Spesifikasi Alat Tangki Dan HE [PDF]

Citation preview

LAMPIRAN C PERHITUNGAN SPESIFIKASI ALAT



1. TANGKI PENYIMPANAN METANOL (T-01)



Gambar C.1. Tangki Penyimpanan Metanol Kode : T-01 Fungsi : Menyimpan bahan baku metanol pada tekanan 1 atm dan temperatur 30 0C Tujuan : - Menentukan Tipe Tangki - Menentukan Bahan Konstruksi Tangki - Menentukan Dimensi Tangki 1. Menentukan Tipe Tangki Tipe tangki yang dipilih adalah berbentuk silinder tegak dengan dasar datar (flat bottom) dan atap berbentuk kerucuk (conical roof ) dengan pertimbangan : a. Bahan baku disimpan dalam fase cair b. Kondisi operasi tangki pada tekanan 1 atm dan suhu 30 c. Konstruksi sederhana sehingga harga lebih ekonomis (Coulson 4 th vol 6:879) 2. Menentukan Bahan Konstruksi Tangki Dalam perancangan dipilih bahan kontruksi tangki adalah stainless steel 304 Grade A (Tabel 4-28, Ulrich 1976, hal 254) dengan pertimbangan : a. Harga bahan yang murah b. Tahan terhadap panas dengan range antara (0-200 0C)



c. Mempunyai tekanan maksimum yang diijinkan relative besar yaitu 600000 psia d. Memiliki allowable working stress cukup besar e. Tahan terhadap korosi f. Memiliki allowable working stress cukup besar, f =12.650 psi 3. Menentukan Dimensi Tangki a. Menghitung kapasitas tangki Menghitung Kebutuhan Methanol : 𝑘𝑔



Kebutuhan methanol = 3478,612 𝑗𝑎𝑚 Direncanakan bahan baku methanol disimpan untuk jangka waktu 10 hari. Kebutuhan Methanol selama 10 hari : 𝑘𝑔



= 3478,612 𝑗𝑎𝑚 𝑥 24



𝑗𝑎𝑚 ℎ𝑎𝑟𝑖



x 10 hari = 834866,9 kg



b. Menghitung ρ campuran



  A B



   T   1      TC



       



n



(Yaws,1999) Dimana : ρ



=Densitas (kg/m3)



T



= Suhu operasi (K)



Tc



= Suhu kritis (K)



A,B, n



= konstanta



Tabel C.1 Konstanta Perhitungan Densitas Komponen Methanol Air



A



B



0.27197 0.27192 0.3471



0.274



Tc



N



512.58



0.2331



647.13 0.28571



Tabel C.2 Densitas Komponen Pada Tangki T = 303 K



Komponen Methanol Air



Massa 3414,4 5,13



Jumlah



3419,53



Ρi



Xi



ρi . Xi



0.9985 0.7828067 0.78163 0.0015



1.023013 0.00154



1.0000



1.80582 0.78317



𝑔



𝑘𝑔



𝑙𝑏



ρCampuran = 0,78317 𝑚𝑙 = 783,17 𝑚3 = 48,89 𝑓𝑡3 c. Menghitung Volume Tangki Total Volume tangki =



𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑏𝑎𝑘𝑢 𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 (𝑘𝑔) 𝜌 𝐶𝑎𝑚𝑝𝑢𝑟𝑎𝑛 𝑘𝑔/𝑚3



834866,9 𝑘𝑔



= 783,17 𝑘𝑔/𝑚3



= 1066 m3 =37645,78 ft3 = 6705,4 bbl Dengan faktor keamanan 10 %, maka volume tangki menjadi : 110



V tangki = 100 x 1066 m3 = 1172,61 m3 = 41410,36 ft 3 = 7376 bbl d. Menghitung diameter dan tinggi tangki Tinggi tangki dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 3.1 dan 3.12 Brownell dan Young (1959) H 



4V D 2 



(3.1)



8 D  H 3



(3.2)



Dari persamaan 3.1 dan 3.12 didapat persamaan sebagai berikut :



   4V H  2   8     3  



1



3      



Sehingga tinggi tangki dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :



   4V H  2   8     3  



1



3      



4 𝑥41410,36 ft3 1/3



H=(



)



8 2 3



( ) 𝑥𝜋



= 18,9 ft = 5,8 m Sedangkan untuk menghitung diameteer tangki digunakakn persamaan 3.12 sebagai berikut : 8 D  H 3



D=



8 3



x 18,9 ft



= 50,5 ft = 15,4 m Untuk ukuran standar tangki yang digunakan berdasar pada Appendix E (Brownel and Young,1979) memiliki spesifikasi sebagai berikut : -



Diamter tangki, D



= 60 ft



-



Tinggi tangki,H



= 24 ft



-



Volume tangki



= 12090 bbl



-



Jumlah course



= 3 buah



-



Allowable vertical weld joint



= 5/32 in



-



Butt-welded courses



= 96 in = 8 ft



e. Menghitung Jumlah Tangki Jumlah tangki menyesuaikan dengan ukuran tangki standar sehingga jumlah tangki yang digunakakn adalah 1 buah Kapasitas yang dibutuhkan



= 7376 bbl



Kapasitas maksimum



= 12090 bbl



Jumlah tangki



= 12090 = 0,61 = 1 buah



7376



Sehingga tangki yang dibutuhksn 1 buah. f. Menghitung tebal dan panjang shell course Tebal shell course dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (3.16) dan(3.17) (Brownell & Young 1979). Persamaan 3.16 : t



p d C 2 f  E



d  12  D



Persamaan 3.17 𝜌𝑥(𝐻−1)



P=



144



Substitusi persamaan 3.16 ke persamaan 3.17 menjadi : 𝜌𝑥(𝐻−1)𝑥12𝑥𝐷



t=



144𝑥2𝑥𝑓𝑥𝐸



+𝑐



Dimana : t



= Tebal shell (in)



H = Tinggi (dari dasar course sampai ke top angle), feet f



= Tekanan yang diijinkan (lb/in2)



E = Efisiensi pengelasan D = Diamter dalam tangki (in) P = Tekanan dalam tangki (lb/in2) C = Corrosion allowance (in) ρ = densitas campuran pada 30 0C, lb/ft 3 Digunakan tipe pengelasan single-welded butt joint with backing strip dengan : -



Densitas campuran pada 30 0C



= 48,89 lb/ft3



-



Diameter



= 60 ft



-



Height



= 24 ft



-



Tekanan yang diijinkan F



= 15000 psi



-



Efisensi pengelasan maksimal, E



= 85 %



-



Faktor koros, C



= 0,125



𝜌𝑥(𝐻−1)𝑥12𝑥𝐷



t=



144𝑥2𝑥𝑓𝑥𝐸



+𝑐



48,89 𝑥(𝐻−1)𝑥12𝑥60



t= 144𝑥2𝑥15000𝑥0,85 + 0,125 Menghitung panjang plate Direncanakan menggunakan 10 plate untuk tiap course, Plate yang digunakan sebanyak 3 buah untuk setiap course dengan jarak sambungan antar plate = 5/32 in untuk penyambungan vertical, lebar plate standar 8 ft. Sedangkan panjang shell course dihitung menggunakan persamaan : L



 d  weld length 12 n



(Brownell & Young,1979) Dimana :



L



= Panjang tiap plate, ft



D



= Diameter dalam tangki + Tebal shell, in



n



= Jumlah plate dalam satu course



Weld length



= n x Allowable welded joint



Course 1 a. Menghitung Tebal shell 48,89 𝑥(24−1)𝑥12𝑥60



t 1=



144𝑥2𝑥15000 𝑥0,85



+ 0,125



t1 = 0,345 in Berdasarkan Brownell and Young item 4 ,1977 : 348 tebal shell standar = 0,375 in b. Menghitung panjang plate Direncanajan menggunakan 10 plate untuk tiap course, allowance untuk vertical welded joint ( jarak sambungan antar plate ) = 5/32 in dan lebar course = 8 ft d1 = (12x60)+0,375 d1 =720 +0,375 = 720,4 L=



(3,14𝑥720,4)−(10𝑥0,15625) 12𝑥10



L = 18,83 ft Course 2 a. Menghitung Tebal shell H2 = 24 ft -8 ft = 16 ft 48,89 𝑥(16−1)𝑥12𝑥60



t 1=



144𝑥2𝑥15000 𝑥0,85



+ 0,125



t1 = 0,413 in Berdasarkan Brownell and Young item 4 ,1977 : 348 tebal shell standar = 0,47 in b. Menghitung panjang plate Direncanajan menggunakan 10 plate untuk tiap course, allowance untuk vertical welded joint ( jarak sambungan antar plate ) = 5/32 in dan lebar course = 8 ft d1 = (12x60)+0,47 d1 = 720 +0,47 = 720,47 L=



(3,14𝑥720,47)−(10𝑥0,15625)



L = 18,83 ft



12𝑥10



= 18,83 ft



Course 3 a. Menghitung Tebal shell H3 = 16-8 = 8 ft 48,89 𝑥(8−1)𝑥12𝑥60



t 1= 144𝑥2𝑥15000 𝑥0,85 + 0,125 t1 = 1,9 in Berdasarkan Brownell and Young item 4 ,1977 : 348 tebal shell standar = 0,25 in b. Menghitung panjang plate Direncanakan menggunakan 10 plate untuk tiap course, allowance untuk vertical welded joint ( jarak sambungan antar plate ) = 5/32 in dan lebar course = 8 ft d1 = (12x60)+t2 d1 = 720 +0,25 = 720,25 L=



(3,14𝑥720,25)−(10𝑥0,15625) 12𝑥10



= 18,83 ft



L = 18,83 ft Total panjang plat yang dibutuhkan course 1 + course 2+ course 3 = 18,83ft +18,83 ft+18,83 ft = 56,49 ft. Panjang plate yang ada dipasaran adalah 19,68 ft



Course



Panjang plate (ft)



Lebar plate (ft)



Tebal shell (in)



1



19,68



8



0,375 in



2



19,68



8



0,42 in



3



19,68



8



0,25 in



θ



α



900



D 2 90-α θ



Gambar C.2 Head Tangki 1. Menentukan (sudut angel dengan garis horizontal ) pada head Besarnya sudut pada roof dapat dicari dengan persamaan : Sin θ =



𝐷 430 𝑡𝑎



(Brownell and Young, Pers.4.6,1977 :64) Dimana : D = diameter tangki standar, ft ta = tebal atap standar, 3/16 in (sehingga, 60 𝑓𝑡



sin θ = 430𝑥(3/16) = 0,7442 θ



= ArcSin(0,6202) = 48,090



2. Menentukan tinggi head tangki tan θ



𝐻



=1 2



H



𝐷 1



= tan θ 2 𝐷 1



= tan 48,09 x 2x60 = 33,42 ft 3. Menentukan tebal head tangki Tebal head tangki dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :



  P D th   c  2  Cos    f  E  0,6  P 



(Brownell and Young, Pers 6.154, 1977 :118) Tekanan penyimpanan = 1 atm = 14,7 psi dan diambil factor keamanan 10 % maka : P th



= 1,1x14,7 psi = 16,17 psi 16,7𝑥12𝑥60



= 2𝑥𝑐𝑜𝑠(48,09)𝑥(15000𝑥0,85)−(0,6𝑥16,7) = 0,706 in



Berdasarkan Brownell and Young, item 4, 1977 :348 dapat diketahui tebal shell standar adalah 0,72 in



Tabel C. 4 Ringkasan Tangki (T-01) Ringkasan Tangki (T-01)



Fungsi Tipe tangki Bahan konstruksi Jumlah Diameter Tinggi Shell Kapasitas Lebar Plate Jumlah course Tinggi head Tebal head



Menyimpan bahan baku metanol Silinder vertical dengan flat bottom dan head conical stainless steel 304 Grade A 1 buah 60 ft 24 ft 21930 bbl 8 ft 3 buah 33,42 ft 0,72 in



2. Heat Exchanger (HE-01) 38,820C



38,810C



160,030C 97,880C



231,700C



Gambar C.3 Heat Exchanger Kode : HE-01 Fungsi : Menaikkan suhu bahan baku sebelum masuk ke dalam Vaporizer (V- 01) Tujuan : - Menentukan tipe heat exchanger Menentukan bahan konstruksi heat exchanger Menentukan dimensi heat exchanger Menentukan Pressure Drop 1. Menentukan material konstruksi Material yang dipilih dalam perancangan alat penukar panas adalah stainless steel dengan nomor spesifikasi SA-376, tipe TP 316, Material jenis ini dipilih dengan pertimbangan sebagai berikut: o Tahan terhadap korosif o Memiliki allowable stress sebesar 18.750 psi pada suhu 230 oF atau 110 oC o Banyak tersedia di pasar penjualan material konsturksi 2. Menentukan tipe dan spesifikasi Heat Exchanger a. Menentukan Δ TLMTD 







Fluida panas ( produk reaktor : DME, Methanol, dan air ) Suhu masuk (T1)



=504,85 K (231,70 oC) = 449,06 0F



Suhu keluar (T2)



=160,030C = 397,18 K = 320,05 0F



Laju alir



= 4265,60 kg/jam = 133.29 kgmol/jam



Fluida dingin (Bahan baku : Methanol dan air ) Suhu masuk (t1)



=38,810C = 311,96 K = 101,86 0F



Suhu keluar (t2)



=97,880C = 371,03 K = 208,18 0F



Laju alir



= 4265,60 kg/jam = 133.29 kgmol/jam



Menghitung Δ TLMTD Tabel C.9 Perhitungan ΔT LMTD Cold Fluid



ΔT



High Temp



208,18



240,88



Low Temp



101,86



218,19



Selisih



106,32



226,90



Hot Fluid 449,06 320,05 129



Temperatur



Δ TLMTD =



Tav = (



Δt2−Δt1 2,3 𝑙𝑜𝑔



Δt2 Δt1



=



240,88−218,19 2,3 𝑙𝑜𝑔



240,88 218,19



449,06+320,05 2



)



= 229,61 0F



tav = (



= 384,55 0F



208,18+101,86 2



)



= 152,890F



b. Penentuan Tipe Heat Exchanger Berdasarkan Kern, Table 8, hal 840 (1988) untuk system light organic (Viskositas kurang dari 0,5 cp) sebagai hot fluid dan cold fluid maka harga UD diantara 40-75 Btu/jam 0F ft2 dengan allowable dirt factor 0,0015. Maka dipilih UD = 50 Btu/jam 0F ft 2 Q = 671069,50 Kj/Jam = 636051,16 Btu /jam 𝑄



636051,16 𝐵𝑡𝑢 /𝑗𝑎𝑚



A = 𝑈𝐷𝑥Δ TLMTD = 50 Btu/jam0 F ft2



x229,60 F



= 55,40 ft2



A< 200 ft2, Sehingga jenis HE yang dipilih adalah double pipe heat exchanger (Kern,1988) c. Menentukan Spesifikasi Heat Exchanger : Spesifikasi pipa yang digunakan untuk rancangan alat pemindah panas ini adalah: Tabel C.10 Spesifikasi Double Pipe Exchanger Exchanger, IPS



2x1,24



Annulus



Pipa



D2 = 2,067 in



D= 1,38 in



D1 = 1,66 in Sch = 40



40



Fluida Dingin : Metanol



Fluida Panas : DME



Annulus



Inner pipe



1). Menghitung Flow Area



1). Menghitung Flow Area



D2 = 2,067 in /12 = 0,1725 ft



D = 1,38 in/12 = 0,115 ft



D1 = 1,66 in /12 = 0,138 ft



ap =



πD^2



πx0,,115^2



=



4



4



=0,0104 ft2



as = π(D22-D12)/4 = 3,14 (0,1725-0,138)/4 = 0,00826 ft2 Menghitung De De =



𝐷22 −𝐷1^1 𝐷1



=0,0762ft



2). MenghitungMass Velocity (Ga) 2). Menghitung Mass Velocity (Gp) 𝑤



Ga =𝑎𝑎 =



9404,04 𝑙𝑏/𝑗𝑎𝑚



𝑤



Gp =𝑎𝑝 =



0,00826



= 1138500 lb/hr.ft



2



9404,04 𝑙𝑏/𝑗𝑎𝑚 0,0104



= 904234,6 lb/hr.ft2



3). Menghitung Bilangan Reynold



3).Menghitung Bilangan Reynol



(Reynold Number/NRe)



(Reynold Number/NRe)



Pada Tav =152,890F ,



Pada tav =381,970 F



μ = 0,80399 lb/hr.ft



μ = 0,03761 lb/hr.ft Maka nilai NRe,



Maka nilai NRe, NRe=



𝐷𝑒 𝑥 𝐺𝑎 μ



=



NRe =



0,0762𝑥 1138500



𝐷 𝑥 𝐺𝑝 μ



=



0,0104 𝑥 904234,6 0,03761



= 250040,9



0,80399



= 107904 4).Menghitung faktor heat transfer 4).Menghitung faktor heat transfer JH



Berdasarkan



grafik



24 JH



Berdasarkan



grafik



24



(Kern,1988) didapatkan JH untuk (Kern,1988) didapatkan JH untuk bilangan Reynolds adalah JH = 𝑐𝜇



bilangan Reynolds adalah JH = 300 𝑐𝜇



5). Menghitung ( 𝑘 )1/3



5). Menghitung ( 𝑘 )1/3



Dimana :



Dimana :



c = 0,642 Btu/lb.F



c = 0,469 Btu/lb



k = 0,781 Btu/hr.ft.F



k = 0,1844 Btu/lb



𝑐𝜇



0,642𝑥0,803999 1/3 ) 0,781



( 𝑘 )1/3 = (



=(



= 0,871



= 0,457



6). Menentukan ho 𝑘



0,469𝑥0,03761 1/3 ) 0,1844



6). Menetukan hi



𝑐𝜇



𝜇



Ho = jH x 𝐷𝑒 x( 𝑘 )1/3 x(𝜇𝑤)0,14



𝑘



𝑐𝜇



hi = jHx= jH x 𝐷𝑒 x( 𝑘 )1/3 0,1844



𝜇



Dimana (𝜇𝑤)0,14 = 1



hi =300 x 0,0104 x0,457 x1 =2431 Btu/hr.ft2.0F



0,781



ho = 250x 0,0762 x 0,871 x1



Menentukan hio koreksi



ho = 2232Btu/hr.ft2.0F



𝐼𝐷



Hio koreksi = hix𝑂𝐷 1,38



= 2431x1,66 = 2021 Btu/hr.ft2.0F



Penentuan Tipe HE Karena A < 200 ft2, maka digunakan double pipe heat exchanger (Kern,1988) Digunakan pipa 2 x1,24 in IPS pipe dengan external surface 0,435 ft2/ft Panjang yang didapatkan =



55,40 0,435



=127,4 ft



Maka digunakan 4 buah hairprin dengan panjang 1 hairprin nya =40 ft Luas perpindahan panas yang terkoreksi = 0,435 x 127,4 = 55,42 ft 1. Harga UD yang terkoreksi : 𝑄



UD = 𝐴𝑥Δ TLMTD = 2.



636051,16 𝐵𝑡𝑢 /𝑗𝑎𝑚 55,42ft2 x229,60 F



= 49,97 Btu/jam0 F ft 2



Menghitung Clean Overall Coefficient (Uc) ℎ𝑖𝑜𝑥ℎ𝑜



2021𝑥2232



Uc = ℎ𝑖𝑜+ℎ𝑜 = 2021+2232 = 1060 btu/hr ft30F 3.



Menghitung Resistance of Dirt (Rd)



𝑈𝑐−𝑈𝑑



1060−55,42



Rd = 𝑈𝑐 𝑥 𝑈𝑑 =1060 𝑥55,42 = 0,017 Rd yang diperbolehkan dari table 8 page 840 (Kern,1988) adalah 0,001 d. Menghitung Pressure Drop Fluida dingin : Methanol



Fluida panas: DME



Tube



Shell



1). Menghitung De’



De’ = 0,0104 ft Re = 67582



De’ = (D2-D1) = (0,1725-0,138) = 0,0345ft 2). Menghitung Re’



2). Menghitung nilai f



𝐷𝑒′𝑥𝐺𝑎



Re =



0,0035+



𝜇 0,0345 𝑥1138500



=



0,264



𝐷𝐺 0,42 ( ) 𝜇



0,264



0,0035+(67582)0,42



0,80399



= 48854



=0,006 s = 0,88 ρ= 0,88 x 625 = 55 lb/ft3



3). Menghitung nilai f 0,264 0,0035+(𝑅𝑒)0,42



=



0,264



3). Menghitung ΔFa 4 𝑓 𝐺𝑝2 𝐿



ΔFa = 2 𝑔𝑝2 𝐷𝑒′



0,0035+(48854)^0,42= 0,00633 s = 0,82 ρ= 62,5x 0,82 = 51,25 lg/ft3



=



4𝑥0,006x(204435,65)2 𝑥160 2𝑥4,18𝑥1010 (55)2 𝑥0,24



= 7,5



4). Menghitung ΔFa 4 𝑓𝐺𝑎2 𝐿



ΔFa = 2 𝑔ρ2 𝐷𝑒′ 4𝑥0,00633𝑥(1138500)2 𝑥160



= 2𝑥4.18𝑥1010 𝑥(51,25)2 𝑥0,0345 = 0,69



5). Menghitug pressure drop



4). Menghitug pressure drop



1138500



V = 3600𝑥51,25 = 6,17 Allowable pressure drop (ΔP )



𝑉2



F1= (2 𝑔 ) 6,172



= 2 x(2𝑥32,2) = 1,18



ΔP =



7,5𝑥55 144



= 2,86psi Allowable pressure drop (ΔP) (6,17+1,18)



ΔP=



144



= 2,62 psi



x51,25



Tabel C.10. Shell and tube Heat Exchanger RANGKUMAN HEAT EXCHANGER (HE-01)



38,810C



160,030C 97,880C



231,700C



Fungsi Tipe



Memanaskan bahan baku methanol sebelum masuk ke dalam reaktor dari suhu 38,810 C sampai 97,88 0 C Double Pipe Exhanger dengan pertimbangan A