Post on 25-Jun-2015
REBOILER HEAT EXCHANGER DESIGN
Abubakar TuhuloulaPerancangan Alat Perpindahan Panas
(PAPP)Program Studi Teknik Kimia – Unlam
4.1 Pengertian Reboiler Reboiler adalah alat semacam Heat Exchanger yang berfungsi untuk
merobah fase liquid menjadi fase gas. Biasanya liquid yang diuapkan diletakan dibagian sheel sedangkan pemanas diletakan dibagian pipa atau tube.
Gambar 1. Kettle Reboiler (1988, by Tubular Exchanger Manufacturers Association)
Gambar 2. Fixed Tubesheet, single-tube pass vertical Heater or Reboiler (Used by permission : Engineers & Fabricators, Inc.,
Houston)
Ada beberapa macam Reboiler yang perlu diketahui :
4.1.1 Forced Circulation Reboiler
Pada Forced Circulation Boiler liquid yang akan diuapkan berasal dari kolom distilasi yang dipompakan ke dalam Reboiler. Baik gas yang terjadi (antara 60 – 80%) dari liquid yang masuk maupun liquid yang tidak teruapkan akan masuk ke dalam kolom distilasi lagi, seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini,
Gambar 3. Forced Circulation Reboiler
Bottom productPompa
Kondensat
Steam
Boiler
Uap dan liquid
4.1.2 Natural Circulation Reboiler
Pada Natural Circulation Reboiler hanya uap atau gas saja yang masuk ke dalam kolom distilasi. Liquid yang tidak teruapkan akan keluar dari Reboiler atau hanya sebagian liquid yang dimasukan seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini,
Gambar 4. One-Through Reboiler Gambar 5. Circulating Reboiler
Z1
Z3
Z2
Z1
Z3
Z2
4.2 Grafik Perpindahan Panas
Penguapan di dalam Reboiler bisa terjadi dalam beberapa macam antara lain : penguapan titik jenuhnya, penguapan di bawah titik jenuhnya dan penyempurnaan penguapan.
Q = M . λ
Q = m . (hg – hl) Qv = m1 (hg – hl)
Q = M . λT2T2 T1 T1
t1
t1 t2 t3
a. Penguapan pada titik jenuhnya b. Penguapan di bawah titik jenuhnya
c. Penyempurnaan penguapan
QS = m . cp . (t2 – t1); QV = m1 (hgt13 – hl t2)
Q = QS + QV
Qs = m . cp (t2 – t1)
t2
Q = m . cp . (t2 – t1)
T2 T1
t1
t2
t3
Q = M . λ
URUTAN DESAIN KETTLE REBOILER
1. Material and Heat balance
Q = QS + QV = M . cp . (T1 – T2) = M .
Untuk panas sensible : QS = m . CP . (T1 – T1’) ; QV = m1 .(hg – hl)
2. Menghitung TLMTD
; T = Ft . TLM
harga Ft = 1 karena prosesnya isothermal, pada Reboiler n (tube passes) dimulai dari yang tinggi sampai rendah agar penggunaan panas lebih efektif.
3. Menghitung Suhu Caloric (Tc dan tc)
Tc = T2 + Fc (T1 – T2 )
tc = t2 + Fc (t2 – t1)
21
21LMTD t/tln
t - t t
4. Mencari IDS dan jumlah pipa dimulai dengan trial Q/A antara 12000 Btu/jam.ft2.oF, sehingga didapatkan :
dan
Nt distandarkan dan IDS didapatkan dari tabel 9 halaman 841 – 842 Kern. Dan UD standar didapatkan dengan menggunakan persamaan,
kesimpulan sementara hasil perancangan
Type HE : 1 – 2
Bagian Shell Bagian Tube
IdS = do = BWG l = Nt = n =
n’ = 1 susunan PT = de =
B = mendekati 1 x IDS a’ = a” = di = C’ =
12000 s/d 8000
Q A
L . a"
A Nt
L . a" . Nt
Q U
standar(standar) D
Evaluasi Perpindahan Panas
Bagian Shell (........................) Bagian Tube (............................)
1. Menghitung Nre
144 . P .n
B . C' . ID a
T
SS
de dicari pada gambar 28 Kern dicari pada gambar 14 Kern
SS a
M G atau
SS a
m G
2,42 .
de . G Nre S
S
2. Mencari Faktor Panas (JH) JH dicari pada gambar 28 Kern
3. Trial harga Koefisien Film PP, ho maksimal 300 Btu/jam.ft2.oF.
tc- Tchio ho
ho tc tw
t = (tw - tc) Dari gambar 15.11 Kern didapatkan hV maksimal 300 Btu/jam.ft2.oF dan hS .
V
V
S
So
h
Q
h
h
diharapkan ho sama dengan ho trial atau diatasnya. Jika berbeda tidak boleh lebih dari 20%, jika tidak diulangi lagi ho trial.
5. Menghitung Nre pipa
144 .n
a' .Nt a P
dicari pada fig. 14 Kern
PP a
m G atau
PP a
M G
2,42 .
di . G Nre P
P
6. – 7. Menghitung harga Koefisien
Film PP, hi hi dicari pada gambar 25 hal. 835 Kern dan dilakukan koreksi,
do
dih h iio
9. Mencari tahanan panas pipa bersih (UC)
10. Mencari tahanan panas pipa terpakai (UD)
Evaluasi ΔP
ioi
ioiC h h
h . h U
DC
DCd U. U
U- U R
Bagian Sheel (......................) Bagian Tube (........................)
P dibagian sheel untuk type natural atau Kettle Reboiler diabaikan.
1. Menghitung Nre pipa
2,42 .
G . di Nre P
P
f dapat dicari pada gambar 26 Kern 2. Menghitung P karena panjang pipa
P10
2P
P . S . di . 10 x 22,5
n . L . G . f P
3. Menghitung P karena tube passes
144gc . 2
v
s
n 4 P
2
n
4. Mencari Ptotal pada bagian tube PT = PP + Pn
HORISONTAL THERMOSYPHONE
Pengertian Thermosyphone
Thermosyphone adalah alat semacam heat exchanger yang berfungsi untuk membuat fase liqiuid menjadi fase gas yang peletakannya horisontal dan penguapan terjadi dibagian shell sedangkan pemanas diletakkan dibagian pipa (tube) seperti terlihat pada gambar dibawah.
Gambar 6. Thermosyphon horisontal
Spesifikasi Horisontal Thermosyphon
Pada horisontal thermosyphone ada beberapa spesifikasi antara lain :
a. Dimensi diameter shell dan panjang shell IDs : 12 – 17 ¼ inci; l = 8 ft IDs : 19 ¼ - 29 inci; l = 12 ft IDs > 31 inci
b. Shell passes (n’) = 2
c. Maksimal 80% dari liquid akan teruapkan
d. Flux atau Q/A antara 8.000 – 12.000 Btu/jam.ft2
e. hV tidak boleh lebih dari 300 Btu/jam.ft2.oF
Beberapa ketentuan penguapan pada horisontal thermosyphon antara lain :
a. Untuk liquid yang dipanasi berupa bahan organik berlaku :
Q/A = 8000. s/d. 12000 Btu/jam.ft2
b. Untuk mencari overall heat transfer UD berlaku :
(kern, pers. 6.4)
c. Penurunan tekanan
P pada thermosyphon sama dengan P pada shell and tube, hanya yang perlu diperhatikan adalah :
de’ = diameter equivalen shell yang dipengaruhi oleh friction, dimana
perimeter wettedfrictional
area flow . 4 de'
1. Friksi karena shell sehingga wetted perimeternya = 2 π IDS
3. Friksi karena pipawetted perimeternya = 2 (½ Nt)(π do)
2. Friksi karena pembagian shellsehingga wetted perimeternya = 2 (½ IDS)
liquid
Campuran uap dan liquid
Total friction wetted perimeter : fp1 + fp2 + fp3
fp1 = ½ π IDS
fp2 = IDS
fp3 = 2(½ Nt . π do)
free area = ½ (/4 (IDS)2 – (/4 do2)(Nt))
= /8 (IDS)2 – (do2) (Nt)
Nt . do . ID . ID . 2
Nt do - ID
2Nt . do .
2
ID . ID
Nt do - ID/8 4
perimeter Wetted
area flow . 4 de'
SS
22S
SS
22S
URUTAN PERANCANGAN HORISONTAL THERMOSYPHON
1. Material and Heat balance
Q = QS + QV = M . cp . (T1 – T2) = M .
Untuk panas sensible : QS = m . CP . (T1 – T1’), dengan range boiling point > 15oF. Untuk panas laten : QV = m1 . (hg – hl)
2. Menghitung TLMTD
T = Ft . TLM
harga Ft dicari dari gambar 19 Kern karena n’ = 2.3. Menghitung Suhu Caloric (Tc dan tc)
Tc = T2 + Fc (T1 – T2 )
tc = t2 + Fc (t2 – t1)
4. Mencari IDS dan jumlah pipa dimulai dengan trial Q/A antara 8000 – 12000 Btu/jam.ft2.oF, sehingga didapatkan :
dan
21
21LMTD t/tln
t - t t
12000 s/d 8000
Q A
L . a"
A Nt
Nt distandarkan dan IDS didapatkan dari tabel 9 Kern dengan ketentuan n’ = 2 dan n minimal = 4, dan UD standar didapatkan dengan menggunakan persamaan :
kesimpulan sementara hasil perancangan
Type HE :
Bagian Shell Bagian Tube
IdS = do = BWG l = Nt = n =
n’ = susunan PT = de =
B = mendekati 1 x IDS a’ = a” = di = C’ =
Evaluasi Perpidahan Panas
Bagian Shell (........................) Bagian Tube (............................)
1. Menghitung Nre
144 . P . n'
B . C' . ID a
T
SS
de dicari pada gambar 28 Kern dicari pada gambar 14 Kern
SS a
M G atau
SS a
m G
2,42 .
de . G Nre S
S
2. Mencari Faktor Panas (JH)
JH dicari pada gambar 28 Kern 3. Menghitung Koefisien Film PP, ho
14,03/1
HO k
. cp
de
kJ h
w
5. Menghitung Nre pipa
144 .n
a' .Nt a P
dicari pada gambar 14 Kern
PP a
m G atau
PP a
M G
2,42 .
di . G Nre P
P
6. Mencari Faktor Panas (JH) JH dicari pada gambar 24 Kern
7. Menghitung Koefisien Film PP, hi 14,03/1
Hi k
. cp
di
kJ h
w
do
dih h iio
8. Mencari tahanan panas pipa bersih (UC)
9. Mencari tahanan panas pipa terpakai (UD)
Diharapkan : Rd hitung > Rd ketentuan
ioi
ioiC h h
h . h U
DC
DCd U. U
U- U R
Evaluasi P
Bagian Shell (......................) Bagian Tube (........................)
1. Menghitung Nre dan Friksi
Nt do ID ID 2
Nt do - ID de'
SS
22S
2,42 .
G . de' Nre S
S
f dicari pada gambar 29 Kern 2. Menghitung PS hanya karena panjang
shell.
S10
(total)2S
S . sg . de . 10 x 22,5
l . G . f P
62,5
s - sp
p
492
T 460
359
BM
5,62
sg
uapliquid2
l
liquiduap
1. Menghitung Nre pipa
2,42 .
G . di Nre P
P
f dicari pada gambar 26 Kern 2. Menghitung P karena panjang
pipa
P10
2P
P . S . di . 10 x 22,5
n . L . G . f P
3. Menghitung P karena tube passes
144gc . 2
v
s
n 4 P
2
n
4. Mencari P total pada bagian tube PT = PP + Pn
VERTIKAL THERMOSYPHON
Vertikal Thermosyphon adalah alat semacam Heat Exchanger yang berfungsi untuk merobah fase liquid menjadi fase gas yang peletakannya vertikal dan penguapan terjadi di bagian tube sedangkan pemanas diletakkan di bagain shell seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini,
m, t2
5 – 10 menit hold up
m, t1
Z1
Z3
Pemanas M, T1
Condensat M, T2
Isothermal Boiling Counter current
HE : 1-1, Floating Heat Exchnager
Ratio liquid circulasiGas keluar
4
1=
Spesifikasi Vertikal ThermosyphonPada Vertikal Thermosyphon ada beberapa spesifikasi antara lain :
a. Panjang shell mulai dari 16 ft kemudian diturunkan menjadi 12 ft
b. Shell passes atau n’ = 1 dan tube passes atau n = 1
c. Maksimal 80% dari liquid akan teruapkan
d. Flux atau Q/A antara 8000 – 12000 Btu/jam.ft2
e. hV tidak boleh lebih dari 300 Btu/jam.ft2.oF
f. Tipe aliran selalu counter current
dimana : hs = koefisien film perpindahan panas sensible, Btu/jam.ft2.oF
hv = koefisien film perpindahan panas laten, Btu/jam.ft2.oF
Q = jumlah panas yang dipindahkan, Btu/jam
QS = jumlah panas sensible, Btu/jam
QV = jumlah panas laten, Btu/jam
V
V
S
So
h
Q
h
h
Grafik Perpindahan PanasPenguapan di dalam vertikal thermosyphon bisa terjadi dalam beberapa
macam antara lain : penguapan pada titik jenuhnya, penguapan di bawah titik jenuhnya dan penyempurnaan penguapan.
Q = M . λ
Q = m . (hg – hl) Qv = m1 (hg – hl)
Q = M . λT2T2 T1 T1
t1
t1 t2 t3
a. Penguapan pada titik jenuhnya b. Penguapan di bawah titik jenuhnya
c. Penyempurnaan penguapan
QS = m . cp . (t2 – t1); QV = m1 (hgt13 – hl t2)
Q = QS + QV
Qs = m . cp (t2 – t1)
t2
Q = m . cp . (t2 – t1)
T2 T1
t1
t2
t3
Q = M . λ
Beberapa ketentuan penguapan pada vertikal thermosyphon antara lain :
a. Untuk liquid yang dipanasi berupa bahan organik berlaku :
Q/A = 8000. s/d. 12000 Btu/jam.ft2
b. Untuk mencari overall heat transfer UD berlaku :
c. Penurunan tekanan
Panjang dan jumlah tube perlu dicek lebih dahulu untuk melihat apakah P atau Pp ditambah tekanan hidrostatik pada thermosyphon sama dengan P pada kaki Reboiler lebih kecil dari driving force.
Driving force = (Z1 x ) / 144
dimana : Z1 adalah tinggi liquid (permukaan) sampai bagian bawah pipa reboiler, ft. dan = densitas liquid, lb/ft3
t . L . a" .Nt
Q
t .A
Q UD
p10
2p
p . sg . di . 10 x 22,5
n . L . G . f P
Tekanan Hidrostatik pada kaki Reboiler :
dimana : Vo adalah spesifik volume liquid dan uap, ft3/lb; Vl adalah spesifik volume liquid, ft3/lb dan Vv adalah spesifik volume vapor, ft3/lb.
Psi ,V
V log
V - V 144
l 2,3
144
. Z
l
o
lo
average3
2
1
v
p
p
492
T 460 359
BM
BM
p
7,14
492
T 462
359
p
p
492
T 460 359
BM
1
1 V 2
2
1
v
l = sg x 62,5 sehingga Vl = 1/l = 1 / (sg x 62,5), lb/ft3
Apabila : Total tahanan : Pp + Z3 (av/144) > (Z1 x l)/144, maka panjang pipa
diturunkan menjadi 12 ft. Total tahanan : Pp + Z3 (av/144) < (Z1 x l)/144, maka panjang pipa
sudah sesuai.
lb /ft ,
uap massa liquid massa
V . uap massa V . liquid massa V 3ol
o