EXCHANGER ( SPESIFIKASI PERALATAN, CHEMICAL ENGINEERING)

Þ    Mekanisme perpindahan panas :

• Konduksi : perpindahan panas melalui suatu benda oleh perpindahan momentum dari molekul atau atom tanpa proses pencampuran.

Contoh : aliran panas melalui dinding metal.

• Konveksi : perpindahan panas dari fluida panas kebagian yang dingin degan pengadukan.

Contoh : memasak air

• Radiasi : proses aliran panas dari fluida yang bersuhu tinggi ke fluida yang bersuhu rendah bila fluida tersebut terpisah dalam suatu ruang tanpa menggunakan medium.

Þ    Alat penukar panas :

• Alat yang difungsikan untuk mengakomodasikan perpindahan panas dari fluida panas ke fluida dingin dengan adanya perbedaan temperatur.
• Karena panas yang dipertukarkan terjadi dalam sebuah sistem maka kehilangan panas dari suatu benda akan sama dengan panas yang diterima benda lain.

Þ    Kemampuan untuk menerima panas dipengaruhi oleh 3 hal :

• Koefisien overall perpindahan panas (U)

menyatakan mudah atau tidaknya panas berpindah dari fluida panas ke fluida dingin dan juga menyatakan aliran panas menyeluruh sebagai gabungan proses konduksi dan konveksi.

• Luas bidang yang tegak lurus terhadap arah perpindahan panas.

Karena luas perpindahan panas tidak konstan, sehingga dalam praktek dipilih luas perpindahan panas berdasarkan luas dinding bagian luar.

• Selisih temperatur rata-rata logaritmik (T LMTD).

LMTD : perbedaan temperatur yang dipukul rata-rata setiap bagian HE. Karena perbedaan temperatur di setiap bagian HE tidak sama.

Þ    Keuntungan shell & tube exchanger :

• Memiliki permukaan perpindahan panas persatuan volume yang lebih besar
• Mempunyai susunan mekanik yang baik dengan bentuk yang cukup baik untuk operasi bertekanan.
• Tersedia dalam berbagai bahan konstruksi
• Prosedur pengopersian lebih mudah
• Metode perancangan yang lebih baik telah tersedia
• Pembersihan dapat dilakukan dengan mudah

Þ    Penentuan fluida dalam shell atau tube :

• Fluida bertekanan tinggi dialirkan di dalam tube karena tube standar cukup kuat menahan tekanan yang tinggi.
• Fluida berpotensi fouling dialirkan di dalam tube agar pembersihan lebih mudah dilakukan.
• Fluida korosif dialirkan di dalam tube karena pengaliran di dalam shell membutuhkan bahan konstruksi yang mahal yang lebih banyak.
• Fluida bertemperature tinggi dan diinginkan untuk memanfaatkan panasnya dialirkan di dalam tube karena dengan ini kehilangan panas dapat dihindarkan.
• Fluida dengan viscositas yang lebih rendah dialirkan di dalam tube karena pengaliran fluida dengan viscositas tinggi di dalam penampang alir yang kecil membutuhkan energi yang lebih besar.

Fluida dengan viskositas tinggi ditempatkan di shell karena dapat digunakan baffle untuk menambah laju perpindahan.

• Fluida dengan laju alir rendah dialirkan di dalam tube. Diameter tube yang kecil menyebabkan kecepatan linier fluida (velocity) masih cukup tinggi, sehingga menghambat fouling dan mempercepat perpindahan panas.
• Fluida yang mempunyai volume besar dilewatkan melalui tube, karena adanya cukup ruangan.

Þ    Analisa kinerja HE :

1. Koefisien overall perpindahan panas (U)

menyatakan mudah atau tidaknya panas berpindah dari fluida panas ke fluida dingin dan juga menyatakan aliran panas menyeluruh sebagai gabungan proses konduksi dan konveksi.

1. Fouling factor (Rd)

• fouling adalah peristiwa terakumulasinya padatan yang tidak dikehendaki di permukaan Heat Exchanger yang berkontak dengan fluida kerja, termasuk permukaan heat transfer. Peristiwa tersebut adalah pengendapan, pengerakan, korosi, polimerisasi dan proses biologi.
• Angka yang menunjukkan hambatan akibat adanya kotoran yang terbawa fluida yang mengalir di dalam HE.

• Penyebab terjadinya fouling :

-   Adanya pengotor berat yaitu kerak keras yang berasal dari hasil korosi ataucoke keras.

-   Adanya pengotor berpori yaitu kerak lunak yang berasal dari dekomposisi kerak keras.

• Akibat fouling :

-   mengakibatkan kenaikan tahanan heat transfer, sehingga meningkatkan biaya, baik investasi, operasi maupun perawatan.

-   ukuran Heat Exchanger menjadi lebih besar, kehilangan energi meningkat, waktu shutdown lebih panjang dan biaya perawatan meningkat.

• Variabel operasi yang berpengaruh terhadap fouling :

-   Kecepatan Linier Fluida (Velocity)

Semakin tinggi kecepatan linier fluida, semakin rendah kemungkinan terjadinya fouling. Sebagai batasan dalam rancangan dapat digunakan nilai-nilai berikut:

1). Kecepatan fluida proses di dalam tube adalah 3 – 6 ft/s

2). Kecepatan fluida pendingin di dalam tube adalah 5 – 8 ft/s

3). Kecepatan fluida tube maksimum untuk menghambat terjadinya fouling adalah 10 – 15 ft/s

4). Kecepatan fluida shell adalah 1 – 3 ft/s.

-   Temperature Permukaan dan Temperature Fluida

Kecepatan terbentuknya fouling akan meningkat dengan meningkatnya temperatur.

1. Pressure drop

• Untuk mengetahui sejauh mana fluida dapat memepertahankan tekanan yang dimilikinya selama fluida mengalir.
• Disebabkan oleh 2 hal :

-   Friksi aliran dengan dinding

-   Pembelokan aliran

• Jika ΔP terlalu besar:

-   Disebabkan jarak antar buffle yang terlalu dekat

-   Aliran menjadi lambat

-   Perlu tenaga pompa yang besar

• Jika ΔP terlalu rendah

Perpindahan panas tidak sempurna

Þ    3 tipe pembersihan HE :

• Chemical / Physical Cleaning

metode pembersihan dengan mensirkulasikan agent melalui peralatan biasanya menggunakan HCl 5-10%.

• Mechanical Cleaning

-   Drilling atau Turbining

Pembersihan dilakukan dengan mendrill deposit yang menempel pada dindingtube.

-   Hydrojeting

Pembersihan dilakukan dengan cara menginjeksikan air ke dalam tube pada tekanan yang tinggi, untuk jenis deposit yang lunak.

• Gabungan dari keduanya

Þ    Komponen dasar penyusun HE

1.Tube

• Merupakan pipa kecil yang tersusun di dalam shell
• Aliran di dalam tube sering dibuat melintas lebih dari 1 kali dengan tujuan untuk memeperbesar koefisisen perpindahan panas lapiasan film fluida dalam tube.

• Tipe susunan tube

   Susunan Segitiga (Triangular Pitch).

-   Keuntungan :

• o Film koeffisien lebih tinggi daripada square pitch.
  • o Dapat dibuat jumlah tube yang lebih banyak sebab susunannya kompak.

-   Kerugian :

• o Pressure drop yang terjadi antara menengah ke atas.
• o Tidak baik untuk fluida fouling
• o Pembersihan secara kimia

   Susunan Segitiga Diputar 30o (Rotated Triangular Pitch)

-   Keuntungan :

• o Film koeffisisennya tidak sebesar susunan triangular pitch, tetapi lebih besar dari susunan square pitch.
• o Dapat digunakan pada fluida fouling

-   Kerugian :

• o Pressure drop yang terjadi antara menengah ke atas.
• o Pembersihan secara kimia

   Susunan Bujur sangkar (Square Pitch)

-   Keuntungan :

• o Bagus untuk kondisi yang memerlukan pressure drop rendah.
• o Baik untuk pembersihan luar tube secara mekanik.
• o Baik untuk menangani fluuida fouling.

-   Kerugian :

• o Film koeffisiennya relatif rendah

   Susunan Bujur sangkar yang Diputar 45o (Diamond Square Pitch).

-   Keuntungan :

• o Film koeffisiennya lebih baik dari susunan square pitch, tetapi tidak sebaik triangular pitch dan rotated triangular pitch.
• o Mudah untuk pembersihan dengan mekanik
• o Baik untuk fluida fouling.

-   Kerugian :

• o Film koeffisisen relatif rendah
• o Pressure drop tidak serendah square pitch

• Tube pitch

Lubang yang tidak dapat dibor dengan jarak yang sangat dekat, karena jarak tube yang terlalu dekat akan melemahkan struktur penyangga tube.

• Clearance

Jarak terdekat antara 2 tube yang berdekatan

2.Tube Sheet

• Suatu flat lingkaran yang fungsinya memegang ujung-ujung tube dan juga sebagai pembatas aliran fluida di shell & tube

3.Baffle

Sekat-sekat yang digunakan untuk :

• Mengatur aliran lewat shell sehingga turbulensi yang tinggi akan diperoleh
• Menahan struktur tube bundle
• Menahan atau mencegah terjadinya getaran pada tube

4.Shell

• Merupakan bagian tengah alat penukar panas
• Merupakan tempat untuk tube bundle

5.Tube Side Channel dan Nozzle

Mengatur aliran fluida di tube

6.Channel Cover

Tutup yang dapat dibuka saat pemeriksaan dan pembersihan

Þ    BWG (Birmingham Wire Gage) yaitu menyatakan ukutan tebal tube. BWG kecil berarti tube semakin tebal dan sebaliknya.

Þ    Keuntungan HE countercurrent

Mempunyai LMTD yang besar, sehingga luas transfer panas yang dibutuhkan kecil, maka ukuran HE juga kecil.

Þ    Akibat terlalu banyak lewatan pada HE :

• ΔP besar
• Diperlukan tenaga untuk memompa yang besar
• Sulit dilakukan pembersihan karena banyak pipa belok

Þ    Pada HE, pendingin masuk lewat bawah, karena cairan akan memenuhi rongga atas terlebih dulu. Sedangkan pemanas (steam) masuk lewat atas, karena steam akan memenuhi rongga atas telebih dahulu.

Þ    reboiler

merupakan alat penukar panas yang disertai dengan adanya perubahan fasa. Dimana terjadi perubahan fasa cair menjadi uap. Pada proses industri reboiler umumnya berhubungan dengan menara distilasi. Alat ini berfungsi untuk mendidihkan cairan di bagian bawah kolom dan menyuplai panas ke dalam kolom distilasi. Media pemanasnya bisa berupa steam atau air panas.

• Prinsip kerja :

Zat cair dari kolom distilasi memasuki unit bagian reboiler dan sebagian diuapkan di dalam tabung yang dipanaskan oleh steam. Karena densitasnya lebiah rendah, campuran uap dan cairan itu naik dan menarik lebih banyak lagi zat cair. Umpan zat cair dan uap itu keluar melaui puncak tabung dengan kecepatan tinggi, keduanya lalu dipisahkan satu sama lain dan zat cairnya didaur ulang.

Di dalam reboiler dihasilkan sejumlah uap sebagai umpan untuk menara distilasi. Uap yang dihasilkan akan naik ke bagian atas menara distilasi berkontak dengan aliran cairan yang turun dari tray, uap ini dihasilkan dari cairan di tray terbawah yang dididihkan di dalam reboiler. Cairan hanya sebagian saja yang diuapkan, sebagian disirkulasi di dalam reboiler dan sisanya dibuang dari sistem sebagai produk bawah menara distilasi. Residence time cairan di dalam bagian bawah menara distilasi berkisar 5-10 menit.

Þ    Kriteria pemilihan reboiler

1. Horizontal Thermosyphon

• o kapasitas > vertical thermosyphon
  • o tidak perlu skirt (support)
  • o maintenance dan cleaning lebih mudah

1. Vertikal Thermosyphon

• o perlu skirt (support)
• o maintenance dan cleaning lebih sulit
• o kapasitas kecil

1. Kettle reboiler

• o Luas transfer besar (utk kapasitas besar)
• o Tidak memerlukan pompa, karena cairan keluar secara gravitasi.
• o Waktu tinggal lama
• o Mahal
• o Fouling tendency besar

1. Forced circulation

• o utk cairan yg viscous ( > 25 cP)
• o cocok utk sistem vakum
• o butuh pompa

Þ    Fungsi baffle pada reboiler :

Untuk mengendalikan tinggi cairan di dasar menara (weir)

Þ    Fungsi LC pada reboiler :

Untuk mengatur tinggi cairan dalam reboiler supaya sama dengan tinggi pada dasar menara, sehingga aliran dapat mengalir dari distillasi ke reboiler.

Þ    Kondensor : alat untuk mengembunkan fluida dari fase uap sampai ke titik pengembunan pada suhu yang sama atau yang lebih rendah lagi

Þ    Proses kondensasi :

• o Uap mula-mula membentuk tetesan.
• o Tetesan-tetesan bergabung sehingga membesar dan mengalir ke bawah tabung karena pengaruh gaya gravitasi.

Þ    Rd hitung sebaiknya tidak melebihi 10% dari Rd required karena:

• o Supaya HE dibersihkan setahun sekali
• o Jika Rd terlalu besar UD kecil perlu A yang besar, sehingga biaya mahal
• o Jika rd terlalu kecil HE harus sering dibersihkan (< 1 tahun), sehingga biaya perawatan besar.

Þ    Langkah-langkah perancangan Shell & Tube Exchanger :

1. mencari Q (beban panas) dari neraca panas
2. menentukan Δt

Δt LMTD =

Δt           = Δt LMTD x FT

• untuk 1-2 exchanger FT > 0,75. jika FT pada 1-2 Exchanger < 0,75 maka gunakan 2-4 Exchanger.
• Untuk 2-4 exchanger FT > 0,9 untuk removable longitudinal baffle.

FT 0,85 untuk welded longitudinal baffle.

• FT dihitung karena di dalam tube terjdi perubahan arah aliran.

Sebagai contoh untuk 1-2 exchanger, lewatan merupakan gabungan antara aliran searah dan lawan arah. Dengan demikian dalam 1-2 exchanger tersebut jika dihitung LMTD untuk countercurrent maka harus dihitung faktor koreksi FT nya.

1. Assumsikan UD sementara dari Tabel 8 Kern, 1965. Lalu hitung area heat transfer A dengan persamaan :

A         =

A > 200 ft2 gunakan shell & tube

A < 100 ft2 gunakan double pipe

Tentukan klasifikasi tube dari Tabel 10 Kern, 1965

L          = 6, 8, 12, 16, 20 ft (pelatihan pegawai PT. PUSRI)

BWG, OD, a”

1. Tentukan jumlah tube

Nt        =

1. Koreksi UD
2. Temperatur kalorik

• Temperatur rata-rata fluida yang terlibat dalam pertukaran panas
• Dihitung untuk fluida dengan viskositas > 1 cP.

Tc         = T2 + Fc(T1-T2)

tc          = t1 + Fc(t2-t1) 

1. menghitung flow area

luas penampang yang tegak lurus arah aliran.

shell :

C’        = PT – OD

B          = maksimum     = IDshell (pers. 11.3 Kern, 1965, hal 226)

Minimum       = IDshell/5 (pers. 11.4 Kern, 1965, hal 226)

as         =

tube :

at          =

1. menghitung mass velocity (G)

shell :

Gs        =

tube :

Gt         = 

1. menghitung bilangan reynold

shell :

De        = ..... in                                                                        (fig. 28, Kern)

Res       =  

tube :

D         = .... in                                                                      (Tabel 10, Kern)

Ret       =

10.  menentukan heat transfer factor, JH

shell :

Nilai JH untuk shell didapat dari figure 28 Kern

tube :

Nilai JH untuk tube didapat dari figure 24 kern

11.  menentukan termal function

12.  menentukan hi & ho

film koefisien hi & ho adalah suatu ukuran aliran panas per unit permukaan dan unit perbedaan temperatur yang mengindikasikan laju perpindahan panas. 

shell :

            =

tube :

=

13.  menentukan hio

=

14.  temperatur dinding tw

tw         =

15.  koefisien hi dan hio terkoreksi pada temperatur dinding tw

shell :

                   =  

ho         =

tube :

        =  

hi          =

hio        =

16.  Uc (koefisien perpindahan panas menyeluruh saat bersih)

UC        =  

17.  Rd

Rd        =

Rd yang diperlukan = ….. hr.ft2.oF/btu (Tabel 8. Kern, 1965).

Rdhitung  Rddiperlukan     (memenuhi)

18.  ΔP

shell :

f           = …….                                                            (Fig. 29 Kern, 1965)

N+1     = 12.L/B

ΔPs      =  

tube :

f           = ……                                                                 (figure 26, Kern)

ΔPt       =

ΔPr       =

ΔPtube   =