Kern, Chapter 7-9, 11 Abdul Wahid Surhim

Kern, Chapter 7-9, 11

Abdul Wahid Surhim

Pengantar

•

Pemenuhan banyak pelayanan industri

memerlukan penggunaan DOUBLE-PIPE

HAIRPIN HE

•

Jika memerlukan permukaan perpindahan

panas yang besar, maka yang terbaik adalah

SHELL-AND-TUBE HE

Unsur Berbentuk TABUNG

• Tipe 1 (Tube roll): tube ditempatkan di bagian dalam lubang tube dan tube roller

disisipkan di ujung tube

• Tipe 2 (Ferrule): tube dibungkus dalam tube sheet menggunakan soft metal

Bahan Konstruksi Tube

1.

Baja

2.

Tembaga

3.

Admiralty

4.

Muntz metal

5.

Kuningan

6.

Tembaga-nikel 70-30

7.

Perunggu alumunium

8.

Alumunium

9.

Baja stainless

BWG (Birmingham Wire Gage)

•

Ini merujuk ke pengukur tube (gage of the

tube)

•

Berbeda BWG akan berbeda ketebalan tube

•

Dalam pipa disebut SCHEDULE

Tube

•

OD

•

BWG

•

ID

Tube Pitch (Pola Sunanan Tube)

• Jarak terdekat antara dua lubang tube yang berdampingan disebutCLEARENCE atau

LIGAMENT

• TUBE PITCH (P_T) adalah jarak terdekat pusat-ke-pusat antara tube-tube yang

berdampingan

• Kelebihan pola kotak (square pitch)

• Adanya akses untuk pembersihan eksternal • ∆P rendah

SHELL

• Shell dibuat dari pipa baja

• Ketebalan dinding standar untuk shell dengan ID 12 – 24 in.

adalah 3/8 in.

• Pada jenis ini tekanan operasi bagian shell bisa sampai 300 psi • Ketebalan dinding yang lebih besar mungkin didapatkan untuk

tekanan yang lebih tinggi

• Shell yang IDnya di atas 24 in. dibuat dari lempengan baja

Stationary Tube-sheet Exchanger

• Jenis HE yang paling sederhana adalah fixed or stationary tube-sheet exchanger

1. Shell

2. Dilengkapi dua nozzle dan memiliki tube-sheet dan kedua ujungnya 3. Flens untuk pengaitan dua saluran

4. Penutup saluran 5. Baffle

Baffle

• Koefisien perpindahan-panas akan tinggi jika alirannya dijaga pada keadaan

turbulen

• Itulah fungsi baffle

• Bahkan saat jumlah cairan yang melalui shell sedikit, turbulensi bisa terjadi karena

adanya baffle

• Jarak tengah-ke-tengah antar-baffle disebut baffle pitch atau baffle spacing • Baffle spacing biasanya tidak lebih besar dari pada jarak yang sama dengan

diameter dalam dari shell atau lebih mendekati dari pada jarak yang sama denan 1/5 diameter dalam dari shell

INPUT

1.

Kondisi proses

a)

Hot fluid

: T

₁

, T

₂

, W, c, s,



, k, R

_d

, ∆P

b)

Cold fluid : t

₁

, t

₂

, w, c, s,



, k, R

_d

, ∆P

2.

Data HE

a)

Shell

: ID, baffle spacing, pass

b)

Tube

: Jumlah dan panjang, OD, BWG, dan

Tube

• OD

• BWG • ID

2. Beda Suhu Sebenarnya (∆t)



T

₁

T

₂



w

.

c

.



t

₂

t

₁



WC









Q

1. Neraca Energi

1 1 1 2 1 2 2 1

t

T

t

t

S

t

t

T

T

R













dan

T

F

LMTD

t



.



_(F

_T

_{dari Fig. 18)}

LMTD

















































1 2 1 2 1 2 1 2

log

3

.

2

ln

t

t

t

t

t

t

t

t

LMTD

T₁ T₂ t₁ t₂ ∆t1 ∆t₂

Suhu Kalorik

• Suhu Kalorik untuk FLUIDA PANAS

• Suhu Kalorik untuk FLUIDA DINGIN

• F_c adalah faktor suhu kalorik pada

(Fig. 17 Kern)



_{1 2}



2

F

T

T

T

T

_c





_c





_{2 1}



1

F

t

t

t

t

_c





_c



c c h c U U U K  

3. Perhitungan h

_o

dan h

_io

SHELL, HOT FLUID

• Flow Area:

• Mass velocity:

• D_e (diameter ekuivalen) dari

Fig. 28

• Viskositas:  (Fig. 14 pada T_c)

x 2.42 (konversi ke lb/(ft)(hr))

TUBE, COLD FLUID

T S P B C ID a 144 '. .  _{ ID dan a‘} t (Table 10)  Flow Area:  Mass velocity:

 Viskositas:  (Fig. 14 pada

T_c) x 2.42 (konversi ke lb/(ft)(hr)) n a N a_t t t 144 '  t t a w G  s s a w G 

3. Perhitungan h

_o

dan h

_io

SHELL, HOT FLUID

• Re:

• j_H diperoleh dari Fig. 28

• k_a (konduktivitas) diperoleh

dari Table 4 (LIQUID) atau Table 5 (GAS)

• h_o (koefisien film):

TUBE, COLD FLUID

s s e s G D   Re 3 / 1              k c D k j h e H o    Re:

 j_H diperoleh dari Fig. 24

pada L/D jika Re kecil

 k (konduktivitas) diperoleh

dari Table 4 (LIQUID) atau Table 5 (GAS)  h_i (koefisien film): t t t DG   Re 3 / 1              k c D k j h H i          OD ID h h_{io i}  

3. Perhitungan h

_o

dan h

_io

SHELL, HOT FLUID

• Suhu dinding

• _w pada t_w

TUBE, COLD FLUID

• _w pada t_w 14 . 0        w                            o io o c w h h h t t   _      o o h h 14 . 0        w      _      io io h h

Konduktivitas

panas: LIQUID

Konduktivitas

panas: GAS

4. Perhitungan U, A dan Rd

D C D C CALC d D T o io o io C

U

U

U

U

R

t

A

Q

U

N

L

a

A

h

h

h

h

U

















.

".

5. Pressure Drop (< 10 psi)

SHELL, HOT FLUID

• Hitung f (Fig. 29)

• Specific gravity, s (Table 6,

Fig. 6)

• Jumlah crosses, N+1 = 12L/B

TUBE, COLD FLUID





s e s s s D N D fG P s  10 2 10 . 22 . 5 1     Hitung f (Fig. 26)

 Specific gravity, s (Table 6,

Fig. 6)  Hitung P_t:  Hitung P_r:  dari Fig. 27  Pressure Drop: P_T = P_t + P_r t t Ds Ln fG P t  10 2 10 . 22 . 5   ' 2 4 2 g V s n P_r   ' 2 2 g V

V

2

/2g

Fig. 27

PENGATURAN ALIRAN UNTUK

MENAIKKAN PEROLEHAN

KEMBALI PANAS

Kekurangan Perolehan Kembali Panas di

HE

• Keterbatasan 1-2 HE yang paling utama adalah

ketidakmampuannya secara inheren untuk menyediakan

peroleh kembali panas yang efektif

• Saat terjadi silang suhu pada 1-2 HE, maka

– F_T turun drastis

– Suhu keluar shell jatuh di bawah suhu keluar tube  menghilangkan tingginya heat recovery

Profil Suhu 1-2 HE

T₁ = 200 oF T₂ = 140 oF t₁= 80 oF t₂ = 160 oF t_l L

Profil Suhu 2-4 HE

I II III IV T₂ = 140 o_F t₁= 80 o_F t₂ = 160 o_F T₁ = 200 oF T_x 1 2

Beda Suhu Sebenarnya

(∆t)

T

F

LMTD

t



.



₍

_F

_T

_{dari Fig. 19)}





















1



1



1 ) / 2 ( 1 / 2 1 1 1 ) / 2 ( 1 / 2 ln 1 1 ln 1 2 1 2 2 2                            R RS S S R S R RS S S R S RS S R R F_T

F

_T

• Perbandingan perhitungan F

_T

:

–Figure 18: F

_T

= 0.70

SERI 1-2 HE

• Secara mekanik susunan 2-4 HE tidak praktis

Menentukan Jumlah Seri 1-2 HE

• Yang paling diperhatikan adalah F

_T

• Lihat Example 8.2 : F

_T

– 1-2 HE, F_T = not possible (Fig. 18)

– 2-4 HE, F_T = 0.67 TOO LOW (Fig. 19)

– 3-6 HE, F_T = 0.88 (Fig. 20)

Example 8.1

• Perhitungan 2-4 Oil Cooler. Minyak 33,5o_{API memiliki viskositas 1,0 cP pada 180}o_{F dan 2,0}

cP pada 100o_{F. Minyak 49.600 lb/jam meninggalkan kolom distilasi pada 358}o_{F dan}

digunakan pada proses absorpsi pada 100o_{F. Pendinginan akan tercapai dengan air dari 90}

sampai 120o_{F. Jatuh tekanan yang diperkenankan 10 psi dengan faktor kekotoran 0.004.}

• Tersedia untuk menangani ini dari operasi diskontinyu adalah 35 in. ID 2-4 HE yang memiliki tube 454, 1 in. OD, 11 BWG, panjang 12’0” dan disusun pada 1 ¼ square pitch. Disusun

untuk 6 pass dan baffle dipotong secara vertikal dengan spasi 7 in. Baffle longitudinal dilas pada shellnya.

• Apakah penggunaan 2-4 HE mencukupi? Akankah HE yang tersedia itu memenuhi kebutuhan?

FLUIDA GAS

PENGANTAR

• Pada perhitungan pendinginan atau pemanasan sistem cair-cair:

• hubungan koefisien film gas dan jatuh tekanan yang diperkenankan

didasarkan pada tekanan operasi

• Tekanan operasi tidak berpengaruh pada fluida imcompressable

• Koefisien film untuk gas lebih rendah dari pada untuk cairan pada kecepatan massa yang sama

SIFAT-SIFAT GAS

• VISKOSITAS

• Antara 0.015 dan 0.025 atau setara dengan 1/10 dan 1/5 viskositas cairan yang

paling kecil

• Viskositas naik dengan naiknya suhu (kebalikan dari cairan)

• KONDUKTIVITAS

• Selain hidrogen, sekitar 1/5 dari konduktivitas cairan organik atau 1/15 dari air dan

larutan cair

• PANAS JENIS

• Gas dan uap organik lebih rendah sedikit dari organik cair

• Kecuali hidrogen, panas jenis gas inorganik dan uap hidrokarbon ringan sekitar 0.2

SIFAT-SIFAT GAS

• BILANGAN PRANDTL

• Meskipun viskositas, panas jenis dan konduktivitas panas naik dengan naiknya

suhu, Bilangan Prandtl (c/k) sedikit tergantung pada suhu, kecuali dekat dengan

KOREKSI SIFAT-SIFAT GAS

• Karena sifat-sifat gas ditentukan pada tekanan atmosfir, maka perlu

ada koreksi pada tekanan yang lain

• Viskositas dengan korelasi Comings and Egly (Fig. 13b) atau dengan metode

Othmer and Josefowitz

• Panas jenis dengan metode Watson and Smith

• Koreksi tersebut tidak terlalu signifikan, kecuali kalau tekanan gasnya

besar

• Kalkulasi densitas dan volume jenis dari gas untuk tekanan

menengah cukup baik, tapi untuk tekanan tinggi kurang tepat

𝜌_𝑔𝑎𝑠 = _1545.𝑇𝑝.𝑀𝑊

𝑎𝑏𝑠, s=

𝜌_𝑔𝑎𝑠 𝜌_{𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟}

FIG. 13 KONVERSI VISKOSITAS

PRESSURE DROP

• Persamaan (7.44) dan (7.45) serta faktor friksi yang diperoleh dari Fig. 29 dan 26 dapat digunakan untuk kalkulasi jatuh

tekanan pada shell atau tube dari pemanas atau

pendingin gas saat harga gravitas jenis yang masuk dan keluar dari gas RELATIF TERHADAP AIR

• Adalah kenyataan bahwa berbagai gas gravitas jenisnya dipengaruhi oleh tekanan operasinya

• Gravitas jenis UDARA pada HE yang beroperasi pada tekanan 150 psia hampir 10x-nya dari tekanan operasi atmosferik

PRESSURE DROP

• Udara pada 7,5 psia memiliki densitas SETENGAH dibanding pada atmosferik

• Pressure drop untuk kecepatan massa tertentu menjadi lebih besar sejalan dengan turunnya tekanan operasi • Ini tidak disukai pada proses vakum

• Saat gas beroperasi pada tekanan tinggi, kecepatan massa yang relatif besar masih dapat digunakan tanpa

memperoleh jatuh tekanan dari pesanan yang tidak praktis • Pada tekanan vakum tentu jatuh tekanan 0,5 psi dianggap

KOEFISIEN FILM

• Perhitungan sebelumnya masih dapat digunakan, termasuk Fig. 28 dan 24, tanpa perlu koreksi

• Karena viskositasnya kecil, maka Re akan besar  j_H akan besar juga

• Tapi karena konduktivitas panasnya kecil, maka koefisien filmnya di bawah sistem cair pada kecepatan massa atau j_H yang sama s s e s

G

D





Re

APLIKASI PALING UMUM

• Pendinginan gas pada aftercooling dan intercooling yang berlangsung secara kompresi adiabatik dan politropik paa kompresor single dan multistage

• Perpindahan panas gas-ke-cair ditemukan juga untuk memperoleh kembali (recovery) panas yang hilang dari pembakaran gas yang dekat-atmosferik seperti pada

ECONOMIZERS, tapi dengan modifikasi yang disebut extended surfaces (Bab 16)

• Saat gas dipanaskan maka media yang digunakan adalah UAP AIR (STEAM)

EXAMPLE 9.1

PERHITUNGAN AMMONIA COMPRESSOR

AFTERCOOLER

• Gas ammoniak kering pada 83 psia dan laju 9872 lb/jam

adalah keluaran (discharged) dari sebuah kompresor pada 245o_{F dan diumpankan ke sebuah reaktor pada 95}o_F

menggunakan cooling water pada 85 – 95o_{F. Jatuh tekanan}

yang diperkenankan 2,0 psi pada gas dan 10,0 psi pada air • Tersedia 1-2 HE: 23 ¼ in. ID, yang memiliki 364 tube, 3/4 in, 16

BWG, 8’0” dan disusun pada 15/16-in. triangular pitch, 8 pass dan bafflenya 12 in.

KALKULASI UNTUK KONDISI

PROSES

Prosedur

• Asumsikan U_D sementara dengan bantuan Tabel 8. Lebih baik

mengasumsikan U_D terlalu besar dari pada terlalu kecil untuk mendapatkan permukaan yang minimum

• Hitung A = Q/(U_D.t)

• Tentukan a” (Tabel 10) sesuai dengan diameter tube yang kita pilih

• Hitung jumlah tube: N_T = 𝐴

𝐿_.𝑎"

• Asumsikan pass dan jumlah tube aktual serta ID shell (Tabel 9)

• Koreksi harga U_D

• A = Ntaktual x L x a”

Example 11.1 KALKULASI STRAW OIL

– NAPHTHA

EXCHANGER

• 29.800 lb/jam 25o_{API light oil pada 340}o_{F digunakan untuk}

pemanasan awal 103.000 lb/jam 48oAPI nafta dari 200 – 230oF.

Viskositas oil 5,0 cP pada 100oF dan 2,3 cP pada 210oF. Viskositas nafta 1,3 cP pada 100o_{F dan 0,54 cP pada 210}o_{F. Jatuh tekanan}

yang diperkenankan 10 psi

• Karena oil cenderung membentuk residu deposit, maka faktor

kekotoran kombinasinya adalah 0,005 dan menggunakan square pitch. Dalam praktek di pabrik digunakan tube ¾ in. OD, 16 BWG dan panjang 16’0”