Faris Razanah Zharfan 1106005225 / Teknik Kimia TUGAS 1. MENJAWAB SOAL 19.6 DAN 19.8 19.6 Air at 27oC (80.6oF) and 60 percent relative humidity is circulated past 1.5 cm-OD tubes through which water is flowing at 60 cm/s and 15 oC. The air velocity approaching the tubes is 1.5 m/s. (a) Will water condense on the tubes ? (b) What are the wall temperature and the interface temperature if condensation occurs ? (b) Dari data temperatur udara (80.6oF) dan presentase kelembaban 60% (dianggap sama dengan kelembaban relatif karena nilai humidity yang sangat kecil), kita dapat memperoleh nilai kelembaban absolut dan temperatur dew. Pertama, kita memperoleh titik perpotongan antara garis percentage humidity (garis merah) dan garis temperatur udara (garis biru) yaitu titik warna ungu. Kelembaban absolut diperoleh dengan menarik garis horizontal dari titik perpotongan (titik warna ungu) ke kanan sampai ujung (garis ditandai warna hijau). Diperoleh nilai humidity 0.013 kg uap air / kg udara kering. Dew point diperoleh dengan menarik garis horizontal ke kiri sampai udara berada dalam keadaan jenuh terhadap air (percentage humidity 100%) lalu menarik garis secara vertikal ke bawah (ditandai dengan garis warna pink). Terlihat bahwa dew point pada 62oF (16.66oC).
Kedua nilai yang diperoleh di atas tidaklah cukup untuk menjawab soal yang diberikan. Kita harus melakukan perhitungan perpindahan panas yang terjadi agar dapat menentukan apakah proses kondensasi terjadi, dan nilai temperatur dinding serta interface jika kondensasi terjadi. Berikut adalah flowchart penyelesaian soal.
µ, ρ, k, Pr udara pada suhu 27oC dan air pada suhu 15oC
Rei, Reo Pri, Pro
Nu
hi (
Nui k D
i
Tw dari persamaan neraca energi
1. menentukan properties pada temperatur udara dan temperatur air Dengan interpolasi tabel hubungan T, ρ, µ, dan Pr udara, pada temperatur udara 27oC : ρudara = 1.18 kg/m3 µudara = 1.8 x 10-5 Pa.s kudara = 0.015 Btu/ft h oF Pr = 0.7 Dengan interpolasi tabel hubungan T, ρ, µ, dan Pr air, pada temperatur air 15oC : ρair = 1000 kg/m3 µudara = 1.3 x 10-3 Pa.s kair = 0.333 Btu/ft h oF Pr = 9.52 2. menentukan Re dan Pr Reo =
ρ v Do µ
Pro =
v α
1.18 = µ Cp k
=
kg m x 1.5 x 0.015 m m3 s −5 1.8 x 10 Pa . s
= 1475
= 0.7
Dengan asumsi Dinside = 1.25 cm (lebih kecil dari Doutside 1.5 cm), maka bilangan reynold dan prandtl dari air yang mengalir di bagian dalam adalah : Rei =
ρ v air Di µ
Pri =
µ Cp k
1000 =
= 9.52
kg m x 0.6 x 0.0125 m m3 s −3 1.3 x 10 Pa . s
== 5769
3. Menghitung Bilangan Nusselt (Nu) Bilangan Nusselt merupakan fungsi dari bilangan Reynold dan bilangan Prandtl untuk konveksi paksa. Pada cooling tower dimana udara dan air mengalir dalam silinder tabung, rumus empirik Nu adalah : Nuo = (0.35 + 0.56 Re0.52) Pr0.3 Nuo = (0.35 + 0.56 14750.52) 0.70.3 = 22.67 Nui = 0.023 x Re0.8 x Pr0.3 Nui = 0.023 x 57690.8 x 9.520.3 = 46.15 4. Menghitung h k Nuo ho = d k Nui hi= d
=
0.015 Btu /ft . h . F x 22.67 1m 0.015m x 0.3048 ft
= 6.9 Btu/ft2 h oF
=
0.333 Btu /ft . h . F x 46.15 1m 0.0125 m x 0.3048 ft
= 374.73 Btu/ft2 h oF
Karena nilai hi jauh lebih besar daripada ho, maka temperatur dinding tube hanya sedikit di atas temperatur dew (16.66oC). 1
1
1 U
= ho + hi
1 U
= 6.9 + 374.73
1
1
U = 6.7752 Btu/ft2 h oF 5. Persamaan Neraca Energi Qlepas = Qterima U (Tudara – Tdew) = hi (Twall – Tdew) 6.7752 x (27oC – 16.66oC) = 374.73 x (Twall – 16.66oC) Twall = 16.846oC Berikutnya adalah menghitung temperatur interface. Interface adalah batas pertemuan antara udara dan air, sehingga bisa diasumsikan bahwa interface merupakan lapisan tipis yang terdiri
dari kondensat hasil kondensasi uap air dalam udara. Nilai koefisien transfer panas pada lapisan tipis ini sangat besar yaitu 500-1000 Btu/ft 2 h oF karena panas sangat cepat berpindah pada bagian interface ini. Oleh karena itu temperatur interface hanya sedikit lebih besar dari temperatur dinding, mendekati 17oC.
(a) Secara sederhana, proses kondensasi akan terjadi jika temperatur dinding tube lebih kecil dibandingkan temperatur udara masuk (27oC) dan mendekati temperatur dew point. Dari perhitungan (b) terlihat bahwa temperatur dinding mendekati temperatur dew point sehingga air akan terkondensasi dalam tube.
19.8 Air at 160oF has a wet-bulb temperature of 102oF. Determine the relative humidity, the percentage humidity, and the dew point. Dalam soal, udara memiliki temperatur 160 oF dan temperatur wet-bulb 102oF. Temperatur wet-bulb adalah temperatur yang diukur menggunakan termometer yang bagian ujungnya dibasahi menggunakan kapas. Dari kedua data tersebut, kita dapat menentukan 3 hal : presentase kelembaban (percentage humidity), temperatur embun (dew point), dan nilai kelembaban absolut (humidity), dengan memanfaatkan psychometric chart. Pertama, kita mencari titik pertemuan antara temperatur udara (160 oF) dan temperatur wetbulb (102oF) yang garisnya ditandai dengan garis warna biru dan titik perpotongannya berwarna ungu.
Kedua, percentage humidity dapat diperoleh dengan menentukan posisi titik perpotongan tersebut pada garis bantu sesuai dengan garis percentage humidity yang memanjang melengkung ke atas. Dari grafik terlihat bahwa nilai percentage humidity sebesar 10,5%.
Ketiga, kita dapat menentukan dew point dengan menarik garis horizontal ke kiri sampai udara berada dalam keadaan jenuh terhadap air (percentage humidity 100%) lalu menarik garis secara vertikal ke bawah (ditandai dengan garis warna pink). Terlihat bahwa dew point pada 90oF.
Keempat, kita dapat menentukan humidity dengan menarik garis horizontal dari titik perpotongan (titik warna ungu) ke kanan sampai ujung (garis ditandai warna orange). Diperoleh nilai humidity 0.031 kg uap air / kg udara kering.
Kelima, kita menghitung nilai tekanan parsial uap air dan tekanan uap jenuh. Untuk mendapatkan nilai tekanan parsial, terlebih dahulu kita harus mencari fraksi uap dari uap air.
y=
H / M air 1 / M udara + H / M air
=
0.031/18 1 0.031 + 29 18
= 0.0476
Pparsial uap air = y.Ptotal = 0.0476 x 1 atm = 0.0476 atm
Puap air jenuh dapat diperoleh menggunakan persamaan Antoine (T = 160oF = 71.11oC) : (A j−
Pjsat = 10
¿
Bj ) C j +T
)/760
Puap airsat = 10
(8.07131 –
1730.63 ) 233.426 +71.11
¿
)/760 = 0.322 atm
Keenam, kita menghitung nilai kelembaban relatif (HR).
HR =
P parsial uapair Puap air jenuh
x 100%
HR =
0.0476 atm 0.322 atm
x 100%
HR = 14.78%
Data Presentase Kelembaban (HA) Dew Point (Tdew) Relative Humidity (HR)
Nilai 10.5% 90oF 14.78%
TUGAS 2 : RINGKASAN APLIKASI COOLING WATER PADA INDUSTRI KIMIA Humidifikasi adalah proses perpindahan massa pada interface cairan-gas dimana gas tidak larut dalam cairan. Contoh yang paling mudah ditemukan dalam kehidupan sehari-hari adalah adanya uap air dalam udara. Secara sederhana, semakin banyak jumlah uap air dalam udara, maka semakin humid (lembab) udara tersebut. Salah satu alat industri kimia yang memanfaatkan prinsip humidifikasi adalah cooling tower. Sesuai dengan namanya, cooling tower adalah alat untuk mendinginkan air, yang akan digunakan untuk berbagai proses dalam industri kimia tersebut. Cooling tower merupakan salah satu utilitas penting dalam setiap industri kimia. Berdasarkan alirannya, cooling tower terbagi menjadi dua jenis : 1. Natural Draft Tower Aliran udara pada tower jenis ini dihasilkan akibat perbedaan densitas antara udara terpanaskan dalam tower (densitas rendah) dengan udara lingkungan yang relatif lebih dingin (densitas lebih besar). Tower jenis ini ukurannya sangat besar, dapat mencapai ketinggian hingga 150 meter. Karena ukurannya yang besar, pembuatan natural draft tower relatif mahal. Meskipun begitu, tower ini tetap banyak digunakan pada pabrik pembangkit listrik, dimana beban panasnya dalam jumlah besar. Namun, karena natural draft tower beroperasi paling efektif pada daerah yang relative humidity-nya besar, banyak pabrik yang berlokasi di ketinggian tinggi (kelembaban relatifnya rendah) lebih memilih menggunakan mechanical draft tower.
Gambar 1. Natural Draft Tower
2. Mechanical Draft Tower Mechanical draft tower menggunakan beberapa kipas untuk menghasilkan aliran udara melalui tower. Keberadaan kipas menandakan bahwa aliran udara yang dihasilkan sebagai akibat adanya suatu gaya mekanik sehingga mempunyai kecepatan yang konstan, teratur, dan dapat dikondisikan sesuai keinginan. Kelebihan lain dari mechanical draft tower dibandingkan natural draft adalah ukurannya lebih kecil. Namun tower jenis ini juga mempunyai kekurangan diantaranya butuh daya yang besar, menyebabkan kebisingan suara, biaya operasi dan maintenance yang besar. Mechanical draft tower terbagi lagi menjadi dua : forced draft dan induced draft. Dalam forced draft tower, kipas diletakkan dalam aliran udara memasukki tower sedangkan dalam induced draft tower, kipas diletakkan dalam aliran udara keluar tower.
(a)
(b)
Gambar 2. (a) forced draft tower (b) induced draft tower
Forced draft tower mempunyai kecepatan udara masuk tower yang tinggi dan kecepatan udara keluar tower yang rendah. Karena sifatnya tersebut, tower jenis ini sangat rentan terjadi resirkulasi sehingga mempunyai stabilitias kemampuan yang lebih rendah ketimbang induced draft.
Gambar 3. Peristiwa resirkulasi
Induced draft tower mempunyai kecepatan udara keluar tower 3 sampai 4 kali lebih besar dibandingkan kecepatan udara masuk. Karena sifatnya tersebut, tower jenis ini dapat meminimalisir daerah penurunan tekanan dalam tower. Proses humidifikasi yang terjadi dalam cooling tower tidak hanya ditentukan dari jenis aliran pada cooling tower, namun juga ditentukan oleh struktur cooling tower. Terdapat sekat-sekat dalam struktur cooling tower, yang bertujuan agar kontak antara air dan udara semakin besar. Dalam cooling tower terjadi transfer massa dan transfer panas. Transfer massa yang terjadi adalah air yang terevaporasi menjadi uap air ke udara. Transfer panas dari air ke udara karena temperatur air lebih tinggi dibandingkan temperatur udara. Air temperatur tinggi (air panas) tersebut merupakan output yang terjadi selama proses kondensasi di kondensor untuk mengkondensasi fluida pada unit operasi yang lain (misalnya produk atas crude oil pada kolom distilasi). Air yang keluar kondensor akan meningkat suhunya setelah mendinginkan uap distilasi tersebut. Untuk dapat digunakan kembali, air panas tersebut akan masuk cooling tower. Semakin tinggi temperatur air yang masuk cooling tower, maka semikin tinggi pula nilai humidity udara setelah proses humidifikasi terjadi. Hal ini terjadi karena adanya perpindahan panas yang diikuti perpindahan massa. Aliran udara dan aliran air dialirkan secara berlawanan (counter current), hal ini bertujuan agar dapat menciptakan kontak transfer massa dan transfer panas yang optimum, dibandingkan dengan aliran searah. Selain itu, aliran berlawanan arah juga membuat cooling tower dapat digunakan dalam skala besar, konstruksinya kuat, dan mampu beroperasi didaerah dingin maupun lembab. Perpindahan massa terjadi karena adanya perbedaan konsentrasi. Saat pertama kali masuk cooling tower, udara yang masuk bersifat tidak jenuh dan saat keluar cooling tower, udara akan jenuh karena memiliki kadar uap air maksimum. Perpindahan panas terjadi karena adanya gradien temperatur. Panas dari air suhu tinggi akan berpindah ke udara bersuhu lebih rendah, bersamaan dengan transfer massa terjadi. Cooling tower merupakan salah satu utilitas penting dalam sebuah industri kimia. Contohnya adalah cooling tower pada Pertamina Refinery Unit VI Balongan. Air pendingin dibutuhkan selama proses untuk mengkondensasi uap produk atas proses distilasi, sehingga kesetimbangan uap-cair di setiap stage kolom distilasi dapat terjadi. Air pendingin Pertamina RU VI diperoleh dari sungai Cipunegara. Setelah air pendingin digunakan untuk kondensasi, ia akan meninggalkan kondensor dalam keadaan panas dan masuk ke cooling tower. Di
cooling tower ini, air panas akan didinginkan sehingga dapat dipakai kembali untuk mengkondensasi produk atas distilasi. Cooling tower didesain untuk mendinginkan air dari temperatur 45,5oC ke 33oC dengan wet bulb temperatur 29,1oC. Aliran air dan udara berlawanan arah. Udara bergerak secara vertikal, berlawanan dengan jatuhnya air yang disemprotkan dengan spray system. Tower terdiri dari 10 draft fan. Utilitas ini juga dilengkapi injeksi gas chlorine, inhibitor korosi, dan dispersant.
Gambar 4. Penggunaan air pendingin pada proses pengolahan minyak pertamina RU VI Balongan
Dari pembahasan di atas, terlihat bahwa cooling tower mempunyai peran yang penting dalam kelancaran proses. Air pendingin sangat dibutuhkan pada proses kondensasi uap produk atas distilasi. Jika pasokan air pendingin tersebut terhambat akibat proses humidifikasi dalam cooling tower tidak optimum, maka keseluruhan proses juga akan terhambat karena uap produk atas distilasi tidak dapat terkondensasi secara sempurna, sehingga kualitas produk berkurang. Cooling tower perlu dirancang secara khusus dari segi aliran, konstruksi dalam cooling tower, dan kondisi operasinya agar dapat beroperasi secara optimal.
DAFTAR PUSTAKA Anonymous. 2010. Bab III Utilitas Pertamina. From : http://letshare17.blogspot.com/2010/12/bab-iii-utilitas-pertamina_1266.html (Diakses pada 14 Oktober 2013). Marley. 2009. Cooling Tower Fundamental. Kansas : SPX Cooling Technologies, Inc.
