BAB II LANDASAN TEORI
2.1 Landasan Teori 2.1.1 Pengertian Heat Exchanger (HE) Heat Exchanger (HE) adalah alat penukar panas yang memfasilitasi pertukaran panas antara dua cairan pada temperatur yang berbeda sekaligus menjaga mereka dari pencampuran satu sama lain. Penukar panas yang biasa digunakan dalam praktik dalam berbagai aplikasi, dari sistem pemanas dan AC dalam rumah tangga, untuk pengolahan kimia dan produksi listrik di pabrik besar. Perpindahan panas pada alat penukar kalor biasanya melibatkan konveksi masingmasing fluida dan konduksi sepanjang dinding yang memisahkan kedua fluida. Laju perpindahan panas antara kedua fluida pada alat penukar kalor bergantung pada besarnya perbedaan temperaturpada lokasi tersebut, dimana bervariasi sepanjang alat penukar kalor. Penukar panas atau dalam industry kimia populer dengan istilah bahasa inggrisnya, heat exchanger (HE), adalah suatu alat yang memungkinkan perpindahan panas dan bisa berfungsi sebagai pemans maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium pemanas 6
dipakai uap lewat panas (super heated steam) dan air biasa sebagai air pendingin (cooling water). Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien. Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak, baik antara fluida terdapat dinding yang memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung begitu saja. Penukar panas sangat luas dipakai dalam industri seperti kilang minyak, pabrik kimia maupun petrokimia, industry gas alam, refrigerasi, pembangkit listrik. Salah satu contoh sederhana dari alat penukar panas adalah radiator mobil di mana cairan pendingin memindahkan panas mesin ke udara sekitar.
2.2
Klasifikasi Heat Exchanger
2.2.1 Klasifikasi heat exchanger tipe shell and tube berdasarkan TEMA Alat penukar panas jenis shell and tube yang digunakan pada dunia industri sangat banyak. Untuk mengklasifikasikannya tentunya sangat sulit, untuk itu TEMA (Tubular Exchanger Manufacturing Association)
mengelompokkan
alat
penukar
panas
berdasarkan pemakaiannya menjadi 3 kelompok atau kelas, yaitu : a)
Kelas R TEMA kelas R menentukan persyaratan desain dan fabrikasi untuk heat exchanger tipe shell and tube yang ada dilingkungan migas seperti refinery, oil field dan industri terkait lainnya. Kelas R umumnya dipilih untuk aplikasi dimana daya tahan dan faktor keamanan menjadi faktor utama.
b)
Kelas C TEMA kelas C menentukan persyaratan desain dan fabrikasi untuk heat exchanger tipe shell and tube yang berada dilingkungan layanan komersial dan industri
7
proses umum dengan tekanan dan temperatur sedang serta fluida yang relatif tidak korosif. c)
Kelas B TEMA kelas B menentukan persyaratan desain dan fabrikasi untuk heat exchanger tipe shell and tube yang berada pada proses industri kimia dimana banyak terdapat proses kimia,zat yang korosif dan fluida dengan suhu yang tinggi dan menggunakan alloy material construction.Kelas B mirip dengan Kelas Rsehubungan dengan persyaratan desain, tetapi lebih mendekati kelas C sehubungan dengan ketebalan minimal dan corrosion allowance.
2.2.2 Klasifikasi berdasarkan fungsinya Klasifikasi alat penukar panas berdasarkan fungsinya dapat dibedakan antara lain menjadi : a)
Heat Exchanger adalah : alat penukar panas dengan memanfaatkan suhu fluida untuk memanaskan fluida yang lain atau mendinginkan fluida panas dan memanaskan fluida dingin.
b)
Cooler adalah alat penukar panas yang berfungsi untuk mendinginkan fluida cair atau gas dengan air sebagai media pendingin dan tanpa ada perubahan fase.
c)
Condenser berfungsi untuk mendinginkan atau mengembunkan uap atau campuran uap menjadi cair, media pendingin yang digunakan adalah air.
d)
Heater adalah alat penukar panas yang berfungsi untuk memanaskan fluida dalam proses,media panas yang digunakan adalah steam atau fluida panas lainnya.
e)
Evaporator adalah alat penukar panas yang berfungsi untuk mengubah uap cair menjadi uap pekat atau cair, media yang digunakan adalah udara.
8
f)
Chiller adalah alat penukar panas yang berfungsi untuk mendinginkan fluida pada temperature sangat rendah, media pendingin yang digunakan adalah amoniak.
g)
Reboiler adalah alat penukar panas yang berfungsi untuk memanaskan atau mendidihkan kembali (reboil) dan menguapkan sebagian cairan yang diproses, media yang digunakan adalah steam atau fluida panas yang sedang diproses itu sendiri.
TEMA membuat pembagian berdasarkan tipe dan stasionari head, tipe shell, dan tipe rear-head, TEMA menggunakan tiga buah huruf, yaitu : a)
Huruf pertama menyatakan bentuk “Front
End Stationary Head Type” atau
channel, dengan menggunakan huruf : A, B, C, dan D. b)
Huruf kedua menyatakan bentuk dari shell type atau tabung, dengan menggunakan notasi huruf : E, F, G, H, J, dan K.
c)
Huruf ketiga menyatakan bentuk dari “Rear End Head Type” atau bagian belakang, dengan menggunakan notasi huruf : L, M, N, P, S, T, U, dan W.
9
Gambar 2. 1 Bagian-bagian heat exchanger berdasarkan TEMA Sumber : Shell and tube heat exchanger. Mukherjee, Rajive.Engineers India Ltd.
2.3
Bagian Utama Dari Heat Exchanger Type Shell and Tube
Pada gambar dibawah ini merupakan suatu gambar ilustrasi untuk heat exchanger tipe shell and tube yang diberi nomor dan keterangan untuk memberikan persamaan dan menstandarkan istilah dari heat exchanger tipe shell and tube.
10
Gambar 2. 2 Bagian-bagian shell and tube heat exchanger http://3.bp.blogspot.com/-WpgENWNr_LU/T6y2-_EfgcI/AAAAAAAAAA8/Nx4MT9ViXzA/s1600/3.jpg
Keterangan : 1.
Saluran ujung yang tetap (stationary head-channel)
3.
Saluran atau tepi ujung yang tetap (stationary head flange-channel or bonnet)
4.
Tutup saluran (Channel cover)
5.
Nosel ujung stasioner (Stationery head nozzle)
6.
Pelat tube stasioner (Stationary tube sheet)
7.
Tube
8.
Shell
9.
Tutup shell (Shell cover)
10.
Flens shell pada ujung stasioner (shell flange stationary head end)
11.
Flans shell ujung yang dibelakang (Shell flange-rear head end)
12.
Shell nozzle
13.
Flens penutup shell (Shell cover flange)
15.
Pelat tube yang mengambang (floating tube sheet)
16.
Tutup kepala yang mengambang (Floating head cover)
17.
Flens kepala yang mengambang (Floating head cover flange) 11
18.
Penahan kepala yang mengambang (Floating head backing device)
27.
Batang pengikat dan spasi (Tie rod and spacer)
28.
Pelat penahan atau sekat transverse (Transverse baffles or support plate)
29.
Sekat yang disentuh langsung (Impingement baffles)
31.
Pemisah aliran pass (Pass partition)
32.
Sambungan untuk venting (Vent connection)
33.
Sambungan untuk buangan (Drain connection)
34.
Sambungan untuk instrument (Instrument connection)
35.
Penahan vessel (Support Saddle)
36.
Tahanan untuk mengangkat (Lifting lug)
37.
Penahan untuk tutup kepala yang mengambang (Floating head support)
Berikut beberapa bagian yang penting dari alat penukar panas tipe shell and tube, dengan fungsi masing-masing, yaitu : 1.
Shell dan cover shell Shell berfungsi untuk mendapatkan ruangan shell side dan menahan tekanan kerja fluida yang mengalir didalamnya. Disamping itu juga untuk menempatkan dan mengikat tube sheet dan shell sheet baffle sehingga kokoh didalam shell. Sedang shell cover adalah penutup bagian belakang dari shell.Bentuk dari pengkodean shell and cover dapat dilihat pada gambar 2.1.
2.
Channel dan channel cover Channel biasanya dibuat dengan menggunakan material pelat yang dirol dengan ujung-ujungnya dilas dengan pengelasan penuh, didalam channel terdapat pass partition yang berfungsi untuk membagi aliran.
12
Sedangkan channel cover adalah penutup dari channel. 3.
Nozzle Nozzle berfungsi untuk koneksi aliran masuk dan aliran keluar pada shell dan tube, nozzle pada shell disebut shell nozzle dan nozzle pada tube disebut tube nozzle.
4.
Tie rod and spacer Tie rod dan spacer digunakan untuk mengikat sistem baffle menjadi satu dan tetap pada posisinya, secara umum fungsi dari tie rod dan spacer adalah :
Mempertahankan jarak diantara kedua tube sheet.
Mempertahankan jarak antar baffle plate.
Menjaga dan mempertahankan sambungan tube, agar tidak mengalami perubahan bentuk sewaktu diadakan pengangkatan atau pengeluaran tube bundle untuk perbaikan.
5.
Tube sheet connection Tube sheet merupakan tempat dudukan tube-tube pada ujungnya, tube sheet dibuat tebal dan tube harus terpasang tanpa bocor pada tube sheet ini. Terdapat dua jenis tube sheet, yaitu : fixed tube sheet dan floating tube sheet.
6.
Baffle plate Baffle plate berfungsi sebagai penyangga tube, menjaga jarak antar masingmasing tube, menahan fibrasi yang ditimbulkan oleh tekanan dan suhu fluida. Disamping itu juga sebagai pengatur arah aliran fluida pada shell side. Ada beberapa macam baffle yang digunakan, diantaranya adalah single segmental baffles, double segmental baffles, dan triple segmental baffles.
13
Gambar 2. 3 Jenis-jenis baffles plate Sumber : Shell and tube heat exchanger. Mukherjee, Rajive.Engineers India Ltd.
7.
Tube Tube berfungsi untuk pembatas antar fluida agar tidak terjadi kontak langsung sekaligus sebagai penghantar panas pada alat penukar panas. Tube yang dipadang pada tube sheet mempunyai susunan tertentu diantaranya :
Triangular pitrch
Rotated triangular pitrch
Square pitch
Rotated square pitch
14
Gambar 2. 4 Susunan tube pada tube sheet Sumber : Shell and tube heat exchanger. Mukherjee, Rajive.Engineers India Ltd.
2.4
Cara Perpindahan Panas
Perpindahan panas konduksi dapat berlangsung pada zat padat, cair dan gas. Adapun untuk menghitung perpindahan panas konduksi dapat dipergunakan rumus berdasarkan hukum Fourier (http://id.wikipedia.org/wiki/Konduksi_panas) yaitu :
a.
∆ ∆
............................................... ( 1 )
Dimana : Q = Jumlah aliran panas (Joule) K = Koefisien daya hantar panas (W/m2.oC) A = Luas bidang perpindahan panas (m2)
15
T = Temperatur (oC) X = jarak, atau tebal aliran panas (m) Perpindahan panas konveksi adalah mekanisme perpindahan panas yang terjadi dari satu benda ke benda yang lain dengan perantaraan benda itu sendiri. Perpindahan panas konveksi ada 2 macam yaitu konveksi paksa dan konveksi alami. Konveksi alami adalah perpindahan molekul–molekul di dalam zat yang dipanaskan karena adanya perbedaan density. Untuk menghitung perpindahan panas secara konveksi bebas dapat digunakan rumus yaitu : b.
∆ ........................................( 2 ) Dimana : Q = Jumlah aliran panas (Joule) h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2▪oC) A = Luas bidang perpindahan panas (m2) T = Temperatur (oC) Harga dari h dipengaruhi oleh kekasaran, temperatur, densitas, viskositas, dan panas konveksi paksa yaitu perpindahan panas konveksi yang berlangsung dengan bantuan tenaga lain, misalnya adalah udara yang dihembuskan di atas plat oleh kipas. c.
Perpindahan panas radiasi adalah perpindahan panas dari suatu benda ke benda
lain dengan bantuan gelombang elektromagnetik,dimana energi ini akan diubah menjadi panas jika energinya diserap oleh benda yang lain. Untuk menghitung besarnya panas yang dipancarkan dapat digunakan rumus sebagai berikut : 4 ......................................( 3 ) Dimana : Q = Jumlah aliran panas (Joule) 16
e = emisivitas (0 s/d 1) σ = Konstanta proporsionalitas 5,669 x 10-8 (W/m2▪K4) A = Luas bidang perpindahan panas (m2) T = Temperatur (K)
2.5
Menghitung balance energy sisi shell, dengan persamaan dibawah ini :
Sebelum menghitung jumlah tube, kita harus mencari terlebih dahulu nilai Qh yaitu energy panas yang dilepaskan oleh asam sulfat, dengan persamaan dibawah ini : .
.
…………………………………........................……….(2.1)
Keterangan : : Energy panas yang dilepaskan oleh asam sulfat ( J/s ) : Laju aliran pada asam sulfat ( kg/s ) : Panas jenis pada asam sulfat ( J/kg-K ) : Temperature masuk pada asam sulfat ( oK ) : Temperature keluar pada asam sulfat ( oK ) Sehingga energy panas yang dilepaskan oleh asam sulfat, sama dengan energy yang diterima oleh air. Qh = Qc
17
2.6 Menghitung besarnya temperatur air keluar,dengan persamaan dibawah ini :
.
………………………………………………………………(2.2)
Keterangan : : Energi panas yang diterima oleh air ( J/s ) : Temperature masuk air ( K ) : Laju aliran air ( kg/s ) : Panas jenis pada air ( J/kg-K )
2.7
Menghitung laju aliran air, dengan persamaan dibawah ini :
∆
………………………………………….…………......……….(2.3)
∆
…………………………………….………………......……….(2.4)
∆
∆
∆
∆ ∆
.∆
…………………………………………………......…….…….(2.5)
,
………………………………………………......…………(2.6)
Keterangan : ∆
: Temperatur rata-rata shell dan tube : Temperatur rata-rata counter flow : Temperatur keluar air ( K ) : Temperatur masuk air ( K ) : Temperatur keluar asam sulfat ( K ) : Temperatur masuk asam sulfat ( K ) : Faktor koreksi
18
Gambar 2. 5 Grafik LMTD Dari grafik LMTD diatas menunjukkan bahwa arah aliran pada heat exchanger tipe shell and tube ini berlawanan antara fluida panas dan fluida dingin.
2.8
Besarnya area perpindahan panas pada tube,dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : ∆
……………………………………………………………………..(2.7)
Keterangan : : Luas area perpindahan panas. ∶ Energi panas yang diterima oleh air ( J/s ) ∶ Koefisien perpindahan panas didalam tube (
)
∶ Temperature rata-rata counter flow ( K )
19
2.9
Besarnya luas penampang satu tube, dengan menggunakan persamaan : ……………………………………....................………………………(2.8)
Diketahui : : Luas penampang pada satu tube : Diameter dalam tube ( m )
2.10 Besarnya bilangan Reynolds di sisi tube, dapat dihitung dengan persamaan :
..............................................................................................................(2.9)
Keterangan : Re : Bilangan Reynolds di sisi tube : Massa jenis air ( kg/m3 ) : Kecepatan rata-rata aliran dalam tube ( m/s ) di : Diameter dalam tube ( m ) : Viskositas dinamik air ( Ns/m2 )
2.11 Besarnya koefisien gesekan di dalam tube,dapat dihitung dengan persamaan: 1,58 ln
3,28
..................................................................................(2.10)
Keterangan : f : Koefisien gesekan di dalam tube Re : Bilangan Reynolds
20
2.12 Besarnya bilangan nusselt tube, dapat dihitung dengan persamaan :
,
/
,
...................................................................................(2.11)
Keterangan : : Bilangan Nusselt tube f : Koefisien gesekan Re : Bilangan Reynolds Pr : Bilangan Prandtl
2.13 Besarnya koefisien
konveksi
di dalam tube,dapat dihitung
dengan
menggunakan persamaan:
.
.............................................................................................................(2.12)
Keterangan : : Koefisien konveksi di dalam tube : Bilangan Nusselt tube : Diameter dalam tube ( m ) : Konduktifitas thermal air ( W/mK )
2.14 Besarnya diameter shell,dapat dihitung dengan persamaan : 0,637
.
............................................................................(2.13)
Keterangan : ∶ Diameter shell ∶ Susunan tube ∶ Bentuk satu lintasan tube 21
∶ Luas area perpindahan panas (
)
∶ Pitch ratio ∶ Diameter luar tube ( m ) L : Panjang tube ( m )
2.15 Untuk menghitung jumlah tube dapat dihitung menggunakan persamaan : 0,785
.......................................................................................(2.14)
Keterangan : ∶ Bentuk satu lintasan tube ∶ Susunan tube ∶ Diameter shell ( m ) ∶ Pitch ratio ∶ Diameter luar tube ( m )
2.16 Jumlah tube pass dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : .
. .
.∑
……………………………………...................(2.15)
Keterangan : ∑
∶ Luas area perpindahan panas (
)
∶ Diameter luar tube ( m ) ∶ Panjang tube ( m ) ∶ Jumlah tube
22
2.17 Besarnya luas penampang di sisi shell, dapat dihitung dengan persamaan : .
..........................................................................................(2.16)
Keterangan : : Jumlah tube koreksi : Diameter shell ( m ) : Pitch tube : Baffles
2.18 Besarnya bilangan Reynolds di sisi shell, dapat dihitung dengan persamaan :
. .
............................................................................................................(2.17)
Keterangan : : Bilangan Reynolds : Laju aliran asam sulfat (
)
: Luas penampang aliran sisi shell ( : Viskositas dinamik asam sulfat (
/
) )
: Diameter luar tube ( m )
2.19 Besarnya bilangan nusselt di sisi shell dapat dihitung dengan persamaan :
0,20
,
,
.........................................................................................(2.18)
Keterangan : : Bilangan Nusselt di sisi shell : Bilangan Reynolds di sisi shell : Bilangan Prandt asam sulfat 23
2.20 Besarnya koefisiensi konveksi di sisi shell,dapat dihitung dengan persamaan :
.
............................................................................................................(2.19)
Keterangan : : Koefisien konveksi di sisi shell : Bilangan Nusselt di sisi shell : Konduktifitas termal asam sulfat (
)
: Diameter luar tube ( m )
2.21 Koefisien perpindahan panas bersih dapat dihitung dengan persamaan :
..............................................................................(2.20)
Keterangan : : Koefisien perpindahan panas bersih : Diameter luar tube ( m ) : Diameter dalam tube ( m ) : Konduktifitas termal air (
) )
: Koefisien konveksi di dalam tube ( : Koefisien konveksi di sisi shell (
)
24
2.22 Koefisien perpindahan panas kotor dapat dihitung dengan persamaan :
.................................................................................................................(2.21)
Keterangan : OS : Over design : Koefisien perpindahan panas bersih (
)
2.23 Beda koefisiensi perpindahan panas di dalam tube dapat dihitung dengan persamaan : ∆
100%.........................................................................................(2.22)
Keterangan : ∆
Beda koefisiensi perpindahan panas Koefisien perpindahan panas di dalam tube (dari tabel) ( Koefisien perpindahan panas didalam tube (
)
)
25
