Alat Proses Heat Exchanger PDF [PDF]

Citation preview

Alat Proses SHTE 2012



Mengenal Alat Proses "Shell and Tube Heat Exchanger" Jeffrey Bastanta Teknik Kimia Universitas Diponegoro



Latar Belakang Sekarang ini alat penukar panas sangat luas dipakai dalam kehidupan sehari-hari maupun dalam industri seperti kilang minyak, pabrik kimia maupun petrokimia, industri gas alam, refrigerasi, pembangkit listrik. Alat penukar panas yang dapat dijumpai di



industri



seperti Boiler, kondenser, cooling tower, dll dan di rumah tangga seperti Air Conditioner (AC), Lemari Es dan pada transportasi yang digunakan untuk mendinginkan mesin yang disebut dengan Radiator. Dengan semakin majunya industri di dunia maka alat penukar panaspun ikut terkena imbas sehingga alat penukar panas akan menyesuaikan kebutuhan industri. Hal-hal yang menyebabkan berkembangnya alat penukar panas yaitu karena tuntutan effisiensi



energi,



biaya, serta tuntutan terhadap beban perpindahan panas yang semakin tinggi. Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung



secara



efisien. Oleh karena itu perlu diketahui data-data yang dilengkapi dalam mendesain Shell and Tube Heat Exchanger supaya Shell and Tube Heat Exchanger yang dibuat dapat digunakan sesuai kebutuhan.



Universitas Diponegoro, Semarang



Page 1



Alat Proses SHTE 2012



I. PERPINDAHAN PANAS Perpindahan panas adalah ilmu yang mempelajari tentang laju perpindahan panas diantara material/benda karena adanya perbedaan suhu(panas atau dingin). Perpindahan panas akan mengalir dari tempat yang suhunya tinggi ke tempat yang suhunya rendah. Peristiwa perpindahan panas sangat banyak dijumpai dalam industri, misalnya pemanfaatan panas yang terbawa hasil akhir ataupun hasil antara untuk memanaskan umpan yang akan masuk ke reaktor dalam sebuah alat penukar panas, perpindahan panas dari sebuah pipa uap ke udara, pembuangan panas pada sebuah pembangkit listrik.



II. MEKANISME PERPINDAHAN PANAS Ada tiga mekanisme perpindahan panas yaitu: 1. Konduksi



Perpindahan panas konduksi ialah pengangkutan kalor



melalui



Sehingga perpindahan kalor secara konduksi merupakan satu proses



satu



jenis



pendalaman



zat.



karena



proses perpindahan kalor ini hanya terjadi di dalam bahan. Arah aliran energi kalor, adalah dari titik bersuhu tinggi ke titik bersuhu rendah. Rumus konduksi : H = K.A T/L Keterangan : A = luas penampang T = selisih temperatur L = panjang batang atau plat K= koefisien konduksi 2. Konveksi



Perpindahan panas konveksi yaitu proses perpindahan energi dengan kerja gabungan dari konduksi panas,penyimpanan energi dan gerakan mencampur fluida. Konveksi ada 2 yaitu konveksi paksaan dan bebas. Di katakan konveksi paksaan apabila gerakan fluida disebabkan karena adanya energi dari luar seperti pompa atau kipas. Konveksi bebas adalah apabila gerakan mencampur digunakan oleh perbedaan kerapatan



massa



jenis



yang



disebabkan oleh perbedaan suhu.



Universitas Diponegoro, Semarang



Page 2



Alat Proses SHTE 2012



Rumus perpindahan panas konveksi :H = h.A.T Keterangan : A = luas permukaan T = perbedaan suhu h = koefisien konveksi 3. Radiasi



Perpindahan panas secara radiasi adalah perpindahan panas melalui gelombang dari suatu zat ke zat yang lain. Semua benda memancarkan panas, keadaan ini baru terbukti setelah suhu meningkat. Pada hakekatnya proses perpindahan panas radiasi terjadi dengan perantaraan foton dan juga gelombang elektromagnet. Perpindahan panas radiasi bisa terjadi pada permukaan dan antara permukaan dan lingkungan. Selanjutnya juga penting untuk diketahui bahwa : 1. panas radiasi merambat lurus 2. Untuk perambatan itu tidak diperlukan medium (misalnya zat cair atau gas) Rumus radiasi : W = e.t.T4 Keterangan : e = emisitas benda (0 0.0004 h-m2 C/kal) gunakan tube dengan diameter 25 mm. b. Kecepatan tinggi Seperti yang telah di jelaskan di atas bahwa pada kecepatan tinggi, fouling dapat dikurangi, koefisien heat transfer juga akan semakin tinggi, namun demikian mengoperasikan HE dengan kecepatan tinggi mengakibatkan pressure drop yang tinggi pula serta erosi , kenaikan pressure drop lebih cepat dari pada



kenaikan



koefisien perpindahan panas, maka perlu dicari kecepatan yang optimum. c. Margin pressure drop yang cukup Pada HE yang digunakan untuk fluida yang berpotensi membentuk fouling tinggi, disarankan untuk menggunakan margin 30 – 40 % antara pressure drop yang diijinkan dengan pressure drop yang dihitung. Hal ini dilakukan untuk antisipasi pressure drop yang tinggi akibat penggunakan kecepatan yang tinggi. d. Gunakan tube bundle dan heat exchanger cadangan Jika penggunaan HE untuk fluida yang berpotensi membentuk fouling yang sangat ekstrim, maka tube bundle candangan sebaiknya digunakan. Jika fouling terjadi cukup cepat maka sebaiknya digunakan HE cadangan. e. Gunakan 2 shell yang disusun secara paralel Dengan penggunaan STHE dimana Shell disusun secara seri, maka jika salah satu STHE telah terjadi akumulasi fouling maka STHE yang satunya dapat digunakan, walaupun tentunya terjadi penurunan output. Sebaiknya kapasitas yang digunakan masing- masing antara 60-70 % dari kapasitas total. f. Gunakan Wire Fin tube Penggunaan Wire fin tube dapat mengurangi terbentuknya fouling. Pada awalnya penambahan wire fin tube digunakan untuk meningkatkan perpindahan panas tube pada aliran laminar. Wire fin dapat menaikkan pencampuran radial dari dinding tube hingga



kebagian



tengah,



efek



gerakan



pengadukan



inilah



yang



dapat



meminimalisasikan deposit pada dinding tube. g. Gunakan Fluidized Bed HE HE tipe ini dapat menghandle fouling yang ekstrim. Jeffrey Bastanta/ 12/ 337 331/ PTK/08136



Page 19



Alat Proses SHTE 2012



 Apabila Fluida kotor ditempatkan pada shell maka : a. Gunakan U-Tube atau Floating head b. Gunakan susunan tube secara Square atau Rotate Square Susunan square menyediakan akses yang lebih sehingga cleaning



HE



mechanical dengan menggunakan Rodding atau hydrojetting baik pada



secara susunan



triangle, namun begitu tube yang disusun secara square memberikan koefisien heat transfer yang rendah, untuk situasi seperti ini , maka rotate square dapat digunakan. c. Meminimalisasikan dead space dengan desain baffle secara optimum STHE lebih mudah mengalami Fouling dikarenakan adanya dead space. Oleh sebab itu, penentuan jarak antar baffle dan baffle cut sangatlah penting. Kedua variabel tersebut sangat berpengaruh dalam pentuan besar kecilnya



koefisien perpindahan



panas pada shell. Nilai Baffle cut sebaiknya digunakan antara 20 -30 %, dimana baffle cut sebesar 25 % adalah nilai yang cukup baik sebagai starter. Untuk perpindahan panas yang hanya melibatkan panas sensibel disarankan tidak menempatkan posisi baffle secara vertikal. Untuk perpindahan panas yang melibatkan panas laten atau terjadinya perubahan fase disarankan untuk



menempatkan



posisi



baffle



secara



vertikal. d. Rasio antara baffle space dengan shell diameter Rasio antara baffle space dengan shell diameter yang tepat akan dapat mengurangi fouling pada shell. Nilai rasio antara 0.3-0.6 dapat digunakan sebagai



starter.



Pemilihan baffle cut dan spacing yang baik sebaiknya yang dapat menghasilkan stream B (cross flow) yang besar dan meminimalkan kebocoran dan bypass stream. e. Kecepatan tinggi Sama seperti pada tube, penggunaan kecepatan tinggi pada shell akan



dapat



mengurangi pembentukan fouling, dan dapat menaikkan koefisien perpindahan panas shell. Kecepatan pada shell umumnya dipengaruhi oleh diameter shell dan baffle spacing. f. Gunakan tube pitch yang lebih besar untuk fouling yang lebih sangat tinggi Umumnya tube pith yang digunakan adalah sebesar 1.25 kali dari OD untuk triangular pitch dan 6 mm lebih dari OD untuk square.



Jeffrey Bastanta/ 12/ 337 331/ PTK/08136



Page 20



Alat Proses SHTE 2012



2. Baffle STHE sebagai alat penukar panas yang terdiri dari bagian pokok seperti front head, rear head, dan tube bundle merupakan satu kesatuan yang pemilihan dari bagian-bagian tersebut mempunyai tujuan tertentu seperti menentukan jumlah lintasan fluida yang melalui shell maupun yang melalui pipa. Disamping itu karena alat penukar panas ini sangat mahal maka memerlukan suatu pemeliharaan yang benar dan mengusahakan agar tahan lama. Untuk keperluan tersebut maka pada STHE dipasang baffle atau sekat



dan



juga



disebut penahan yang berfungsi antara lain : 1. sebagai pengikat, penompang atau penahan tube bundle 2. sebagai pencegah agar tube tidak bergetar dan tidak melengkung 3. sebagai alat untuk mengarahkan aliran fluida didalam shell. Tipe buffle ada dua macam yaitu bentuk plate dan bentuk batang. Bentuk plate dapat dibagi lagi sebagai segmen tunggal, segmen ganda, dan segmen tripe.



Gambar 11. Bentuk buffle Keterangan: a = buffle segmen tunggal b = buffle segmen ganda c = buffle segmen tripel Jeffrey Bastanta/ 12/ 337 331/ PTK/08136



Page 21



Alat Proses SHTE 2012



6. Penutup Perpindahan panas adalah ilmu yang mempelajari tentang laju perpindahan panas diantara material/benda karena adanya perbedaan suhu(panas atau dingin). Perpindahan panas akan mengalir dari tempat yang suhunya tinggi ke tempat yang suhunya rendah. Ada tiga mekanisme perpindahan panas yaitu konduksi, konveksi dan radiasi. Penukar panas adalah alat yang digunakan untuk mentransfer panas dari suatu media ke media yang lain yang mempunyai perbedaan temperatur.



Proses



perpindahan panas



tersebut dapat dilakukan secara langsung dan tidak langsung. Jenis-Jenis Alat Penukar Panas ada tiga yaitu : double pipe heat exchanger, shell and tube heat exchanger dan Plate and frame Heat Exchanger. TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) membagi sebuah STHE menjadi 3 bagian yaitu front head, shell, dan rear head. STHE diklasifikasikan berdasarkan konstruksi antara lain menjadi Fixed tubesheet, U-tube, floating head. Untuk dapat mendesain shell and tube heat exchanger maka data yang harus dilengkapi antara lain: Flowrate, suhu inlet dan outlet, tekanan operasi, pressure drop yang diperbolehkan, sifat-sifat fisis, ukuran pipa, ukuran tube, Maksimum diameter shell, Ketahanan terhadap kotoran (fouling), dll.



DAFTAR PUSTAKA C.A. Bennet, R.Stanley Kistler, Thomas G. Lestina dan D.C. King, Improving Heat Exchanger Design, 2007, Chemical Engieering Progress J. Nesta dan C.A Bennet, Reduce Fouling in Shell & Tube Heat Exchanger, 2004, Hydrocarbon Processing J.P. Holman, Perpindahan Kalor, 1995, Erlangga, Jakarta Kern, DQ, Process Heat Transfer, 1965, McGraw-Hill, New York Robert H. Perry, Perry’s Chemical Engineering Handbook,1999,McGraw-Hill Company Inc S. Marimin, Diktat Kuliah Perpindahan Panas,-, Chemical Engineering Diponegoro University. R.Mukherjee,



Conquer



Heat



Exchanger



Fouling,



1996,



Hydrocarbon



Processing



T.R. Bott, Fouling of Heat Exchanger, 1995, Elsevier www.wikipedia.org/heat-exchanger diakses pada 14 mei 2010 Jeffrey Bastanta/ 12/ 337 331/ PTK/08136



Page 22