Kern, Chapter 7-9, 11 Abdul Wahid Surhim
Pengantar •Pemenuhan banyak pelayanan industri
memerlukan penggunaan DOUBLE-PIPE HAIRPIN HE •Jika memerlukan permukaan perpindahan panas yang besar, maka yang terbaik adalah SHELL-AND-TUBE HE
Unsur Berbentuk TABUNG
•
Tipe 1 (Tube roll): tube ditempatkan di bagian dalam lubang tube dan tube roller disisipkan di ujung tube
•
Tipe 2 (Ferrule): tube dibungkus dalam tube sheet menggunakan soft metal packing ring
Bahan Konstruksi Tube 1.
2. 3.
4. 5.
Baja Tembaga Admiralty Muntz metal Kuningan
Tembaga-nikel 70-30 7. Perunggu alumunium 8. Alumunium 9. Baja stainless 6.
BWG (Birmingham Wire Gage) •Ini merujuk ke pengukur tube (gage of the
tube) •Berbeda BWG akan berbeda ketebalan tube •Dalam pipa disebut SCHEDULE •Tabel 10 menunjukkan berbagai ukuran tube
Tube •OD •BWG •ID
Tube Pitch (Pola Sunanan Tube)
•
Jarak terdekat antara dua lubang tube yang berdampingan disebut CLEARENCE atau LIGAMENT
•
TUBE PITCH (PT) adalah jarak terdekat pusat-ke-pusat antara tube-tube yang berdampingan
•
Kelebihan pola kotak (square pitch) Adanya akses untuk pembersihan eksternal • ∆P rendah •
SHELL • Shell dibuat dari pipa baja • Ketebalan dinding standar untuk shell dengan ID 12 – 24 in.
adalah 3/8 in. • Pada jenis ini tekanan operasi bagian shell bisa sampai 300 psi
• Ketebalan dinding yang lebih besar mungkin didapatkan untuk
tekanan yang lebih tinggi • Shell yang IDnya di atas 24 in. dibuat dari lempengan baja
gulung
Stationary Tube-sheet Exchanger •
Jenis HE yang paling sederhana adalah fixed or stationary tube-sheet exchanger
1. 2. 3.
4. 5. 6.
Shell Dilengkapi dua nozzle dan memiliki tube-sheet dan kedua ujungnya Flens untuk pengaitan dua saluran Penutup saluran Baffle Baffle spacer
Baffle •
Koefisien perpindahan-panas akan tinggi jika alirannya dijaga pada keadaan turbulen
•
Itulah fungsi baffle
•
Bahkan saat jumlah cairan yang melalui shell sedikit, turbulensi bisa terjadi karena adanya baffle
•
Jarak tengah-ke-tengah antar-baffle disebut baffle pitch atau baffle spacing
•
Baffle spacing biasanya tidak lebih besar dari pada jarak yang sama dengan diameter dalam dari shell atau lebih mendekati dari pada jarak yang sama denan 1/5 diameter dalam dari shell
Jenis-jenis Baffle
Fixed-tube-sheet Exchanger
Tata Letak Tube
Packed-Floating Head dan U-bend Exchanger
INPUT 1.
Kondisi proses
Hot fluid : T1, T2, W, c, s, , k, Rd, ∆P b) Cold fluid : t1, t2, w, c, s, , k, Rd, ∆P a)
2.
Data HE Shell : ID, baffle spacing, pass b) Tube : Jumlah dan panjang, OD, BWG, dan Pitch, pass a)
Tube •
OD
•
BWG
•
ID
1. Neraca Energi
Q WC T1 T2 w .c .t 2 t1
2. Beda Suhu Sebenarnya (∆t)
t LMTD.FT T1 T2 R dan t 2 t1
(FT dari Fig. 18)
t 2 t1 S T1 t1
LMTD
T1 t2
∆t1 ∆t2
T2
t1
t 2 t1 t 2 t1 LMTD t 2 t 2 2.3 log ln t1 t1
FT
Suhu Kalorik •
Suhu Kalorik untuk FLUIDA PANAS
•
Suhu Kalorik untuk FLUIDA DINGIN
Tc T2 Fc T1 T2 t c t1 Fc t 2 t1
• Fc adalah faktor suhu kalorik pada
(Fig. 17 Kern)
Kc
Uh Uc Uc
Fc
3. Perhitungan ho dan hio SHELL, HOT FLUID •
Flow Area:
aS
TUBE, COLD FLUID ID .C '. B 144 PT
w Gs as
•
Mass velocity:
•
De (diameter ekuivalen) dari Fig. 28
Viskositas: (Fig. 14 pada Tc) x 2.42 (konversi ke lb/(ft)(hr))
•
ID dan a‘t (Table 10) Flow Area:
N t a t' at 144n
Mass velocity:
w Gt at
Viskositas: (Fig. 14 pada Tc) x 2.42 (konversi ke lb/(ft)(hr))
Diameter Ekuivalen
3. Perhitungan ho dan hio SHELL, HOT FLUID •
Re:
Re s
DeG s
s
• jH diperoleh dari Fig. 28 • ka (konduktivitas) diperoleh
dari Table 4 (LIQUID) atau Table 5 (GAS)
• ho (koefisien film): k c j H De k
ho
TUBE, COLD FLUID
Re:
jH diperoleh dari Fig. 24 pada L/D jika Re kecil
k (konduktivitas) diperoleh dari Table 4 (LIQUID) atau Table 5 (GAS) 1/ 3 hi k c hi (koefisien film): jH D k
1/ 3
Re t
DGt
t
hio
hi ID OD
3. Perhitungan ho dan hio SHELL, HOT FLUID •
Suhu dinding
•
ho t w tc hio ho •
w pada tw
TUBE, COLD FLUID
w
0.14
h ho o
w pada tw w
0.14
h hio io
jH (Tube-side)
jH (Shell-side)
Konduktivitas panas: LIQUID
Konduktivitas panas: GAS
4. Perhitungan U, A dan Rd hio ho UC hio ho A a". L. N T Q UD At Rd CALC
UC U D U CU D
5. Pressure Drop (< 10 psi) SHELL, HOT FLUID •
Hitung f (Fig. 29)
•
Specific gravity, s (Table 6, Fig. 6)
•
Jumlah crosses, N+1 = 12L/B
fG s Ds N 1 2
Ps
5.22.1010 De ss
TUBE, COLD FLUID
Hitung f (Fig. 26)
Specific gravity, s (Table 6, Fig. 6) fG 2 Ln Hitung Pt: Pt 5.22.1010 Ds t Hitung Pr:
t
V2 2 g'
4n V 2 Pr s 2 g'
dari Fig. 27 Pressure Drop: PT = Pt + Pr
Specific Gravity (s)
Friksi (f) Figure 29
V2/2g Fig. 27
Contoh 7.3
Contoh 7.4
Bab 8
PENGATURAN ALIRAN UNTUK MENAIKKAN PEROLEHAN KEMBALI PANAS
Kekurangan Perolehan Kembali Panas di HE • Keterbatasan 1-2 HE yang paling utama adalah ketidakmampuannya secara inheren untuk menyediakan peroleh kembali panas yang efektif • Saat terjadi silang suhu pada 1-2 HE, maka – FT turun drastis – Suhu keluar shell jatuh di bawah suhu keluar tube menghilangkan tingginya heat recovery
Profil Suhu 1-2 HE T1 = 200 oF t2 = 160 oF T2 = 140 oF
tl
t1= 80 oF L
2-4 HE
Profil Suhu 2-4 HE T1 = 200 oF t2 = 160 oF T2 = 140 oF
1 2
IV I
t1= 80 oF
Tx
III
II
Beda Suhu Sebenarnya (∆t)
t LMTD.FT FT ln
(FT dari Fig. 19)
R2 1 1 S ln 2R 1 1 RS 2 / S 1 R ( 2 / S ) 1 S 1 RS
R2 1
2 / S 1 R (2 / S )
R2 1
1 S 1 RS
Figure 19
FT • Perbandingan perhitungan FT: –Figure 18: FT = 0.70 –Figure 19: FT = 0.945
SERI 1-2 HE • Secara mekanik susunan 2-4 HE tidak praktis • Karena itu, praktisnya adalah 1-2 HE yang diseri
Menentukan Jumlah Seri 1-2 HE • Yang paling diperhatikan adalah FT • Lihat Example 8.2 : FT – 1-2 HE, FT = not possible (Fig. 18) – 2-4 HE, FT = 0.67 TOO LOW (Fig. 19) – 3-6 HE, FT = 0.88 (Fig. 20) Jadi yang dipilih adalah 3 seri 1-2 HE
Example 8.1 • Perhitungan 2-4 Oil Cooler. Minyak 33,5oAPI memiliki viskositas 1,0 cP pada 180oF dan 2,0 cP pada 100oF. Minyak 49.600 lb/jam meninggalkan kolom distilasi pada 358oF dan digunakan pada proses absorpsi pada 100oF. Pendinginan akan tercapai dengan air dari 90 sampai 120oF. Jatuh tekanan yang diperkenankan 10 psi dengan faktor kekotoran 0.004. • Tersedia untuk menangani ini dari operasi diskontinyu adalah 35 in. ID 2-4 HE yang memiliki tube 454, 1 in. OD, 11 BWG, panjang 12’0” dan disusun pada 1 ¼ square pitch. Disusun untuk 6 pass dan baffle dipotong secara vertikal dengan spasi 7 in. Baffle longitudinal dilas pada shellnya. • Apakah penggunaan 2-4 HE mencukupi? Akankah HE yang tersedia itu memenuhi kebutuhan?
FLUIDA GAS BAB 9
PENGANTAR • Pada perhitungan pendinginan atau pemanasan sistem cair-cair: • hubungan koefisien film gas dan jatuh tekanan yang diperkenankan didasarkan pada tekanan operasi • Tekanan operasi tidak berpengaruh pada fluida imcompressable
• Koefisien film untuk gas lebih rendah dari pada untuk cairan pada kecepatan massa yang sama • Ini karena sifat-sifat dari gas itu sendiri
SIFAT-SIFAT GAS • VISKOSITAS • Antara 0.015 dan 0.025 atau setara dengan 1/10 dan 1/5 viskositas cairan yang paling kecil • Viskositas naik dengan naiknya suhu (kebalikan dari cairan)
• KONDUKTIVITAS • Selain hidrogen, sekitar 1/5 dari konduktivitas cairan organik atau 1/15 dari air dan larutan cair
• PANAS JENIS • Gas dan uap organik lebih rendah sedikit dari organik cair • Kecuali hidrogen, panas jenis gas inorganik dan uap hidrokarbon ringan sekitar 0.2 – 0.5 Btu/(lb)(oF)
SIFAT-SIFAT GAS • BILANGAN PRANDTL • Meskipun viskositas, panas jenis dan konduktivitas panas naik dengan naiknya suhu, Bilangan Prandtl (c/k) sedikit tergantung pada suhu, kecuali dekat dengan suhu kritisnya
KOREKSI SIFAT-SIFAT GAS • Karena sifat-sifat gas ditentukan pada tekanan atmosfir, maka perlu ada koreksi pada tekanan yang lain • Viskositas dengan korelasi Comings and Egly (Fig. 13b) atau dengan metode Othmer and Josefowitz • Panas jenis dengan metode Watson and Smith
• Koreksi tersebut tidak terlalu signifikan, kecuali kalau tekanan gasnya besar • Kalkulasi densitas dan volume jenis dari gas untuk tekanan menengah cukup baik, tapi untuk tekanan tinggi kurang tepat 𝜌𝑔𝑎𝑠 =
𝑝.𝑀𝑊 , 1545.𝑇𝑎𝑏𝑠
s=
𝜌𝑔𝑎𝑠
𝜌𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟
• Sebagai gantinya dapat digunakan persamaan keadaan lainnya
FIG. 13 KONVERSI VISKOSITAS
PRESSURE DROP • Persamaan (7.44) dan (7.45) serta faktor friksi yang diperoleh dari Fig. 29 dan 26 dapat digunakan untuk kalkulasi jatuh tekanan pada shell atau tube dari pemanas atau pendingin gas saat harga gravitas jenis yang masuk dan keluar dari gas RELATIF TERHADAP AIR • Adalah kenyataan bahwa berbagai gas gravitas jenisnya dipengaruhi oleh tekanan operasinya • Gravitas jenis UDARA pada HE yang beroperasi pada tekanan 150 psia hampir 10x-nya dari tekanan operasi atmosferik
PRESSURE DROP • Udara pada 7,5 psia memiliki densitas SETENGAH dibanding pada atmosferik • Pressure drop untuk kecepatan massa tertentu menjadi lebih besar sejalan dengan turunnya tekanan operasi • Ini tidak disukai pada proses vakum • Saat gas beroperasi pada tekanan tinggi, kecepatan massa yang relatif besar masih dapat digunakan tanpa memperoleh jatuh tekanan dari pesanan yang tidak praktis • Pada tekanan vakum tentu jatuh tekanan 0,5 psi dianggap terlalu besar
KOEFISIEN FILM • Perhitungan sebelumnya masih dapat digunakan, termasuk Fig. 28 dan 24, tanpa perlu koreksi
Re s
DeGs
s
• Karena viskositasnya kecil, maka Re akan besar jH akan besar juga • Tapi karena konduktivitas panasnya kecil, maka koefisien filmnya di bawah sistem cair pada kecepatan massa atau jH yang sama
FIG. 25 KOEFISIEN FILM AIR
APLIKASI PALING UMUM • Pendinginan gas pada aftercooling dan intercooling yang berlangsung secara kompresi adiabatik dan politropik paa kompresor single dan multistage • Perpindahan panas gas-ke-cair ditemukan juga untuk memperoleh kembali (recovery) panas yang hilang dari pembakaran gas yang dekat-atmosferik seperti pada ECONOMIZERS, tapi dengan modifikasi yang disebut extended surfaces (Bab 16) • Saat gas dipanaskan maka media yang digunakan adalah UAP AIR (STEAM)
EXAMPLE 9.1 PERHITUNGAN AMMONIA COMPRESSOR AFTERCOOLER • Gas ammoniak kering pada 83 psia dan laju 9872 lb/jam adalah keluaran (discharged) dari sebuah kompresor pada 245oF dan diumpankan ke sebuah reaktor pada 95oF menggunakan cooling water pada 85 – 95oF. Jatuh tekanan yang diperkenankan 2,0 psi pada gas dan 10,0 psi pada air • Tersedia 1-2 HE: 23 ¼ in. ID, yang memiliki 364 tube, 3/4 in, 16 BWG, 8’0” dan disusun pada 15/16-in. triangular pitch, 8 pass dan bafflenya 12 in. • Berapa faktor kekotoran dan jatuh tekanannya?
KALKULASI UNTUK KONDISI PROSES Bab 11
Kondisi Proses yang Optimum
Kondisi Proses yang Optimum
Kondisi Proses yang Optimum
Kondisi Proses yang Optimum
Prosedur • Asumsikan UD sementara dengan bantuan Tabel 8. Lebih baik
mengasumsikan UD terlalu besar dari pada terlalu kecil untuk mendapatkan permukaan yang minimum • Hitung A = Q/(UD.t) • Tentukan a” (Tabel 10) sesuai dengan diameter tube yang kita pilih • Hitung jumlah tube: NT =
𝐴 𝐿. 𝑎"
• Asumsikan pass dan jumlah tube aktual serta ID shell (Tabel 9) • Koreksi harga UD • A = Ntaktual x L x a” • UD = Q/(A.t)
Tabel 8
Tabel 9
Tabel 9
Example 11.1 KALKULASI STRAW OIL – NAPHTHA EXCHANGER • 29.800 lb/jam 25oAPI light oil pada 340oF digunakan untuk
pemanasan awal 103.000 lb/jam 48oAPI nafta dari 200 – 230oF. Viskositas oil 5,0 cP pada 100oF dan 2,3 cP pada 210oF. Viskositas nafta 1,3 cP pada 100oF dan 0,54 cP pada 210oF. Jatuh tekanan yang diperkenankan 10 psi • Karena oil cenderung membentuk residu deposit, maka faktor kekotoran kombinasinya adalah 0,005 dan menggunakan square pitch. Dalam praktek di pabrik digunakan tube ¾ in. OD, 16 BWG dan panjang 16’0”
