Abubakar Tuhuloula

Perancangan Alat Perpindahan Panas (PAPP)

Program Studi Teknik Kimia - Unlam

Pada perkuliahan ini akan dibahas peralatan yang berkaitan dengan perpidahan panas atau yang sering disebut Heat Transfer. Peralatan tersebut adalah suatu alat pemindah panas dari suatu sumber panas ke dalam suatu aliran fluida. Dalam pabrik – pabrik banyak banyak sekali digunakan alat penukar panas, guna memanfaatkan panas dalam suatu aliran untuk pemanasan aliran lain yang lebih dingin. Dengan demikian efesiensi penggunaan energi dipertinggi. Bentuk alat penukar panas yang tersederhana berbentuk pipa ganda (double pipe heat exchanger) yang bagannya dapat dilihat pada gambar dibawah ini,

Gambar 1. Bagan Alat Penukar Panas Pipa Ganda

Hot fluid in

Hot fluid out

Cold fluid in

Cold fluid out

Kalau ke dua aliran masuk pada ujung yang sama dari alat penukar panas, maka pola aliran ini disebut aliran sejajar. Sebalikanya kalau ke dua aliran masuk pada ujung yang berlainan disebut aliran berlawanan. Untuk laju perpindahan panas dipakai persamaan,

q’ = U A ΔT

dengan menggunakan selisih temperatur rata – rata logaritma, sehingga persamaan menjadi,

q’ = Ui Ai (ΔT)m …..(1)

dimana,

1 2

1 2ln /m

T TT

T T

tergantung pada tempat masuk dan keluarnyaaliran dijumpai pola – pola yang berikut :

Gambar 2. Arah Aliran

Alat penukar panas sering sekali berbentuk shell & tube heat exchanger. Sejumlah pipa sejajar diselubungi sebuah silinder besar. Penukar panas shell & tube dikenal sebagai work-horse dalam proses industry kimia. Alat ini ada tersedia dalam cakupan luas berbentuk seperti digambarkan oleh Tubular Exchanger Manufacturers Association. Shell & tube heat exchanger adalah suatu alat bertekanan dengan banyak tabung di dalamnya.

Gambar 3. Alat Penukar Panas Shell & Tube Heat Exchanger

Dalam alat penukar panas jenis pipa dan rumah pipa, maka di dalam pipa mengalir suatu fluida, mungkin satu kali lintas atau lebih. Pipa – pipa disusun dengan dua pola, persegi atau segitiga, seperti berikut :

Clearence (C’) = PT – 2(0,5 do) = PT - do

Selain C’ adan PT pada susunan tube tersebut dapat dicari harga de (diameter equivalen) seperti yang terlihat pada tabel dan gambar 28 Kern.

Gambar 4. Susunan Pipa : a) Kerumunan Pipa Segaris (in-line square) Sp = Sn. b) Kerumunan Pipa Bersenjangan (Staggered Triangle) Ss = Sn

1 2 3i

D 1

2

3

j

Sn

S

p

aliran aliran

1

2

3

4

D

Sn

1

2

3

4

S

p j

iSs

(a) (b)

Dalam alat penukar panas yang panjang dipasang baffle (pembalik arah aliran) yang dipasang tegaklurus terhadap arah pipa, tetapi tidak meliputi seluruh diameter rumah pipa. Guna baffle adalah untuk memperbesar laju alir dan membuat aliran melintasi pipa secara tegaklurus, namun sebagian fluida terpaksa mengalir sejajar dengan pipa.

Pola aliran dalam alat penukar panas jenis pipa dan rumah pipa sebenarnya sebagian besar bukanlah sejajar atau berlawanan, akan tetapi “aliran melintas (cross flow)”. Untuk memperoleh selisih temperature rata – rata yang benar, maka ΔTm dikalikan dengan factor koreksi FG, yang diambil dari diagram dibawah ini,

Pada dasarnya ada dua macam perhitungan yang berkaitan dengan alat perpindahan panas, yaitu :

Sifatnya evaluasi atau analisis untuk HE yang sudah ada atau ditentukan

Perencanaan HE yang diperlukan untuk kondisi operasi yang diperlukan

Kriteria yang harus dipenuhi oleh alat perpindahan panas (HE) adalah :

Mampu memindahkan panas sesuai dengan kebutuhan proses pada keadaan kotor (bubly fouled) yang dinyatakan dalam Dirt Factor (Rd) dihitung :

…..(2)

dimana : UC = tahanan panas dalam keadaan bersih, Btu/jam.ft2.oF

UD = tahanan panas dalam keadaan kotor, Btu/jam.ft2.oF

Dari hasil perhitungan dapat diambil kesimpulan bahwa, apabila :

- Rdhitung = Rdketentuan, rancangan baik sekali

- Rdhitung > 5 – 10% Rdketentuan, rancanagn dapat diterima

- Rdhitung >>> Rdketentuan, rancangan tidak dapat diterima

- Rdhitung < Rdketentuan, rancangan tidak dapat diterima (under design)

Pressure Drop (P) untuk masing-masing aliran tidak melebihi batas yang tersedia. Harga P biasanya adalah : Untuk aliran liquida : maksimal (P) = 10 Psi Untuk aliran gas : maksimal (P) = 1 ½ - 2 Psi

Ini tergantung dari sistim atau alat penggerak media yang diperlukan.

.C D

hitungC D

U URd

U U

Karena yang dirancang adalah alat perpindahan panas, maka perlu dicari dimensi atau ukuran peralatan tersebut. Ukuran alat tersebut berkaitan erat dengan luas permukaan panas atau heating surface. Persamaan perpindahan panas yang berkaitan dengan dimensi atau luas perpindahan panas dapat dilihat dibawah ini :

Q = U . A . t ............(3)

Dimana : Q = panas yang diserap atau dipindahkan, Btu/jam

U = tahanan panas, Btu/jam.ft2.oF

t = beda temperatur rata-rata, oF

dengan diketahuinya harga A (heating surface) dapat ditentukan macam atau type alat perpindahan panas dengan spesifikasi sebagai berikut : Apabila A < 120 ft2, maka alat perpindahan panasnya adalah :

Double Pipe Heat Exchanger Coil Jacket Vessel

Apabila A > 120 ft2, maka alat perpindahan panasnya adalah : Shell and Tube Plate and Frame

Dari persamaan diatas dapat juga harga A dapat dirobah menjadi : Panjang pipa Jumlah pipa

Sehingga dari jumlah dan panjang pipa dapat dipilih type alat perpindahan panas yaitu,

a. Double Pipe Heat ExchangerPada tipe peralatan ini dapat dibagi jenisnya menjadi :

Counter Current dan Co Current Seri – seri Seri – paralel

b. Shell and TubePada tipe peralatan ini dapat dibagi jenisnya menjadi : Heater dan Cooler Condensor type Horisontal, Vertikal, Desuper Heater, Sub Cooling Reboiler type Kettle Reboiler, Forced Reboiler, Thermo Syphonc. Coild. Jacket VesselContoh yang paling mudah untuk suatu peralatan proses pada

industri kimia adalah Kolom Distilasi. Pada kolom distilasi banyak digunakan alat perpindahan panas antara lain :

Heater pada pemanasan umpan masuk ke dalam kolom Condensor pada pengembunan uap untuk dijadikan distilat Reboiler pada penguapan kembali liquid pada bagian bottom

untuk membuat efesiensi kolom menjadi lebih besar. Coil untuk mendinginkan distilat atau bottom produk.

3.1 Pengertian CondensorCondensor adalah semacam alat Heat Exchanger yang

berfungsi untuk merubah fase gas menjadi fase liquid. Biasanya gas yang diembunkan diletakan dibagian sheel sedangkan pendingin diletakan dibagian pipa atau tube. Ada beberapa macam condensor :a. Berdasarkan peletakannya

Berdasarkan peletakannya condensor ada 2 macam, yaitu : condensor horisontal condensor vertical

b. Berdasarkan prosesnyaBerdasarkan prosesnya kondensor ada tiga macam, yaitu : De-superheater condensor Saturated condensor Sub-cooled condenser

c. Berdasarkan jumlah komponen yang diembunkanCondensor dapat dibagi menjadi 2 macam, yaitu : Mono komponen Multi komponen

Dalam condensor horisontal berlaku :

a. ho = 15 – 300 Btu/jam.ft2.oF

b. beban condensor dinyatakan :

- apabila pengembunan di luar pipa

- apabila pengembunan di dalam pipa :m, t1

M, T2

M, t2M, T1

2/3Nt . L

M G"

Nt . L . 0,5

M G"

Dalam condensor vertikal berlaku :

a. ho = 90 – 150 Btu/jam.ft2.oF

b. beban condensor dinyatakan :

- apabila pengembunan di luar pipa :

 

- apabila pengembunan di dalam pipa :

MG'

Nt . . do

organik) uap(untuk 1400 f .

G' . 4

M, T2

M, T1

m, t1

m, t2

3.2 Grafik Perpindahan Panas

Q = M (hg – hl)

Q = m . Cp . (t2 – t1) Q = m . Cp . (t2 – t1)

Q = M (hg – hl)

T2

T2 T1 T1

t1t1

t2 t2

a. Condensasi pada titik jenuhnya b. Condensasi di bawah titik jenuhnya

c. Condensasi desuperheater d. Condensasi subcooler

Q = m . Cp . (t2 – t1)Q = m . Cp . (t2 – t1)

T2

T2 T1

T1

t1t1

t2 t2

Q1 = M . Cp . (T1 – T1’); Q2 = M (hgt1 – hl) Q1 = M (hgt1 – hl); Q2 = M . Cp . (T1 – T1')

Q = Q1 + Q2 Q = Q1 + Q2

1. Material and Heat balance

Q = Q1 + Q2 = m . cp . t

Untuk desuperheater : Q1 = M . CP . (T1 – T1’) ; Q2 = M .(hg – hl)

Untuk subcooler  : Q1 = M .(hg – hl) ; Q2 = M . CP . (T1 – T1’)

2. Menghitung TLMTD

; T = Ft . TLM

harga Ft = 1 karena prosesnya isothermal, pada condensor type HE 1 – 2 karena Ft = 1 dimana dimulai n = 2 dan seterusnya.

3. Menghitung Suhu Caloric (Tc dan tc)

Tc = ½ (T1 + T2 )

tc = ½ (t2 + t1)

4. Mencari IDS dan jumlah pipa dimulai dengan trial UD yang terletak antara 75 – 150 Btu/jam.ft2.oF (tabel 8 Kern), termasuk Cooler dimana fluidanya antara light organic dengan air.

dan

21

21LMTD t/tln

t - t t

t . U

Q A

D

L . a"

A Nt

Nt distandarkan dan IDs didapatkan dari tabel 9 Kern. Dan UD dikoreksi 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 =

 

trialDstandar

(koreksi) D U. Nt

Nt U

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. - 3. Menghitung harga Koefisien Film PP, ho

Trial ho antara 150-300 Btu/jam.ft2.oF untuk condensor horisontal dan ho antara 90-150 Btu/jam.ft2.oF untuk condensor vertikal.

tc- Tchio ho

ho tc tw

tf = (Tc + tw)/2

2/3Nt . L

M G" condensor horisontal

do . .Nt

M G'

condensor vertikal

Dari gambar 12.9 didapatkan ho dengan catatan ho tersebut sama dengan ho trial. 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 gambar 14 Kern

PP a

m G atau

PP a

M G

2,42 .

di . G Nre P

P

6. - 7. Menghitung Koefisien Film PP, hi

. 3600

Gt v

v yang baik apabila hasilnya antara 4 – 6 ft/detik. hi dicari pada gambar 25 hal. 835 Kern dan dilakukan koreksi,

do

dih h iio

8. Mencari tahanan panas pipa bersih (UC)

9. Mencari tahanan panas pipa terpakai (UD)

Diharapkan : Rd hitung > Rd ketentuan

Evaluasi P

Catatan : P masing – masing aliran < P ketetapan

ioi

ioiC h h

h . h U

DC

DCd U. U

U- U R

Bagian Shell (......................) Bagian Tube (........................)

1. Menghitung Nre dan Friksi

2,42 .

G . de Nre S

S

f dicari pada gambar 29 Kern 2. Menghitung PS hanya karena

panjang shell.

s = ( / 62,5)

T 460 . 1545

BM . . 144 s

1. Menghitung Nre pipa

2,42 .

G . di Nre P

P

f dicari pada gambar 26 Kern 2. Menghitung P karena panjang pipa 3. Menghitung P karena tube passes

144gc . 2

v

s

n 4 P

2

n

4. Mencari Ptotal pada bagian tube

PT = PP + Pn

2

10

11

2 5,22 10s s

se

fG D NP

x D s

2

10

1

2 5,22 10t

te

fG LnP

x D s

Contoh : Condensor menggunakan shell and tube dengan pipa ¾ in OD, 16 BWG; PT = 1 in.

Ketetapan : Rd gabungan minimal = 0,003 jam.ft2.oF/Btu

Δp aliran air maksimal 10 psi

Δp aliran uap maksimal 2 psi

Rancang dan gambarlah condenser horizontal tersebut

Jawab :

1. Material dan heat balance

Q = m . cp . Δt = M .(hg – hl)

= m . 1 . (120 – 85)oF = 30.000 lb/jam (320 – 200) Btu/lb

Q = 3.600.000 Btu/jam; m = 102.857 lb/jam

2. Menghitung ΔT (LMTD)

Uap buatan jenuhM1 = 30.000 lb/jam

T1 = 170oF ; P = 155 psia

Air pendingint1 = 85oF

T2 = 170oF

t2 = 120oF

1 2

1

2

50 8566

50lnln

85

oLM

t tt F

tt

Harga Ft = 1 karena prosesnya isothermal dan type HE 1 – 2.

Jadi, Δt = Ft . ΔTLM = 1 (66) = 66oF

3. Menghitung suhu caloric (Tc dan tc)

Tc = ½ (T1 + T2) = ½ (170 + 170) = 170oF

tc = ½ (t1 + t2) = ½ (85 + 120) = 102,5oF

4. Trial UD = 150 Btu/jam.ft2.oF yang terletak antara 75 – 150 Btu/jam.ft2.oF table 8 Kern.

Nt distandarkan dan IDs didapatkan dari table 9 Kern :IDs = 17 ¼ in; n = 4; Nt = 158

Kesimpulam sementara :Type HE : 2 – 4

Bagian Shell Bagian TubeIDs = 17 ¼ in do = ¾ in 16 BWG, l =12 ft, Nt = 154, n = 4

n’ = 1 susunan segitiga, PT = 1 in; de = 0,95 inB = 16 in a’ = 0,302 in2; a” = 0,1963 ft2/ft; di = 0,620

 

1 2 2 1

2 1 1 1

300 100 120 565,88; 0,16

120 86 300 86

T t t tR S

t t T t

22

3.600.000 /363,6

150 / . . (66 )o oD

Q Btu jamA ft

U t Btu jam ft F F

363,6

154 " 0,1963(12)

ANt buah

a L

2

tan

154(150) 146,2 / . .

158o

D terkoreksi D trials dar

NtU xU Btu jam ft F

Nt

Evaluasi Perpindahan Panas

Bagian Shell (uap butan) Bagian Tube (air) 5. Menghitung Nre shell

. '. 17,25(0,25)160,4792

'. .144 (1)(1)144s

sT

ID C Ba

n P

230.00062604 / .

0, 4792ss

MG lb jam ft

a

62604 0,95 /12.209208

.2,42 0,0098(2,42)s eG d

Nre

6. JH dicari pada gambar 28 Kern JH = 130

7. Trial ho = 190 Btu/jam.ft2.oF

( )

190 102,5 170 102,5 112,4

190 1099

ow c c c

o io

o

ht t T t

h h

F

tf = (Tc + tw)/2 = (170 + 112,4)/2 = 141,2oF sehingga :

kf = 0,075 (tabel 4 Kern) sf = 0,6 (tabel 6 Kern) μf = 0,13 cp (gambar 14 Kern)

2/3 2/3

30.00085,5 / .

. 12(158)n M

G lb jam ftl Nt

Dari gambar 12,9 Kern di dapatkan ho = 210 Btu/jam.ft2.oF (memenuhi)

5. Menghitung Nre pipa

2. ' 158(0,302)0,0828

.144 (4)144p

Nt aa ft

n

2102.8571242234 / .

0,0828tt

MG lb jam ft

a

1242234 0,62 /12.36835,5

.2,42 0,72(2,42)t iG d

Nre

6. – 7. Menghitung harga koefisien film PP, hi

12422345,52 /

3600 3600(62,5)tG

v ft s

dari gambar 25 Kern, didapat : hi = 1330 Btu/jam.ft2.oF

2

0,6201 1330

0,750

1099 / . .

iio i

o

o

dh h x

d

Btu jam ft F

8. Mencari tahanan panas pipa bersih (Uc)

9. Mencari dirt faktor (faktor pengotor) pipa terpakai

Ternyata : Rd hitung < Rd tetapan, jadi under desain

 

21099(210).176,3 / . .

1099 210oi io

ci io

h hU Btu jam ft F

h h

2176,3 146,20,0011 . . /

. 176,3(146,2)oc D

d

c D

U UR jam ft F Btu

U U

Evaluasi ΔP

Bagian Shell (uap butan) Bagian Tube (air) 1. Menghitung Nre dan friksi

.209208

.2,42andeG

Nre

f = 0,00131 (gambar 29 Kern) 2. Menghitung Δps hanya karena panjang

shell s = (ρ/62,5)

144. .

1545(460 ).62,5

144(155)(58,1) 0,0213

1545(630)(62,5

p BMs

T

Menghitung harga (N+1) (N+1) = (12 x l)/B = (12 x 12)16 = 9

2

10

2

10

. . . 11.

2 (5,22 10 ). . .

0,0013 62604 17,25 /12 91 .

2 5,22.10 0,95 /12 0,0213 1

0,374 ( )

s ss

s

f G ID Np

x de S

psi ok

1. Menghitung Nre pipa atau diambil dari tahap 5

.36835,5

.2,42tdi G

Nre

f = 0,00019 (gambar 26 Kern)

2. Menghitung Δp karena panjang pipa

2

10

2

10

. . .

(5, 22 10 ). . .

0,00019 1242234 12 4

5, 22.10 0,620 /12 1 1

5,2

tt

s

f G L np

x di S

psi

3. Menghitung Δp karena tube passes. Dari gambar 27 Kern,

2

0,22 144c

v

g

sehingga, 24 4 4

0,2 3,2 2 144 1n

c

n v xp x psi

s g

Δp total = Δpt + Δpn = 5,2 +3,2 =8,4 psi (ok)