Post on 21-Dec-2015
description
HEAT EXCHANGER
A. Pendahuluan
Heat Exchanger adalah alat penukar kalor yang berfungsi untuk mengubah
temperatur dan fasa suatu jenis fluida. Proses tersebut terjadi dengan
memanfaatkan proses perpindahan kalor dari fluida bersuhu tinggi menuju fluida
bersuhu rendah.
Di dalam dunia industri peran dari heat exchanger sangat penting. Misal
dalam industri pembangkit tenaga listrik, heat exchanger berperan dalam
peningkatan efisiensi sistem. Contohnya adalah ekonomizer, yaitu alat penukar
kalor yang berfungsi memanaskan feed water sebelum masuk ke boiler
menggunakan panas dari exhaust gas (gas buang). Selain itu heat exchanger juga
merupakan komponen utama dalam sistem mesin pendingin, yaitu berupa
evaporator dan condenser.
Kemampuan untuk menerima panas suatu heat exchanger dipengaruhi oleh 3
hal :
1. Koefisien overall perpindahan panas (U)
Menyatakan mudah atau tidaknya panas berpindah dari fluida panas ke fluida
dingin dan juga menyatakan aliran panas menyeluruh sebagai gabungan
proses konduksi dan konveksi.
2. Luas bidang yang tegak lurus terhadap arah perpindahan panas
3. Selisih temperatur rata-rata logaritmik (T LMTD)
LMTD merupakan perbedaan temperatur yang dipukul rata-rata setiap bagian
HE. Karena perbedaan temperatur di setiap bagian HE tidak sama.
Shell and Tube Heat ExchangerBy. Ruri Widayanto 5-B1 Tekkim UNSERA Page 1
B. Shell and Tube Heat Exchanger
Shell and Tube Heat Exchanger merupakan salah satu jenis heat exchanger.
Jika aliran yang terjadi sangat besar, maka digunakan shell and tube heat
exchanger, dimana exchanger ini adalah yang biasa digunakan dalam proses
industri.
Exchanger ini memiliki aliran yang kontinyu. Banyak tube yang dipasang
secara paralel dan di dalam tube-tube ini fluida mengalir. Tube-tube ini disusun
secara paralel berdekatan satu sama lain di dalam sebuah shell dan fluida yang lain
mengalir di luar tube-tube, tetapi masih dalam shell.
1. Bagian – bagian Shell and Tube Heat Exchanger
Secara keseluruhan komponen utama penyusun shell and tube heat
exchanger adalah:
1. Shell
Biasanya berbentuk silinder yang berisi tube bundle sekaligus sebagai
wadah mengalirnya zat.
2. Head stationer
Head stationer merupakan salah satu bagian ujung dari penukar panas.
Pada bagian ini terdapat saluran masuk fluida yang mengalir ke dalam
tube.
3. Head bagian belakang
Head bagian belakang ini terletak diujung lain dari alat penukar panas
4. Sekat (baffle)
Sekat digunakan untuk membelokkan atau membagi aliran dari fluida
dalam alat penukar panas. Untuk menentukan sekat diperlukan
pertimbangan teknis dan operasional.
Macam-macam baffle yaitu:
a) Horizontal cut baffle
Baik untuk semua fase gas atau fase liquid dalam shell.
Baik ada dissolves gas dalam liquid yang dapat dilepaskan dalam
heat exchanger maka perlu diberi ‘notches’ dalam baffle.
b) Vertical cut baffle
Baik untuk liquid yang membawa suspended matter atau yang
heavy fouling fluida.
c) Disc and doughtnut baffle
Shell and Tube Heat ExchangerBy. Ruri Widayanto 5-B1 Tekkim UNSERA Page 2
Fluida harus bersih, bila tidak akan terbentuk sediment dibelokkan
doughtnut
Kurang baik, sebab bila ada dissolved gas yang terlepas, bisa
dilepaskan melalui top dari doughtnut, bila ada kondensat liquid
tidak dapat di drain tanpa large ports pada doughtnut.
d) Baffle dengan annular orifice
Baffel ini jarang digunakan kerena terdiri dari full circular plate
dengan lubang-lubang untuk semua tube.
e) Longitudinal baffle
Digunakan pada shell side untuk membagi aliran shell side menjadi
dua atau beberapa bagian untuk memberikan kecepatan yang lebih
tinggi untuk perpindahan panas yang lebih baik.
5. Tube
Tube merupakan pemisah dan sebagai pengantar panas yang berbeda
suhunya diantara dua zat yang berada di dalam suatu alat. Pemilihan tube
ini harus sesuai dengan suhu, tekanan, dan sifat korosi fluida yang
mengalir.
Tube ada dua macam, yaitu tube polos (bare tube) dan tube bersirip
(finned tube)
6. Tube sheet
Berfungsi sebagai tempat duduk tube bundle pada shell
Shell and Tube Heat ExchangerBy. Ruri Widayanto 5-B1 Tekkim UNSERA Page 3
7. Channel and pass partition
Channel merupakan tempat keluar masuknya fluida pada tube, sedangkan
pass partition merupakan pembatas antara fluida yang masuk dan keluar
tube.
8. Shell cover and channel cover
Shell cover and channel cover adalah tutup yang dapat dibuka pada saat
pembersihan.
2. Konstruksi dari heat exchanger jenis ini sangat banyak, antara
lain :
1. Shell and tube heat exchanger dengan konstruksi “fixed tube sheet”
artinya pelat pemegang pipa-pipa pada kedua ujung pipa, keduanya
memiliki konstruksi yang tetap (tidak dapat bergeser secara aksial dalam
arah sumbu tabung relative antara satu sisi dengan sisi lainnya).
2. Shell and tube heat exchanger dengan konstruksi “floating tube sheet”
artinya salah satu pelat pemegang pipa-pipa pada kedua ujung pipa dapat
bergerak relatif terhadap satunya karena tidak terjepit oleh flens
(mengambang).
3. Shell and tube heat exchanger dengan konstruksi pipa U (U tube type).
4. Shell and tube heat exchanger dengan konstruksi dua pipa (double pipe
type). Pada jenis ini setiap tabung berisi berkas pipa masing-masing.
Pergerakan relative ini dimaksudkan sebagai kompensasi akibat pertambahan
panjang bila terjadi perubahan temperatur pada pipa sehingga tidak memberikan
tambahan beban gaya pada baut pengencang flens tabung di luar pipa. Hal ini
selain untuk alasan kekuatan bahan juga dimaksudkan untuk keamanan dalam hal
menghindari kebocoran.
Pada heat exchanger diameter tabung tidak sama sepanjang penukar kalor.
Pebesaran diameter dimaksudkan untuk menampung perubahan fasa dari fluida
yang berada di luar pipa dan di dalam tabung. Alat ini diaplikasikan untuk proses
penguapan atau pendidihan fluida di luar pipa. Jenis ini sering disebut dengan jenis
ketel (kettle).
Shell and Tube Heat ExchangerBy. Ruri Widayanto 5-B1 Tekkim UNSERA Page 4
3. Penentuan fluida dalam shell atau tube :
1. Fluida bertekanan tinggi dialirkan di dalam tube karena tube standar
cukup kuat menahan tekanan yang tinggi.
2. Fluida berpotensi fouling dialirkan di dalam tube agar pembersihan lebih
mudah dilakukan.
3. Fluida korosif dialirkan di dalam tube karena pengaliran di dalam shell
membutuhkan bahan konstruksi yang mahal yang lebih banyak.
4. Fluida bertemperature tinggi dan diinginkan untuk memanfaatkan
panasnya dialirkan di dalam tube karena dengan ini kehilangan panas
dapat dihindarkan.
5. Fluida dengan viscositas yang lebih rendah dialirkan di dalam tube karena
pengaliran fluida dengan viscositas tinggi di dalam penampang alir yang
kecil membutuhkan energi yang lebih besar.
6. Fluida dengan viskositas tinggi ditempatkan di shell karena dapat
digunakan baffle untuk menambah laju perpindahan.
7. Fluida dengan laju alir rendah dialirkan di dalam tube. Diameter tube yang
kecil menyebabkan kecepatan linier fluida (velocity) masih cukup tinggi,
sehingga menghambat fouling dan mempercepat perpindahan panas.
8. Fluida yang mempunyai volume besar dilewatkan melalui tube, karena
adanya cukup ruangan.
4. Keuntungan shell & tube exchanger :
1. Memiliki permukaan perpindahan panas persatuan volume yang lebih
besar.
2. Mempunyai susunan mekanik yang baik dengan bentuk yang cukup baik
untuk operasi bertekanan.
3. Tersedia dalam berbagai bahan konstruksi
4. Prosedur pengopersian lebih mudah
5. Metode perancangan yang lebih baik telah tersedia
6. Pembersihan dapat dilakukan dengan mudah
Shell and Tube Heat ExchangerBy. Ruri Widayanto 5-B1 Tekkim UNSERA Page 5
T1
T2
t2
t1
5. Cara kerja Shell and Tube Heat Exchanger
Untuk 1-1 counterflow exchanger (gambar 1), atau 1 shell pass dan 1 tube
pass, fluida dingin masuk dan mengalir di dalam tube-tube. Fluida dingin masuk
pada ujung yang lain dan mengalir secara counterflow di bagian luar tube tetapi
masih di dalam shell. Baffle-baffle digunakan agar fluida dapat mengalir secara
bertahap melewati tube dan tidak mengalir secara paralel dengan tube.
Gambar 1. Shell & tube heat exchanger
1 shell pass and 1 tube pass (1-1 exchanger)
Dalam suatu shell and tube heat exchanger terdapat tiga tahap perpindahan
panas, yaitu konveksi sisi shell, konduksi pada dinding tube dan konveksi sisi tube.
Jika dua fluida memasuki exchanger pada dua ujung yang sama dan mengalir
dengan arah yang sama, alirannya disebut parallel atau cocurrent flow. Untuk aliran
parallel, ΔT2 = T1 – t1 dan ΔT1 = T2 – t2.
Gambar 2. Kurva temperatur pada aliran cocurrent
Ketika dua fluida memasuki exchanger pada dua ujung yang berbeda dan
melewati exchanger unit dengan arah yang berlawanan, aliran tipe ini biasa disebut
counterflow atau countercurrent flow. Untuk aliran countercurrent, ΔT2 = T1 – t2 dan
ΔT1 = T2 – t1.
Shell and Tube Heat ExchangerBy. Ruri Widayanto 5-B1 Tekkim UNSERA Page 6
Gambar 3. Kurva temperature pada aliran countercurrent
Ada 2 jenis mekanisme perpindahan panas yang terjadi dalam Heat Exchanger, yaitu:
a. KonduksiMekanisme perpindahan panas ini adalah mekanisme yang
berhubungan dengan interakasi molekuler. Transfer energi konduksi ini terjadi melalui 2 cara, yaitu mekanisme interaksi molekuler dimana dalam mekanisme ini gerakan lebih besar yng dilakukan oleh suatu molekul yang berada pada tingkat yang lebih rendah. Serta mekanisme melalui elektron-elektron “bebas”. Karena konduksi panas pada initnya merupakan fenomena molekuler, dapat diperkirakan bahwa persamaan dasar yang digunakan untuk menggambarkan proses ini akan serupa dengan persamaan yang digunakan dalam transfer momentum molekuler. Persamaan Fourier :
b. Konveksi molekulerTranfer panas yang disebabkan konveksi melibatkan pertukaran energi
antara suatu permukaan dengan fluida di dekatnya. Persamaan laju untuk transfer panas ini pertama kali dinyatakan oleh newton pada tahun 1701
Shell and Tube Heat ExchangerBy. Ruri Widayanto 5-B1 Tekkim UNSERA Page 7
qx /A = -k dT/dt
q /A = h ΔT
6. Contoh Perhitungan
Spesifikasi Desain Heat ExchangerSpesifikasi Pada ShellDiameter luar (ODs) = 31,614 in x 0,0834 = 2,637 ftDiameter dalam (IDs) = 30,748 in x 0,0834 = 2,564 ft Jarak antar baffle (B) = 23,623 in x 0,0834 = 1,97 ft Temperatur fluida masuk (T1) = 536 °F Temperatur fluida keluar (T2) = 248 °FKapasitas produksi per hari = 172,557 m3 x 35,318 = 6094,37 ft3
Jumlah baffle (N) = 4 buahFluida yang digunakan = SolarJumlah passes (n) = 1 passSG 60/60°F fluida = 0,857
Spesifikasi Pada TubeDiameter luar (ODt) = 1 in x 0,0834 = 0,0834 ft BWG = 14Pitch (Pt) = 1,25 in x 0,0834 = 0,104 ft Jumlah tube (Nt) = 382 buahJarak antar tube (c) = 0,25 in x 0,0834 = 0,021 ft Panjang tube (L) = 9,843 ftTemperatur fluida masuk (t1) = 95 °F Temperatur fluida keluar (t2) = 208,4 °F Fluida yang digunakan = Crude OilSG 60/60°F fluida = 0,8533Jumlah passes (n) = 1 passKapasitas produksi per hari = 507,125 m3 x 35,318 = 17910,64 ft3
Menentukan Neraca PanasNeraca Panas Pada Shell (Solar)Perhitungan neraca panas dapat diperoleh sebagai berikut : Temperatur rata-rata
Tr=(T1+T 2)
2=
(536 ° F+248 ° F )2
=392° F
Derajat API (°API)
° API= 141.5SG 60/60 ° F
−131.5
Dengan SG 60/60°F dari data yang diperoleh = 0,8570 maka :
° API= 141.50.8570
−131.5=33.61
Dengan menggunakan grafik Approximate change of intermediate-base oils withtemperature. Grafik hubungan antara temperatur (°F) dengan °API dari solar maka akandapat diperoleh SG pada tiap temperatur dari solar adalah 0,75 dengan menggunakangrafik Specific heats of hydrocarbon liquids. Grafik hubungan antara temperatur dengan°API dari solar maka dapat diperoleh panas spesifik dari solar, cpsolar(BTU/lb. °F) adalah0,63 BTU/lb. °F
Menentukan kapasitas dari solar, Qsolar (ft3/jam)Dengan kapasitas solar yang diperoleh dari data yakni 172,557 m3. Maka kapasitas dari solar :
Shell and Tube Heat ExchangerBy. Ruri Widayanto 5-B1 Tekkim UNSERA Page 8
Qsolar=172.557m3
24 jam×35.318 ft3 /m3=253.932 ft3/ jam
Menentukan massa jenis dari solar solarSG solar x airdimana air = 1000 kg/m3
solar0.75 x 1000 kg /m3 x 0.06243 lb / ft 346.8225 lb / ft 3
Menentukan laju aliran massa solar, Ws (lb/jam)W s Q solar x solar
W s 253,932 ft 3 / jam x 46,8225 lb / ft 3 11.889,73 lb / jam
Panas yang dilepaskan oleh solar, qs (BTU/jam) Qs = Ws x cps x ( T1 - T2 )
Qs = Fs 11.889,73 lb / jam x 0,63 BTU / lb F x 536 F248 F )2.157.272,611 BTU / jam
Neraca Panas Pada Tube (Crude Oil) Temperatur rata-rataTav = 295 208,421 2 t t F FTav= 151,7 oF_ Derajat API (oAPI)131,560 / 60141,5 SG FAPIDengan SG60/60 oF dari data yang diperoleh = 0,8533 maka,131,50,8533141,5 API = 34,33 oF_ Dengan menggunakan grafik Approximate change of intermediate-base oils withtemperature. Grafik hubungan antara temperatur (oF) dengan oAPI dari crude oil makaakan dapat diperoleh SG pada tiap temperatur dari crude oil adalah 0,81. Dan denganmenggunakan grafik Specific heats of hydrocarbon liquids. Grafik hubungan antaratemperatur dengan oAPI dari crude oil maka dapat diperoleh panas spesifik dari crude oil,cpcrude oil (BTU/lb.oF) adalah 0,49 BTU/lb.oF._ Menentukan kapasitas dari Crude Oil, Qcrude oil (ft3/jam)Dengan volume crude oil yang diperoleh dari data yang diambil tanggal 09 Februari 2005yakni 507,125 m3. Maka kapasitas dari crude oil :3 33
35,318 /24507,125x ft m
Shell and Tube Heat ExchangerBy. Ruri Widayanto 5-B1 Tekkim UNSERA Page 9
jammQ Crude Oil 746,277 ft 3 / jam_ Menentukan massa jenis dari Crude Oil (_Crude Oil )Crude Oil Crude Oil air SG x dimana _air = 1000 kg/m3
0,81 x 1000 kg /m3 x 0,06243 lb / ft 3 Crude Oil 50,57 lb / ft 3
_ Menentukan laju aliran massa Crude Oil, WCO (lb/jam)CrudeOil CrudeOil CrudeOil W Q x W 746,277 ft 3 / jam x 50,57 lb / ft 3 CrudeOil 37.739,23 lb / jam_ Panas yang diserap oleh Crude Oil, qCO (BTU/jam)
2 1 q W x cp x t t CrudeOil CrudeOil CrudeOil q lb jam x BTU lb F x F FCrudeOil 37.739,23 / 0,49 / 208,4 95 2.097.018,054 BTU / jam
Shell and Tube Heat ExchangerBy. Ruri Widayanto 5-B1 Tekkim UNSERA Page 10