1. PENDAHULUAN
Beberapa tahun terakhir ini pemahaman mengenai sintesis jaringan penukar kalor berkembang dengan cepat. Apresiasi mengenai faktor yang mengontrol konsumsi energi jaringan dan harga kapital jaringan telah dikuasai secara baik. Dari pemahaman ini telah ditemukan teknik yang mampu mensintesis jaringan penukar kalor yang optimal untuk permasalahan di berbagai industri. Salah satu teknik yang berhasil diterapkan adalah Teknologi Pinch. Akan tetapi, pendekatan dengan Teknologi Pinch ini, tidak menjamin bahwa hasil sintesis ini akan konsisten secara penuh dengan apa yang pada akhirnya diwujudkan dalam bentuk perangkat keras industri. Dengan kata lain, jaringan penukar kalor yang dibentuk dengan teknik yang ada sekarang ini belum tentu merupakan rancangan yang terbaik.
Permasalahan mulai muncul ketika luas penukar kalor harus diperkirakan selama sintesis jaringan. Semua teknik yang ada saat ini menggunakan koeffisien perpindahan kalor yang diasumsikan. Pada kenyataannya, perancangan penukar kalor secara detail umumnya melalui test sejumlah geometri penukar kalor yang potensial supaya dapat diperoleh penukar kalor yang memenuhi tiga buah objektivitas perancangan yang utama yaitu,
- (a) pemindahan beban kalor yang diperlukan
- (b) rugi tekanan sisi pipa di bawah nilai maksimum yang diijinkan,
- (c) rugi tekanan sisi cangkang di bawah nilai maksimum yang diijinkan.
Pada strategi ini, koeffisien perpindahan kalor film merupakan pertimbangan yang sulit, dan tidak ada jaminan bahwa nilai yang diasumsikan selama sintesis jaringan akan tercapai pada rancangan peralatan secara detail.
Sintesis jaringan dan perancangan penukar kalor secara detail hanya dapat dibuat konsisten bila keduaduanya dilakukan pada dasar yang sama. Salah satu cara untuk mencapai hal ini adalah mendasarkan sintesis jaringan pada rugi tekan yang diijinkan.
2. PENUKAR KALOR JENIS CANGKANG PIPA
Persamaan-persamaan dan prosedur yang lazim secara konvensional diterapkan untuk perancangan penukar kalor tidak kurang sesuai untuk tujuan ini. Prosedur yang iteratif saat penentuan kaitan antara geometri, unjuk kerja pemindahan panas dan rugi tekan akan terlalu rumit untuk dikaitkan dengan penentuan sistem jaringan penukar kalor. Untuk menghindari hal tersebut, hubungan khusus yang mengkaitkan besarnya
rugi tekan dengan karakteristik perpindahan panas dapat dibentuk untuk aliran di kedua sisinya, yaitu sisi pipa dan sisi cangkang dari suatu penukar kalor. Dengan pernyataan eksplisit ini, penentuan geometri dan pengaruhnya secara langsung terhadap rugi tekan dan karakteristik perpindanan panas dapat terkemas dalam persamaan yang sama.
Untuk sisi pipa penukar kalor, hubungan rugi tekan dinyatakan dalam bentuk,
\[\Delta P_{T} = K_{PT} \cdot A \cdot h_{T}^{35} \tag{1}\] dan untuk sisi cangkang penukar kalor, hubungan rugi tekan dapat ditulis sebagai,
\[\Delta P_{S} = K_{PS} \cdot A' \cdot h_{S}^{5.1} \tag{2}\] di mana
\[K_{PT} = K_1 \left( \frac{D_i^2}{4V_o D_o} \right) \left( \frac{1}{K_2} \right)^{3.5}\] dan
\[K_{PS} = K'_1 K'_2 \cdot \left(\frac{1}{K'_3}\right)^{5.11}\] dengan,
\[K_i = 0.092 \left(\frac{\rho}{D_i}\right) \left(\frac{\rho D_i}{\mu}\right)^{-0.2}\]
\[K_2 = 0.023 \frac{k}{D_i} \operatorname{Pr}^{c} \left( \frac{\rho D_i}{\mu} \right)^{0.8}\]
\[K'_{1} = \frac{1,79. \left(\frac{\mu'}{D_{e}}\right)^{0.19} \cdot \rho'^{1,81}}{2. \rho' \cdot D_{e}}\]
\[K'_2 = \frac{4P_T (P_T - D_o)}{\pi^2 D_o V_o}\]
\[K'_3 = 0.36 \frac{k'}{D_e} \text{ Pr}^{1/3} \left( \frac{\rho' D_e}{\mu'} \right)^{0.55}\]
h<sub>T</sub>, h<sub>S</sub>, A, dan A' masing-masing adalah koefisien konveksi sisi pipa, koefisien konveksi sisi cangkang, luas permukaan pipa bagian dalam dan luas permukaan pipa bagian luar. Dalam banyak kasus pendekatan A=A'
sering diterapkan khususnya untuk persamaan (1) dan (2). D adalah diameter dengan indeks i dan o masingmasing menyatakan bagian dalam dan luar pipa, sedangkan indeks e menyatakan hidraulik ekivalennya untuk geometri susunan pipa. \(\rho\), \(\mu\), k, \(V_o\) dan Pr masingmasing densitas, viskositas, konduktivitas termal, laju volumetrik dan bilangan Prandtl dengan tanda superskrip untuk menyatakan fluida di sisi cangkang dan tanpa tanda untuk fluida di sisi pipa. Harga c dalam persamaan untuk \(K_2\) diambil 0.4 jika fluida dalam pipa dipanaskan dan 0.3 jika fluida dalam pipa didinginkan.
Persamaan (1) dan (2) menunjukkan bahwa untuk sisi cangkang dan sisi pipa, rugi tekan suatu aliran akan meningkat dengan meningkatnya ukuran (luas) penukar kalor, dan kecepatan (dalam bentuk koefisien perpindahan kalor) dari suatu aliran.
Seperti ditunjukkan dengan lebih rinci dalam bentuk persamaannya, K<sub>PT</sub> untuk hubungan sisi pipa merupakan fungsi dari:
- sifat-sifat fisik aliran, seperti densitas, viskositas, konduktivitas termal, dan kapasitas kalor spesifik,
- laju aliran massa atau volume,
- diameter pipa.
Satu-satunya parameter nonproses adalah diameter pipa. Diameter pipa biasanya bukan merupakan variabel perancangan. Nilai diameter ini umumnya tetap (atau diasumsikan) sebelum perancangan sebenarnya. Nilai diameter pipa yang umum berkisar antara 3/4" hingga 1.25".
Di sisi cangkang, konstanta \(K_{\text{PS}}\) untuk hubungan merupakan fungsi dari,
- sifat-sifat fisik aliran,
- laju aliran volume aliran,
- · diameter ekivalen susunan pipa, De.
Diameter ekivalen susunan pipa adalah fungsi dari diameter pipa terluar, jarak antar pipa (pitch), dan susunan pipa (layout). Jarak antar pipa juga bukan merupakan variabel perancangan karena dapat ditetapkan sebelum perancangan. Nilai yang umum adalah antara 1" hingga 1.5" tergantung pada ukuran pipa.
Dari telaahan di atas dapat dilihat bahwa variabel perancangan seperti panjang pipa, jumlah pipa, jumlah laluan pipa, dan diameter cangkang telah dihilangkan dari hubungan pada persamaan (1) dan (2).
3. ALGORITMA DAN PENULISAN PROGRAM
Dengan adanya hubungan rugi tekan yang dapat dinyatakan secara eksplisit dengan koefisien perpindahan panas di masing-masing sisi ini maka dapat dibuat suatu algoritma baru perancangan penukar kalor berdasarkan kriteria besarnya rugi tekan yang ditetapkan. Prosedur ini berbeda dengan prosedur yang konvensional, namun untuk tinjauan analisis jaringan penukar kalor, sebagaimana akan ditunjukkan dalam bagian selanjutnya, akan sangat membantu, terlebih bila dikaitkan dengan tujuan penerapannya untuk retrofit yang menerapkan kendala untuk tetap memakai pompa atau kompresor yang terpasang.
Pada algoritma ini, seluruh sistem didefinisikan oleh tiga persamaan, yaitu,
- 1. \(\Delta P_T = K_{PT}Ah_T^{3.5}\)2. \(\Delta P_S = K_{PS}Ah_S^{5.1}\)3. \(Q = UA\Delta T_{LM}\)
di mana \(1/U = 1/h_S + 1/h_T + R_f\) dan \(\Delta P_T\), \(\Delta P_S\), Q, dan ΔT<sub>LM</sub> ditentukan sesuai dengan keperluan perancangan. Jadi, terdapat tiga persamaan dengan tiga parameter yang tidak diketahui (h<sub>T</sub>,h<sub>S</sub>,A) dan pemecahannya dapat diperoleh dengan cepat.
Setelah pemecahannya diperoleh, detail penukar kalor ditetapkan untuk kecepatan aliran tertentu, panjang pipa, jumlah pipa, diameter cangkang, dan lain-lain (bila diperlukan).
Berdasarkan algoritma di atas telah dikembang-kan sebuah program komputer interaktif dengan bahasa C yang ditampilkan dalam format Window'96. Dengan tampilan yang dirancang secara khusus, selain pemakai masih leluasa untuk memilih berbagai parameter design juga dimungkinkan untuk dijadikan landasan untuk menaksir harga penukar kalor hasil rancangan serta konsekwensinya pada besarnya rugi tekan yang dihasilkan di kedua sisinya.
4. LUAS JARINGAN PENUKAR KALOR
Dengan diketahuinya hubungan antara rugi tekan dan koefisien perpindahan kalor, prakiraan luas jaringan yang berdasarkan rugi tekan dapat dilakukan. Prakiraan luas ini tidak dapat dilakukan jika koefisien perpindahan kalor diasumsikan terlebih dahulu.
Metode yang sederhana pada penentuan luas adalah dengan menerapkan persamaan Townsend. Pada metode ini luas jaringan diperkirakan dari 'interval entalpi' pada kurva komposit dengan menggunakan persamaan,
\[A_{min} = \sum_{j} A_{j} = \sum_{j} \sum_{j} \left( \frac{q}{\Delta T_{jM}} \right) \cdot (1/h)_{j}\] (3)
di mana, Ai merupakan suku "kontribusi luas dari aliran
Kontribusi luas dari suatu aliran tidak bergantung pada pasangan aliran dan hanya dipengaruhi oleh tahanan termal yang terdapat pada penukar kalornya sendiri. Persamaan (3) dapat diterima bila luas masingmasing penukar kalor untuk tiap pasangan dijumlahkan untuk memperoleh luas jaringan total. Akan tetapi, bila rugi tekan dipertimbangkan maka luas tersebut merupakan luas total penukar kalor, di mana luas yang relevan adalah luas kontak sesungguhnya (atau bagian yang dibasahi) dan di sini tiap tahanan termal dari aliran yang terlibat harus diikutsertakan.
Jadi, supaya rugi tekan digunakan sepenuhnya, perlu suatu perkiraan luas kontak aliran seperti halnya kontribusi luas di atas. Luas kontak perpindahan panas
aliran dapat dinyatakan sebagai.
\[A_{c,j} = A_j + \sum_{\substack{\text{aliran} \\ \text{sebaliknya}, k}} \frac{CP_k}{\sum CP_k} A_k\] (4)
Dengan menyelesaikan persamaan luas jaringan (3) bersama-sama dengan hubungan rugi tekan untuk tiap aliran yaitu persamaan (1) dan (2) serta persamaan (4) luas kontak untuk tiap aliran prakiraan untuk luas jaringan yang didasarkan pada rugi tekan yang telah tertentu dapat diperoleh.
5. ASPEK EKONOMI
Kebutuhan kapital untuk suatu penukar kalor serta. aliran-aliran yang terkait sangat tergantung pada rugi tekan yang harus diatasi oleh pompa. Biaya yang harus dikeluarkan biasanya sangat tinggi.
Perancangan penukar kalor umumnya membutuhkan informasi berupa besarnya rugi tekan aliran. Rugi tekan ini menentukan jumlah biaya kapital dan kebutuhan energi dari instalasi pompa pada proses. Selain itu, rugi tekan juga menentukan berapa besar biaya yang diperlukan untuk luas permukaan penukar kalor yang terpasang. Sayangnya, rugi tekan yang diijinkan dari suatu aliran umumnya ditentukan secara subjektif.
Pada perancangan penukar kalor, penentuan besarnya rugi tekan yang diijinkan semata-mata berdasarkan pengalaman dan merupakan suatu hal yang sangat sulit dan riskan. Selalu ada kemungkinan bahwa rugi tekan yang dipilih bukanlah harga yang optimum. "Rugi tekan yang optimum untuk suatu aliran akan bervariasi bagi berbagai sistem karena tergantung pada interaksi antara fluida-fluida yang akan dipertukarkan energinya. Selain itu, rugi tekan yang optimum akan bervariasi untuk kondisi ekonomi yang tertentu (misalnya suku bunga).
Pemilihan besarnya rugi tekan yang optimum sangat penting untuk suatu aliran pada perancangan penukar kalor. Lebih jauh lagi, karena biaya kapital tergantung pada luas penukar kalor maka rugi tekan ini harus selalu dijadikan dasar dalam menentukan luas penukar kalor itu sendiri. Selanjutnya akan dijabarkan langkah-langkah dalam menentukan target luas serta perancangan sistem penukar kalor untuk tiap pasangan aliran. Contoh permasalahan yang ditampilkan sudah memiliki penurunan tekanan yang tertentu untuk tiap aliran yang terlibat, jadi tinjauan ekonomi tidak perlu diterapkan.
6. STUDI KASUS
6.1. Deskripsi Proses
Sebagai gambaran penerapan analisis teknik pinch dengan melibatkan kendala rugi tekanan, pada bagian ini akan dianalisis sistem industri aromatik. Naphta, yang terdiri dari paraffin dan cycloparaffin digunakan sebagai bahan baku pembuatan produk senyawa aromatik.
Naphta yang diperoleh dari proses distilasi pada bagian akhir baik dari kolom pemisahan fraksi ringan maupun fraksi berat merupakan bahan baku utama untuk industri aromatik. Bahan baku diuapkan (H1) dan dilewatkan melalui reaktor desulfurisasi (R1). Panas dimanfaatkan dari keluaran reaktor melalui dua buah penukar kalor (A,B) sebelum proses kondensasi (C1) dan pemisahan uap (F1). Cairan dari tingkat pemisahan ini dipanaskan kembali oleh keluar reaktor (B) dan dimasukkan ke kolom stripping (D1) dengan tujuan mengeluarkan senyawa belerang.
Uap naphta dari kolom desulfurisasi ini kemudian dicampur dengan gas daur ulang. Campuran dua fasa tersebut dipanaskan kembali melalui rangkaian seri penukar kalor (C,D). Campuran akhirnya mencapai temperatur reaksi sebesar 500°C dengan tungku radiasi (H2) berbahan bakar campuran gas dan minyak.
Reaksi mulai terjadi pada dua reformer (R2,R3) dengan pemanasan antara (H3). Keluaran reformer, pada 490°C, didinginkan melalui serangkaian penukar kalor, sebagaian untuk pemanasan bahan baku (C,D,E), dan sebagian lagi untuk penyediaan sumber panas bagi kebutuhan proses yang lain (F,X).
Akhirnya pendinginan serta pemisahan gas dilakukan pada C2 dan F2. Gas daur ulang ditekan (P1) dan dipanaskan kembali (E) sebelum dicampur dengan bahan cairan baku reformer. Cairan dari tangki pembilas dilewatkan ke kolom stabilisasi (D2) dan penukar kalor ujung (G) dipasang untuk mengurangi kebutuhan pemanasan masukan kolom stabilisasi. Aliran produk akhirnya didinginkan pada C3 sebelum dimasukkar kedalam tempat penyimpanan.
6.2. Ekstraksi Data dan Penargetan Energi
Jaringan penukar kalor desain terpasang ditunjukkan melalui diagram proses pada Gambar 1. Dari diagram tersebut dipilih perbedaan temperatur minimum sebesar 20°C. Data aliran yang relevan yang diekstrak dari diagram proses ditunjukkan pada Tabel 1. Data tambahan yang dibutuhkan untuk penargetan luas ditampilkan pada Tabel 2.
Langkah pertama adalah melakukan penargetan energi untuk membentuk kurva komposit. Kemudian dilakukan penargetan luas di mana target koefisien perpindahan kalor untuk tiap aliran dapat dicari sehingga luas penukar kalor yang dibutuhkan dapat dihitung.
Dengan menerapkan metode perancangan Pinch, penargetan energi akan memberikan konfigurasi jaringan penukar kalor yang memberikan daur ulang energi maksimum (MER) seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Pada jaringan tersebut terdapat sejumlah 'loop' dan 'path' yang diberi tanda dengan garis putusputus. Perbaikan jaringan kemudian dilakukan dengan menghilangkan salah satu penukar kalor yang membentuk 'loop' tersebut dan mendistribusikan kembali beban panas melalui 'path' yang ada. Bentuk
akhir jaringan hasil relaksasi dengan jumlah penukar kalor lebih sedikit dibanding dengan untuk konfigurasi MER ditunjukkan dalam Gambar 3.
Selanjutnya kita harus menghitung kebutuhan luas tiap penukar kalor dengan menggunakan koefisien perpindahan kalor yang diperoleh dari penargetan luas. Dari langkah ini kita dapat mendistribusikan rugi tekanan untuk aliran yang harus mempertukarkan energinya melalui lebih dari satu penukar kalor. Pendistribusian rugi tekanan didasarkan hubungan rugi tekanan yang menunjukkan luas penukar kalor adalah sebanding dengan rugi tekanannya.
Tabel 1. Data aliran industri aromatik.
| Aliran | Ts (°C) | T, (°C) | mCp (kW/°C) | ||
|---|---|---|---|---|---|
| H1 | 327 | 40 | 100 | ||
| H2 | 220 | 160 | 160 | ||
| Н3 | 220 | 220 60 | |||
| H4 | 160 | 45 | 400 | ||
| C1 | 100 | 300 | 100 | ||
| C2 | 35 | 164 | 70 | ||
| C3 | 85 | 138 | 350 | ||
| C4 | 60 | 170 | 60 | ||
| C5 | 140 | 300 | 200 | ||
| Minyak | 330 | 230 | |||
| Air dingin | 10 | 30 | |||
Gambar 1. Diagram alir proses industri aromatik.
Hasil perhitungan dengan bantuan program komputer yang telah dikembangkan ditunjukkan pada Tabel 3.
Tabel 2. Data untuk perancangan detail
| Aliran | р | Ср | μ | k | Rf | ΔΡ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| (kg/m³) | (J/kg°C) | (cPs) | (W/m°C) | (m2oC/W) | (kPa) | |
| H1 | 500 | 2000 | 0.25 | 0.11 | 0.00018 | 120 |
| H2 | 55 | 2192 | 0.01 | 0.026 | 0.00014 | 80 |
| H3 | 676 | 1877 | 0.28 | 0.11 | 0.00018 | 90 |
| H4 | 697 | 5480 | 0.31 | 0.11 | 0.00018 | 60 |
| Cl | 464 | 2000 | 0.16 | 0.11 | 0.00018 | 20 |
| C2 | 570 | 1590 | 0.30 | 0.11 | 0.00018 | 20 |
| . C3 | 1.0 | 10,000 | 0.01 | 0.17 | 0.00014 | 30 |
| C4 | 685 | 1580 | 0.27 | 0.11 | 0.00018 | 15 |
| C5 | 667 | 2740 | 0.21 | 0.11 | 0.00018 | 80 |
Tabel 3. Hasil perhitungan program komputer sistem penukar kalor untuk tiap pasangan aliran
| Penukar kalor | Ð | 12 | B | E4 | ES | E6 | E7 | 23 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Luas yang dikampkan (m2) | 71,47 | 691.99 | 1022.94 | 1139.61 | 276.14 | 28 1.91 | 527.37 | 24-12.17 |
| Luar sebenarnya (m2) | 72.6R | 41.32 | 1088,50 | 1824.99 | 284.52 | 257.71 | 545.49 | 2543.21 |
| Jumbh asngkang | 1 | 5 | 5 | 8 | 1 | 1 | 3 | 1 |
| Dinmeter can gleas g (num) | 345.49E | 767.848 | 151E.145 | 814 | 1399.033 | 985.998 | 772617 | 1471.548 |
| Jemish pipa | 161 | 319 | 1247 | 634 | 1039 | 526 | 323 | 518 |
| Jumini lalusa pipa | 2 | 4 | . 4 | 2 | 4 | 4 | 2 | 1 |
| Diameter haer pips (mm) | 25.4 | 25.4 | 25.4 | 19,1 | 25.4 | 25.4 | 25.4 | 19.1 |
| Diameter delam pipe (mm) | 21.7 | 21.7 | 21.7 | 15×L, | 21.7 | 21.7 | 21.7 | 15.4 |
| Jerok anter pipa (mm) | 34.1 | 38.1 | 38.3 | 28.65 | 34.1 | 38,1 | 38.1 | 21.45 |
| Panjang pipa (mm) | 3657 | क्रक | 2116 | 5997 | 3367 | 6340 | 7055 | 10389 |
| Baffle Cut (%) | 25 | 25 | ង | 25 | 25 | 25 | 25 | 25 |
| Jemish baffin | 5 | 9 | 6 | . 6 | 10 | 12 | 10 | 2 |
| ht (W/m2C) | 1692.01 | 1707,40 | 21 17.34 | 1615.06 | 1725,09 | 3012,05 | 1491.77 | 1369.49 |
| hs (W/ss2C) | 552.08 | 568,60 | 993.04 | 673.60 | L001.46 | $63.90 | 550.47 | 875.56 |
| Rf(⊫⊇C/W) | 8.00036 | 8.00036 | 0.00032 | 9.00036 | 0.00036 | 0.00036 | 0.00036 | 0.00032 |
| U (NVAICE) | 3620j | 369,77 | 556.41 | 405.89 | .515.94 | 401,73 | 351.42 | 500,74 |
| ÁPI (LPa) | 3,62 | 15.00 | 62,99 | 20.00 | 17.01 | 6.40 | 11.96 | 30,00 |
| ΔP+ (tP+) | 8.43 | 81.57 | 80.00 | 93.26 | 5,18 | 33.23 | 26,74 | 49.54 |
Gambar 3. Jaringan penukar kalor hasil relaksasi.
Dapat dilihat dari tabel tersebut perbandingan antara prediksi konsumsi energi jaringan dan kebutuhan luas yang ditempuh pada tiap tahap analisis. Pada tahap penargetan, prakirakan luas jaringan yang dibutuhkan adalah 7353 m² dan kebutuhan luas yang sesungguhnya melalui perancangan detail penukar kalor adalah 7338 m². Dengan prosedur baru ini perbedaan antara kebutuhan luas hanya sebesar 0.02%.
Jadi kebutuhan luas sistem aliran sekarang dapat diperkirakan sebelum membuat analisis jaringan penukar kalornya. Kemudian dengan pendekatan perancangan penukar kalor yang baru dapat dirancang penukar kalor berdasarkan rugi tekanan yang dapat menhasilkan kebutuhan luas penukar kalor yang mendekati target luas minimum.
7. KESIMPULAN
Optimasi yang benar harus memenuhi syarat adanya konsistensi antara sintesis jaringan dan perancangan detail peralatan. Dengan metode perancangan konvensional, tidak dapat dilakukan penargetan luas. Metode perancangan tersebut juga tidak dapat menjamin agar rugi tekanan tidak melewati batas yang diijinkan dapat dipenuhi.
Konsistensi antara sintesis dan perancangan hanya dapat dicapai jika kedua proses tersebut dilakukan atas dasar yang sama. Hal ini berarti sintesis jaringan harus didasarkan pada rugi tekanan yang dijinkan.
Perangkat lunak komputer untuk penerapan algoritma luas jaringan tanpa melibatkan rugi tekanan telah dikembangkan sebelumnya. Dengan menggabung bersama program yang dikembangkan ini memungkinkan untuk dapat melakukan selain penargetan luas minimum juga melakukan perancangan penukar kalor untuk tiap pasangan aliran.
Jadi melalui penggabungan dengan program yang dikembangkan terdahulu maka dapat dilakukan perancangan jaringan penukar kalor dengan teknik pinch yang melibatkan kendala rugi tekanan.
PEMBERITAHUAN
Penelitian ini dilaksanakan dalam rangka program penelitian untuk pengembangan pasca sarjana (URGE) sebagai salah satu bagian dari topik keseluruhan yaitu, Pengembangan Penerapan Metoda Analisis Untuk optimasi Sistem Termal dan Proses, untuk ini penulis menyampaikan terimakasih atas dukungan yang diberikan.