangat penting untuk meningkatkan perpindahan panas dan memberikan ketahanan terhadap fluida korosif. Material plate yang baik seperti stainless steel dan logam campuran khusus dipilih karena mereka memiliki sifat tahan korosi yang baik dan mampu menjaga kinerja perpindahan panas dalam jangka waktu yang lama. Stainless steel umumnya digunakan untuk plate PHE karena tahan terhadap korosi dan memiliki kekuatan mekanik yang baik, sementara logam campuran khusus sering kali digunakan untuk kondisi yang lebih ekstrem atau aplikasi khusus yang memerlukan sifat-sifat material tertentu seperti kekuatan tinggi atau ketahanan terhadap suhu tinggi.
5) Plate Heat Exchanger (PHE) memiliki konstruksi yang fleksibel karena komponen plate dan frame dapat disambung dengan baut. Hal ini memudahkan untuk mengatur lebar dari celah-celah plate yang terbentuk di antara pelat-pelat tersebut. Dengan fleksibilitas ini, plate yang tersusun dalam PHE dapat ditambah atau dikurangi sesuai dengan kapasitas yang dibutuhkan dalam aplikasi tertentu.
Fleksibilitas konstruksi ini memungkinkan PHE untuk disesuaikan dengan berbagai kebutuhan proses, seperti penyesuaian kapasitas perpindahan panas atau penyesuaian terhadap perubahan aliran fluida yang terjadi di lapangan. Hal ini juga mempermudah dalam hal perawatan dan pemeliharaan, karena memungkinkan untuk melakukan modifikasi atau penggantian komponen secara lebih mudah dan cepat.
6) Pemeliharaan yang mudah pada Plate Heat Exchanger (PHE) disebabkan oleh beberapa faktor. Salah satunya adalah fleksibilitas dari tie rod yang memungkinkan untuk mudah dilepas dengan melonggarkan baut yang terkoneksi. Hal ini memfasilitasi akses yang lebih mudah untuk perawatan dan penggantian komponen di dalam PHE.
89 Selain itu, PHE dapat dibersihkan secara langsung pada bagian yang terdapat gasket. Ini memungkinkan untuk membersihkan lapisan fouling atau kotoran yang mungkin terbentuk di antara pelat-pelat, menjaga efisiensi perpindahan panas.
Jika diperlukan, PHE juga memungkinkan untuk bertukar plate atau modul dengan heat exchanger yang lain. Hal ini memberikan fleksibilitas tambahan dalam mengatur atau memodifikasi konfigurasi heat exchanger sesuai dengan kebutuhan operasional atau perubahan kondisi yang terjadi di lapangan.
7) Inovasi dan pengembangan dalam teknologi heat exchanger terus berlanjut, menghasilkan aplikasi yang sangat luas dalam berbagai industri proses, termasuk dalam memanfaatkan media cair. Plate Heat Exchanger (PHE) memiliki keunggulan tersendiri dalam beberapa tahun terakhir di industri proses ini, yang menjadikannya pilihan utama dibandingkan dengan jenis heat exchanger lainnya.
Beberapa keunggulan utama PHE termasuk efisiensi perpindahan panas yang tinggi berkat desain plate yang menghasilkan aliran turbulen, konstruksi kompak yang menghemat ruang, kemudahan dalam perawatan dan pemeliharaan, serta kemampuan untuk disesuaikan dengan kebutuhan kapasitas atau aplikasi spesifik. Selain itu, PHE juga dapat mengatasi tantangan dalam penanganan fluida korosif atau dengan tekanan dan suhu tinggi, tergantung pada material plate dan gasket yang dipilih.
Pilihan PHE sebagai heat exchanger utama dalam industri proses mencerminkan nilai- nilai efisiensi, keandalan, dan kemudahan pengoperasian yang dibutuhkan dalam lingkungan industri yang kompleks dan beragam.
8) Harga, beberapa kelebihan di atas secara langsung akan mengurangi harga dari unit plate heat exchanger.