Post on 12-Aug-2015
description
13 Februari 2009
Jurusan Teknik Kimia
Tujuan belajar merancang peralatan heat exchanger (HE) adalah
BAGAIMANA MENDAPATKAN HASIL RANCANGAN PERALATAN PENUKAR KALOR (HEAT EXCHANGER) YANG EFISIEN, ARTINYA:- BIAYA INVESTASI MURAH (BERHUBUNGAN DENGAN KONFIGURASI HE, UKURAN HE, MATERIAL HE, DLL)- BIAYA OPERASIONAL RENDAH (BERHUBUNGAN DENGAN LAJU ALIR FLUIDA, TEMPERATUR FLUIDA, FAKTOR FOULING, PRESSURE DROP, WAKTU PEMBERSIHAN, DLL)
SALAH SATU TUGAS SARJANA TEKNIK KIMIA ADALAH:BAGAIMANA SEORANG SARJANA TEKNIK KIMIA DAPAT MERANCANG/MENDISAIN PERALATAN PERPINDAHAN PANAS SEEFISIEN MUNGKIN UNTUK DIGUNAKAN DALAM PROSES BAIK PADA INDUSTRI KIMIA, INDUSTRI PEMBANGKIT LISTRIK MAUPUN INDUSTRI-INDUSTRI LAIN YANG MENGGUNAKAN HEAT EXCHANGER
UNTUK MENDAPATKAN RANCANGAN ALAT PENUKAR KALOR YANG DAPAT BEROPERASI OPTIMUM MAKA SEORANG PERANCANG HE HARUS MENGETAHUI BEBERAPA INFORMASI YANG DIBUTUHKAN DIANTARANYA :
- TOTAL HEAT DUTY (BEBAN PANAS) BTU/JAM (AZAS BLACK)- LAJU ALIR FLUIDA MASUK MAUPUN KELUAR HE (BTU/JAM)- KAPASITAS PANAS, BERAT MOLEKUL, VISKOSITAS, SPESIFIK GRAVITY (SPGR) FLUIDA BAIK UNTUK FLUIDA PANAS MAUPUN FLUIDA DINGIN- TEMPERATUR FLUIDA MASUK MAUPUN KELUAR HE BAIK FLUIDA PANAS MAUPUN FLUIDA DINGIN (oF)- TEKANAN FLUIDA DALAM HE (PSIA).- PENURUNAN TEKANAN (PRESSURE DROPS) YANG DIIJINKAN DALAM HE (PSI)- FAKTOR FOULING- TEMPERATUR DAN TEKANAN DISAIN HE (oF dan PSIA)- JENIS PERALATAN PENUKAR KALOR (JENIS HE)- JENIS MATERIAL KONTRUKSI- KETEBALAN DINDING TUBE YANG DIIJINKAN DENGAN MEMPERTIMBANGKAN FAKTOR KOROSI YANG TERJADI- SPESIFIKASI, KODE, DAN STANDARD HE YANG DIGUNAKAN- BATASAN UKURAN YANG DIIJINKAN- PEMASANGAN/INSTALASI HE APAKAH SECARA HORIZONTAL ATAU VERTIKAL
HEAT TRANSFER EQUIPMENTSECARA UMUM BEBERAPA PERALATAN PERPINDAHAN PANAS YANG BANYAK DIGUNAKAN DALAM DUNIA INDUSTRI
- DOUBLE PIPE HEAT EXCHANGER (COOLING & HEATER)- SHELL AND TUBE EXCHANGER (SEMUA APLIKASI)- PLATE HEAT EXCHANGER (HEATING AND COOLING)- PLATE FIN EXCHANGER (EXTENDED SURFACE)- SPIRAL HEAT EXCHANGER- AIR COOLED: COOLERS AND CONDENSERS- DIRECT CONTACT HEAT EXCHANGER (COOLING TOWER AND QUENCHING)- REAKTOR (CSTR & PFR)- FIRED HEATERS- HEAT PIPE
PERPINDAHAN PANAS DALAM SUATU ALAT PERPINDAHAN PANAS (HEAT TRANSFER EQUIPMENT) TERGANTUNG KEPADA:
- PERBEDAAN TEMPERATUR (∆ LMTD) ANTARA 2 FLUIDA YANG AKAN DIPERTUKARKAN PANASNYA- KONDUKTIVITAS THERMAL BAHAN (k) PERALATAN PERPINDAHAN PANAS- LUAS PERMUKAAN PERPINDAHAN PANAS (A)- LAJU ALIR FLUIDA- ARAH ALIRAN FLUIDA- FOULING FACTOR- PRESSURE DROP
PERBEDAAN TEMPERATUR ANTARA 2 FLUIDA YANG AKAN DIPERTUKARKAN PANASNYA:
MAKIN BESAR BEDA TEMPERATUR ANTARA 2 FLUIDA YANG AKAN DIPERTUKARKAN PANASNYA MAKA AKAN SEMAKIN BESAR PULA JUMLAH ENERGI PANAS YANG DAPAT DIPERTUKARKAN
CONTOH: FLUIDA A PADA TEMPERATUR 30oC AKAN DIPANASI OLEH FLUIDA B YANG MEMILIKI TEMPERATUR 200oC diBANDINGKAN DENGAN FLUIDA C PADA TEMPERATUR 50oC YANG DIPANASI OLEH FLUIDA D YANG MEMILIKI TEMPERATUR 150oC. Jumlah panas yang akan dipertukarkan (Fluida A dengan B>Fluida C dengan D) Ingat persamaan: Q = m x Cp x (Takhir-Tawal)
Dimana :Q = jumlah/besar energi panas suatu fluida (Kj atau Btu)Cp = Kapasitas panas suatu fluidaTawal = Temperatur mula-mula fluida (sebelum pertukaran panas) dalam oC atau K Takhir = temperatur akhir fluida (setelah pertukaran panas) dalam oC atau KAZAS BLACK/HUKUM BLACK : Panas Dilepas = Panas DiterimaQlepas = Qditerima
dimana : q = Nilai transfer panas U = Overall heat transfer coefficient A = Luas area permukaan antara fluida-fluida Th = Temperatur fluida panas Tc = Temperatur fluida dingin
Overall Heat Transfer CoefficientOverall Heat Transfer Coefficient
q = U A (Th – Tc)
ififo
o hR
k
yR
h
111
dimana : U = Overall heat transfer coefficient ho & hi = Heat transfer coeficient Rfo & Rfi = Fouling coefficient k = Heat transfer coeficient Δy = selisih jarak pada sumbu y
U =
Persamaan koefesien atas permukaan luar dan permukaan dalam
)/1()/1()/()/()/()/(
1
00 doLwwiiodiioo hhDDkxhDDhDD
U
)/()/()/()/()/1()/1(
1
000 hDDhDDDDkxhhU
ioioLwwidii
1/U = Rio + Ro = 1/hio + 1/ho = 1/Uc
Uc = (hio ho)/ (hio+ ho)
Overall Heat Transfer Coefficient for double pipe Heat Exchanger & Fouling Factor
Overall Heat Transfer Coefficient for double pipe Heat Exchanger & Fouling Factor
D2
D1
hi , Ti
hio
Tw
ho
Inner pipe
Outer pipe
To
Uc = Clean overall Heat Transfer Coefisient
UD = Dirty overall Heat Transfer Coefisient
Hubungan antara UD & UC
1/UD = 1/UC + Rdi + Rdo
Rdi = tahanan akibat fouling pada dinding bagian dalam tube
Rdo = tahanan akibat fouling pada dinding bagian luar tube
Dimana : Rd = Rdi + Rdo
1/UD = 1/UC + Rd Atau RD = (UC – UD)/Uc UD
Sehingga RD = 1/UD - 1/UC Pembersihan HE dilakukan jika
RD (deposite) > RD (allowed)
Nilai faktor fouling
Fluida Rf (m2.oC/W)
Air laut, air sungaiAir umpan boiler
Minyak untuk bahan bakarQuenching oilUdara industriUap alkohol
Steam (bebas dari minyak)Refrigerant liquids
0,0001 (<50 oC) 0,0002 (>50 oC)
0,00090,00070,00040,00010,00010,0002
KONDUKTIVITAS THERMAL BAHAN (k):
SETIAP BAHAN MEMILIKI NILAI k TERTENTU, SATUAN : W/m.K atau Btu/jam. ft oF (dimana 1 Btu/jam. ft oF = 1,7307 W/m.K)“MAKIN BESAR KONDUKTIVITAS THERMAL (harga k) BAHAN/MATERIAL ALAT PENUKAR KALOR MAKA AKAN SEMAKIN BESAR PULA JUMLAH ENERGI PANAS YANG DAPAT DIPINDAHKAN”
SETIAP BAHAN MEMILIKI NILAI k TERTENTU, BAHAN YANG DAPAT MENGHANTARKAN PANAS DENGAN BAIK DISEBUT KONDUKTOR DAN BAHAN YANG TIDAK DAPAT MENGHANTARKAN PANAS DENGAN BAIK DISEBUT ISOLATOR
BAHAN KONDUKTOR BANYAK DIGUNAKAN SEBAGAI BAHAN KONTRUKSI PERALATAN PENUKAR KALOR SEDANGKAN BAHAN ISOLATOR BANYAK DIGUNAKAN SEBAGAI ISOLASI PIPA, PELAPIS DINDING RUMAH, PEMBUNGKUS KABEL/KAWAT LISTRIK DLL.
HARGA K SETIAP BAHAN BERBEDA DAN HARGA k BAHAN DIPENGARUHI OLEH TEMPERATUR (HARGA k MERUPAKAN FUNGSI TEMPERATUR)
HARGA K SETIAP BAHAN DIPEROLEH MELALUI EKSPERIMENT/PERCOBAAN
HARGA K SETIAP BAHAN DAPAT DILIHAT PADA APPENDIX BEBERAPA BUKU LITERATUR DIANTARANYA : HEAT TRANSFER BY FRANK M. WHITE, INTRODUCTION TO HEAT TRANSFER BY FRANK P. INCROPERA, DAVID p. DEWITT, HANBOOK OF CHEMICAL ENGINERING BY FERRY DAN LAIN-LAIN
LUAS PERMUKAAN PERPINDAHAN PANAS (A);
MAKIN BESAR LUAS PERMUKAAN PERPINDAHAN PANAS MAKA AKAN SEMAKIN BESAR PULA JUMLAH ENERGI PANAS YANG DAPAT DIPINDAHKAN
Inti dari mendesain peralatan penukar panas adalah bagaimana mendapatkan A seeffisien mungkin. Semakin kecil A maka biaya investasi akan semakin kecil serta peluang untuk timbul fouling atau endapan pada permukaan alat penukar kalor akan semakin kecil.
Namun A yang kecil akan mempengaruhi jumlah panas yang dapat ditransfer, dan semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk proses perpindahan panas sehingga harus diketahui berapa nilai A yang terbaik.
LAJU ALIR FLUIDA ;
MAKIN BESAR LAJU ALIR FLUIDA MAKA MAKIN KECIL KEMUNGKINAN PEMBENTUKAN ENDAPAN/KERAK PADA DINDING ALAT (BAGIAN DALAM TUBE MAUPUN SHELL)
MAKIN BESAR LAJU ALIR FLUIDA MAKA AKAN SEMAKIN BESAR PULA JUMLAH ENERGI PANAS YANG DAPAT DIPINDAHKANLAJU ALIR FLUIDA MEMPENGARUHI LUAS AREA PERPINDAHAN PANAS, PRESSURE DROP, JENIS PERALATAN PENUKAR KALOR, FOULING DLL
MAKIN BESAR LAJU ALIR FLUIDA MAKA MAKIN BESAR PRESSURE DROP ATAU HILANG TEKAN ALIRAN FLUIDA DALAM TUBE MAUPUN SHELL
Reynold Number
NRE =
dimana ρ = densitas fluida (kg/m3)v = laju alir fluida (m/s2)µ = viskositas fluida (ms2/kg)D = diameter (m)
vD..
ARAH ALIRAN FLUIDA ;
ARAH ALIRAN MEMPENGARUHI PENCAPAIAN TEMPERATUR YANG DIINGINKAN.SECARA UMUM DIDEFENISIKAN ADA 2 (DUA) POLA ALIRAN, YAITU:- BERLAWANAN ARAH (COUNTER CURRENT)- SEARAH/SEJAJAR (CO-CURRENT)
DALAM APLIKASINYA PADA PERALATAN PERPINDAHAN PANAS, JARANG TERJADI HANYA SATU POLA ALIRAN SAJA MELAINKAN GABUNGAN KEDUA POLA BAHKAN SERING JUGA DIBUAT POLA YANG BERSILANGAN (CROSS CURRENT)
200
50
75
25
125
100
150
175 OUTLET
INLET
OUTLET
INLET200oC
170oC
Keterangan:
Garis merah = hot fluid
Garis biru = cold fluida
Satuan dalam oC
INLET
OUTLET
INLET200oC
100oC
Keterangan:
Garis merah = hot fluid
Garis biru = cold fluida
Counter Current Flow Parallel Flow (lebih efisien)
200
50
75
25
125
100
150
175
Satuan dalam oC
Dimana :Q = PANAS YANG DIPINDAHKAN PERSATUAN WAKTU (W atau Btu/JAM)U = KOEFISIEN PERPINDAHAN PANAS KESELURUHAN (W/m2
.oC)
A = LUAS/AREA PERPINDAHAN PANAS (m2)∆Tm = PERBEDAAN TEMPERATUR RATA-RATA atau LOG MEAN TEMPERATUR DIFFERENT (LMTD) (oC)
PERSAMAAN UMUM YANG DIGUNAKAN UNTUK MENDISAIN PERALATAN PENUKAR PANAS ADALAH: Q = U x A x ∆Tm
TEORI DASAR DAN PROSEDUR MERANCANG ALAT PENUKAR PANAS
1. TENTUKAN BEBAN PANAS (AZAS BLACK); LAJU TRANSFER PANAS, LAJU FLUIDA DAN TEMPERATUR YANG DIINGINKAN.2. KUMPULKAN INFORMASI TENTANG SIFAT FISIKA DAN KIMIA FLUIDA (PHYSICAL PROPORTIES OF FLUID) SEPERTI DENSITAS, VISKOSITAS, & KONDUKTIVITY THERMAL MATERIAL HE.3. TENTUKAN JENIS HE YANG DIGUNAKAN (SHELL AND TUBE, DOUBLE PIPE DLL)4. PILIH NILAI TRIAL U (LIHAT TABEL 12.1) BUKU COULSON.5. HITUNG LOG MEAN TEMPERATUR DIFFERENCE/∆ LMTD / ∆Tm
6. HITUNG A MENGGUNAKAN PERSAMAAN; Q = U x A x ∆Tm7. PILIH LAYOUT HEAT EXCHANGER.8. MENGHITUNG INDIVIDUAL COEFISIEN (hi & ho).9. MENGHITUNG KOEFISIEN OVERALL DAN BANDINGKAN DENGAN HARGA TRIAL (POINT 4) JIKA PERBEDAANNYA CUKUP SIGNIFIKAN, PILIH HARGA YANG LAIN DAN KEMBALI KE POINT 6.10. HITUNG PRSSURE DROP PADA HEAT EXCHANGER, JIKA TIDAK MEMUNGKINKAN
KEMBALI KE POINT 7.11. OPTIMASI HEAT EXCHANGER DENGAN MENGULANG POINT 4 SAMPAI 10 UNTUK
MENDAPATKAN HASIL YANG OPTIMAL (NILAI PANAS TERMURAH) DAN A YANG MINIMUM) (A<<)
TAHAPAN DALAM MERANCANG ALAT PENUKAR PANAS
)/(ln 12
12
tt
tt
∆Tm =
Faktor fouling (dirty factors)Berfungsi sebagai tahanan thermal yang dapat memperkecil nilai heat transfer (Uo)
Fouling Factor yang terjadi pada suatu peralatan heat transfer sulit di prediksi dan hanya dapat diketahui berdasarkan pengalaman.
Nilai Fouling Factor untuk berbagai jenis fluida dapat dilihat pada tabel 12.2 buku coulson/ tabel 12 buku PHE by Kern hal 845
Keputusan untuk memilih tipe HE dengan pertimbangan Nilai Fouling Factor yang kecil sering menjadi keputusan akhir dalam penentuan tipe HE yang digunakan.
Desain HE yang optimum mempertimbangkan biaya investasi & biaya Operasional. HE yang dapat beroperasi lebih lama serta rentang waktu pembersihan yang cukup lama menjadi pertimbangan dalamPemilihan jenis HESemakin besar luas area perpindahan panas, semakin besar laju transfer panas, semakin tinggi biaya investasi serta semakin besar Kemungkinan untuk terbentuk fouling/scaling.
Detail Konstruksi HEHE jenis Shell and Tube banyak digunakan di industri/pabrik kimiamaupun industri/pabrik lainnya
Berdasarkan beberapa pertimbangan diantaranya:- Konfigurasi memberikan luas perpindahan panas yang besar dengan volum/ukuran alat yang kecil.
- Memiliki layout mekanik yang bagus: mampu beroperasi pada tekanan cukup tinggi.
- Teknik Pabrikasi sudah dikenal dengan baik
- Mudah dibersihkan
- Prosedur disainnya sudah ada
- Dapat dikontruksi dari bahan material yang berbeda
Gambar peralatan HE jenis Shell and Tube
1 2 3
Keterangan:
1. Shell
2. Tube
3. Cross Baffle (tube support plate)
4. Floating Head Cover
5. Floating-Tube plate
6. Fixed tube sheet (tube plate)
456
7. Channel (end –box or header)
8. Chanel Cover
9. Branch (Nozzle)
10. Tie Rod and spacer
11. Impigment Baffle
12. Floating head Support
78
99
99 1011
12
13. Past Partition
13
UNTUK JENIS HEAT
EXCHANGER YANG
LAIN DAPAT DILIHAT
PADA BUKU COULSON
Desain pada Heat Exchanger Jenis Shell and Tube
HEAD BODY REAR
A E L
B F M
C G N
D H P
HEAD BODY REAR
N J S
K T
X U
W
Zat
MELTING POINT (oC )
BOILING POINT AT ATMOSFERIC
PRESSURE(oC)
USEFUL RANGE
(oC)
HeliumNitrogenAmmoniaAcetoneMethanolFlutec PP2EthanolWaterTolueneMercurySodiumLithiumSilver
- 271- 210- 78- 95- 98- 50- 112
0- 95- 3998
179960
- 261- 196- 3357647678
10011036189213402212
-271 to -269-203 to -160-60 to 1000 to 120 10 to 13010 to 1600 to 13030 to 20050 to 200250 to 650600 to 12001000 to 18001800 to 2300
Titik Cair & Titik Didih Beberapa Zat
Heat exchanger Standards and codesUntuk desain mekanik, fabrikasi, material kontruksi sertaTest/uji performance peralatan HE harus memenuhi standarBritish Standard (BS 3274)Namun standar disain Heat exchanger yang banyak digunakan adalahthe American Tubular Heat Exchanger Manufacturers Association(TEMA Standard)
American Standard telah membagi 3 jenis HE yaitu:-Kelas R: banyak digunakan pada industri Petroleum dan industri lain
Yang berhubungan dengan industri Petroleum- Kelas C: Untuk beban panas sedang banyak digunakan pada
proses komersial dan proses umum lainnya.
- Kelas B: HE yang banyak digunakan untuk industri kimia
Keterangan mengenai dimensi tube, tube arrangement, shell, Tube-sheet Layout,
tipe shell berdasarkan jenis aliran dalam shell, support plates dan tie rod, tube sheet
Serta Shell and header nozzles (branches) dapat dilihat pada buku coluson
halaman 574 s/d 583:
Hal yang menjadi perhatian dalam merancang HE
-Perhatikan pengaruh vibrasi yang ditimbulkan oleh fluida yang mengalir baik didalam shell maupun di dalam tube
-Alokasi Fluida, apakah diletakan didalam shell atau didalam tube dengan mempertimbangkan faktor korosi peralatan, Faktor fouling, temperatur fluida, tekanan operasi, prssure drop, viskositas fluida, lajur alir fluida
-Kecepatan fluida dalam tube maupun shell (didalam tube kecepatan fluida 1 – 2 m/s maksimum 4 m/s tujuan untuk mencegah fouling dan didalam shell 0,3 – 1 m/s) untuk vapour, kecepatan tergantung tekanan operasi dan densitas fluida. Tekanan vakum kecepatannya 50-70 m/s, atmosfer kecepatannya 10-30 m/s dan tekanan tinggi 5 – 10 m/s
.-Temperatur Aliran, dari fluida panas maupun fluida dingin yang keluar
dari peralatan HE Tidak boleh lebih dari (minimum 20oC)
Untuk Gas dan Vapour, high Vacum (∆P) = 0.4 – 0.8 kN/m2,
-Pressure Drop (∆P) yang besar menyebabkan tingginya biaya operasional karena besarnya biaya energi pompa yang digunakan. Pressure drop yang diijinkan untuk liquids dengan viskositas <1 mN s/m2 ∆P = 35 kN/m2, liquid dengan viskositas 1 – 10 mN s/m2
mediumVacuum (∆P) = 0.4 – 0.8 kN/m2, tekanan 1-2 bar = 0,5 x sistem gauge
Pressure, dan untuk gas serta vapour yang memiliki tekanan diatas 10 bar = 0.1 xSistem gauge pressure
Tugas pengganti mid semesterSoal: No 8.4 Buku Heat Transfer Equipment by KernKerjakan menggunakan metode Kern dan Metode Bell!
Soal55.400 lb/hr of nitrobenzene coming from reactor under prssure at 365oF is to be Cooled to 150oF by preheating benzene under prssure from 100 to the highest outletTemperatur attainable. Available for the service are two 25 in. ID, two-pass shellExchangers with 356 tube ¾ in. OD, 13 BWG, 16’0’’ long arranged for six tube pass. Vertically cut buffles are spaced 8 in. apart. What are the pressure drops and the Dirty factor.
.
Gunakan trial untuk beberapa nilai U serta variasi layout HE untuk benar-benar
Mendapatkan rancangan HE yang Optimum
Untuk yang mengulang kerjakan soal no 8.3 hal 185 buku heat transfer Equipment
By Kern..
Tugas di kumpul paling lambat hari Senin Pagi pukul 08.30 WIB
tanggal 13 agustus 2008 di Jurusan T. Kimia Unsri Inderlaya
Tidak ada toleransi untuk keterlambatan mengumpul Tugas!
PRESENTASI PROPOSAL TESIS
h
cc
h
w
w
hh
dA
dAh
dA
dAk
x
hU
111
h
cc
c
w
w
cc
dAdA
hdAdA
k
x
hU
111
Distribusi Temperatur
dan
1/Uh = tahanan panas keseluruhan atas dasar
fluida panas1/Uc = tahanan panas keseluruhan atas dasar
fluida dinginhh = koefisien perpindahan panas di fluida panas
hc = koefisien perpindahan panas di fluida dingin
xw = tebal pelat
k = konduktivitas pelat
= U ( Th – Tc ) hh = hh =
dQ/dA : fluks panas per unit perpindahan panasU : koefisien perpindahan panas keseluruhanTw : temperatur dinding pelat.
hwh TTdA
dQ
,dA
dQ
ccw TTdAdQ
,