Nama : Irvan Karamy

NIM : 03101003116

Kelompok : III (tiga)

Tugas Khusus

Penukar Panas Jenis Shell and Tube

1. Pengertian Penukar Panas (Heat Exchanger)

Penukar panas atau dalam industri kimia populer dengan istilah bahasa

Inggrisnya, heat exchanger (HE), adalah suatu alat yang memungkinkan

perpindahan panas dan bisa berfungsi sebagai pemanas maupunsebagai pendingin.

Biasanya, medium pemanas dipakai uap lewat panas (super heated steam) dan air

biasa sebagai air pendingin (cooling water).

Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas

antar fluida dapat berlangsung secara efisien. Pertukaran panas terjadi karena

adanya kontak, baik antara fluida terdapat dinding yang memisahkannya maupun

keduanya bercampur langsung begitu saja. Penukar panas sangat luas dipakai

dalam industri seperti kilang minyak, pabrik kimia maupun petrokimia,industri

gas alam, refrigerasi, pembangkit listrik. Salah satu contoh sederhana dari alat

penukar panas adalah radiator mobil di mana cairan pendingin memindahkan

panas mesin ke udara sekitar..

Menurut Sitompul (1993), peralatan penukar panas adalah suatu peralatan di

mana terjadi perpindahan panas dari suatu fluida yang temperaturnya lebih tinggi

kepada fluida lain yang temperaturnya lebih rendah. Klasifikasi peralatan penukar

panas didasarkan pada :

1. Proses perpindahan panas

2. Jumlah fluida yang mengalir

3. Kompak tidaknya luas permukaan

4. Mekanisme perpindahan panas

5. Konstruksi

6. Tipe pelat

7. Pengaturan aliran

2. Jenis-Jenis Penukar Panas

2.1 Shell and Tube

Jenis umum dari penukar panas, biasanya digunakan dalam

kondisi tekanan relatif tinggi, yang terdiri dari sebuah selongsong yang

didalamnya disusun suatu anulus dengan rangkaian tertentu (untuk mendapatkan

luas permukaan yang optimal). Fluida mengalir di selongsong maupun di anulus

sehingga terjadi perpindahan panas antar fluida dengan dinding anulus sebagai

perantara. Beberapa jenis rangkaian anulus misalnya; triangular, segiempat, dll.

2.2 Jenis Plat

Contoh lainnya adalah penukar panas jenis plat. Alat jenis ini terdiri dari

beberapa plat yang disusun dengan rangkaian tertentu, dan fluida mengalir

diantaranya.

2.3. Condenser

Condenser merupakan alat penukar panas yang digunakan untuk

mendinginkan fluida sampai terjadi perubahan fase dari fase uap menjadi fase

cair. Media pendingin yang dipakai biasanya air sungai atau air laut dengan suhu

udara luar (Sitompul, 1993).

2.4. Chiller

Chiller merupakan alat penukar panas yang digunakan untuk mendinginkan

(menurunkan suhu) cairan atau gas pada temperatur yang sangat rendah.

Temperatur pendingin di dalam chiller jauh lebih rendah dibandingkan dengan

pendinginan yang dilakukan oleh pendingin air. Media pendingin yang digunakan

antara lain freon (Sitompul, 1993).

2.5. Reboiler

Reboiler merupakan alat penukar panas yang bertujuan untuk mendidihkan

kembali serta meenguapkan sebagian cairan yang diproses. Media pemanas yang

digunakan antara lain uap (steam) dan minyak (oil). Alat penukar panas ini

digunakan pada peralatan distilasi (Sitompul, 1993).

2.6. Cooler

Cooler adalah alat penukar panas yang digunakan untuk mendinginkan

(menurunkan suhu) cairan atau gas dengan menggunakan air sebagai media

pendingin. Dengan perkembangan teknologi saat ini, media pendingin cooler

menggunakan udara dengan bantuan kipas (fan) (Sitompul, 1993).

2.7. Heat Exchanger

Heat Exchanger (HE) adalah alat penukar panas yang bertujuan memanfaatkan

panas suatu aliran fluida untuk pemanasan aliran fluida yang lain. Dalam hal ini

terjadi 2 fungsi sekaligus yaitu :

- Memanaskan fluida yang dingin

- Mendinginkan fluida yang panas (Sitompul, 1993).

2.8. Heater

Heater merupakan alat penukar kalor yang bertujuan memanaskan (menaikkan

suhu) suatu fluida proses dengan menggunakan media pemanas. Media pemanas

yang biasa digunakan antara lain uap atau fluida panas lain (Sitompul, 1993).

2.9. Thermosiphon dan Forced Circulation Reboiler

Thermosiphon reboiler merupakan reboiler dimana terjadi sirkulasi fluida

yang akan dididihkan dan diuapkan dengan proses sirkulasi alamiah (natural

circulation). Sedangkan Forced Circulation Reboiler adalah reboiler yang sirkulasi

fluida terjadi akibar adanya pompa sirkulasi sehingga menghasilkan sirkulasi

paksaan (forced circulation) (Sitompul, 1993).

2.10. Steam Generator

Alat ini sering disebut sebagai ketel uap dimana terjadi pembentukan uap

dalam unit pembangkit. Panas hasil pembakaran bahan bakar dalam ketel

dipindahkan dengan cara konveksi, konduksi dan radiasi. Berdasarkan sumber

panasnya, steam generator dibagi 2 macam, yaitu :

Steam generator tipe pipa air

Tipe ini, fluida yang berada di dalam pipa adalah air ketel, sedangkan

pemanas (berupa nyala api dan gas asap) berada di luar pipa. Hasilnya berupa uap

dengan tekanan tinggi.

Steam generator tipe pipa api

Tipe ini, fluida yang berada di dalam pipa adalah nyala api, sedangkan air

yang akan diuapkan berada di luar pipa dalam bejana khususpemanas (berupa

nyala api dan gas asap) berada di luar pipa (Sitompul, 1993).

2.11. WHB (Waste Heat Boiler)

WHB adalah alat penukar panas sejenis dengan ketel uap tetapi memiliki

perbedaan pada sumber panas yang digunakan. Sumber panas pada ketel uap yaitu

hasil pembakaran bahan bakar sedangkan sumber panas pada WHB yaitu

memanfaatkan panas dari gas asap pembakaran atau cairan panas yang diperoleh

dari reaksi kimia (Sitompul, 1993).

2.12. Superheater

Alat penukar panas jenis ini digunakan untuk mengubah uap basah (saturated

steam) pada steam generator (ketel uap) menjadi uap kering (superheated steam)

(Sitompul, 1993).

2.13. Evaporator

Evaporator adalah alat penukar panas yang digunakan untuk menguapkan

cairan yang ada pada larutan sehingga diperoleh larutan yang lebih pekat (mother

liquor) (Sitompul, 1993).

2.14. Vaporizer

Alat penukar panas ini digunakan untuk menguapkan suatu cairan sehingga

fasenya berubah dari cair menjadi gas (Sitompul, 1993).

2.15. Ekonomizer

Ekonomizer (disebut juga pemanas air pengisi ketel uap) digunakan untuk

menaikkan suhu air sebelum air masuk ke dalam ketel uap. Tujuannya untuk

meringankan beban ketel (Sitompul, 1993).

3. Pengenalan Heat Exchanger tipe Shell and Tube

Merupakan salah satu jenis heat exchanger yang sering dipakai di kebanyakan

industry kimia pada umumnya, baik industry pemurnian minyak dan industry

proses kimia skala besar lainnya, yang telah didesain untuk digunakan dalam

kapasitas besar dan tekanan tinggi. Seperti namanya yang khas yaitu shell and

tube, heat exchanger ini terdiri dari 2 perangkat besar yang mendominasi bentuk

dari keseluruhan heat exchanger jenis ini.

Shell yang dalam bahasa Indonesia artinya tempurung, bagian ini didesain

untuk menahan tekanan tinggi, dikarenakan bentuknya seperti tangki yang

letakkan secara horizontal. Kemudian Tube merupakan pipa kecil yang panjang

nya bisa bermeter-meter dengan diameter yang sangat kecil, dimana pipa-pipa ini

terletak didalam shell yang jumlahnya bisa mencapai ratusan bahkan ribuan.

Menurut Sitompul (1993), alat penukar panas tipe shell and tube merupakan

salah satu jenis alat penukar panas berdasarkan konstruksinya. Tipe shell and tube

sering digunakan dalam industri karena memiliki kelebihan bila dibandingkan

dengan tipe lainnya, antara lain :

· Konfigurasi yang dibuat dapat memberikan luas permukaan yang besar (>

200 ft2) dengan volume yang kecil.

· Mempunyai lay-out mekanik yang baik dan bentuknya cukup baik untuk

operasi bertekanan.

· Menggunakan teknik fabrikasi yang sudah mapan.

· Dapat dibuat dari berbagai material.

· Mudah dibersihkan dan konstruksinya sederhana

Menurut Walas (1990) dan Sitompul (1993), pada alat penukar panas tipe

shell and tube terdapat 2 jenis lintasan yaitu :

· Shell pass (lintasan shell)

Merupakan lintasan yang dilakukan oleh fluida sejak masuk mulai saluran

masuk (inlet nozzle) melewati bagian dalam shell dan mengelilingi tube, keluar

dari saluran buang (outlet nozzle) sehingga lintasan ini disebut 1 lintasan shell

atau 1 pass shell.

· Tube pass (lintasan tube)

Merupakan lintasan yang dilakukan oleh fluida masuk ke dalam penukar kalor

melalui salah satu ujung (front head) lalu mengalir ke dalam tube dan langsung ke

luar dari ujung yang lain sehingga disebut 1 pass tube. Apabila fluida tersebut

membelok lagi masuk ke dalam tube sehingga terjadi 2 kali lintasan dalam tube

maka disebut 2 pass tube.

Kemudian dari pada itu pada pemilihan tube tidak bisa asal pilih, Kemampuan

untuk mentransfer panas baik di exchanger karena Ox, bahan tabung harus

memiliki konduktivitas termal yang baik. Karena panas dipindahkan dari panas ke

sisi dingin melalui tabung, ada perbedaan suhu melalui lebar tabung. Karena

kecenderungan bahan tabung untuk memperluas termal berbeda pada berbagai

suhu, tegangan termal terjadi selama operasi.

Ini merupakan tambahan untuk setiap tekanan dari tekanan tinggi dari cairan

sendiri. Bahan tabung juga harus kompatibel dengan shell dan cairan tabung

samping untuk jangka waktu yang lama di bawah kondisi operasi (suhu, tekanan,

pH, dll) untuk meminimalkan kerusakan seperti korosi. Semua persyaratan

menuntut pemilihan hati-hati yang kuat, termal-konduktif, tahan korosi, bahan

tabung berkualitas tinggi, biasanya logam, termasuk paduan tembaga, stainless

steel, baja karbon, non-ferrous paduan tembaga, Inconel, nikel, Pelindung dan

titanium . Pilihan yang buruk pada bahan tabung bisa mengakibatkan kebocoran

melalui tabung antara sisi shell and tube menyebabkan kehilangan cairan

kontaminasi silang dan kemungkinan tekanan dari Terry di sepanjang sisi Ox.

4. Mekanisme kerja sederhana Shell and Tube Heat Exchanger

Sebuah fluida mengalir sepanjang tube, dan fluida lain mengalir diatas ratusan

tube tersebut, yaitu fluida yan gmengalir di dalam shell nya. Sehingga terjadilah

perpindahan panas baik secara konduksi maupun konveksi di dalam heat

exchanger tersebut. Dua cairan, dengan suhu awal yang berbeda, mengalir melalui

penukar panas. Satu mengalir melalui tabung (sisi tube) dan aliran lain di luar

tabung tapi di dalam shell (sisi shell). Panas dipindahkan dari satu fluida ke fluida

lain melalui dinding tabung, baik dari sisi tube ke sisi shell atau sebaliknya.

Fluida dapat berupa cairan atau gas di kedua shell atau sisi tabung. Dalam

rangka untuk mentransfer panas secara efisien, daerah panas yang besar

perpindahan harus digunakan, yang mengarah ke penggunaan tabung banyak.

Dengan cara ini, limbah panas dapat dimanfaatkan. Ini merupakan cara yang

efisien untuk menghemat energy. Penukar panas dengan hanya satu fase (cair atau

gas) di setiap sisi bisa disebut satu-fase atau fase-tunggal penukar panas.

Dua-fase penukar panas dapat digunakan untuk memanaskan cairan mendidih

menjadi gas (uap), kadang-kadang disebut boiler, atau dingin uap mengembun

menjadi cair (kondensor disebut), dengan perubahan fasa biasanya terjadi pada

shell side. Boiler di lokomotif mesin uap biasanya besar, biasanya cylindrically

berbentuk shell-dan-tabung penukar panas.

Dalam pembangkit listrik besar dengan uap-driven turbin, kondensor

permukaan shell-dan-tabung yang digunakan untuk menyingkat uap knalpot

keluar turbin menjadi air kondensat yang didaur ulang kembali untuk diubah

menjadi uap dalam pembangkit uap.

5. TEMA dan Bagian-bagian penting pada shell and tube HE

Selain shell and tube itu sendiri, masih banyak komponen-komponen yang

penting sebagai penyokong performa dari heat exchanger jenis ini, diantaranya

adalah :

5.1 TEMA

TEMA (Tubular Exchanger Manufacturing Assosiation), mengklasifikasikan

HE berdasarkan perencanaan dan pembuatannya menjadi tiga kelas yaitu:

1.      Heat exchanger kelas ‘R’ umumnya digunakan untuk industri minyak dan

peralatan untuk proses tersebut

2.      Heat exchanger kelas ‘C’ umumnya digunakan untuk keperluan komersil

3.      Heat exchanger kelas ‘B’ umumnya digunakan untuk proses kimia.

Klasifikasi heat exchanger berdasarkan jenis alirannya:

1.      Heat exchanger counter current (aliraran berlawanan arah)

Jika aliran kedua fluida yang mengalir dalam HE berlawanan arahnya

2.      Heat exchanger co-current (aliran searah)

Jika aliran fluida yang didinginkan dengan media pendinginnya searah.

3.      Hear exchanger cross current (aliran silang)

Jika aliran fluida yangmengalir dalam HE saling memotong arah

5.2 Tube

Kemampuan melepas atau menerima panas suatu alat penukar panas sangat

dipengaruhi oleh besar kecilnya luasan permukaan (heating surface). Besarnya

luasan permukaan tersebut tergantung panjang, ukuran dan jumlah pipa-pipa yang

akan dipergunakan pada suatu alat penukar panas tersebut.

Untuk mendapatkan pelepasan atau penerimaan panas dari suatu alat penukar

panas dengan sangat baik. Penentuan panjang, ukuran dan jumlah pipa – pipa

harus disesuaikan dengan cara menyusun pipa – pipa tersebut, adapun susunaan

pipa – pipa dapat dilakukan dengan cara – cara sebagai berikut:

- Pipa Dengan Susunan Segitiga (triangular pitch)

Susunan ini sangat popular dan baik digunakan untuk fluida bersih atau fluida

kotor bahkan berlumpur sekalipun (fouling or non fouling). Selain karena susunan

ini yang letaknya sangat kompak, susunan ini juga dapat menghasilkan

perpindahan panas yang baik per satu satuan penurunan tekanan (per unit pressure

drop). Bahkan Koefisien perpindahan panasnya bisa jauh lebih baik dari pipa –

pipa yang di susun secara bujur sangkar (in line squqre pitch).

- Pipa Dengan Susunan Segitiga diputar 300 (in line triangular pitch atau

rotated triangular pitch)

Karena mempunyai karakter yang kurang baik dan memiliki penurunan tekan

yang kurang baik, membuat pipa – pipa yang disusun membentuk 600 atau

diputar hingga 300 (in line triangular pitch) dari susunan segitiga ini, tidak

sepopuler dari susunan dengan jenis segitiga (triangular pitch). Akan tetapi

susunan ini masih lebih baik bila dibandingkan dengan pipa – pipa yang disusun

secara bujur sangkar (in line square pitch).

- Pipa Dengan Susunan Bujur Sangkar (in line square pitch)

Susunan bujur sangkar dengan membentuk sudut 900 (in line square pitch)

banyak dipergunakan dengan pertimbangan – pertimbangan seperti berikut ini:

1. Apabila penurunan tekanan (pressure drop) yang terjadi pada alat penukar

panas itu sangat kecil.

2. Apabila pembersihan pada bagian pipa – pipa dilakukan dengan cara

pembersihan mekanik (mechanical cleaning). Karena, pada susunan ini terdapat

celah anatar pipa – pipa unutk pembersihannya.

3. Apabila aliran yang akan dipergunakan itu aliran turbulen. Karena,

susunan ini akan memberikan perilaku yang baik apabila di aliri aliran turbulen,

tetapi akan memberikan hasil yang kurang baik jika di aliri aliran laminer.

Ditinjau dari segi perpindahan panasnya, susunan ini mempunyai koefisien

perpindahan panas yang kurang baik di bandingkan dengan pipa – pipa yang di

susun secara segitiga (triangular pitch) bahkan dengan susunan segitiga yang di

putar 300 (in line triangular pitch).

- Pipa Dengan Susunan Bujur Sangkar diputar 450 (diamond square pitch)

Diamond square pitch atau susunan bujur sangkar dengan putaran 450

merupakan jenis dengan kondisi menengah. Jenis ini baik digunakan pada kondisi

operasi yang penurunan tekanannya kecil, akan tetapi masih lebih besar dari

penurunan tekanan yang dimiliki pipa – pipa dengan menggunakan susunan bujur

sangkar. Pembersihan bagian luar pipa – pipa dilakukan sama seperti pada

susunan bujur sangkar yaitu dengan menggunakan pembersihan secara mekanik

(mechanical cleaning).

5.3 Baffle

Baffles atau sekat-sekat digunakan untuk membelokan atau membagi aliran

dari fluida dalam alat penukar kalor, selan itu sekat (baffles) juga berfungsi untuk

menahan tube-bundel dan untuk mencegah atau menahan getaran pada pipa–pipa.

Fungsi–fungsi tersebut biasanya selalu menyatu pada setiap pemasangan

sekat–sekat (baffles), namun adakalanya satu sama lainnya harus diperketat

persyaratannya demi untuk tujuan – tujuan yang diinginkan.

Unutk menentukan jenis sekat (baffles) yang dipergunakan, para perencana

bisa merencanakan sekat (baffles) sesuai dengan apa yang diinginkan atau di

butuhkan oleh rancangannya. Adapun jenis–jenis sekat (baffles) ditinjau dari segi

kontruksinya dapat diklasifikasikan menjadi 4 kelompok, diantaranya:

- Sekat Pelat Berbentuk Segment (segmental baffles plate)

Sekat pelat berbentuk segmen ini merupakan jenis yang umumnya sering

dipergunakan. Sekat ini di pasang dengan posisi tegak lurus terhadap pipa – pipa

alat penukar panas. Disamping untuk membelokan arah aliran fluida, sekat ini

juga dapat berfungsi sebagai penyangga pipa–pipa supaya tidak terjadi getaran

pada pipa–pipa akibat adanya aliran di luar maupun di dalam pipa–pipa pada alat

penukar panas tersebut.

Kontruksi sekat (baffles) ini terdiri dari bahan pelat yang dilubangi untuk

memasukan pipa-pipa kedalamnya. Biasanya pada setiap alat penukar panas sekat

(baffles) dipergunakan lebih dari satu sekat (baffles).

Beberapa jenis sekat pelat yang sering digunakan diantaranya:

1. Sekat segmen tunggal.

2. Sekat segmen ganda.

3. Sekat segmen triple.

4. Sekat cakram dan donat.

5. Sekat orifis (baffle with annular orifices)

6. Sekat segmen dimana tidak terdapat pipa-pipa pada jendela sekat (no tubes

in window segmental baffle).

- Sekat Batang (rod baffles)

Banyaknya aliran fluida pada sisi cangkang (shell) atau di luar pipa-pipa

sangat tergantung sekali pada luasan antara pipa-pipa dengan sekatnya. Dengan

demikian sekat atau penahan pipa-pipa dibuat berselang-seling, Sekat batang (rod

baffle) seperti pada gambar 2.13 merupakan kombinasi antara sekat pelat dengan

sekat batang. Kontruksinya terbuat dari batang dan pelatnya merupakan cincin

sekkat (baffle ring) dimana satu dengan yang lainnya dipadukan oleh batang yang

menyorong (skid bar).

- Sekat Mendatar (longitudinal baffles)

Sekat mendatar (longitudinal baffles) biasanya dipasang pada cangkang (shell)

tipe F,G dan H. aliran pada sisi cangkang (shell) akan menjadi dua pass, apabila

dipergunakan sekat mendatar dan untuk sekat jenis G akan terdapat aliran yang

terpsah pada cangkang (split flow), sedangkan untuk cangkang tipe H akan

terdapat double split flow.

Dengan demikian dapat diketahui bahwa untuk memperbanyak jumlah pass

pada sisi sebelah cangkang diperlukan tambahan sekat mendatar (longitudinal

baffles). Sekat ini harus di-seal dengan baik terahadap bagian cangkang untuk

menncegah terjadinya aliran langsung (by pass). Seal atau materai untuk

menncegah aliran langsung itu dilakukan dengan cara:

1. Pengelasan (welding)

2. Menggunakan sliding slot

3. Packing yang spesial

Untuk keperluan aliran fluida di luar cangkang, biasanya sekat tidak dipasang

sepanjang cangkang. Karena harus ada ruangan untuk tempat mengalirnya aliran

dari fluida (pass).

6. Faktor kelayakan alat HE jenis sheel and tube

Suatu alat penukar panas yang telah dirancang perlu diuji kelayakannya untuk

mengetahui kinerja alat tersebut dalam melakukan proses perpindahan panas.

Menurut Kern (1965), untuk menentukan kelayakan suatu alat penukar panas

(heat axchanger) dapat dilakukan melalui 2 macam besaran yang perlu ditentukan

yaitu :

- Faktor kekotoran (Rd)

Semakin besar harga Rd hasil kalkulasi dari harga Rd yang dibutuhkan maka

alat penukar panas dapat dikatakan layak digunakan apabila telah dilakukan

service sehingga alat penukar panas perlu dibersihkan dan diservis. Apabila harga

Rd hasil kalkulasi lebih kecil dari harga Rd yang dibutuhkan maka alat penukar

panas dapat dikatakan tidak layak digunakan.

- Pressure drop (∆P)

Kelayakan alat penukar panas baik apabila memiliki harga ∆P untuk gas

sebesar < 2 psia dan untuk cair sebesar < 10 psia.

Daftar Pustaka

Anonim, 2013, http://id.wikipedia.org/wiki/Penukar_panas diakses tanggal 18

maret 2013

Anonim, 2013, http://irbmevonnovembri.blogspot.com/2011/08/heat-

exchanger-alat-penukar-panas.html diakses tanggal 19 maret 2013

Anonim, 2013, http://yefrichan.wordpress.com/2010/10/29/heat-exchanger-

tipe-shell-and-tube/ diakses tanggal 19 maret 2013

Anonim, 2013, http://changerheat.blogspot.com/2007_05_01_archive.html

diakses tanggal 19 maret 2013