Shell and Tube Heat Exchanger

TUGAS UMUM SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER  Heat Exchanger   adalah alat penukar kalor yang berfungsi untuk mengubah temperatur dan fasa suatu jenis fluida. Proses tersebut terjadi dengan memanfaatkan proses perpindahan kalor dari fluida bersuhu tinggi menuju fluida  bersuhu rendah. Sebagai alat untuk penukaran penukaran panas dari fluida dengan temperatur tinggi ke fluida dengan temperatur rendah, suatu heat exchanger diharapkan mempunyai efektivitas yang tinggi. Secara teoritis kenaikan kecepatan aliran akan menaikkan efektivitas. Namun, hal ini membuat waktu kontak menjadi singkat. Dari hasil penelitian didapat bahwa efektivitas naik seiring dengan kenaikan kecepatan hingga suatu harga tertentu dan kemudian akan turun. Efektivitas Shelland-Tube Heat Exchanger lebih tinggi jika udara panas mengalir dengan kecepatan tinggi (di sisi tube) dan udara dingin mengalir dengan kecepatan rendah (di sisi shell). Di dalam dunia industri peran dari heat exchanger   sangat penting. Misal dalam industri pembangkit tenaga listrik, heat exchanger   berperan dalam  peningkatan efisiensi sistem. Contohnya adalah ekonomizer, yaitu alat penukar kalor yang berfungsi memanaskan  feed water   sebelum masuk ke boiler menggunakan panas dari exhaust gas (gas gas (gas buang). Selain itu heat exchanger  juga   juga merupakan komponen utama dalam sistem mesin pendingin, yaitu berupa evaporator  dan  dan condenser . Kemampuan untuk menerima panas suatu heat exchanger  dipengaruhi   dipengaruhi oleh 3 hal : 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. 2. Luas bidang yang tegak lurus terhadap arah perpindahan panas 3. Selisih temperatur rata-rata logaritmik (T LMTD)

LMTD merupakan perbedaan temperatur yang dipukul rata-rata setiap bagian HE. Karena perbedaan temperatur di setiap bagian HE tidak sama. A. Shell and Tube Heat Exchanger

Shell and Tube Heat Exchanger   Exchanger   merupakan salah satu jenis heat exchanger. Jika aliran yang terjadi sangat besar, maka digunakan  shell and tube heat exchanger , dimana exchanger   ini adalah yang biasa digunakan dalam proses industri.  Exchanger   ini memiliki aliran yang kontinyu. Banyak tube yang dipasang secara paralel dan di dalam tube-tube ini fluida mengalir. Tube-tube ini disusun secara paralel berdekatan satu sama lain di dalam sebuah shell dan fluida yang lain mengalir di luar tube-tube, tetapi masih dalam shell . Shell and Tube Heat Exchanger adalah Exchanger adalah jenis  Heat Exchanger yang paling umum dipergunakan pada proses  Revinary,  Revinary, Oil and Gas dan Petrochemical . Dalam hal design Shell and Tube Heat Exchanger  (STHE), Exchanger  (STHE), standar yang dipakai adalah

ASME

Section  Section  VIII

dan

TEMA

Ada dua sisi utama dalam design STHE,

Class  Class  R,

atau

API

660

Shell Side dan Tube Side .

Berdasarkan konstruksinya, STHE dapat dibagi atas beberapa tipe, masing masing tipe diberi kode berdasarkan kombinasi tipe  Front Head, Shell, dan  dan  Rear Head . Setelah mengetahui karateristik dari masing masing tipe shell shell and tube heat exchanger , selanjutnya design  design  didasarkan atas keperluannya.  Design   Design  yang kompleks biasanya menimbulkan biaya yang lebih mahal dan perawatan yang lebih sulit sehingga biasanya hanya digunakan untuk keperluan yang tidak memungkinkan penggunaan yang lebih simpel. Secara garis besarnya ada dua Tahap  Detail Design  Design  untuk Shell and Tube Heat Exchanger , Tahap pertama adalah Thermal Design  Design 

dan

selanjutnya

diteruskan

dengan

 Mechanical

 Design.  Design. Output atau hasil yang diperoleh pada Thermal design akan design akan menjadi data input untuk Mechanical untuk Mechanical design. design. Dari semua tipe HE, shell & tube HE lah yang paling baik digunakan. hal tersebut dapat dikarenakan : 1. STHE memberikan luas permukaan perpindahan panas yang besar dengan volume yang kecil

2. Memiliki range luas perpindahan panas yang lebar mulai kurang dari 1 meter kuadrat hingga seribuan meter kuadrat dan bahkan lebih 3. Memiliki rancangan mechanical yang baik, mampu dioperasikan pada tekanan tinggi 4. Dapat dirancang dengan menggunakan berbagai jenis material 5. Mudah dibersihkan baik dengan chemical  maupun  maupun mechanical cleaning  6. Memiliki prosedur thermal  dan  dan mechanical design yang design yang baik. 7. Mudah melakukan penggantian untuk komponen atau bagian –  bagian –   bagian yang cukup mudah rusak seperti gasket dan tube. tube. Dalam sistem shell & tube heat exchanger besar kecilnya perpindahan panas dalam HE dipengaruhi oleh : a. Luas permukaan perpindahan panasnya  b. Proses konduksi (tergantung konduktifitas termal bahan materialnya) c. Proses konveksinya (tergantung koefisien konveksi , dimana h = k.Nu/d) d.  Nu = bilangan Nuselt (tergantung banyak parameter tergantung rumusnya siapa yang dipakai), untuk rumus sederhananya Nu tergantung Bilangan Reynold (Re) dan Bilangan Prandtl (Pr) fluidanya dan konstantanya. e. Re tergantung kecepatan aliran fluida (u), diameter saluran (d), dan kekentalan fluidanya. I. Bagian  –  bagian  bagian Shell and Tube Heat Exchanger

Secara keseluruhan komponen utama penyusun shell and tube heat exchanger adalah: 1) Shell Biasanya berbentuk silinder yang berisi tube bundle sekaligus bundle sekaligus sebagai wadah mengalirnya zat. 2)  Head stationer  Head stationer  merupakan   merupakan salah satu bagian ujung dari penukar panas. Pada  bagian ini terdapat saluran masuk fluida yang mengalir ke dalam tube. 3)  Head  bagian  bagian belakang  Head  bagian  bagian belakang ini terletak diujung lain dari alat penukar panas

4) Sekat (baffle (baffle). ). Sekat digunakan untuk membelokkan atau membagi aliran dari fluida dalam alat penukar panas. Untuk menentukan sekat diperlukan  pertimbangan teknis dan operasional. Macam-macam baffle yaitu: a)  Horizontal cut baffle Baik untuk semua fase gas atau fase liquid l iquid dalam shell. Baik ada dissolves gas  gas  dalam liquid yang dapat dilepaskan dalam heat exchanger maka exchanger maka perlu diberi „notches „notches‟‟ dalam baffle. baffle.  b) Vertical cut baffle Baik untuk liquid yang membawa  suspended matter  atau   atau yang heavy yang heavy fouling  fluida. c)  Disc and doughtnut baffle baffle Fluida harus bersih, bila tidak akan terbentuk sediment dibelokkan doughtnut Kurang baik, sebab bila ada dissolved gas  gas  yang terlepas, bisa dilepaskan melalui top dari doughtnut, doughtnut, bila ada kondensat kondensat liquid tidak dapat di drain tanpa large ports pada ports pada doughtnut. d)  Baffle dengan  Baffle dengan annular orifice Baffel ini jarang digunakan kerena terdiri dari  full circular plate dengan lubang-lubang untuk semua tube. e)  Longitudinal baffle Digunakan pada  shell side untuk side untuk membagi aliran  shell side menjadi side menjadi dua atau  beberapa bagian untuk memberikan kecepatan yang lebih tinggi untuk  perpindahan panas yang lebih baik. baik. Komponen lainnya adalah tube. Macam-macam tube adalah sebagai berikut : 1) Tube Tube merupakan pemisah dan sebagai pengantar panas yang berbeda suhunya diantara dua zat yang berada di dalam suatu alat. Pemilihan tube ini harus sesuai dengan suhu, tekanan, dan sifat korosi fluida yang mengalir. Tube ada dua macam, yaitu tube polos (bare ( bare tube) tube) dan tube bersirip ( finned tube) tube) 2) Tube sheet Berfungsi sebagai tempat duduk tube bundle pada shell

3) Channel and pass partition Channel  merupakan  merupakan tempat keluar masuknya fluida pada tube, sedangkan  pass  partition merupakan  partition merupakan pembatas antara fluida yang yang masuk dan keluar tube. 4) Shell cover and channel cover Shell cover and channel cover   adalah tutup yang dapat dibuka pada saat  pembersihan. xchanger  II. Konstruksi dari H eat E xchanger 

Konstruksi dari heat exchanger  jenis  jenis ini sangat banyak, antara lain : 1. Shell and tube heat exchanger  dengan konstruksi “ fixed tube sheet ” artinya  pelat pemegang pipa-pipa pada kedua ujung pipa, keduanya memiliki konstruksi yang tetap (tidak dapat bergeser secara aksial dalam arah sumbu tabung relative antara satu sisi dengan sisi lainnya). 2. Shell and tube heat exchanger dengan exchanger  dengan konstruksi “ floating tube sheet ” sheet ” artinya salah satu pelat pemegang pipa-pipa pada kedua ujung pipa dapat bergerak relatif terhadap satunya karena tidak terjepit oleh flens (mengambang). 3. Shell and tube heat exchanger  dengan  dengan konstruksi pipa U (U ( U tube type). type). 4. Shell and tube heat exchanger  dengan  dengan konstruksi dua pipa ( double pipe type). type ). Pada jenis ini setiap tabung berisi berkas pipa masing-masing. Pergerakan relative ini dimaksudkan sebagai kompensasi akibat pertambahan  panjang bila terjadi perubahan temperatur pada pipa sehingga tidak memberikan tambahan beban gaya pada baut pengencang flens tabung di luar pipa. Hal ini selain untuk alasan kekuatan bahan juga dimaksudkan untuk keamanan dalam hal menghindari kebocoran. Pada heat exchanger   diameter tabung tidak sama sepanjang penukar kalor. Pebesaran diameter dimaksudkan untuk menampung perubahan fasa dari fluida yang berada di luar pipa dan di dalam tabung. Alat ini diaplikasikan untuk proses  penguapan atau pendidihan fluida di luar pipa. Jenis ini sering disebut dengan  jenis ketel (kettle). III. Penentuan fluida dalam shell atau tube :

1. Fluida bertekanan tinggi dialirkan di dalam tube karena tube standar cukup kuat menahan tekanan yang tinggi.

2. Fluida berpotensi fouling dialirkan di dalam tube agar pembersihan lebih mudah dilakukan. 3. Fluida korosif dialirkan di dalam tube karena pengaliran di dalam shell membutuhkan bahan konstruksi yang mahal yang lebih banyak. 4. Fluida bertemperature tinggi dan diinginkan untuk memanfaatkan panasnya dialirkan di dalam tube karena dengan ini kehilangan panas dapat dihindarkan. 5. 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. 6. Fluida dengan viskositas tinggi ditempatkan di shell karena dapat digunakan  baffle untuk menambah laju perpindahan. 7. 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. 8. Fluida yang mempunyai volume besar dilewatkan melalui tube, karena adanya cukup ruangan. IV. Pemilihan Fluida Yang Yang Dilewatkan Pada Shell dan Tube

Beberapa hal yang perlu dipertimbangkan dalam menentukan aliran fluida dalam shell dalam shell side dan side dan tube side untuk side untuk shell  shell and tube exchanger  adalah  adalah : a. Kemampuan untuk dibersihkan (Cleanability) Jika dibandingkan cara membersihkan Tube dan Shell, maka pembersihan sisi shell jauh lebih sulit. Untuk itu fluida yang bersih biasanya dialirkan di di sebelah shell dan fluida yang kotor melalui Tube.  b. Korosi Masalah korosi atau kebersihan sangat dipengaruhi oleh penggunaan dari  paduan logam. Paduan logam tersebut mahal, oleh karena itu fluida dialirkan melalui Tube untuk menghemat biaya yang terjadi karena kerusakan shell. Jika terjadi kebocoran pada Tube, heat exchanger masih dapat difungsikan kembali. Hal ini disebabkan karena Tube mempunyai ketahanan terhadap korosif, relatif murah dan kekuatan dari small diameter Tube melebihi shell. c. Tekanan

Shell yang bertekanan t inggi dan diameter yang besar akan memerlukan dinding yang tebal, hal ini akan memakan biaya yang tidak murah atau mahal. Untuk mengatasi hal itu apabila fluida bertekanan tinggi lebih baik dialirkan melalui Tube. d. Temperatur Biasanya lebih ekonomis meletakkan fluida dengan temperatur lebih tinggi  pada Tube side, karena panasnya ditransfer seluruhnya ke arah permukaan luar Tube atau ke arah shell sehingga akan diserap sepenuhnya oleh fluida yang mengalir di shell. Jika fluida dengan temperatur lebih tinggi dialirkan pada shell side, maka transfer panas tidak hanya dilakukan ke arah Tube, tapi ada kemungkinan transfer panas juga terjadi ke arah luar shell (ke lingkungan). e. Sediment/ Suspended Solid / Fouling Fluida yang mengandung sediment/suspended mengandung  sediment/suspended solid   atau yang menyebabkan  fouling  sebaiknya   sebaiknya dialirkan ditube di tube sehingga  sehingga tube-tube dengan tube-tube dengan mudah dibersihkan. Jika fluida yang mengandung sediment dialirkan di  shell , maka  sediment/fouling  tersebut akan terakumulasi pada  stagnant zone  zone  di sekitar baffles, baffles, sehingga cleaning  

pada

sisi

 shell  

menjadi

tidak

mungkin

dilakukan

tanpa

mencabut tube bundle. bundle . f. Viskositas Fluida yang viscous atau yang mempunyai low transfer rate dilewatkan rate dilewatkan melalui shell  melalui shell  karena  karena dapat menggunakan baffle. baffle. Koefisien heat transfer  yang  yang lebih tinggi dapat diperoleh dengan menempatkan fluida yang lebih viscous pada viscous pada  shell  side   side  sebagai hasil dari peningkatan turbulensi akibat aliran crossflow  crossflow  (terutama karena pengaruh baffles). baffles). Biasanya fluida dengan viskositas > 2 cSt dialirkan di  shell side  side  untuk mengurangi luas permukaan perpindahan panas yang diminta. Koefisien perpindahan panas yang lebih tinggi terdapat pada  shell side, side, karena aliran turbulen akan terjadi melintang melalui sisi luar tube dan tube dan baffle. baffle. V. Keuntungan shell & tube exchan ger  ger 

Keuntungan dari shell & tube exchanger adalah 1. Memiliki permukaan perpindahan panas persatuan volume yang lebih besar.

2. Mempunyai susunan mekanik yang baik dengan bentuk yang cukup baik untuk operasi bertekanan. 3. Tersedia dalam berbagai bahan konstruksi 4. Prosedur pengopersian lebih mudah 5. Metode perancangan yang lebih baik telah tersedia 6. Pembersihan dapat dilakukan dengan mudah VI. Cara kerja Shell and Tube Heat Exchanger Untuk 1-1 counterflow exchanger   (gambar 1), atau 1 shell pass dan 1 tube  pass, fluida dingin masuk mas uk dan mengalir di dalam tube-tube. Fluida dingin masuk  pada ujung yang lain dan mengalir secara counterflow di counterflow di bagian luar tube tetapi masih di dalam shell.  Baffle-baffle   Baffle-baffle  digunakan agar fluida dapat mengalir secara  bertahap melewati tube dan tidak mengalir secara paralel dengan tube.

Gambar 1. Shell & tube heat exchanger

1 shell pass and 1 tube pass (1-1 exchanger)

Dalam suatu  shell and tube heat exchanger   terdapat tiga tahap perpindahan  panas, yaitu konveksi sisi shell, konduksi pada dinding tube dan konveksi sisi tube. Jika dua fluida memasuki exchanger   pada dua ujung yang sama dan mengalir dengan arah yang sama, alirannya disebut parallel atau cocurrent flow. flow. Untuk aliran parallel, ΔT2 = T1 –  t  t1 dan ΔT1 = T2 –  t  t2.

Gambar 2. Kurva temperatur pada aliran cocurrent 

Ketika dua fluida memasuki exchanger   pada dua ujung yang berbeda dan melewati exchanger   unit dengan arah yang berlawanan, aliran tipe ini biasa disebut counterflow atau counterflow atau countercurrent flow. flow. Untuk aliran countercurrent , ΔT2 = T1 –  t  t2 dan ΔT1 = T2 –  t  t1.

Gambar 3. Kurva temperature pada aliran countercurrent

Ada 2 jenis mekanisme perpindahan panas yang terjadi dalam Heat Exchanger, yaitu: a) Konduksi Mekanisme perpindahan panas ini adalah mekanisme yang berhubungan dengan interakasi molekuler. Transfer energi konduksi ini terjadi melalui 2 cara, yaitu mekanisme interaksi molekuler dimana dalam mekanisme ini gerakan lebih besar yng dilakukan oleh suatu molekul yang berada pada tingkat yang lebih rendah. Serta

mekanisme melalui elektron-elektron

“bebas”. Karena konduksi panas pada initnya merupakan fenomena molekuler, dapat diperkirakan bahwa persamaan dasar yang digunakan untuk menggambarkan proses ini akan serupa dengan persamaan yang digunakan dalam transfer momentum molekuler. Persamaan Fourier : qx /A = -k dT/dt  b) Konveksi molekuler

Tranfer panas yang disebabkan konveksi melibatkan pertukaran energi antara suatu permukaan dengan fluida di dekatnya. Persamaan laju untuk transfer  panas ini pertama kali dinyatakan oleh newton pada tahun tahun 1701 q /A = h ΔT VII. Perawatan Shell and Tube Heat Exchanger

Melakukan pembersihan secara berkala seperi di bawah ini : Alirkan minyak panas atau hasil penyulingan melalui tabung atau shell dengan kecepatan yang baik,pada umumnya secara efektif dapat memindahkan kotoran atau hal serupa yang masih tersimpan didalamnya. Garam yang tersimpan mungkin dapat dicuci bersih dengan mengalirkan air panas yang bersih. Beberapa campuran pembersih komersil seperti sepert i “Oakite” dan “Dowell” mungkin efektif dalam menghilangkan kotoran yang sulit dihilangkan. Jika tidak satupun dari metoda diatas efektif untuk menghilangkan sesuatu dalam skala besar, coke mungkin dapat digunakan. Amati kondisi bagian dalam dan luar dari seluruh tabung dan jaga kebersihannya. Melalaikan dalam pemeliharaan kebersihan semua tabung dapt mengakibatkan kemacetan aliran yang mengalir sepanjang tabung, dengan konsekuensi tabung menjadi terlalu panas dibandingkan dengan sekitar tabung, yang akan menghasilkan perluasan tegangan dan membocorkan tabung hingga tube-sheet-joint .Ketika .Ketika shutting down untuk perbaikan, hal yang penting  bahwa semua cairan dikeringkan dari heat exchanger dan dikendurkan sampai tekanan

atmosfer

dan

temperature

lingkungan.

Jangan

mencoba

untuk

membersihkan tabung dengan mengeluarkan uap air melalui tabung individu. Hal ini menjadikan tabung terlalu panas dan mengakibatkan perluasan tegangan dan membocorkan tube  tube  hingga tube-sheet-joint . Jangan menangani tube bundle dengan pengait atau perkakas lain yang mungkin dapat merusak tabung. Untuk memperat suatu sambungan tabung, gunakan roller   tipe tube expander yang sesuai. Untuk membersihkan dan memeriksa di dalam tabung, pindahkan channel cover  (atau  (atau bonnet ) dan jangan memindahkan channel.

DAFTAR PUSTAKA Anonim. 2012. Latar 2012.  Latar Belakang Pemilihan Fluida Pada Shell and and Tube Heat  Exchanger . http://pelatihanguru.net/tag/fluida-pada-shell-and-tube-heatexchanger. exchanger. (diakses pada tanggal 10 September 2014) Ganish. 2011. Mari 2011.  Mari Belajar Thermal Design Shell & Tube Heat Exchanger I . http: //teknikkimiajaya.blogspot.com/2011/12/mari-belajar-thermal-designshell-tube.html. (diakses pada tanggal 10 September 2014)  Nofriadi. 2008. Shell and Tube Heat Exchanger . http://korogroup.darkbb.com/t4shell-and-tube-heat-exchanger-type-and-caracteristic. (diakses shell-and-tube-heat-exchanger-type-and-caracteristic.  (diakses pada tanggal 10 September 2014) Susanto, Budi. 2011 Pembagian 2011  Pembagian Heat Exchanger Exchanger Berdasarkan Bentuk Konstruksi nya. http://java-borneo.blogspot.com/2011/05/pmbagian-heat-exchanger -berdasarkan.html. (diakses pada tanggal 10 September 2014) Widayanto, Ruri. 2010. Heat 2010.  Heat Exchanger Shell and Tube. Tube. https://www.academia. edu/6222617/Tugas_1_Heat_Exchanger_Shell_n_Tube_Plate_Fins. (diakses pada tanggal 10 September 2014)