1-2 Parallel-Counterflow : Shell and Tube Exchanger

Pendahuluan

Shell and tube exchanger merupakan alat penukar panas yang cocok digunakan jika

dibutuhkan permukaan perpindahan panas yang luas. Alat ini terdiri dari sebuah shell silindris di

bagian luar dan sejumlah tube (tube bundle) di bagian dalam dimana temperatur fluida di dalam

tube bundle berbeda dengan temperatur di dalam shell (Sugiyanto, 2008).

Heat Exchanger Tubes. Heat exchanger tubes disebut juga sebagai condenser tubes. Diameter

luar dari heat exchanger merupakan diameter luar actual dalam inchi. Heat exchanger tubes

terbuat dari bahan-bahan yang bervariasi yaitu besi, tembaga, admiralty, Munts logam, dan lain-

lan. Tebal tubes tersebut dinyatakan dalam satuan BWG (Birmingham wire gage). Pada Tabel 10

ditunjukkan ukuran tubes yang umum tersedia namun umumnya desain HE menggunakan tube

dengan diameter luar (OD) ¾ dan diameter dalam (ID) 1 inch.

Tube Pitch. Jarak terpendek di antara dua lubang tube yang berdekatan disebut clearance atau

ligament. Beberapa pola tube ditunjukkan oleh Gambar 1 berikut :

Gambar 1. Lay out tube untuk exchanger (Kern, 1965)

Gambar 1a menunjukkan square pitch, kelebihan square pitch yaitu mudah dibersihkan serta

pressure drop yang dihasilkan akan lebih rendah ketika aliran fluida seperti yang ditunjukkan

pada gambar tersebut. Tube pitch, PT, adalah jarak terpendek antar pusat tube yang berdekatan.

Umumnya panjang pitch adalah sebagai berikut :

- Square layout : ¾ in. OD, 1 in. square pitch ; 1 in. OD, 1 ¼ in. square pitch

- Triangular layout : ¾ in. OD, 15/16 in. triangular pitch; ¾ in OD, 1 in. triangular pitch; 1

in. OD, 1¼ in, triangular pitch

Shells. Shells difabrikasi dari pipa besi dengan diameter IPS mencapai 12 in. Apabila diameter

IPS 12—24 in, maka OD aktual dan diameter pipa nominal tetap. Ketebalan dinding standar

shells dengan diameter dalam 12—24 in adalah 3/8 in dengan allowable pressure hingga 300 psi.

Stationary Tube-sheet Exchangers. Exchanger ini merupakan jenis exchanger paling sederhana

yang ditunjukkan pada Gambar 2. Bagian penting dari exchanger ini ialah : shell, dilengkapi

dengan dua nozzle dan tube sheets pada kedua ujungnya, dan juga sebagai flanges untuk

pelengkap kedua channel dan penutup channel. Tubes diperluas menuju kedua tube sheets dan

dilengkapi dengan baffle transverse pada sisi shell. Penghitungan luas permukaan perpindahan

panas seringkali berdasarkan jarak antara permukaan dalam dari tube sheets.

Gambar 2. Fixed-head tubular exchanger (Kern, 1965)

Baffles. Baffles dibutuhkan agar liquid tetap dalam kondisi turbulens. Kondisi turbulens akan

menghasilkan koefisien perpindahan panas yang lebih tinggi. Jarak antarpusat baffle disebut

sebagai baffle pitch atau baffle spacing. Besarnya baffle spacing biasanya 1/5 dari ID shell.

Baffle dilindungi oleh baffle spacer seperti pada Gambar 3 berikut ini :

Gambar 3. Detail Baffle spacer (Kern, 1965)

Beberapa jenis baffle yang biasa digunakan pada HE ditunjukkan pada Gambar 4 berikut :

Gambar 4. Segmental baffle detail (Kern, 1965)

Baffle di atas disebut sebagai 25 per cent cut baffles. Sedangkan jenis baffle yang lain yaitu disc

dan doughnut serta orifice ditunjukkan pada Gambar 5 berikut :

Gambar 5. Baffle doughnut, disc, dan orifice (Kern, 1965)

Fixed Tube Exchanger with Integral Channels. HE jenis ini ditunjukkan pada Gambar 6, HE

ini dibutuhkan untuk memberikan differential thermal expansion antara tubes dan shell selama

operasi. Hal ini dapat diatasi dengan menggunakan expansion joint pada shell.

Gambar 6 Fixed Tube Exchanger with Integral Channels (Kern, 1965)

Fixed-tube-sheet 1-2 Exchanger. 1-2 exchanger merupakan exchanger yang mana fluida

mengalir sebanyak 1 pass pada shell-sides dan 2 atau lebih pass pada tube. Bagian luar tubes

tidak dapat dibersihkan menggunakan pembersihan mekanik sedangkan bagian dalam tubes

dapat dibersihkan menggunakan rotary cleaner atau wire brush. Permasalahan utama pada

exchanger jenis ini ialah kedua pass baik pada shell dan tube cenderung mengalami ekspansi

secara berbeda dan menyebabkan stress pada tube sheets.

Removable-bundle exchanger. Gambar 7 menunjukkan 1-2 exchanger yang memiliki tube

bundle yang dapat dilepas dari shell. Kerugian penggunaan HE jenis ini ialah bentuk

geometrinya itu sendiri. Untuk mengamankan floating head cover maka harus dilakukan

penyatuan floating head cover dengan tube sheet, hal ini akan memperkecil ruang tubes serta

flow channel antara bundle dan shell. Permasalahan ini dapat diatasi dengan menggunakan split-

ring floating head 1-2 exchanger. Meskipun pembuatannya mahal, namun exchanger ini

memiliki keuntungan mekanik yang banyak.

Gambar 7. Pull through floating-head 1-2 exchanger (Kern, 1965)

Tube-sheets Layout dan Tube Counts. Salah satu contoh lay out tubes pada exchanger dengan

split ring floating head ditunjukkan pada Gambar 8. Banyaknya tube pada lay out disebut

sebagai tube counts. Banyaknya tube counts bisa berbeda-beda dengan batasan bahwa unbalance

tidak boleh lebih dari 5%.

Gambar 8. Tube sheet layout untuk 13 1/4 ID shell (Kern, 1965)

Packed Floating Head. Exchanger ini memiliki perluasan pada floating tube sheet yang dibatasi

oleh packing gland. Meskipun dapat mencapai ID shell 36 in, packing gland yang lebih besar

tidak disarankan untuk tekanan yang lebih besar karena dapat menyebabkan vibrasi.

U-bend Exchanger. Exchanger jenis ini merupakan 1-2 exchanger yang terdiri dari tube yang

dibengkokkan menjadi bentuk U dan digulung menuju tube sheet. Diameter U-Bend terkecil

sebesar 3—4 kali diameter luar tube.

Gambar 9. U-bend 1-2 exchanger (Kern, 1965)

Gambar 10. U-bend double-tube-sheet exchanger (Kern 1965)

Perhitungan pada Shell and Tube Exchanger

Shell –side Film Coefficient. Koefisien perpindahan panas outside tube bundle disebut sebagai

shell side coefficient. Koefisien perpindahan panas berbanding lurus dengan peningkatan

turbulensi. Peningkatan turbulensi dapat dilakukan dengan menambah baffle. Korelasi yang

dihasilkan untuk fluida yang mengalir dalam tube tidak dapat diaplikasikan untuk fluida yang

mengalir pada tube bundles yang dilengkapi dengan segmental baffles, hal ini dapat dilakukan

melalui hasil eksperimen. Sehingga dibutuhkan suatu faktor perpindahan panas, jH= vs DG/u

namun menggunakan nilai diameter ekuivalen, De dan mass velocity, Gs.

Figure 28 pada Appendix menunjukkan korelasi pada data industri untuk hidrokarbon, senyawa

organic, air, larutan encer, dan gas ketika terdapat baffle dengan clearance antar baffle dan tube

dan antara baffle dan shell. Untuk nilai Re dari 2000 hingga 1000000, data direpresentasikan

melalui persamaan berikut :

(

)

(

)

(

)

Shell –side Mass Velocity. Mass velocity fluida akan berubah secara kontinyu sepanjang bundle

karena lebar shell dan jumlah tubes sangat bervariasi. Panjang flow area yang digunakan sama

dengan baffle spacing, B. Sedangkan tube pitch merupakan jumlah dari tube diameter dan

clearance , C’’. Untuk setiap tube, dianggap menjadi C”x1 in2 crossflow area per inch baffle

space. Shell side atau bundle crossflow area dirumuskan menjadi :

ft

2

dan mass velocity yaitu

lb/(hr)(ft

2)

Shell side Equivalent Diameter. Radius hidrolik yang digunakan untuk shell side coefficient

pada bundles yang memiliki baffle bukan merupakan radius hidrolik yang sesungguhnya. Radius

hidrolik berdasarkan flow area pada satu baris tidak akan dapat membedakan antara square pitch

dan triangular pitch. Untuk menghasilkan korelasi yang sederhana pada kedua ukuran dan

kemiripan tubes dan jenis pitch, sehingga terdapat perjanjian untuk menghitung radius hidrolik

sepanjang axis tubes. Diameter equivalen shell sama dengan empat kali radius hidrolik yang

dihasilkan untuk pola lay out pada tube sheet. Mengacu pada Gambar 11 dimana crosshatch

menutupi free area untuk square pitch.

ft

in

Untuk triangular pitch seperti pada Gambar 11, wetted perimeter dari elemen merupakan ½

wetted perimeter tube.

Gambar 11. Diameter equivalen (Kern, 1965)

True Temperature Difference Δt pada 1-2 Exchanger. 1-2 Exchanger merupakan gabungan

dari exchanger parallel dan counterflow sehingga perbedaan temperatur (Δt ) tidak akan sama

dengan perbedaan temperatur pada exchanger paralel atau counterflow. Δt pada proses

counterflow lebih tinggi dibanding paralel, untuk 1-2 exchanger Δt merupakan gabungan dari

keduanya. Sehingga dibutuhkan persamaan baru untuk menghitung perbedaan temperatur

sebenarnya untuk mengganti LMTD yang terdapat pada counterflow. Asumsi yang digunakan

ialah sebagai berikut :

1. Temperature fluida pada shell merupakan temperatur rata-rata pada semua cross section

2. Terdapat jumlah heating surface yang sama pada setiap pass

3. Koefisien perpindahan panas total ialah konstan

4. Laju alir tiap fluida konstan

5. Specific heat fluida konstan

6. Tidak terdapat perubahan fase baik evaporasi atau kondensasi pada exchanger

7. Adanya heat losses diabaikan

Sehingga, neraca energi total dimana Δt merupakan perbedaan temperatur yaitu :

(

)

(

)

Persamaan yang menyatakan Δt untuk 1-2 parallel flow counterflow adalah sebagai berikut :

Hubungan antara Δt dengan LMTD yaitu :

Sehingga rasio antara Δt dengan LMTD dapat dinyatakan dengan FT :

Akibatnya, persamaan Fourier untuk 1-2 exchanger dapat dinyatakan sebagai :

Untuk memudahkan mencari nilai FT maka faktor koreksi ini diplot pada Fig. 18 pada Appendix

sebagai fungsi S dan R sebagai parameter. Nilai FT untuk parallel-counterflow exchanger seperti

1-2 exchanger kurang dari 1 karena Δt pada parallel-counterflow tidak akan seefektif pada

counterflow.

Secara teori, semua exchanger yang memiliki nilai FT lebih dari 0 akan dapat beroperasi namun

hal ini tidak selalu benar. Adanya ketidaksesuain ini terjadi karena tidak semua asumsi yang

digunakan saat menurunkan persamaan sesuai dengan penghitungan delta T. Untuk 1-2

exchanger, faktor koreksi FT harus kurang dari 0.75.

1-2 exchanger merupakan kombinasi antara counterflow dan parallel flow, sehingga outlet

temperature dari salah satu aliran tidak akan dapat sangat mendekati inlet temperature aliran

masuk yang lain. Pada aliran parallel-counterflow, T2—t2 disebut sebagai approach, dan jika

t2>T2 maka t2—T2 disebut sebagai temperature cross.

Shell side Pressure Drop. Pressure drop pada shell exchanger berbanding lurus dengan seberapa

banyak fluida melewati bundles antar baffle. Hal ini berbanding lurus dengan jarak bundle yang

terlewati tiap waktu. Dengan menggunakan modifikasi pada Eq 3.44 maka dengan mengambil

ID shell dan banyaknya bundle yang dilewati N+1, dimana N adalah banyaknya baffle. Jika L

adalah panjang tube dalam ft. Maka,

Number of crosses, N+1= tube length , in/baffle space, in = 12 x L/B

Jumlah crosses akan selalu ganjil jika shell nozzles terletak pada sisi yang berlawanan pada shell

dan akan genap jika kedua nozzle terletak pada sisi shell. De yang digunakan untuk menghitung

pressure drop sama daengan De yang digunakan untuk menghitung heat transfer, adanya friksi

pada shell diabaikan. Persamaan isothermal untuk menghitung pressure drop fluida yang

dipanaskan atau didinginkan baik pada entrance dan keluaran adalah :

Tube-side Pressure Drop. Persamaan untuk menghitung pressure drop pada tube yaitu :

Persamaan di atas hanya berlaku pada kondisi isothermal. n adalah jumlah tube passes, L adalah

panjang tube, sedangkan Ln adalah total panjang satu path (ft). Adanya perubahan arah juga akan

menambah pressure drop, yang disebut sebagai return loss dan dihitung menggunakan :

sehingga, pressure drop total pada tube yaitu :

Analisis Kinerja 1-2 Exchanger. Terdapat tiga hal yang harus diperhatikan dalam menentukan

kinerja suatu exchanger yaitu :

1. Clean coefficient, Uc. Uc merupakan koefisien perpindahan panas total ketika tidak

adanya pengotor (dirt) yang terdeposit pada ID dan OD inner pipe. Ketika HE belum

dioperasikan, maka nilai Uc dapat dihitung melalui hio dan ho atau melalui nilai Q dan Δt

berdasar kondisi operasi yang diharapkan.

2. Heat balance, dengan menggunakan neraca energi akan dapat diketahui luas permukaan

perpindahan panas A dan true temperature difference Δt untuk dirt/design coefficient,

UD. Nilai Uc harus lebih besar dari UD sehingga dirt factor (RD) yang terhitung akan

menghasilkan excess surface A. Hal ini akan mengantisipasi semakin berkurangnya nilai

UD dan Δt ketika terjadi akumulasi pengotor.

3. Pressure drop tidak melebihi allowable pressure drop yang telah ditentukan.

Apabila syarat-syarat di atas terpenuhi, maka exchanger sesuai digunakan untuk proses. Tidak

ada aturan pasti untuk menentukan peletakan fluida panas atau dingin dalam shell atau tube.

Untuk mengecek peletakan telah benar atau belum, maka dapat dilakukan dengan menghitung

nilai Uc dan melihat penyusunan mana yang menghasilkan Uc terbesar serta tidak melebihi

allowable pressure drop yang ditentukan.

Daftar Pustaka

Kern, Donald Q. 1965. Process Heat Transfer. Singapore : McGraw Hill Book Company.

Sugiyanto. 2008. Analisis Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube dan Aplikasi Perhitungan

dengan Microsoft Visual Basic 6.0. Depok : Universitas Gunadarma

Shell and Tube Heat Exchanger (Kern)

Documents

Transcript of Shell and Tube Heat Exchanger (Kern)