Makalah Air Pendingin

BAB II

PEMBAHASAN

2.1   Ruang Lingkup Mengenai Menara Pendingin

2.1.1        Komponen Menara Pendingin

Menara pendingin merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk menurunkan suhu aliran air dengan cara mengekstraksi panas dari air dan mengemisikannya ke atmosfir. Menara pendingin menggunakan penguapan dimana sebagian air diuapkan ke aliran udara yang bergerak dan kemudian dibuang ke atmosfir. Sebagai akibatnya, air yang tersisa didinginkan secara signifikan (Gambar 1).

Cooling Tower : suatu peralatan yang digunakan untuk menurunkan suhu aliran air dengan cara memindahkan panas dari air ke udara.

Aplikasi : mendinginkan air proses yang panas / hangat sehingga dapat dipergunakan untuk proses kembali.

Syarat : area proses jauh dari sumber air

Adapun komponen yang terdapat pada Cooling Tower, antara lain:

1.       Rangka dan wadah. Hampir semua menara memiliki rangka berstruktur yang menunjangtutup luar (wadah/casing), motor, fan, dan komponen lainnya. Dengan rancangan yang lebih kecil, seperti unit fiber glass, wadahnya dapat menjadi rangka.

2.       Bahan Pengisi. Hampir seluruh menara menggunakan bahan pengisi (terbuat dari plastik atau kayu) untuk memfasilitasi perpindahan panas dengan memaksimalkan kontak udara dan air. Terdapat dua jenis bahan pengisi:

·         Bahan pengisi berbentuk percikan/Splash fill: air jatuh diatas lapisan yang berurut dari batang pemercik horisontal, secara terus menerus pecah menjadi tetesan yang lebih kecil, sambil membasahi permukaan bahan pengisi. Bahan pengisi percikan dari plastik memberikan perpindahan panas yang lebih baik daripada bahan pengisi percikan dari kayu.

·         Bahan pengisi berbentuk film: terdiri dari permukaan plastik tipis dengan jarak yang berdekatan dimana diatasnya terdapat semprotan air, membentuk lapisan film yang tipis dan melakukan kontak dengan udara. Permukaannya dapat berbentuk datar, bergelombang, berlekuk, atau pola lainnya. Jenis bahan pengisi film lebih efisien dan memberi perpindahan panas yang sama dalam volume yang lebih kecil daripada bahan pengisi jenis splash.

3.       Kolam air dingin. Kolam air dingin terletak pada atau dekat bagian bawah menara, dan menerima air dingin yang mengalir turun melalui menara dan bahan pengisi. Kolam biasanya memiliki sebuah lubang atau titik terendah untuk pengeluaran air dingin. Dalam beberapa desain, kolam air dingin berada dibagian bawah seluruh bahan pengisi. Pada beberapa desain aliran yang berlawanan arah pada forced draft, air di bagian bawah bahan pengisi disalurkan ke bak yang berbentuk lingkaran yang berfungsi sebagai kolam air dingin. Sudu-sudu fan dipasang dibawah bahan pengisi untuk meniup udara naik melalui menara. Dengan desain ini, menara dipasang pada landasannya, memberikan kemudahan akses bagi fan dan motornya.

4.       Drift eliminators. Alat ini menangkap tetes-tetes air yang terjebak dalam aliran udara supaya tidak hilang ke atmosfir.

5.       Saluran udara masuk. Ini merupakan titik masuk bagi udara menuju menara. Saluran masuk bisa berada pada seluruh sisi menara (desain aliran melintang) atau berada dibagian bawah menara (desain aliran berlawanan arah).

6.       Louvers. Pada umumnya, menara dengan aliran silang memiliki saluran masuk louvers. Kegunaan louvers adalah untuk menyamakan aliran udara ke bahan pengisi dan menahan air dalam menara. Beberapa desain menara aliran berlawanan arah tidak memerlukan louver. [dikutip (dengan mengedit) dari : Bagian 1.2 (dengan mengedit) diambil secara keseluruhan dari Menara Pendingin. Dalam: Efisiensi Energi pada Utilitas Listrik. Bab 7, hal.135-151. 2004, dengan ijin dari Biro Efisiensi Energi, Kementrian Tenaga, India.]

Deskripsi proses :

·         Air panas / hangat masuk melalui bagian atas menara, kemudian jatuh ke bawah

      mengenai bahan isian dan nozzle sehingga memercik berbentuk titik-titik air

·         Pada saat bersamaan udara mengalir pada bagian sisi / samping menara sehingga

                  terjadi perpindahan panas dari air ke udara

·         Selain itu juga terjadi penguapan air yang mengakibatkan suhu air turun

·            Air yang sudah dingin ditampung di dalam Basin, selanjutnya dapat digunakan dalam proses pendinginan. (dikutip dari Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di -www.energyefficiencyasia.org)

2.1.2 Jenis-jenis Cooling Tower

           

Gambar 2.. Bagan Klasifikasi Cooling Tower secara Umum

2.1.2.1 Natural draft ( Alami) 

Natural Draft Stack

Udara masuk melalui bagian bawah,dan kontak dengan air panas yang jatuh menetes ke bawah. Udara yang menjadi panas keluar melalui bagian atas menara. Menara pendingin jenis natural draft atau hiperbola menggunakan perbedaan suhu antara udara ambien dan udara yang lebih panas dibagian dalam menara. Begitu udara panas mengalir ke atas melalui menara (sebab udara panas akan naik), udara segar yang dingin disalurkan ke menara melalui saluran udara masuk di bagian bawah. Tidak diperlukan fan dan disana hampir tidak ada sirkulasi udara panas yang dapat mempengaruhi kinerja.

Kontruksi beton banyak digunakan untuk dinding menara dengan ketinggian hingga mencapai 200 m. Menara pendingin tersebut kebanyakan hanya digunakan untuk jumlah panas yang besar sebab struktur beton yang besar cukup mahal.

Keuntungan

1. Hemat listrik (tidak ada konsumsi daya untuk menginduksi aliran udara-tidak ada kipas).
2. Ramah lingkungan.
3. Ada suara mekanik (kipas tidak ada).
4. Keselamatan operasi.
5. Ada resirkulasi seperti bulu-bulu ditolak pada tingkat tinggi.
6. Terbatas wilayah petak.
7. Terbatas perawatan.
8. Tinggi umur panjang (umumnya lebih dari harapan tanaman hidup).
9. Payback period antara 8 dan 16 tahun tergantung pada beberapa faktor yang utama adalah biaya konstruksi local.

2.1.2.2 Mechanical draft ( Paksa )

Menara draft mekanik memiliki fan yang besar untuk mendorong atau mengalirkan udara melalui air yang disirkulasi. Air jatuh turun diatas permukaan bahan pengisi, yang membantu untuk meningkatkan waktu kontak antara air dan udara – hal ini membantu dalam memaksimalkan perpindahan panas diantara keduanya. Laju pendinginan menara draft mekanis tergantung pada banyak parameter seperti diameter fan dan kecepatan operasi, bahan pengisi untuk tahanan sistim dll.

Menara draft mekanik tersedia dalam range kapasitas yang besar. Menara tersedia dalam bentuk rakitan pabrik atau didirikan dilapangan – sebagai contoh menara beton hanya bias dibuat dilapangan.

Banyak menara telah dibangun dan dapat digabungkan untuk mendapatkan kapasitas yang dikehendaki. Jadi, banyak menara pendingin yang merupakan rakitan dari dua atau lebih menara pendingin individu atau “sel”. Jumlah sel yang mereka miliki misalnya suatu menara delapan sel, dinamakan sesuai dengan jumlah selnya. Menara dengan jumlah sel banyak, dapat berupa garis lurus, segi empat, atau bundar tergantung pada bentuk individu sel dan tempat saluran udara masuk ditempatkan pada sisi atau dibawah sel. Banyak menara telah dibangun dan dapat digabungkan untuk mendapatkan kapasitas yang dikehendaki. Jadi, banyak menara pendingin yang merupakan rakitan dari dua atau lebih menara pendingin individu atau “sel”. Jumlah sel yang mereka miliki, misalnya suatu menara delapan sel, dinamakan sesuai dengan jumlah selnya. Menara dengan jumlah sel banyak, dapat berupa garis lurus, segi empat, atau bundar tergantung pada bentuk individu sel dan tempat saluran udara masuk ditempatkan pada sisi atau dibawah sel.

Tiga jenis menara draft mekanik dijelaskan dalam Tabel 1.

2.1.3    Aplikasi Penggunaan Menara Pendingin

Berikut ini beberapa kasus yang sering terjadi dalam penggunaan air pendingin:

Beberapa macam sistem pendinginan telah dievaluasi untuk mendapatkan sistem pendinginan yang dianggap terbaik untuk diaplikasikan pada pembangunan pabrik ammonia PT. KPI. Berikut adalah beberapa kasus sistem pendinginan yang dievaluasi tersebut.

Case 1. Open re-circulated fresh water system

Air tawar yang berasal dari sungai atau danau dipompakan sebagai make-up cooling tower setelah sebelumnya dilakukan treatment (sedimentasi dan koagulasi) terlebih dahulu. Air tersebut digunakan untuk mendinginkan proses-proses di dalam pabrik.

Air pendingin yang telah panas kemudian didinginkan di cooling tower untuk kemudian disirkulasikan kembali ke dalam pabrik. Untuk menjaga kualitas air, misalnya agar tidak terdapat algae/bacteria dan pengendapan (scaling), maka perlu diinjeksikan beberapa jenis chemicals tertentu. Kualitas air juga dijaga melalui mekanisme make-up dan blow-down.

Sistem ini banyak digunakan oleh pabrik yang berada dekat dengan sumber air tawar atau jauh dari laut, misalnya PT. Pupuk Kujang, PT. PUSRI, Pabrik kertas Leces, PT. BOC, dll. Spesifikasi material untuk peralatan yang menggunakan air tawar tidak perlu sebagus peralatan yang menggunakan air laut, karena air tawar lebih tidak korosif dibandingkan dengan air laut.

Case 2.

“Closed recirculating fresh water system” yang didinginkan oleh “once through sea water system”

Air tawar pendingin digunakan untuk mendinginkan proses-proses didalam pabrik. Air tawar pendingin yang telah panas didinginkan kembali di suatu “secondary cooler” (biasanya plate heat exchanger) untuk selanjutnya disirkulasikan kembali secara tertutup kedalam pabrik. Air laut dipakai untuk mendinginkan “secondary cooler” dengan cara hanya sekali pakai (once through), sumber air berasal dari laut kemudian dibuang lagi ke laut.

Case 3.

Gabungan “Once through sea water system” dengan “Closed recirculating fresh water system” yang didinginkan oleh “once through seawater system”.

Pada sistem ini air tawar pendingin juga digunakan untuk mendinginkan proses-proses didalam pabrik seperti pada kasus 2. Namun pada sistem ini ada porsi air laut yang tidak melewati secondary cooler, air laut ini digunakan langsung untuk mendinginkan heat exchanger pabrik yang bebannya cukup besar misalnya steam condenser. Air laut yang sudah hangat ini kemudian dibuang ke laut. Sistem ini dipakai di beberapa pabrik PT. Pupuk Kaltim, dan PT. MMB. Di PT. MMB karena porsi closed recirculating system-nya kecil maka secondary cooler yang dipakai adalah HE yang lebih kecil bertipe shell&tube, bukan tipe plate.

Pada sistem ini air tawar pendingin juga digunakan untuk mendinginkan proses-proses didalam pabrik seperti pada kasus 2. Namun pada sistem ini ada porsi air laut yang tidak melewati secondary cooler, air laut ini digunakan langsung untuk mendinginkan heat exchanger pabrik yang bebannya cukup besar misalnya steam condenser. Air laut yang sudah hangat ini kemudian dibuang ke laut. Sistem ini dipakai di beberapa pabrik PT. Pupuk Kaltim, dan PT. MMB. Di PT. MMB karena porsi closed recirculating system-nya kecil maka secondary cooler yang dipakai adalah HE yang lebih kecil bertipe shell&tube, bukan tipe plate.

Case 4.

“Serial Cooling Water System”

Pada sistem nomer 2 dan 3 seluruh beban pendinginan pabrik pada dasarnya dibuang ke laut, karena seluruh kalor yang terkandung didalam air pendingin dibuang kelaut secara konveksi. Jadi kedua sistem ini akan menambah beban polusi panas di laut, sehingga dikhawatirkan air laut akan menjadi bertambah panas. Sebagai alternatif untuk menghindari hal tersebut, telah diaplikasikan metode baru yaitu serial cooling system.

Pada dasarnya serial cooling system adalah closed recirculated fresh water system yang didinginkan oleh open recirculated seawater system. Cara ini menggunakan seawater cooling tower, sehingga beban panas akan lebih banyak dibuang ke udara bukan ke laut. Dengan demikian hilanglah sudah kekhawatiran akan peningkatan temperatur air laut.

Adapun hal-hal yang perlu dipertimbangkan dalam perancangan Cooling Tower,  antara lain :

1.       Jangkauan dingin (rentang dingin) : suhu air panas sampai suhu air dingin.

2.       Mendekatnya titik didih dan titik beku.

3.       Jumlah air yang didinginkan.

4.       Kecepatan udara yang melalui sel.

5.       Tinggi tower.

2.2   Ruang Lingkup Mengenai Air Pendingin

2.2.1    Karakteristik Air Pendingin

Pengertian air pendingin dan karakteristiknya

  Air pendingin adalah air yang digunakan untuk menyerap panas yang berlebihan pada reaktor untuk menghasilkan listrik.

Karakteristik dari air pendingin yaitu air tawar yang  tahan terhadap radiasi, dan kapasitas panas tinggi. Air yang digunakan untuk air pendingin yaitu air berat karena mempunyai kapasitas panas tinggi, tahan radiasi tinggi pada hal ini digunakan pada reaktor yang menggunakan uranium alam sehingga tampang lintang air kecil. Air laennya yang digunakan yaitu air bertekanan tinggi dan air biasa.

2.2.2        Faktor-faktor yang mempengaruhi pemilihan sistem pendingin

1. Availability dan reliability

Ketersediaan dan kesinambungan sistem pendingin merupakan pertimbangan utama.

2. Operability dan Maintainability

Meliputi kemudahan pengoperasian dan pemeliharaan.

3. Biaya investasi

Meliputi seluruh biaya yang diperlukan untuk mendirikan fasilitas sistem pendingin.

4. Operating cost

Meliputi biaya man power, chemical, electrical dan biaya pemeliharaan.

5. Dampak lingkungan

Meliputi konsiderasi pada dampak lingkungan seperti polusi limbah, maupun polusi panas.

2.2.3    Sistem air pendingin

Sistem air pendingin (cooling water) dapat dikategorikan dua tipe dasar, sebagai berikut :

1.    Sistem air Pendingin satu arah ( once through)

Sistem air pendingin (cooling water) satu arah adalah suatu sistem dimana air pendingin hanya melewati satu kali alat penukar panas dan lalu dibuang kembali ke kepembuangan atau ke tempat sumber asal air.

2. Sistem air pendingin (cooling water) Sirkulasi Terbuka

Pada sistem sirkulasi terbuka ini, air secara berkesinambungan bersikulasi melewati peralatan yang akan didinginkan. Transfer panas dari peralatan ke air, dan menyebabkan terjadinya penguapan air ke udara.

2.2.3        Masalah yang sering timbul dalam pada seluruh sistem air pendingin

(cooling water)

1.      Korosi
Korosi terjadi pada akibat pH rendah, Selain pH ada beberapa jenis mikroorganisme yang menyebabkan korosi seperti nitrifying bacteria dan Sulfate Reducing Bacteria (SRB) yang dapat menghasilkan asam sulfida (H2S). Bakteri ini memiliki kemampuan untuk mengubah ion sufate (SO4) menjadi asam sulfida (H2S) yang sangat korosif menyerang logam besi, logam lunak. Bakteri ini hidup sebagai anaerobik ( tanpa udara ).

2.      Kerak
Pembentukan kerak diakibatkan oleh kandungan padatan terlarut dan material anorganik yang konsentrasinya melanpaui limit control.

Metode yang digunakan untuk mencegah terjadinya pembentukan kerak antara lain :

1. Mengendalikan kerak dengan pH

Dalam keadaan asam lemah ( kira – kira pH 6,5 ). Asam sulfat yang paling sering digunakan untuk ini, memiliki dua efek dengan memelihara pH dalam daerah yang benar dan mengubah kalsium karbonat, Ini memperkecil resiko terbentuknya kerak kalsium karbonat dan membiarkan cycle yang tinggi dari konsentrasi dalam sistem

2. Mengendalikan kerak dengan bleed off

Bleed off pada sirkulasi air cooling terbuka sangat penting untuk memastikan bahwa air tidak pekat sebagai perbandingan untuk mengurangi kelarutan dari garam mineral yang kritis. Jika kelarutan ini berkurang kerak akan terbentuk pada penukar panas.

3. Mengendalikan kerak dengan bahan kimia penghambat kerak.

Ada cukup banyak jenis bahan kimia penghambat kerak dan umumnya dari jenis bahan kimia organic, baik jenis polymer maupun jenis non polymer. Sebagai contoh, dari jenis polymer yang cukup banyak digunakan adalah polymer dari jenis acrylate; Untuk jenis non polymer, phosphonate, EDTA, Polyphospate, dsb.

4. Masalah Mikrobiologi

Mikroorganisme juga mampu membentuk deposit pada sembarangan permukaan. Hampir semua jasad renik ini menjadi kolektor bagi debu dan kotoran lainnya. Hal ini dapat menyebabkan efektivitas kerja cooling tower menjadi terganggu. Mikroorganisme yang terdeteksi di dalam air pendingin adalah algae, fungi/jamur, dan bakteri.

5. Masalah Kontaminasi

Keadaan cooling tower yang terbuka dengan udara bebas memungkinkan organisme renik untuk tumbuh dan berkembang pada sistem, belum lagi kualitas air make up yang digunakan.