Pengantar Heat Exchanger

PENGANTAR HEAT EXCHANGER

TEKNIK KIMIA-UMJ ISMIYATI

RATRI ARIATMI N.

BAHAN KULIAH 5

PERANCANGAN ALAT PROSES

PENGANTAR HEAT EXCHANGER

Sub Pokok Bahasan



Jenis-jenis HE& fungsinya



Menentukan kondisi operasi HE : LMTD, t, suhu caloric, Tc, tc, Tw

Kompetensi



Mahasiswa dapat mengetahui jenis-jenis HE dan fungsinya masing-masing



Mahasiswa dapat mengetahui kondisi operasi

LMTD, t, suhu caloric, Tc, tc,

Tw

A. PRINSIP KERJA

Berbagai Heat Exchanger (HE = alat penukar panas) banyak digunakan dari mulai electric heater keperluan rumah tangga sampai dengan boiler untuk keperluan pengadaan utilitas suatu industri

Perpindahan panas/kalor dari satu fluida satu ke fluida lain melalui suatu dinding padat .

HE berfungsi memindahkan panas diantara dua aliran proses. Beberapa contoh perpindahan panas adalah :

(1) Heater, digunakan untuk memanaskan fluida dengan media steam atau minyak panas yang diresirkulasi dari kilang minyak.

(2) Cooler digunakan untuk mendinginkan fluida dengan media yang umum digunakan, air.

(3) Condensor, mendinginkan fluida sehingga menghilangkan panas latennya,

(4) Boiler, mensuplai panas sebagai panas latent,

(5) Evaporator, memekatkan suatu larutan dengan meng-evaporasi air,

dan jika fluida yang diuapkan bukan air, disebut Vaporizer.

Kalor yang dipindahkan bisa berupa :

1) kalor laten yang menyertai proses perubahan fase :

* Kondensasi (pengembunan ) , alat adalah Kondensor

* Vaporasi (penguapan) , alat adalah Vaporizer

Alat kondensasi ( kondensor):

Yaitu alat penukar kalor yang digunakan untuk mencairkan uap (kondensat).

Aplikasi : uap hasil distilasi dikondensasi agar menghasilkan distilat

murni Sebagai media pendingin biasanya air pendingin

(cooling water)

Kondensor

Distilat

Alat evaporasi (Evaporator)

Yaitu alat yang berfungsi sebagai pemekat larutan . Zat terlarut biasanya zat yang tidak mudah menguap dan pelarut adalah yang lebih mudah terlarut . Media pemanas biasanya berupa steam. Contoh. Pemekatan Sirup

Gambar 3.3. Kondensor Multiefek

2) Kalor sensibel yang berkaitan dengan kenaikan atau penurunan suhu

tanpa terjadi perubahan fasa. Alat adalah penukar kalor/Heat exchanger (HE)

Alat penukar kalor /Heat exchanger.



Kerja HE adalah menaikkan suhu fluida dingin dan menurunkan suhu fluida panas, sehingga HE bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai

pendingin



Fluida berasal dari sesama aliran proses. Tujuan adalah heat integrasi, sehingga tidak perlu menggunakan steam maupun pendingin

Aplikasi HE.

Penukar panas sangat luas dipakai dalam industri seperti:



pabrik kimia maupun petrokimia,



industri gas alam,



Kriogenik udara (O

₂

dan N

₂

teknis)



refrigerasi,

 Laju perpindahan kalor (q)

Penanganan masalah perpindahan kalor secara kuantitatif biasanya didasarkan atas neraca energi, kalor yang diserap oleh fluida dingin sama dengan kalor yang dilepas oleh fluida panas sehingga:

 Jika kalor spesifik c

_p

konstan, maka:

Keterangan;

m

_c

, m

_h

= laju aliran massa fluida dingin dan fluida panas

t

_c1

, t

_c2

= temperatur fluida dingin pada saat masuk , keluar T

_h1

,T

_h2

= temperatur fluida panas pada saat masuk , keluar q

_c

dan q

_h

= laju penambahan kalor terhadap fluida dingin dan

fluida panas

q

_c

= - q

_h

q T

T c

m t

t c

m

_{c pc}

(

_c2



_c1

) 

_{h ph}

(

_h1



_h2

) 

B. JENIS HE

1. “Double-pipe heat exchangers”

2. “Shell and tube heat exchangers”

3. “ Pipe Coils”

4. “ Air-cooled Exchanger

1. Double - pipe exchanger/ Penukar kalor pipa rangkap

 Tersusun atas 2 pipa konsentrik, 2 Tees yang memiliki nozzle masing-masing merupakan bagian inlet dan outlet fluida, sebuah return bend, return head merupakan penghubung pipa dalam, dan keadaannya terbuka sehingga permukaan transfer panasnya menjadi tidak efektif. Atau disebut hair pin jika terdiri hanya dari 2 pipa saja, banyak digunakan karena murah (luas permukaan panasnya kecil).

 Fluida yang satu mengalir di dalam pipa (pipa luar), sedang

fluida kedua mengalir di dalam anulus (pipa dalam)

 HE jenis ini biasanya menggunakan pipa dalam dengan diameter 11/4 in dan pipa luar 21/2 in.

 Penggunaannya untuk kapasitas yang relatif kecil (bila luas permukaan tidak lebih dari 100 – 150 ft2)

 Kelemahan jika digunakan hair pin tunggal adalah luas perpindahan panas kecil, sehingga jika digunakan

pada kolom distiliasi yang memerlukan luas

perpindahan panas besar, memerlukan hair pin lebih

dari satu, sehingga kemungkinan terjadinya kebocoran

besar, waktu dan biaya untuk pembersihan besar.

2. Shell-and-tube heat exchanger/ Penukar kalor selongsong dan tabung



Jika kebutuhan transfer panasnya besar, maka biasanya digunakan tipe Shell and Tube ini.



Alat ini terdiri dari seberkas tabung (tube/pipa) sejajar yang ditempatkan dalan selongsong (shell) yang berbentuk silinder



Tipe ini dibuat dengan cara sebuah pipa didrill kedalam pipa (tube sheet) lain dengan diameter yang lebih besar. Tipe yang paling sederhana adalah fixed atau stationary tube-sheet exchanger. Bagian-bagian penting HE, Shell (1), dengan nozzle dan tube sheet (2) sebagai penahan 2 channel (3) yang ditutup seperti (4)



Material pipa diantaranya terbuat dari steel, copper, aluminium, campuran copper-nikel, 70-30, dengan ketebalan dinding yang berbeda-beda (

Birmingham Wire Gage = BWG atau gage pipa). Ukuran pipa terdapat pada Tabel 10 (Appendix Kern), umumnya Outer diameter : 3/4 – 1 in

3 4 4

3

Ukuran standar Shell dan Tube (TEMA)

Panjang tube : 8,12,16 dan 20 ft Diameter tube : ¾, 1, 1½ in

Susunan tube: segi tiga/segi empat Diameter shell (ID) : 23, 25 in

Jarak antar sekat/baffle pitch: 0,2 ID -ID

HE jenis shell and tube paling banyak dipakai



TEMA: Turbulen Exchanger manufacture Association

3. Air-cooled heat exchanger

HE jenis ini digunakan untuk daerah yang kekurangan air, harga air mahal. Jenis yang dipakai yaitu “fin-fan cooler.

Misalnya pada kilang minyak pertamina Cilacap

Pipe Coils

Spiral Helical (Spring) Serpentin

Tahapan Perancangan HE

Berikut tahapan perancangan HE (Shell & Tube) :

• Menentukan kondisi proses

• Pemilihan route fluida

• Pemilihan lintas (passes)

• Pemilihan pipa dan Susunan tube/pich tube

• Pemilihan U (koefisien perpindahan kalor total)

• Menentukan Koefisien perpindahan kalor individual (h)

• Menentukan koefisien perpindahan panas total

• Faktor Pengotor : fouling faktor/ dirt factor (R_d)

• Penurunan tekanan/Pressure drop.

Menentukan Kondisi Operasi HE

a) Logarithmic Mean Temperature Differences (LMTD), ∆tm

Karena perbedaan temperatur antara aliran fluida panas dan dingin yang bervariasi sepanjang HE maka dari perhitungan perpindahan panas akan diperoleh perbedaan termperatur rata- rata yang disebut LMTD

min ) ln( max

min max

) /

ln(

_{2 1}

1 2

t t

t t

t t

t LMTD t

 





 









 

Keterangan:

untuk parallel : untuk counterflow:

∆t₁ = (T₂ – t₂)^oC ∆t₁ = (T₂ - t₁) ^oC

∆t₂ = (T₁ – t₁) ^oC ∆t₂ = (T₁ - t₂) ^oC

b) Temperatur caloric/temperatur rata-rata, jika U >>

Tc = T₂ + Fc (T₁-T₂) tc = t₁ + Fc (t₂ – t₁)

Fc sebagai fungsi Kc, dapat dilihat di Gambar 17

c). Wall temperatur/Temperatur dinding, jika ho hi diketahui

Gambar 3.7. Temperatur dinding

) ...5.32 ...

tc) (Tc

ho hio

Tc ho

tw atau

...5.31) ...

tc) (Tc

ho hio

hio tc tw

 





 





Latihan Soal

Suatu Heat Exchanger Shell & Tube dengan fluida Panas suhu T1= 300F didinginkan

sampai suhu 200 F oleh fluida dingin dengan

suhu t1 =100 dan dipanaskan sampai suhu

150 F jika keduanya mengalir paralel dan

counterflow, Hitung LMTD

SEKIAN DAN

TERIMA KASIH