1-2 P
1-2 Parall
arall e
el
l Co
Counte
unterr ff low :
low : S
She
helll
l and Tube
and Tube Ex
Ex chang
change
err
Disusun untuk memenuhi Tugas Mata Kuliah Perencanaan Alat
Disusun untuk memenuhi Tugas Mata Kuliah Perencanaan Alat
Dosen Pengampu:
Dosen Pengampu:
Juliananda
Juliananda, ST., M.
, ST., M. Sc
Sc
Disusun oleh : Disusun oleh :Yulia Dwi Rahmawati135061100111002 Yulia Dwi Rahmawati135061100111002
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIK
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS BRAWIJAYA
UNIVERSITAS BRAWIJAYA
2015
2015
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).
H eat Exchanger Tu bes . 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 satuanBWG(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.
Tu be Pitch . Jarak terpendek di antara dua lubang tube yang berdekatan disebut clearance atau ligament . Beberapa polatube 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, P T,adalah jarak terpendek antar pusattube 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 denganallowable pressure hingga 300 psi.
Station ary Tu be-sheet Ex changers . 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 agarliquid tetap dalam kondisi turbulens. Kondisi turbulens aka n menghasilkan koefisien perpindahan panas yang lebih tinggi. Jarak antarpusatbaffle disebut sebagai baffle pitch atau baffle spacing . Besarnyabaffle spacing biasanya 1/5 dari ID shell . Baffle dilindungi oleh baffle spacerseperti pada Gambar 3 berikut ini :
Gambar 3. Detail Baffle spacer (Kern, 1965)
Gambar 4. Segmental baffle detail (Kern, 1965)
Baffle di atas disebut sebagai 25 per cent cut baffles. Sedangkan jenisbaffle yang lain yaitu disc
dan doughnut serta orifice ditunjukkan pada Gambar 5 berikut :
Gambar 5. Baffle doughnut, disc, dan orifice (Kern, 1965)
F ixed Tube Exchanger with I ntegral Channels. HE jenis ini ditunjukkan pada Gambar 6, HE ini dibutuhkan untuk memberikandifferential thermal expansion antara tubes dan shell selama operasi. Hal ini dapat diatasi dengan menggunakanexpansion 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 padatube 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)
Tu be-sheets L ayout dan T ube Counts. Salah satu contoh lay out tubes padaexchanger dengan
split ring floating headditunjukkan pada Gambar 8. Banyaknya tube padalay out disebut
sebagai tube counts. Banyaknyatube counts bisa berbeda-beda dengan batasan bahwaunbalance
tidak boleh lebih dari 5%.
Gambar 8. Tube sheet layout untuk 13 1/4 ID shell (Kern, 1965)
Packed Fl oating H ead. 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 Ex changer . Exchanger jenis ini merupakan 1-2 exchangeryang terdiri daritube yang dibengkokkan menjadi bentuk U dan digulung menujutube sheet . DiameterU-Bend terkecil sebesar 3 — 4 kali diameter luartube.
Gambar 9. U-bend 1-2 exchanger (Kern, 1965)
Gambar 10. U-bend double-tube-sheet exchanger (Kern 1965)
Perhitungan pada Shell and Tu be Ex changer
Shell – side F ilm Coeff icient . 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 velocityfluida akan berubah secara kontinyu sepanjangbundle
karena lebar shell dan jumlahtubes sangat bervariasi. Panjang flow areayang digunakan sama denganbaffle spacing , B. Sedangkantube pitch merupakan jumlah dari tube diameter dan
clearance , C’’. Untuk setiap tube, dianggap menjadiC”x1 in2 crossflow area per inch baffle space. Shell side atau bundle crossflow area dirumuskan menjadi :
ft2 dan mass velocity yaitu
lb/(hr)(ft2)Shell side Equ ivalent D iameter . 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
inUntuk triangular pitch seperti pada Gambar 11,wetted perimeter dari elemen merupakan ½
Gambar 11. Diameter equivalen (Kern, 1965)
Tr ue Temperatu re Dif ference Δt pada 1-2 Ex changer . 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 semuacross 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 padaexchanger 7. Adanyaheat losses diabaikan
Sehingga, neraca energi total dimanaΔt merupakan perbedaan temperatur yaitu :
Persamaan yang menyatakan Δt untuk 1-2 parallel flow counterflow adalah sebagai berikut :
Hubungan antaraΔt dengan LMTD yaitu :
Sehingga rasio antaraΔt 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 sebagaitemperature cross.
Shell side Pressur e Drop . Pressure drop pada shell exchanger berbanding lurus dengan seberapa banyak fluida melewatibundles 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 panjangtube 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 menghitungheat transfer , adanya friksi
pada shell diabaikan. Persamaan isothermal untuk menghitung pressure drop fluida yang dipanaskan atau didinginkan baik padaentrance dan keluaran adalah :
Tu be-side Pressur e Dr op . Persamaan untuk menghitung pressure drop padatube yaitu :
Persamaan di atas hanya berlaku pada kondisi isothermal. n adalah jumlahtube passes, L adalah panjangtube, sedangkan Ln adalah total panjang satu path (ft). Adanya perubahan arah juga akan
menambah pressure drop, yang disebut sebagaireturn loss dan dihitung menggunakan :
Analisis Kinerja 1-2 Ex changer . Terdapat tiga hal yang harus diperhatikan dalam menentukan kinerja suatuexchanger 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 hoatau melalui nilai Qdan 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 (R D) yang terhitung akan menghasilkan excess surface A. Hal ini akan mengantisipasi semakin berkurangnya nilai UD danΔt 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
