Shell and Tube Heat Exchanger

Laporan Resmi Pratikum Teknik Kimia 1

SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER Laksmi Dewi K., Ach. Farid Wadjdi, Muhammad Fauzi Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya INTISARI Variabel yang digunakan dalam percobaan ini adalah flow rate air dingin 1,4 L/min, 1,8 L/min, dan 2,2 L/min, serta temperatur air panas 52ºC dan 62ºC. Percobaan ini dilaksanakan dengan dua jenis aliran yaitu aliran countercurrent dan cocurrent. Langkah awal yaitu menyalakan komputer dan instrument EDIBON-TCIC. Mengatur konfigurasi arah aliran fluida sesuai variable dan membuka kran air dingin utama. Menstart software TCIC. Mengklik link data capture lalu configuration. Mengatur waktu display data dan data capture. Membuat file untuk penyimpanan data praktikum dan disimpan di drive D. Memulai program. Mengatur set point suhu hot water/heater sesuai variable. Mengatur flow rate hot water. Mengatur flow rate cold water. Menunggu sampai suhu hot water yang diinginkan tercapai. Mencatat suhu inlet hot water, outlet hot water, inlet cold water, outlet cold water dan setiap bagian/seksi dari heat exchanger, serta serta menghitung suhu pada bagian baffle (ST4: baffle 2, ST6: baffle 3, ST8: baffle 4). Menghentikan program dan mematikan instrument EDIBON-TCIC. Menutup kran air dingin utama dan pada kran air dingin pada alat. Besarnya koefisien perpindahan panas dipengaruhi oleh arah aliran fluida. Untuk arah aliran counter current, proses perpindahan panas yang terjadi lebih efektif daripada proses perpindahan panas dengan arah aliran co-current, karena nilai koefisien perpindahan panas counter current lebih besar dari pada co current. PENDAHULUAN Dalam proses industri, transfer panas dari dua liquida adalah umumnya terjadi pada heat exchanger. Transfer panas terjadi dari liquida yang lebih panas ke dinding atau permukaan tube dengan cara konveksi, melewati dinding tube ke dalam dengan cara konduksi dan kemudian konveksi ke liquida yang lebih dingin. (Geankoplis, hal 263) Shell and Tube Heat 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. Tujuan dari percobaan Shell and Tube Heat Exchanger ini antara lain mempelajari mekanisme transfer panas pada Shell and Tube Heat Exchanger,

menghitung koefisien perpindahan panas secara overall berdasarkan laju alir massa, dan mengetahui pengaruh arah aliran fluida terhadap koefisien perpindahan panas TINJAUAN PUSTAKA Untuk 1-1 counterflow exchanger (gambar 1), atau 1 shell pass dan 1 tube pass, fluida dingin masuk dan mengalir di dalam tube-tube. Fluida dingin masuk pada ujung yang lain dan mengalir secara counterflow di bagian luar tube tetapi masih di dalam shell. Bafflebaffle 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) (Geankoplis, hal 264) Keuntungan shell and tube heat exchanger adalah range luas perpindahan panas besar. Sehingga memungkinkan untuk perpindahan panas yang lebih besar. Kerugiannya yaitu harganya lebih mahal dari double pipe heat exchanger dan kadang-kadang tidak cocok untuk aliran gas. Overall heat transfer (perpindahan panas overall) biasanya diekspresikan dalam koefisien perpindahan panas, U, yakni: q = U A ΔToverall dimana ΔToverall = Thot – Tcold dimana: q = kalor (J/s) U = koefisien perpindahan panas overall (W/m2K) A = luas permukaan (m2) T = temperatur (oK) Untuk melengkapi definisi U, dibutuhkan pesifikasi area luas permukaan heat transfer. Jika A terjadi di area luar tube, A0 , U menjadi U0. Jika heat transfer terjadi di bagian dalam tube, Ai, maka U menjadi Ui. Karena ΔT dan q independen dari area yang dipilih, maka perbandingan antara Ui dan Uo dapat ditulis sebagai berikut.

(McCabe, hal 281) Ketika dua fluida memasuki exchanger pada dua ujung yang berbeda dan melewati exchanger unit

Laporan Resmi Pratikum Teknik Kimia 1

dengan arah yang berlawanan, aliran tipe ini biasa disebut counterflow atau countercurrent flow. Kurva temperatur pada jenis aliran ini ditunjukkan pada gambar 2. Empat temperatur yang dinotasikan adalah: T1 = temperatur fluida panas yang masuk T2 = temperatur fluida panas yang keluar t1 = temperatur fluida dingin yang masuk t2 = temperatur fluida panas yang keluar Untuk aliran countercurrent, ΔT2 = T1 – t2 dan ΔT1 = T2 – t 1 Jika dua fluida memasuki exchanger pada dua ujung yang sama dan mengalir dengan arah yang sama, alirannya disebut parallel atau cocurrent flow. Kurva temperatur pada aliran jenis ini ditunjukkan pada gambar 3. Untuk aliran parallel, ΔT2 = T1 – t1 dan ΔT1 = T2 – t2

Gambar 3. Jenis-jenis layout tube pada exchanger (Kern, hal 128) Gambar 3. Profil tube Jumlah perbedaan ketebalan dinding didefinisikan sebagai Birminghan wire gage (BWG). Tube pitch Pt adalah jarak dari pusat ke pusat tube yang paling pendek.

Gambar 2 Profil temperatur pada aliran countercurrent

Gambar 3. Baffle

Gambar 3 Profil temperatur pada aliran cocurrent (Kern, hal 86) Ketika fluida panas dan dingin dalam heat exchanger mengalir secara countercurrent atau concurrent, log mean temperature difference (LMTD) akan digunakan

dimana ∆ T2 adalah perbedaan suhu pada ujung exchanger dan ∆ T1 adalah ujung yang lain. ∆ Tlm ini digunakan untuk douple pipe heat exchanger dan 11exchanger dengan 1 shell pass dan 1 tube pass dalam aliran counter maupun concurrent. (Geankoplis, hal 265) Di bawah ini adalah beberapa jenis layout tube pada umumnya,

(Kern, hal 130) Fouling Factor Koefiesien overall dari perpindahan panas diperlukan untuk memperoleh kondisi proses dapat diperoleh dari persamaan Fourier bila luas permukaan A diketahui dan Q dan Δt dihitung dari proses. Lalu U = Q/A Δt. Abaikan resistensi dinding pipa:

Timbulnya kerak atau kotoran yang menempel pada pipa sehingga perpindahan panas tidak lagi efektif adalah sebagai masalah dalam pengoperasian dalam double pipe heat exchanger. Makin tebal kerak tersebut maka tahanan terhadap proses perpindahan panas makin besar sehingga koefisien perpindahan panas menjadi kecil. Untuk menyatakan hal tersebut Gambar 3. Lokasi fouling factor dan koefisien transfer panas maka secara matematis dapat ditulis:

Laporan Resmi Pratikum Teknik Kimia 1

Gambar 4. Lokasi fouling factor dan koefisien perpindahan panas

dimana: Uc = clean coefficient (kJ/h.m2K) Ud = design coefficient (kJ/h.m2K) Rd = faktor kekotoran gabungan ( h.m2K/kJ) (Kern, hal 106) Mekanisme Perpindahan Panas Ada 2 jenis mekanisme perpindahan panas yang terjadi dalam Heat Exchanger, yaitu: 1. 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 (James R.W, 1-2) 2. 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 1701, q /A = h ΔT

. (James R.W, 8) perhitungan pada Heat

Langkah-langkah Exchanger. Kondisi proses yang dibutuhkan : Fluida panas : T1, T2, W, Cp, µ , k, ρ Fluida dingin : t1, t2, W, Cp, µ , k, ρ Dari exchanger data yang harus diketahui : Shell Tube ID Number and length Baffle space OD, BWG, pitch Passes Passes (1) Neraca panas, Q = WC(T1-T2) = wc(t2-t1) (2) Perbedaan suhu, ∆ T = ∆ Tlm

(3) Luas shell = IDxC’B/Pt Luas tube = Σ tube x a’/pass (4) Mass vol, G = W/luas (5) Nre = ID.G/μ (6) Npr = cp.μ/k (7) h = 1,86(k/D)(Nre .Npr.D/L)1/3 (8) hio = hi.ID/OD (9) Uc = hio.ho/(hio + ho) (10) Ud = Qav/a’’.∆T (11) Efisiensi aliran counter η = (T1T2)/(T1-t1) Efisiensi aliran cocurrent η = (T1-T2)/(T1-t2) Metodologi Percobaan Percobaan ini dilaksanakan dengan langkahlangkah sebagai berikut : 1. Menyalakan komputer dan instrument EDIBON-TCIC. 2. Mengatur konfigurasi arah aliran fluida sesuai variable dan membuka kran air dingin utama. 3. Menstart software TCIC. 4. Mengklik link data capture lalu configuration. 5. Mengatur waktu display data dan data capture. 6. Membuat file untuk penyimpanan data praktikum dan disimpan di drive D. 7. Memulai program. 8. Mengatur set point suhu hot water/heater sesuai variable. 9. Mengatur flow rate hot water. 10. Mengatur flow rate cold water. 11. Menunggu sampai suhu hot water yang diinginkan tercapai. 12. Mencatat suhu inlet hot water, outlet hot water, inlet cold water, outlet cold water dan setiap bagian/seksi dari heat exchanger, serta menghitung suhu pada bagian baffle (ST4: baffle 2, ST6: baffle 3, ST8: baffle 4). 13. Menghentikan program dan mematikan instrument EDIBON-TCIC. 14. Menutup kran air dingin utama dan pada kran air dingin pada alat. Alat dan Bahan yang Digunakan Alat yang digunakan pada percobaan ini adalah: 1. Shell & Tube Heat Exchanger 2. Komputer 3. Gelas ukur 1000 mL 4. Stopwatch Bahan yang digunakan pada percobaan ini adalah air Hasil Percobaan Dari percobaan yang diperoleh hasil sebagai berikut:

telah

dilakukan

Laporan Resmi Pratikum Teknik Kimia 1

Tekanan udara Temperatur udara Temperatur air

: 756 mmHg : 30ºC : 28ºC

52,8

48

37

46,4

61,6

56,4

36,9

56,7

61,8

56,9

36,6

57,2

Tho (ST 5) (°C) 47,9 48,4 55 55,5 46,9 46,7 55,1 54,7 46,1 46,3 59,9 60,8

tci (ST 9) (°C) 37,3 35,9 36,7 36,4 36,8 37,5 36,1 36,1 37,6 37,1 37,2 38,1

tco (ST 2) (°C) 47,7 47 54,5 54,8 45,1 45,5 52,4 50,6 45,5 45,1 59,7 60,3

Aliran concurrent Thi (ST 1) (°C) 54,1 52,7 61,1 61,5 50,9 51,8 62 61,9 52,3 52,2 63,6 63,6

Gambar Sketsa Alat

PEMBAHASAN Dari hasil perhitungan maka didapatkan hasil hi, ho, hio, Uc, dan Ud untuk aliran counter sebagai berikut

Gambar 5. Sketsa alat percobaan Shell & Tube Heat Exchanger Keterangan gambar: 1. Panjang shell (l) = 0,8 m 2. Pitch tube (Pt) = 0,02 m 3. Diameter Tube (ID) = 0,010211 m 4. Diameter Shell (OD) = 0,15642 m 5. C’ (Clearance) = 0,015 m 6. Buffle Space = 0,09 m 7. Number of Tube = 21 buah 8. Panjang Tube = 0,49 m 9. BWG = 18 HASIL PERCOBAAN Aliran counter current

hi

ho

hio

Uc

Ud

J/m2Ks

J/m2Ks

J/m2Ks

J/m2Ks

J/m2Ks

24,604

23,377

19,782

10,715

5,253

28,631

23,423

23,020

11,610

3,756

24,799

23,411

19,939

10,768

8,871

28,758

23,402

23,122

11,631

9,068

24,604

25,095

19,782

11,062

7,626

28,553

24,753

22,957

11,911

8,417

24,760

24,824

19,907

11,048

7,431

28,807

25,113

23,161

12,049

9,390

24,582

26,749

19,764

11,366

6,940

28,579

26,749

22,978

12,360

10,084

24,757

26,682

19,905

11,400

10,013

28,782

26,623

23,141

12,380

11,908

hio

Uc

Ud

Untuk aliran cocurrent

Thi

Tho

tci

tco

(ST 1)

(ST 5)

(ST 2)

(ST 9)

(°C)

(°C)

(°C)

(°C)

53,6

50

38,3

47,4

54,9

53,8

38,6

49,3

63,9

51,6

40,1

60,2

52,5

53,6

50,8

52 61

hi

ho

2

2

2

J/m Ks

J/m Ks

J/m2Ks

J/m Ks

J/m2Ks

24,604

23,377

19,782

10,715

17,738

28,580

23,381

22,979

11,589

11,607

24,759

23,522

19,907

10,782

13,372

50,8

28,783

23,521

23,142

11,665

15,631

40,3

49,4

24,536

26,719

19,728

11,348

8,681

37,4

50,1

28,554

26,793

22,958

12,364

14,914

49,1

35,8

47,8

24,781

28,130

19,924

11,663

9,238

54,6

36,3

53

28,811

27,775

23,164

12,631

10,180

62,7

55,3

37,7

53

52,8

48

37,1

45,4

24,584

28,645

19,766

11,696

16,118

28,552

28,561

22,956

12,727

16,891

Laporan Resmi Pratikum Teknik Kimia 1

24,801

31,617

19,940

12,228

19,566

28,834

31,748

23,183

13,399

17,105

Pada percobaan Shell and Tube Heat Exchanger ini bertujuan untuk mempelajari mekanisme transfer panas dengan menghitung koefisien perpindahan panas serta bagaimana pengaruh arah aliran fluida terhadap koefisien perpindahan panas. Dimana fluida panas mengalir melalui tube (pipa) dan fluida dingin melalui shell. Dalam percobaan ini, variabel yang digunakan adalah rate air dingin yaitu 1,4 L/min, 1,8 L/min, dan 2,2 L/min serta rate air panas 0,7 L/min dan 1,1 L/min, serta arah aliran perpindahan panas yaitu co-current dan counter current. Dari data variable-variabel di atas didapatkan data-data suhu masuk dan keluar yang digunakan untuk menghitung LMTD nya. Kemudian dengan mencari properties masing-masing fluida, dapat dihitung mass flow rate (W), laju alir per satuan luas (G), NRe, Npr, Fouling koefisien (hi, ho hio), dan kemudian diperoleh kalor (Q), dan didapatkan nilai koefisien perpindahan panas dan dingin pada keadaan clean (Uc) dan kotor (Ud) serta efisiensi Mekanisme perpindahan panas yang terjadi pada percobaan ini adalah konduksi dan konveksi. Dimana terdapat perpindahan panas antara suatu permukaan dengan fluida didekatnya (konveksi) serta konduksi, dengan perpindahan molekuler pada fluidanya. Panas sensibel dari fluida panas akan menaikkan suhu dari fluida dingin tanpa merubah fasenya. (Mc.Cabe, 275) Selain suhu masuk dan suhu keluar, tercatat juga suhu tiap baffle. Setiap suhu yang tercatat memiliki nilai yang berbeda. Hal ini menunjukkan bahwa selama proses aliran terdapat perpindahan panas. Baffle ini juga berguna untuk lebih mengontrol laju aliran agar tetap laminar. Selanjutnya untuk perlakuan dengan arah aliran co-curren dan counter current agar lebih mudah dibandingkan, disajikan dalam bentuk grafik di bawah ini. Untuk aliran counter current,

Gambar 7. Grafik hubungan Vh vs Uc Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa untuk hasil perhitungan nilai Uc bagian terakhir cenderung sama, sedangkan pada perhitungan awal didapatkan nilai Uc yang sangat mencolok, dimana nilai Uc pada aliran counter-current jauh lebih kecil dibandingkan nilai Uc lainnya,. Hal ini, bisa disebabkan oleh beberapa kemungkinan, yaitu adanya proses pemanasan dari fluida panas masih belum sempurna (belum konstan) yang mengakibatkan kenaikan suhu masuk dan keluar fluida panas, dan kemudian secara tiba-tiba mulai konstan yang menyebabkan suhu yang mula-mula naik menjadi turun. (Kern, 104) Dari hasil terlihat bahwa pada aliran searah atau counter-current lebih besar. Fouling factor ini mengganggu kinerja alat penukar panas yang bisa diakibatkan karena pembentukan scale (kerak) dan mempengaruhi nilai koefisien transfer panas yang dihasilkan, sehingga sebisa mungkin nilainya harus kecil.

Gambar 8. Grafik hubungan Vh vs Ud sedangkan aliran cocurrent,

Gambar 9. Grafik hubungan Vh vs Ud Gambar 6. Grafik hubungan Vh vs Uc sedangkan aliran cocurrent,

Untuk aliran co-current dari grafik dapat dilihat bahwa nilai Ud cenderung semakin besar / berbanding lurus dengan rate aliran.

Laporan Resmi Pratikum Teknik Kimia 1

Kemudian dengan melihat hasil LMTD pada perhitungan didapatkan nilai yang lebih besar terdapat pada aliran counter current. Semakin besar nilai LMTD ini mengindikasikan bahwa perpindahan panas semakin baik / efektif. Nilai LMTD juga mempengaruhi nilai Ud, dimana semakin besar nilai LMTD akan memperkecil besar Ud. Sesuai dengan literatur semakin besar LMTD maka nilai Q semakin besar. q= U A ΔTlm. (James R.W, 183) Sehingga dari hasil di atas, dapat disimpulkan sesuai dengan literatur arah aliran counter current lebih efisien karena menghasilkan koefisien transfer panas yang lebih besar. (Geankoplis, 219) Dari perhitungan efisiensi didapatkan pada aliran counter current sebesar 58,065% dan pada aliran concurrent sebesar 36,904%. Hal sesuai dengan literature bahwa aliran counter lebih efektif disbanding aliran cocurent.

G Gc Gh hi ho IDs IDt kc kh LMTD Lt Nprc Nprh NRec NReh

KESIMPULAN Dari data dan hasil perhitungan dalam percobaan “Shell and Tube Heat Exchanger” dapat disimpulkan, antara lain: 1. Mekanisme transfer panas pada Shell and Tube Heat Exchanger terjadi secara konduksi dan konveksi 2. Koefisien perpindahan panas secara overall berdasarkan laju alir massa aliran counter current Uc = 12,380 (J/s.m2.K) dan aliran cocurrent Uc= 13,399 (J/s.m2.K). Perbedaan nilai ini disebabkan karena nilai hi dan hio pada aliran counter current lebih besar dibandingkan nilai hi dan hio pada aliran co current. 3. Terdapat pengaruh arah aliran fluida terhadap koefisien perpindahan panas. Aliran counter current lebih efisien dalam proses transfer panas dibandingkan aliran co-current. DAFTAR PUSTAKA Geankoplis, C.J. 1993. Transport Processes and Unit Operation, 3rd ed. India: Prentice Hall, Inc. Kern, Donald Q. 1965. Process Heat Transfer. Singapore: McGraw Hill Book Company. Lienhard, John.1961.A Heat Transfer Textbook. 3rd ed.Cambridge McCabe, W.L., Julian Smith, Peter Harriot. 1993. Unit Operation of Chemical Engineering, 5th ed. Singapore: McGraw Hill Book Company. Robert, H.P. and D.W. Green, 1997. Perry’s Chemical Engineering Hand Book, 7th Edn., McGraw-Hill Company, New York DAFTAR NOTASI Notasi Keterangan Cpc Kapasitas panas fluida dingin Cph Kapasitas panas fluida panas

Satuan kJ/kg.K kJ/kg.K

Ŋ ODs ODt Pt Qc Qh Qav Rd Tc Th Uc Ud Vc Vh Wc Wh μc μh ρc ρh

Konstanta gravitasi Laju alir fluida dingin Laju alir fluida panas Individual heat transfer dalam Individual heat transfer luar Inlet Diameter shell Inlet Diameter tube Thermal konduktivitas fluida dingin Thermal konduktivitas fluida panas Log Mean Temperature Difference Panjang tube Bilangan Prandtl fluida dingin Bilangan Prandtl fluida panas Bilangan Reynold fluida dingin Bilangan Reynold fluida panas Efisiensi heat exchanger Outlet Diameter shell Outlet Diameter tube Pitch tube Panas yang dilepas oleh fluida dingin Panas yang dilepas oleh fluida panas Panas rata-rata antara fluida panas dan fluida dingin Faktor kekotoran gabungan (fouling factor) Suhu fluida dingin Suhu fluida panas Clean overall heat transfer coeffisient Design overall heat transfer coeffisient Kecepatan volumetrik fluida dingin Kecepatan volumetrik fluida panas Laju alir fluida dingin Laju alir fluida panas Viskositas fluida dingin Viskositas fluida panas Densitas fluida dingin Densitas fluida panas

m/s2 kg/m2.s kg/m2.s W/m2.K W/m2.K m m W/m.K W/m.K K m % m m m J/s J/s J/s s.m2.K/kJ o

C C J/s.m2.K o

J/s.m2.K L/s L/s kg/s kg/s kg/m.s kg/m.s kg/m3 kg/m3