Artikel berikut mungkin sesuai dengan kebutuhan dan masalah di lndustri Anda:
– Memahami deposit kerak akibat pengendapan
– melakukan pengendalian operasional untuk deposit kerak
– melakukan pengendalian deposit dengan threshold inhibitor
– prinsip langelier saturation index
– memahami prinsip dispersan

Semoga artikel ini membantu Anda.

BAB 25 PENGENDALIAN DEPOSIT DAN KERAK PADA SISTEM PENDINGIN

Akumulasi deposit pada sistem air pendingin mengurangi efisiensi dari perpindahan panas dan kapasitas air yang dapat dibawa pada sistem distribusi. Deposit menyebabkan pembentukan perbedaan sel oksigen yang akan mempercepat korosi dan dapat merusak peralatan. Deposit memiki ukuran deposit kerak mulai dari tipis, film yang melekat kuat hingga tebal, gelatin, tergantung pada spesi deposit dan mekanisme terjadinya deposit.

Pembentukan deposit sangat dipengaruhi parameter sistem, seperti air dan temperatur kulit, kecepatan air, waktu tinggal, dan metalurgi sistem. Deposisi paling parah ditemui di dalam peralatan yang beroperasi dengan temperatur permukaan yang tinggi dan/atau kecepatan air yang rendah. Dengan penggunaan film fill menara pendingin berefisien tinggi, akumulasi deposit di dalam isian menara pendingin mencara area yang diperhatikan (lihat Gambar 25.1). Deposit secara umum dikategorikan sebagai kerak (scale) atau foulant.

Gambar 25.1 Pengerakan pada isian menara pendingin akibat kombinasi dari kalsium karbonat dan kalsium fosfat

Kerak
Deposit kerak terbentuk akibat pengendapan dan pertumbuhan kristal pada permukaan yang kontak dengan air. Pengendapan terjadi ketika konsentrasi melebihi batas kelarutan baik 
deposit kerak di badan air atau di permukaan. Garam pembentuk kerak pada permukaan perpindahan panas adalah senyawa yang memiliki kelarutan berbanding terbalik dengan temperatur. Adanya kerak mineral pada cooling water akibat permasalahan pada heat transfer

Meski mereka dapat larut sempurna pada badan air bertemperatur rendah, senyawa ini (contoh: kalsium karbonat, kalsium fosfat, magnesium silikat) akan menjadi jenuh pada air bertemperatur lebih tinggi di dekat permukaan perpindahan panas dan mengendap di permukaan tersebut.

Pengerakan tidak selalu berhubungan dengan temperatur. Kerak kalsium karbonat dan kalsium sulfat terbentuk pada permukaan yang tidak menerima panas ketika batas kelarutan mereka dilewati pada badan air (Gambar 25.2). Permukaan logam merupakan sisi ideal untuk nukleasi kristal karena permukaannya kasar dan kecepatan air rendah di dekat permukaan logam. Sel korosi pada permukaan logam menghasilkan pH yang tinggi, akan mendukung proses pengendapan dari berbagai garam yang ada di dalam air pendingin. Ketika sudah terbentuk, deposit kerak akan menginisiasi nukleasi tambahan dan proses pertumbuhan kristal akan lebih cepat.

Gambar 25.2 Pengerakan pada pipa distribusi air akibat kalsium sulfat

Pengendalian kerak dapat dicapai dengan pengoperasian sistem air pendingin pada kondisi subsaturated atau penggunaan bahan kimia. Adanya kerak mineral pada cooling water akibat permasalahan pada heat transfer

Pengendalian Operasional
Metode paling langsung untuk menghambat pembentukan deposit kerak adalah pengoperasian pada kondisi subsaturated, dimana konsentrasi garam pembentuk kerak berada di bawah batas kelarutan garam tersebut. Pada beberapa garam, cukup untuk dioperasikan pada siklus konsentrasi yang rendah dan/atau pH rendah. 
deposit kerak Akan tetapi, pada kebanyakan kasus, laju blowdown yang tinggi dan pH yang rendah dibutuhkan sehingga konsentrasi garam tidak melebihi batas kelarutan garam pada permukaan perpindahan panas. Diperlukan untuk menjaga pengendalian yang akurat dari pH dan siklus konsentrasi. Variasi kecil pada sifat kimia air atau beban panas dapat menimbulkan pengerakan (Gambar 25.3).

Gambar 25.3 Pengerakan kalsium karbonat dari permukaan utilitas kondensor listrik akibat pengendalian pH yang buruk

Aditif Kimia
Pengerakan dapat dikendalikan secara efektif dengan penggunaan agen sequestering dan chelat yang mampu membentuk senyawa kompleks yang mudah larut dari ion logam. Sifat pengendapan dari senyawa kompleks ini tidak sama dengan ion logamnya. Contoh klasik dari material ini adalah asam etilen diamin tetraasetat (EDTA) sebagai chelating dari kesadahan kalsium, dan polifosfat untuk besi (Gambar 25.4). 
deposit kerak Pendekatan ini membutuhkan jumlah bahan kimia yang stoikiometri. Oleh karena itu, penggunaannya terbatas pada air dengan kandungan logam yang rendah.

Gambar 25.4 Sequestrasi besi oleh natrium fosfat

Threshold Inhibitor. Agen pengendali deposit yang menghambat pengendapan pada dosis yang jauh dibawah kadar stoikiometrik yang dibutuhkan untuk sequestration atau chelation disebut sebagai “threshold inhibitor”. Senyawa ini mempengaruhi kinetika dari nukleasi dan pertumbuhan kristal dari garam pembentuk kerak, dan memungkinkan kondisi lewat jenuh tanpa pembentukan kerak.

Theshold inhibitor  berfungsi dengan mekanisme adsorpsi. Seiring dengan kumpulan ion mengalami orientasi, mikrokristalit metastabil (kumpulan ion yang memiliki orientasi yang tinggi) terbentuk. Pada tahap awal pengendapan, mikrokristalit dapat mengalami pertumbuhan lanjut (membentuk kristal yang lebih besar dengan sebuah kisi kristal yang rapi) atau larut kembali. Threshold inhibitor mencegah pengendapan dengan menyerap kristal yang baru muncul, menutupi sisi aktif pertumbuhan kristal. Hal ini akan menghambat pertumbuhan lebih lanjut dan melarutkan kristal yang terbentuk. Endapan akan larut dan melepaskan inhibitor kembali, yang kemudian bebes kembali untuk mengulangi proses tersebut.

Threshold inhibitor  menunda atau menghambat laju pengendapan. Kristal akan terbentuk, tergantung pada derajat lewat jenuh dan waktu tinggal sistem. Setelah kristal yang stabil muncul, pertumbuhan selanjutnya dihambat oleh inhibitor adsorpsi. Inhibitor menghalangi banyak permukaan kristal, menyebabkan gangguan pada kisi kristal seiring pertumbuhan berlangsung. Gangguan (kecacatan pada kisi kristal) menciptakan tekanan internal, membuat kristal rapuh. Deposit kerak yang menempel kuat  tidak akan terbentuk karena kristal yang terbentuk pada permukaan kontak dengan air yang mengalir dan tidak dapat menahan gaya dari aliran air. Inhibitor adsorpsi ini juga mendispersikan partikel, deposit kerak dengan muatan elektrostatiknya dan mencegah pembentukan aglomerat yang terikat kuat. Adanya kerak mineral pada cooling water akibat permasalahan pada heat transfer

Inhibitor kerak yang paling umum digunakan merupakan polimer akrilat dengan berat molekul rendah dan senyawa fosfor organik (fosfonat). Kedua kelompok material ini berfungsi sebagai threshold inhibitor, akan  tetapi, material polimer merupakan dispersan yang lebih efektif. Pemilihan agen pengendali pembentukan kerak tergantung pada senyawa yang akan mengendap dan derajat supersaturasinya. Program pengendalian pembentukan kerak yang paling efektif menggunakan inhibitor presipitasi dan dispersan. Pada beberapa kasus, hal ini dapat dicapai dengan sebuah komponen (contoh: polimer yang digunakan untuk menghambat kalsium fosfat pada pH mendekati netral).

Langelier Saturation Index (LSI)
Dikerjakan oleh profesor W.F. Langelier, dipubliikasikan pada tahun 1936, berhubungan dengan kondisi dimana sebuah air berada pada kondisi kesetimbangan dengan kalsium karbonat. Sebuah persamaan dihasilkan oleh Langelier memungkinkan untuk memprediksi kecenderungan kalsium karbonat apakah mengendap atau larut di beragai kondisi. Persamaan ini mengungkapkan hubungan pH, kadar kalsium, alkalinitas total, kandungan padatan terlarut, dan temperatur terhadap kelarutan kalsium karbonat di dalam air dengan rentang pH 6,5-9,5.

pHs = (pK2 – pKs) + pCa2+ + pAlk

dimana:

pHs = pH air dengan kandungan kalsium tertentu dan alkalinitas berkesetimbangan dengan kalsium karbonat

K2 = konstanta disosiasi ke-2 dari asam karbonat

Ks = konstantan kelarutan dari kalsium karbonat

Nilai suku ini merupakan fungsi dari temperatur dan kandungan padatan terlarut. Nilai mereka pada kondisi tertentu dapat dihitung dari konstanta termodinamika yang dapat diketahui. Suku Ion kalsium dan alkalinitas merupakan nilai negatif dari logaritma konsentrasi mereka. Kadar kalsium di dalam satuan molar, sedangkan alkalinitas merupakan sebuah konsentrasi ekuivalen (contoh: ekuivalen liter basa yang dapat dititrasi). Perhitungan dari pHs telah disederhanakan dengan berbagai nomografi. Salah satu tipikal yang digunakan dapat dilihat pada gambar 25.5.

Gambar 25.5 Grafik dari LSI

Perbedaan antara pH air aktual (pHa) dengan pHs, atau pHa-pHs, adalah nilai dari LSI. Indeks ini merupakan sebuah indikasi kualitatif dari kecenderungan kalsium karbonat mengendap atau terlarut. Jika LSI positif, kalsium karbonat cenderung mengendap dan jika nilainya negatif maka kalsium karbonat cenderung larut. Jika nilainya nol maka air berada pada kondisi kesetimbangan.

LSI hanya mengukur arah kecenderungan atau gaya penggerak dari kalsium karbonat mengendap atau larut. Indeks ini tidak dapat digunakan sebagai pengukuran kuantitatif. Dua air yang berbeda, satu air dengan kadar kesadahan rendah (korosif), dan satunya dengan kesadahan tinggi (mudah terbentuk kerak) dapat memiliki nilai LSI yang sama. Adanya kerak mineral pada cooling water akibat permasalahan pada heat transfer

Indeks kestabilan yang dikembangkan oleh Ryzner memungkinkan untuk membedakan dua tipe air ini. Indeks ini didasarkan dari studi hasil operasi aktual dengan air yang memiliki berbagai indeks kejenuhan.

Stability Index (SI) = 2(pHs) – pHa

Ketika air memiliki indeks kestabilan 6,0 atau lebih rendah, pengerakan meningkat dan kecenderungan korosi berkurang. Ketika indeks kestabilan melebih 7,0 maka kerak tidak akan terbentuk. Seiring dengan peningkatan nilai indeks kestabilan di atas 7,5 atau 8,0 kemungkinan korosi akan meningkat. deposit kerak Penggunaan nilai LSI dan SI akan memberikan prediksi yang lebih akurat apakah air cenderung korosif atau mengerak.

Fouling
Fouling terjadi ketika partikulat yang tak larut tersuspendi di dalam air resirkulasi membentuk deposit di sebuah permukaan. Mekanisme fouling didominasi oleh interaksi antar partikel yang menimbulkan pembentukan aglomerat.

Pada kecepatan air yang rendah, pengendapan partikel dipengaruhi oleh gaya gravitasi (Gambar 25.6). parameter yang memengaruhi laju pengendapan yaitu ukuran partikel, densitas relatif cairan dan partikel, dan viskositas cairan. Hubungan dari variabel ini dinyatakan pada hukum Stoke. Faktor yang paling penting memengaruhi laju pengendapan yaitu ukuran partikel. Oleh karena itu, pengendalian fouling dengan pencegahan aglomerasi merupakan salah satu metode paling fundamental dari pengendalian deposit.

Gambar 25.6 Fouling dari kalsium dan besi fosfat akibat kecepatan aliran air yang rendah

Foulant memasuki sebuah sistem air pendingin melalui air make up, kontaminasi dari udara, kebocoran proses, dan korosi. Foulant paling potensial yang masuk dari air deposit kerak make up yaitu senyawa partikulat, sepeti lempung, tanah, dan besi oksida (Gambar 25.7). Alumunium yang tak larut dan besi hidroksida memasuki sistem dari air pendingin pada operasi pretreatment air. Beberapa air sumur mengandung besi terlarut yang tinggi dan kemudian teroksidasi menjadi presipitas besi ferri. Proses korosi baja juga merupakan sumber besi ferro dan menimbulkan fouling.

Gambar 25.7 Fouling pada pelat pendingin oleh besi dan lumpur

Besi maupun alumunium merupakan penyebab masalah karena kemampuan mereka bertindak sebagai koagulan. Kelarutan mereka dan bentuk hidroksida yang sukar larut dapat menyebabkan mengendapkan beberapa bahan kimia treatmaent seperti ortofosfat.

Kontaminasi dari udara biasanya mengandung partikel lempung dan tanah tetapi dapat meliputi gas seperti hidrogen sulfida, yang membentuk presipitat tak larut dengan banyak ion logam. deposit kerak Kebocoran proses menimbulkan berbagai kontaminan yang mempercepat deposisi dan korosi.

Foulant, seperti lumpur air sungai, memasuki sistem sebagai partikel yang terdispersi secara halus, yang  dapat berukuran sekecil 1-100 nm. Partikel membawa muatan elektrostatis, yang menyebabkan partikel bermuatan sama saling tolak menolak, dan menjadi terdispersi. Total muatan yang dibawa oleh sebuah partikel tergantung pada  komposisi air. Siklus air pendingin meningkatkan konsentrasi dari ion yang memiliki muatan berlawanan dan mampu menarik secara elektrostatis sehingga terserap pada partikel bermuatan. Seiring ion bermuatan berlawanan terserap, total muatan partikel berkurang. Partikel mulai mengalami aglomerasi dan berukuran lebih besar seiring gaya dorong antara partikel berkurang.

Pengendapan terjadi ketika energi yang diberikan oleh kecepatan fluida tidak mampu mendorong partikel akibat aglomerasi dan pertumbuhan ukuran. Setelah partikel mengendap, karakteristik dari deposit tergantung pada kekuatan gaya tarik diantara partikel (kekuatan aglomerasi) dan antara partikel dengan permukaan yang kontak. deposit kerak Jika gaya tarik antara partikel kuat dan partikel tidak terhidrasi dengan baik, deposit akan memadat dan memiliki struktur yang rapi, jika gaya tarik lemah maka deposit akan lunak dan lentur. Deposisi berlanjut seiring dengna kekuatan robek (shear strenght) dari deposit melebihi gaya robek (shear stress) dari aliran air.

Metode Pengendalian Fouling

Penghilangan Senyawa Partikulat
Jumlah partikulat yang memasuki sistem pendingin melalui air make up dapat dikurangi melalui proses filtrasi dan/atau sedimentasi. Penghilangan partikulat dapat juga dilakukan dengan filtrasi dari air pendingin resirkulasi. Metode ini tidak menghilangkan semua senyawa tersuspensi dari air pendingin. Tingkat fouling yang ditemui dipengaruhi oleh keefektifan dari skema penghilangan partikulat yang digunakan, kecepatan air didalam peralatan proses, dan siklus konsentrasi yang dijaga pada menara pendingin.

Kecepatan Aliran Air yang Tinggi
Kemampuan dari kecepatan air dalam meminimalkan fouling tergantung pada karakteristik foulant. Deposit lembung dan debu lebih efisien dihilangkan dengan kecepatan air yang tinggi dibandingkan dengan deposit alumunium dan besi, yang lebih pada dan membentuk jaringan pengunci dengan presipitat lainnya. Pengeoperasian pada kecepatan air yang tinggi tidak selalu merupakan solusi yang dapat dilakukan terhadap permasalahan deposisi lempung 
deposit kerak dan debu karena adanya batasan desain, pertimbangan ekonomi, dan potensi korosi erosi.

Dispersan
Dispersan merupakan material yang menyuspensikan senyawa partikulat dengan penyerapan pada permukaan partikel dan menempel dengan muatan yang tinggi. Gaya tolak yang tinggi antara partikel bermuatan yang sama mencegah aglomerasi, yang akan mengurangi pertumbuhan partikel. Keberadaan dispersan pada permukaan partikel juga menghambat hubungan antara partikel. Adsorpsi dari dispersan membuat partikel lebih hidrofilik dan lebih susah menempel di permukaan. Oleh karena itu, dispersan mempengaruhi interaksi antara partikel dan partikel dengan permukaan.

Dispersan yang paling efektif dan paling banyak digunakan  deposit kerak adalah polimer anionik dengan berat molekul rendah. Teknologi dispersi telah berkembang menuju titik dimana polimer didesain untuk kelas spesifik dari foulant atau untuk berbagai tipe material. Polimer berbasis akrilat banyak digunakan sebagai dispersan. Senyawa ini telah dikembangkan dari senyawa asam akrilik homopolimer sederhana hingga kopolimer dan terpolimer. Karakteristik performa dari polimer akrilat merupakan fungsi dari berat molekul dan struktur mereka, bersamaan dengan tipe unit monomer yang menyusun kerangka polimer. Adanya kerak mineral pada cooling water akibat permasalahan pada heat transfer

Surfaktan
Agen pembasah atau permukaan yang aktif digunakan untuk mencegah fouling oleh hidrokarbon yang tak larut. Mereka berfungsi dengan mengemulsikan hidrokarbon melalui pembentukan tetesan mikro yang mengandung surfaktan. Bagian hidrofobik dari surfaktan terlarut pada tetesan minyak sedangkan bagian hidrofilik berada pada permukaan tetesan. Muatan elektrostatis yang dimiliki oleh sisi hidrofilik menyebabkan gaya tolak menolak antara tetesan menegah tumbukan antar tetesan. Melalui mekanisme yang sama, surfaktan juga membantu penghilangan deposit yang mengandung hidrokarbon.

Referensi:
Suez Water Technologies & Solutions. “Handbook of Industrial Water Treatment” deposit kerak 

Jl. Pelajar Pejuang 45 No. 43
Kota Bandung, Jawa Barat

WA  : 082237062772
Telp : 0227317077

Copyright 2021 solusitirtaoptima.com