1
ICE 306 – ALAT PROSES
HEAT TRANSFER EQUIPMENT :
Heat Exchanger
Condenser & Reboiler
Air-cooled HE
Fired Heater
2
PENDAHULUAN
Maksud / tujuan perpindahan panas : 1. mengubah T : memanaskan atau mendinginkan aliran proses2. menjaga kondisi/suhu reaksi (reaktor2 non-adiabatik) : mengambil atau memberikan panas ke dalam reaksi3. mengubah fasa (misalkan mengembunkan distilat atau menguapkan suatu cairan)
4. meningkatkan efisiensi penggunaan energi (pinch tecnology) dengan cara integrasi panas proses, shg akhirnya dapat menurunkan biaya produksi – akan dibahas di kuliah Perancangan Proses TK >> lihat / baca 2 artikel tambahan untuk menambah ilmu & wawasan!!
Mekanisme perpindahan panas : - konduksi, misal : insulator panas, pemanas listrik, hilang panas ke lingkungan- konveksi, contoh : tubular HE, fired heater, tubular furnace- radiasi, misal : tubular furnace, boiler
3
PENDAHULUAN
Jenis2 alat penukar panas :- berdasarkan kegunaan atau fungsinya : cooler,
heater, condenser, reboiler, steam generator (waste heat boiler), steam boiler (ketel uap), preheater, economizer (waste heat recovery unit), evaporator, chiller, dsb
Catatan: steam generator berbeda dari steam boiler.
- berdasarkan jenis & konstruksinya : double pipe HE, plate HE, shell & tube HE, air-cooled HE, fired heater (tubular furnace) dsb
Double Pipe HE
Peralatan HE yang paling sederhana Terdiri dari dua pipa konsentris Fluida mengalir di anulus dan di dalam pipa Kapan alat ini bisa bersaing dengan shell and
tube? baca Walas
4
Double Pipe HE
5
Plate HE
Terdiri dari pelat2 yang dipasang pada suatu kerangka dan ditekan rapat
Antara pelat terdapat celah sempit untuk tempat mengalir cairan yang bertukar panas
6
Plate HE
7
Shell & Tube HE
HE yang paling banyak digunakan : murah, perawatan mudah, tersedia di pasaran untuk berbagai kondisi dan ukuran sesuai dengan standard.
Standard yang umum dipakai yaitu: TEMA (Tubular Exchanger Manufacturer Association) standard ;
untuk HE yg dipakai dalam proses (process HE) - USA BS 3274 (British Standards) – setara TEMA tapi dipakai di UK HEI PP (Heat Exchanger Institute Power Plant) standard ; untuk HE
yg dipakai dalam sistem pembangkit listrik (power plant heat exchanger)
-- sudah dibahas lebih detail di mata kuliah Perpindahan Kalor
8
Shell & Tube HE Shell (cangkang)
Digunakan carbon steel untuk ukuran kecil dan pelat baja yang di-roll atau di-las untuk ukuran yang lebih besar
Tube (buluh)• Berupa pipa-pipa yang khusus untuk HE• Tersedia untuk berbagai ukuran dan bahan konstruksi• Tebal pipa dinyatakan dengan kode BWG• Penyusunan tube : triangular, square, rotated square Baffle• Digunakan untuk mengarahkan aliran dalam shell• Membuat aliran menjadi turbulen sehingga koefisien perpindahan
panas besar• Jarak antar baffle : 0.2 – 1 kali diameter shell
9
10
Ukuran Shell rentang diameter adalah 6” (150 mm) s/d 60” (1520
mm) : * sampai ukuran 24” (610 mm) shell dibuat dari pipa2 standar terdekat * di atas 24”, dibuat dari pelat yg digulung (rolled plate)
diameter shell dipilih sedekat mungkin untuk menampung tube-bundle. Jarak yg disarankan antara tube terluar dan bagian dalam shell tergantung type HE dan diameter tube-bundle, gunakan Figure 12.10 Coulson
tebal shell tergantung tekanan operasi (proses) – perhitungan ketebalan bisa merujuk ke Chapter 13 Coulson.
Shell & Tube HE
11
Shell & Tube HE
Ukuran Shell (cont’d) TEMA standard memberikan tebal shell minimal
bergantung bahan dan ukuran.
Shell & Tube HE
Shell type (passes)
12
One-pass Two-pass with longitudinal baffle
Split-flow Double Split-flow
13
14
15
Ukuran Tubes
rentang diameter (OD) adalah 5/8” (16 mm) s/d 2” (50 mm) : * 5/8” – 1” untuk kebanyakan aplikasi krn HE akan lebih kecil (compact) / murah. * tube yg lebih besar biasanya utk cairan2 yg cenderung fouling (agar pembersihan mudah)
panjang tube standar : 6, 8, 12, 16, 20, 24 ft; tube yg lebih panjang akan mengurangi diameter shell (lebih murah, terutama utk tekanan tinggi) > rasio optimal antara 5 – 10.
Shell & Tube HE
16
Shell & Tube HE
Konfigurasi tubes : triangular, square, rotated square
triangular & rotated square memberikan laju perpindahan panas yg lebih besar dari square, tapi pressure drop di sisi shell juga lebih besar.
square atau rotated square digunakan utk cairan2 yg cenderung fouling (agar pembersihan mudah)
tube pitch (jarak antarpusat tube) yg dianjurkan 1,25x OD, jika digunakan pola square (utk memudahkan pembersihan) tube pitch minimal 0,25” (6,4 mm)
Shell & Tube HE
Tube-side passes :
Untuk jumlah pass : 2, 4 dan 6 lihat Coulson Figure 12.11
17
Shell & Tube HE
Tube sheet : Fixed tube sheet (tipe BEM)Floating tube sheet (tipe AES)U-tube sheet (tipe CFU)
18
Shell & Tube HE
Fixed tube sheet (tipe BEM)
19
Shell & Tube HE
Floating tube sheet (tipe AES)
20
Shell & Tube HE
U-tube sheet (tipe CFU)
21
Shell & Tube HEJenis-jenis baffle
22
Segmental Disc and doughnut
Segmental & strip
23
Shell & Tube HE parts
Dalam standard TEMA, setiap HE dibuat baku, terdiri dari s/d 40 suku cadang standar (standard components)
Berikut ini adalah contoh TEMA HE tipe AES
Kondensor
Kondensor digunakan untuk mengembunkan sebagian atau semua uap
Dillihat dari cara pengontakannya : Kondensor kontak :
Uap dengan pendingin kontak langsung Dapat digunakan jika uap yang akan dikondensasikan dapat
dibuang/menyatu dengan pendingin Contoh : barometric condenser
Kondensor permukaan (surface condenser): Perpindahan panas melalui media perantara seperti HE Kondensasi bisa di dalam atau di luar tube
24
Surface Condenser Kondensasi di dalam tube,
arah aliran vertikal downflow Diameter tube : 19 – 25 mm. Pada tekanan rendah
digunakan diameter yg lebih besar
Kekurangan : penggunaan pendingin yang fouling
25
Surface Condenser Kondensasi di dalam tube,
arah aliran vertikal upflow Digunakan untuk refluks
(reflux condenser) Suhu kondensat masih tinggi
(kondensor parsial) Panjang : 6 – 10 ft dengan
diameter 25 mm atau lebih. Kekurangan : terjadinya
flooding di bagian bawah
26
Surface Condenser Kondensasi di luar tube Butuh distribusi pendingin
yang baik di dalam tube Kelebihan :
koefisien perpindahan panas di tube yang tinggi
mudah dibersihkan
27
Surface Condenser
Kondensasi di luar tube, arah aliran horisontal Kekurangan : fluida di shell bersifat korosif, dll Kelebihan : tube mudah dibersihkan (untuk pendingin
yang membentuk fouling)
28
Reboiler
Digunakan umumnya pada kolom distilasi untuk menguapkan sebagian cairan yang keluar dari kolom distilasi
Uap dikembalikan ke kolom (boilup), cairan diambil sebagai produk bawah
Sirkulasi : natural atau forced circulation Jenis : kettle reboiler, thermosiphon reboiler
29
Kettle Reboiler
30
Terdiri dari tube dan “oversize” shell
Penguapan di luar tube Terdapat weir utk
mempertahankan tinggi cairan (5 – 15 cm dari tube plg atas)
Profil temperatur seragam Waktu tinggal lama tidak
cocok untuk bahan yg sensitif thd panas
Diameter shell besar tidak cocok utk tekanan tinggi
Thermosiphon Reboiler
31
Horisontal Vertikal
32
AIR-COOLED HE Biasanya dipakai jika air pendingin sulit didapat (terbatas) atau mahal krn sumber
air baku berkualitas buruk. Syaratnya temperatur proses terendah mesti di atas 65 oC (catatan : dengan air
pendingin, T terendah bisa di bawah 50 oC tergantung suhu lingkungan). Selain itu, jika kapasitas pendinginan > 10 MBtu/h, HE tipe ini dapat bersaing dengan HE yg menggunakan air pendingin.
Ada dua sistem, yaitu sistem tiup (forced draft) atau hisap (induced draft)
33
AIR-COOLED HE HE tipe ini biasanya dipakai untuk pendinginan dan kondensasi Ukuran tubes ¾ - 1 inch (OD), dgn jumlah fin 7 – 11 per inch &
tingginya 0,5 – 0,625 inch (total area tambahan 15 – 20 x total area tube polos / tanpa fin).
Ukuran diameter fan antara 4 – 12 ft, dengan daya antara 2 – 5 HP per MBtu/h panas yg dipindahkan.
Air-cooled HE yg standar memiliki lebar 8, 10, 12, 16 atau 20 ft dengan panjang antara 4 – 40 ft dan jumlah baris tubes antara 3 – 6 baris
34
AIR-COOLED HE Tubes yang digunakan adalah tipe yg bersirip2 (finned tubes) –
mengapa digunakan sirip2? (lihat blok mesin sepeda motor!)
Perhitungan perancangan dapat dibantu dgn grafik2 empirik (untuk 3 atau 6 baris tubes) – lihat Example 8.9 Walas
Untuk perkiraan luas area perpindahan panas, dapat digunakan Tabel berikut ini (atau gunakan Tabel 8.12 Walas)
35
FIRED HEATER
Untuk proses2 bertemperatur tinggi (biasanya > 350 oC) dan membutuhkan fluks kalor yg sangat besar (reaksi2 yg sangat endotermis), panas umumnya dipasok langsung dari pembakaran bahan bakar (gas alam atau BB cair seperti IDO – Industrial Diesel Oil).
Temperatur api dari pembakaran hidrokarbon dgn udara (sedikit berlebih) bisa mencapai 1100 oC, sehingga aliran proses yg dipanaskan bisa mencapai 800 – 900 oC
Kapasitas pemanasan bervariasi dari 3 sampai 100 MW
Komponen2 suatu fired-heater (lihat gambar) : burner, combustion chamber (ruang pembakaran), pipa-pipa (di sekitar dinding, atap, & lorong gas buangan), insulator panas
Fluida yg dipanaskan dialirkan di dalam pipa-pipa, dan perpindahan panas terjadi secara radiasi (di ruang pembakaran, sekitar 75% dari total panas) dan konveksi (di lorong gas buangan – area yg tdk “telihat” oleh api). Di zona konveksi, pipa2 diberi sirip utk meningkatkan fluks perpindahan panas.
Pemanasan fluida diawali dari zona konveksi, selanjutnya memasuki zona radiasi sebelum keluar dari fired-heater
36
FIRED HEATER
37
FIRED HEATER
38
FIRED HEATER
Porsi/jumlah panas yg ditransfer dipindahkan di zona radiasi dan konveksi dapat diatur dgn resirkulasi gas panas kembali ke zona radiasi (lihat Fig 8.19 – b).
Operasi seperti ini digunakan misalnya dalam reaktor thermal cracking hidrokarbon, untuk mencegah penurunan temperatur reaksi agar tidak terbentuk cairan polimer yg bisa menghasilkan deposit C di perpipaan.
T gas yang akan memasuki zona konveksi biasanya sekitar 1300 – 1650 oF dan ini berada 200 – 300 oF di atas temperatur aliran proses di tempat tsb.
Contoh2 perhitungan design / perancangan sebuah fired heater : Walas, Example 8.15 & 8.16
39
FIRED HEATER
Tube berukuran antara 75 – 150 mm (diameter), dengan laju alir fluida 1 – 2 m/s utk aplikasi pemanasan sedangkan laju alir utk aplikasi reaktor biasanya lebih rendah
Material tube : C steel utk temperatur sedang, stainless steel dan special alloy utk T sangat tinggi
Burner bisa diletakkan di dasar (api vertikal) atau di bagian samping (api horizontal)
Udara utk pembakaran burner biasanya dipanaskan dgn cara dilewatkan dalam pipa2 di bagian/zona konveksi dari furnace
Dinding luar terbuat dari baja dan bagian dalam terbuat dari bahan isolator panas dan bersifat memantulkan (refractory), seperti IFB (insulating fire brick), castalbe refractory, ceramic fiber. Bagian dalam umumnya dari castable refractory dgn tebal 5 – 8 inch, ditambah 1 inch IFB di antara lapisan dalam dan dinding luar (baja)
Walas section 8.12 membahas berbagai hal tentang insulator panas dalam industri kimia.
40
FIRED HEATER Aplikasi2 fired heaters dalam industri kimia :
- pemanasan aliran umpan, misalkan umpan minyak mentah yg akan didistilasi dalam kilang minyak dipanaskan sampai sekitar 370 oC (60% teruapkan) sebelum memasuki kolom- reboiler suatu kolom distilasi, jika temperatur didih campuran > 200 oC, biasanya cukup dgn fired heater ukuran kecil krn penggunaan steam sudah tidak efisien
- reaktor2 dgn reaksi2 yg sangat endotermis, misalnya reaksi steam reforming utk produksi H2 , reaksi2 pirolisis, reaksi2 cracking- steam boiler, biasanya untuk water tube boiler (bertekanan tinggi > 24 bar)- pemanasan awal umpan reaktor (sampai T reaksi), misalkan pemanasan umpan H2 dan hidrokarbon cair sampai 450 oC (200 atm) sebelum masuk reaktor hydrocracker
- pemanas heating medium / thermal fluids, pada pemanasan proses bertemperatur sedang (antara 180 oC – 350 oC) digunakan media pembawa panas seperti Dowtherm, mineral oils, dll. Untuk temperatur sampai 500 oC digunakan molten salt (campuran garam2 inorganik)
Top Related