Bab III. Analisa Perancangan Firetube dan Process Coil

Analisa Perancangan Firetube dan Process Coil

Bab III Analisa Perancangan Firetube dan Process Coil

Perpindahan panas mencakup perpindahan energy karena perbedaan temperature diantara dua benda atau material. Disamping itu perpindahan panas juga meramalkan laju perpindahan panas pada kondisi tertentu. Persamaan fundamental di dalam perpindahan panas merupakan persamaan kecepatan yang menghubungkan kecepatan perpindahan panas diantara dua system dengan sifat termodinamis

dalam

system

tersebut.

Gabungan

persamaan

kecepatan,

kesetimbangan energy dan persamaan keadaan termodinamis menghasilkan persamaan yang dapat memberikan distribusi temperature dan kecepatan perpindahan panas.

3.1. Desain Fire Tube Water Bath Heater Beberapa hal mendasar dalam design sistim Indirect Fired Water Bath Heater adalah sbb; A. BTU/hr : Process heat duty, yaitu panas yang dibutuhkan untuk ditambahkan atau dihilangkan dari fluida proses untuk menciptakan perubahan temperature yang dibutuhkan.

=

( )(

)

=

(

)

……..…………… ( 3.1 )

42 Teknik Mesin Universitas Mercu Buana


Dimana : Q = Total Heat Transfer atau heat required, satuan BTU/hr = Total heat transfer coefficient, BTU/hr-ft2-°F A = Total heat transfer area (coil area), ft2 =The log mean temperature difference, °F B. Heat Required: Untuk gas streams dengan tekanan tinggi, heat required bisa mungkin dinyatakan dalam rumus sbb:

Q = 109.8 (G) (ℎ − ℎ ) atau

Q (Kcal) = M(c) (

atau

−

)

Q (Btu/hr )= Wcp (T2 – T1) ……………………… ( 3.2 )

Dimana : Q

= Heat required (total heat transfer) dalam BTU/hr

G

= Gas flowrate , MMSCFD

ℎ − ℎ = perbedaan enthalpy suhu inisial dan suhu final, BTU/lb-mol = gas mass flowrate, lb/hr

= specific heat at average or mean temperature, BTU/lb-°F −

= perbedaan suhu inlet dan outlet °F

C. Log Mean Temperature Difference Log mean temperature difference antara fluida dalam shell heater dan fluida dalam coil bisa ditentukan dengan rumus berikut :

=

(

Teknik Mesin Universitas Mercu Buana

)

………………………………………………….. ( 3.3 ) 43


Dimana : = log mean temperature difference GTD ( Greater Temperature Difference ) = (suhu heat media) – (suhu inlet fluida proses)

LTD ( Least Temperature Difference ) = (suhu heat media) - (suhu outlet fluida proses)

In

= Natural Logarithm.

Suhu fluida media (cairan pemanas) harus diketahui atau diasumsikan, juga suhu fluida proses juga harus diketahui untuk menemukan penghitungan yang tepat. Berdasarkan datasheet yang sudah disebutkan pada bab 2.2.2.1.2, Net Heat Duty heater yang diperlukan adalah : Q = wcpT Di mana : W

= flowrate : 373 884 lb/hr ( 190 MMSCFD )

Cp

= specific heat ( Cp natural gas : 0.68 Btu/lb° F )

T

=

−

= 71.6 °F – 50 °F => 21.6 °F ( -5,77 °C ) Q

= 373 884 x 0.68 x 21.6 = 5 491 606 Btu/hr 44



Firetube, disebut radiant tubes digunakan dalam aplikasi water bath heater. Hasil pembakaran yang tampak oleh mata, yaitu api pembakaran yang disebarkan dalam firetube yang terendam dalam media air dalam tangki, dimana kemudian terjadi mekanisme perpindahan panas konveksi oleh panas pada permukaan firetube ke heating media. Dan selanjutnya panas dari media cairan memanaskan bahan pipa dan kemudian panas ditransfer ke fluida process dalam pipa coil. Konfigurasi firetube, material dan ketebalan serta luas (panjang dan lebar) mempunyai pengaruh yang besar terhadap efisiensi thermal pada perpindahan panas di luar permukaan tabung api. Firetube terbagi menjadi banyak jenis, kategori utama adalah non-recirculating dan recirculating firetube. Non-recirculating tube adalah konfigurasi tube yang mana gas panas tidak bersikulasi dalam tube melainkan langasung keluar ke pipa gas pembuangan. Sedangkan recirculating tube adalah konfigurasi tube dengan mensirkulasikan gas panas dengan beberapa putaran tube untuk tujuan menaikkan thermal efisiensi dan untuk meningkatkan keseragaman temperature. Masing-masing dari dua kategori tersebut terbagi menjadi banyak jenis sesuai dengan konfigurasi dari firetube tersebut. Ada beberapa jenis konfigurasi tube yaitu U-tube, Trident-tube, W-tube.

Gambar 3.1 Jenis Konfigurasi Fire tube 45 Teknik Mesin Universitas Mercu Buana


Pada disain firetube Water Bath Heater ini menggunakan jenis nonrecirculating dengan konfigurasi U-tube seperti terlihat pada gambar 3.1. Konfigurasi U-tube di bawah ini. Keunggulan dari jenis konfigurasi U-tube nonrecirculating adalah efisiensi thermal yang dihasilkan burner bisa mencapai 48%. Nilai ini lebih tinggi dibanding dengan konfigurasi straight-tube, dimana gas panas langsung keluar ke cerobong pembakaran sebagai gas pembuangan.

Gambar 3.2 Konfigurasi U-tube

Belokan ( bending ) pada U-tube adalah 180 derajat dengan material yang berbentuk U dibeli sudah dalam bentuk U dan kemudian di welding dengan pipa lurus menggunakan metode GTAW ( Gas Tungsten Arc Weld ) atau metode lain yang diijinkan sesuai ASME.

Gambar 3.3. Material seamless pipe 180 derajat belokan



Ketentuan dalam perancangan Indirect Fired Water Bath Heater sesuai API 12 K yang mengatur maximal nilai heat flux rata-rata adalah maksimal 12 000 Btu/hr/ft2 dan maximum heat density pada 15 000 Btu/hr/in2 untuk natural draft burner. Nilai-nilai tersebut diatas akan menjadi acuan ukuran firetube dan kemudian setelah itu dapat dihitung ukuran komponen lain dari water bath heater, yakni pipa coil dan shell heater. Ini terjadi karena jika acuan dari nilai heat flux dan heat density ditentukan tidak boleh melebihi dari angka-angka tersebut dalam aturan API 12 K, maka secara otomatis ini akan berpengaruh kepada besar kecilnya ukuran firetube. Misalnya kita membutuhkan heater dengan kapasitas 5 491 615 Btu/hr, dengan nilai maximal heat flux pada firetube adalah 12 000 Btu/hr/ft2. Mengacu pada nilai heat transfer surface area kita dapat melakukan melakukan seleksi panjang dan diameter firetube. Diameter firetube sesuai standard API 12 K mempunyai maksimal 30 inch ( 0,762 m ). Sesuai trial and error calculation untuk menyesuaikan diameter dan panjang yang sesuai dengan ukuran process coil dan ukuran shell heater, diasumsikan

diameter firetube 30 inch ( 2.5 feet ) dan

panjang firetube 70 feet (21,3 meter). Mengacu ke spesifikasi API 12 K diameter firetube tidak boleh melebihi 30 inch ( 0,762 ). Karena space tersedia di ORL PL adalah 3,5 m (W) x 27 m (L) frame skid untuk satu heater. Karena lebar frame skid yang hanya 3,5 meter, maka diameter heater dijinkan maksimal 2,5 meter. Sementara jika panjang space yang 27 m, maka yang hanya bisa digunakan untuk menempatkan heater adalah paling tidak 7,5 m. Ini dikarenakan untuk proses perawatan ( maintenance ) secara regular per tahunnya, proses coil harus ditarik keluar dari shell heater kearah posisi header pipe untuk dibersihkan dan diinspeksi kondisinya. Itu berarti space yang diperlukan untuk melakukan perawatan heater memerlukan panjang yang sama dengan heater karena proses coil mempunyai panjang yang sama dengan heater. Sementara pada saat firetube perlu pembetulan ( repair ) maka firetube juga perlu dikeluarkan dari heater ke arah yang menuju burner. Jadi jika panjang area yang tersedia adalah 27 m, maka panjang shell heater hanya bisa 7,5 m atau 7 m. Masing-masing dari proses coil dan firetube adalah di welding secara permanen terhadap piringan ujung



heater ( heater end plate ) dan pemasangan piringan ujung heater tersebut dipasang ke heater shell dengan cara di baut (bolted). Arah coil ditarik, kearah header pipe.

Arah firetube ditarik, kearah burner/exhaust stack Gambar. 3.4 Arah menarik keluar firetube dan process coil

3.1.1 Desain Fire Tube Water Bath Heater dengan spesifikasi API 12 K Berikut adalah perhitungan untuk mengetahui ukuran heater mengacu kepada dasar hitungan nilai heat-flux rata-rata pada firetube. Kita mencoba mencari diameter dan panjang firetube yang sesuai dengan diameter heater dan nilai heatflux di bawah 12.000 sesuai spesifikasi API 12 K, sbb : Heat Transfer Surface Area =

Process Heat Duty

……… ( 3.4 )

Max. Allowable Heat Flux

=

5 491 615 12 000

= 457,6

( 42,5 m2 ) 48



3.1.2 Desain Fire Tube dengan heat flux 12.000, diameter pipa 20 in dan 30 in. Heat flux = 12,000 Btu/ft2 Heat transfer surface area = 457,6 ft2 ( 42,5 m2 ) Diameter pipe = 1,666 ft ( 20 inch ) Maka panjang firetube adalah ; L ft

=

surface area ( ft2)

……………………… ( 3.5 )

( pi. d ft2) =

457,6 ( 3,14 . 1,666 )

= 87,4752 ft ( 26,66 meter ) JIka dirancang firetube sesuai hasil perhitungan diatas, maka disain dan konfigurasi firetube heater dapat dibuat beberapa laluan sbb:

Gambar 3.5 Sket rancangan firetube 20 in dengan 3 laluan 49 Teknik Mesin Universitas Mercu Buana


Terlihat pada gambar 3.5 konfigurasi tiga laluan, masing-masing panjang laluan adalah 8,8 m ( 26,6 m / 3 ). Dengan panjang tube 8,8 m berarti memerlukan panjang shell heater kurang lebih 10 m. Dan jika kita lihat hasil tiga laluan tersebut memakan space 2,5 m, maka setidaknya memerlukan shell heater dengan diameter setidaknya 3,5 m.

Gambar 3.6 Sket rancangan firetube 20 in dengan 2 laluan

Sementara jika kita lihat pada gambar 3.6 yang menggunakan dua laluan, maka panjang firetube adalah 13,3 m dan diameter space yang dibutuhkan untuk dua laluan 1,5 m. Untuk diameter heater 2,5 m, space bisa masuk akan tetapi untuk panjang shell heater 13,3 m sangat tidak mungkin karena terlalu panjang. Maka 50 Teknik Mesin Universitas Mercu Buana


kesimpulannya adalah bahwa diameter firetube 20 inch ( 0,508 m ) dengan nilai acuan heat flux 12.000 tidak mungkin digunakan karena menghasilkan ukuran heater yang sangat besar dari ukuran area yang disediakan. Jika kita menghitung ukuran heater dengan heat flux 12.000 Btu/ft2 dan diameter firetube 30 inch ( 0,762 m ) ( 2,5 ft ). L ft

=

surface area ( ft2) ( pi. d ft2)

=

457,6 ( 3,14 . 2,5 )

= 58,29 ft ( 17,76 meter )

Gambar 3.7 Sket rancangan firetube 30 in dengan 2 laluan



Terlihat pada konfigurasi dua laluan dengan panjang 8,9 m dan dengan dua laluan memerlukan space diameter 2,2 m. Maka dari diameter shell heater yang hanya 2,5 m menjadi tidak cocok karena diameter shell heater yang dibutuhkan untuk 2,2 m firetube adalah minimal 3,5 m dan panjang shell 12 m. Maka dibutuhkan ukuran frame skid 4m (W) x 14 m (L). Pada kasus ini dibutuhkan ukuran heater lebih kecil akan tetapi sesuai hitungan, maka konsekwensinya adalah ukuran firetube harus lebih kecil diameternya disesuaikan dengan ukuran diameter heater dan nilai heat flux yang masih bisa ditampung oleh material firetube tersebut. Pada kondisi firetube yang lebih kecil maka konsekwensinya adalah nilai heat flux dan heat density harus dinaikkan. Efeknya adalah temperature firetube ini juga lebih tinggi walaupun secara thermal efisiensi menjadi lebih rendah karena energi panas yang berlebih karema kecilnya diameter firetube menjadi terbuang ke atmospher, akan tetapi efisiensi thermal yang dilihat dari ukuran heater yang lebih kecil dengan media penghantar panas yang berjumlah lebih kecil membuat efisiensi heater menjadi lebih baik jika dibandingkan dengan efisiensi heater dengan ukuran yang lebih besar. Ini dikarenakan ukuran heater yang besar dengan volume media penghantar panas yang besar membutuhkan pemanasan yang lebih banyak, jika dalam istilah burner dikatakan firing rate menjadi semakin besar. Ini berimbas kepada konsumsi bahan bakar yang lebih banyak.

3.1.3 Desain Fire Tube dengan ukuran heater yang dibatasi 7m (L) x 2,5 m (D) Pada perhitungan pada bab 3.1.1 sudah dihitung rancangan firetube dengan mengacu kepada nilai heat flux 12.000 sesuai ketentuan API 12 K. Akan tetapi hasilnya adalah tidak sesuai dengan kondisi yang nyata dimana keterbatasan area yang dialokasikan tidak cukup untuk ukuran heater tersebut. Maka kita akan menganalisa ukuran heater yang berada di lapangan yang mana ukuran heater sangat sesuai dengan area yang dialokasikan. Proses penghitungan dengan trial and error penulis lakukan beberapa tahap dan menemukan hasil bahwa pihak manufaktur melakukan adjustment pada nilai heat flux yang lebih tinggi melampaui 52 Teknik Mesin Universitas Mercu Buana


nilai maksimal penggunaan air sebagai media penghantar panas yakni 15.000 Btu/hr/ft2. Ini menjadi deviasi terhadap API 12 K. Jika API Monogram diharuskan untuk digunakan pada proyek ini, maka konsekwensinya adalah pihak API tidak akan memberikan Monogram. Akan tetapi API Monogram hanya masalah administrative belaka yang tidak ada pengaruh terhadap operasional alat tersebut. Sebab secara keseluruhan alat tersebut tetap didisain dan dibangun dengan standar safety level yang dianjurkan. Trial and error firetube dengan diameter 10 inch force draft burner - heat flux 18.000 Btu/hr Heat flux = 18.000 Firetube diameter = 10 inch ( 0,254 m ) ( 0,833 ft ) Heat Transfer Surface Area =

.

=

.

= 305,1 ft2 ( 28,34 m2 )

Length firetube =

{µ .

=

{ .

( ,

. ,

( )}

)

}

= 116,65 ft (35,55 meter )



Gambar 3.8 Sket firetube diameter 10 in dengan 6 laluan tumpang tindih.

Pada sctech diatas, diameter 10 inch dan total panjang firetube 35,5 m, maka firetube bisa dikonfigurasikan menjadi enam laluan dengan panjang satu laluan 5,9 m dan jumlah tiga laluan ada dibawah kemudian memutar keatas tiga laluan. Sementara space diameter adalah 1,77 m. Maka kesimpulan bahwa nilai heat flux 18.000 Btu/hr/ft2 dengan diameter firetube 10 inch adalah pilihan yang tepat. Konsekwensi dari deviation terhadap nilai heat flux yang tinggi berarti membaut disain ini menjadi tidak mengikuti rule of thumb API 12 K dan resiko hanya tidak mendapat API monogram. Akan tetapi itu hanya berupa konsekwensi secara administrative saja. Secara engineering, nilai heat flux yang lebih tingggi akan tetapi masih dalam tingkat yang relevan tidak akan mengakibatkan atau memberikan permasalahan apapun terhadap ketahanan firetube.

Justru nilai firetube dengan

diameter yang lebih kecil dan menggunakan burner tipe force draft memiliki efisiensi operasi yang lebih baik karena pemakaian bahan bakar yang lebih sedikit. 54 Teknik Mesin Universitas Mercu Buana


Sebetulnya nilai GTE ( Gross Thermal Eficiency ) dan NTE ( Net Thermal Eficiency ) dalam firetube Water Bath Heater disebutkan dalam buku Francis S. Manning bahwa penggunaan natural draft burner ( API 12 K ) membuat efisiensi firetube dinyatakan hanya 65%. Sedangkan dengan menggunakan force draft burner ( dengan heat flux diatas aturan API 12 K ) mempunyai efisiensi minimal 75%.

Gambar 3.9 Rancangan firetube 6 laluan tumpang tindih dalam drawing 3D Dengan demikian dengan rancangan firetube diameter 10 inch dan heat flux 18.000 Btu/hr/ft2, total area yang dibutuhkan adalah 0,76 m ke atas. Bisa dihitung bahwa sisa space yang ada pada bagian atas firetube untuk penempatan process coil adalah 2,5 m – 0,76 m = 1,74 m. Sementara ke samping adalah 0,254 m x 7 ( termasuk jeda antara masing-masing tube ) menjadi 1,788 m. Ini berarti sisa space shell ke samping adalah 2,5 m – 1,788 = 0,712 m.



Gambar 3.10 Firetube diameter 10 in dengan 6 laluan tampak samping dengan total space terpakai 0,76 m ke atas.

Gambar 3.11 Konfigurasi firetube 10 in 6 laluan tumpang tindih tampak dari atas.



Space tersedia di shell adalah 7 m (L), 2,5 m (W). Mengacu pada nilai heat transfer surface area kita dapat melakukan melakukan seleksi panjang dan diameter firetube. Dengan demikian ukuran firetube yang sesuai dengan ukuran shell heater yang dikehendaki sudah diketahui.

3.2. Perhitungan LMTD

Tc2

Tc1

Th2

Th1 1

Gambar 3.12. Desain Indirect Fired Water Bath Heater

Karena pada umumnya media pemanas yang digunakan untuk memanaskan gas adalah air, maka suhu limit set point media fluida pemanas adalah antara range 190 °F ( 88 °C ) – 200 °F ( 93,3 °C ) agar tidak mencapai suhu evaporasi air. ( Arnold-K and Stewart-M, Surface Production and Operations, Vol. 2- Edition 2, hal.113 ). Suhu set-point ini ditetapkan pada angka 190 °F ( 88 °C ) adalah karena secara umum Indirect Fired Water Bath Heater ditujukan untuk pemanasan proses 57 Teknik Mesin Universitas Mercu Buana


dengan temperatur rendah dibawah antara 70 – 80 °F ( 22 °C - 26 °C ) atau dibawah suhu ambient. Maka yang menjadi kunci disain alat ini selain dari heat-flux rata-rata pada firetube yang menentukan ukuran firetube, juga nilai LMTD yang ada pada media penghantar panas ( bath fluid ) dan hubungannya dengan flowrate dari fluida proses. Setelah kita ketahui ukuran firetube yang tepat untuk ukuran shell heater 7 m (L) x 2,5 m ( D ) dan ditentukan bahwa firetube yang cocok sesuai hitungan diatas tadi adalah diameter 10 inch, maka kita harus menghitung ukuran process coil apakah sesuai dengan ukuran heater dengan sisa space setelah penempatan firetube di dalam shell heater, sebab desain process coil

harus tetap

memperhitungkan flowrate dari fluida proses. Process coil bisa saja di disain sekecil mungkin mengikuti ukuran yang tersisa pada shell heater, akan tetapi karena fluida proses adalah cairan bertekanan tinggi dan mempunyai flowrate yang tinggi, maka rancangan process coil harus sesuai dengan tekanan dan flowrate yang ada. Karena bertekanan tinggi, umumnya standar kode yang digunakan adalah ASME Sec VIII Div 2 yang mengatur mengenai bejana bertekanan. Juga dapat mengacu kepada ASME B 31.3 yang mengatur mengenai pipa bertekanan.

Bath Water: LMTD = yang akan kita cari Th2 ( T air after heat adsorbtion ) = kita cari Th1 = T air awal konstan = 190 0F (87,777 0C )( asumsi ) Coil : Tc1 = 100C ( 50 °F ) Tc2 = 220C ( 71,6 °F ) Flow rate “ m “ = 373.884 lb/ hr Heat transfer requirement= q = 5.491.615 Btu/hr = 1.609 kW Panjang Shell = 7 m Diameter shell = 2,5 m Maka luas shell heater total = 58 Teknik Mesin Universitas Mercu Buana


A shell = = 3,14 x 2,52 x 7 4 = 34,36 m2

Mencari Th2 = q = mccc ∆Tc = mhch ∆Th

∆Th = q/ (mhch) =

,

Th2 = 21,6 °F = X – 190 °F

/°

= 21,6 °F

= 190 °F – 21.6 0F = 168,4 °F ( 75,77 °C )

Perhitungan LMTD mengacu pada asumsi Th2 rencana yaitu 190 °F adalah sebagai berikut : LMTD = [ ( Th1-Tc1) – ( Th2 – Tc2 )]

atau

ln [( Th1-Tc1) / ( Th1 – Tc2 )]

GTD - LTD In ( GTD/LTD)

LMTD = [ ( 190 °F- 50 °F ) – ( 190 °F– 71,6 °F )] ln [ ( 190 °F- 50 °F)/ (190 °F– 71,6 °F )]



LMTD =

140 – 118,4 ln (140/118,4 )

= 128,9 °F ( 53,83 °C )

3.3. Perhitungan Desain Process Coil

Header pipe ( 16 inch OD) ASME Sec VIII

Header cap

Coil Branch (cabang coil) ASME B31.3

Gambar 3. 13 Rancangan pipa header dan process coil

Lokasi process coil adalah pada inlet dan outlet header pipe. Material coil adalah API 5L-X52 seamless pipe, pada umumnya diameter process coil adalah 4 inch. Mengenai schedule pipa dan acuan tekanan diatur dalam ASME Sec VIII atau ASME B 31.3 yang disesuaikan dengan tekanan dan flowrate fluida proses. Semakin besar LMTD antara fluida proses dan media pemanas, maka semakin kecil surface area coil yang dibutuhkan untuk heat transfer yang sama. 60 Teknik Mesin Universitas Mercu Buana


Selalu diingat bahwa suhu bath fluid selalu konstan begitu pula tekanan tetap 1 atm dan flowrate konstan ( diam). Pada coil proses umumnya terjadi pressure drop dengan nilai maksimal yang ditetapkan oleh kondisi pipeline agar proses transportasi gas dengan jalur pemipaan bisa tercapai dengan kondisi yang ada. Akan tetapi pada umumnya pressure drop tidak menjadi hal penting karena tujuan utama dalam dalam sebuah Water Bath Heater adalah diijinkan adanya pressure drop yang tinggi, akan tetapi pada umumnya pressure drop yang terjadi pada umumnya adalah 1 bar.

Secara umum konfigurasi coil terdapat pada gambar dibawah ini :

Gambar 3.14b. Coil side view (4 passes) Gambar 3.14a Konfigurasi Process Coil tampak atas

Diameter = 4 in = ( 0,1016 m ) atau 0,3333 ft Diameter coil 4 inch adalah diameter yang pada umumnya dipilih untuk digunakan dalam Water Bath Heater. Akan tetapi diameter coil bisa dihitung dengan rumus sbb :


Analisa Perancangan Firetube dan Process Coil 1/2

D=

( 11,9 + 1000 V

,

)Q1

--------------- Arnold-K and Stewart-M, Surface Production Facility Vol 2

Dimana : D = diameter pipa dalam, in. Z = factor gas compressibility R = rasio gas/liquid, ft3/bbl T = operating temperature, R P = pressure, psia Q1 = liquid flowrate, bbl/day V = maximum allowable velocity, ft/sec

Akan tetapi dalam Tugas Akhir ini, karena ini adalah analisa perancangan sebuah heater yang sudah dibangun dan beroperasi, maka penulis menggunakan acuan dari pabrik yang sudah menentukan diameter pipa coil yaitu 4 inch. Nilai minimal total panjang coil yang bisa disesuaikan dengan ukuran shell heater, mengacu dari diameter coil yang sudah dipilih yaitu 4 inch adalah sbb :

L coil =

12 Q

------------ >

Arnold-K and Stewart-M, Surface Production Facility Vol 2

( LMTD ) U d Dimana : 12 = nilai mutlak Q = heat duty, Btu/hr U = Overall heat transfer coefficient ; mengacu pada process calculation dari pabrik U = 119,44 Btu/hr-ft2-°F d = diameter pipa coil , inch. 62 Teknik Mesin Universitas Mercu Buana


Pada spesifikasi API 12 K, pada Annex D point D.4. ditulis sebagaimana dibawah ini. Bahwa nilai Overall-U yang umumnya dilakukan oleh pihak manufaktir, berdasarkan pengalaman secara laboratorium atau pengalaman di lapangan, maka dengan ini tugas akhir ini menggunakan acuan dari manufaktur yaitu 119,44 Btu/hr-ft2-°F.

Overall Heat Transfer Coefficient adalah kombinasi dari internal film koefisien, dinding tube ( process coil ) thermal konduktivitas, external film koefisien, dan fouling factor. Agar supaya energi bisa ditransfer melalui dinding pipa, energi harus melalui sebuah film pada dinding bagian dalam sebuah tube. Film tersebut memproduksi sebuah ketahanan pada transfer panas yang disebut inside film coefficient untuk perpindahan panas konveksi. Setelah itu panas akan melalui dinding daripada tube/coil melalui proses konduksi yang dikontrol oleh thermal konduktivitas dinding tube dan juga ketebalan dinding tube. Transfer panas dari bagian luar dinding tube ke fluida diluarnya adalah kembali menjadi proses konveksi. Ini dikontrol oleh outside film coefficient.

Lt Coil

ft (m )

=

12 x 5 491 615 (3,14) (128,90) (119,44) (4)

=

340,79 ft (103,87 m )



Maka total suplai surface ara coil adalah : Coil surface area supplied : A

= Lt . π . do = 103,87 x 3,14 x 0,1016 = 33m2 ( 356,336 ft2 )

Dalam Water Bath Heater adalah umum bahwa process coil terdiri dari 4 laluan. Ini karena header pipe inlet dan outlet terdapat pada sisi end plate heater yang sama, jadi putaran coil inlet dan outler harus berada pada sisi yang sama.

Outlet header

Inlet header

Gambar 3.15 Lokasi header pipe I/O



Maka n tube coil =

Total L coil

………………………..( 3.6 )

Asumsi passes coil =

103,87 4

= 25,9 tube  26 tube Masing-masing panjang tube =

103,63 25,9

= 4,0 m Jika terdapat 4 laluan/passes, maka n tube = 26 / 4 = 6,5 pcs tube = 7 tube Nilai ini sesuai dengan panjang shell heater yang maksimal pada 7 m. Akan tetapi kita perlu mengetahui apakah dengan 4 passes dan 7 tube, diameter heater 2,5 m mampu menampung seluruh tube tersebut.

Gambar 3.16 Sket rancangan process coil dengan 4 laluan dan 7 tube



Dengan total area yang dibutuhkan untuk space terletak diatas firetube sebesar 1,12 m. Maka jumlah 4 passes/laluan dengan masing-masing diameter pipa termasuk belokan adalah 10,16 cm. Maka sisa space yang ada sebesar 1,74 m mampu menampung process coil sesuai pada disain tersebut. Sementara untuk jumlah tube sebanyak 7 buah, dengan total area yang dibutuhkan adalah 10,16 x 13 ( termasuk jeda belokan pipa 180 derajat ) adalah 1,32 m. Dengan shell diameter 2,5 meter, maka coil tube sebanyak 7 buah sesuai dan cocok. Pada desain heater yang dibuat dan sudah beroperasi, ditetapkan coil tube berjumlah 6 buah dengan 4 passes. Ini dilakukan untuk memaksimalkan panjang masing-masing tube yang tadinya hanya 4 meter per tube menjadi lebih panjang untuk koneksi ke pipa header dengan kurang lebih panjang rata-rata masing-masing tube dikondisi actual heater adalah 6 m. Untuk mengetahui apakah 4 laluan dengan total 6 tube dengan masing-masing panjang tube 6 m ( 19,6 ft ) mampu menampung flowrate 373.884 lb/hr adalah sbb: asumsi Di ( diameter inside ) coil 3.8 inch ( 0,316 ft) A coil =

π D2 4 = 3,14 x 0,316 2 4 = 0,078 ft2

Process coil terdiri dari 4 laluan dan berjumlah 6 tube, maka seluruh total flow area pada coil adalah 0,078 ft2 x 6 tube = 0,468 ft2. Maka kita buktikan apakah velocity massa pada coil hasil desain tersebut mampu menampung seluruh flowrate yang ada. G mass = Flowrate lb/hr

…………………………. ( 3.7 )

Acoil total tube 66 Teknik Mesin Universitas Mercu Buana


= 373.884 / 0,468 = 798.897,4 lb/hr/ft2

Gambar 3.17 Hasil desain process coil 6 tube 4 laluan dalam bentuk 3D.

Dengan seluruh hasil analisa perancangan firetube dan process coil yang dijabarkan dalam hitungan diatas, telah ditemukan kalkulasi rancangan dari panjang dan diameter untuk firetube dan process coil. Panjang process coil yang didesain untuk

heater

melebihi

dari

panjang

process

coil

yang

diijinkan

untuk

memaksimalkan ukuran shell heater yang ada setelah penempatan firetube dengan ukuran maksimal. Maka terdapat excess-area pada process coil. Dengan adanya excess-area pada process coil, maka ini menguntungkan untuk ketetapan suhu set point pada media pemanas pada 190 °F ( 88 °C ) adalah sangat mungkin. Penghitungan desain process coil dengan metode LMTD tersebut terbukti hasilnya. Dan dengan suhu set point pada media penghantar panas ( water bath/bath fluid )



yang masih dibawah suhu titik didih air, maka untuk heater ini bisa menggunakan air sebagai media penghantar panas. Mengenai setting untuk suhu bath fluid ( media air ) agar bisa mentransfer panas ke fluida proses dengan suhu outlet yang diinginkan, adalah dihitung dengan detail mengenai heat exchange yang terjadi antara suhu media pemanas dan korelasinya dengan flowrate dan tekanan fluida proses.

Penghitungan tersebut

dilakukan dalam proses desain kalkulasi oleh pihak manufatur yang kemudian menentukan titik set point media pemanas. Hitungan proses dari manufaktur terlampir dalam lampiran dihalaman berikut. Hasil hitungan analisa perancangan firetube dan processs coil dalam Indirect Fired Water Bath Heater sesuai yang diterangkan diatas terlampir pada halaman berikut:



Gambar 3.18 Hasil desain firetube 1 tube 6 laluan, diameter 10 inch. 69 Teknik Mesin Universitas Mercu Buana


Gambar 3.19 Hasil desain process coil 6 tube 4 laluan, diameter 4 inch. 70 Teknik Mesin Universitas Mercu Buana


Gambar 3.20 Hasil desain heater sesuai ukuran 7 m (L) x 2,5 m (W) 71 Teknik Mesin Universitas Mercu Buana


Gambar 3.21 General Arrangement Drawing 72 Teknik Mesin Universitas Mercu Buana

Bab III. Analisa Perancangan Firetube dan Process Coil

Recommend Documents