Fouling

Dalam ilmu perpindahan kalor fouling adalah pembentukan lapisan deposit pada permukaan perpindahan panas dari bahan atau senyawa yang tidak diinginkan. Bahan atau senyawa itu berupa kristal, sedimen, senyawa biologi, produk reaksi kimia, ataupun korosi. Pembentukan lapisan deposit ini akan terus berkembang selama alat penukar kalor dioperasikan. Akumulasi  deposit pada permukaan alat penukar kalor menimbulkan kenaikan pressure drop   dan menurunkan efisiensi perpindahan  panas.  Untuk  menghindari penurunan performance alat penukar kalor yang terus berlanjut dan terjadinya unpredictable cleaning, maka diperlukan suatu informasi yang jelas  tentang tingkat pengotoran  untuk menentukan jadwal pembersihan (cleaning  schedule).

Lapisan fouling dapat berasal dari partikel-partikel atau senyawa lainnya yang terangkut oleh aliran fluida. Pertumbuhan lapisan tersebut dapat meningkat apabila permukaan deposit yang terbentuk mempunyai sifat adhesif yang cukup kuat. Gradien temperatur yang cukup besar antara aliran  dengan permukaan dapat juga meningkatkan kecepatan pertumbuhan deposit. Pada umumnya proses pembentukan lapisan fouling merupakan phenomena yang sangat kompleks sehingga sukar sekali dianalisa secara analitik. Mekanisme pembentukannya sangat beragam, dan metode-metode pendekatannya juga berbeda-beda                 

Proses Pembentukan

Berdasarkan proses terbentuknya endapan atau kotoran, faktor pengotoran dibagi 5 jenis, yaitu :

1.    Pengotoran akibat pengendapan zat padat dalam larutan (precipitation fouling).

Pengotoran ini biasanya terjadi pada fluida yang mengandung garam-garam yang terendapkan pada suhu tinggi, seperti garam kalsium sulfat, dll.

2.    Pengotoran akibat pengendapan partikel padat dalam fluida (particulate fouling).

Pengotoran ini terjadi akibat pengumpulan partikel-partikel padat yang terbawa oleh  fluida di atas permukaan perpindahan panas, seperti debu, pasir, dll.

3.    Pengotoran akibat reaksi kimia (chemical reaction fouling).

Pengotoran  terjadi akibat reaksi kimia di dalam fluida, di atas permukaan perpindahan panas, dimana material bahan permukaan perpindahan panas tidak ikut bereaksi, seperti adanya reaksi polimerisasi, dll.

4.    Pengotoran akibat korosi (corrosion fouling).

Pengotoran terjadi akibat reaksi kimia antara fluida kerja dengan material bahan permukaan perpindahan panas.

5.    Pengotoran akibat aktifitas biologi (biological fouling).

Pengotoran ini berhubungan dengan akitifitas organisme biologi yang terdapat atau terbawa dalam aliran fluida seperti lumut, jamur, dll.

Akibat pembentukan fouling tersebut, maka kemampuan alat penukar kalor akan mengalami penurunan. Dalam beberapa kasus, pembersihan lapisan fouling dilakukan secara kimia dan mekanis. Salah satu cara mekanis yang umum dilakukan adalah dengan metode on-line cleaning dengan menggunakan bola taprogge

               Mekanisme Terjadinya Fouling

Pada umumnya mekanisme terjadinya fouling, pembentukan dan pertumbuhan deposit, terdiri dari :

a.     Initiation, pada periode kristis dimana temperatur, konsentrasi dan gradien kecepatan, zona deplesi oksigen dan kristal terbentuk dalam waktu yang singkat.

b.    Transport partikel ke permukaan

·         secara mekanik = imfaction

·         secara turbulen = difusion

·         Thermophoresis dan Electrophoresis

c.    Adhesi dan Kohesi pada permukaan.

d.   Migration, berupa perpindahan foulant (bahan atau senyawa penyebab fouling) menuju ke   permukaan, dan berbagai mekanisme perpindahan difusi.

e.    Attchment, Awal dari terbentuknya lapisan deposit.

f.     Transformation or Aging, periode kristis dimana perubahan fisik ataupun struktur kimia/kristal dapat meningkatkan kekuatan dan ketahanan lapisan deposit.

g.    Removal or Re-entrainment, perpindahan lapisan fouling dengan cara pemutusan, erosi atau spalling.

Kecepatan aliran dan temperatur fluida (atau beda temperatur) dapat menjadi variabel signifikan terjadinya fouling. Peningkatan kecepatan menyebabkan transfer massa spesies fouling dapat meningkat,  seiring dengan terbentuknya deposit pada permukaan perpindahan kalor. Secara terus menerus, shear force pada fluida/permukaan perpindahan kalor meningkat, melalui mekanisme removal deposit. Temperatur yang digunakan pada alat penukar kalor dapat mempengaruhi besarnya luasan fouling pada permukaan perpindahan kalor.

 Kondisi Terjadinya Fouling

Kondisi yang mempengaruhi terjadinya fouling yaitu :

1.  Parameter operasi alat penukar kalor, yaitu: velocity, surface tempareture, dan fluids temperature.

2.  Parameter alat penukar kalor, yaitu: Konfigurasi alat penukar kalor, permukaan material, dan struktur permukaan.

3.  Fluids properties, yaitu : Suspended solid, Dissolved solid, Dissolved gases, dan Trace element.

Deposit partikel pada permukaan perpindahan kalor banyak dijumpai pada aliran gas-partikel dengan temperatur tinggi. Proses terjadinya fouling ini dapat ditemukan di power plant system seperti di economizer, superheater, peralatan penukar kalor pipa air pendingin, dan beberapa proses di industri kimia. Salah satu contoh adalah fenomena fouling pada boiler. Partikel yang dikenal dengan fly ash (abu terbang) berasal dari sisa hasil pembakaran batubara di boiler. Fly ash ini tersuspensi dalam aliran gas yang kemudian akan masuk ke peralatan penukar kalor. Aliran gas-fly ash ini akan membentuk lapisan deposit/fouling pada dinding luar tube.

Tiga modus utama ash transport dalam pembentukan lapisan deposit yaitu:

1.  Inertial and eddy impaction, modus ash transport ini dapat membentuk tipe fouling deposit jenis Upstream dan downstream.

2.   Vapor-phase and small-particle diffusion, modus ash transport ini dapat membentuk tipe deposit jenis Inner Layer.

3.   Thermophoresis/Electrophoresis, modus ash transport ini dapat membentuk tipe deposit jenis Inner Layer.

mekanisme terbentuknya deposite partikel pada dinding luar tube

Lapisan deposit paling tebal terdapat pada bagian depan tube (upstream) atau pada sudut 0o. Jumlah deposit partikel yang jatuh (removed) semakin besar dengan semakin besarnya sudut sampai pada sudut 90o. Untuk sudut mendekati nol, kecepatan aliran adalah minimal, sehingga daya lepas deposit partikel (detaching force) karena aerodynamic force dapat diabaikan (Anatoli D. Zimon). Untuk sudut mendekati 90o, boleh dibilang hampir semua deposit partikel jatuh, hal ini disebabkan oleh impact dari pergerakan partikel. Sebaliknya ketika aliran melalui sisi bagian atas tube, detaching force meningkat sesuai dengan kecepatan aliran, dimana pada sisi ini kecepatan aliran adalah maksimum.

Setelah deposit mencapai kondisi jenuh pada waktu tertentu, sejumlah deposit pada bagian depan (upstream) terjatuh, namun tidak semua bagian dari deposit itu terjatuh. Setelah itu terbentuk lagi deposit, kemudian setelah mencapai kondisi jenuh, terjatuh lagi. Fenomena ini terus berulang-ulang, dan keadaan akhir distribusi ketebalan deposit.

Cara Mengurangi Fouling pada Heat Exchanger

Berikut ini adalah cara mengurangi terjadinya fouling pada Heat Exchanger , yaitu :

1.   Pemilihan heat exchanger ( HE ) yang tepat, Penggunaan beberapa tipe HE tertentu dapat mengurangi pembentukan fouling di karenakan area dead space yang lebih sedikit dibandingkan dengan tipe yang lainnya, seperti plate dan spiral heat exchanger, namun begitu jenis HE tersebut hanya dapat menangani design pressure sampai 20 – 25 bar dan design temperature 250 ^oC ( plate ) dan 400 ^oC ( spiral ).

2.       Gunakan diameter tube yang lebih besar. STHE umumnya didesain dengan ukuran tube dari 20 mm atau 25 mm, untuk penggunaan fluida yang kotor ( fouling resistance > 0.0004 h-m² C/kal ) gunakan tube dengan diameter ( minimum ) 25 mm ( outside diameter, OD )

3.         Kecepatan tinggi, seperti yang telah di jelaskan di atas bahwa pada kecepatan tinggi, fouling dapat dikurangi, koefisien heat transfer juga akan semakin tinggi,  namun demikian mengoperasikan HE dengan kecepatan tinggi mengakibatkan pressure drop yang tinggi pula serta erosi , kenaikan pressure drop lebih cepat dari pada kenaikan koefisien perpindahan panas, maka perlu dicari kecepatan yang optimum.

4.   Margin pressure drop yang cukup. Pada HE yang digunakan untuk fluida yang berpotensi membentuk fouling  yang tinggi, disarankan untuk menggunakan margin 30 – 40 % antara pressure drop yang diijinkan ( allowable ) dengan pressure drop yang dihitung ( calculated ) hal ini dilakukan untuk antisipasi pressure drop yang tinggi akibat penggunakan kecepatan yang tinggi.

5.    Gunakan tube bundle dan heat exchanger cadangan. Jika penggunaan HE untuk fluida yang berpotensi membentuk fouling yang sangat ekstrim, maka tube bundle candangan sebaiknya digunakan. Jika fouling telah terjadi cukup cepat ( setiap 2 – 3 bulan ) maka sebaiknya digunakan HE cadangan. STHE cadangan juga diperlukan untuk tipe STHE Fixed tubesheet ( pembentukan fouling yang tinggi pada tube , seperti pada reboiler thermosiphon vertikal yang menggunakan fluida polimer seperti pada Butadiene plant).

6.      Gunakan 2 shell yang disusun secara paralel. dengan penggunaan STHE dimana Shell disusun secara seri, maka jika salah satu STHE telah terjadi penumpukan ( akumulasi ) fouling ( dimana STHE tersebut diservice ) maka STHE yang satunya lagi dapat digunakan, walaupun tentunya terjadi penurunan output, sebaiknya kapasitas yang digunakan masing- masing antara 60 – 70 % dari kapasitas total

7.         Gunakan Wire Fin tube. Penggunaan Wire fin tube,dapat mengurangi terbentuknya fouling, pada awalnya penambahan wire fin tube ini digunakan untuk meningkatkan perpindahan panas tube pada aliran laminar. Wire fin dapat menaikkan pencampuran radial ( radial mixing ) dari dinding tube hingga kebagian centre ( tengah ), efek gerakan pengadukan inilah yang dapat meminimalisasikan deposit pada dinding tube.

8.      Gunakan Fluidized Bed HE, HE tipe ini dapat menghandle fouling yang ekstrim.Apabila Fluida kotor ditempatkan pada shell.

9.   Gunakan U-Tube atau Floating head. Kelemahanan  penggunaan U tube adalah kesulitan pembersihan pada bagian U.

10.     Gunakan susunan tube secara Square atau Rotate Square. susunan square menyediakan akses  yang lebih sehingga cleaning HE secara mechanical dengan menggunakan Rodding atau hydrojetting  baik pada susunan triangle,  namun begitu tube yang disusun secara square memberikan koefisien heat transfer yang rendah, untuk situasi seperti ini , maka rotate square dapat digunakan.

11.  Meminimalisasikan dead space dengan desain baffle secara optimum. STHE lebih mudah mengalami Fouling dikarenakan adanya dead space, oleh sebab itu , penentuan jarak antar baffle ( baffle spacing ) dan baffle cut sangatlah penting, kedua  variable tersebut sangat berpengaruh dalam pentuan besar kecilnya koefisien perpindan panas pada shell. Nilai Baffle cut sebaiknya digunakan antara 20 -30 %, dimana baffle cut sebesar 25 % adalah nilai yang cukup baik sebagai starter. Untuk perpindahan panas yang hanya melibatkan panas sensible ( seperti heater atau cooler ) disarankan tidak menempatkan posisi baffle secara vertikal, untuk perpindahan panas yang melibatkan panas laten atau terjadinya perubahan fase ( seperti condenser, vaporizer ) disarankan untuk menempatkan posisi baffle secara vertikal.

12.  Kecepatan tinggi, sama seperti pada tube, pengunaan kecepatan tinggi pada shell akan dapat mengurangi pembentukan fouling, dan dapat menaikkan koefisien perpindahan panas shell. Kecepatan pada shell umumnya ( disamping faktor lain seperti tube pitch dan lain –lain ) dipengaruhi oleh diameter shell dan baffle spacing.

13.    Gunakan tube pitch yang lebih besar untuk fouling yang lebih sangat tinggi. Umumnya tube pith yang digunakan adalah sebesar 1.25 kali dari OD untuk triangular pitch dan 6 mm lebih dari OD untuk square.