PENGENDALIAN DEPOSIT DAN KERAK PADA SISTEM PENDINGIN

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.

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.  Deposit secara umum dikategorikan sebagai kerak (scale) atau foulant.

Kerak

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

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. 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.

Pengendalian kerak dapat dicapai dengan pengoperasian sistem air pendingin pada kondisi subsaturated atau penggunaan bahan kimia.

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. 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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. 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. 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.

Foulant memasuki sebuah sistem air pendingin melalui air make up, kontaminasi dari udara, kebocoran proses, dan korosi. Foulant paling potensial yang masuk dari air make up yaitu senyawa partikulat, sepeti lempung, tanah, dan besi oksida. 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.

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. 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.

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. 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.

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 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.

Dispersan yang paling efektif dan paling banyak digunakan 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.

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.

0 replies

Leave a Reply

Want to join the discussion?
Feel free to contribute!

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *