Evaluasi Kinerja Heat Exchanger Shell And Tube Sebagai Pemanasan Awal Pada Industri Migas

D- 92

Evaluasi Kinerja Heat Exchanger Shell And Tube Sebagai Pemanasan Awal Pada Industri Migas

Arif Nurrahman¹, Ali Mokhtar²

1 Politeknik Energi dan Mineral Akamigas, Jl. Gajah Mada No.38 Cepu Blora

2 Program Profesi Insinyur, Universitas Muhammadiyah Malang, Jl. Raya Tlogomas 246 Malang

Kontak Person:

Arif Nurrahman

Jl. Gajah Mada No 38 Cepu, Blora Jawa Tengah E-mail: anurrahman@esdm.go.id

Abstrak

Pada proses pembuatan bahan bakar di industri migas, terdapat parameter yang sangat berperan penting dalam menghasilkan produk olahan yang berkualitas. Feed stock minyak mentah harus dilakukan pemanasan awal sebelum masuk ke furnace agar tidak terjadi cracking pada umpan. Proses pemanasan awal bahan baku dengan menggunakan suatu alat penukar panas yang dinamakan dengan Heat Exchanger. Untuk mengetahui seberapa baik kinerja dari alat penukar panas yang dihasilkan yaitu melalui nilai Efisiensi thermal. Adapun cara mengetahui efisiensi tersebut dapat dilihat dari perhitungan dengan menggunakan metode Pressure Drop pada aliran fluida di Shell maupun di Tube dan Dirt Factor yang berfungsi untuk mengantisipasi penumpukan pengotor atau kerak baik pada dinding dalam maupun pada dinding luar Tube Heat Exchanger.

Kedua parameter tersebut memiliki batas maksimal yang diizinkan untuk mengindikasikan apakah Heat Exchanger tersebut layak digunakan atau tidak. Apabila parameter perhitungan melebihi batas maksimal yang diizinkan maka suatu Heat Exchanger tersebut perlu dilakukan cleaning. Hasil perhitungan evaluasi penelitian ini yaitu nilai Pressure Drop yang didapatkan sebesar 0,346113 𝑃𝑠i pada bagian Shell, sedangkan pada bagian Tube adalah 0,015148 𝑃𝑠i, Adapun batas maksimal yang diizinkan adalah 10 Psi. Nilai Dirt Factor didapatkan 0,34002 BTU/hr ft² °F, sedangkan batas maksimalnya adalah 0,005 BTU/hr ft² °F. Sedangkan Efisiensi panas yang dihasilkan yaitu sebesar 51,40 %. Dengan kesimpulan Heat Exchanger tersebut

Kata kunci: Heat Exchanger, dirt factor, pressure drop, shell, tube

1. PENDAHULUAN

Dalam pengolahan minyak dan gas, salah satu alat yang memegang peranan sangat penting yaitu proses perpindahan panas dengan menggunakan alat yang disebut heat exchanger. Penukar panas adalah alat yang memindahkan panas dari satu cairan suhu tinggi ke cairan suhu rendah lainnya. Fungsi penukar panas adalah sebagai pemanas awal sebelum muatan dipanaskan di dalam tungku. Fluida panas yaitu solar mengalir melalui tube bundle heat exchanger, sedangkan fluida dingin yaitu crude oil mengalir melalui tube section. Di sini panas dipindahkan dari fluida panas (solar dan residu) ke fluida dingin (minyak mentah) sebagai umpan. Perpindahan panas per satuan luas akan relatif lebih kecil karena penukar panas digunakan terus menerus. Hal ini disebabkan oleh terbentuknya kerak atau kotoran yang berasal dari media yang digunakan dan dapat menghambat proses perpindahan panas yang pada akhirnya menurunkan efisiensi kinerjanya[1]. Indikator penurunan efisiensi adalah parameter seperti penurunan tekanan tinggi, efisiensi penukar panas dan tingkat polusi melebihi harga yang diijinkan.

Untuk mengetahui seberapa kuat kemampuan take-back dari heat exchanger tersebut maka diperlukan analisis dengan menggunakan perhitungan evaluasi.

Heat exchanger merupakan alat yang digunakan untuk proses perpindahan panas antara dua atau lebih fluida yang berbeda temperaturnya dengan cara memindahkan energi panas antara fluida yang temperaturnya lebih tinggi dengan fluida yang temperaturnya lebih rendah. Panas sendiri dapat berpindah dari suatu tempat ke tempat lain akibat adanya perbedaan suhu, sedangkan dalam ilmu perpindahan panas, terdapat 3 (tiga) proses perpindahan panas yang dilihat dari medium perambatannya, yaitu konduksi, konveksi dan radiasi[2]. Pemilihan maupun pemakaian alat penukar panas di kilang pada umumnya berdasarkan perhitungan desain ekonomis, fungsi dan kemudahan pemeliharaan. Desain konstruksi alat penukar panas menentukan bentuk fisik alat penukar panas. Berbagai macam bentuk fisik alat penukar panas didasarkan pada proses yang terjadi didalamnya, pada umumnya terdiri dari shell yang didalamnya berisi tube-tube. Susunan tube didalam shell bermacam-macam berdasarkan pertimbangan faktor kekotoran dan kemudahan dalam perawatan. Pada akhirnya mengarah pada desain kostruksi yang ekonomis. Prsoes pengolahan migas termasuk proses perpindahan panas di dalamnya,

D- 93

merupakan proses yang cukup komplek dan mahal. Karena itu pemilihan alat penukar panas mempunyai fungsi khusus sesuai dengan jenisnya[3].

Heat Exchanger dengan pipa yang besar (shell) berisi beberapa tube yang kecil. Shell and tube exchanger lebih banyak digunakan karena perpindahan panasnya relatif cukup besar. Fluida yang satu mengalir dalam tube sedangkan fluida yang lain mengalir dalam shell ditunjukkan oleh gambar berikut ini[4]:

Gambar 2.2 Shell And Tube Heat Exchanger

Untuk mengetahui unjuk kerja heat exchanger, perlu dilakukan perhitungan kinerja kerja heat exchanger tersebut saat ini, dibandingkan dengan kondisi awal peralatan (kondisi desain). Hal penting yang harus dilakukan sebelum melakukan perhitungan adalah mengambil suatu data perhitungan :

● Heat balance

Perhitungan mengenai besarnya panas yang dilepas dan panas yang diterima adalah sama, disebut Neraca Panas (heat balance)[5].

𝑄 = 𝑊𝑥 𝐶𝑝 𝑥 ∆𝑇 … … … . . (1) Keterangan:

Q = Panas yang dilepas oleh fluida panas (Btu/jam) q = Panas yang dilepas oleh fluida dingin (Btu/jam) Ws = Jumlah aliran massafluida panas (lb/jam) Wt = Jumlah aliran massafluida dingin (lb/jam) Cps = Panas jenis fluida panas (Btu/lb^oF) Cpt = Panas jenid fluida dingin (Btu/lb^oF)

● LMTD (Logaritmic Mean Temperature Difference)

LTMD adalah suatu nilai perhitungan untuk mentukan suhu pergerakan (temperature driving force) untuk perpidahan panas di suatu sistem aliran.LMTD adalah suatu nilai rata-rata logaritma dari perbedaan temperatur antara sisi panas dan sisi dingin pada heat exchanger.Semakin besar nilai LMTD, semakin banyak perpindahan panas yang terjadi[5].

Untuk aliran searah (co current)

𝐿𝑇𝑀𝐷 =(𝑇₁− 𝑡₁) − (𝑇₂− 𝑡₂) 𝐿𝑛(𝑇₁− 𝑡₁)

(𝑇₂− 𝑡₂)

… … … . . (2)

Untuk aliran berlawanan (counter current)

𝐿𝑇𝑀𝐷 =(𝑇₁− 𝑡₂) − (𝑇₂− 𝑡₁) 𝐿𝑛(𝑇₁− 𝑡₂)

(𝑇₂− 𝑡₁)

… … … . (3)

● Faktor Pengotoran (Dirt/Fuoling Factor)

D- 94

Faktor pengotor (Rd) adalah peristiwa terakumulasinya padatan yang tidak dikehendaki dipermukaan penukar panas yang terkontak dengan fluida kerja, termasuk permukaan perpindahan panas. Peristiwa tersebut adalah pengendapan, pengerakan, korosi dan proses-proses biologi lainnya[5] :

𝑅𝑑 =𝑈𝑐 − 𝑈𝑑

𝑈𝑐 𝑥 𝑈𝑑… … … (4)

● Penurunan Tekanan (Pressure Drop)

Pressure drop adalah penurunan tekanan maksimal yang diperbolehkan dalam heat exchanger apabila suatu fluida melaluinya. Penurunan tekanan semakin besar dengan bertambahnya fouling factor pada heat exchanger karena dipergunakan terlalu lama. Pressure drop pada HE dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:

Nilai penurunan tekanan pada sisi shell (∆Ps) didapatkan dengan perhitungan[5].

∆𝑃𝑠 = 𝑓 𝑥 𝐺𝑠² 𝑥 𝐼𝐷𝑠 (𝑁 + 1)

5,22 𝑥 10¹⁰ 𝑥 𝐷𝑒 𝑥 𝑆𝐺 𝑥 ∅𝑠… … . (5) Keterangan:

∆Ps = Beda tekanan antara fluida pada saat masuk dengan fluida pada saat keluar pada shell side dari alat penukar panas (psi)

f = Friction factor (ft²/in²)

Gs = Kecepatanaliran massa yang melalui shell (lb/ft2jam) IDs = Diameter dalam shell (ft)

N = Jumlah baffle plate, (pcs) De = Diameter ekivalen shell, (ft) S = Specific gravity fluida dalam shell

∅s = Rasio viskositas fluida dalam shell

Nilai penurunan tekanan pada sisi tube (∆Pt) didapat dengan perhitungan[5].

∆𝑃𝑡 = 𝑓 𝑥𝐺𝑡² 𝑥 𝐿 𝑥 𝑁

5,22 𝑥10¹⁰ 𝑥 𝐷𝑖 𝑥 𝑆𝐺 𝑥 ∅𝑡… … … (6) Keterangan:

∆Pt = = Beda tekanan antara fluida pada saat masuk dengan fluida pada saat keluar pada tube side dari alat penukar panas, (psi)

f = Friction factor (ft²/in²)

Gs = Kecepatan aliran massa yang melalui tube,(lb/ft²jam) L = Panjang tube, (ft)

n = Jumlah pass, (pcs)

D = Diameter dalam tube, (ft)

S = Specific gravity fluida dalam tube

∅s = Rasio viskositas fluida dalam tube

Nilai return pressure drop dapat diketahui dengan melakukan perhitungan[5]

∆𝑃𝑟 =4𝑛 𝑥 𝑉²

𝑠 𝑥 2𝑔 … … … (7) Keterangan:

V = Velocity, (fps) s = Specific gravity

g = Kecepatan gravitasi, (ft/sec2) Total presure drop yang dicari menggunakan persamaan

∆𝑃𝑡 = ∆𝑃𝑡 + ∆𝑃𝑟 … … … (8)

D- 95

2. METODE PENELITIAN

Pada tahap pelaksanaan ini setelah penulis mendapatkan semua data yang diperlukan untuk perhitungan, maka penulis melakukan perhitungan dengan menggunakan metode yang telah ditentukan yaitu : menggunakan metode Pressure drop dan dirt factor iyang imana ihal iitu iberpengaruh iterhadap iefisiensi ikinerja. Metode Perhitungan di evaluasi mulai dari beban panas (Heat duty) sampai didapat nilai Pressure Drop dan Dirt factornya. Pada iDirt iFactor/Fouling iFactor ibatas imaksimal i desain i yang diizinkannya iadalah i0,005 ihr ift-2i°F/Btu, Sedangkan, iuntuk iPressure iDrop isendiri ibatas maksimal idari idesain yang idiizinkan iadalah i10 ipsi[2]. Hasil dari perhitungan tersebut menjadi bahan analisis yang akan dibahas oleh penulis berdasarkan teori-teori yang ada. Perhitungan tersebut adalah perhitungan neraca panas Heat Exchanger berdasarkan parameter- parameter perhitungannya (beban panas, temperatur kalorik, dirt factor, pressure drop, dan parameter perhitungan lainnya), serta perhitungan efisiensi kinerja dari Heat Exchanger Industri Migas.

Adapun rencana alur Penelitian seperti tertera bagan dibawah ini :

Gambar 3.1 Rancana Alur Penelitian

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Data Peralatan

Data peralatan Heat Exchanger diperoleh dari Heat Performance and Construction Data Atmospheric Residu di Industri X.

Tabel 3. 1 Data Kondisi Operasi Heat Exchanger Shell and Tube

Parameter Shell (solar) Tube (Residu) Flow

(Liter/Day)

185102,8

312652

T1 (℃)

400,64

⁰

F

155,84⁰F T2 (℃)

302,72

⁰

F

191,48⁰F

SG

60/60℉

0,8396

0,8426

oAPI

37,0

36,4

Sumber : Industri X

Tabel 3. 2 Suhu Operasi dan Flow Rate Heat Exchanger

Mulai

Studi Literatur

Observa si Dan Pengambilan

Data

Evaluasi Hasil Perhitungan Evaluasi

Analisis Hasil

Simpula n Dan Saran

Selesai

D- 96

Fluida Panas (Solar)

Keterangan

Fluida Dingin (Crude Oil)

400,64 T1 Temperatur Panas , ⁰F t2 191,48

302,72 T2 Temperatur Dingin, ⁰F t1 155,84

97,92 ΔT Selisih Temperatur, ⁰F Δt 35,64

185102,8 Vs Flow rate liter / hari Vt 312652

Evaluasi Heat Exchanger

Untuk demonstrasi unit distilasi minyak mentah penukar panas dalam pengolahan minyak bumi, digunakan dengan membandingkan panas yang diserap oleh solar dari minyak mentah dikalikan dengan 100% untuk mendapatkan efisiensi. Selain itu, pertimbangan juga dilakukan pada faktor kontaminasi (relatif kotor) dengan selisih antara koefisien termal total pada waktu pembersihan dan koefisien termal total pada waktu mentah dibandingkan dengan koefisien termal total pada waktu baku penukar panas.

Tabel 3. 3 Hasil Perhitungan Evaluasi Heat Exchanger

KETERANGAN SATUAN SHELL

Solar

TUBE Crude Oil

Temperatur Inlet oF ^{400,64 155,84}

Temperatur Outlet oF ^{302,72 191,48}

Specific Heat rata-rata Btu / Lb ^oF 0,61 0,51

Flow (W) Lb / jam 14400,14 24322,87

Q Btu / jam 860137,3727 442102,1964

Q (dimanfaatkan) Btu / jam 860137,3727

Q (tidak dimanfaatkan) Btu / jam 418035,1762

Beda suhu panas oF ^209,16

Beda suhu dingin oF ^146,88

LMTD oF ^176,1892

Suhu Kalorik (Tc) oF ^{346,784 171,878}

Luas Area (A) ft² 1,0088 1,4484

Kecepatan massa (G) Lb / jam ft² 14274,0479 16792,7293

Bilangan Reynold (Re) 1222,60 211,074

Factor JH 20 3,1

Bilangan Prandtl 8,1717 27,5906

ho/Øs dan hi/Øt Btu / jam ft^2oF 35,1083 10,3242

Temp. Dinding tube(Tw) oF ^335,98

hi0/Øt Btu / jam ft^2oF 8,6974

Rasio Øs dan Øt 0,9799 1,2057

D- 97

KETERANGAN SATUAN SHELL

Solar

TUBE Crude Oil

Koefisien ho dan hio 34,4041 10,4868

Uc Btu / jam ft^2oF 8,0370

Ud Btu / jam ft^2oF 2,1530

Rd Btu / jam ft^2oF 0,340

Pressure Drop psi 0,3461 0,0151

Return Pressure Drop psi 0,05222

Total Pressure Drop psi 0,06737

Sumber : Perhitungan Hasil perhitungan data aktual dan pengamatan serta pengukuran variabel operasi memberikan data bahwa neraca panas yang dapat digunakan oleh penukar panas adalah 51,39%. Hal ini dikarenakan isolasi heat exchanger tidak sempurna, sehingga panas yang dilepaskan ke lingkungan disebut heat loss.

Persentase kehilangan panas melalui penukar panas = 48,60%. Faktor kotoran atau faktor cemaran HE memiliki batas harga maksimum yang diperbolehkan, jika melebihi batas maksimum maka kinerja HE dinyatakan tidak layak. Faktor Pencemaran (Rd) dari HE = 0.34002 Btu/jam ft ^oF. Nilai Rd untuk HE yang melebihi nilai Rd minimum yang diizinkan adalah 0,005 Btu/jam ft ^oF. Yang pasti, kinerja PT saat ini belum optimal. Besarnya Rd disebabkan oleh akumulasi kerak baik pada cangkang maupun tabung yang berpotensi membentuk kerak atau lumut yang menghambat perpindahan panas atau dikenal sebagai faktor pengotoran. Jadi untuk memaksimalkan kinerja HE, HE harus dibersihkan. Karena masih banyak kendala, HE akan terus bekerja hingga pabrik tutup, yaitu setiap tiga tahun, yang kini hampir memasuki tahun kedua. Penurunan tekanan atau penurunan tekanan maksimum yang diijinkan baik pada jaket atau tabung untuk cairan adalah 10 psia, sehingga penurunan tekanan yang diterima oleh HE jauh di bawah nilai yang diijinkan yaitu 0,346113 dan 0,015148, artinya HE masih aman untuk digunakan.

menjadi. Harga penurunan tekanan dari HE sangat kecil karena HE adalah saluran pipa shell-1 Tipe 1 yang memiliki penurunan tekanan rendah.

4. KESIMPULAN

Analisis teknis menunjukkan nilai evaporation loss

Berdasarkan hasil perhitungan dengan menggunakan metode fouling factor pada HE di PT X, maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :

1. Heat Exchanger dalam kondisi yang kurang bersih, hal ini dapat dari harga fouling factor aktual lebih besar dibandingkan dengan harga fouling factor yang diijinkan yaitu 0,34002 dibanding 0,005.

2. Dilihat dari pressure drop yang terjadi di dalam heat exchanger pada shell dan tube jauh lebih kecil dari pressure drop yang diijinkan yakni 0,346113 Psi (shell) dan 0,015148 Psi (Tube) Berbanding 10 Psi diizinkan.

3. Dari hasil perhitungan terlihat bahwa panas yang diberikan solar tidak semuanya diterima oleh crude oil, hal ini menunjukkan bahwa adanya panas yang terbuang ke lingkungan sebesar 48,60% atau 418035,1762 BTU/Jam.

4. Heat Exchanger yang ada di ikilang efisiensinya cukup rendah, yaitu isebesar 51,40 i% dan harus dilakukan perbaikan dan penataan ulang isolasi pada HE agar efisiensinya menjadi tinggi.

D- 98

REFERENSI

[1] E. C. Guyer and D. L. Brownell, “Handbook of applied thermal design,” 1999.

[2] S. Kakaç and H. Liu, “Heat exchangers: Selection, rating, and thermal design, second edition,” Heat Exch. Sel. Rating, Therm. Des. Second Ed., pp. 1–493, Jan.

2002.

[3] R. W. Serth and T. G. Lestina, “Process heat transfer : principles and applications,” 2014.

[4] J. H. Gary and G. E. Handwerk, “Petroleum refining : technology and economics,” p. 414, 1984.

[5] D. Q. KERN, “PROCESS HEAT TRANSFER.,” 2017.