Pemodelan, simulasi, dan optimasi fenomena fouling pada heat exchanger dalam proses pasteurisasi susu

Abstract

Produk industri susu semisal susu skim, selain sebagai minuman,dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku industri pangan. Perlakuan panas pada industri susu, misalnya proses pasteurisasi dilakukan menggunakan alat penukar panas. Perlakuan panas ternyata menimbulkan masalah yaitu fouling yang merupakan peristiwa terakumulasinya bahan yang tidak diinginkan pada permukaan pemindah panas. Fouling memiliki mekanisme rumit dan menimbulkan kerugian yang sangat besar, sehingga dibutuhkan model yang representatif untuk mengontrolnya. Manfaat penelitian ini adalah untuk memberikan pengertian bagi industri susu mengenai mekanisme fouling, sehingga dapat mengambil langkah tepat untuk meminimalisir kerugian. Tujuan penelitian ini adalah membuat model yang merepresentasikan fenomena fouling pada alat penukar panas dalam proses HTST. Pemodelan dilakukan menggunakan neraca massa, panas dan momentum. Tujuan kedua adalah melakukan simulasi pembentukan deposit pada permukaan alat penukar panas dengan menggunakan parameter yang didapat dari literatur dan hasilnya ditampilkan dalam profil ketebalan lapisan deposit pada waktu dan posisi tertentu. Simulasi ini juga bertujuan untuk mengetahui parameter mana yang paling mempengaruhi terjadinya fouling. Tujuan ketiga adalah melakukan optimasi kondisi operasi alat penukar panas sehingga dapat meminimalisir pembentukan fouling. Adapun tujuan lain dari penelitian ini adalah mempelajari fenomena perpindahan massa, panas dan momentum yang terjadi dalam peristiwa fouling. Langkah pertama penelitian adalah mencari data literatur yaitu data-data fisik yang diperlukan untuk melakukan simulasi. Simulasi dilakukan menggunakan software COMSOL Multiphysics 5.0 baik untuk plate heat exchanger, maupun untuk shell and tube heat exchanger. Dari hasil simulasi akan didapat data ketebalan lapisan deposit dan temperatur keluaran susu, kemudian dilakukan analisa sensitivitas untuk menentukan parameter yang paling berpengaruh. Optimasi kemudian dilakukan memakai bantuan software Design-Expert lalu dilakukan lagi simulasi pada COMSOL Multiphysics 5.0 untuk mendapat ketebalan deposit seminimum mungkin dalam kondisi batas yang ada. Hasil penelitian menunjukkan bahwa ketebalan lapisan deposit paling dipengaruhi oleh parameter suhu dinding, namun untuk mencapai kondisi batas yang ditetapkan, harus dilakukan optimasi dengan mempertimbangkan faktor lain yaitu suhu masukan susu dan laju alir linear susu. Dari hasil optimasi didapat bahwa kondisi optimum untuk plate heat exchanger yang digunakan adalah pada suhu masukan 50 °C, laju alir masukan 0,3 mls dan suhu dinding 78,07°C sementara untuk shell and tube heat exchanger yang digunakan terjadi pada suhu masukan 25 °C, laju alir masukan 0,3 m/s dan suhu dinding 75,5°C. Jumlah akumulasi deposit pada shell and tube heat exchanger juga akan selalu lebih besar dibanding pada plate heat exchanger pada parameter yang sama.