Perancnagan alat proses

6-6

Diinginkan untuk memanaskan 7000 lb/hr anilin dari 100 ke 150 ℉ menggunakan toluene 10000 lb/hr panas yang memiliki suhu awal 185 ℉ Bila fouling factor 0,005, sedangkan pressure drop yang diperkenankan adalah 10 psi dan pipa harpin 15 ft, IPS 2 x 1 in tersedia, tentukan jumlah pipa harpin yang dibutuhkan dan susunannya serta Rd Final

Heat Balance

Cold fluid (anilin), t_av=100+150

2 =125℉

Hot fluid (toluene), ^Tav=185℉ (viskos dianggap konstan dari rentang T1 – T2)

Diperoleh nilai c_aniline=0,51Btu/lb℉ dan c_Toluena=0,47Btu/lb℉ Maka,

Q_aniline=W C(T₁−T2) Kern Hal 111

Q_aniline=7000 0,51(150−100)=178.500BTU/hr W_Toluena= Q_aniline

C(T₁−T₂)→10.000= 178.500 0,47(185−T₂) T₂=147,02℉

LMTD

Hot Fluid

Cold

Fluid Diff

185 Higher

Temp 150 35

∆t2

147,02 Lower

Temp 100 47,02 ∆t1

-12,02 ∆t2 -∆t1

LMTD=∆ t₂−∆ t₁ ln∆ t₂

∆ t₁

= −12,02 ln 35

47,02

=40,71℉ Toluene

Aniline

Pengecekan viskositas pada T_av

Hot fluid (toluene) pada T_av=166,01℉ μ<1

Cold fluid (aniline) pada T_av=125℉ μ>1

Caloric Temperature

 ^oAPI

API=141,5

s −131,5 Fluid at inner pipe (aniline)

Dengan asumsi s konstan pada 1,02 diperoleh API=141,5

1,02 −131,5=7° API

 Mencari nilai Kc

7^o API aniline (cold fluid)

Dari data diatas diperoleh K_caniline=1,41

∆ t_c

∆ t_h= 50

37,98=1,31

Dari data yang diplotkan pada sumbu x = 1,31 menyentuh garis Kc = 1,41 menghasilkan F_c=0,463

T_c=T₁+F_c(T₂−T₁) Chapter 5 Kern

7^o API aniline (cold fluid)

t_c=100+0,463(150−100)=123,15℉

Flow Area

Dengan menggunakan rumus a_a=π

(

^D22−D12

)

4 ,inc² Kern hal 111

 Untuk pipa luar (Anulus) D₂=2,067

12 =0,172ft D₁=1,32

12 =0,11ft a_a=π

(

^0,1722−0,11²

)

4 =0,0137ft² D_e=(0,172²−0,11²)

0,11 =0,159ft

 Untuk pipa dalam D=1,049

12 =0,087ft a_p=π D²

4 →π0,087² 4 a_p=0,006ft²

Karena flow area annulus lebih besar maka komponen yang lajunya lebih besar diletakkan di annulus (toluene) dan sebaliknya laju yang lebih kecil di letakkan pada pipa dalam (aniline).

Menghitung nilai koefisien perpindahan panas konveksi (h)

j_H=

(

^hikD

) (cμk )13(μμw)0,14

c = kapasitas panas (fig 4) μ = viskositas (fig 14)

k = koefisien perpindahan panas konduksi (table 4)

J_H = keofisien yang diperoleh dengan mengkorelasikan terhadap Re (fig 24)

 Penentuan viskositas

Hot fluid (toluene) pada ^TC=166,01℉ μ = 0,34 cp

μ = 0,34(2,42)=0,823lb/ft hr

Cold fluid (aniline) pada T_av=123,15℉ μ = 2 cp

μ = 2(2,42)=4,84lb/ft hr

 Penentuan mass velocity cold fluid (aniline) at inner pipe G_p=W

a_p=7.000lb/hr

0,006ft² =1.166 .666,67lb/hr ft² hot fluid (toluene) at annulus

G_a=W

a_a=10.000lb/hr

0,0137ft² =729.927lb/hr ft²

 Reynolds number

Fluid at annulus pipe (toluene) ℜa=D_eG_a

μ =0,159(729.927) 0,823 ℜa=141.018,7

Fluid at inner pipe (toluene) ℜp=D G_p

μ =0,087(1.166 .666,67) 4,84

ℜp=20.971,07 Dengan

L D=173

 Nilai j_H

Fluid at inner pipe (aniline) j_H=74

Fluid at annulus (toluene) j_H=330

 Mencari nilai k

Interpolasi k pada T_av=166,01℉(toluene) k_a=k1+(T−T1)(k₂−k₁)

(T₂−T₁)

k_a=0,086+(166,01−86) (0,084−0,086) (167−86) k_a=0,084BTU/(hr)(ft²)(℉/ft)

(

^cμk

)

¹³⁼

(

^{0,47 0,8230,084}

)

^13=1,66

k_p=0,1BTU/(hr)(ft²)(℉/ft) dianggap konstan

(

^cμk

)

¹³⁼

(

^{0,51 40,1,84}

)

^13=2,91

 Menghitung nilai h cold at inner pipe (aniline) h_i=j_H k

D

(

^cμk

)

^13ϕp

h_i

ϕ_p=74 0,1

0,087(2,91) h_i

ϕ_p=247,51BTU/(hr)

(

ft²

)

(℉) hot fluid at annulus (toluene) h_o=j_H k

D_e

(

^cμk

)

^13ϕa

h_o

ϕ_a=3300,084

0,159(1,66) h_o

ϕ_a=289,40BTU/(hr)

(

^ft2

)

(℉)

 Pemeriksaan ^hi pada permukaan diameter luar (OD) h_io

ϕ_p=h_i ϕ_p

ID

OD=247,511,049 1,32 h_io

ϕ_p=196,7BTU/(hr)

(

^ft2

)

(℉)

 Penentuan nilai ϕ_p dan ϕ_a t_w=t_c+ h_o/ϕa

h_io/ϕ_p+ho/ϕ_a(T_c−t_c)

t_w=123,15+ 289,40

196,7+289,40(166,01−123,15)=148,66℉

 Penentuan viskositas pada tw

Cold fluid (aniline) pada T_w=148,66℉ μ_w = 1,55cp

μ_w = 1,55(2,42)=3,75lb/ft hr ϕ_p=

(

^μμw

)

^0,14=

(

^43,,7584

)

^0,14=1,036

Hot fluid (toluene) pada T_w=148,66℉ μ_w = 0,4 cp

μ_w = 0,4(2,42)=0,97lb/ft hr ϕ_a=

(

^μμw

)

^0,14=

(

^0,8230,97

)

^0,14=0,977

Sehingga, h_io

ϕ_p=196,7→ h_io=203,78BTU/(hr)

(

^ft2

)

(℉)

h_o

ϕ_a=289,40→ h_o=282,74BTU/(hr)

(

^ft2

)

(℉) h_i

ϕ_p=247,51→ h_i=256,42BTU/(hr)

(

^ft2

)

(℉) Menghitung panjang pipa yang dibutuhkan

 Clean overall coefficient (U_c) U_c= h_ioh_o

h_io+h_o=(203,78) (282,74) (203,78+282,74) U_c=118,42BTU/(hr)

(

^ft2

)

(℉)

 Design overall coefficient 1

U_D= 1

U_C+Rd, dengan asumsi Rd = 0,005 1

U_D= 1

118,42+0,005

U_D=74,38BTU/(hr)

(

ft²

)

(℉)

 A= Q

U_D∆ t= 178.500 74,38x40,71 A=58,94ft²

 Panjang yang dibutuhkan

Required length=58,94

0,344=171,33lin ft

Setidaknya dibutuhkan 6 buah pipa hairpin berukuran 15 ft disusun seri

Luas surface area secara actual yaitu 180x0,344=61,92ft², sehingga koefisien actual desgin

U_D= 178.500

61,92x40,71=70,81BTU/(hr)

(

^ft2

)

(℉) R_d=U_C−UD

U_CU_D = 118,42−70,81

(118,42)(70,81)=0,0056

 Pengecekan Pressure Drop

Pressure drop pada pipa annulus (toluene sebagai hot fluid) D^'_e=(D₂−D₁)

D^'_e=0,172−0,11=0,062 ℜa

'=D^'_eG_a

μ =0,062729.927 0,823 ℜa

'=54.988,42

Friction factor from Mc Adams and Seltzer dengan koreksi 10% (Kern Hal 53) f=0,0035+0,264

ℜ^0,42 f=0,0035+ 0,264

54.988,42^0,42 f=0,0062

Dari table 6 kern diperoleh ^stoluene=0,87 Sehingga,

ρ=s(62,5)=0,87(62,5) ρ=54,375

∆ F_a= 4f G_a²L

2g ρ²D^'_e= 4(0,0062) (729.927)²(180)

2

(

^{4,18 108}

)

(54,375)²(0,062)=15,52ft V= G_a

3600ρ= 729.927

3600(54,375)=3,73fps

∆ F₁=V²

2g^'n_DPHE=6 3,73²

2(32,2)=1,3ft Pressure Drop,

∆ P_a=(∆ F_a+∆ F₁)

144 ρ=(15,52+1,3)

144 54,375

∆ P_a=6,35psi

Pressure drop pada inner pipe (aniline sebagai cold fluid)

Friction factor from Mc Adams and Seltzer dengan koreksi 10% (Kern Hal 53) f=0,0035+0,264

ℜ^0,42

f=0,0035+ 0,264 22.065,17^0,42 f=0,0075

Dari table 6 kern diperoleh s_aniline=1,02 Sehingga,

ρ=s(62,5)=1,02(62,5) ρ=63,75

∆ F_p=4f G²_pL

2g ρ²D=4(0,0075) (1.166 .666,67)²(180)

2

(

^{4,18 108}

)

(63,75)²(0,087) =24,86ft Pressure Drop,

∆ P_p=∆ F_p

144 ρ=24,86 144 63,75

∆ P_p=11psi (by-pass aliran yang memiliki laju volumetric yang tinggi)