Plate Heat Exchanger

20
PLATE HEAT EXCHANGER 1.1 Fungsi Plate Heat Exchanger Plate Heat Exchanger (PHE) berfungsi sebagai sistem pemanas atau pendingin dari suatu sistem produksi. Heat Exchanger, alat penukar kalor ini bertujuan untuk memanfaatkan panas suatu aliran fluida yang lain. Maka akan terjadi dua fungsi sekaligus, yaitu : - Memanaskan fluida - Mendinginkan fluida yang panas Suhu yang masuk dan keluar kedua jenis fluida diatur sesuai dengan kebutuhannya. Pada gambar diperlihatkan sebuah heat exchanger, dimana fluida yang berada didalam tube adalah air, disebelah luar dari tube fluida yang mengalir adalah kerosene yang semuanya berada didalam shell. 1.2 Jenis-Jenis Heat Exchanger Dikarenakan banyaknya jenis dari alat penukar kalor, maka dalam pembahasan akan dibatasi pada alat penukar kalor jenis heat exchanger yang banyak dijumpai dalam industri perminyakan. Heat exchanger ini juga banyak mempunyai jenis-jenisnya. Perlu diketahui bahwa untuk alat-alat ini terdapat suatu terminology yang telah distandarkan untuk menamai alat dan bagian-bagian alat tersebut yang dikeluarkan oleh Asosiasi pembuat Heat Exchanger yang dikenal dengan Tublar Exchanger

description

tugas IA

Transcript of Plate Heat Exchanger

Page 1: Plate Heat Exchanger

PLATE HEAT EXCHANGER

1.1 Fungsi Plate Heat Exchanger

Plate Heat Exchanger (PHE) berfungsi sebagai sistem pemanas atau pendingin

dari suatu sistem produksi. Heat Exchanger, alat penukar kalor ini bertujuan untuk

memanfaatkan panas suatu aliran fluida yang lain. Maka akan terjadi dua fungsi

sekaligus, yaitu :

- Memanaskan fluida

- Mendinginkan fluida yang panas

Suhu yang masuk dan keluar kedua jenis fluida diatur sesuai dengan

kebutuhannya. Pada gambar diperlihatkan sebuah heat exchanger, dimana fluida

yang berada didalam tube adalah air, disebelah luar dari tube fluida yang mengalir

adalah kerosene yang semuanya berada didalam shell.

1.2 Jenis-Jenis Heat Exchanger

Dikarenakan banyaknya jenis dari alat penukar kalor, maka dalam pembahasan

akan dibatasi pada alat penukar kalor jenis heat exchanger yang banyak dijumpai

dalam industri perminyakan. Heat exchanger ini juga banyak mempunyai jenis-

jenisnya. Perlu diketahui bahwa untuk alat-alat ini terdapat suatu terminology yang

telah distandarkan untuk menamai alat dan bagian-bagian alat tersebut yang

dikeluarkan oleh Asosiasi pembuat Heat Exchanger yang dikenal dengan Tublar

Exchanger Manufactures Association (TEMA). Standarisasi tersebut bertujuan untuk

melindungi para pemakai dari bahaya kerusakan atau kegagalan alat, karena alat ini

beroperasi pada temperature dan tekanan yang tinggi. Didalam standar mekanik

TEMA, terdapat dua macam kelas heat Exchanger, yaitu :

1. Kelas R, yaitu untuk peraalatan yang bekerja dengan kondisi berat, misalnya

untuk industri minyak dan kimia berat.

2. Kelas C, yaitu yang dibuat untuk general purpose, dengan didasarkan pada segi

ekonomis dan ukuran kecil, digunakan untuk proses-proses umum industri.

Jenis-jenis Heat Exchanger yang terdapat pada industri perminyakan dapat

dibedakan atas :

Page 2: Plate Heat Exchanger

1. Jenis Shell and Tube

Jenis ini merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam industri

perminyakan. Alat ini terdiri dari sebuah shell (tabung/slinder besar) dimana

didalamnya terdapat suatu bandle (berkas) pipa dengan diameter yang relative kecil.

Satu jenis fluida mengalir didalam pipa-pipa sedangkan fluida lainnya mengalir

dibagian luar pipa tetapi masih didalam shell. Hal ini dapat dilihat pada gambar 2.3

Gbr. 2.3. Konstruksi alat penukar kalor jenis shell and tube

Keterangan :

1. Saluran ujung yang tetap

2. Topi ujung yang tetap

3. Saluran atau tepi ujung yang tetap

4. Tutup saluran – chanel cover

5. Nosel ujung stasioner – Stationary head nozzle

6. Pelat tube stasioner – Stationary tubes sheet

7. Tube

8. Shell

9. Tutup shell – shell cover U

10. Flens shell pada ujung stasioner-shell flange stationary head end

11. Flens shell ujung yang dibelakang, shell flange – Rear Head End

12. Nossel shell – Shell Nozzle

13. Flens penutup shell – shell cover flange

Page 3: Plate Heat Exchanger

14. Sambungan ekspansi – Expansion Joint

15. Pelat tube yang mengambang – Floating Head Cover

16. Tutup kepala yang mengambang - Floating Head Cover

17. Flens kepala yang mengambang – Floating Head Flange

18. Penahan kepala yang mengambang – Floatinh Head Backing Device

19. Cicncin pemisah – Split Shear Ring

20. Flens penahan dengan slip – on – slip – on backing flange

21. Tutup kepala yang mengambang sebelah luar – Floating Head Cover

22. Pelat tutup yang mengambang yang menyusur – Floating Tube Sheet Skirt

23. Flens packing – Packing box flange

24. Packing

25. Cincin penekan packing – Packing follower ring

26. Cincin latern – Latern Ring

27. Batang pengikat dan spasi – Tie Rod and Spacer

28. Pelat penahan atau sekat transverse – Transverse Baffles or Support Plate

29. Sekat yang disentuh langsung – Impingement Buffles

30. Sekat yang longitudinal – Longitudinal Baffles

31. Pemisah aliran pass – PassPartition

32. Sambungan untuk venting – Vent Connection

33. Sambungan untuk buangan – Drain Connection

34. Sambungan untuk instrument – Instrument Connection

35. Penahan bejana kepondasi/sadel – Support Saddle

36. Tahanan untuk mengangkat – Lifting Lug

37. Penahan gantungan – Support Bracket

38. Weir

39. Saluran untuk cairan – Liguid Level Connection

2. Jenis Double Pipe (Pipa Ganda)

Pada jenis ini tiap pipa atau beberapa pipa mempunyai shell sendiri-sendiri. Untuk

menghindari tempat yang terlalu panjang, heat exchanger ini dibentuk menjadi U

(lihat gambar 2.4). pada keperluan khusus, untuk meningkatkan kemampuan

memindahkan panas, bagian diluar pipa diberi srip. Bentuk siripnya ada yang

Page 4: Plate Heat Exchanger

memanjang, melingkar dan sebagainya. Keistimewaan jenis ini adalah mampu

beroperasi pada tekanan yang tinggi, dank arena tidak ada sambungan, resiko

tercampurnya kedua fluida sangat kecil. Kelemahannya terletak pada kapasitas

perpindahan panasnya sangat kecil.

Gambar. 2.4. Alat penukar kalor jenis double pipa

3. Koil Pipa

Heat Exchanger ini mempunyai pipa berbentuk koil yang dibenamkan didalam

sebuah box berisi air dingin yang mengalir atau yang disemprotkan untuk

mendinginkan fluida panas yang mengalir di dalam pipa. Jenis ini disebut juga

sebagai box cooler (gambar 2.5) jenis ini biasanya digunakan untuk pemindahan

kalor yang relative kecil dan fluida yang didalam shell yang akan diproses lanjut.

Gambar 2.5. Pipa Coil Heat Exchanger

Page 5: Plate Heat Exchanger

4. Jenis Pipa Terbuka (Open Tube Section)

Pada heat exchanger ini pipa-pipa tidak ditempatkan lagi didalam shell, tetapi

dibiarkan di udara. Prndinginan dilakukan dengan mengalirkan air atau udara pada

bagian pipa. Berkas pipa itu biasanya cukup panjang. Untuk pendinginan dengan

udara biasanya bagian luar pipa diberi sirip-sirip untuk memperluas permukaan

perpindahan panas. Seperti halnya jenis coil pipa, perpindahan panas yang terjadi

cukup lamban dengan kapasitas yang lebih kecil dari jenis shell and tube.

Gambar 2.6 Alat penukar kalor jenis open tube section

Di samping jenis-jenis di atas, masih terdapat jenis-jenis lain yang dijumpai di

industri, antara lain :

- jenis spiral, menpunyai bidang perpindahan panas yang melingkar. Karena

alirannya yang melingkar maka system ini dapat “Self Cleaning” dan mempunyai

efisiensi perpindahan panas yang baik. Akan tetapi konstruksi seperti ini tidak dapat

dioperasikan pada tekanan tinggi.

Gambar 2.7. Spiral Heat Exchanger

Page 6: Plate Heat Exchanger

- jenis lamella, biasanya digunakan untuk memindahkan panas dari gas ke gas

pada tekanan rendah. Jenis ini memiliki koefisien perpindahan panas yang

baik/tinggi.

Gbr. 2.8. Jenis Lamela

- Gasketter plate exchanger, mempunyai bidang perpindahan panas yang

terbentuk dari lembaran pelat yang dibuat beralur. Laluan fluida (biasanya untuk

cairan) terdapat diantara lembaran pelat yang dipisahkan gasket yang dirancang

khusus sehingga dapat memisahkan aliran dari kedua cairan. Perawatannya mudah

dan mempunyai efisiensi perpindahan panas yang baik.

Gbr. 2.9. Gasket plate exchanger

Pada umumnya heat exchanger dibuat dengan pemesanan, karena harus sesuai

dengan kebutuhannya. Baik ukuran maupun bentuk dapat bermacammacam, sesuai

dengan keperluan masing-masing.

Page 7: Plate Heat Exchanger

1.3 PLATE HEAT EXCHANGER (HE–101)

Fungsi : Memanaskan campuran trigliserida

Bentuk : Balok berisi pelat-pelat tipis yang tersusun vertikal

Bahan konstruksi : Carbon Steel SA-285 grade C

Susunan pelat : Susunan 1 pass – 1 pass dengan aliran berlawanan arah

Jumlah : 1 unit

Data kondisi operasi:

Spacing (δ ) = 3 mm = 0,003 m

Diameter ekuivalen (De) = 6 mm = 0,006 m

Tebal pelat (t) = 0,1 mm = 0,001 m

Lebar pelat (W) = 0,8 m

Tinggi pelat (L) = 1,5 m

Diameter port (Dp) = 0,1 m

Kalor yang dibutuhkan (Q) = 287.971.293,49 J/jam = 79.992,03 J/s

Fluida dingin:

Laju alir PKO (m) = 2159,28 kg/jam

Laju alir minyak jarak (m) = 924,48 kg/jam

Laju alir total (m) = 3803,77 kg/jam

Suhu masuk (t1) = 30°C

Suhu keluar (t2) = 70°C

Jumlah pass (np) = 1

Fluida panas:

Laju alir steam (m) = 133,15 kg/jam

Suhu masuk/keluar (Ts) = 133,68 °C

Tekanan (P) = 2 bar (g)

Jumlah pass (np) = 1

Perhitungan:

a. Corrected Log Mean Temperature Difference (∆TM)

Log Mean Temperature Difference (∆TLM)

Page 8: Plate Heat Exchanger

∆TLM =

(T 1−t2)−(T 2−t1 )

ln (T 1−t2

T 2−t1)

=

(133,68-70)−(133,68-30)

ln (133,68-70133,68-30 )

= 82,06 °C

Number of transfer unit (NTU) =

(t 2−t 1)ΔTLM

=

(70−30 )oC

82,06 o C = 0,49

Pada Gambar 12.62 dalam buku Coulson & Richardson’s Chemical

Engineering Design (Sinnott, 2005) diperoleh nilai correction factor (Ft) = 0,99.

Corrected Log Mean Temperature Difference (∆TM)

∆TM = ΔTLM×Ft

= 0,49 °C ¿ 0,99

= 81,24 °C

b. Overall Heat Transfer Coefficient (U)

Pada Tabel 12.1 dalam buku Coulson & Richardson’s Chemical Engineering

Design (Sinnott, 2005) diperoleh nilai asumsi awal overall heat transfer

coefficient (U) = 500 W/m2°C

c. Temperatur kalorifik (tc)

tc =

(t2+t1)2 =

(70+30 )o C2 = 50 °C

d. Jumlah pelat (np)

Luas perpindahan panas (Ap) =

QU⋅ΔTM

=

287 . 971. 293,49 J/s

500 W/m2 oC⋅81,24o C

= 1,97 m2

Luas permukaan pelat (A) = W ×L

= 0,8 m ¿ 1,5 m = 1,2 m2

Page 9: Plate Heat Exchanger

Jumlah pelat (np) =

2,0606 m2

0,75m2

= 1,6 ¿ 2 pelat

e. Jumlah channel (nc) =

np

2 =

22 = 1

Jumlah channel untuk masing-masing aliran fluida dingin dan panas adalah 1.

f. Cross-sectional flow area (Ao)

Ao = δ×W ×nC

= 0,003 m ¿ 0,8 m ¿ 1

= 0,0024 m2

Fluida dingin

Data Komponen dan Bahan

Tabel C.1 Data Komponen fluida dingin dalam Plate Heat Exchanger-1 (HE-101)Komponen Suh

u(oC)

ρ(kg/m3)

μ(kg/m s)

K(W/m.K)

cp(kJ/kg K)

PKO 50 884,9247 - 0,1699 8,8132Minyak jarak

50 928,7079 - 0,1800 2,2391

Campuran 50 893,3480 0,0078 0,1718 7,4984(Rodenbush et al., 1999;Sales-cruz et al., 2010;Ojolo et al., 2012; Maria dan Garcia,

2012; Perry, 1999)

g. Mass velocity pada channel (G) =

mAo

=

3. 083,77 kg/jam×1 jam/3600 s

0,0024 m2

= 356,92 kg/m2 s

h. Koefisien perpindahan panas fluida dingin (hd)

Bilangan Reynold (NRe) =

De⋅G

μ (Geankoplis, 2003)

=

0,006 m⋅356 ,92 kg/m2 s0,0078 kg/m s

=884,50 (Laminar)

Page 10: Plate Heat Exchanger

Bilangan Prandtl (NPr) =

cp⋅μk (Geankoplis, 2003)

=

7,4984 ×103 J/kg K⋅0,0078 kg/m s0,1718 W/m K

= 95,89

Bilangan Nusselt (NNu) = 0,37 (N Re)0,67( N Pr)

0,34 (McCabe, 2010)

= 0 ,37(884 ,5 )0 , 67(95 , 89)0 , 34

= 164,55

Bilangan Nusselt (NNu) =

hd⋅L

k (McCabe, 2010)

164,55 =

hd⋅1,5 m

0,1718 W/m K

hd = 4.738,03 W/m2 K

Fluida panas

i. Temperatur dinding (tw)

tw = t c+

hd

U asumsi+hd

(T sat−tc )

= 50+ 4 . 738,03 W/m2 K

5 00 W/m2 K+4 . 080,07 W/m2K(133,6839−50)

= 57,99 oC

∆T = Tsat - tw

= 133,6839 oC – 57,99 oC = 75,69 oC

j. Temperatur fluida (Tf)

Tf =

(T sat+tw )2

=

(133,6839+57,99 )2

= 95,83 oC

Data Komponen dan Bahan

Tabel C.2 Data komponen fluida panas dalam Plate Heat Exchanger-1 (E-101)Komponen Suhu

(oC)ρ(kg/m3)

μ(kg/m s)

K(W/m.K)

hfg

(J/kg)Air 91,8534 963,9748 0,0003 0,6799 -

Page 11: Plate Heat Exchanger

Sat. Steam 91,8534 0,4504 - - -Sat. Steam 133,683

9- - -

2.163.447,7476

(Geankoplis, 2003)

Asumsi : Aliran Laminar (NRe < 1800)

k. Koefisien perpindahan panas fluida panas (hp)

Bilangan Nusselt (NNu)

NNu =

1,13( ρl ( ρl− ρv )ghfg L3

μl k l ΔT )1/4

= 1,13(963,9748(963,9748−0,4504 )9,8066⋅2 .163 .447,747⋅1,53

0,0003⋅0,6799⋅75,69 )1/ 4

= 9.165,48

NNu =

hP⋅L

k l

9.165,48 =

hP⋅1,5 m

0,6799 W/m K

hp = 4.156,13 W/m2 K

hp = 4.156,13 W/m2 oC

l. Bilangan Reynold (NRe)

Laju alir kondensat (m)

Q = h p⋅A⋅ΔT = m⋅hfg

m =

hp⋅A⋅ΔT

hfg

=

4 .156,13 W/m2 oC⋅0,75m2⋅75,69o C2 .163 . 447,75 J/kg = 0,17 kg/s

Bilangan Reynold (NRe) =

4⋅mW⋅μl (Geankoplis, 2003)

=

4⋅0,17 kg/s0,8 m⋅0,0003 kg/m s

= 2.940,36 (Aliran Turbulen)

m. Koefisien perpindahan panas fluida panas (hp)

Page 12: Plate Heat Exchanger

Bilangan Nusselt (NNu)

NNu = 0,0077 (gρl

2 L3

μ l2 )

1/3

( NRe )0,4

Asumsi NRe = 5.404,32

NNu =

0,0077 (9,8066⋅963,974821,53

0,00032 )1/3

(5 .404,32 )0,4

= 16.845,99

NNu =

hp L

k l

16.845,99 =

hp⋅1,5 m

0,6799 W/moC

h p = 7.638,32 W/m2 oC

n. Bilangan Reynold (NRe)

Laju alir kondensat (m)

Q = h p⋅A⋅ΔT = m⋅hfg

m =

hp⋅A⋅ΔT

hfg

=

7 .638,32 W/m2 o C⋅0,75m2⋅74 ,55o C2 .163 .447,7476 J/kg = 0,21 kg/s

Bilangan Reynold (NRe) =

4⋅mW⋅μl (Geankoplis, 2003)

=

4⋅0,21 kg/s0,8 m⋅0,0003 kg/m s

= 5.404,32 (NRe hitung = NRe asumsi)

o. Overall Heat Transfer Coefficient (U)

Pada Tabel 12.9 dalam buku Coulson & Richardson’s Chemical Engineering

Design (Sinnott, 2005) diperoleh nilai coefficient fouling factor untuk fluida

panas = 8.000 W/m2°C sementara untuk fluida dingin = 10.000 W/m2°C.

Page 13: Plate Heat Exchanger

1U =

1

4 .080,07 W/m2 °C+ 1

10 . 000 W/m2 °C+0,001 m

45,15 W/m°C+

1

8 .000 W/m2 °C+ 1

7 . 644,03 W/m2 °C

U = 1.6697,46 W/m2°C

Nilai U hitung > U estimasi, sehingga perlu dinaikkan jumlah pelat agar nilai U

hitung ≈ U estimasi.

p. Jumlah pelat desain yang dibutuhkan (Np)

Prosedur e hingga o diulangi dengan menaikkan jumlah pelat (np) hingga

diperoleh nilai U hitung ≈ U estimasi.

Akhirnya diperoleh jumlah pelat desain yang dibutuhkan (Np) dinaikkan menjadi

42 pelat.

Fluida dingin Fluida panasG (kg/m2 s) 16,99 -NRe 42,12 3.836,73h (W/m2 oC) 616,18 7450,52

U 498,93

q. Pressure drop fluida dingin

Mass velocity pada port (Gp) =

m

( π /4 )⋅D p2

=

3. 083,77 kg/jam×1 jam/3600 s

( π /4 )⋅( 0,1 m)2

= 109,02 kg/m2 s

Friction factor (f) = 0,8 NRe-0,25

= 0,8 (42,12)-0,25

= 0,31

∆p =

1,5Gp2 n p

2gc ρl

+ 4 f LG2

2gc De( 1

ρ )m

+ρmgL

gc

=

1,5⋅1 09 ,022⋅12⋅1⋅963,9366

+ 4⋅0,31⋅1,5⋅29,57452

2⋅1⋅0,006 ( 1963,9366 )+

963,9366⋅9,8066⋅1,51

Page 14: Plate Heat Exchanger

= 14.050,05 kg/m2 s

= 2,04 psia (dapat diterima)

r. Pressure drop fluida panas

Mass velocity pada port (Gp) =

m

( π /4 )⋅D p2

=

133,15 kg/jam×1 jam/3600 s

( π /4)⋅(0,1 m )2

= 4,7 kg/m2 s

Friction factor (f) = 0,8 NRe-0,25

= 0,8 (3.836,73)-0,25

= 0,10

∆p =

1,5Gp2 n p

2gc ρl

+ 4 f LG2

2gc De( 1

ρ )m

+ρmgL

gc

=

1,5⋅9,36882⋅12⋅1⋅951,3507

+ 4⋅0,1⋅1,5⋅29,57452

2⋅1⋅0,006 ( 1951,3507 )+

951,3507⋅9,8066⋅1,51

= 13.993,34 kg/m2 s

= 2,03 psia < 10 psia (dapat diterima)

Page 15: Plate Heat Exchanger

Alasan mengapa digunakan Carbon Steel SA-285 grade C adalah bahan ini lebih

ekonomis dan digunakan pada alat-alat yang memilki tebal Shell dibawah 5/8 inch.

Dimana, pada proses ini, tebal shell adalah 0,1 atau 1/10 inch. Sehingga alat ini

sesuai dengan standar yang telah ditentukan diatas. Dan nilai S yang dibutuhkan pada

alat ini juga harus dibawah 13.750 psia. Dan data perhitungannya sesuai dengan

standar yang harus dipenuhi dari bahan.

1.4 Gambar Plate Heat Exchanger

Page 16: Plate Heat Exchanger

1.5 Aplikasi dalam Industri

Plate and Frame Heat Exchanger digunakan secara luas di industri makanan dan

minuman, karena pada industri tersebut sering melakukan inspeksi dan pembersihan.

Penggunaan dari Plate and Frame Heat Exchanger ini tergantung dari biaya relatif

dibandingkan dengan Heat Exchanger shell and tube konvensional.

Plate Heat Exchanger mempunyai banyak aplikasi, dan pada setiap aplikasinya

mempunyai persyaratan yang berbeda-beda, misalnya pada industri permen, PHE

Gasket haruslah aman terhadap makanan, tahan terhadap panas tinggi (130oC), tahan

terhadap soda api (costic soda).