Laporan HE Vaporizer [PDF]

Citation preview

Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



TK-2202 OPERASI PERPINDAHAN KALOR



LAPORAN PERANCANGAN HEAT EXCHANGER



28/04/2014 TANGGAL



TDI DISIAPKAN OLEH



Issued for Internal Review



RCS



CL



JS/DAW



PENJELASAN



CHECK



APPR.



DOSEN



PERANCANGAN HEAT EXCHANGER VAPORIZER PADA NATURAL GAS Theresia Dewi Inggriani (TDI) Roberta Christie Satriadinata (RCS) Chrisella Lazarus (CL)



13012038 13012040 13012068



LAPORAN



41 1 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas Daftar Isi 1



PENDAHULUAN



3



1.1 DESKRIPSI PROSES



3



1.2 PROCESS FLOW DIAGRAM PADA PROSES PENUKARAN PANAS



3



1.3 PROFIL PABRIK



4



2



5



DATA PERANCANGAN EXCHANGER



2.1 FLUIDA PROSES



5



2.1.1 DESKRIPSI SINGKAT



5



2.1.2 KOMPOSISI DAN PROPERTI FLUIDA PROSES



5



2.1.3 KONDISI ALIRAN FLUIDA PROSES



5



2.2 SERVICE FLUID



6



2.2.1 PERTIMBANGAN DASAR PEMILIHAN SERVICE FLUID



6



2.2.2 KOMPOSISI DAN PROPERTI SERVICE FLUID



6



2.2.3 KONDISI ALIRAN SERVICE FLUID



6



3



METODOLOGI PERANCANGAN



7



3.1 ASUMSI-ASUMSI YANG DIGUNAKAN



7



3.2 TAHAPAN-TAHAPAN PERANCANGAN



8



3.3 HEAT EXCHANGER YANG DIGUNAKAN



15



3.4 PERTIMBANGAN DASAR PEMILIHAN JENIS HEAT EXCHANGER



15



4



16



HASIL PERANCANGAN



4.1 HASIL



16



4.2 SKETSA HEAT EXCHANGER



18



4.3 TEMA SHEET HEAT EXCHANGER



20



5



22



ANALISIS



5.1 ANALISIS KELOGISAN PERANCANGAN



22



5.2 PARAMETER OPERASI PROSES HASIL PERANCANGAN



23



6



KESIMPULAN



23



7



REFERENSI



23



APPENDIX A – DATA FISIK ALIRAN



24



APPENDIX B – CONTOH PERHITUNGAN



26



APPENDIX C – ALGORITMA FLOWCHART



33



2 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



1 PENDAHULUAN 1.1 Deskripsi Proses Heat exchanger yang digunakan dalam kasus yang diambil dari PT Pupuk Sriwijaya, Palembang, Indonesia adalah jenis vaporizer. Tipe vaporizer yang digunakan adalah tipe thermosyphon vertikal, yaitu tipe exchanger berbentuk vertikal dengan penguapan terjadi pada tubes. Sirkulasi cairan melewati exchanger dipengaruhi oleh perbedaan densitas antara campuran cairan-uap pada exchanger dengan cairan pada dasar kolom. Tujuan dari reboiler ini adalah menguapkan seluruh natural gas yang masuk. Pada shell, dimasukan steam yang berfasa gas dan keluar juga masih berbentuk gas. Fungsi dari steam pada shell ini adalah untuk memanaskan natural gas didalam tubes. Pada tubes dimasukkan natural gas yang terdiri dari uap dan cairan dimana seluruh cairan menguap. Natural gas terdiri dari ±90% metana dan dengan tujuan simplifikasi, metana (CH4) ditinjau sebagai zat yang berada dalan natural gas dan zat lain diabaikan.



1.2



Process Flow Diagram Pada Proses Penukaran Panas Fluida Proses keluar (Natural Gas - Metana 100 % 1 fasa – fasa gas) Kg / jam Fluida Servis masuk (steam % 1 fasa – fasa gas)



Temperatur = 43,889 oC



Kg / jam Temperatur = 266,667 oC Tekanan= 3,4474 bar



Fluida Servis keluar (steam 100 % 1 fasa – fasa gas) Kg / jam Temperatur = 147,78oC Fluida Proses masuk (Natural Gas - Metana 2 fasa – fasa gas dan cair) Kg / jam Temperatur = -133,847 oC Tekanan = 6,2224 bar



3 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



1.3



Profil Pabrik PT Pupuk Sriwijaya merupakan pabrik yang terletak di Palembang, Sumatera Selatan. Pabrik ini memproduksi pupuk serta amoniak berskala internasional. Proses ini digunakan agar melalui pertukaran panas dari steam kepada natural gas yang merupakan campuran liquid dan vapor, dihasilkan keluaran natural gas yang seluruhnya terdiri atas uap. Natural gas yang berwujud uap ini kemudian dapat digunakan dalam peroses reaksi pembentukan amoniak.



4 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



2 Data Perancangan Exchanger 2.1 Fluida Proses 2.1.1



Deskripsi Singkat Fluida yang diproses adalah natural gas, yaitu metana yang berperan untuk menghasilkan H2 dengan melalui proses steam reforming dengan direaksikan dengan H2O menjadi H2 dengan CO. CO kemudian direaksikan dengan H2O dengan tujuan meniadakan CO yang merusak katalis dan dihasilkan CO2 serta H2. H2 direaksikan dengan N2 sehingga menghasilkan amoniak.



2.1.2



Komposisi dan Properti Fluida Proses Pada tekanan operasi = 6,2224 bar Tabel 2.1 Properti dari Metana 1.



Rumus Molekul



CH4



2.



Berat Molekul (g mol-1-)



16,043



3.



Densitas (kg/m2)



0,66



4



Titik Leleh (°C)



-182,46 °C



5



Titik Didih (°C)



-161,48 °C



6



Kapasitas Panas (kJ/molK)



0,0274



7



Viskositas (μPa.s)



1,0245x10-5



8 Konduktivitas Thermal (W/mK) 30,57 Sumber: Perry’s Chemical Engineers’ Handbook



2.1.3



Kondisi Aliran Fluida Proses Laju Total



: 3,0687 kg/s



Laju Gas



: 0,5894 kg/s



Laju Cairan



: 2,4793 kg/s



Temperatur



: -133,847oC



Tekanan



: 6,2224 bar



5 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



2.2



Service Fluid



2.2.1



Pertimbangan Dasar Pemilihan Service Fluid Service fluid yang digunakan adalah air. Air yang digunakan pada awal proses berwujud steam pada aliran masuk dan keluar karena temperatur dan tekanan yang berada di atas Bubble pointnya. Air merupakan cairan yang harganya sangat murah dan mudah didapatkan, sehingga proses pemanasan natural gas menjadi fasa uap akan lebih murah.



2.2.2



Komposisi dan Properti Service Fluid Tabel 2.2 Properti dari Air H2O 1.



Rumus Molekul



H2O -1



2.



Berat Molekul (g.mol )



18,02



3.



Titik Didih (oC)



100



4.



Titik Leleh (oC)



0



5.



Temperatur kritik (K)



647,1



6.



Tekanan kritik (bar)



220,55



7.



-3



Densitas (kg.m )



1



8. Specific Gravity 1 Sumber: Material Safety Data Sheet dan SVN table b.1



2.2.3



Kondisi Aliran Service Fluid Data Fisik



Inlet



Outlet



Laju Steam (kg/s)



1,8084 kg/s



1,8084 kg/s



Temperatur (oC)



226,67



147,78



Tekanan (bar)



3,4474



-



Sumber : PT Pusri III dan IV Indonesia



6 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



3 METODOLOGI PERANCANGAN 3.1 Asumsi-Asumsi yang Digunakan Tabel 3.1Asumsi-asumsi yang digunakan dalam perancanganVaporizer Natural Gas No.



Proses



Asumsi



1



Aliran masuk



Laju alir konstan/ tunak (perubahan laju alir = 0) Aliran masuk natural gas diasumsikan hanya terdapat metana dengan tujuan simplifikasi



2.



Pertukaran panas



Laju pemanasan fluida berlangsung secara steady state



3.



Aliran keluar



Aliran keluar pada fluida proses diasumsikan semua fasa cair dapat berubah menjadi terdapat 1 fasa yaitu fasa gas. Fasa pada aliran keluar service fluid diasumsikan tetap berfasa gas karena dengan temperatur dan tekanan keluaran pabrik, steam tersebut masih berada pada kondisi vapour, bukan liquid.



4.



Penentuan service fluid



Service fluid yang digunakan adalah air.



5.



Data fisik fluida



Data fisik fluida proses diasumsikan pada tekanan operasi, yaitu temperatur diasumsikan pada temperatur saturated karena terdapatnya uap serta cair secara bersama dalam suhu tersebut



6.



Penentuan kalor laten metana



Nilai kalor laten metana berasal dari interpolasi antara suhu 90,69 ᵒC dengan kalor laten 0,8724 x 10-7 dengan suhu 190,56 ᵒC dengan kalor laten 0



7 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



3.2



Tahapan-Tahapan Perancangan



Start



Studi Literatur



Pengumpulan data melalui Laporan Kuliah Lapangan mengenai Vaporizer yang diperoleh: 1. 2. 3. 4.



Laju alir pada shell dan tube Tekanan aliran pada shell dan tube (inlet) Temperatur aliran pada sheel dan tube (inlet dan outlet) ∆𝑃 yang diperbolehkan



Pencarian data fisik untuk fluida pada shell dan tube (inlet): 1. Density 2. Viscosity 3. Specific Heat 4. Thermal Conductivity 5. Molecular weight



Menghitung panas yang dibutuhkan oleh tube: Q = mliquid Lsteam + mvapout Cp-vapout ∆𝑇



Menentukan heat duty dengan memisalkan fluks maksimum sebesar 37.900 W/m2



8 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



Menentukan luas permukaan perpindahan panas



Menentukan jenis, panjang, dan diameter tube (inside dan outside)



Menentukan luas kontak tube



Menentukan jumlah tube yang diperlukan



Menentukan volume dari vapour yang keluar dari shell



Menentukan densitas keluaran vapour



Menentukan Pressure Drop (∆𝑷𝒇) pada tube: 1. 2. 3. 4.



Menentukan laju alir keluaran fasa uap Menghitung Bilangan Reynold Menentukan faktor friksi (j) Menentukan ∆𝑃𝑓 dengan persamaan Lockhart-Martinelli: ΔPf = 8 x j x L x ρmasuk u2 /(2x id.)



9 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



Menentukan Static Pressure (∆𝑃𝑠) pada tube: 𝐿 𝑑𝑥 ∆𝑃𝑠 = 𝑔 ∫ 0 𝑣𝑖 + 𝑥(𝑣𝑜 − 𝑣𝑖)/𝐿



Menentukan Available Pressure (∆𝑃𝑎) pada tube: ∆𝑃𝑎 = 𝜌 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑. 𝑔. 𝐿



Tidak



ΔPa > (ΔPs + ΔPf)



Ya Perancangan memenuhi syarat



Berdasarkan besar pressure drop (ΔPs + ΔPf) yang telah dihitung, data fisik uap outlet dapat ditentukan



Menentukan Pressure Drop pada Shell :



Menentukan baffles spacing (lb) dengan ketentuan: 1 2𝑖𝑛 < 𝑙𝑏−𝑚𝑖𝑛 < 𝐷𝑠 5 𝑙𝑏−𝑚𝑎𝑥 = 74 𝑥 𝐷𝑜𝑢𝑡𝑠𝑖𝑑𝑒−𝑡𝑢𝑏𝑒



10 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



Menentukan jumlah baffles (Nb) dengan ketentuan: 𝑝𝑎𝑛𝑗𝑎𝑛𝑔 𝑝𝑖𝑝𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒 𝑁𝑏 = −1 𝑙𝑏



Menentukan jumlah antar tube (Tube pitch, PT) dengan ketentuan: 1.25 < PT/Do < 1.5.



Menentukan luas cross-flow dengan



Menentukan kecepatan shell-side mass (GS) dan kecepatan linier (vS) dengan cara : 𝐺𝑠 =



Ya



Menentukan diameter ekivalen:



𝑊𝑠 𝐴𝑠



𝐺



dan 𝑣𝑠 = 𝐴𝑠



𝑠



Tidak



Tube Pattern = Triangular Pitch ?



Menentukan diameter ekivalen :



Menentukan Reshell:



11 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



Menentukan koefisien konveksi shell:



Menentukan pressure drop shell:



Menentukan Overall Coefficient (U)



Menentukan koefisien nucleate boiling (hnb) melalui Metode Chen: 𝑃



𝑃



𝑃



hnb = 0,104 (Pc)0,69 (q)0,7 [1,8(𝑃 )0,17 + 4(𝑃 )0,12 + 10 (𝑃 )10 ] 𝐶



𝐶



𝐶



Menentukan vapour quality dengan cara: 𝑙𝑎𝑗𝑢 𝑎𝑙𝑖𝑟 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑎 𝑢𝑎𝑝 𝑥= 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑙𝑎𝑗𝑢 𝑎𝑙𝑖𝑟 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑎



Menentukan parameter aliran 2 fasa Lockhart-Martinelli dengan cara: 1 𝑥 0.9 𝜌𝐿 0,5 𝜇𝑉 0,1 =[ ] [ ] [ ] 𝑥𝑡𝑡 1−𝑥 𝜌𝑉 𝜇𝐿



Menentukan Bilangan Prandtl fasa cair dengan cara: 𝐶𝑝 𝜇 𝑁𝑃𝑟 = 𝑘



12 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



Menentukan Fluks Massa untuk fasa cair



Menentukan Bilangan Reynold fasa cair dengan cara: 𝜌𝑢𝑑 𝑁𝑅𝑒 = 𝜇



Menentukan Faktor perpindahan panas (jh) melalui Fig. 12.23 (Coulson & Richard’son, Chemical Engineering Design, 3rd ed.)



Menentukan Bilangan Nusselt fasa cair: Nu = jh Re Pr0,33



Menentukan koefisien dalam (hi) : hi = Nu x k / Din



Menentukan Faktor Convective Boiling (fc) melalui Fig. 12.56 (Coulson & Richard’son, Chemical Engineering Design, 3rd ed.)



Menentukan Faktor Suppression (fs) melalui Fig. 12.57 (Coulson & Richard’son, Chemical Engineering Design, 3rd ed.)



Menentukan koefisien convective boiling (hcb) : hcb = fc x hi + fs x hnb



13 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



Menentukan Bilangan Reynold fasa cair saat masuk ke tube : Re-liquid-inlet = Re-liquid x v out / v in



Menentukan Faktor perpindahan panas (jh) melalui Fig. 12.23 (Coulson & Richard’son, Chemical Engineering Design, 3rd ed.)



Menentukan Bilangan Nusselt yang baru : Nu = jh x Re-liquid-inlet x 1,6759 0,33



Menentukan koefisien dalam (hi) dengan Bilangan Nusselt yang baru : hi = Nu x k / Din



Menentukan koefisien rata-rata tube dengan cara : Utube = hi + hcb



Menentukan koefisien keseluruhan (U) yang dibutuhkan : Ureq =



37.900 ∆𝑇𝑙𝑚



Menentukan koefisien keseluruhan (U) yang tersedia : Uavail =



1 1 1 1 1 + + + ℎ𝑠 𝑈𝑡𝑢𝑏𝑒 ℎ𝑓𝑜𝑢𝑙𝑖𝑛𝑔 𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙 ℎ𝑓𝑜𝑢𝑙𝑖𝑛𝑔 𝑡𝑢𝑏𝑒



Ureq < Uavail



Tidak



Ya



End



14 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



3.3



Heat Exchanger yang Digunakan HE yang digunakan merupakan jenis Vaporizer bertipe Thermosyphon pada posisi verikal, dengan tipe one shell pass; one tube pass dan tipe alirannya adalah counter-current. Heat exchanger ini berbahan dasar Copper size 5/8.



3.4



Pertimbangan Dasar Pemilihan Jenis Heat Exchanger Pemilihan heat exchanger vaporizer karena vaporizer digunakan untuk mengubah fasa dari campuran dua fasa, yaitu cair dan gas, menjadi satu fasa, yaitu fasa gas semua. Jenis vaporizer mempunyai 3 tipe, yaitu forced circulation, thermosyphon, dan ketttle type. Pemilihan tipe ini didasarkan pada 3 hal, yaitu sifat alami fluida proses seperti viskositasnya, tekanan operasi, serta luas tempat yang dibutuhkan. Dari ketiga tipe tersebut, kami memilih thermosyphone type. Tipe ini merupakan tipe yang paling ekonomis dan cocok karena pada tipe ini menggunakan sirkulasi natural yang tidak menggunakan pompa, sehingga mengurangi biaya pengeluaran pompa. Berbeda dengan tipe forced circulation yang memerlukan pompa untuk mengalirkan dan mengubah fasa. Tipe thermosyphon ini juga cocok untuk aliran fluida berviskositas rendah, sehingga sesuai dengan viskositas fluida ini. Selain itu, tipe ini biasanya tidak cocok untuk tekanan di bawah 0,3 bar. Pada perancangan vaporizer ini, tekanan masuk dan keluar dari vaporizer ini di atas 0,3 bar, sehingga sangat cocok menggunakan tipe thermosyphon ini.



15 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



4 Hasil Perancangan 4.1 Hasil Tabel 4.1Hasil Perancangan HE Vaporizer Naturan Gas No.



Parameter



Nilai



Satuan



1.



U hasil perhitungan



528,3558



W/m2 C



2



∆Tm



232,2025



o



3.



∆Tlm



228,6524



o



4.



Ft (Fouling Factors)



2,839 × 10−3



-



5



L tube



4,8914



m



6



OD tube



0,01905



m



7



ID tube



0,016561



m



8



Jumlah tube



236



buah



9



A (1 tube)



2,13975 × 10−4



buah



10



A total



0,050498



11



OD shell



0,502



M



12



ID shell



0,492



M



13



A penampang tube



0,29418



m2



14



Laju alir tube



6,1612



m/s



15



NRe tube (liquid)



194541,136



-



16



NPr tube



1,6759



-



17



∆Ps



0,111



Pa



18



∆Pa



1811,99194



Pa



19



∆Pf



130,55128



Pa



20



Pt



0,0264



m



21



A penampang shell



0,02186



m2



22



Laju alir shell in dan out



14,5111



m/s



23



hs



1495,58113



m/s



24



Pitch arrangement



Triangular pitch



-



25



hnb



3847,59621



W/m2 C



26



hcb



17403,483



W/m2 C



27



hi



5084,7221



W/m2 C



28



1/Uavailable



0,001893



m2 C/W



C C



16 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas 29



Uavailable



528,3558



W/m2 C



30



Urequired



165,7538



W/m2 C



31



∆P tube



0,0013066



bar



32



∆P shell



0,001084



bar



Dimensi Alat Penukar Panas



1



Panjang tube



4.8914



M



2



Diameter dalam tube



0,016561



M



3



Diameter luar tube



0,01905



M



4



Tebal tube



0,002489



M



5



Jumlah tube



236



buah



6



Tube pitch



0,0264



m



7



L/D



0.29536



m



8



Diameter luar shell



0.502



m



9



Diameter dalam shell



0,492



m



10



Tebal Shell



0.01



m



11



Jumlah Baffle



8



buah



12



Buffle spacing



0,6



m



17 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



4.2



Sketsa Heat Exchanger



Gambar 4.1 Tampak Samping HE



18 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



Gambar 4.2 Penampang dalam HE Tebal Shell = 0,001 m Diameter luar tube = 0,01905 m Diameter dalam tube = 0,016561 m Diameter luar shell = 0,502 m Diameter dalam shell = 0,492 m



19 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



4.3



TEMA Sheet Heat Exchanger



Heat exchanger data sheet General



SERVICE OF UNIT SIZE SURFACE PER UNIT



HE VAPORIZE R



ITEM NO. CONNECTED IN



TYPE SHELLS PER UNIT 1 MIN. SURFACE PER SHELL Performance of One Unit SHELL SIDE TUBE SIDE



FLUID CIRCULATED TOTAL FLUID ENTERING(kg/s) VAPOR(kg/s) LIQUID(kg/s) STEAM(kg/s) NON CONDENSABLES FLUID VAPORIZED OR CONDENSED(kg/s) STEAM CONDENSED(kg/s) GRAVITY.LIQUID VISCOSITY.LIQUI D MOLECULAR WEIGHT.VAPOR TEMPERATURE IN (ᵒC) TEMPERATURE OUT(ᵒC) OPERATING PRESSURE (bar) NUMBER OF PASSES VELOCITY(m/s) PRESS. DROP ALLOWANCE CALC.(bar) FOULING RESISTANCE HEAT EXCHANGED (kW) TRANSFER RATE SERVICE



Steam 1.8084



Natural Gas 3.0687 0.5894 2.4793



1.8084 2.4793 1.8084



226.667 147.78 3.4474



-133.847 43.889 6.2224



14.5111 0.0689



6.1612 0.18116



2736.957458



CONSTRUCTION OF ONE SHELL Shell Side Design/Test pressure



bar



Design temperature



ᵒC



Number passes per shell



1



TUBES



NO.



236



O.D.



19.05



SHELL



ID.



492



O.D.



502



SHELL COVER CHANNEL TUBE SHEETS



Tube Side



LENGTH 4891.4 THICKNES S FLOATING HEAD COVER



PITCH



26,4∆



CHANNEL COVER FLOATING HEAD COVER



20 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas BAFFLE CROSS



TYPE



BAFFLE LONG



TYPE



TUBE SUPPORT



THICKNES S THICKNES S THICKNES S



GASKETS.FL.TG COVER



SHELL



CONNECTION SHELL



OUT



SERIES



OUT



SERIES



CHANNEL CORROSION ALLOWANCE SHELL SIDE



TUBE SIDE



JOB SPESIFICATION REMARKS MANUFACTURER SHALL GUARNTEE THAT SURFACE OFFERED WILL MEET OPERATING CONDITION SHOWN



21 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



5 ANALISIS 5.1 Analisis Kelogisan Perancangan 1. Peninjauan Hilang Tekan Hilang tekan pada heat exchanger ini ditinjau dari bagian shell dan tube. Pada bagian shell, hilang tekan bernilai 1,0841x10-3 bar dan hilang tekan tube bernilai 1,3x10-3 bar dan keduanya lebih kecil dari batas hilang tekan masing maing bagian yaitu 0,0689 pada shell dan 0,2896 pada tube.



2. Peninjauan Koefisien Keseluruhan (U) Nilai koefisien keseluruhan (U) yang diperoleh sebagai U available lebih besar dibandingkan nilai U yang dibutuhkan, sehingga nilai ini cukup logis dan heat exchanger ini layak digunakan pada segi ini.



3. Peninjauan Dimensi Tube pattern dari heat exchanger ini berupa Triangular Pitch karena sudut antar tube yang 30 o menjadikan proses perpindahan panas yang maksimal. Tube pattern berupa square pitch kebanyakan dipakai untuk proses pembersihan mekanis, sehingga kami tidak menggunakan pola ini untuk mengubah semua fasa cair menjadi fasa uap. Jumlah tube hasil rancangan kami adalah 236 buah. Banyaknya tube ini sudah sesuai dengan perbandingan tube sebesasr 1.25 < PT/do < 1.5. Jika perbandingan tersebut terlalu kecil, maka risiko kebocoran pada shell akan semakin besar karena menimbulkan beban yang terlalu berat bagi shell seiring dengan bertambahnya tube. Diameter luar dari tube juga dibuat sekecil dan seefisien mungkin karena semakin kecil diameter luar tube, koefisien perpindahan panasnya juga semakin besar dan menghasilkan perpindahan panas yang lebih efektif. Selain itu, kami menggunakan konfigurasi counter-current yang berguna untuk semakin meningkatkan efektivitas perpindahan panas.



22 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



5.2



Parameter Operasi Proses Hasil Perancangan 1. Laju alir service fluid Laju alir fluida servis ini merupakan nilai yang harus dijaga tetap agar perpindahan panas yang terjadi sesuai dengan harapan



2. Tekanan Tekanan merupakan parameter lain yang harus dijaga tetap dan diharapkan memiliki pressure drop sekecil mungkin karena seluruh data fisik di evaluasi pada P max dan tekanan operasi tidak boleh melebihi tekanan design. Pshell bernilai 3,4474 bar dan Ptube bernilai 6,2224 bar



6 KESIMPULAN Heat exchanger hasil perancangan yang digunakan dalam proses penguapan natural gas dalam hal ini metana merupakan reboiler jenis thermosyphon dengan posisi vertikal. Heat exchanger ini dirancang untuk memindahkan panas dari steam ke natural gas. Kondisi operasi termasuk logis dan dapat digunakan.



7 Referensi No. 1. 2. 3.



Judul Chemical Engineering : An Introduction to Chemical Engineering Design Transport Processes and Unit Operation,3rd ed Unit Operation of Chemical Engineering , 5th ed



4.



Perry’s Chemical Engineers’ Handbook



5.



Process Heat Transfer



Pengarang Coulson, J.M. and Richardson, J. F Geankoplis, C.J McCabe, W.L., Julian Smith, Peter Harriot Perry, Robert H., Green, Don W Hewitt, G.F



Tahun terbit. 1957 1993 1993 1999 1994



23 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



Appendix A – Data Fisik Aliran



A.1 DATA FISIK ALIRAN Heat Exchanger



Shell



In



Out



Water (vapor)



Water(vapor)



Laju Alir



1,8084 kg/s



Laju Alir



1,8084 kg/s



Temperatur



226,667 oC



Temperatur



147,78 oC



Dew/Bubble Point



138,3255 oC



Dew/Bubble Point



138,3255 oC



Quality



0



Quality



0



Tekanan



3,4474 bar



Tekanan



3,4485 bar



Delta P allow/calc



0,0689 bar



Delta P allow/calc



0,001084 bar



Kecepatan



6,27623 m/s



Kecepatan



14,5111 m/s



Densitas



1,516332 kg/m3



Densitas



1,83195 kg/m3



Viskositas



0,017203 mPa.s



Viskositas



0,001397 mPa.s



Kapasitas Panas



1,54653 kJ/kg.K



Kapasitas Panas



1,640323 kJ/kg.K



Konduktivitas Termal



0,036602 W/m.K



Konduktivitas Termal



0,030453 W/m.K



Berat Molekul



18,0153 g/mol



Berat Molekul



18,0153 g/mol



24 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



Laju Alir



Tube



Metan (vapor)



Metan (liquid)



0,5894 kg/s



2,4793 kg/s



Metan (vapor)



Laju Alir



3,0687 kg/s



Temperatur



-133,847 oC



Temperatur



43,889 oC



Dew/Bubble Point



-133,847 oC



Dew/Bubble Point



-164 oC



Quality



0,2377



Quality



0



Tekanan



6,2224 bar



Tekanan



6,2237 bar



Delta P allow/calc



0,18116 bar



Delta P allow/calc



0,0013 bar



Kecepatan



6,1612 m/s



Kecepatan



0,19206 m/s



Densitas



9,8632 kg/m3



377,9226 kg/m3



Densitas



316,4052 kg/m3



Viskositas



0,00569 mPa.s



0,06704 mPa.s



Viskositas



0,1185 mPa.s



Kapasitas Panas



2,597576 kJ/kg.K



3,802226 kJ/kg.K



Kapasitas Panas



1,7595 kJ/kg.K



Konduktivitas Termal



0,015688 W/m.K



0,1521 W/m.K



Konduktivitas Termal



0,04273 W/m.K



Berat Molekul



16,04 g/mol



Berat Molekul



16,04 g/mol



25 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



Appendix B – Contoh Perhitungan B.1



Perhitungan Pressure Drop Tube Side



1. Perhitungan panas yang dibutuhkan untuk tube Q = 𝑚𝑣 × 𝐿 + 𝑚𝑣 × 𝐶𝑝𝑣 × ∆𝑇 𝑘𝑔 𝑘𝑔 𝑘𝐽 𝑘𝐽 Q = (2,4793 ⁄𝑠 ×532,4856 ⁄𝑘𝑔) + (3,0687 ⁄𝑠 ×2,597576 ⁄𝑘𝑔. 𝐾 ×( 43,889 + 133,847) K Q = 2736,957458



𝑘𝐽⁄ 𝑠 = 2736.957,458 W



2.



Perhitungan Luas yang dibutuhkan (Abutuh) 𝑄 2736.957,458 𝑊 𝐴𝑏𝑢𝑡𝑢ℎ = = = 68,94 𝑚2 𝑊 𝑄𝑓𝑙𝑢𝑥 39700 ⁄𝑚2



3.



Perhitungan Luas permukaan yang kontak dengan 𝐴𝑘𝑜𝑛𝑡𝑎𝑘 = 𝜋 × 𝐷𝑜𝑢𝑡 × 𝐿 𝐴𝑘𝑜𝑛𝑡𝑎𝑘 = 3,14 × 19,05 × 10−3 × 4,894 = 0,29418 𝑚2



4.



Perhitungan Volume Exit 𝑘𝑔 Liquid density = 377,9226 ⁄𝑚3 𝑔 Mr at tube entry = 16,04 ⁄𝑚𝑜𝑙 𝑔 Mr at tube exit = 16,04 ⁄𝑚𝑜𝑙 Vol vapour = vap flow rate 𝑣𝑜𝑙 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑢𝑟 = 0,5894 ×



22,4 317,089 × = 2,4953 𝑚3 6,1410 273,2



5.



Perhitungan Exit Density 3,0687 × 16,04 𝑘𝑔 𝜌𝑜𝑢𝑡 = × 16,04 = 316,40521 ⁄𝑚3 2,4953 maka dipilih pipa dengan diameter dalam = 16,561 mmdan diameter luar = 19,05 mm 2 𝐿𝑢𝑎𝑠 𝑝𝑒𝑛𝑎𝑚𝑝𝑎𝑛𝑔 1 𝑡𝑎𝑏𝑢𝑛𝑔 = 𝜋 × 𝑟𝑖𝑛 = 2,13975 × 10−4 𝑚2 𝐿𝑢𝑎𝑠 𝑝𝑒𝑛𝑎𝑚𝑝𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 236 × 2,13975 × 10−4 = 0,050498 𝑚2



6.



Perhitungan Pressure Drop Tube  Outlet Kecepatan keluar 𝑙𝑎𝑗𝑢 𝑎𝑙𝑖𝑟 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑣𝑜𝑢𝑡 = 𝑙𝑢𝑎𝑠 × 𝜌𝑜𝑢𝑡 3,0687 𝑣𝑜𝑢𝑡 = = 0,19206 𝑚⁄𝑠 0,0505 × 316,40521 26 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas Bilangan Reynolds 𝜌𝑜𝑢𝑡 × 𝑣𝑜𝑢𝑡 × 𝐼𝐷 𝜇 316,40521 × 0,19206 × 16,561 × 10−3 𝑁𝑅𝑒 = = 84913,96673 11,8519 × 10−6 Berdasarkan grafik 12,24 pada buku Coulson, faktor friksi (j) = 0,0028 8 × 𝑗 × 𝐿 × 𝜌𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 𝑢2 ∆𝑃𝑓 = 2 × 𝐼𝐷 8 × 0,0028 × 4,8914 × 316,40521 × 0,192062 ∆𝑃𝑓 = = 38,6084 𝑃𝑎⁄𝑚 2 × 16,561 × 10−3 𝑁𝑅𝑒 =







Inlet Kecepatan keluar 𝑙𝑎𝑗𝑢 𝑎𝑙𝑖𝑟 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑣𝑜𝑢𝑡 = 𝑙𝑢𝑎𝑠 × 𝜌𝑜𝑢𝑡 3,0687 𝑣𝑜𝑢𝑡 = = 6,1612 𝑚⁄𝑠 0,050498 × 9,8632 Bilangan Reynolds



𝜌𝑜𝑢𝑡 × 𝑣𝑜𝑢𝑡 × 𝐼𝐷 𝜇 9,8637 × 6,1612 × 16,561 × 10−3 𝑁𝑅𝑒 = = 84914,47425 11,8519 × 10−6 1𝑦 Berdasarkan grafik 12.24 pada buku Coulson, faktor friksi (j) = 0,0028 8 × 𝑗 × 𝐿 × 𝜌𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 𝑢2 ∆𝑃𝑓 = 2 × 𝐼𝐷 8 × 0,0028 × 4,8914 × 9,8632 × 6,16122 ∆𝑃𝑓 = = 1238,5487 𝑃𝑎⁄𝑚 2 × 16,561 × 10−3 Maka ∆𝑃𝑓 rata-rata untuk pipa sepanjang 4,18914 = (38,6084 + 1238,5487)/ 2 x 4,8914 = 130,55128 Pa 𝑁𝑅𝑒 =



7.



Perhitungan Static Pressure 𝑉𝑜



∆𝑃𝑠 = 𝑔 × 𝐿 × ln (



𝑉𝑖



𝑉𝑜 − 𝑉𝑖



)



Dimana vo dan vi adalah spesifik volum pada inlet dan outlet 1 1 3 = = 2,646 × 10−3 𝑚 ⁄𝑘𝑔 𝜌𝑙𝑖𝑞 377,9226 1 3 𝑣𝑖 = = 3,1605 × 10−3 𝑚 ⁄𝑘𝑔 316,4025 𝑣𝑖 =



8.



Perhitungan Available head ∆𝑃𝑎 = 𝜌𝑖𝑛 × 𝑔 × 𝐿 = 1811,99194 𝑃𝑎 27 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas ∆𝑃𝑠 + ∆𝑃𝑓 = 0,111 + 130,55128 = 130,66228 𝑃𝑎 nilai ∆Pa yang diperoleh ternyata lebih besar dari nilai (∆Ps + ∆Pf) , maka proses memenuhi syarat 9. Perhitungan Heat Transfer ℎ𝑛𝑏 ℎ𝑛𝑏



𝑃 0,17 𝑃 1,2 𝑃 10 = 0,014 × × (𝑞) × [1,8 × ( ) + 4 × ( ) + 10 × ( ) ] 𝑃𝑐 𝑃𝑐 𝑃𝑐 0,69 0,7 = 0,014 × (45,99) × (37900) (𝑃𝑐)0,69



0,7



6,2224 0,17 6,2224 1,2 6,2224 10 × [1,8 × ( ) +4×( ) + 10 × ( ) ] 45,99 45,99 45,99 ℎ𝑛𝑏 = 3847,59621 𝑊⁄𝑚2 . ℃ Vapour quality, x =



𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑓𝑙𝑜𝑤



=



0,5894 3,0687



= 0,19207



Viskositas vapour = 0,00569 𝑚𝑁. 𝑠⁄𝑚2 Densitas vapour keluar tube =



𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑢𝑟 ×𝑀𝑟 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑢𝑟



=



0,5894 × 16,04 2,4953



= 3,7887



𝑘𝑔⁄ 𝑚3



1 𝑋 0,9 𝜌𝐿 0,5 𝜇𝑣 0,1 =[ ] [ ] [ ] 𝑋𝑡𝑡 1−𝑋 𝜌𝑣 𝜇𝐿 1 0,19207 0,9 377,9226 0,5 0,00569 0,1 =[ ] [ ] [ ] = 1,32753 𝑋𝑡𝑡 1 − 0,19207 9,8632 0,06704 Specific heat of liquid = 3,802226



𝑘𝐽 ⁄𝑘𝑔. 𝐾



Konduktivitas termal = 0,1521 𝑊⁄𝑚. 𝐾 3,802226 × 0,06704 𝑃𝑟𝐿 = ( ) = 1,6759 0,1521 𝑘𝑔 Mass flux = 2,4793 x 16,04 / 0,050498 = 787,5158 ⁄𝑚2 . 𝑠 Kecepatan = 787,5158/ 377,9226 = 2,0838 𝑚⁄𝑠 377,9226 × 2,0838 × 16,561 × 10−3 𝑅𝑒𝐿 = = 194541,136 (2 × 105 ) −3 0,06704 × 10 4,8914 𝐿⁄ = 𝐷 16,561 × 10−3 = 295,36 (300) Berdasarkan grafik 12.23 pada buku Coulson, diperoleh jh = 2,4 x 10-3 Nu = jh x Re x Pr0,33 𝑁𝑢 = 2,4 × 10−3 × 194541,136 × 1,67590,33 = 555,6363 ℎ𝑖 = 555,6363 ×



0,1521 = 5084,7221𝑊𝑚−2 ᵒ𝐶 −1 16,561 × 10−3



Berdasarkan grafik 12.56 pada buku Coulson, diperoleh convective boiling factor,fc=3,4 28 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas 𝑅𝑒𝐿 × 𝑓𝑐 1,25=194541,136 × 3,41,25 = 898173,2032 (8,9 × 105 ) Berdasarkan grafik 12.57 pada buku coulson, diperoleh nilai 𝑓𝑠 = 0,03 ℎ𝑐𝑏 = 𝑓𝑐 ℎ𝑖 × 𝑓𝑠 ℎ𝑛𝑏 ℎ𝑐𝑏 = 3,4 × 5084,7221 + 0,03 × 3847,59621 = 17403,483 𝑊𝑚−2 ᵒ𝐶 −1 0,19206 𝑣 𝑅𝑒𝐿 𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡 = 𝑅𝑒𝐿 × 𝑜𝑢𝑡⁄𝑣𝑖𝑛 = 194541,136 × = 6064,333(6 × 104 ) 6,1612 Berdasarkan grafik 12.23, diperoleh nilai𝑗ℎ = 3,15 × 10−3 𝑁𝑢 = 𝑗ℎ × 𝑅𝑒𝐿 𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡 × 1,67590,33 = 22,6514 ℎ𝑖 = 22,6514 ×



0,1521 = 208,0358𝑊𝑚−2 ᵒ𝐶 −1 −3 16,561 × 10 208,0358 + 17403,483 = 8805,7594 𝑊𝑚−2 ᵒ𝐶 −1 2 1 𝐵𝑡𝑢



𝑀𝑒𝑎𝑛 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡 = 1 𝑈𝑎𝑣𝑎𝑙𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒



=



1 ℎ𝑠



+𝑈



1



𝑡𝑢𝑏𝑒



+ℎ



1 𝑓𝑜𝑢𝑙𝑖𝑛𝑔 𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙



1



+ℎ



𝑓𝑜𝑢𝑙𝑖𝑛𝑔 𝑡𝑢𝑏𝑒



ℎ 𝑓𝑡 2 ℉



Sumber: http://www.engineeringpage.com/technology/thermal/fouling_factors.html 1 𝑈𝑎𝑣𝑎𝑙𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒



1



=



1



1



1495,581113



1



1



+ 8805,7594 + 2,839×10−3 + 5,678×10−3



𝑈𝑎𝑣𝑎𝑙𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒 = 528,3558 𝑊𝑚−2 ᵒ𝐶 −1 ∆𝑇𝐿𝑀 =



∆𝑇1 − ∆𝑇2 ∆𝑇1



𝑙𝑛 ∆𝑇



2



𝑈𝑟𝑒𝑞 =



=



182,778 − 281,627 182,778



𝑙𝑛 281,627



= 228,6524



37900 = 165,7538𝑊𝑚−2 ᵒ𝐶 −1 228,6524



Karena nilai U yang di butuhkan lebih kecil dibandingkan nilai U yang tersedia(528,3558 < 165,7538), sehingga heat exchanger ini layak digunakan. B.2 Perhitungan Pressure Drop Shell Side 1. Data yang diketahui Baffle spacing maksimum = 1514mm Baffle spacing minimum = 98 mm Jumlah Baffle = 5 Digunakan nilai baffle 600 mm yang berada diantara nilai minimum dan maksimumnya Pt = 0,0264 m Do=0,01905 m lb=0,6 m 2. Perhitungan kecepatan masuk dan keluar shell 29 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas (𝑃𝑡 − 𝑑𝑜) × 𝐷𝑠 × 𝑙𝑏 (0,0264 − 0,01905) = × 0,492 × 0,6 = 0,02186 𝑚2 𝑃𝑡 0,0264 𝑘𝑔 𝑊𝑠 1,8084 ⁄𝑠 𝑘𝑔 𝐺𝑠 = = = 22,00365 ⁄𝑚2 𝑠 2 𝐴𝑠 0,082186𝑚 𝑘𝑔 𝐺𝑠 22,00365 ⁄𝑚2 𝑠 𝑣𝑠𝑜𝑢𝑡 = = = 14,511 𝑚⁄𝑠 𝑘𝑔⁄ 𝜌 1,516332 𝑚3 1,8084 𝑚⁄ 𝑣𝑠𝑖𝑛 = 𝑠 0,492 2 = 6,27623 1,516332 × 3,14 × ( 2 ) 𝐴𝑠 =



3. Triangular pitch 𝑑𝑒 =



110 (𝑃𝑡 2 − 0,917𝑑𝑜 2 ) = 2,10287𝑚 𝑑𝑜



𝑅𝑒𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙 =



𝐺𝑠 𝑑𝑒 22,00365 × 2,10287 = = 2689694,558 𝜇 0,017203 × 10−3



Dari nilai Re ini diperoleh nilai jh=7,8x10-3 berdasarkan grafik 12.23 dari buku Coulson 𝑁𝑢 =



ℎ𝑠 × 𝑑𝑒 𝜇 0,14 1 = jh x Re x 𝑃𝑟 ⁄3 × ( ) 𝑘𝑓 𝜇𝑤



𝐶𝑝 × 𝜇 1,54653 × 0,01703 = = 2,13688 𝑘 0,036602 0,36602 0,14 ℎ𝑠 × 2,10287 1 7,8 × 10−3 × 2689694,558 × 2,13688 ⁄3 × ( ) = 0,386 0,0036602 𝑃𝑟 =



ℎ𝑠 = 1495,58113 𝑊⁄𝑚2 𝐾 Berdasarkan grafik 12.30 dari buku Coulson nilai jf=3,2x10-2 𝐷𝑠 𝐿 𝜌𝜇𝑠 2 𝜇 −0,14 ∆𝑃𝑠 = 8𝑗𝑓 × ( ) × ( ) × ×( ) 𝑑𝑒 𝑙𝐵 2 𝜇𝑤 ∆𝑃𝑠 = 8 × 3,2 × 10−3 × (



0,492 4,8914 1,516332 × 14,5112 0,36602 −0,14 )×( )× ×( ) 2,10278 0,6 2 0,386



∆𝑷𝒔 = 𝟏𝟎𝟖, 𝟒𝟎𝟖𝟗𝑷𝒂 = 𝟏, 𝟎𝟖𝟒𝟏 × 𝟏𝟎−𝟑 𝒃𝒂𝒓



Grafik 30 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



31 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



Sumber: Sinnot, Coulson, Volume 6,2003



32 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



Appendix C – Algoritma Flowchart 1. Mempelajari tentang cara mendesain Vaporizer dari referensi Referensi utama yang kami gunakan adalah Coulson dan Richardson’s, Chemical Engineering Desain 3rd Ed.



2. Pengumpulan data tentang kondisi pabrik melalui Laporan Kuliah Lapangan Kondisi pabrik yang diperlukan antara lain : a. Laju alir pada shell dan tube b. Tekanan aliran pada shell dan tube (inlet) c. Temperatur aliran pada sheel dan tube (inlet dan outlet) d. ∆𝑃 yang diperbolehkan e. Berat molekul



3. Mengumpulkan data fisik dari fluida yang akan dipakai Data fisik fluida (proses maupun servis) yang diperlukan antara lain : a. Berat molekul b. Densitas c. Viskositas d. Titik leleh e. Titik didih f. konduktivitas termal g. Kapasitas Panas



4. Menghitung panas yang dibutuhkan Beban panas yang harus dipindahkan Heat Exchanger (Q), sesuai spesifikasi fluida proses dengan ketentuan semua keluaran merupakan fasa uap, artinya semua masukan fasa cair diubah menjadi fasa uap.



Q



=



mliquid Lsteam + mvapout Cp-vapout ∆𝑇



5. Menentukan heat duty Besar panas yang tersedia dimisalkan dengan menentukan fluks maksimum sebesar 37.900 W/m2 6. Menentukan luas permukaan perpindahan panas Luas permukaan diperoleh dengan membagi besar panas yang dipindahkan dengan fluks maksimum 33 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas 7. Menentukan jenis, panjang, dan diameter tube (inside dan outside) Dalam menentukan jenis tube, kami mempertimbangkan faktor kekuatan, tingkat kemudahan korosi jika terkena fluida proses kami, dan faktor ekonomisnya. Panjang dan diameter tube ditentukan dengan membuat asumsi awal. Pengecekan asumsi tersebut dilakukan ketika menentukan pressure drop dan koefisien panas keseluruhan. 8. Menentukan luas kontak tube Luas kontak untuk satu tube adalah luas selimut tabung tube. 9. Menentukan jumlah tube yang diperlukan Jumlah tube yang diperlukan diketahui dengan cara membagi luas permukaan perpindahan panas dengan luas kontak tube. 10. Menentukan volume dari vapour yang keluar dari tube Volume keluaran fasa uap dari shell ditentukan dengan perhitungan Hukum Boyle-Lussac dengan kondisi satu saat 273 K dan kondisi dua saat 317,089 K. 11. Menentukan densitas keluaran vapour Densitas keluaran fasa uap pada tube ditentukan dengan mengalikan laju alir massa uap, massa molekular, dan dibagi dengan volume keluaran fasa uap 12. Menentukan Pressure Drop (∆𝑷𝒇) pada tube: Besar hilang tekan pada tube ditentukan dengan tahap-tahap seperti berikut : 1. Menentukan laju alir keluaran fasa uap 2. Menghitung Bilangan Reynold 3. Menentukan faktor friksi (j) berdasarkan grafik 12.24 dari buku Coulson 4. Menentukan ∆𝑃𝑓 dengan persamaan Lockhart-Martinelli: ΔPf = 8 x j x L x ρmasuk u2 /(2x id.) 13. Menentukan Static Pressure (∆𝑷𝒔) pada tube: Besar tekanan statis pada tube ditentukan dengan persamaan sebagai berikut : 𝐿 𝑑𝑥 ∆𝑃𝑠 = 𝑔 ∫ 0 𝑣𝑖 + 𝑥(𝑣𝑜 − 𝑣𝑖)/𝐿 14. Menentukan Available Head pada tube Besar available head diperoleh dengan mengalikan (ρmasuk*g *L) 15. Pengecekan pressure drop hasil kalkulasi Jika ΔPa > (ΔPs + ΔPf), maka asumsi awal mengenai panjang dan diameter tube benar dan dapat melanjutkan ke langkah nomor enam belas. Jika ΔPa < (ΔPs + ΔPf), maka asumsi awal mengenai panjang dan diameter tube salah dan mengulang kembali pada langkah nomor tujuh.



34 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas Menentukan Pressure Drop pada Shell 16. Menentukan baffles spacing (lb) dengan ketentuan: 1 2𝑖𝑛 < 𝑙𝑏−𝑚𝑖𝑛 < 𝐷𝑠 5 𝑙𝑏−𝑚𝑎𝑥 = 74 𝑥 𝐷𝑜𝑢𝑡𝑠𝑖𝑑𝑒−𝑡𝑢𝑏𝑒 17. Menentukan jumlah baffles (Nb) dengan ketentuan: 𝑝𝑎𝑛𝑗𝑎𝑛𝑔 𝑝𝑖𝑝𝑎 𝑡𝑢𝑏𝑒 𝑁𝑏 = −1 𝑙𝑏 18. Menentukan jumlah antar tube (Tube pitch, PT) Ketentuan untuk menentukan jarak antar tube adalah 1.25 < PT/Do < 1.5 19. Menentukan luas cross-flow dengan ketentuan (𝑃𝑡 − 𝑑𝑜) × 𝐷𝑠 × 𝑙𝑏 𝐴𝑠 = 𝑃𝑡 20. Menentukan kecepatan shell-side mass (GS) dan kecepatan linier (vS) 𝐺𝑠 =



𝑊𝑠 𝐴𝑠



𝐺



dan 𝑣𝑠 = 𝐴𝑠



𝑠



21. Menentukan besar diameter ekivalen berdasarkan jenis tube pattern a. Jika tube pattern yang dipakai adalah berpola triangular pitch, maka :



b. Jika tube pattern yang dipakai adalah berpola square pitch, maka :



22. Menentukan Bilangan Reynold dari shell



23. Menentukan koefisien konveksi shell



24. Menentukan besar Faktor Perpindahan panas (jh)



35 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas Fraksi tersebut berdasarkan Grafik 12.23 dari buku Coulson dan Richardson’s, Chemical Engineering Desain 3rd Ed.



25. Menentukan bilangan Prandtl 𝐶𝑝 × 𝜇 𝑃𝑟 = 𝑘 26. Menentukan koefisien konveksi shell 𝑁𝑢 =



ℎ𝑠 × 𝑑𝑒 𝜇 0,14 1 = jh x Re x 𝑃𝑟 ⁄3 × ( ) 𝑘𝑓 𝜇𝑤



27. Menentukan faktor friksi (jf) Fraksi tersebut berdasarkan Grafik 12.30 dari buku Coulson dan Richardson’s, Chemical Engineering Desain 3rd Ed



36 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



28. Menentukan pressure drop pada shell 𝐷𝑠 𝐿 𝜌𝜇𝑠 2 𝜇 −0,14 ∆𝑃𝑠 = 8𝑗𝑓 × ( ) × ( ) × ×( ) 𝑑𝑒 𝑙𝐵 2 𝜇𝑤



Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Keseluruhan 29. Menentukan koefisien konveksi nucleate boiling ℎ𝑛𝑏 = 0,014 ×



(𝑃𝑐)0,69



× (𝑞)



0,7



𝑃 0,17 𝑃 1,2 𝑃 10 × [1,8 × ( ) + 4 × ( ) + 10 × ( ) ] 𝑃𝑐 𝑃𝑐 𝑃𝑐



30. Menentukan vapour quality 𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑥= 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑓𝑙𝑜𝑤



31. Menentukan densitas vapour keluar tube 𝜌=



𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑢𝑟 × 𝑀𝑟 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑢𝑟



32. Menentukan parameter aliran 2 fasa Lockhart-Martinelli 1 𝑋 0,9 𝜌𝐿 0,5 𝜇𝑣 0,1 =[ ] [ ] [ ] 𝑋𝑡𝑡 1−𝑋 𝜌𝑣 𝜇𝐿



37 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas 33. Menentukan Bilangan Prandtl fasa cair 𝐶𝑝 𝜇 𝑁𝑃𝑟 = 𝑘 34. Menentukan Fluks Massa untuk fasa cair 35. Menentukan Bilangan Reynold fasa cair 36. Menentukan Faktor Perpindahan Panas (jh) dari Grafik 12.23 Fraksi tersebut berdasarkan Grafik 12.23 dari buku Coulson dan Richardson’s, Chemical Engineering Desain 3rd Ed.



37. Menentukan Bilangan Nusselt fasa cair Nu = jh Re Pr0,33 38. Menentukan koefisien dalam (hi) hi = Nu x k / Din 39. Menentukan Faktor Convective Boiling (fc) melalui Fig. 12.56 (Coulson & Richard’son, Chemical Engineering Design, 3rd ed.)



38 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



40. Menentukan Faktor Suppression (fs) melalui Fig. 12.57 (Coulson & Richard’son, Chemical Engineering Design, 3rd ed.)



41. Menentukan koefisien convective boiling (hcb) hcb = fc x hi + fs x hnb 42. Menentukan Bilangan Reynold fasa cair inlet 𝑣 𝑅𝑒𝐿 𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡 = 𝑅𝑒𝐿 × 𝑜𝑢𝑡⁄𝑣𝑖𝑛 43. Menentukan Menentukan Faktor Perpindahan Panas (jh) dari Grafik 12.23 Fraksi tersebut berdasarkan Grafik 12.23 dari buku Coulson dan Richardson’s, Chemical Engineering Desain 3rd Ed.



39 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas



44. Menentukan Bilangan Nusslet baru 𝑁𝑢 = 𝑗ℎ × 𝑅𝑒𝐿 𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡 × 1,67590,33 45. Menentukan koefisien dalam (hi) dengan Bilangan Nusselt baru hi = Nu x k / Din 46. Menentukan koefisien rata-rata tube Utube = hi + hcb 47. Menentukan besar perubahan log mean temperature ∆𝑇1 − ∆𝑇2 ∆𝑇𝐿𝑀 = ∆𝑇 𝑙𝑛 ∆𝑇1 2



48. Menentukan koefisien keseluruhan (U) yang dibutuhkan Ureq =



37.900 ∆𝑇𝑙𝑚



40 dari 41



Perancangan Heat Exchanger Vaporizer Pada Natural Gas 49. Menentukan fouling factor pada shell dan tube



Sumber : http://www.engineeringpage.com/technology/thermal/fouling_factors.html 50. Menentukan koefisien keseluruhan (U) yang tersedia Uavail =



1 1 1 1 1 + + + ℎ𝑠 𝑈𝑡𝑢𝑏𝑒 ℎ𝑓𝑜𝑢𝑙𝑖𝑛𝑔 𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙 ℎ𝑓𝑜𝑢𝑙𝑖𝑛𝑔 𝑡𝑢𝑏𝑒



51. Pengecekan koefisien keseluruhan a. Jika Ureq < Uavail, maka proses selesai dan perhitungan dihentikan b. Jika Ureq > Uavail, maka lakukan iterasi pada langkah 7, yaitu menentukan dimensi diameter dan panjang tube



41 dari 41