makalah STHE
-
Upload
dimas-agung-pambudi -
Category
Documents
-
view
211 -
download
5
Transcript of makalah STHE
TUGAS PERANCANGAN ALAT PEMROSES
SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
(STHE)
Disusun oleh:
Dimas Agung Pambudi L2C009096
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik
Universitas Diponegoro
Semarang
2012
BAB I
PENDAHULUAN
Unit penukar kalor adalah suatu alat untuk memindahkan panas dari
suatu fluida ke fluida yang lain dengan adanya perbedaan temperature.
Karena panas yang dipertukarkan terjadi dalam sebuah sistem maka
kehilangan panas dari suatu benda akan sama dengan panas yang
diterima benda lain. Perlu diketahui bahwa untuk alat-alat ini terdapat suatu terminology
yang telah distandarkan untuk menamai alat dan bagian-bagian alat tersebut yang dikeluarkan
oleh Asosiasi pembuat Heat Exchanger yang dikenal dengan Tublar Exchanger Manufactures
Association (TEMA). Standarisasi tersebut bertujuan untuk melindungi para pemakai dari
bahaya kerusakan atau kegagalan alat, karena alat ini beroperasi pada temperature dan
tekanan yang tinggi.
Begitu banyak jenis dari alat penukar kalor dalam industri, maka dalam pembahasan
akan dibatasi pada alat penukar kalor jenis heat exchanger yaitu Shell and Tube Heat
Exchanger . Sebagian besar dari industri-industri yang berkaitan dengan
pemprosesan selalu menggunakan alat ini, sehingga alat penukar kalor ini
mempunyai peran yang penting dalam suatu proses produksi atau
operasi. Dalam bahasa Indonesia, Shell and Tube Heat Exchanger biasa
disebut dengan alat penukar panas selongsong (shell) dan pipa (tube) dan
ada yang menyebut alat penukar panas cangkang dan pipa.
Alat ini terdiri dari sebuah shell silindris di bagian luar dan sejumlah
tube (tube bundle) di bagian dalam, dimana temperatur fluida di dalam
tube bundle berbeda dengan di luar tube (di dalam shell) sehingga terjadi
perpindahan panas antara aliran fluida di dalam tube dan di luar tube.
Adapun daerah yang berhubungan dengan bagian dalam tube disebut
dengan tube side dan yang di luar dari tube disebut shell side.
BAB II
PEMBAHASAN
II.1 Tipe Shell and Tube Heat Exchanger
Shell and Tube merupakan jenis heat exchanger yang paling banyak
digunakan dalam industri perminyakan. Alat ini terdiri dari sebuah shell
(tabung/slinder besar) dimana didalamnya terdapat suatu bandle (berkas)
pipa dengan diameter yang relative kecil. Satu jenis fluida mengalir
didalampipa-pipa sedangkan fluida lainnya mengalir dibagian luar pipa
tetapi masih didalam shell. Keuntungan shell and tube heat exchanger
merupakan heat exchanger yang paling banyak digunakan di proses-
proses industri karena mampu memberikan ratio area perpindahan panas
dengan volume dan massa fluida yang cukup kecil. Selain itu juga dapat
mengakomodasi ekspansi termal, mudah untuk dibersihkan, dan
konstruksinya juga paling murah di antara yang lain. Untuk menjamin
bahwa fluida pada shell-side mengalir melintasitabung dan dengan
demikian menyebabkan perpindahan kalor yang lebih tinggi, maka
didalam shell tersebut dipasangkan sekat/penghalang (baffles).
Gambar 2.1 Konstruksi alat penukar kalor jenis shell and tube
Berdasarkan konstruksinya, Heat exchanger tipe Shell and Tube
dibedakan atas:
Fixed Tube Sheet
Merupakan jenis shell and tube heat exchanger yang terdiri dari
tube-bundle yang dipasang sejajar dengan shell dan kedua tube sheet menyatu
dengan shell. Kelemahan pada tipe ini adalah kesulitan pada penggantian
tube dan pembersihan shell.
Floating Tube Sheet
Merupakan heat exchanger yang dirancang dengan salah satu tipe
tube sheetnya mengambang, sehingga tube-bundle dapat bergerak di
dalam shell jika terjadi pemuaian ataupenyusutan karena perubahan
suhu. Tipe ini banyak digunakan dalam industri migas
karenapemeliharaannya lebih mudah dibandingkan fix tube sheet, karena
tube-bundlenya dapatdikeluarkan, dan dapat digunakan pada operasi
dengan perbedaan temperatur antara shell dantube side di atas 200 oF.
U tube/U bundle
Jenis ini hanya mempunyai 1 buah tube sheet, dimana tube dibuat
berbentuk U yangujung-ujungnya disatukan pada tube sheet sehingga
biaya yang dibutuhkan paling murah diantara shell and tube heat
exchanger yang lain. Tube bundle dapat dikeluarkan dari shellnyasetelah
channel headnya dilepas. Tipe ini juga dapat digunakan pada tekanan tinggi dan
bedatemperatur yang tinggi. Masalah yang sering terjadi pada heat
exchanger ini adalah terjadinya erosi pada bagian dalam bengkokan tube yang
disebabkan oleh kecepatan alirandan tekanan di dalam tube, untuk itu fluida
yang mengalir dalam tube side haruslah fluidayang tidak mengandung
partikel-partikel padat
II.2 Komponen Shell and Tube Heat Exchanger
Dalam penguraian komponen-komponen heat exchanger jenis shell and tube yang
didesain berdasarkan pada standar TEMA akan dibahas beberapa komponen yang
sangat berpengaruh pada konstruksi heat exchanger. Untuk lebih jelasnya disini akan dibahas
beberapa komponen dari shell and tube heat exchanger (STHE):
Shell
Kontruksi shell sangat ditentukan oleh keadaan tubes yang akan
ditempatkandidalamnya. Shell ini dapat dibuat dari pipa yang berukuran
besar atau pelat logam yang dirol. Shell merupakan badan dari heat
exchanger, dimana didapat tube bundle. Untuk temperatur yang sangart
tinggi kadang-kadang shell dibagi dua disambungkan dengansambungan ekspansi.
Bentuk-bentuk shell yang lazim digunakan ditunjukkan pada gambar berikut :
Gambar 2.1 bentuk-bentuk shell dan penutupnya.
Tube (pipa)
Tube atau pipa merupakan bidang pemisah antara kedua jenis fluida
yang mengalir didalamnya dan sekaligus sebagai bidang perpindahan
panas. Aliran di dalam tube sering dibuat melintas lebih dari 1 kali dengan
tujuan untuk memperbesar koefisisen perpindahan panas lapiasan film
fluida dalam tube. Ketebalan dan bahan pipa harus dipilih pada tekanan
operasi fluida kerjanya. Selain itu bahan pipa tidak mudah terkorosi oleh
fluida kerja. Adapun beberapa tipe susunan tube dapat dilihat dibawah
ini :
a. Susunan Bujur sangkar (Square Pitch)
Gambar 2.2. Susunan Bujur sangkar (Square Pitch)
Keuntungan :
oBagus untuk kondisi yang memerlukan pressure drop rendah.
oBaik untuk pembersihan luar tube secara mekanik.
oBaik untuk menangani fluuida fouling.
Kerugian :
oFilm koeffisiennya relatif rendah
b. Susunan Segitiga (Triangular Pitch).
Gambar 2.3. Susunan Segitiga (Triangular Pitch).
Keuntungan :
oFilm koeffisien lebih tinggi daripada square pitch.
oDapat dibuat jumlah tube yang lebih banyak sebab susunannya
kompak.
Kerugian :
oPressure drop yang terjadi antara menengah ke atas.
oTidak baik untuk fluida fouling
oPembersihan secara kimia
c. Susunan Segitiga Diputar 30O(Rotated Triangular Pitch)
Gambar 2.4. Susunan Segitiga Diputar 30O(Rotated
Triangular Pitch)
Keuntungan :
oFilm koeffisisennya tidak sebesar susunan triangular pitch, tetapi
lebih besar dari susunan square pitch.
oDapat digunakan pada fluida fouling
Kerugian :
oPressure drop yang terjadi antara menengah ke atas.
oPembersihan secara kimia
d. Susunan Bujur sangkar yang Diputar 45O (Diamond Square Pitch).
Gambar 2.4. Susunan Bujur sangkar yang Diputar 45O
(Diamond Square Pitch).
Keuntungan :
oBagus untuk kondisi yang memerlukan pressure drop rendah.
oBaik untuk pembersihan luar tube secara mekanik.
oBaik untuk menangani fluuida fouling.
Kerugian :
oFilm koeffisiennya relatif rendah
- 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
Tube Sheet
Suatu flat lingkaran yang fungsinya memegang ujung-ujung tube
sehingga menjadi satu yang disebut tubebundle dan juga sebagai
pembatas aliran fluida di shell & tube. HE dengan tube lurus pada
umumnya menggunakan 2 buah tube sheet. Sedangkanpada tube tipe U
menggunakan satu buah tube sheet yang berfungsi untuk menyatukan
tube-tube menjadi tube bundle dan sebagai pemisah antara tube side
dengan shell side
Sekat (Baffle)
Adapun fungsi dari pemasangan sekat (baffle) pada heat exchanger
ini antara lain adalah untuk :
1. Sebagai penahan dari tube bundle.
2. Untuk mengurangi atau menambah terjadinya getaran pada tube.
3. Sebagai alat untuk mengarahkan aliran fluida yang berada di dalam
tubes.
4. Mengatur aliran lewat shell sehingga turbulensi yang tinggi akan
diperoleh
Ditinjau dari segi konstruksinya baffle dapat diklasifikasikan dalam
empat kelompok, yaitu :
1. Sekat plat bentuk segmen.
2. Sekat bintang (rod baffle)
3. Sekat mendatar.
4. Sekat impingement
Gambar 2.5. Sekat plat bentuk segmen
Gambar 2.6. Sekat bintang (rod baffle)
Gambar 2.7. Sekat mendatar
Tie Rods
Batangan besi yang dipasang sejajar dengan tube dan ditempatkan
di bagian palingluar dari baffle yang berfungsi sebagai penyangga agar
jarak antara baffle yang satu dengan lainnya tetap.
Tube Side Channel dan Nozzle
Mengatur aliran fluida di tube
Channel Cover
Tutup yang dapat dibuka saat pemeriksaan dan pembersihan
II.3 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
II.4 Penentuan fluida dalam shell atau tube :
a. Fluida bertekanan tinggi dialirkan di dalam tube karena tube
standar cukup kuat menahan tekanan yang tinggi.
b. Fluida berpotensi fouling dialirkan di dalam tube agar pembersihan
lebih mudah dilakukan.
c. Fluida korosif dialirkan di dalam tube karena pengaliran di dalam
shell membutuhkan bahan konstruksi yang mahal yang lebih
banyak.
d. Fluida bertemperature tinggi dan diinginkan untuk memanfaatkan
panasnya dialirkan di dalam tube karena dengan ini kehilangan
panas dapat dihindarkan.
e. 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.
f. 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.
g. Fluida yang mempunyai volume besar dilewatkan melalui tube,
karena adanya cukup ruangan.
II.5 Langkah-langkah perancangan Shell & Tube Heat Exchanger
Untuk merencanakan alat penukar panas khususnya STHE, dapat
diikuti langkah-langkah sebagai berikut:
a. Menghitung LMTD aktual.
1. Menghitung beban panas, yang dibutuhkan ataupun yang harus
dilepaskan. Secara umum menggunakan rumus Q=M.Cp.(Thi-
Tho)=M.Cp.(Tco-Tci).
2. Dari (1) berkaitan dengan menentukan suhu masuk atau keluar
dari kedua fluida (Thi, Tho, Tco, Tci).
3. Menghitung harga LMTD single pass countercurrent.
4. Menghitung faktor koreksi Fc
5. Menghitung LMTD aktual (LMTD aktual = Fc x LMTD singlepass).
b. Menghitung Luas Perpindahan Panas.
1. Dengan menggunakan perkiraan harga U dari Buku Kern, ditrial
harga U. Dengan harga U trial tersebut dapat dihitung A=Q/U.
LMTD.
2. Dari tabel 10, buku D.Q. Kern didapat harga OD, BWG, ID, L,
a”,at*, susunan tube, Tube pitch. Hitung Nt=A/a*.L
3. Dari tabel 9, kita sesuaikan jumlah tubenya, diameter shell Ids,
dan jumlah pass.
4. Hitung A terkoreksi= Nt.a*.L
Ud terkoreksi= Q/Acor.LMTD.
Hasil Ud terkoreksi harus mendekati Ud trial.
c. Menghitung hi dan hio.
1. Tentukan fluida yang masuk tube (tube side).
2. Tentukan at, Gt, sifat fisis fluida pada suhu rata-rata.
3. Hitung bilangan Re.
4. Baca harga JH dari Fig.24 Kern.
5. Hitung harga hi
6. Hitung harga hio= hi x ID/OD.
d. Menghitung ho pada shell side.
1. Tentukan baffle spacing B.
2. Hitung c*=Pt-Odt
3. Hitung as= Ids x c* x B/144 x Pt
4. Hitung Gs= Ws/as
5. Tentukan sifat-sifat fisis dari fluida pada suhu rata-rata.
6. Hitung bilangan Re.
7. Baca harga JH pada Fig.28 Kern.
8. Hitung ho
e. Menghitung Uc dan Rd.
1. Hitung Uc= hio x ho/ hio + ho
2. Hitung Rd= Uc-Ud/ Uc x Ud
3. Bandingkan harga Rd hasil perhitungan dengan harga yang ada
di tabel Rd perhitungan > Rd yang diijinkan.
f. Menghitung Pressure drop.
1. Hitung ∆Ps pada shell, dan bandingkan dengan ∆Ps yang
diijinkan.
2. Hitung ∆PT= ∆Pt + ∆Pr. Bandingkan dengan ∆PT yang diijinkan.
3. Dalam perhitungan ini sebelumnya harus disiapkan Tabel, Grafik
data yang diperlukan.
BAB III
KESIMPULAN
Shell and tube heat exchanger merupakan heat exchanger
yang paling banyak digunakan di proses-proses industri karena
mampu memberikan ratio area perpindahan panas dengan volume dan
massa fluida yang cukup kecil. Alat ini terdiri dari sebuah shell silindris
di bagian luar dan sejumlah tube (tube bundle) di bagian dalam.
komponen-komponen shell and tube heat exchanger yang didesain
didasarkan pada standar TEMA, khususnya Heat exchanger yang
dirancang untuk keperluan komersial dan keperluan umum lainnya.
Komponen-komponen tersebut adalah tube, shell, baffle, tie rod,
head/cover, tubesheet, nozzle, tube side channel, nozzle. Adapun
beberapa tipe susunan tube antara lain susunan bujur sangkar
(Square Pitch), susunan segitiga (Triangular Pitch), susunan segitiga
diputar 30O(Rotated Triangular Pitch) dan susunan bujur sangkar
yang diputar 45O (Diamond Square Pitch).
DAFTAR PUSTAKA
Dwi, Indra Wibawa S. 2008. Heat Exchanger. Teknik Kimia.Universitas
Lampung, Lampung.
Eka, dkk. 2010. Laporan Praktikum Heat Exchanger . Ekstensi Teknik
Kimia Universitas Indonesia, Jakarta.
Kern, D.Q., 1958. Process Heat Transfer, International Student Edition, Mc
Graw Hill Kogakusha, Ltd., New York.
Sugiyanto. 2011. Analisis Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube dan
Aplikasi Perhitungan dengan Microsoft Visual Basic 6.0. Jurnal Teknik
Mesin Fakultas Teknologi Industri
Universitas Gunadarma, Depok.