Analisis Termal Alat Penukar Kalor Shell and Tube 1 – 2 Pass C. Prapti Mahandari *), Dita Satyadarma *), Shohib Murobath **) Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Gunadarma Depok, Indonesia Email :
[email protected] *) **)
Dosen Teknik Mesin Universitas Gunadarma Alumni Teknik Mesin Universitas Gunadarma
Abstraksi Peranan alat penukar kalor pada proses produksi dalam perindustrian sangatlah penting. Alat penukar kalor merupakan perangkat perpindahan energi-termal dari satu fluida ke fluida lainnya. Fluida yang bertukar kalor dapat berupa fasa cair-cair, cair-gas atau gasgas. Penelitian ini menganalisa alat penukar kalor dengan fluida panas adalah uap air dan fluida dingin adalah gas nitrogen. Dalam proses fabrikasinya perlu dilakukan analisis perencanaan sehingga diperoleh alat penukar kalor yang sesuai dengan fungsi pengoperasiannya serta kinerjanya tinggi. Analisis yang dilakukan adalah untuk memperoleh nilai Log Mean Temperature Difference (LMTD), luas perpindahan panas, koefisien perpindahan panas keseluruhan, faktor pengotoran, kerugian tekanan, serta efisiensi efektif. Simulasi perencanaan termal juga dilakukan menggunakan perangkat lunak komputer untuk membandingkan nilai LMTD terkoreksi dan koefisien perpindahan panas menyeluruh dengan hasil analisis manual. Hasil analisis untuk alat penukar kalor shell and tube 1–2 pass dengan uap air sebagai fluida panas untuk menaikkan temperature nitrogen diperoleh nilai LMTD sebesar 95,83 K dan yang terkoreksi 84,33 K, 2 luas perpindahan panas (A) sebesar 35,43 m , nilai koefisien perpindahan panas 2 keseluruhan (U) sebesar 52,2 W/m K, faktor pengotoran (Rd) sebesar 0,00206 m2K/W, kerugian tekanan (ΔP) disisi shell sebesar 1,939.10-4 kPa dan disisi tube sebesar 7,3.10-4 kPa, serta efisiensi efektif sebesar 81,3%.
PENDAHULUAN Alat penukar kalor merupakan piranti untuk melaksanakan perpindahan energithermal dari satu fluida ke fluida lainnya. Dalam proses perencanaannya, turut pula ditentukan jenis fluida, tingkat tekanan maupun temperaturnya sehingga pada penggunaannya, proses operasional, pemeliharaan dan perawatannya sesuai dengan yang telah diperhitungkan. Hal ini juga dapat mengurangi resiko kegagalan fabrikasi pada saat proses operasional berlangsung. Tujuan dari penulisan ini adalah untuk memperoleh nilai LMTD, luas perpindahan panas, koefisien perpindahan panas keseluruhan, faktor pengotoran, kerugian tekanan, serta efisiensi efektif pada perencanaan thermal alat penukar kalor jenis shell and tube 1 – 2 pass. Sebagai perbandingan, simulasi perencanaan thermal juga dilakukan menggunakan program Hysys v3.2. LANDASAN TEORI Uraian Perencanaan Dalam perencanaan alat penukar kalor selengkapnya dapat diperinci kedalam tiga proses, diantaranya analisis thermal, perencanaan mekanik, serta perencanaan produksi (design for manufacture) [1].
Analisis tentang faktor-faktor perencanaan menjadi pertimbangan dalam praktek. Pembahasan tentang penukar-kalor ini akan berbentuk analisis teknik, dimana metode untuk meramalkan kinerja (performance) alat penukar kalor akan dijelaskan, disertai pembahasan tentang metode-metode yang dapat digunakan untuk menaksir ukuran dan jenis alat penukar kalor yang diperlukan untuk melakukan suatu pengoperasian tertentu. Klasifikasi Alat Penukar Kalor Salah satu klasifikasi alat penukar kalor menurut standar TEMA, yaitu konstruksi tubular shell and tube dikelompokkan berdasarkan pemakaiannya menjadi tiga kelompok, yaitu [2]: a. Alat penukar kalor tipe R, dipergunakan untuk proses pengolahan minyak atau setidaknya berhubungan dengan aplikasi dalam pengolahan minyak. b. Alat penukar kalor tipe C, umumnya dipergunakan untuk keperluan komersil. c. Alat penukar kalor tipe B, dipergunakan untuk proses kimia. Konstruksi Alat Penukar Kalor Shell and Tube Komponen Utama Alat Penukar Kalor seperti tampak pada Gambar 1. adalah: A. Front End Stationary Head (bagian ujung depan yang tetap) Front end merupakan bagian saluran fluida yang akan mengalir ke dalam tube. B. Shell Side Diameter dalam sesuai Standar British 3274 mencakup 6 inci ( 152 mm ) sampai dengan 100 inci ( 2540 mm ) pada standar TEMA. C. Rear End Head (bagian ujung belakang) TEMA mendefinisikan 8 tipe dari bagian ujung belakang dari alat penukar kalor. D. Berkas tube atau Tube–Bundles Yaitu kumpulan tube-tube yang berada di dalam shell.
Gambar 1. Komponen Utama Menurut TEMA[1]
Selain keempat komponen tersebut, terdapat komponen lain, yaitu bundles yang terdiri atas tube sheet, baffle, tie rods dan spacer. Ukuran dan Tipe Ada tiga unsur yang harus dicantumkan untuk menentukan ukuran alat penukar kalor, yaitu Diameter nominal, Panjang Nominal, Tipe dan Ukuran Shell And tube. Contohnya ditampilkan pada Gambar 2.
Alat penukar kalor ukuran 22-84 tipe CFU, yaitu alat penukar kalor dengan menggunakan fixed tube sheet pada front end stationary head dan bentuk U-tube pada rear end, dengan aliran two-pass dengan baffle longitudinal. Diameter dalam shell 22 inci dan panjang 84 inci.
Gambar 2. Alat Penukar Kalor tipe CFU[6]
Pertimbangan umum perencanaan Sebagai kriteria pemilihan dalam perencanaan alat penukar kalor, diantaranya diameter tube, jarak tube, jumlah pass aliran, nozzle, drain dan venting. Sedangkan dari aspek penempatan fluida, ada beberapa faktor yang harus diperhatikan diantaranya [3]: a. Kemampuan untuk dibersihkan (Cleanability) b. Sifat korosif c. Tekanan Kerja d. Temperatur Fluida e. Jumlah Aliran Fluida f. Viscosity g. Pressure Drop h. Fluida Berbahaya / Mahal Perkembangan Penggunaan Teknologi Komputer Banyak program yang digunakan dibidang ilmu teknik, salah satunya untuk perencanaan alat penukar kalor. Program yang dapat membantu dalam perencanaan tersebut diantaranya, Codecalc, PV Elite, PVX, Hysys, ChemCAD, dan masih banyak lagi. Program yang digunakan dalam perencanaan alat penukar kalor juga dibagi dua, yaitu untuk perencanaan termal dan perencanaan mekanikal. Penggunaan perangkat lunak untuk penentuan kinerja penukar kalor telah banyak dilakukan salah satunya dalah penentukan kinerja alat penukar kalor sebuah perusahaan minyak dan gas jenis shell and tube dengan fluida didalam tabung adalah solar dan fluida didalam buluh adalah minyak mentah [4]. Pada penelitian ini dipergunakan perangkat lunak Hysys yang dapat digunakan untuk membuat model yang dinamis maupun kondisi stabil untuk disain pabrik, memantau kinerja alat proses, pemecahan masalah yang terjadi pada alat proses, peningkatan operasional, perencanaan bisnis dan manajemen asset. Melalui penggunaan interaktif Hysys, modifikasi simulasi variabel proses dan topologi operasi unit, dapat diubah-ubah dengan mudah menggunakan fitur-fitur yang ada [5]. Salah satu design pabrik menggunakan perangkat lunak ini adalah perancangan proses produksi styrene [6]. HASIL DAN PEMBAHASAN ANALISIS PERENCANAAN THERMAL Langkah-langkah perencanan thermal adalah sebagai berikut : 1. Menentukan Beban Kerja Perencanaan di Sisi shell dan Tube 2. Menghitung Temperatur Rata-Rata 3. Menentukan Data-Data Sifat Fisik Fluida sisi Shell and sisi Tube [7] 4. Menghitung Beda Temperatur Sebenarnya (Δtm)
5. Menentukan Jenis Alat Penukar Kalor dan Harga Koefisien Perpindahan Panas Perencanaan [8] 6. Menghitung Luas Perpindahan Panas (A) 7. Menentukan Spesifikasi dan Layout Tube mengacu pada standar TEMA [2] 8. Menentukan Jumlah Tube (Nt ) 9. Menentukan Spesifikasi dan Layout Shell dan Baffle 10. Mengoreksi Harga UD 11. Menghitung Koefisien Perpindahan Panas Fluida dingin (nitrogen) pada sisi tube dan Fluida panas (uap air) pada sisi Shell [9] 12. Menghitung Faktor Pengotoran Rd 13. Penurunan tekanan (pressure drop) Pada Sisi Tube (ΔPt) dan Pada Sisi Shell (ΔPs) 14. Menentukan effisiensi efektif alat penukar kalor Hasil analisis perencanaan thermal dari alat penukar kalor tipe shell and tube adalah seperti pada Tabel 1. Tabel 1. Hasil analisis manual perencanaan thermal.
SIMULASI PERENCANAAN THERMAL ALAT PENUKAR KALOR MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK HYSYS V.3.2 Proses Simulasi Perencanaan Thermal Alat Penukar Kalor 1. Memasukkan Fluida yang digunakan
Masukkan fluida yang digunakan pada perencanaan alat penukar kalor, yaitu fluida nitrogen (N2) dan air (H2O) atau steam pada halaman menu Simulation Basis Manager, seperti pada gambar 3
Gambar 3. Halaman Simulation Basis Manager dan Component List
2. Memasukkan Fluid Package yang digunakan Selanjutnya memasukkan fluid package dengan memilih UNIQUAC pada menu property package. Dalam pemilihan fluid package harus sesuai dengan pendekatan perhitungan dan karakteristik fluida. Dipilih uniquac, karena uniquac untuk fluida gas dalam kondisi ideal, dan dalam analisa perencanaan termal menggunakan perhitungan gas ideal. Tampilannya seperti pada Gambar 4.
Gambar 4. Pemilihan property package pada Fluid Package
3. Memasukkan Data-Data Hasil Analisis Pada Halaman Design Setelah memilih property package, tutup halaman Fluid Package dan masuk ke Enter Simulation Environment. Selanjutnya pilih alat yang akan disimulasikan, yaitu alat penukar kalor (Heat Exchanger). Klik dua kali pada alat penukar kalor, kemudian masukkan data-data hasil analisa perencanaan termal pada menu spesifikasi perencanaan alat penukar kalor. Pada halaman design, pada sub menu connections masukkan tube side inlet dengan nama fluida Nitrogen in, tube side outlet dengan nama fluida Nitrogen out, shell side inlet dengan nama fluida Steam in dan shell side outlet dengan nama fluida Steam out. Nama alat juga dapat diganti dengan nama fasa Gas-Gas. Tampilannya seperti terlihat pada Gambar 5
Gambar 5. Layar Design – Connections
Masih pada halaman design, masuk ke sub menu parameters. Masukkan delta P (kerugian tekanan) pada shell side sebesar 1,939.10-4 kPa dan tube side sebesar 7,3656.10-4 kPa dari hasil analisis perencanaan thermal. Pada area Heat Exchanger Model, pilih Exchanger Design (End Point) karena nilai LMTD dan UA otomatis terhitung dengan tujuan untuk membandingkannya dengan hasil analisis perencanaan thermal. Untuk data geometri dimasukkan data-data sesuai hasil perencanaan. Bentuk tampilannya dapat dilihat pada Gambar 6.
Gambar 6 Layar Design - Parameters
4. Memasukkan Data-Data Hasil Analisis Pada Halaman Rating Tampilan dari halaman rating, sizing terlihat di Gambar 7.
Gambar 7. Layar Rating - Sizing – overall
5. Memasukkan Data-Data Hasil Analisis Pada Halaman Rating
Gambar 8. Worksheet - conditions
6. Menampilkan Hasil Simulasi Setelah selesai disimulasikan, maka hasil simulasi dapat dilihat pada halaman Performance. Selain dari halaman Performance, hasil simulasi juga dapat diperoleh dari perintah print (cetak). Dibawah ini adalah hasil simulasi dari analisis perencanaan thermal Alat Penukar Kalor jenis shell and tube tipe TEMA AEU menggunakan Hysys V3.2.
Gambar 9. Halaman Performance (Output data) dan tampilan akhir dari Alat Penukar Kalor
Perbandingan Hasil Simulasi dengan Analisis Perencanaan Thermal Setelah dilakukan simulasi perencanaan thermal, diperoleh beberapa data termal untuk dibandingkan dengan hasil analisis manual perencanaan. Seperti pada tabel 9. dibawah ini. Tabel 9. Perbandingan Hasil Simulasi dan Analisis Perencanaan Thermal
KESIMPULAN Berdasarkan hasil analisis dan simulasi perencanaan termal alat penukar kalor tipe shell and tube 1 – 2 pass menggunakan program Hysys V3.2 dengan steam sebagai fluida panas dan nitrogen sebagai fluida dingin, diperoleh kesimpulan bahwa dari hasil analisis manual perencanaan termal untuk satuan temperatur menggunakan Kelvin. Sedangkan masukan program Hysys dalam satuan derajat Celcius, dan hasil perhitungan nilai LMTD tidak terpengaruh dengan satuan temperatur. Ini dikarenakan dalam rumus LMTD adalah mencari ”selisih” temperatur sebenarnya, dan selisih pada satuan temperatur Kelvin dan derajat Celcius sama. Satuan Kelvin pada analisis perencanaan mengakomodasi parameter empiris yang diperoleh dari literatur serta data-data fluida.
Perbedaan hasil perhitungan dengan hasil simulasi disebabkan karena faktor pembulatan angka desimal hasil perhitungan serta tingkat keakuratan dalam pembacaan grafik. SARAN Saran yang dapat diberikan adalah dalam perencanaan termal alat penukar kalor perlu diperhatikan bidang pengoperasiannya agar perencanaan termal dapat lebih efisien, dan perencanaan ulang alat penukar kalor sebaiknya menggunakan metode lain sebagai perbandingan metode perhitungan. DAFTAR PUSTAKA 1. EAP, Sanders, 1988, Heat Exchanger Selection-Design and Construction, Longman Scientific and Technical, Inc. 2. Byrne, Richard C., 1999. Standards of The Tubular Exchanger Manufacturers Association. New York : Standards of The Tubular Exchanger Manufacturers Association, Inc. 3. Fraas, Arthur P., 1989. Heat Exchanger Design second edition. New York: Wiley Interscience Publication. 4. Sugiyanto, Cokorda P.M., Dita S, “Penerapan Perangkat Lunak Komputer untuk Penentuan Kineraj Penukar Kalor”, Proceeding KOMMIT 2006, Universitas Gunadarma Jakarta
5. http://www.aspentech.com 6. Kurnia T., Reyni D.A., Tugas Akhir Prarancangan Pabrik Styrene Proses Lummus / Uop Smart SM Kapasitas 150000 Ton/Tahun, Teknik Kimia Universitas Diponegoro, Semarang, 2006 7. Yaws, C.L, 1999, Chemical Properties Handbook, New York : Mc. Graw Hill Co, Inc. 8. Kern, D.Q, 1965, Process Heat Transfer, Tokyo : International Student Edition, Mc. Graw Hill Co, Inc 9. Perry, R.H and Green, D.W., 1997, Perry’s Chemical Engineer’s Hand Book, 3thed, Tokyo : Mc. Graw Hill Co, Inc.
