Mulyono Daryoko ISSN 0216 - 3128 19 PRARANCANGANEVAPORATOR UNTUK PENGOLAHAN LIMBAH RADIOAKTIF CAIR PLTN PWR, 1000 MW Mulyono Daryoko Pusat Teknologi Limbah Radioaktif BATAN, Kawasan PUSPIPTEK Serpong Tangerang 15310 Abstrak PRARANCANGAN EVAPORATOR UNTUK PENGOLAHAN L1MBAH RADIOAKTIF CAIR PLTN PWR, 1000 MW. Telah dilakukan prdrancangan evaporator untuk pengolahan Iimbah radioaktif cair PLTN PWR, 1000 MW. Basis perhitungan pada prarancangan ini ialah kapasitas pengolahan 7000l/jam dengan kandungan podatan 5 mg/I. Uap air yang digunakan adalah uap superheated 3,4 atm, 281°F. Data hasil perhitungan prarancangan evaporator ini adalah bagian evaporator (heat exchanger): diameter shell 33 in (82,50 em), diameter nominal pipo 1,5 in (3,75 em), jumlah pipa 215 buah, susunan pipa triangular pitch, I inch pitch, tinggi shell 600 em; bagian pemisah fase (mist separator): diameter 200 in (500 em), tinggi 600 in (1500 em); bagian kondensor: diameter shell 33 in (82.50 em), diameter nominal pipa 1,5 in (3,75 em), jumlah pipa 215 buah, susunan pipa triangular pitch = lin pitch, tinggi shell 600 em. Abstract DESIGN OF EVAPORATOR FOR LIQUID RADIOACTIVE WASTE TREATMENT-NPP 1000 MW, PWR. The evaporator for liquid radioactive waste treatment of 1000 MW NPP-PWR has been designed. The basic calculate of this design was capacity 7000 I/hr, which 5 mg/I solid content. The system used was superheated steam 3.4 atmosphere, 281"F. The data required from design of evaporator are evaporator part (heat exchanger): diameter of shell is 33 inch (82.50 em), nominal diameter tube is 1.5 inch (3.75 em), number of tube is 215, tube arrangement triangular pitch is I inch pitch, height 600 em; Mist separator: diameter is 200 inch (500 em), height 600 inch (1500 em); Condenser: diameter of shell is 33 inch ( 82.50 em), nominal diameter tube is 1.5 inch (3.75 em), number of tube is 215, tube arrangement triangular pitch is I inch pitch, height 600 em . PENDAHULUAN Evaporasi adalah proses pemekatan dari suatu larutan, yaitu dengan mengubah zat pelarutnya saja menjadi uap[l ,2]. Pada umumnya suatu larutan terdiri dari zat yang mudah menguap (volatile) dan yang tidak mudah menguap (non volatile). Dengan perkataan lain evaporasi adalah proses penghilangan zat-zat yang mudah menguap untuk mendapatkan larutan yang lebih pekat. Pada proses evaporasi limbah radioaktif, bahan radioaktif merupakan komponen terbesar yang masuk ke dalam konsentrat. Pengolahan limbah cair dengan evaporasi akan efektif untuk limbah dengan aktivitas sedang dan mempunyai kandungan garam, asam atau basa yang tinggi[3]. Dalam prarancangan evaporator faktor yang paling penting ialah perpindahan panas, maka luas permukaan panas sangat menentukan harga evaporator. Oleh karena itu dipilih bahan yang mempunyai koefisien perpindahan panas paling tinggi. Evaporator pada umumnya diklasifikasikan menjadi 4 macam[2]: I. Pesawat yang langsung dipanaskan dengan sumber panas, misalnya sinar matahari, api dan lain-lain 2. Pesawat dengan sumber panas memakai jacket, coil, double wall,jIat plate dan lain-lain 3. Pesawat yang memakai air sebagai pemanas dengan medium pemanas berbentuk pipa (tubular heating surface), ada 2 bentuk: a) Dengan pipa-pipa horizontal (horizontal tubes evaporator) b) Dengan pipa-pipa vertikal (vertical tubes evaporator) 4. Pesawat dengan pemanas kontak langsung dengan cairan yang diuapkan. Dari jenis-jenis evaporator yang disebutkan di atas, yang paling banyak digunakan untuk pengolahan limbah radioaktif ialah tubular heating sU/jace: standard vertical tube-natural circulation [3], karena evaporator jenis ini mempunyai koefisien perpindahan panas per satuan volume yang tinggi, sehingga sangat ekonomis pada pengoperasiannya; cocok untuk pengolahan dari berbagai aktivitas limbah karena Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2007
8
Embed
PRARANCANGANEVAPORATOR UNTUK PENGOLAHAN ......3. Suhu mas uk dan keluar 4. Tekanan operasi dan penurunan tekanan yang diizinkan 5. Foulingfactor 6. Data - data bahan, termasuk sebagai
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Mulyono Daryoko ISSN 0216 - 3128 19
PRARANCANGANEVAPORATOR UNTUK PENGOLAHANLIMBAH RADIOAKTIF CAIR PLTN PWR, 1000 MW
Mulyono DaryokoPusat Teknologi Limbah Radioaktif BATAN, Kawasan PUSPIPTEK Serpong Tangerang 15310
Abstrak
PRARANCANGAN EVAPORATOR UNTUK PENGOLAHAN L1MBAH RADIOAKTIF CAIR PLTN PWR,1000 MW. Telah dilakukan prdrancangan evaporator untuk pengolahan Iimbah radioaktif cair PLTN PWR,1000 MW. Basis perhitungan pada prarancangan ini ialah kapasitas pengolahan 7000l/jam dengankandungan podatan 5 mg/I. Uap air yang digunakan adalah uap superheated 3,4 atm, 281°F. Data hasilperhitungan prarancangan evaporator ini adalah bagian evaporator (heat exchanger): diameter shell 33 in(82,50 em), diameter nominal pipo 1,5 in (3,75 em), jumlah pipa 215 buah, susunan pipa triangular pitch, Iinch pitch, tinggi shell 600 em; bagian pemisah fase (mist separator): diameter 200 in (500 em), tinggi 600in (1500 em); bagian kondensor: diameter shell 33 in (82.50 em), diameter nominal pipa 1,5 in (3,75 em),
jumlah pipa 215 buah, susunan pipa triangular pitch = lin pitch, tinggi shell 600 em.
Abstract
DESIGN OF EVAPORATOR FOR LIQUID RADIOACTIVE WASTE TREATMENT-NPP 1000 MW, PWR.The evaporator for liquid radioactive waste treatment of 1000 MW NPP-PWR has been designed. The basiccalculate of this design was capacity 7000 I/hr, which 5 mg/I solid content. The system used was superheatedsteam 3.4 atmosphere, 281"F. The data required from design of evaporator are evaporator part (heatexchanger): diameter of shell is 33 inch (82.50 em), nominal diameter tube is 1.5 inch (3.75 em), number oftube is 215, tube arrangement triangular pitch is I inch pitch, height 600 em; Mist separator: diameter is200 inch (500 em), height 600 inch (1500 em); Condenser: diameter of shell is 33 inch ( 82.50 em),nominal diameter tube is 1.5 inch (3.75 em), number of tube is 215, tube arrangement triangular pitch is Iinch pitch, height 600 em .
PENDAHULUAN
Evaporasi adalah proses pemekatan dari suatularutan, yaitu dengan mengubah zat pelarutnyasaja menjadi uap[l ,2]. Pada umumnya suatu larutanterdiri dari zat yang mudah menguap (volatile) danyang tidak mudah menguap (non volatile). Denganperkataan lain evaporasi adalah prosespenghilangan zat-zat yang mudah menguap untukmendapatkan larutan yang lebih pekat. Pada prosesevaporasi limbah radioaktif, bahan radioaktifmerupakan komponen terbesar yang masuk kedalam konsentrat. Pengolahan limbah cair denganevaporasi akan efektif untuk limbah denganaktivitas sedang dan mempunyai kandungan garam,asam atau basa yang tinggi[3].
Dalam prarancangan evaporator faktor yangpaling penting ialah perpindahan panas, maka luaspermukaan panas sangat menentukan hargaevaporator. Oleh karena itu dipilih bahan yangmempunyai koefisien perpindahan panas palingtinggi. Evaporator pada umumnya diklasifikasikanmenjadi 4 macam[2]:
I . Pesawat yang langsung dipanaskan dengansumber panas, misalnya sinar matahari, api danlain-lain
2. Pesawat dengan sumber panas memakai jacket,coil, double wall,jIat plate dan lain-lain
3. Pesawat yang memakai air sebagai pemanasdengan medium pemanas berbentuk pipa(tubular heating surface), ada 2 bentuk:
a) Dengan pipa-pipa horizontal (horizontal
tubes evaporator)
b) Dengan pipa-pipa vertikal (vertical tubes
evaporator)
4. Pesawat dengan pemanas kontak langsungdengan cairan yang diuapkan.
Dari jenis-jenis evaporator yang disebutkandi atas, yang paling banyak digunakan untukpengolahan limbah radioaktif ialah tubular heatingsU/jace: standard vertical tube-natural
circulation [3], karena evaporator jenis inimempunyai koefisien perpindahan panas persatuan volume yang tinggi, sehingga sangatekonomis pada pengoperasiannya; cocok untukpengolahan dari berbagai aktivitas limbah karena
Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2007
20- ISSN 0216 - 3128 Mulyono Daryoko
. bahan radioaktif biasanya merupakan material yangmudah menguap, sehingga bahan radioaktiftersebut mudah dipisahkan dari larutannya dalambentuk konsentrat perawatannya mudah; danharganya relatif murah
Dalam makalah ini disajikan perhitunganprarancangan evaporator, yang akan digunakanuntuk pengolahan limbah radioaktif cair dari PLTNPWR, 1000 MW. Unit evaporator ini merupakanbagian yang sangat penting dari instalasipengolahan limbah radioaktif-PL TN[4]. Kapasitasevaporator yang dibutuhkan untuk kepentingan iniadalah 7000 I/jam, untuk 2 unit PLTN[5].
METODOLOGI
Dalam prarancangan evaporator perlupertimbangan harga-harga variabel design yaitu[2]
1. Temperature firai;;;')'--- -Temperature strains adalah pemuaian
logam yang dipakai, dan merupakan suatu faktoryang sangat penting. Jika pemuaian logam tidaksama, bisa mengakibatkan tube bundle. Olehkarena itu beda temperatur antara shell dan tubeside maksimum yang diperbolehkan adalah 50 of.
2. Geometri Alat
Yang dimaksud geometri alat ialahpemilihan tube, size, pitch dan shell. Dalam suatudesain yang penting ialah bahwa semua ukuranharus dibuat pada keadaan off standard. Standarpanjang pipa : 8 ft, 12 ft, 16 ft dan 20 ft. Standardiameter pipa aD: 0,5"; 0,75"; I"; 1,25"; I"; 1,5"dengan normalisasi BWG. Standar diameter pipadengan nominal IPS : I/g", v..", \12", I", dst.Biasanya shell dibuat tebal 3/g" untuk ID shell 1224 in. Jika tekanan 300 Psig dan korosif makadipakai tebal shelllebih besar..-
saturated steam dengan sedikit super heatedsteam, dengan t<.tantara 40 - 50° F
b. Air pendingan
Air pendingin bisa langsung dari sungai atau·dari air yang telah melalui proses kimia.
5. Data-data sistemjluida
Dalam pra rancangan evaporator perlucukup data fluida yang diproses, hal ini disebutdengan process informations, diantaranya:
1. Sifat fisis dari fluida yang diproses, misalnyacp, k, u, p dan lain lain.
2. Jumlah aliran
3. Suhu masuk dan keluar
4. Tekanan operasi dan penurunan tekanan yangdiizinkan
5. Foulingfactor
6. Data - data bahan, termasuk sebagaimechankali~ormailon
1. maksimum dan minimum suhu dan tekanan
kerja
2. korosifitas bahan
3. bahan konstruksi yang dipilih
7. Pemeriksaan terhadap harga foulingfactor dan pressure drop
Data fouling factor dapat dilihat padapustaka [2]. Dalam prarancangan evaporator, harga
fouling factor (RD minimum) biasanya diambilsekitar 0.002 jam if OF Btu·1 [1,2]. Selisih RD - RD
minimum tidak boleh terlalu besar, untukmenghindari over-design[2]. Harga pressure dropyang diizinkan pada pra rancangan evaporator(t<.P max) ialah 10 psi[1,2]. Untuk perhitunganpressure drop evaporator hasil prarancangandigunakan rumus-rumus dari pustaka [2]
4. Sistem aliran jluida
a. Uap air
Uap air dipakai sebagai pemanas karena panaspengembunannya besar, biasanya dipakai
3. BajJ1e
Tujuan pemakaian bajJle ialahmenaikkan turbulensi aliran, sehinggakoefisien transfer panas naik.
Besarnya bajJle spacing: (0,5-1,0) x 10 shell
untuk
hargaPERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN
Berikut ini adalah hasil-hasil perhitunganuntuk pra rancangan evaporator.
Basis perhitungan:
Kapasitas evaporator 7000 I/j atau 7000 kg/j, suhucairan masuk ± 25°C dipanaskan sampai teruapkanpada ± 110°C.
Kebutuhan panas (Q I) untuk menaikkan suhu25°C - 110°C
Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2007
Mulyono Daryoko ISSN 0216 - 3128 2/
(8)
QI= 700flgljamx IBtux~8) 10-2fF=2361000Btu (1)O,453'g/lb IhOF jam
Panas penguapan (pada 1 atm) : Mi = 970,3 Blu [1,2]• Ib
Q, = 7000kg / j x970,3 Blu = 14.974.000 Blu (2)O,4536kg /Ih Ih jam
Cr ~ specific heat daTilarutan dingin(dalam Btu/lb.oF)
(11 )
(12)
(10)
(14)
(15)
(16)
lbu = 0,19cp = 0,4598-.-,
J·fl
k = 0,6 _l_bj.fl'o F
Cp = 1,2 Btulb.o F
~=_16_=156[) 0,1025
diameter shell: d = 33" = 2,75 ft
G = (7000/0,4536)kg/ jam _ 4044~ (9)• Ix~ fl'(144in') j.in'
4
Dianggap larutan dari asam (HNO) atau basa.(NaOH), dengan kadar 5 mgll.
Pada 240 OF(titik didih cairan), maka:
h,=J ~(CpxurII D, "k-
Dari Fig-24 [2] :
JH = 210
Untuk pemakaianevaporator efisiensi panasEfisiensi diambil 70%,diperlukan :
Qt = 17.335.000Btu / j = 24.764.000 Btu (4)0,7 jam
m=~= 24.764.0oolb/j -35.7oo~=71.4oo~ (5)O.75xdH. 0,75x924Rlu IIh jam jam
Perbedaan temperatur dalam suatu pemanasmaksimum 50°F. Peralatan tersebut menggunakanuap air dengan suhu 281°F, P = 50 psi = 3, 4 atm.Panas laten penguapan (~Hy) = 924 Btullb [1,2]Dianggap 75% dari uap panas mampu mengembundalam evaporator, kebutuhan uap air:
Tube: Dipakai standar pipa: stainless stellAISI 316, nominal diameter (ND) = 1,5"; 10BWG, diameter dalam (ID) = 1,23"; luaspermukaan perpindahan panas (a't)= 1,19 in2, luaslinier luar (~) = 0,3925 W/ft; luas linier dalam (a;)= 0,3225 ft2/ft; tube disusun secara triangular
pitch dengan jarak 1" pitch; dipilih panjang pipastandar L = 16 ft; tinggi shell diambil = 20ft = 240"= 600 cm
Diambil shell: Standard shell 33", n = 1 pass
Dari pustaka [2], tabel 9 didapat jumlahtube = 215 buah
Luas perpindahan panas (a;) :
Harga ini akan dipakai untuk menghitungkeperluan kebutuhan luas perpindahan.
Di = IDTube = ~ = 0 1025fl12in/ fl '
hi = 2IOx~C,2XO,4598}'J0,1025 0,6
hi=1160~j.fl2.o F
(17)
(18)
Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BAT AN
Yogyakarta, 10 Juli 2007
22 ISSN 0216 - 3128 Mulyono Daryoko
(19)
Pada 278,4° F :
/IF = 0,155 x 2,42 = 0,3267 Ib/jam.ff (Fig. 14[2], Sf = 1,0, kf = 0,360
Persamaan 12-42 [2] :
Till= Ta+ ho (T, -TJho + hiO
T•. =240+ 1500 (281-240)=275,40F210+ 1500
If = 281,4°F+275,4°F =2784°F. 2 '
Dimana Tw = temperature rata-rata uap-cairan, Ts= suhu uap air, T. = titik didih cairan.
h = 951 Blu (20)W j.ft'.o F
Dimana hi ,ho = koefisien perpindahan fluida didalam dan di luar pipa
hio= harga hi yang dipindah ke luar pipa
Uap sebagai pemanas :
h = 1500( Blu )o j.ft2 .0 F
(34)
(35)
U =_Q_= 17.335.000-403~o Am.Mom 1226x35 jam.ft'.o F
Rumus dari [2]
dapat dipakai mencari harga Uc :
U = hiOxho = 21Oxl333 =181.42 Btu (31)chiD +ho 210+ 1333 j.ft'.o F
Mencari Harga Uo :
Panas yang ditransfer :
Qr = U O·Am·t.1om
QT = 17.335.000 Btu/jam"I, Tube: ao = 0,3925
fefft, a; = 0,3225 fefft
maka am = .J0.3925x0.3225 = 0.355
panjang pipa = 16 ft, jumlah pipa = 215 buah,
temperatur dinding = 275 OF
~t = 35 ° F, Evaporator dianggap bekerjaisotermal: ll10m = 35 ° F
Luas permukaan perpindahan panas :
Am =Lxarnxn=16x0.355x 216 =1226 ft2 (32)
(33)
T = 240+ 1333 (281-240)= 275.4°F (30)w 210+ 1333
Jadi harga ho = 1333 B:uj.ft .0 F
(21)
(22)
(23)
(24)
(25)
(26)
u = 951xl500 = 582 BtuC 951 + 1500 jam.ft2 .0 F
cek penentuan hio=1500Btu/jam.ff.oF
h .hclean coefficient = U = ~
C hiO + ho
(27)
_1__ 1403 - 181,42+ RJ
Rd = 0.0031 jam·ft2 .0 FBtu
(36)
(37)
G = W = IIx7000xl2 = 5730~1/2DoN, 0.5x1.5x215 j.fi'
R.t yang diijinkan untuk sistem air-uap air adalah
. fi2°Fjam. t .0,002 ----- [1,2]. Hal ini berarti bahwa
Btuevaporator yang dipilih pada awal perhitungan, danmenghasilkan Rd seperti pada persamaan (37)adalah memenuhi syarat. Harga terse but mendekatiharga Rd yang diijinkan, yang berarti bahwaevaporator yang dipilih adalah sangat efisien, dantidak over design.
Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2007
Mu/yono Daryoko ISSN 0216 - 3128 23
Perhitungan Pressure Drop
Pada perbandingan sirkulasi (circulation ratio)1. masajenis uap:
Sirkulasi cairan =
Cairan pad a 240 0 F
10x7000 lbl jam = 154320~0,4536 jam
M'. = fxG2xLxn, 5,22xl 010 xDxSx¢,
Tube: 0,00018x3525552x16x12xl (48)
5,22xlO'o xO,l05xO,40 13
= 2,000Psi
Jadi hargapreassure drop: !J.Ps = 0,8236 psi,
!J.Pt = 2,000 psi
!J.P maks. 10 psi ; Jadi harga ini dapat dipakaiuntuk evaporator yang didisain.
Hasil perhitungan evaporator:
ukuran evaporator: diameter shell Ds = 33 in,diameter pipa ND = 1,5 in, 10 BWG; jumlah pipan = 215 buah; panjang pipa L = 16 ft
Dari hasil perhitungan ini bisa dilihat padaGambar I.
Perhitungan kondensor
Misalnya dipakai shell 33", jumlah pipa 215,triangular pitch, ND = 1,5", Panjang tube = 16 ft =192", baffle = 7 buah, jarak baffle = I ft. Tinggishell diambil 20 ft = 240" = 600 cm.
Dengan perhitungan yang sarna denganperhitungan evaporator, didapatkan:
~Ps = 0,01774 psi, ~Pt = 0,9400 psi, Uc = 382,
Ud = 60 327 Rd = 0 01409 jam.jt2 .0 F, ,Btu
Dari hasil perhitungan, menunjukkan bahwakondensor tersebut bisa digunakan.
KESIMPULAN
Berikut ini hasil-hasil perhitungan dari evaporatordan peralatannya:
3. YAMAMOTO Y., "Design and Operation ofEvaporator for Radioactive Wastes", TechnicalReports Series No.87, IAEA, Vienna (1968)
4. ELECTRICITE DE FRANCE, "EDF 1300MW Nuclear Power Plants", Paris, 1983.
5. NEWJEC INC., "Waste Management andDecommissioning", Report of Feasibility Studyof The First Nuclear Power Plant at Muria
Peninsula Region, Jakarta, September, 1993.
Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan· BATAN
Yogyakarta, 10 Juli 2007
26 ISSN 0216 - 3128 Mulyono Daryoko
TANYAJAWAB
Prayitno
Terangkan proses evaporasi (mekanisme yangterjadi)?
Pemisahan uap dan cairan pada alat berdasarkanapa?
Perkiraan FD yang dihasilkan berapa?
Mulyono D.
• Proses evaporasi adalah proses pemisahandengan jalan memanaskan bahan yangdipisahkan berdasarkan perbedaan fase uapdan cairan setelah dilakukan pemanasan.
• Pemisahan uap dan cairan pada alat MistSeparator/evaporator berdasarkan density nyauap karena kerapatannya kecil maka densitynya kecil juga
• Dalam hal ini bukan FD tetapi reduksivolume, RV nya lebih kurang 50.
Prosldlng PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BAT AN