TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)

8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)

1/60

TKS 3249

Perpindahan Panas

Kuliah 6

Disain Alat Penukar Panas Double-Pipe

Semester Genap 2015-2016Kelas B – Program Sarjana Teknik Kimia

Universitas Riau


2/60

Pengantar

• Disain alat penukar panas melibatkan pilihanantara harga alat yang murah dan biaya

pengoperasian alat yang juga murah.

• Untuk cairan encer (viskositas kecil, spt: air,

pelarut organik dan hidrokarbon ringan), beda

tekanan (pressure drop) yang diperbolehkan

sekitar 7 sampai 20 psi.

• Untuk gas, pressure drop yang diperbolehkan

adalah 1 sampai 5 psi.


3/60

Koefisien Perpindahan Panas

Korelasi koefisien perpindahan panas untuk pipadan anulus adalah:

• Untuk aliran turbulent flow ( Re ≥ 104),

persamaan yang digunakan adalah :

• Untuk aliran transisi (2.100


4/60

Koefisien Perpindahan Panas

• Persamaan (4.1) dan (2.38) dapat digunakan

untuk pipa dan anulus, dengan mengganti Di

dengan diameter ekivalen pada anulus.

• Untuk aliran laminar ( Re < 2.100) pada pipa,

digunakan persamaan:


5/60

Perhitungan Hidrolik

• Pressure drop dapat dinyatakan dengan faktor

friksi Darcy, f , sebagai berikut:

• dengan,


6/60


• Persamaan dapat ditulis dalam bentuk fluksmassa, G, dan spesifik gravity, s, fluida, yaitu:

• dengan, V = G/ ρ dan ρ = ρwater s

• dari ρwater = 62.37 lbm/ft3,

• dan


7/60


• Persamaan (4.3) menjadi:

• Jika L dan Di diberikan dengan satuan ft dan G

satuannya lbm/h.ft2, of ∆P f satuannya lbf /ft

2.

•

Faktor koreksi viskositas diperhitungan jika properti fluida (cairan) mempengaruhi faktor

friksi pada aliran non-isotermal.


8/60


• Faktor koreksi viskositas adalah:

• Modifikasi persamaan (4.4) dengan pressure

drop dalam satuan psi, adalah:


9/60


Faktor friksi yang digunakan persamaan (4.5)

dapat dihitung dengan:

•

Untuk aliran laminar pada pipa bagian dalam,

•

Untuk aliran laminar pada anulus,


10/60


• dengan,

•Pada prakteknya, suku dalam kurung dari persamaan (4.7) nilainya sekitar 1.5.


11/60


• Untuk pipa komersil dengan aliran turbulen

(Re > 3.000), persamaan yang digunakan

untuk menghitung faktor friksi pada pipa dan

anulus adalah:

• Kehilangan tekanan minor karena pengaruh pipa masuk, keluar dan pipa lengkungan

(balik) biasanya dinyatakan velocity heads.


12/60


• Kehilangan tekanan (pressure drop) karenaadanya velocity head adalah:

• atau dengan satuan psi:


13/60


• Jika hairpins digabungkan secara seri, total pressure drop dari perubahan arah oleh hairpin,

adalah:


14/60


• Pada sisi anulus, pressure drop untuk nozzlelosses, adalah:

• dengan Gn and Ren adalah fluks massa dan

bilangan Reynolds number, untuk nozzle, dan

N HP adalah jumlah hairpins yang digabungkan

secara seri.


15/60

Konfigurasi Hairpin

• HE Double-pipe bersifat fleksibel, baik pipa

bagian dalam maupun anulus dapat

dihubungkan secara seri atau paralel

• Untuk memenuhi batasan pressure-drop,

dengan mudah suatu aliran dapat dibagi

menjadi dua atau lebih secara paralel,sementara aliran lain dibuat tetap (tidak

berubah).


16/60

Konfigurasi Hairpin


17/60

Konfigurasi Hairpin


18/60

Konfigurasi Hairpin


19/60

Konfigurasi Hairpin


20/60

Konfigurasi Hairpin

• Untuk memenuhi asumsi counter flow padakonfigurasi seri dan paralel, LMTD dikalikan

dengan faktor koreksi berikut


21/60

Konfigurasi Hairpin


22/60

Konfigurasi Hairpin


23/60

Penukar Panas Multi-Tube

•Untuk pipa luar dengan ID dari D2 berisikantube sebanyak nt , masing-masing tubr dengan

OD dari D1, luas penampang aliran adalah:

• Sehingga, diameter ekivalennya adalah:


24/60

Over-Surface dan Over-Design

• Over-surface merupakan ukuran faktor safety pada disain HE melalui faktor fouling dan

ukuran standar HE yang digunakan.

• Persentase over-surface dihitung dengan:


25/60


•Over-surface nilainya tergantung pada besaranrelatif dari total fouling yang diizikan dan

tahanan film dan dinding

• Nilainya bersikar dari 20% hingga 40%, untuknilai yang lebih besar biasanya tidak lazim.

• Persamaan (4.23) sering digunakan untuk

menghitung luas permukaan dengan koefisien

disain, U D, dibanding menggunakan koefisien

bersih, U C .


26/60


•Over-design menyatakan kelebihan luas permukaan perpindahan panas dari

yangdibutuhkan untuk kompensasi adanya

fouling.• Nilainya sekitar 5 sampai 20%, biasanya sudah

cukup memenuhi disain HE.


27/60

Contoh 4.1

10.000 lb/jam benzen akan dipanaskan dari 60o ke 120oF

dengan pertukaran panas menggunakan aliran anilinyang akan didinginkan dari 150o ke 100oF. Sebuah

penukar panas dengan panjang hairpin 16 ft, yang terbuat

dari pipa baja berukuran 2 x 1,25 inci sch. 40, digunakan

untuk operasi ini. Hairpin penukar panas memiliki return

bend dan nozel berukuran 1 inci sch. 40. Maksimum

pressure drop yang diizinkan untuk masing-masing aliran

adalah 20 psi. Spesifik graviti benzen 0,879 dan anilin1,022. Tentukanlah konfigurasi dan jumlah hairpin yang

diperlukan alat penukar panas tersebut.


28/60

Penyelesaian

Dimulai dari asumsi hairpin penukar panas dihubungkan

secara seri untuk kedua sisi, karena ini merupakankonfigurasi yang paling sederhana, dan pola aliran

counter current. Benzen dilewatkan pada pipa bagian

dalam (inner pipe), walaupun sebenarnya kedua cairan

(benzen ataupun anilin) bisa dilewatkan pada pipa bagian

dalam.

Trial pertama

a) Properti fluida pada suhu rata-rata diperoleh dari

Gambar A.1. dan A.2. dan Tabel A.15.


29/60

b) Menentukan beban panas dan laju alir anilin dengan

neraca energi pada kedua aliran.


30/60

c) Menghitung LMTD

d) Menghitung hi dengan asumsi ϕi = 1,


31/60

e) Menghitung ho dengan asumsi ϕo = 1,


32/60


33/60

f) Menghitung suhu dinding pipa

g) Menghitung ϕi dan ϕo, dan koreksi nilai hi dan ho :


34/60

sehingga,

h) Mendapatkan nilai fouling faktor.

Untuk anilin dan benzen merupakan bahan kimia

cairan organik (liquid organic process chemical), nilai

0,001 jam.ft2/Btu sesuai untuk fouling faktornya.


35/60

i) Menghitung nilai koefisien heat transfer overall,

j) Menghitung luas area yang diperlukan dan jumlah

hairpin alat penukar panas.


36/60

Dari Tabel B.2, luas permukaan luar pipa per 1 feet pipa

sch. 40 ukuran 1,25 ini adalah 0,435 ft2. Sehingga,


37/60

Karena setiap hairpin yang panjangnya 16 ft memiliki

panjang pipa 32 ft, maka:

Sehingga, dibutuhkan 6 (enam) hairpin pada alat

penukar panas.

k) Menghitung pressure drop aliran benzen (pipa

bagian dalam).

Dari faktor friksi yang dihitung dengan persamaan (4.8),


38/60


39/60


40/60

Pressure drop bagian pipa lurus dihitung kembali menggunakan persamaan (4.5) dengan

diameter pipa yang diganti dengan diameter ekivalen,

Karena nilai pressure drop terlalu besar, pressure drop karena faktor minor

lainnya tidak perlu dihitung. Trial pertama selesai sampai disini. Ringkasannya,

ada 2 (dua) persoalan dengan konfigurasi awal alat penukar panas yang telah

dibuat


41/60

Karena dimensi hairpin tetap, hanya sedikit opsi yang tersedia untukmemodifikasi disain HE. Dua kemungkinan pilihan adalah:

Pengaruhnya terhadap perubahan bilangan Reynold dan pressure drop dapat

diperkirakan dengan:

1) Menukar tempat fluida. laju alir kedua liran hampir sama, bilangan Reynold

berbanding terbalik dengan viskositas. Sehingga


42/60

Karena, menukar tempat fluida akan menghasilkan aliran yang turbulen pada

kedua sisi HE. Untuk memperkirakan pengaruhnya terhadap pressure drop,

asumsi bahwa hairpin tidak berubah. Faktor utama yang menpengaruhi ∆P

adalah f dan s. Karenanya,

Jelas bahwa menukar tempat fluida tidak mengurangi pressure drop di sisi

anulus yang masih jauh dari yang disyaratkan spesifikasi disain (kecuali jumlah

hairpin dikurangi mungkin hasilnya akan berbeda).

2) Menghubungkan bagian snulus menjadi 2 (dua) aliran paralel bank.Perubahan ini tidak akan mempengaruhi aliran pada pipa bagian dalam.

Tetapi, fluida pada anulus akan berubah laju aliranya menjadi

setengahnya. Sehingga,


43/60

Modifikasi ini akan merubah pressure drop, tetapi aliran berubah ke rejim transisi.

Tidak satupun modifikasi mampu memberikan spesifikasi disain yang memadai,

sehingga kombinasi modifikasi sangat dimungkinka. Karena alternatif modifikasi

ketiga bisa adalah,


44/60

Alternatif ketiga dapat memenuhi seluruh kriteria disain.

Walaupun demikian, perlu dilakukan perhitungan kembali hi, ho

dan beda suhu rata-rata yang akan berubah, karena jumlah hairpin

juga diperkirakan akan berubah.


45/60


46/60


47/60

Thus, nine hairpins are required. However, the equation for the

LMTD correction factor is based on the assumption that both

parallel branches are identical. Therefore, use two banks of five

hairpins, for a total of ten hairpins.


48/60


49/60


50/60

All design criteria are satisfied and the over-surface and over-

design are reasonable; therefore, the exchanger is acceptable. Thefinal design consists of ten hairpins with inner pipes connected in

series and annuli connected in two parallel banks of five hairpins

each. Aniline flows in the inner pipe and benzene flows in the

annulus.


51/60


52/60


53/60


54/60


55/60


56/60


57/60

All design criteria are satisfied and the over-surface and over-design are reasonable.

Therefore, the exchanger is acceptable as configured. The tube-side flow is in the

transition region, but as shown in Step (d), transition flow is unavoidable in this

case. Furthermore, the relatively high over-design should be sufficient to

compensate for any potential error in the value of hi. The final design consists of

three hairpins connected in series on both the tube side and annulus side. Aniline

flows in the tubes and benzene flows in the annulus.


58/60

question


59/60

in class


60/60

Homework due to 12/04/16

Problems:• 4.6.

• 4.7.

• 4.10.

TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)

Documents

Transcript of TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)