Prosiding Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLRTahun 2016 ISSN 0852-2979

ANALISIS EFISIENSI KALOR SISTEM EVAPORASI IPLR

Ajrieh Setyawan1, Andreas Krisyadi Mandik2Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-Badan Tenaga Nuklir Nasional

Kawasan PUSPIPTEK Serpong Gedung 50E-mail: ajrieh@batan.go.id

ABSTRAK

ANALISIS EFISIENSI KALOR SISTEM EV APORASI IPLR. Evaporator merupakan salah satu instrumen utamapengolahan limbah radioaktif cair. Mengingat sistem evaporasi telah beroperasi selama lebih dari 30 tahun, maka perludihitung efisiensi kalor pada sistem evaporasi. Efisiensi kalor dihitung dengan data real input dan output steam padasistem pengolahan dan dukung karakterisasi selama operasi evaporasi. Hasil perhitungan didapatkan efisiensi kalorpada sistem evaporasi sebesar 58%. Asumsi yang dapat mempengaruhi efisiensi kalor yaitu pressure drop pada pipa,transfer panas ke lingkungan, pembentukan korosi dan kerak, serta berbagai hal yang dapat memengaruhi kualitassteam.

Kata Kunci : Evaporasi, Kalor panas

ABSTRACT

ANALYSIS EFFICIENCY CALORIFIC IN RWI EVAPORATION SYSTEM. Evaporation is one of the main instrumentsof liquid radioactive waste treatment. Given the evaporation system has been in operation for over 30 years, it isnecessary to calculate the efficiency of heat on evaporation system. Heat efficiency is calculated with real data inputand output steam in processing systems and support the characterization during evaporation operation. Heat efficiencycalculation resulting in evaporation systems in PTLR by 58%. Another assumption of the things that can affect theefficiency of the heat that is pressure drop in the pipe. the heat transfer to the environment. the formation of corrosionand scale. as well as a variety of things that can affect the quality of steam.

Keywords: Evaporation. calorific heat,

PENDAHULUAN

Evaporasi dapat didefinisikan sebagai suatu operasi dimana suatu larutan dipisahkan berdasarkanvolatilitasnya. Komponen yang sulit menguap tetap berada dalam fase cair, sedangkan yang mudahmenguap diubah dalam fase gas, sehingga didapatkan larutan yang lebih pekat. Perpindahan panas danperpindahan massa adalah dua proses dasar yang terjadi dalam evaporasi. Selama proses evaporasi, harusdiberikan kalor untuk menyediakan energi yang diperlukan untuk mengubah komponen volatil menjadi fasegas [I]

Selama proses evaporasi berlangsung, seringkali zat padat mengendap di sekitar bidang pemanasdan membentuk kerak. Adanya kerak menyebabkan terjadinya kenaikan tahanan terhadap perpindahanpanas, dan akibatnya ialah semakin lambatnya proses pemisahan pada evaporator. Pembentukan keraksemacam ini tidak dapat dicegah, dan terjadi pada semua jenis evaporator, tetapi kecepatanpembentukannya dapat diperlambat. Zat-zat pembentuk kerak paling terkenal adalah Ca(OHh, CaS04,Na2C03, Na2S04 dan garam-garam dari asam organik tertentu. Sangat tidak mungkin untuk mencegahpembentukan kerak apabila dalam sampel umpan terdapat bahan-bahan pembentuk kerak, kecepatanpembentukan dapat diperlambat dengan kecepatan yang tinggi lewat bidang pemanas. Salah satu cara untukpembersihan kerak pada evaporator dapat digunakan bahan kimia yaitu dengan asam penghilang kerakseperti HN03.[2]

75

Ajrieh Setyawan, Andreas Krisyadi Mandik: Analisis Efisiensi Kaler ...

Neraca Bahan

vXy

F&;

s

Gambar 1: Diagram single effect evaporator [3]

Gambar 1 memperlihatkan diagram evaporator yang disederhanakan, dimana bidang pemanasdinyatakan oleh aliran S. Misalkan umpan masuk evaporator dengan kecepatan F kg/jam dan mengandungzat padat dengan fraksi massa XF.Zat hasil yang meninggalkan evaporator berupa cairan pekat sebanyak Lkg/jam dan mengandung solut dengan fraksi berat XL.Di samping itu dihasilkan pula V kg/jam uap yangmempunyai konsentrasi solut Xv. Persaman neraca bahan total dan neraca bahan solut di evaporator adalah:

F = L + V ( 1)

F x 11' = Lx L + Vx v (2)Umumnya di dalam uap tidak terdapat solut, sehingga Xv sama dengan nol, sehingga persamaannyamenjadi:

Fx 11' = Lx L •••••• ; •••••••• : •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• (3)

Kalor Sensibel dan Kalor Laten

Steam120

10080G60

~I- 40

200-200

100

Water + Steam

200 300 400 500 600

AO/m (caVg)

Gambar 2 : Grafik suhu vs kalor spesifik

700 800

Gambar di atas menunjukkan ada 2 jenis hubungan antara energi kalor yang dimiliki suatu materi dengantemperatur.

I. Kenaikan temperatur sebanding dengan energi yang dimiliki

Sesuai dengan grafik di atas maka terdapat hubungan garis lurus antara LlQ/m dengan T. Untukmenghubungkan kedua variabel tersebut maka didefinisikan sebuah koefisien cp (kapasitas panas

76

Prosiding Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLRTahun 2016 ISSN 0852-2979

spesifik). Kapasitas panas spesifik yaitu jumlah kalor per satuan massa yang dibutuhkan untukmenaikkan temperatumya sebanyak 1 satuan suhu. Sehingga hubungan antara Q dan T yaitu:

Q = 11lCp 6T (4)......................................

Dimana ilT merupakan selisih antara suhu suatu materi dengan suhu referensinya.Kalor yang dibutuhkan pada saat menaikkan temperatur disebut dengan kalor sensibel.

2. Tidak teIjadinya kenaikan temperatur pada saat perubahan fasePada saat perubahan fase, kalor yang diterima suatu materi digunakan untuk mengubah fase materitersebut, sehingga tidak terjadi peningkatan suhu pada titik tersebut. Oleh karena itu tidak terdapathubungan antara Q dan T, melainkan dikenal sebuah variabel yang diberi nama kalor latenspesifjk, dengan hubungan sebagai berikut.

Q = mL ( 5)

L merupakan besamya jumlah energi per satuan massa yang dibutuhkan suatu materi untukberubah fase. Nilainya bervariasi berdasarkanjenis materi yang diberikan kalor.

METODOLOGI

Tujuan analisis efisiensi kalor pada sistem evaporator untuk menghitung efisiensi kalor sistemevaporasi IPLR dan mengetahui hal-hal yang memengaruhi nilai efisiensi kalor. Analisis ini dilakukandengan cara membandingkan jumlah steam yang dibutuhkan dari hasil perhitungan menggunakan neracakalor dengan steam yang digunakan pada praktiknya. Data mengenai kinerja evaporator dan fasilitaspendukung evaporator diambil dari penggunaan evaporator di PTLR pada tanggal20 Januari 2015.

Asumsi

a. Nilai cp pada umpan, konsentrat dan destilat sarna dengan cp pelarut mumi (air)b. Limbah radioaktif cair sebagai masukan memiliki suhu 25°C

c. Tidak teIjadinya kenaikan titik didih pada konsentrat dan destilat

d. Nilai konsentrasi massa pelarut (air) sarna dengan densitasnya

HASIL DAN PEMBAHASAN

Analisis kalor umpan masuk dalam sistem evaporator dengan kecepatan F kg/jam wf = 0,75 g/Idan Vf = 0,71 m3/jam dan mengandung zat padat dengan fraksi massa XF. Zat hasil yang meninggalkanevaporator berupa cairan pekat sebanyak L kg/jam dan mengandung solut dengan fraksi berat sebesar 104,8g/l dengan tekanan steam 4,8 bar dan suhu 100°C

v

P"'''1'''''''''" =46 mbar

F

WF = 0,75 gjl

VF = 0,71 m3fjam

Sin

Ps = 4,8 bar

Sou,

L

\\'L = 104,8 gfl

Gambar 3. Neraca Kalor sistem evaporator

77

Ajrieh Setyawan, Andreas Krisyadi Mandik: Analisis Efisiensi Kalar ...

Kalor yang dibawa oleh Umpan

'\ = m~c", T_l( ,. rrr r, 9 9 _

PF = wp + w~ir,.F = 0,75T + 997T = 997,/5 gflWp 0,75 gll

x-= - =----= 7,5 X 10-4,. PF 997,75 9 /1

( m")COOOl)Cjam) ( g)( 1kg)rnp = Vp x PF = 0,71 jam · 1 m" .' 3600 s· x .997,75T · 1000 01 = 0,20 kglskJ

C1:)_ = 4,18-k-·.r g.KTp = 25"C = 298 K

elF = mFCp TF = (0,20 _kg) (4,18-. k_J_) (298 K) = 250 kJF s kg. K s

Analisis Kalor yang dibawa oleh Steam

el$i1'1= mScpSTY;5!I/:+ m'sLy;

kJ

cps = 4,256 kg. K

T$5!I/:= 150,3"C = 423,3 K

Ls = 2113,3 kJJkg

el$' = my;c"'sTs + msLs = ms (4,256 -.!sL) (423,3 K) + ms (2113,3 kJ) = (3915 kJ )ms'1'1 r 5<ot kg.K kg kg

el$r"H = mscp:sTsout

To = 100'C = 373 KSour

el$ =mscp Ts = 1ns( 4,256 -.!sL) (373 K) = (1590 kJ )msout S out kg. K kg

Analisis Kalor yang dibawa oleh Konsentrat

elL = mLcPLTL9 9

PL = wL + wair,l. = 104,8- + 995 - = 1099,8 gll1 1

WL 104,8gllx =-= -0,105

L PL 995 gllmLxL = mpxp

x;: 7,5 X 10-4 kg kg

mL=-L= 0105 xO,20-=1,6>,10-o-XL' s skJ

C = 418--PL • kg.K

TL = 31.12"C = 304.12 K

. (_kg) ( kJ). kJelL = mLcp TL = 1.6 X 10 d_ 4,18-- (304,12 K) = 2,0-L S kg. K s

Analisis Kalor yang dibawa oleh Vapor

78

Prosiding Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2016 ISSN 0852-2979

kJc .. , = 4,18--

PV{CalT) kg. K

Tt',;ar= 31,12"C = 304,12K

Lv = 2427,8 kJ jkgkJ

c.. = 18706--PV(uar) , kg. K

Tv = 10S"C = 378 K

.r\, = nivcPV{ "T •. + nivLv + niVCM\'h' ,(Tv - Tv )'-(t:~ll"') s~rY '\~~) ,s~t'

= (0,20 k8) (4,18 k kJ LT) (304,12 K) + (0.20 k8) (2427,8 ~J). S' ~A S ~ ~

+ (0,20 k8) (1,8706 kkJ ) (378 K - 304,12 K)s -y.KkJ= 770­s

Neraca Kalor

QSm + QF = Qsour + Qy + QL

( kJ ) kJ ( kJ ) kJ kJ·3915 - IDS+250 - = 1590~ tits +770 -+ 2,0-ky s 9 s s

(kJ) kJ2325- IDS= 522­kg- s

kgms = 0,225 -s

Efisiensi Termal Sistem Evaporasi

. klJ klJmSkrucl = 1400-.- = 0,39-.~ Jam s

. O?')5~rns ,--

11 = . x 100% = k S x 100% = 58%m5"~~ 039~, s

Analisis efisiensi kalor dilaksanakan dengan tujuan untuk mengetahui efisiensi penggunaan energikalor dalarn pengolahan lirnbah radioaktif secara evaporasi di PTLR. Dari hasil analisis didapatkan bahwasistern evaporasi rnerniliki efisiensi kalor sebesar 58%. Angka tersebut didapat rnelalui perbandinganjurnlah steam yang digunakan pada sistern evaporasi di PTLR dengan jurnlah steam yang digunakan padasistern ideal.

Pada analisis diterapkan beberapa asurnsi untuk rnernudahkan perhitungan. Nilai cp yangdiasurnsikan sarna dengan pelarut rnurni dikarenakan rendahnya fraksi rnassa terlarut, sehingga perubahannilai cp tidak terlalu besar dan dapat dianggap sarna. Hal tersebut juga berlaku pada kenaikan titik didih.Untuk larutan yang rnerniliki fraksi rnassa terlarut yang cukup besar tidak dibolehkan untuk rnenggunakankedua asurnsi di atas, karena perubahan nilai cp serta kenaikan titik didih akan sangat berpengaruh kepadaenergi kalor yang tersirnpan.

Pada anal isis kalor digunakan suhu referensi aoe, artinya saat larutan berada pada aoe, Q = a.Penentuan suhu referensi pada aoe agar analisis lebih rnudah dipaharni. Untuk rnateri yang berada dalarnfase cair (urnpan, konsentrat, kondensat) jurnlah kalor total yang dibawa sarna dengan jurnlah kalorsensibelnya, dikarenakan dari suhu aoe sarnpai pada kondisi akhir tidak diperlukan perubahan fase.Sedangkan pada rnasukan steam, kalor total yang dibawa rnerupakan carnpuran dari kalor untuk rnenaikkansuhu steam (pada fase cair, dari aoe hingga titik didih) serta kalor laten yang dibutuhkan steam untukberubah fase rnenjadi uap. Pada vapor, selain kalor untuk rnenaikkan suhu pada saat cair dan kalor untuk

79

Ajrieh Setyawan, Andreas Krisyadi Mandik: Analisis Efisiensi Kalar ...

berubah fase, kalar juga digunakan untuk menaikkan suhu pada fase gasnya. Kondisi tersebut dinamakansuperheated.

Tidak sempumanya nilai efisiensi kalor disebabkan oleh beberapa hal, salah satunya oleh pressuredrop. Pressure drop disebabkan karena adanya gaya gesek yang terjadi dengan pipa. Gaya gesek tersebutdapat meningkatkan tahanan pada transfer massa dari boiler menuju evaporator, sehingga properti steamyang dihasilkan pada boiler tidak sarna dengan steam yang digunakan di evaporator. Selain pressure drop,efisiensi juga sang at dipengaruhi oleh transfer panas keluar sistem. Pada praktiknya, kalor yang dibawa olehsteam tidak sepenuhnya digunakan untuk memisahkan konsentrat dan destilat, melainkan juga didapat kaloryang lepas pada pipa dari boiler menuju evaporator, dan bahkan perpindahan panas keluar sistem jugaterjadi pada evaporator. Pressure drop serta pelepasan kalor ke lingkungan tidak dapat dicegah, melainkanhanya dapat dikurangi dampaknya pada sistem evaporasi.

Selain pressure drop dan transfer panas keluar sistem, penurunan efisiensi kalor juga dapatdisebabkan karena reaksi antara limbah radioaktif cair dengan peralatan yang digunakan (korosi, kerak).Korosi dan kerak pada permukaan penghantar panas dapat menghambat proses perpindahan panas padaevaporator sehingga dibutuhkan steam yang lebih banyak agar evaporasi berjalan normal. Selain itu,penurunan efisiensi kalor dapat disebabkan karena terdapat pipa yang bocor, kesalahan alat ukur, dansebagainya.

KESIMPULAN

Dari kegiatan diatas dapat ditarik kesimpulan bahwa Efisiensi kalor pada sistem evaporasi padafasilitas IPLR saat ini sebesar 58%. Hal-hal yang mempengaruhi efisiensi yaitu pressure drop pada pipa,transfer panas ke lingkungan, pembentukan korosi dan kerak, serta berbagai hal yang dapat memengaruhikualitas steam.

DAFT AR PUST AKA

I. Benedict, M., Pigford, T. H., & Levi, H. W. (1981). Nuclear Chemical Engineering. New York:McGraw-Hill.

2. Evaporation System, System Note RWI 220 NJM 0001. (tthn.).

3. Walman, E. (1994). Evaporasi. Serpong: Pusat Teknologi Pengolahan Limbah RadioaktifBadan

Tenaga Atom Nasional.

4. http://nptel.ac.in/courses/I03I03032/module9/lec38/3.html. (tthn.). Dipetik February 28,2017,

dari NPTEL Web site: http://nptel.ac.in/coursesll 031 03032/module9/lec38/3.html

5. Badan Tenaga Nuklir Nasional- Sejarah. (t.thn.). Dipetik February 27,2017, dari BAT AN Web

site: http://www.batan.go.id/index. php/id/home/ seiarah

6. Nagasaki, S. (2015). Radioactive Waste Engineering and Management. Tokyo: Springer.

7. Pumomo, S., Setyawan, A., & Aji, D. (2015). Karakterisasi Limbah RadioaktifCair untuk

Kesesuaian Proses Evaporasi. Prosiding Seminar Nasional Teknologi Pengolahan Limbah XIII

Tahun 2015, (hal. 37-43).

80