LABORATORIUM PROSES PEMISAHAN DENGAN PERPINDAHAN MASSA Simulasi Heat Exchanger

LABORATORIUM PROSES PEMISAHAN DENGAN

PERPINDAHAN MASSA

Percobaan : ...........................

PROGRAM STUDI D3 TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

2015

Kelompok : ...............

Nama :

1. ........................................... NRP. ........................................

2. ........................................... NRP. ........................................

3. ........................................... NRP. ........................................

4. ........................................... NRP. ........................................

Tanggal Percobaan : .................................................................

Tanggal Penyerahan : .................................................................

Asisten : .................................................................

Dosen Pembimbing : .................................................................

Simulasi Heat Exchanger

III α

May Saktiane N.

Zandhika Alfi P.

Nurul Qiftiyah

Rizka Amalia K.P.

14 April 2015

Agung Satrio Permono

2313 030 029

2313 030 035

2313 030 067

2313 030 073

Saidah Altway, S.T, M.T, M.Sc

21 April 2015

i

ABSTRAK

Percobaan simulasi heat exchanger ini bertujuan untuk mensimulasikan perhitungan

massa nitrogen yang dibutuhkan untuk mendinginkan ethanol pada heat exchanger dengan

software Hysys, mengetahui proses produksi pada pabrik ethanol, mengetahui maksimum energi

recovery pada simulasi heat exchanger dengan software Hysys, dan menghitung neraca energi

serta membandingkan perhitungan manual dengan simulasi heat exchanger yang telah dilakukan.

Dalam percobaan simulasi heat exchanger tahap pertama yaitu membuka case baru.

Setelah itu, menambahkan semua komponen yang akan digunakan, yaitu methane, ethane,

propane, water, nitrogen, hydrogen, H2S, methanol, ethanol, i-propanol.pada Components.

Selanjutnya, memilih Fluid Package yang digunakan, yaitu Antoine. Klik Enter Simulation

Environment, maka akan muncul jendela PFD (Process Flow Diagram). Memilih alat dan

melakukan pengisian data serta pengaturan untuk masing-masing alat sesuai dengan soal yang

diberikan. Alat yang pertama adalah compressor. Alat yang kedua, yaitu kolom destilasi. Alat yang

ketiga, yaitu heat exchanger. Alat yang keempat, yaitu splitter. Alat kelima, yaitu splitter. Alat yang

keenam sampai delapan yaitu mixeer. Alat yang kesembilan sampai sebelas, yaitu expander. Alat

yang keduabelas sampai empatbelas , heat exchanger. Alat yang kelimabelas, yaitu tee. Alat yang

keenambelas sampai delapanbelas, yaitu reaktor. Alat yang kesembilanbelas, yaitu component

splitter. Alat yang keduapuluh, yaitu heat exchanger. Selanjutnya, memastikan semua aliran fluida

berwarna biru tua, semua alat berwarna silver, dan semua aliran energi berwarna merah tua.

Berdasarkan hasil simulasi heat exchanger yang dilakukan dengan software Hysys, dapat

diketahui bahwa Massa nitrogen yang dibutuhkan untuk mendinginkan ethanol hingga suhu 30oC

pada heat exchanger kelima sebesar 36408.343 kg/jam dan hasil perhitungan didapatkan suhu

keluar dari tube heat exchanger sebesar 23,0268°C, hal ini tidak sesuai dengan suhu keluar tube

heat exchanger dari simulasi heat exchanger menggunakan program hysys sebesar 25°C.

ii

DAFTAR ISI

ABSTRAK.................................................................................................................... i

DAFTAR ISI ............................................................................................................... ii

DAFTAR GAMBAR ................................................................................................... iii

DAFTAR TABEL ........................................................................................................ iv

BAB I PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang ............................................................................................... I-1

I.2 Rumusan Masalah .......................................................................................... I-1

I.3 Tujuan Percobaan .......................................................................................... I-2

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

II.1 Dasar Teori ................................................................................................... II-1

II.2 Aplikasi Industri ........................................................................................... II-11

BAB III METODOLOGI PERCOBAAN

III.1 Variabel Percobaan Simulasi ...................................................................... III-1

III.2 Tahapan Penggunaan Hysys .................................................................... III-1

BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN

IV.1 Hasil Simulasi ........................................................................................... IV-1

IV.2 Pembahasan................................................................................................. IV-2

BAB V KESIMPULAN .............................................................................................. V-1

DAFTAR NOTASI ...................................................................................................... vi

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................. vii

APPENDIKS ............................................................................................................... viii

LAMPIRAN: - Jurnal Aplikasi

- Lembar Revisi

iii

DAFTAR GAMBAR

Gambar II.1 Double Pipe Heat Exchanger ........................................................ II-4

Gambar II.2 Shell and Tube Heat Exchanger .................................................... II-5

Gambar II.3 Plate and frame heat exchanger .................................................... II-6

Gambar II.4 Pola Aliran dan Distribusi Temperatur dalam Co-Current Flow .. II-7

Gambar II.5 Double Pipe Heat Exchanger ........................................................ II-7

Gambar II.6 Lokasi Fouling Factor dan Koefisien Perpindahan Panas ............ II-9

Gambar III.1 Cara Membuka Case baru ............................................................. III-1

Gambar III.2 Tampilan Case baru ...................................................................... III-2

Gambar III.3 Pemilihan Komponen yang Akan Digunakan ............................... III-2

Gambar III.4 Pemilihan Fluid Package yang Akan Digunakan ......................... III-3

Gambar III.5 Jendela Process Flow Diagram..................................................... III-3

Gambar III.6 Compressor yang belum dapat dioperasikan ................................ III-4

Gambar III.7 Pengisian Nama Aliran pada Compressor .................................... III-4

Gambar III.8 Input komposisi pada compressor aliran 1 ................................... III-5

Gambar III.9 Input kondisi operasi pada compressor aliran 1 ........................... III-5

Gambar III.10 Input kondisi operasi pada compressor aliran 2 ........................... III-6

Gambar III.11 Distillation Column yang belum dapat dioperasikan .................... III-6

Gambar III.12 Pengisian Nama Aliran pada Distillation Column ........................ III-7

Gambar III.13 Pengisian Data yang Diketahui pada Distillation Column ............ III-7

Gambar III.14 Pengisian Data Condenser Pressure dan Reboiler Pressure pada

Distillation Column ....................................................................... III-8

Gambar III.15 Pengisian Data pada Distillation Column ..................................... III-8

Gambar III.16 Pengisian Data Liquid Rate dan Reflux Ratio pada Distillation

Column .......................................................................................... III-9

Gambar III.17 Proses Running pada Distillation Column .................................... III-9

Gambar III.18 Tampilan Distillation Column setelah Proses Running................. III-10

Gambar III.19 Heat Exchanger yang belum dapat dioperasikan .......................... III-10

Gambar III.20 Pengisian Nama Aliran pada Heat Exchanger .............................. III-11

Gambar III.21 Input kondisi operasi pada heat exchanger aliran 6 ..................... III-11

Gambar III.22 Pengisian Komposisi Fluida heat exchanger aliran 5 .................. III-12

iv

Gambar III.23 Pengisian kondisi operasi heat exchanger aliran 5 ......................... III-12

Gambar III.24 Pengisian kondisi operasi heat exchanger aliran 7 ......................... III-13

Gambar III.25 Pengisian ∆P pada Heat Exchanger ................................................ III-13

Gambar III.26 component splitter yang belum dapat dioperasikan ........................ III-14

Gambar III.27 Pengisian Nama Aliran pada Component Splitter ........................... III-14

Gambar III.28 Pengisian Data Komponen yang Ingin Dipisahkan pada

Component Splitter .......................................................................... III-15

Gambar III.29 Pengisian Data Kondisi Operasi pada Component Splitter ............. III-15

Gambar III.30 Component Splitter yang belum dapat dioperasikan ....................... III-16


Gambar III.32 Pengisian Data Komponen yang Ingi Dipisahkan pada



Gambar III.34 Mixer yang belum dapat dioperasikan ............................................. III-18

Gambar III.35 Pengisian Nama Aliran pada Mixer ................................................. III-18


Gambar III.37 Penambahan Nama Aliran pada Mixer ............................................ III-19


Gambar III.39 Pengisian Nama Aliran pada Mixer ................................................. III-20

Gambar III.40 Expander yang belum dapat dioperasikan ....................................... III-21

Gambar III.41 Pengisian Nama Aliran pada Expander ........................................... III-21

Gambar III.42 Pengisian Data Kondisi Operasi pada Expander ............................. III-22



Gambar III.45 Pengisian Data Kondisi Operasi pada Expander ............................. III-23



Gambar III.48 Pengisian Data Kondisi Operasi Expander ..................................... III-25

Gambar III.49 Heat Exchnager yang belum dapat dioperasikan ............................ III-25

Gambar III.50 Pengisian Nama Aliran pada Heat Exchanger ................................ III-26


v

Gambar III.52 Pengisian Data Kondisi Operasi pada Heat Exchanger .................. III-27

Gambar III.53 Persiapan Pembuatan Reaksi pada Reactor ..................................... III-27

Gambar III.54 Tampilan saat Pemilihan Reaksi untuk Reactor ........................ III-28

Gambar III.55 Pengisian Komponen dan Stoichioetry Coefficient dalam

Persiapan Reaksi .............................................................................. III-28

Gambar III.56 Pengisian Basis Konversi pada Persiapan Reaksi ........................... III-29

Gambar III.57 Tampilan saat Pemilihan Reaksi untuk Reactor .............................. III-29

Gambar III.58 Pengisian Komponen dan Stoichiometry Coefficient pada


Gambar III.59 Pengisian Basis Konversi pada Persiapan Reaksi ........................... III-30

Gambar III.60 Tampilan saat Pemilihan Reaksi untuk Reactor .............................. III-31

Gambar III.61 Pengisian Komponen dan Stoichiometry Coefficient pada


Gambar III.62 Pengisian Data Basis Konversi pada Persiapan Reaksi ................... III-32

Gambar III.63 Tampilan saat Proses Penambahan Reaksi untuk Reactor .............. III-32

Gambar III.64 reactor yang belom dapat dioperasikan .......................................... III-33

Gambar III.65 Pengisian Nama Aliran pada Reactor.............................................. III-33

Gambar III.66 Proses Pemilihan Reaksi yang Digunakan pada Reactor ................ III-34

Gambar III.67 Heat Exchanger yang belom dapat dioperasikan ............................ III-34


Gambar III.69 Pengisian Data Komposisi Fluida pada Heat Exchanger ................ III-35





Gambar III.74 Tampilan setelah Penambahan Alat Heat Exchanger ..................... III-38


Gambar III.76 Pengisian Data ∆P pada Heat Exchanger ........................................ III-39


Gambar III.78 Alat Tee yang belom dapat dioperasikan ......................................... III-40

Gambar III.79 Pengisian Nama Aliran pada Tee .................................................... III-40

vi

Gambar III.80 Pengisian Dynamic Splits pada Tee ................................................. III-41

Gambar III.81 Reactor yang belom dapat dioperasikan.......................................... III-41


Gambar III.83 Pengisian Reaksi yang Akan Digunakan pada Reactor .................. III-42

Gambar III.84 Tampilan setelah Penambahan Alat Reactor ................................... III-43


Gambar III.86 Pengisian Reaksi yang Akan Digunakan pada Reactor .................. III-44

Gambar III.87 Alat Component Splitter yang belom dapat dioperasikan ............... III-44


Gambar III.89 Pengisian Komposisi Komponen yang Ingin Dipisahkan pada




Gambar III.92 Alat Heat Exchanger yang belom dapat dioperasikan .................... III-47


Gambar III.94 Pengisian Komposisi Fluida yang Digunakan pada

Heat Exchanger ............................................................................... III-48




Gambar III.98 Tampilan Hysis setelah Proses Selesai ............................................ III-50

Gambar IV.1 Hasil Perhitungan Heat Exchanger E-100 pada Worksheet Hysys.. IV-1

Gambar IV.2 Hasil Plot Hubungan antara Temperatur dan Heat Flow ................ IV-2

vii

DAFTAR TABEL

Tabel IV.1 Perbandingan Temperatur Pada Shell..................................................... IV-1

Tabel IV.2 Perbandingan Temperatur Pada Tube..................................................... IV-1

viii

DAFTAR NOTASI

Simbol Keterangan Satuan

Cp Heat of Capacity (gcal/gmol)(K))

m massa gram

n Mol mol

H Enthalpy Kalori/grammol

L Heat of vapor Kcal/kgmole

T1 Temperatur tube in K

T2 Temperatur tube out K

t1 Temperatur shell in K

t2 Temperatur shell in K

BM Berat Molekul gram mol

Q Energi Panas Kalori

ix

DAFTAR PUSTAKA

Abi. (2012). fungsi, jenis dan bahan fitting . UK manufacturer Hydraulic Fittings 3500

types of adapters from stock .

Aspentech. (2005). HYSYS Operations Guide. Cambridge: Aspen Technology, Inc.

Dr. Ing. Anton Irawan., S. (2011). Modul Praktikum Perancang Alat Proses.

Ekasari, F., Effendi, R., & Iskandar, E. (2014). Pengendali Temperatur Fluida Pada Heat

Exchanger dengan Menggunakan Algoritma Model Predictive Control (MPC).

Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember , 1-6.

Endah, & Sperisa, A. N. (2007). Pengaruh Kondisi Fermentasi Terhadap Yield Etanol Pada

Pembuatan Bioetanol dari Pati Garut. Gema Teknik .

Geankoplis, C. J. (2003). Transport Processes and Separation Process Principles. New

Jersey: Prentice Hall Professional Technical Reference.

Handoyo, E. A. (2000). Pengaruh Kecepatan Aliran Terhadap Efektivitas Shell-and-Tube

Heat Exchanger. Jurnal Teknik Mesin Vol. 2, No.2 , 86-90.

Ikhsan, D. (2013). Rancang Bangun Digester Semi Kontinyu pada Produksi Biogas dan

Pupuk Organik dari Sampah Organik. Fakultas Teknik Universitas Diponegoro , -.

Kern. Donald. Q. 1965. Proses Heat Transfer. International Edition. Singapore : Mc

GrawHill Book Company.

Paduana, B. (2012). Perpindahan Panas (Alat Penukar Panas). Fakultas Teknik Uniersitas

Sumatera Utara .

Poernomo, H. (2013). Pembuatan Alat Monitoring Mesin Penukar Panas (Heat Exchanger)

untuk Menganalisis Unjuk Kerja dan Karakteristiknya. KAPAL , 164-174.36.

Septianto, E. (2010). Alat Penukar Kalor Analisa Performance Heat Exchanger Jenis Shell

And Tube. Mechanical Engineering .

Sinuraya. (2012). Perancangan Ulang Alat Penukar Kalor . Universitas Sumatera Utara , -.

Surhim, A. W. (2013). Peralatan proses. Pengantar Teknik Kimia

Syarkawi, A. (2010). Studi Awal tentang Mixer dalam Rangka Pengkajian Rancangan

Mixer Propelan. Pusat Teknologi Wahana Dirgantara , 92-96.

Tim Fakultas Teknik UNY. (2004). Pemeliharaan/Servis dan Perbaikan Kompresor

Udara dan Komponen-komponennya. Yogyakarta: Depdiknas.

Wafi, A. (2011). Rancang Bangun Heat Exchanger Shell and Tube Single Phase.

Universitas Diponegoro , -.

Welty, J. R., Wicks, C. E., Wilson, r. E., & Rorrer, G. (2002). Dasar-Dasar Fenomena

Transport. Jakarta: Erlangga.

I-1

BAB I

PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Heat exchanger merupakan alat yang digunakan untuk proses perpindahan panas

antara dua atau lebih fluida yang berbeda temperaturnya. Di dalam heat exchanger terjadi

perpindahan panas dari fluida yang temperaturnya lebih tinggi ke fluida lain yang

temperaturnya lebih rendah (Handoyo, 2000).

Salah satu cara yang ditempuh untuk meningkatkan efisiensi thermal adalah dengan

mengunakan alat penukar kalor. Adapun beberapa jenis alat penukar kalor yang digunakan

adalah superheater, economizer, feed water heater, kondensor, heat exchanger dan lain

sebagainya. Untuk menguasai teknik tentang heat exchanger baik dalam pengoperasian

maupun perakitan, maka harus memahami prinsip-prinsip dasar cara kerja heat exchanger.

Pertukaran kalor terjadi melalui bidang-bidang perpindahan panasnya yang umumnya

berupa dinding-dinding pipa atau sirip-sirip (fin) yang dipasang pada pipa (Septianto,

2010)..

Salah satu aplikasi yang dapat menjelaskan tentang proses heat exchanger yaitu

hysys. Hysys merupakan software process engineering untuk mensimulasikan suatu unit

proses atau multi unit process yang terintegrasi, intuitive, iterative, open and extensible.

Hysys dapat dipergunakan untuk mensimulasikan unit-unit proses secara steady state dan

dynamic. Pada pelatihan ini hanya dijelaskan simulasi dengan Hysys dalam kondisi steady

state (Irawan, 2011).

I.2 Rumusan Masalah

Rumusan masalah dari praktikum simulasi heat exchanger adalah :

1. Bagaimana cara mensimulasikan perhitungan massa yang dipakai untuk

mendinginkan aliran ethanol hingga suhu 30oC pada heat exchanger dengan

software Hysys?

2. Bagaimana proses produksi pada pabrik ethanol?

3. Bagaimana cara mengetahui maksimum energi recovery pada simulasi heat

exchanger dengan software Hysys?

4. Bagaimana cara menghitung neraca energi dan membandingkan perhitungan

manual dengan simulasi heat exchanger yang telah dilakukan?

BAB I PENDAHULUAN

I-2

II Laboratorium Proses Pemisahan dengan Perpindahan Massa

Program Studi D3 Teknik Kimia

FTI - ITS

I. 3 Tujuan Percobaan

Tujuan percobaan dari praktikum simulasi heat exchanger adalah :

1. Untuk mensimulasikan perhitungan massa yang dipakai untuk mendinginkan aliran

ethanol hingga suhu 30oC pada heat exchanger dengan software Hysys.

2. Untuk mengetahui proses produksi pada pabrik ethanol.

3. Untuk mengetahui maksimum energi recovery pada simulasi heat exchanger

dengan software Hysys.

4. Untuk menghitung neraca energi dan membandingkan perhitungan manual dengan

simulasi heat exchanger yang telah dilakukan.

II-1

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

II.1 Dasar Teori

II.1.1 Hysys

Hysys merupakan software process engineering untuk mensimulasikan suatu unit

process atau multi unit process yang terintegrasi, intuitive, iterative, open and extensible.

Hysys sendiri adalah singkatan dari Hyphothetical System (sistem hipotesa). Simulasi

proses artinya membuat suatu proses produksi suatu bahan ke dalam diagram alir proses

(Process Flow Diagram) dan menghitung neraca massa dan neraca panas/energi pada masing-

masing peralatan yang digunakan. Hysys dapat digunakan untuk merancang beberapa

peralatan pada pabrik yang baru atau akan didirikan (sizing) atau mengevaluasi kinerja suatu

peralatan pada pabrik yang sudah ada (rating).

Hysys merupakan software process engineering untuk mensimulasikan suatu unit

process atau multi unit process yang terintegrasi, intuitive, iterative, open, dan extensible.

Simulator Hysys bermanfaat untuk aplikasi di industri kimia seperti :

1. Perancangan suatu industri kimia

2. Memonitor kemampuan dari industri kimia yang telah exist

3. Melacak permasalahan proses yang terjadi di industri kimia

4. Kemungkinan peningkatan kapasitas produksi dari plant

Area penggunaan dari simulator Hysys adalah :

1. Conceptual analysis

2. Process design

3. Project design

4. Operability and safety

5. Automation

6. Asset utilization

Hysys dapat dipergunakan untuk mensimulasikan unit-unit proses secara steady state

dan dynamic.

Tipe Design Heat Exchanger:

a. End Design Model merupakan standar perhitungan HE dengan data tanpa perubahan fase

selama proses perhitungan.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA II-2

II

Laboratorium Proses Pemisahan dengan Perpindahan Massa


FTI - ITS

b. Weighted Design Model merupakan standar perhitungan HE bila terjadi proses perubahan

phase.

c. Steady State Rating Model merupakan pengembangan dari End Design Model pada kondisi

tunak.

d. Dynamic Rating Model diaplikasikan pada kondisi dynamic.

Pada bagian ini aliran panas adalah ethanol dan aliran dingin adalah nitrogen. Tahapan

penyelesaian perhitungan di Heat Exchanger adalah :

1. Mendefinisikan kondisi basis environment-nya.

2. Mendefinisikan kondisi operasi di aliran dan unit operation.

3. Kemudian melakukan analisa.

(Dr. Ing. Anton Irawan., 2011)

Fluid Pkgs

Pada bagian ini bertujuan untuk memasukkan paket fluida yang akan digunakan, Pada

bagian property terdapat banyak model perhitungan fluida yang diinginkan. Pemilihan model

perhitungan ini didasarkan pada sifat fisis dan chemis dari bahan-bahan yang digunakan dan

produk yang dihasilkan.

Tabel II.1 Fluid Package

Filter Penjelasan

All semua paket properti muncul dalam

daftar

EOSs hanya persamaan keadaan yang

muncul dalam list

Activity Models hanya model aktivitas cair muncul

dalam daftar

Chao Seader Models hanya Chao Seader berbasis metode

semi empiris ditampilkan

Vapor Pressure

models

tekanan uap nilai K ditampilkan

dalam daftar

Miscellaneous Types model yang tidak sesuai dengan 4

kategori di atas ditampilkan

Fluid Package adalah salah satu bagian simulation basis manager pada hysys yang

digunakan dalam pemilihan persamaan keadaan termodinamika seperti Peng-Robinson, Van

Laar, Wilson, Marvgules, NRTL. Tahapan pemilihan fluid package pada hysys yaitu :


II



FTI - ITS

- Pada bagian simulation basis manager pilih fluid package dan klick add untuk setiap

kasus baru

- Maka muncul windows seperti di bawah ini

Gambar II.1 Tampilan Fluid Pkgs pada Hysys

(Dr. Ing. Anton Irawan., 2011)

Antoine

Model Antoine digunakan utuk system tekanan rendah yang ideal. Persamaan biasanya

diaplikasikan pada system fraksinasi hidrokarbon dan mengakibatkan tersedianya suatu cara

yang baik untuk membandingkan dengan teliti. Fluid package ini tidak dapat digunakan untuk

operasi system hidrokarbon pada tekanan tinggi dan jumlah yang signifikan. Paket properti

antoine berlaku untuk rentang berikut :

Temperatur Tekanan (psia) Tekanan (kPa)

<1.6 oC <100 <70

Persamaan Antoine dimodifikasi mengasumsikan bentuk sebagaimana tercantum

dalam data DIPPR.

ln Pvap = A + B

T+C + D ln T + ETF

Dimana :

A, B, C, D, E, F = koefisien pasang

Pvap = Tekanan (kPa)

T = Suhu (K)

Koefisien ini tersedia untuk semua komponen Hysys. Tekanan uap

koefisien untuk komponen tekanan tinggi dapat dimasukkan atau dihitung dari baik korelasi

Lee-Kesler untuk hidrokarbon, korelasi Gomez-Thodos untuk senyawa kimia, atau persamaan

Reidel. Semua perhitungan entalpi dan entropi dilakukan dengan menggunakan model Lee-

..……………...(II.1)


II



FTI - ITS

Kesler. Bila menggunakan metode ini untuk komponen super-kritis, dianjurkan bahwa

koefisien tekanan uap diganti dengan koefisien Hukum Henry. Mengubah koefisien Tekanan

uap hanya dapat dicapai jika komponen sedang diinstal sebagai hipotetis.

II.1.2 Heat Exchanger

Heat exchanger merupakan alat yang digunakan untuk proses perpindahan panas

antara dua atau lebih fluida yang berbeda temperaturnya. Di dalam heat exchanger terjadi

perpindahan panas dari fluida yang temperaturnya lebih tinggi ke fluida lain yang

temperaturnya lebih rendah. Di samping itu juga terjadi perpindahan panas ke atau dari

lingkunan. Perpindahan panas ke atau dari lingkunagn umumnya tidak diharapkan terjadi

karena akan mengurangi efektivitas heat exchanger. Untuk mengurangi besar perpindahan

panas ini, suatu heat exchanger dilengkapi dengan isolator termal (Paduana, 2012).

Alat penukar panas (heat exchanger) merupakan suatu alat yang sangat penting

dalam proses pertukaran panas. Alat tersebut berfungsi untuk memindahkan pans antara dua

fluida yang berbeda temperatur dan dipisahkan oleh suatu sekat pemisah (Paduana, 2012).

Pada suatu heat exchanger yang berbentuk silinder dikenal tebal isolator kritis. Pada

ketebalan kritis tersebut, perpindahan panas dari atau ke lingkungan yang terjadi adalah

maksimum. Sedang pada heat exchanger yang berbentuk kotak tidak dijumpai adanya tebal

isolator kritis. Hal ini berarti secara teori semakin tebal isolator yang digunakan semakin kecil

perpindahan panas ke atau dari lingkungan. Maka, pertimbangan dalam menentukan tebal

isolator yang digunakan adalah faktor biaya. Semakin tebal isolator yang digunakan berarti

semakin besar biaya yang harus dissediakan (Paduana, 2012).

Meskipun tidak dijumpai tebal isolator kritis pada heat exchanger yang berbentuk

kotak, namun diduga perpindahan panas ke atau dari lingkungan idak akan linier terhadap

ketebalan isolator. Karena itu, dilakukan penelitian pada suatu plate heat exchanger

(berbentuk kotak) untuk mengetahui bagaimana pengaruh ketebelan isolator terhadap

efektivitas heat exchanger (Paduana, 2012).

II.1.3 Tipe Heat Exchanger

1. Penukar panas pipa rangkap ( double pipe heat exchanger )

Satu jenis penukar kalor ialah susunan pipa ganda. Dalam penukar kalor jenis ini

dapat digunakan aliran searah atau aliran lawan arah, baik dengan zat cair panas

maupun zat cair dingin terdapat dalam ruang annulus dan zat cair yang lain di dalam pipa


II



FTI - ITS

dalam. Alat penukar panas pipa rangkap terdiri dari dua pipa logam standart 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) (Welty, Wicks, Wilson, & Rorrer, 2002).

Gambar II.2 Double Pipe Heat Exchanger

2. Penukar panas cangkang dan buluh ( shell and tube heat exchanger )

Alat penukar panas cangkang dan buluh terdiri atas suatu bundel pipa yang

dihubungkan secara parallel dan ditempatkan dalam sebuah pipa mantel (cangkang ).

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 mantel. Untuk meningkatkan effisiensi

pertukaran panas, biasanya pada alat penukar panas cangkang dan buluh dipasang sekat

( baffle ). 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 (Welty, Wicks, Wilson, & Rorrer, 2002).


II



FTI - ITS

(a) 1 shell pass and 1 tube pass

(b) 1 shell pass and 2 tube passes

Gambar II.2 Shell and Tube Heat Exchanger

3.Penukar Panas Plate and Frame ( plate and frame heat exchanger )

Alat penukar panas pelat dan bingkai terdiri dari paket pelat – pelat tegak lurus,

bergelombang, atau profil lain. Pemisah antara pelat tegak lurus dipasang penyekat lunak

(biasanya terbuat dari karet ). Pelat – pelat dan sekat disatukan oleh suatu perangkat

penekan yang pada setiap sudut pelat( kebanyakan segi empat ) terdapat lubang pengalir

fluida. 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

ada sekat (Welty, Wicks, Wilson, & Rorrer, 2002)..

Cold fluid out

Hot fluid in Cold fluid in

Hot fluid out

Hot fluid out Cold fluid in

Cold fluid out Hot fluid in


II



FTI - ITS

Gambar II.3 plate and frame heat exchanger

II.1.4 Logarithmic Mean Temperature Difference (LMTD)

Pada umumnya kedua fluida yang mengalir bervariasi tidak linear dengan temperatur.

Pada setiap titik T-t antara kedua aliran berbeda sehingga LMTD diperlukan untuk

mempelajari T-t vs Q, sehingga persamaan perpindahan panas di dalam double pipe

exchanger, dapat ditulis sebagai berikut :

Q = A UD LMTD .................................................. (II.2)

Di mana :

A = Luas perpindahan panas, m2

UD = Overall heat transfer coefficient, kJ/s m2 oK

LMTD = Logarithmic Mean Temperature Difference, oK

(Geankoplis, 2003)

Ketika fluida panas dan dingin dalam heat exchanger mengalir secara counter current

atau co-current, Log Mean Temperature Difference (LMTD) akan digunakan :

......................................... (II.3)

Dimana ∆T2 adalah perbedaan suhu pada ujung exchanger dan ∆T1 adalah ujung yang lain.

LMTD ini digunakan untuk double pipe heat exchanger dan 1-1 exchanger dengan 1

shell pass dan 1 tube pass dalam aliran counter maupun co-current (Geankoplis, 2003).

LMTD untuk co-current :

Jika dua fluida memasuki exchanger pada dua ujung yang sama dan mengalir dengan

arah yang sama, alirannya disebut parallel atau co-current flow

)T/T(ln

)T T(

12

12

LMTD


II



FTI - ITS

T1 T1

t1 t2

T2 t1

Gambar II.4 Pola Aliran dan Distribusi Temperatur dalam Co-Current Flow

Log Mean Temperature Difference (LMTD) untuk aliran co-current dinyatakan dalam

persamaan berikut ini :

.................................(II.4)

(Kern, 1965)

LMTD untuk counter current :

Ketika dua fluida memasuki exchanger pada ujung yang berbeda dan melewati

exchanger unit dengan arah yang berlawanan, aliran tipe ini disebut counter flow atau counter

current flow.

Gambar II.5 Pola aliran dan distribusi temperatur dalam counter-current flow

Log Mean Temperature Difference (LMTD) untuk aliran co-current dinyatakan dalam

persamaan berikut ini :

.................................(II.5)

(Kern, 1965)

Penurunan dari perbedaan temperatur antara kedua fluida pada aliran berlawanan

berlaku asumsi-asumsi di bawah ini :

1. Koefisien perpindahan panas total (U) adalah konstan pada keseluruhan proses.

T1

t1

t2

T2

)t(T

)t(Tln

)t(T)t(TLMTD

12

21

1221

)t(T

)t(Tln

)t(T)t(T LMTD

22

11

2211

t2

T

2

t1

T2

t2


II



FTI - ITS

2. Laju alir massa adalah konstan karena aliran dianggap steady state.

3. Panas spesifik dalah konstan pada keseluruhan proses.

4. Tidak ada perubahan fase dalam temperatur, yaitu penguapan dan kondensasi. Penurunan

itu dapat dipakai pada perubahan panas temperatur dan pada saat penguapan atau

kondensasi adalah isothermal pada keseluruhan proses.

5. Kehilangan panas diabaikan (Kern, 1965).

II.1.5 Fouling Factors

Dalam prakteknya heat-transfer surface tidak bersih, kotoran, soot, scale, dan deposit

lain terbentuk pada salah satu atau kedua sisi tube-tube exchanger serta pada heat-transfer

surface lainnya. Deposit-deposit ini akan resistansi pada aliran dan mereduksi koefisien heat-

transfer overall U.

Untuk mencegah atau mengurangi ini fouling masalah inhibitor kimia sering

ditambahkan untuk meminimalkan korosi, deposisi garam, dan pertumbuhan algae. Velocity

air di atas 1 m/s digunakan membantu mereduksi fouling. Perbedaan temperatur yang tinggi

bisa memungkinkan untuk mencegah deposisi solid pada surface (Geankoplis, 2003).

Koefisien overall dari perpindahan panas diperlukan untuk memperoleh

kondisi proses dapat diperoleh dari persamaan Fourier bila luas permukaan A diketahui

dan Q dan Δt dihitung dari proses. Lalu U = Q/A Δt. Abaikan resistensi dinding pipa:

oio

oioh

1

h

1RR

U

1

..................................................(II.6)

oio

oio

hh

hhU

. ............................................................(II.7)

(Kern, 1965)

Timbulnya kerak atau kotoran yang menempel pada pipa sehingga perpindahan panas

tidak lagi efektif adalah sebagai masalah dalam pengoperasian pada double pipe heat

exchanger. Makin tebal kerak tersebut, maka tahanan terhadap proses perpindahan panas

makin besar sehingga koefisien perpindahan panas menjadi kecil. Untuk menyatakan hal

tersebut maka secara matematis dapat ditulis :

oio

oioC

oioC

hh

hhU

hhU

.

111

.........................................................(II.8)


II



FTI - ITS

Koefisien perpindahan panas dan faktor kekotoran untuk fluida dalam inner pipe dan

annulus ditunjukkan dalam gambar II.6.

Gambar II.6 Lokasi Fouling Factor dan Koefisien Perpindahan Panas

(Kern, 1965)

Menurut Kern (1965), Persamaan Fourier yang menyatakan hubungan antara dua

koefisien overall UC dan UD adalah sebagai berikut :

d

CD

RU

1

U

1

.................................................(II.9)

Rd = Rdi + Rdo .....................................................(II.10)

Di mana :

UC = Overall heat transfer coefficient dalam keadaan bersih, kJ/s m2 oK

UD = Overall heat transfer coefficient dalam keadaan kotor, kJ/s m2 oK

Rd = Faktor kekotoran gabungan, s m2 oK/kJ

Menurut Geankoplis (2003), Efek dari deposit dan fouling biasanya diperhatikan

dalam design dengan menambahkan resistance dari fouling pada inside dan outside tube ke

dalam persamaan

doo

i

oo

i

Almi

iio

dii

i

hA

A

hA

A

Ak

Arr

h

1

h

1

1U

............................. (II.11)

Di mana : hdi = fouling factor untuk inside tube, (W/m2 oK)

hdo = fouling factor untuk outside tube, (W/m2 oK)

doo

i

oo

i

Almi

iio

dii

i

hA

A

hA

A

Ak

Arr

h

1

h

1

1U

.......................... (II.12)

hi

Pipa Dalam (Inner)

Pipe)

Pipa Luar (Annulus)

hio

h

o


II



FTI - ITS

II.1.6 Faktor koreksi (Ft)

Ft factor pada Shell and Tube Heat Exchanger dan Double Pipe Heat Exchanger

Nilai Ft factor dipengaruhi oleh perbedaan suhu yang besar. Pada shell dan tube heat

exchanger, perbedaan suhu yang terjadi cukup besar, ∆T idealnya berkisar antara 50 -100 ,

sehingga Ft factor dapat diketahui. Sementara pada Double Pipe Heat Exchanger (DPHE)

tidak ada nilai Ft factor. Hal tersebut disebabkan perbedaan suhu yang terjadi pada double

pipe heat exchanger kecil, sehingga diabaikan.

Cara menghitung nilai faktor koreksi (Ft), menurut Kern (1965) :

.............................(II.13)

.................................................(II.14)

................................................(II.15)

) t-(t

)T-(T

12

21R

)t-(T

)t- (t

11

12S

)11(R S-2

)1-1(R S-2 ln 1)-(R

R.S)-(1 / S)-(1 ln 1

2

2

2

R

R

RFt


II



FTI - ITS

II.2 Aplikasi Industri

Pengendali Temperatur Fluida Pada Heat Exchanger Dengan Menggunakan Algoritma

Model Predictive Control (MPC)

oleh

Fathimah Ekasari M, Rusdhianto Effendi A.K., Eka Iskandar

Tujuan dari uji coba dan analisa adalah untuk mengetahui kinerja dari pengendali

MPC tanpa constraints dengan parameter yang berbeda-beda.Untuk semua tahapan pengujian

yang dilakukan, model dari sistem Heat Exchanger diberikan sinyal acuan (trajectory) yang

berubah pada waktu pencuplikan tertentu.Dengan uji ini, keterbatasan dan keandalan dari

kontroller yang dirancang dapat diketahui.

Heat Exchanger merupakan suatu alat untuk proses pertukaran panas, berfungsi untuk

memindahkan panas antara dua fluida yang berbeda temperatur dan dipisahkan oleh suatu

sekat pemisah. Heat Exchanger memegang peranan sangat penting pada industri pengolahan

yang mempergunakan atau memproses energi. Proses perpindahan panas ini dapat diatur agar

diperoleh temperatur fluida sesuai dengan kriteria yang diinginkan agar tidak terdapat energi

yang terbuang, sehingga pemanfaatan sumber energi yang tersedia benar-benar dapat lebih

efisien. Karena hal itulah dirasa metode kontroler yang cocok digunakan adalah prediktif,

salah satu metode prediktif ini adalah algoritma Model Predictive Control (MPC) untuk

mendapatkan nilai yang sesuai untuk setiap perubahan dinamika sistem.Model Predictive

Control (MPC) atau sistem kendali prediktif termasuk dalam konsep perancangan pengendali

berbasis model proses, dimana model proses digunakan secara eksplisit untuk merancang

pengendali dengan cara meminimumkan suatu fungsi kriteria. Blok diagram MPC

ditunjukkan pada Gambar 1.

Metodologi semua jenis pengendali yang termasuk kedalam kategori MPC dapat

dikenali oleh strategi, antara lain keluaran proses yang akan datang untuk rentang horizon Hp

yang ditentukan yang dinamakan sebagai prediction horizon, serangkaian sinyal kendali

dihitung dengan mengoptimasi suatu fungsi kriteria yang ditetapkan sebelumnya. Fungsi

kriteria tersebut umumnya berupa suatu fungsi kuadratik dari kesalahan antara sinyal keluaran

terprediksi dengan trayektori acuan,dan sinyal kendali u(k|k) dikirim ke proses, sedangkan

sinyal kendali terprediksi berikutnya dibuang, karena pada pencuplikan berikutnya y(k+1)

sudah diketahui nilainya


II



FTI - ITS

Pada bab ini dibahas mengenai perancangan sistem secara detail meliputi, langkah

kerja pembuatan tugas akhir, perancangan dan pemodelan plant serta pembuatan kontroler

yang MPC pada MATLAB. Pada perancangan dan pemodelan plant akan di tampilkan

persamaan model matematika Heat Exchanger keseluruhan serta hasil rancangan blok

diagram plant. Sedangkan perancangan kontroler berisi tentang langkah pembuatan kontroler

Model Predictive Control (MPC) pada MATLAB.Dalam tahapan ini pertama yang dilakukan

adalah identifikasi sistem. Untuk menunjang pembuatan sistem maka didapatkannya

pemodelan matematis yang didapatkan pada paper dengan judul “Modeling of a Dynamic

Countercurrent Tubular Heat Exchanger” Antonio menuliskan mengenai bentuk nonlinear

suatu sistem Heat Exchanger dengan proses.

III-1

BAB III

METODELOGI PERCOBAAN

III.1. Variabel Percobaan Simulasi

- Fluida : gas-liquid (shell and tube)

- Shell : H2O

- Tube : Methane, ethane, propane, dan H2S

- Fluid Package : Antoine

- T masuk Tube : -112,3°C

- T keluar Tube : 25°C

- T masuk Shell : 200°C

- T keluar Shell : 100°C

- ΔP tube : 0,681 atm

- P shell : 0,136 atm

- Tekanan Shell : 15,35 atm

- Tekanan Tube : 9,87 atm

- Mass Flow Shell : 29551.86 kg/jam

- Mass Flow Tube : 100011.78 kg/jam

III.2. Tahapan Penggunaan Hysis

1. Membuk case baru yang ada di bagia file (File → New Case)

Gambar III.1 Cara Membuka Case baru

III-2



FTI - ITS


2. Setelah dipilih new case kemudian muncul jendela simulation basis manager →

mengklik add pada components.

Gambar III.2 Tampilan Case baru

3. Muncul Jendela Component view list, mengklik add dengan senyawa yang akan

digunakan, yaitu: methane, ethane, propane, H2S, water, nitrogen, hydrogen, methanol,

ethanol, isopropanol.

Gambar III.3 Pemilihan Komponen yang Akan Digunakan

III-3



FTI - ITS


4. Fluid Package

Tahapan pemilihan fluid package adalah pada bagian simulation basis manager dengan

memilih fluid package yang akan digunakan, yaitu Antoine, mengklik add - Antoine.

Gambar III.4 Pemilihan Fluid Package yang Akan Digunakan

5. Kemudian menekan Enter Simulation Environment, maka muncul jendela PFD

(Process Flow Diagram) yang akan dipergunakan untuk menggambarkan proses yang

akan disimulasikan dengan Hysys. Pada bagian kanan muncul pula unit-unit process

yang tersedia di program simulator Hysys ini.

Gambar III.5 Jendela Process Flow Diagram

III-4



FTI - ITS


6. Memilih alat sesuai dengan soal yang diberikan. Memilih tools compressor pada case

(main)

Gambar III.6 Compressor yang belum dapat dioperasikan

7. Double klik pada gambar compressor, kemudian mengisi nomer aliran yang akan

digunakan pada alat compressor pada kolom connection.

Gambar III.7 Pengisian Nama Aliran pada Compressor

III-5



FTI - ITS


8. Mengisi komposisi fluida yang akan digunakan pada proses compressor di kolom

worksheet→compotition untuk aliran 1 .

Gambar III.8 Input komposisi pada compressor aliran 1

9. Menginput tekanan yang diketahui dalam soal pada aliran 1 di kolom

worksheet→condition agar compressor dapat bekerja.

Gambar III.9 Input kondisi operasi pada compressor aliran 1

III-6



FTI - ITS


10. Menginput tekanan yang diketahui dalam soal pada aliran 2 di kolom

worksheet→condition agar compressor dapat bekerja

Gambar III.10 Input kondisi operasi pada compressor aliran 2

11. Memastikan aliran berwarna biru dan alat berwarna silver, kemudian melanjutkan ke

tahap berikutnya dengan menambahkan alat distillation column. Memilih tools

distillation column pada case (main).

Gambar III.11 Distillation Column yang belum dapat dioperasikan

III-7



FTI - ITS


12. Mengklik dua kali gambar distillation column, kemudian memberikan nomor aliran

pada alat destilasi →next.

Gambar III.12 Pengisian Nama Aliran pada Distillation Column

13. Mengisi reboiler configuration dengan memilih once-through, dan regular hysis

reboiler pada reboiler type selection→next.

Gambar III.13 Pengisian Data yang Diketahui pada Distillation Column

III-8



FTI - ITS


14. Mengisi data yang diketahui pada condenser pressure dan reboiler pressure → next.

Gambar III.14 Pengisian Data Condenser Pressure dan Reboiler Pressure pada

Distillation Column

15. Klik next pada tampilan distillation column input expert.

Gambar III.15 Pengisian Data pada Distillation Column

III-9



FTI - ITS


16. Mengisi data liquid rate dan reflux ratio yang diketahui →next.

Gambar III.16 Pengisian Data Liquid Rate dan Reflux Ratio pada Distillation Column

17. Klik Run pada tampilan connectiondi distillation column.

Gambar III.17 Proses Running pada Distillation Column

III-10



FTI - ITS


18. Tampilan distillation column setelah berhasil pada proses running kemudian

melanjutkan memilih alat selanjutnya.

Gambar III.18 Tampilan Distillation Column setelah Proses Running

19. Melanjutkan ke tahap selanjutnya dengan menambahkan alat heat exchanger dengan

memilih tools heat exchanger pada kolom case (main).

Gambar III.19 Heat Exchanger yang belum dapat dioperasikan

III-11



FTI - ITS


20. Double klik gambar heat exchanger kemudian mengisi nama aliran pada kolom

connection.

Gambar III.20 Pengisian Nama Aliran pada Heat Exchanger

21. Menginput kondisi operasi yang diketahui dalam soal pada aliran 6 di kolom

worksheet→condition agar compressor dapat bekerja.

Gambar III.21 Input kondisi operasi pada heat exchanger aliran 6

III-12



FTI - ITS


22. Mengisi data komposisi fluida yang akan digunakan pada aliran 5 heat exchanger,

pada kolom worksheet → composition.

Gambar III.22 Pengisian Komposisi Fluida heat exchanger aliran 5

23. Mengisi kondisi operasi yang sudah diketahui dalam soal pada aliran 5 heat

exchanger pada kolom worksheet → condition.

Gambar III.23 Pengisian kondisi operasi heat exchanger aliran 5

III-13



FTI - ITS


24. Mengisi kondisi operasi yang sudah diketahui dalam soal pada aliran 7 heat

exchanger pada kolom worksheet → condition.

Gambar III.24 Pengisian kondisi operasi heat exchanger aliran 7

25. Mengisi ∆P heat exchanger sesuai data yang diketahui, design→ parameters.

Gambar III.25 Pengisian ∆P pada Heat Exchanger

III-14



FTI - ITS


26. Memastikan semua aliran berwarna biru tua, kemudian melanjutkan ke tahap

selanjutnya dengan menambahkan alat component splitter pada aliran top produk

distilasi yang telah dipanaskan

Gambar III.26 component splitter yang belum dapat dioperasikan

27. Double click pada gambar component splitter kemudian mengisi nama aliran pada

kolom connection.

Gambar III.27 Pengisian Nama Aliran pada Component Splitter

III-15



FTI - ITS


28. Mengisi data komposisi fluida yang ingin dipisahkan, design→ splits.

Gambar III.28 Pengisian Data Komponen yang Ingin Dipisahkan pada Component

Splitter

29. Mengisi data kondisi operasi yang diketahui pada heat exchanger, worksheet →

condition.

Gambar III.29 Pengisian Data Kondisi Operasi pada Component Splitter

III-16



FTI - ITS


30. Memastikan semua aliran berwarna biru tua, kemuadian menambahkan alat

component splitter pada aliran bottom dari distilasi

Gambar III.30 Component Splitter yang belum dapat dioperasikan

31. Double click pada gambar component splitter kemudian mengisi nama aliran pada

kolom connection.


III-17



FTI - ITS


32. Mengisi data komposisi fluida yang ingin dipisahkan, design→ splits.

Gambar III.32 Pengisian Data Komponen yang Ingi Dipisahkan pada Component

Splitter


condition.


III-18



FTI - ITS


34. Memastikan semua aliran berwarna biru tua, kemuadian melanjutkan ke tahap

selanjutnya dengan menambahkan alat mixer untuk mencampur kedua aliran methane

yang telah dipisahkan

Gambar III.34 Mixer yang belum dapat dioperasikan

35. Double click pada gambar mixer kemudian mengisi nama aliran pada kolom

connection.

Gambar III.35 Pengisian Nama Aliran pada Mixer

III-19



FTI - ITS


36. Memastikan semua aliran berwarna biru tua, kemudian menambahkan alat mixer

untuk mencampur kedua aliran ethane yang telah dipisahkan


37. Double click pada gambar mixer kemudian mengisi nama aliran pada kolom

connection.

Gambar III.37 Penambahan Nama Aliran pada Mixer

III-20



FTI - ITS


38. Memastikan semua aliran berwarna biru tua, kemudian menambahkan alat mixer

untuk mencampur kedua aliran propane yang telah dipisahkan


39. Memastikan semua aliran berwarna biru tua, kemudian menambahkan alat mixer yang

ketiga. Double click pada gambar mixer kemudian mengisi nama aliran pada kolom

connection.

Gambar III.39 Pengisian Nama Aliran pada Mixer

III-21



FTI - ITS


40. Memastikan semua aliran berwarna biru tua, kemudian melanjutkan ke tahapan

selanjutnya yaitu penurunan tekananan dengan menambahkan alat expander pada

aliran methane

Gambar III.40 Expander yang belum dapat dioperasikan

41. Double click pada gambar expander, kemudian mengisi nama aliran pada kolom

connection.

Gambar III.41 Pengisian Nama Aliran pada Expander

III-22



FTI - ITS


42. Mengisi data kondisi operasi yang diketahui pada expander, worksheet → condition.

Gambar III.42 Pengisian Data Kondisi Operasi pada Expander

43. Memastikan semua aliran berwarna biru tua, kemudian menambahkan alat selanjutnya

yaitu expander pada aliran ethane


III-23



FTI - ITS


44. Double click pada gambar expander, kemudian mengisi nama aliran pada kolom

connection.


45. Mengisi data kondisi operasi yang diketahui pada expander, worksheet → condition.

Gambar III.45 Pengisian Data Kondisi Operasi pada Expander

III-24



FTI - ITS



yaitu expander pada aliran propane


47. Memastikan semua aliran berwarna biru tua, kemudian menambahkan alat expander

yang ketiga kemudia, double click pada gambar expander, kemudian mengisi nama

aliran pada kolom connection.


III-25



FTI - ITS


48. Mengisi data kondisi operasi yang diketahui pada expander, worksheet→ condition.

Gambar III.48 Pengisian Data Kondisi Operasi Expander


selanjutnya dengan menambahkan alat heat exchanger pada aliran ethane

Gambar III.49 Heat Exchnager yang belum dapat dioperasikan

III-26



FTI - ITS


50. Double click pada gambar heat exchanger, kemudian mengisi nama aliran pada

kolom connection.




III-27



FTI - ITS



condition

Gambar III.52 Pengisian Data Kondisi Operasi pada Heat Exchanger

53. Menentukan reaksi yang akan digunakan dalam reactor, flowsheet → reaction

package.

Gambar III.53 Persiapan Pembuatan Reaksi pada Reactor

III-28



FTI - ITS


54. Memilih reaksi yang diperlukan dalam reactor, add Rxn→pilih conversion→ add

reaction untuk menabahkan reaksi methanol

Gambar III.54 Tampilan saat Pemilihan Reaksi untuk Reactor

55. Memasukkan data komponen yang terdapat pada reaksi beserta stoichiometry

coefficient pada kolom stoichiometry.

Gambar III.55 Pengisian Komponen dan Stoichioetry Coefficient dalam Persiapan

Reaksi

III-29



FTI - ITS


56. Mengisi data basis konversi pada conversion reactor, basis→ co.

Gambar III.56 Pengisian Basis Konversi pada Persiapan Reaksi

57. Memasukkan reaksi lain yang dibutuhkan dalam reactor, add Rxn→pilih

conversion→ add reaction untuk reaksi menambahkan ethanol


III-30



FTI - ITS




Gambar III.58 Pengisian Komponen dan Stoichiometry Coefficient pada Persiapan

Reaksi

59. Mengisi data basis konversi pada conversion reactor, basis→ Co.

Gambar III.59 Pengisian Basis Konversi pada Persiapan Reaksi

III-31



FTI - ITS


60. Memasukkan reaksi lain yang dibutuhkan dalam reactor, add Rxn→pilih

conversion→ add reaction untuk reaksi menambahkan isopropanol




Gambar III.61 Pengisian Komponen dan Stoichiometry Coefficient pada Persiapan

Reaksi

III-32



FTI - ITS


62. Mengisi data basis konversi pada conversion reactor, basis→ Co.

Gambar III.62 Pengisian Data Basis Konversi pada Persiapan Reaksi

63. Sorot semua reaksi yang telah dipilih, kemudian klik add set.

Gambar III.63 Tampilan saat Proses Penambahan Reaksi untuk Reactor

III-33



FTI - ITS


64. Menambahkan tools reactor yang ada pada kolom case (main) pada aliran ethane

Gambar III.64 reactor yang belom dapat dioperasikan

65. Double click pada gambar reactor, kemudian mengisi nama aliran pada kolom

connection.

Gambar III.65 Pengisian Nama Aliran pada Reactor

III-34



FTI - ITS


66. Memasukkan reaksi yang dibutuhkan ke dalam ethanol reactor, reaction → reaction

set : global Rxn set → reaction : reaksi ethanol

Gambar III.66 Proses Pemilihan Reaksi yang Digunakan pada Reactor


yaitu heat exchanger pada aliran methane

Gambar III.67 Heat Exchanger yang belom dapat dioperasikan

III-35



FTI - ITS



kolom connection.


69. Mengisi komposisi fluida yang akan digunakan pada heat exchanger, worksheet →

composition pada aliran steam baru

Gambar III.69 Pengisian Data Komposisi Fluida pada Heat Exchanger

III-36



FTI - ITS



condition pada aliran steam baru




III-37



FTI - ITS



condition pada aliran methanehot



condition pada aliran steam2


III-38



FTI - ITS


74. Memastikan semua aliran berwarna biru tua, kemudian menambahkan alat heat

exchanger pada aliran propane

Gambar III.74 Tampilan setelah Penambahan Alat Heat Exchanger


kolom connection.


III-39



FTI - ITS



Gambar III.76 Pengisian Data ∆P pada Heat Exchanger


condition pada aliran propanehot


III-40



FTI - ITS



selanjutnya dengan menambahkan alat tee untuk memisahkan komponen steam bekas

memanaskan propane

Gambar III.78 Alat Tee yang belom dapat dioperasikan

79. Double click pada gambar tee, kemudian mengisi nama aliran pada kolom connection.

Gambar III.79 Pengisian Nama Aliran pada Tee

III-41



FTI - ITS


80. Mengisi basis pemisahan yang diinginkan pada tee, parameters → click kolom use

splits as dynamic flow specs untuk memberikan tand centang →mengisi data pada

fractions.

Gambar III.80 Pengisian Dynamic Splits pada Tee

81. Pastikan semua aliran berwarna biru tua, kemuadian melanjutkan ke tahap selanjutnya

dengan menambahkan alat conversion reactor berupa reaktor i-propanol.

Gambar III.81 Reactor yang belom dapat dioperasikan

III-42



FTI - ITS


82. Double click gambar reactor, kemudian mengisi nama aliran pada kolom connection.


83. Memasukkan reaksi yang dibutuhkan ke dalam methanol reactor, reaction → reaction

set : global Rxn set → reaction : Reaksi isopropanol

Gambar III.83 Pengisian Reaksi yang Akan Digunakan pada Reactor

III-43



FTI - ITS



yaitu methanol reactor berupa conversion reactor.

Gambar III.84Tampilan setelah Penambahan Alat Reactor

85. Double click gambar reactor, kemudian mengisi nama aliran pada kolom connection.


III-44



FTI - ITS


86. Memasukkan reaksi yang dibutuhkan ke dalam methanol reactor, reaction → reaction

set : global Rxn set → reaction : Reaksi Methanol

Gambar III.86 Pengisian Reaksi yang Akan Digunakan pada Reactor

87. Memastikan semua aliran berwarna biru tua, kemuadian masuk ke tahap selanjutnya

dengan menambahkan alat component spliter produk bawah reaktor ethanol

Gambar III.87 Alat Component Splitter yang belom dapat dioperasikan

III-45



FTI - ITS


88. Double click gambar splitter, kemudian mengisi nama aliran pada kolom connection.


89. Mengisi data komponen yang ingin dipisahkan pada splitter, design→ splits.

Gambar III.89 Pengisian Komposisi Komponen yang Ingin Dipisahkan pada

Component Splitter

III-46



FTI - ITS


90. Mengisi data kondisi operasi yang diketahui pada splitter, worksheet → condition.


91. Mengisi data kondisi operasi yang diketahui pada splitter, worksheet → condition.


III-47



FTI - ITS


92. Memastikan semua aliran berwarna biru tua, kemudian melanjutkan tahapan

selanjutnya dengan penambahan alat heat exchanger pada aliran ethanol yang telah

dipisahkan

Gambar III.92 Alat Heat Exchanger yang belom dapat dioperasikan


kolom connection.


III-48



FTI - ITS


94. Mengisi komposisi fluida yang akan digunakan pada heat exchanger, worksheet →

composition

Gambar III.94 Pengisian Komposisi Fluida yang Digunakan pada Heat Exchanger

95. Mengisi data kondisi operasi yang telah diketahui pada heat exchanger, worksheet →

condition.


III-49



FTI - ITS


96. Mengisi ∆P pada heat exchanger sesuai data yang telah diketahui, design →

parameters.


97. Mengisi data kondisi operasi yang telah diketahui pada heat exchanger, worksheet →

condition.


III-50



FTI - ITS


98. Memastikan semua alira berwarna biru tua, simpan data hysis yang telah dibuat, Ctrl +

S.

Gambar III.98 Tampilan Hysis setelah Proses Selesai

IV-1

BAB IV

HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN

IV.1 Hasil Simulasi

Tabel IV.1 Perbandingan Temperatur Pada Shell

Mass Flow

(kg/hr)

Temperatur (0C)

Simulasi Hysys Perhitungan Dengan Microsoft

Excel

T1 T2 T1 T2

29551.86 200 100 200 100

Tabel IV.1.2 Perbandingan Temperatur Pada Tube

Mass Flow

(kg/hr)

Temperatur (0C)

Simulasi Hysys Perhitungan Dengan Microsoft

Excel

t1 t2 t1 t2

100011.78 -112,3 25 -112,3 23,0268

Gambar IV.1 Hasil Perhitungan Heat Exchanger E-100 pada Worksheet Hysys

IV-2



FTI - ITS

BAB IV HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN

Gambar IV.2 Hasil Plot Hubungan antara Temperatur dan Heat Flow

IV.2 Pembahasan

Suatu gas alam mengandung (Methane 2671 kgmole/h, Ethane 1200 kgmole/h,

Propane 180 kgmole/h, dan H2S 449 kgmole/h) dengan tekanan 1 atm akan ditekan hingga

1216 kPa, setelah itu dipisahkan menggunakan distilasi dengan tray berjumlah 10, feed

masuk pada tray 5 , menggunakan total reflux, tekanan pada condenser dan reboiler

masing-masing 1000 kPa, reflux rasio 10%, dengan liquid rate 4451 kgmole/h. Setelah itu

aliran top product dari distilasi dipanaskan hingga temperatur 25°C menggunakan steam

bertemperatur 200°C hingga temperatur steam 100°C. Kemudian aliran top product

distilasi yang telah dipanaskan dan juga aliran bottom product dari distilasi masing-masing

dipisahkan menjadi empat aliran, aliran pertama yaitu methane, yang kedua ethane, yang

ketiga propane, dan yang keempat yaitu sisanya, dengan kondisi pemisahan top product

masing-masing aliran bertekanan 931,1 kPa dan berfase gas, kondisi pemisahan bottom

product masing-masing aliran bertekanan 1000 kPa dan berfase gas. Kedua aliran methane

yang telah dipisahkan tersebut kemudian dicampur, begitu pula untuk aliran ethane, dan

propane. Ketiga campuran yang sudah dicampur (methane campuran, ethane campuran

dan propane campuran) kemudian masing-masing aliran diturunkan tekanan hingga

atmosferik. Untuk aliran ethane, setelah diturunkan tekananya aliran ethane dipanaskan

hingga temperatur 20°C menggunakan steam bekas dari pemanas pertama, setelah dari

pemanas, aliran ethane dan juga steam hasil memanaskan aliran ethane tersebut keduanya

IV-3



FTI - ITS


masuk ke reaktor ethanol. Untuk aliran methane, setelah diturunkan tekananya aliran

methane dipanaskan hingga bertemperatur 25°C menggunakan steam baru bertemperatur

250°C hingga temperatur steam menjadi 200°C. Untuk aliran propane, setelah diturunkan

tekanannya aliran propane dipanaskan menggunakan steam bekas dari pemanas aliran

methane hingga aliran propane bertemperatur 25°C. Untuk aliran propane, setelah dari

pemanas steam hasil memanaskan propane tersebut dibagi menjadi dua aliran 50%-50%,

setelah itu aliran propane yang telah dipanaskan dan 50% steam yang telah dipisahkan

masuk ke reaktor iso propanol. Untuk aliran methane, setelah aliran methane dipanaskan

aliran methane dan juga 50% steam yang telah dipisahkan masuk ke reaktor methanol.

Kemudian setelah ethane memasuki reaktor ethanol, produk bawah reaktor ethanol

tersebut dipisahkan 100% komponen ethanolnya, dengan ethanol sebagai produk bawah

pemisahan, dengan kondisi aliran non ethanol berfase gas dengan tekanan 226,4 kPa dan

yang ethanol berfase liquid dengan temperatur 100°C. Setelah ethanol dipisahkan, ethanol

didinginkan dengan nitrogen cair pada tekanan atmosferik, hingga temperatur ethanol

menjadi 30°C, dan temperatur nitrogen cair -100°C, berapakah massa nitrogen yang

dibutuhkan untuk mendinginkan ethanol?

Reaksi pada Reaktor Ethanol:

Ethane + Water → Ethanol + Hydrogen

Reaksi pada Reaktor Methanol

Methane + Water → Methanol + Hydrogen

Reaksi pada Reaktor iso propanol

Propane + Water → Iso propanol + Hydrogen

Dalam simulasi heat exchanger ini sebuah aliran gas yang terdiri dari 2671

kgmole/h methane, 1200 kgmole/h ethane, 180 kgmole/h propane, dan 449 kgmole/h H2S

ditekan dari tekanan 1 atm menjadi 12 atm menggunakan alat kompresor. Kompresor

adalah mesin yang berfungsi untuk memampatkan atau menaikkan tekanan udara atau

fluida gas atau memindahkan fluida gas dari suatu tekanan statis rendah ke suatu keadaan

tekanan statis yang lebih tinggi. Udara atau fluida gas yang dihisap oleh kompresor

biasanya adalah udara atau fluida gas dari atmosfer walaupun banyak pula yang menghisap

udara atau fluida gas spesifik dan bertekanan lebih tinggi dari atmosfer (kompresor

berfungsi sebagai penguat atau booster). Kompresor dapat pula menghisap udara atau

fluida gas yang bertekanan lebih rendah daripada tekanan atmosfer yang kiasa disebut

IV-4



FTI - ITS


dengan pompa vakum (Tim Fakultas Teknik UNY, 2004). Selanjutnya aliran fluida yang

telah bertekanan 12 atm, dipisahkan dengan menggunakan alat destilasi. Destilasi adalah

suatu proses penguapan dan pengembunan kembali, yaitu untuk memisahkan campuran

dua atau lebih zat cair ke dalam fraksi-fraksinya berdasrkan perbedaan titik didihnya

(Endah R D & dkk, 2007). Destilasi yang digunakan disini adalah destilasi dengan tray

berjumlah 10 dimana aliran feed yang terdiri dari methane, ethane , propane, dan H2S

masuk pada tray 5. Aliran fluida dipisahkan dengan tekanan pada condensor dan reboiler

9,87 atm, reflux rasio 10%, dan dengan liquid rate 4451 kgmole/h. Pemisahan produk dari

destilasi menghasilkan dua aliran yaitu aliran top product destilasi yang terdiri dari

methane, ethane, propane, dan sisanya dengan masing-masing fraksi mol berturut-turut

0,6001; 0,2696; 0,0294; dan 0,1009. Sedangkan pada aliran bottom product destilasi terdiri

dari propane dengan fraksi mol 0.9991 dan H2S dengan fraksi mol 0,009. Selanjutnya

aliran top product destilasi dipanaskan hingga temperatur 25°C dengan menggunakan heat

exchanger. Aliran fluida dalam tube dengan kondisi tekanan 9,87 atm dan temperatur -

112,3°C dipanaskan dengan menggunakan steam 200°C yang ditambahkan dalam aliran

shell hingga temperaturnya mencapai 25°C. Alat penukar kalor (heat exchanger)

merupakan suatu alat yang berfungsi memindahkan panas dari suatu media ke media lain.

Contoh pada oil cooler. Panas dari engine dipindahkan ke minyak pelumas (oil) kemudian

panas dari oil dipindahkan dari oil ke air (Poernomo, 2013). Alat penukar kalor digunakan

untuk proses perpindahan energi dalam bentuk panas antara dua fluida yang berbeda

temperaturnya. Fluida yang bertukar energinya tersebut dapat merupakan dua fluida yang

berbeda fasanya (cair-gas) atau mempunyai fasa yang sama (cair-cair atau gas-gas) dan

dapat merupakan satu jenis fluida saja (Sinuraya, 2012). Alat penukar kalor yang banyak

digunakan di industri khususnya industri perminyakan adalah tipe shell dan tube. Jenis ini

terdiri dari suatu tabung dengan diameter cukup besar yang di dalamnya berisi seberkas

pipa dengan diameter relatif kecil. Salah satu fluida yang dipertukarkan energinya

dilewatkan di dalam pipa atau berkas pipa, sedangkan fluida yang lain dilewatkan di luar

pipa atau di dalam tabung (Wafi, 2011). Pada simulasi ini, pertukaran panas yang terjadi

pada heat dexchanger menyebabkan temperatur aliran fluida dalam tube naik menjadi 25°C

dan temperatur aliran fluida dalam shell turun menjadi 100°C. Besar energi yang diserap

maupun diberikan oleh fluida pada heat exchanger dapat dihitung berdasarkan rumus di

bawah ini:

IV-5



FTI - ITS


Qmasuk = Qkeluar

Rumus di atas menunjukkan bahwa besarnya kalor yang diberikan oleh suatu fluida

besarnya sama dengan kalor yang diterima oleh fluida yang lain. Berdasarkan software

hysys temperatur keluar dari tube heat exchanger sebesar 25°C berbeda dengan

berdasarkan perhitungan Microsoft Excel dimana didapatkan bahwa temperatur keluar dari

tube seharusnya sebesar 23,0268°C sehingga dapat dibuat energy balance untuk kedua

aliran. Selanjutnya, aliran top product destilasi yang telah dipanaskan dengan heat

exchanger dipisahkan berdasarkan komponennya menjadi 4 aliran menggunkan component

splitter dimana aliran pertama yaitu methane, aliran kedua yaitu ethane, aliran ketiga yaitu

propane, dan aliran yang ketiga merupakan sisanya. Dengan component splitter, aliran

material umpan dipisahkan menjadi dua aliran komponen berdasarkan parameter dan fraksi

spesifik yang diinginkan untuk dipisah (Aspentech, 2005). Aliran yang keluar dari tube

heat exchanger dengan kondisi temperatur 25°C masuk ke dalam component splitter

dengan kondisi pemisahan masing-masing aliran bertekanan 9,19 atm dan berfase gas.

Sedangkan untuk aliran bottom product destilasi juga dipisahkan berdasarkan

komponennya menjadi 4 aliran dimana aliran pertama yaitu methane, aliran kedua yaitu

ethane, aliran ketiga yaitu propane, dan aliran yang ketiga merupakan sisanya. Aliran

bottom product destilasi dengan kondisi temperatur 26,83°C masuk kedalam component

splitter dengan kondisi pemisahan masing-masing aliran bertekanan 9,87 atm dan berfase

gas. Selanjutnya, kedua alian methane hasil pemisahan dari top product destilasi dan

bottom product destilasi dicampur dengan menggunakan mixer, begitu juga dengan aliran

ethane dan aliran propane. Operasi mixer mengombinasikan dua atau lebih aliran untuk

memproduksi aliran keluaran tunggal (Aspentech, 2005). Mixer secara umum adalah alat

yang digunakan untuk pencampuran atau pengadukan dari dua atau lebih komponen bahan

sehingga pada akhirnya diperoleh suatu campuran dengan homogenitas yang sesuai dengan

yang diharapkan. Efisiensi dan efektivitas pencampuran menekankan kepada aspek waktu

dan kapasitas di mana dapat dihindarkan agar tidak terjadi kondisi kurang sempurnanya

pencampuran (undermixed) atau terlalu lamanya proses pencampuran (overmixed)

(Syarkawi, 2010). Kemudian, ketiga aliran campuran hasil masing-masing pencampuran

campuran methane, campuran ethane, dan campuran propane diturunkan tekanannya

hingga atmosferik. Alat yang digunakan untuk menurunkan tekanannya yaitu expander.

Expander adalah Sebuah alat mekanik untuk mengubah sebagian energi dari aliran proses

menjadi kerja mekanik, sehingga menyebabkan penurunan pada temperatur dan tekanan

IV-6



FTI - ITS


dalam proses fluida (Surhim, 2013) Selanjutnya, untuk aliran ethane setalah diturunkan

tekanannya dipanaskan dengan menggunakan heat exchanger. Aliran fluida dalam tube

dengan kondisi tekanan 1 atm dan temperatur -88,70°C dipanaskan dengan menggunakan

steam bekas dari heat exchanger pertama dengan temperatur steam 100°C. Pertukaran

panas yang terjadi pada heat exchanger ini menyebabkan temperatur aliran fluida dalam

tube naik menjadi 20°C dan temperatur aliran fluida dalam shell turun menjadi 40°C.

Ethane yang telah dipanaskan dan steam hasil pemanas pada heat exchanger sebelumnya

sauk ke dalam reaktor ethanol. Dimana untuk aliran yang keluar dari tube heat exchanger

dengan kondisi temperatur 20°C dan untuk aliran yang keluar dari shell heat exchanger

dengan kondisi temperatur 40,88°C masuk ke dalam reaktor ethanol untuk direaksikan

menjadi ethanol dan hydrogen. Reaksi yang terjadi dalam reaktor ethanol adalah ethane +

water → ethanol + hydrogen. Secara umum, pengertian reaktor adalah suatu tempat

terjadinya reaksi kimia di mana konstruksinya tergantung dari variabel yang dibutuhkan

untuk proses kimia tersebut, seperti koefisien perpindahan panas, tekanan, temperatur,

volume, dan konsentrasi (Ikhsan, 2013). Selanjutnya, untuk aliran methane setalah

diturunkan tekanannya menggunakan alat expander dipanaskan dengan menggunakan heat

exchanger. Aliran fluida dalam tube dengan kondisi tekanan 1 atm dan temperatur -

161,7°C dipanaskan dengan menggunakan steam baru dengan temperatur steam 250°C.

Pertukaran panas yang terjadi pada heat exchanger ini menyebabkan temperatur aliran

fluida dalam tube naik menjadi 25°C dan temperatur aliran fluida dalam shell turun

menjadi 200°C. Begitu pula untuk aliran propane setalah diturunkan tekanannya

menggunakan alat expander dipanaskan dengan menggunakan heat exchanger. Aliran

fluida dalam tube dengan kondisi tekanan 1 atm dan temperatur –39,75°C dipanaskan

dengan menggunakan steam bekas dari pemanas methane dengan temperatur steam 200°C.

Pertukaran panas yang terjadi pada heat exchanger ini menyebabkan temperatur aliran

fluida dalam tube naik menjadi 25°C dan temperatur aliran fluida dalam shell turun

menjadi 181,2°C. Kemudian steam yang keluar dari shell hasil memanaskan propane

dibagi menjadi dua aliran, dimana masing-masing aliran mengandung 50%-50% steam.

Untuk membagi steam menjadi dua aliran ini alat yang digunakan yaitu tee. Tee fungsi

utamanya adalah menggabungkan beberapa jalur pipa kearah satu pipa atau sebaliknya dari

satu pipa ke beberapa pipa pembagi. Tee memiliki satu input dan dua output (atau

sebaliknya), terbagi dengan sudut 90 maupun 45 derajat. (Abi, 2012). Setelah itu, methane

yang telah dipanaskan dengan menggunakan alat heat exchanger dan salah satu aliran

IV-7



FTI - ITS


steam yang telah dibagi menjadi dua aliran tersebut masuk ke dalam reaktor methanol.

Dimana untuk aliran yang keluar dari tube pemanas methane dengan kondisi temperatur

25°C dan aliran steam dengan kondisi temperatur 181,2°C masuk ke dalam reaktor

methanol untuk dikonversi menjadi methanol dan hydrogen. Setelah itu, methane yang

telah dipanaskan dengan menggunakan alat heat exchanger dan salah satu aliran steam

yang telah dibagi menjadi dua aliran tersebut masuk ke dalam reaktor methanol. Dimana

untuk aliran yang keluar dari tube pemanas methane dengan kondisi temperatur 25°C dan

aliran steam dengan kondisi temperatur 181,2°C masuk ke dalam reaktor methanol untuk

direaksikan menjadi methanol dan hydrogen. Reaksi yang terjadi dalam reaktor methanol

adalah methane + water → methanol + hydrogen. Begitu pula untuk propane yang telah

dipanaskan dengan menggunakan alat heat exchanger dan salah satu aliran steam yang

telah dibagi menjadi dua aliran tersebut masuk ke dalam reaktor iso propanol. Dimana

untuk aliran yang keluar dari tube pemanas propane dengan kondisi temperatur 25°C dan

aliran steam dengan kondisi temperatur 181,2°C masuk ke dalam reaktor isopropanol

untuk direaksikan menjadi iso propanol dan hydrogen. Reaksi yang terjadi dalam reaktor

ethanol adalah propane + water → iso propanol + hydrogen. Kemudian setelah ethane

dan steam bekas memanaskan ethane masuk ke dalam reaktor ethanol, produk bottom

reaktor ethanol tersebut dipisahkan seluruhnya komponen ethanolnya dalam fase liquid

dan komponen non ethanol dalam fase gas. Alat yang digunakan untuk pemisahan ini yaitu

component splitter. Dimana untuk aliran komponen ethanol dengan kondisi temperatur

100°C dan untuk aliran komponen non ethanol bertekanan 2,23 atm. Setelah komponen

ethanol dipisahkan, ethnanol didinginkan dengan menggunakan alat heat exchanger

dimana pendinginan ini dengan penambahan nitrogen cair. Aliran fluida dalam tube

dengan kondisi tekanan 0,02 atm dan temperatur 100°C didinginkan dengan menggunakan

nitrogen cair dengan temperatur nitrogen cair -195,8°C. Pertukaran panas yang terjadi pada

heat exchanger ini menyebabkan temperatur aliran fluida dalam tube turun menjadi 30°C

dan temperatur aliran fluida dalam shell turun menjadi -100°C .

V-1

BAB V

KESIMPULAN

Kesimpulan dari praktikum simulasi heat exchanger dengan menggunakan

program hysys dapat disimpulkan bahwa:

1. Massa nitrogen yang dibutuhkan untuk mendinginkan ethanol hingga suhu 30oC pada

heat exchanger kelima sebesar 36408.343 kg/jam

2. Berdasarkan hasil perhitungan didapatkan suhu keluar dari tube heat exchanger

sebesar 23,0268°C, hal ini tidak sesuai dengan suhu keluar tube heat exchanger dari

simulasi heat exchanger menggunakan program hysys sebesar 25°C.

HE1 (awaaaal)

He2 (methane steam baru)

He3 (ethane steam)

He4 (propane steam)

He5(ethanol nitrogen)

x

APPENDIKS

Heat Capacity of Liquid

SUBSTANSI A(cal/mol.K) B(cal/mol.K) C(cal/mol.K) D(cal/mol.K)

Methane 4,75 1,20E-02 3,03E-06 -2,63E-09

Ethane 1,648 4,12E-02 -1,53E-05 1,74E-05

Propane -0,966 0,07279 -3,76E-05 7,58E-09

Hydrogen Sulfide 7,07 0,003128 1,36E-06 -7,87E-10

Water 4,75 1,20E-02 3,03E-06 -2,63E-09

Appendix 17, Chemical Proces Principles by O.A. Hougen

Mass Heat Of Vaporation

Substansi Heat Of Vaporation (Kcal/Kgmol)

Water 8362

Mass

Shell Tube

Substansi Mass (gram) Substansi Mass (gram)

Water 29551857,7 Methane 18359564,58

Ethane 13018928,7

Propane 334012,7962

Hydrogen Sulfide 2340179,999

Berat Molekul

Substansi Formula BM

Methane CH4 16,04

Ethane C2H6 30,07

Propane C3H8 44,1

Hydrogen Sulfide H2S 34,0809

Water H2O 18,01528

xi

Komposisi SISTEM 1 pada panas sensibel 1 dalam simulasiheat exchanger:

Fase liquid: Methane, ethane, propane, H2S

Komposisi SISTEM 2 pada panas sensibel 2 dalam simulasi heat exchanger:

Fase Gas:H2O

Komposisi SISTEM 2 pada panas laten 2 dalam simulasi heat exchanger:

Fase Liquid:H2O

Cp = A+BT+CT2+DT3

H= ∫ Cp dT

T2

T1

Q = m x HQ

Q masuk = Panas Sensibel

Q keluar = Panas Sensibel

Keterangan:

Cp = Kapasitas panas (cal/gmoloK)

T = Temperatur (oK)

m = Massa (gram)

H = Entalpi (cal/gmol)

SISTEM 1 SISTEM 1

SISTEM 2

SISTEM 2

xii

SISTEM 1

Panas Sensibel 1 (-112,336℃ - T2℃)

1. Methane (CH4)

T1 = 160,664 K

BM = 16,04

m =1835964,58 gram

n = m

BM

=1835964,58

16,04

=1144611,258 mol

H = ∫ A+ BT+ CT2+ DT3T2

T1

= Ax(T2-T1)+12

xBx(T22-T1

2)+13

xCx(T23-T1

3)+14

x D x(T24-T1

4)

= 4,75 x (T2 - 160,664) + 12 x 1,2E-02 x (T2

2-160,6642) +13 x 3,03E-06 x

(T23-160,6643) +

14 x (-2,63E-09) x (T2

4-160,6644)

= (4,75T2- 763,154) + (0,0067T22 – 154,877) + (1,01E-06T2

3 – 4,188) +

(-6,575E-10T24 +0,438)

H = -921,781 + 4,75T2+ 0,0067T22 + 1,01E-06T2

3 - 6,575E-10T24

T2

-112,336 ℃

Liquid Panas Sensibel

xiii

Q = mol x H

= 1144611,258 x (-921,781 + 4,75T2+ 0,0067T22 + 1,01E-06T2

3 - 6,575E-10T24)

= -1055080910 + 5436903,476T2 + 6867,667T22 + 1,156T2

3 – 7,52 T24

2. Ethane (C2H6)

T1 = 160,664 K

BM = 30,07

m =13018928,7 gram

n = m

BM

= 13018928,7

30,07

=432954,0639 mol

H = ∫ A+ BT+ CT2+ DT3T2

T1

= Ax(T2-T1)+12

xBx(T22-T1

2)+13

xCx(T23-T1

3)+14

x D x(T24-T1

4)

= 1,648 x (T2 - 160,664) + 12 x 4,12E-02 x (T2

2-160,6642) +13 x -1,53E-05 x

(T23-160,6643) +

14 x (1,74E-05) x (T2

4-160,6644)

= (1,648T2- 264,774) + (0,0206T22 – 531,746) + (-5,1E-06T2

3+21,15) +

(4,35E-06T24-2898,43)

H = - 3673,8 + 1,648T2+ 0,0206T22 - 5,1E-06T2

3 + 4,35E-06T24

Q = mol x H

= 432954,0639 x (- 3673,8 + 1,648T2+ 0,0206T22 - 5,1E-06T2

3 + 4,35E-06T24)

= -1590586640 + 713508,29T2 + 8918,85T22 – 2,2T2

3 – 1,88T24

xiv

3. Propane (C3H8)

T1 = 160,664 K

BM = 44,1

m = 334012,7962 gram

n = m

BM

= 334012,7962

44,1

=7573,98 mol

H = ∫ A+ BT+ CT2+ DT3T2

T1

= Ax(T2-T1)+12

xBx(T22-T1

2)+13

xCx(T23-T1

3)+14

x D x(T24-T1

4)

= -0,966 x (T2 - 160,664) + 12 x 0,07279 x (T2

2-160,6642) +13 x -3,76E-05 x

(T23-160,6643) +

14 x (7,58E-05) x (T2

4-160,6644)

= (-0.966T2+155,2) + (0,036395T22 – 939,56) + (-1,25E-05T2

3 + 51,978) +

(1,895E-05T24-12626,5)

H = - 13358,882 - 0.966T2+ 0,036395T22 - 1,25E-05T2

3 + 1,895E-05T24

Q = mol x H

= 7573,98 x (-13358,882 - 0.966T2+ 0,036395T22 - 1,25E-05T2

3 +

1,895E-04 T24)

= -101179905,1+ 7316,46T2 + 275,655T22 – 0,095 T2

3 – 1,435T24

4. Hydrogen Sulfide (H2S)

T1 = 160,664 K

BM = 34,0809

xv

m = 2340179,999 gram

n = m

BM

= 2340179,999

34,0809

=68665,44 mol

H = ∫ A+ BT+ CT2+ DT3T2

T1

= Ax(T2-T1)+12

xBx(T22-T1

2)+13

xCx(T23-T1

3)+14

x D x(T24-T1

4)

= 7,07 x (T2 - 160,664) + 12 x 0,003128 x (T2

2-160,6642) +13 x 1,36E-06 x

(T23-160,6643) +

14 x (-7,87E-10) x (T2

4-160,6644)

= (7,07T2-1135,89) + (0,001564T22 – 40,37) + (4,53E-07T2

3 - 1,88) +

(-1,9675E-10T24+ 0,131)

H = - 1178,009 + 7,07T2 + 0,001564T22 + 4,53E-07T2

3 - 1,9675E-10T24

Q = mol x H

= 68665,44 x(-1178,009 + 7,07T2 + 0,001564T22 + 4,53E-07T2

3 - 1,9675E-10T24)

= -80888506,31+ 485464,66T2 + 107,392T22 +0,0031T2

3 - 1,35E-05T24

SISTEM 2

100 ℃

Gas

200℃

Liquid

200℃

Panas Laten Panas Sensibel

xvi

Panas Sensibel (100oC, 200oC)

1. (H2O)

T2 = 200oC + 273 = 473 K

T1 = 100oC + 273 = 373 K

BM= 18,01528

m = 29551857,7 gram

n = m

BM

= 29551857,7

18,01528

= 1640377,374 mol

H = ∫ A+ BT+ CT2+ DT3T2

T1

= Ax(T2-T1)+12

xBx(T22-T1

2)+13

xCx(T23-T1

3)+14

x D x(T24-T1

4)

= 7,7 x (200-100) + 12 x 4,59E-04 x (2002-1002) +

13 x 2,52E-06 x

(2003-1003) + 14 x (-8,59E-10) x (2004–1004)

= 770 + 6,85 + 5,88 – 0,322125

= 782,407875 cal/gmol

Q = n x H

= 1640377,374x 782,407875

= 1358462739,11333 kalori

Panas Laten (∆Hv)

1. Water (H2O)

Mass heat = 8362 Kj/Kgmol

Massa = 29551857,7 gram

Mol = 1640377,374 mol

Q = mass heat of vapor x mol

xvii

= 8362 x 1640377,374

= 13716835602,1888 kalori

SHELL

Q shell = Q sensibel + Q laten

= 1358462739,11333 kalori + 13716835602,1888 kalori

= 15075298341,3021 kalori

TUBE

Q panas sensibel = -1055080910 + 5436903,476T2 + 6867,667T22 + 1,156T2

3 – 7,52

T24 + (-1590586640) + 713508,29T2 + 8918,85T2

2 – 2,2T23 –

1,88T24 + (-101179905,1) + 7316,46T2 + 275,655T2

2 – 0,095 T23

– 1,435T24 + (-80888506,31) + 485464,66T2 + 107,392T2

2

+0,0031T23 - 1,35E-05T2

4

= -2827735961 + 6643192,886T2 + 16169,557 T22 + 1,1359 T2

3 -

10,835 T24

ENERGY BALANCE

Q shell = Q tube

15075298341,3021 = -2827735961 + 6643192,886T2 + 16169,557 T22 + 1,1359 T2

3 -

10,835 T24

Hasil Goal Seek pada Microsoft Excel

T2 = 296.02682 K atau 23,044℃

LABORATORIUM PROSES PEMISAHAN DENGAN PERPINDAHAN MASSA Simulasi Heat Exchanger

Documents

Transcript of LABORATORIUM PROSES PEMISAHAN DENGAN PERPINDAHAN MASSA Simulasi Heat Exchanger