Shell and Tube Heat Exchanger (Kern)

1-2 Parall Parall el Counte Counterr f low : Shel hel l and Tube Ex change changer Disusun untuk memenuhi Tugas Mata Kuliah Perencanaan Alat Dosen Pengampu: Juliananda, Juliananda, ST., M. Sc

Disusun oleh :

Yulia Dwi Rahmawati135061100111002

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS BRAWIJAYA 2015

1-2 Parallel-Counterflow : Shell and Tube Exchanger

Pendahuluan Shell and tube exchanger   merupakan alat penukar panas yang cocok digunakan jika dibutuhkan permukaan perpindahan panas yang luas. 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 temperatur di dalam shell  (Sugiyanto, 2008). . Heat exchanger tubes disebut juga sebagai condenser tubes. Diameter H eat Exchanger Tu bes  luar dari heat  exchanger   merupakan diameter luar actual dalam inchi. Heat exchanger tubes terbuat dari bahan-bahan yang bervariasi yaitu besi, tembaga, admiralty, Munts logam, dan lainlan. Tebal tubes tersebut dinyatakan dalam satuan BWG (Birmingham wire gage). Pada Tabel 10 ditunjukkan ukuran tubes yang umum tersedia namun umumnya desain HE menggunakan tube dengan diameter luar (OD) ¾ dan diameter dalam (ID) 1 inch. . Jarak terpendek di antara dua lubang tube  yang berdekatan disebut clearance atau Tu be Pitch 

ligament . Beberapa pola tube ditunjukkan oleh Gambar 1 berikut :

Gambar 1. Lay out tube untuk exchanger (Kern, 1965)

Gambar 1a menunjukkan square pitch, kelebihan square pitch yaitu mudah dibersihkan serta  pressure drop yang dihasilkan akan lebih rendah ketika aliran fluida seperti yang ditunjukkan  pada gambar tersebut. Tube pitch, P T, adalah jarak terpendek antar pusat tube yang berdekatan. Umumnya panjang pitch adalah sebagai berikut : -

Square layout  : ¾ in. OD, 1 in. square pitch ; 1 in. OD, 1 ¼ in. square pitch

-

Triangular layout  : ¾ in. OD, 15/16 in. triangular pitch; ¾ in OD, 1 in. triangular pitch; 1 in. OD, 1¼ in, triangular pitch

. Shells difabrikasi dari pipa besi dengan diameter IPS mencapai 12 in. Apabila diameter Shells  IPS 12 — 24 in, maka OD aktual dan diameter pipa nominal tetap. Ketebalan dinding standar  shells dengan diameter dalam 12 — 24 in adalah 3/8 in dengan allowable pressure hingga 300 psi. Station ary Tu be-sheet Ex changers  .  Exchanger   ini merupakan jenis exchanger   paling sederhana

yang ditunjukkan pada Gambar 2. Bagian penting dari exchanger   ini ialah :  shell , dilengkapi dengan dua nozzle  dan tube sheets  pada kedua ujungnya, dan juga sebagai  flanges  untuk  pelengkap kedua channel   dan penutup channel . Tubes diperluas menuju kedua tube sheets dan dilengkapi dengan baffle transverse  pada sisi  shell . Penghitungan luas permukaan perpindahan  panas seringkali berdasarkan jarak antara permukaan dalam dari tube sheets.

Gambar 2. Fixed-head tubular exchanger (Kern, 1965)

. Baffles dibutuhkan agar liquid  tetap dalam kondisi turbulens. Kondisi turbulens aka n Baffles  menghasilkan koefisien perpindahan panas yang lebih tinggi. Jarak antarpusatbaffle disebut sebagai baffle pitch atau baffle spacing . Besarnya baffle spacing  biasanya 1/5 dari ID shell .  Baffle dilindungi oleh baffle spacer seperti pada Gambar 3 berikut ini :

Gambar 3. Detail Baffle spacer (Kern, 1965)

Beberapa jenis baffle yang biasa digunakan pada HE ditunjukkan pada Gambar 4 berikut :

Gambar 4. Segmental baffle detail (Kern, 1965)

 Baffle di atas disebut sebagai 25 per cent cut baffles. Sedangkan jenis baffle yang lain yaitu disc dan doughnut  serta orifice ditunjukkan pada Gambar 5 berikut :

Gambar 5. Baffle doughnut, disc, dan orifice (Kern, 1965)

F ixed Tube Exchanger with I ntegral Channels. HE jenis ini ditunjukkan pada Gambar 6, HE

ini dibutuhkan untuk memberikan differential thermal expansion antara tubes dan shell  selama operasi. Hal ini dapat diatasi dengan menggunakan expansion joint  pada shell .

Gambar 6

Fixed Tube Exchanger with Integral Channels (Kern, 1965)

. 1-2 exchanger   merupakan exchanger   yang mana fluida Fixed-tube-sheet 1-2 Exchanger  mengalir sebanyak 1  pass pada  shell - sides dan 2 atau lebih  pass  pada tube. Bagian luar tubes tidak dapat dibersihkan menggunakan pembersihan mekanik sedangkan bagian dalam tubes dapat dibersihkan menggunakan rotary cleaner atau  wire brush.  Permasalahan utama pada exchanger   jenis ini ialah kedua  pass  baik pada  shell   dan tube  cenderung mengalami ekspansi secara berbeda dan menyebabkan stress pada tube sheets.

Removable-bundle exchanger.  Gambar 7 menunjukkan 1-2 exchanger   yang memiliki tube

bundle yang dapat dilepas dari  shell . Kerugian penggunaan HE jenis ini ialah bentuk geometrinya itu sendiri. Untuk mengamankan  floating head cover maka harus dilakukan  penyatuan  floating head cover   dengan tube sheet , hal ini akan memperkecil ruang tubes  serta  flow channel   antara bundle dan shell . Permasalahan ini dapat diatasi dengan menggunakan splitring floating head 1-2 exchanger . Meskipun pembuatannya mahal, namun exchanger   ini memiliki keuntungan mekanik yang banyak.

Gambar 7. Pull through floating-head 1-2 exchanger (Kern, 1965)

Tu be-sheets L ayout dan T ube Counts. Salah satu contoh lay out tubes pada exchanger  dengan

 split ring floating head ditunjukkan pada Gambar 8. Banyaknya tube pada lay out  disebut sebagai tube counts. Banyaknya tube counts bisa berbeda-beda dengan batasan bahwa unbalance tidak boleh lebih dari 5%.

Gambar 8. Tube sheet layout untuk 13 1/4 ID shell (Kern, 1965)

Packed Fl oating H ead. Exchanger  ini memiliki perluasan pada floating tube sheet  yang dibatasi

oleh packing gland.  Meskipun dapat mencapai ID  shell   36 in,  packing gland yang lebih besar tidak disarankan untuk tekanan yang lebih besar karena dapat menyebabkan vibrasi.

. Exchanger  jenis ini merupakan 1-2 exchanger yang terdiri dari tube yang U-bend Ex changer  dibengkokkan menjadi bentuk U dan digulung menuju tube sheet . Diameter U-Bend  terkecil sebesar 3 — 4 kali diameter luar tube.

Gambar 9. U-bend 1-2 exchanger (Kern, 1965)

Gambar 10. U-bend double-tube-sheet exchanger (Kern 1965)

Perhitungan pada Shell and Tu be Ex changer 

. Koefisien perpindahan panas outside tube bundle disebut sebagai Shell  – side F ilm Coeff icient   shell side coefficient . Koefisien perpindahan panas berbanding lurus dengan peningkatan turbulensi. Peningkatan turbulensi dapat dilakukan dengan menambah baffle. Korelasi yang dihasilkan untuk fluida yang mengalir dalam tube  tidak dapat diaplikasikan untuk fluida yang mengalir pada  tube bundles  yang dilengkapi dengan segmental baffles,  hal ini dapat dilakukan melalui hasil eksperimen. Sehingga dibutuhkan suatu faktor perpindahan panas, jH= vs DG/u namun menggunakan nilai diameter ekuivalen, De dan mass velocity, Gs. Figure 28 pada Appendix menunjukkan korelasi pada data industri untuk hidrokarbon, senyawa organic, air, larutan encer, dan gas ketika terdapat baffle dengan clearance antar baffle dan tube

dan antara baffle dan shell. Untuk nilai Re dari 2000 hingga 1000000, data direpresentasikan melalui persamaan berikut :

 ()  () Shell  – side Mass Velocity.  Mass velocity fluida akan berubah secara kontinyu sepanjang bundle

karena lebar shell  dan jumlah tubes sangat bervariasi. Panjang flow area yang digunakan sama dengan baffle spacing , B. Sedangkan tube pitch merupakan jumlah dari tube diameter dan 2

clearance , C’’. Untuk setiap tube, dianggap menjadi C”x1 in crossflow area per inch baffle  space. Shell side atau bundle crossflow area dirumuskan menjadi :

  

2

ft

dan mass velocity yaitu

  

 

2

lb/(hr)(ft )

. Radius hidrolik yang digunakan untuk  shell side coefficient  Shell side Equ ivalent D iameter   pada bundles yang memiliki baffle bukan merupakan radius hidrolik yang sesungguhnya. Radius hidrolik berdasarkan flow area pada satu baris tidak akan dapat membedakan antara square pitch dan triangular pitch. Untuk menghasilkan korelasi yang sederhana pada kedua ukuran dan kemiripan tubes dan jenis  pitch, sehingga terdapat perjanjian untuk menghitung radius hidrolik sepanjang  axis tubes. Diameter equivalen  shell   sama dengan empat kali radius hidrolik yang dihasilkan untuk pola lay out   pada tube sheet . Mengacu pada Gambar 11 dimana crosshatch menutupi free area untuk square pitch.

           

 ft

 in

Untuk triangular pitch seperti pada Gambar 11, wetted perimeter dari elemen merupakan ½ wetted perimeter tube.

                        

Gambar 11. Diameter equivalen (Kern, 1965)

. 1-2  Exchanger   merupakan gabungan Tr ue Temperatu re Dif ference  Δt pada 1-2 Ex changer  dari exchanger parallel   dan counterflow  sehingga perbedaan temperatur ( Δt   ) tidak akan sama dengan perbedaan temperatur pada exchanger   paralel atau counterflow.

 Δt  

pada proses

counterflow  lebih tinggi dibanding paralel, untuk 1-2 exchanger  Δt merupakan gabungan dari keduanya. Sehingga dibutuhkan persamaan baru untuk menghitung perbedaan temperatur sebenarnya untuk mengganti LMTD yang terdapat pada counterflow. Asumsi yang digunakan ialah sebagai berikut : 1. Temperature fluida pada shell  merupakan temperatur rata-rata pada semua cross section 2. Terdapat jumlah heating surface yang sama pada setiap pass 3. Koefisien perpindahan panas total ialah konstan 4. Laju alir tiap fluida konstan 5. Specific heat  fluida konstan 6. Tidak terdapat perubahan fase baik evaporasi atau kondensasi pada exchanger  7. Adanya heat losses diabaikan Sehingga, neraca energi total dimana Δt merupakan perbedaan temperatur yaitu :

     

         Persamaan yang menyatakan Δt untuk 1-2 parallel flow counterflow adalah sebagai berikut :

Hubungan antara Δt dengan LMTD yaitu :

Sehingga rasio antara Δt dengan LMTD dapat dinyatakan dengan FT :

Akibatnya, persamaan Fourier untuk 1-2 exchanger dapat dinyatakan sebagai :

Untuk memudahkan mencari nilai FT maka faktor koreksi ini diplot pada Fig. 18 pada Appendix sebagai fungsi S dan R sebagai parameter. Nilai FT untuk parallel-counterflow exchanger  seperti 1-2 exchanger kurang dari 1 karena Δt pada  parallel-counterflow  tidak akan seefektif pada counterflow. Secara teori, semua exchanger   yang memiliki nilai FT lebih dari 0 akan dapat beroperasi namun hal ini tidak selalu benar. Adanya ketidaksesuain ini terjadi karena tidak semua asumsi yang digunakan saat menurunkan persamaan sesuai dengan penghitungan delta T. Untuk 1-2 exchanger , faktor koreksi FT harus kurang dari 0.75. 1-2 exchanger   merupakan kombinasi antara counterflow  dan  parallel  flow, sehingga outlet  temperature  dari salah satu aliran tidak akan dapat sangat mendekati inlet temperature  aliran

masuk yang lain. Pada aliran  parallel-counterflow, T2 — t2  disebut sebagai approach, dan jika t2>T2 maka t2 — T2 disebut sebagai temperature cross. . Pressure drop pada shell exchanger  berbanding lurus dengan seberapa Shell side Pressur e Drop   banyak fluida melewati bundles antar baffle. Hal ini berbanding lurus dengan jarak bundle yang terlewati tiap waktu. Dengan menggunakan modifikasi pada Eq 3.44 maka dengan mengambil ID  shell   dan banyaknya bundle  yang dilewati N+1, dimana N adalah banyaknya baffle. Jika L adalah panjang tube dalam ft. Maka,  Number of crosses, N+1= tube length , in/baffle space, in = 12 x L/B Jumlah crosses akan selalu ganjil jika shell nozzles terletak pada sisi yang berlawanan pada shell  dan akan genap jika kedua nozzle terletak pada sisi shell . De yang digunakan untuk menghitung  pressure drop sama daengan De yang digunakan untuk menghitung heat transfer , adanya friksi  pada  shell   diabaikan. Persamaan isothermal untuk menghitung  pressure drop fluida yang dipanaskan atau didinginkan baik pada entrance dan keluaran adalah :

. Persamaan untuk menghitung pressure drop pada tube yaitu : Tu be-side Pressur e Dr op 

Persamaan di atas hanya berlaku pada kondisi isothermal. n adalah jumlah tube passes, L adalah  panjang tube, sedangkan Ln adalah total panjang satu path (ft). Adanya perubahan arah juga akan menambah pressure drop, yang disebut sebagai return loss dan dihitung menggunakan :

sehingga, pressure drop total pada tube yaitu :

Analisis Kinerja 1-2  Ex changer  . Terdapat tiga hal yang harus diperhatikan dalam menentukan

kinerja suatu exchanger  yaitu : 1. Clean coefficient , Uc. Uc merupakan koefisien perpindahan panas total ketika tidak adanya pengotor (dirt ) yang terdeposit pada ID dan OD inner pipe. Ketika HE belum dioperasikan, maka nilai Uc dapat dihitung melalui hio dan ho atau melalui nilai Q dan Δt  berdasar kondisi operasi yang diharapkan. 2.  Heat balance, dengan menggunakan neraca energi akan dapat diketahui luas permukaan  perpindahan panas A dan true temperature difference Δt  untuk dirt/design coefficient, UD. Nilai Uc harus lebih besar dari UD  sehingga dirt factor  (R D) yang terhitung akan menghasilkan excess surface A. Hal ini akan mengantisipasi semakin berkurangnya nilai UD dan Δt ketika terjadi akumulasi pengotor. 3.  Pressure drop tidak melebihi allowable pressure drop yang telah ditentukan. Apabila syarat-syarat di atas terpenuhi, maka exchanger   sesuai digunakan untuk proses. Tidak ada aturan pasti untuk menentukan peletakan fluida panas atau dingin dalam shell   atau tube. Untuk mengecek peletakan telah benar atau belum, maka dapat dilakukan dengan menghitung nilai Uc dan melihat penyusunan mana yang menghasilkan Uc terbesar serta tidak melebihi allowable pressure drop yang ditentukan.

Daftar Pustaka

Kern, Donald Q. 1965. Process Heat Transfer. Singapore : McGraw Hill Book Company. Sugiyanto. 2008.  Analisis Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube dan Aplikasi Perhitungan dengan Microsoft Visual Basic 6.0. Depok : Universitas Gunadarma