TK-2202 PERPINDAHAN KALOR
LAPORAN PERANCANGAN
HEAT EXCHANGER
22/04/2019
TANGGAL
YB / DS
DISIAPKAN
OLEH
PENJELASAN
CHECK
APPR.
DOSEN
PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Jolanda Pretty Punyanan
13017059
Joshua Khofanda
13017060
Ahmad Athoillah
13017061
Joshepine Bianca Rucita
13017062
LAPORAN
56 hal
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
1 PENDAHULUAN
1.1
Deskripsi Proses
Pemanasan larutan urea dilakukan pada process condensate treatment
system pada proses sebelum memasuki unit Urea Hydrolyzer. Pada proses
pemanasan ini, digunakan larutan kondensat yang mengandung NH3 dan
CO2 hasil produk unit Urea Hydrolizer sebagai service fluid untuk
meningkatkan suhu larutan urea (process fluid). Panas dari service fluid
akan berpindah secara konveksi pada dinding luar tube heat exchanger,
konduksi ke dinding dalam tube, kemudian berpindah secara konveksi
sehingga memanaskan service fluid yang mengalir di dalam tube. Adapun
pada proses ini, heat exchanger yang kami rancang adalah shell and tube
heat exchanger tipe U tube.
1.2
Process Flow Diagram Pada Proses Penukaran Panas
Larutan urea
Air
= 98.75%
Urea
= 0.95%
= 0.3%
NH3
F1
=
50000
Larutan ammonia
Air
= 98.75%
Urea
= 0.95%
= 0.3%
NH3
= 21710 kg/jam
F4
= 21.926 bar
P4
= 417 K
T4
Shell and Tube Heat
Exchanger
Larutan urea
Air
= 98.75%
Urea
= 0.95%
= 0.3%
NH3
= 50000 kg/jam
F2
= 24.412 bar
P2
Larutan ammonia
Air
= 98.75%
Urea
= 0.95%
= 0.3%
NH3
= 21710 kg/jam
F3
= 22.553 bar
P3
T3
= 435 K
Gambar 1.1 Flow Diagram Proses penukaran panas
Kelompok A.03 | 2
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
1.3
Profil Pabrik
Salah satu contoh pabrik yang mensintesis urea adalah PT Pupuk Kujang.
Pabrik ini menggunakan tiga bahan baku utama, yaitu gas alam, air, dan
udara untuk menghasilkan nitrogen, hidrogen, dan karbon dioksida yang
kemudian akan diolah menjadi amonia dan urea. Pabrik ini memiliki unit
amonia dan urea. PT Pupuk Kujang ini terletak di Cikampek, Jawa Barat.
2 Data Perancangan Exchanger
2.1
Fluida Proses
2.1.1
Deskripsi Singkat
Fluida proses yang digunakan dalam heat exchanger ini adalah urea. Urea
adalah hasil produk dari reaksi ammonia cair (reaktan) yang dipanaskan
oleh fluida kerja pada reaktor sintesis urea di pabrik urea.
2.1.2
Komposisi dan Properti Fluida Proses
Komposisi fluida proses yang digunakan adalah urea 0.95%.
Tabel 2.1 Properti Fluida Proses pada T rata-rata (T = 35 oC)
No.
Properti Fluida Proses
Nilai
1
Berat molekul (g/mol)
60
2
Densitas (kg/m3)
1335
3
Viskositas (Pa.s)
-
4
Entalpi spesifik (kJ/kg)
-4074
5
Konduktivitas termal (W/m.K)
-
6
Kapasitas panas (kJ/kg.oC)
1.6
Kelompok A.03 | 3
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
7
0.0003
Fouling factor resistance (m2)
Data ini diperoleh dari literatur, yaitu:

Geankoplis, C. J. 1997. Transport Process and Separation Process 4th edition.
Appendix.

Smith, J.M., H.C. Van Ness, M.M. Abbott. 2005. Introduction to Chemical
Engineering Thermodynamics 7th Edition. McGraw- Hill Book Company.
New York. Appendix.
Tabel 2.2 Data Fisik Urea Cair
(diasumsikan sama seperti data fisik air karena urea larut dalam air)
Data Fisik Urea
Inlet
Outlet
Rata-rata
Densitas (kg/m3) rata-rata
1004
997,5
1000,75
Viskositas (Pa.s) rata-rata
0,0007804
0,000664
0,000722
4,219
4,222
4,2205
0,6296
0,6303
0,62995
Kapasitas panas (kJ/Kg. K)
rata-rata
Konduktivitas (W/m.K) (ratarata)
Data ini diperoleh dari percobaan dengan menggunakan aplikasi Aspen Hysys.
2.1.3
Kondisi Aliran Fluida Proses
Tabel 2.3 Spesifikasi Aliran Fluida Proses
Data Fisik Urea
Masuk
Keluar
Laju alir (kg/jam)
50000
50000
Tekanan (kg/cm2)
4
7
Temperatur (oC)
31
39
Kelompok A.03 | 4
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
2.2
Service Fluid
2.2.1
Pertimbangan Dasar Pemilihan Service Fluid
Fluida servis yang digunakan dalam unit heat exchanger ini adalah
ammonia cair. Fluida tersebut dipilih karena amonia lebih efisien
dan ekonomis untuk dihasilkan, energinya lebih mudah ditransfer
ke proses, mudah untuk dikendalikan, dan sistem yang lebih
fleksibel.
2.2.2 Komposisi dan Properti Service Fluid
Komposisi fluida servis yang digunakan adalah ammonia 0.37%.
Tabel 2.4 Properti Fluida Servis pada T rata-rata (T = 153 oC)
No
Properti Fluida Proses
Data Fisik
1
Berat molekul (g/mol)
17
2
Densitas (kg/m3)
10.84
3
Viskositas (Pa.s)
2.14 x 10-6
4
Entalpi spesifik (kJ/kg)
-2403
5
Konduktivitas termal (W/m.K)
0.04116
6
Kapasitas panas (kJ/kg.oC)
2.299
7
Fouling factor resistance (m2)
0.0003
Data ini diperoleh dari literatur, yaitu:

Geankoplis, C. J. 1997. Transport Process and Separation Process 4th edition.
Kelompok A.03 | 5
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Appendix.

Smith, J.M., H.C. Van Ness, M.M. Abbott. 2005. Introduction to Chemical
Engineering Thermodynamics 7th Edition. McGraw- Hill Book Company.
New York. Appendix.
Tabel 2.5 Data Fisik Amonia Cair
(diasumsikan sama seperti data fisik air karena urea larut dalam air)
Data Fisik Amonia Cair
Inlet
Outlet
Rata-rata
Densitas (kg/m3) rata-rata
893,5
910,4
901,95
Viskositas (Pa.s) rata-rata
0,0001668
0,000189
0,000178
Kapasitas panas (kJ/Kg. K) rata-rata
4,344
4,296
4,32
Konduktivitas (W/m.K) (rata-rata)
0,6838
0,6874
0,6856
Data ini diperoleh dari percobaan dengan menggunakan aplikasi Aspen Hysys.
2.2.3
Kondisi Aliran Service Fluid
Tabel 2.6 Spesifikasi Aliran Fluida Proses
Ammonia Cair
Masuk
Keluar
Laju alir (kg/jam)
50000
50000
Tekanan (kg/cm2)
4
7
Temperatur (oC)
162
144
3 METODOLOGI PERANCANGAN
3.1
Asumsi-Asumsi yang Digunakan
Kelompok A.03 | 6
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Tabel 3.1 Asumsi-asumsi yang Digunakan dalam Perancangan
Pro
Asumsi
ses
Spesifikasi aliran dan data fisik
Spesifikasi dan properti aliran mengikuti kondisi pada
fluida.
temperatur rata-rata.
Penentuan arah aliran fluida servis
Arah aliran yang digunakan adalah arah aliran
dan fluida proses.
counter-current.
Bahan yang digunakan pada tube dan shell adalah
Penentuan bahan yang digunakan.
carbon steel.
Penentuan nilai h dan pressure
drop.
Viskositas
𝜇
dan
𝜇𝑤 (viskositas
fluida
pada
temperatur dinding) diasumsikan sama.
Fluida dianggap merupakan air saja karena memiliki
Physical properties fluida yang
digunakan.
komposisi jauh lebih tinggi daripada senyawa lainnya,
seperti amonia, urea, dan CO2 yang diasumsikan terlarut
dalam air.
Penentuan perubahan temperatur
Panas spesifik fluida dan koefisien perpindahan panas
menggunakan log mean
overall konstan, serta tidak ada panas yang hilang.
temperature difference.
Penentuan
temperatur
dinding
tube.
Penentuan pressure drop.
Temperatur dinding tube dianggap sama dengan
temperatur fluida proses.
Pipa diasumsikan smooth untuk memudahkan
perhitungan.
Kelompok A.03 | 7
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Heat loss yang terjadi.
Koefisien perpindahan panas total.
3.2
Diasumsikan tidak ada panas yang hilang ke lingkungan.
Koefisien perpindahan panas total diasumsikan sama pada
seluruh bagian heat exchanger.
Tahapan-Tahapan Perancangan
Diagram alir proses algoritma desain shell and tube heat exchanger
terlampir pada halaman berikutnya (Coulson & Richardson, 2005).
Kelompok A.03 | 8
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Mulai
Menghitung koefisien
perpindahan panas total
dengan faktor koreksi = Ucalc
Mengidentifikasi
Masalah
YA
𝑈𝑈𝑈𝑈 − 𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈
< 0.3
𝑈𝑈𝑈𝑈
Melengkapi semua spesifikasi
(Tin, Tout, Laju heat transfer,
laju alir fluida)
TIDAK
Utor=Ucalc
Mengumpulkan data kimia
& fisika dari umpan fluida
Menebak nilai Utotal yang
mungkin dihasilkan
Menghitung hilang tekan dari
sisi tabung dan kerangka
TIDAK
Hilang tekan
sesuai
Menentukan nilai ∆TLMTD,
∆Tm, Faktor Koreksi
YA
Mengestimasi biaya
pembuatan alat penukar
panas
Menentukan luas permukaan alat
penukar panas A=q/Utot∆Tm
Menentukan tipe alat penukar
panas, ukuran tabung, rancangan
material alat penukar panas
Menentukan penempatan fluida
pemanas dari sisi tabung atau
sisi kerangka
Menentukan banyaknya tabung
dan diameter kerangka
Mengestimasi nilai koefisen
perpindahan panas pada sisi
tabung
TIDAK
Rancangan alat
dapat dikurangi
biaya
YA
Melakukan optimisasi
Rancangan alat penukar panas
diterima
Kelompok A.03 | 9
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Gambar 3.2 Tahapan-tahapan perancangan shell and tube liquid-liquid heat
exchanger
3.3
Heat Exchanger yang Digunakan
Heat exchanger yang digunakan mempunyai jenis shell and tube tipe Utube dengan material tube dan shell adalah carbon steel.
3.4
Pertimbangan Dasar Pemilihan Jenis Heat Exchanger
1. Pemilihan heat exchanger tipe shell and tube didasarkan pada
kesesuaian jenis HE untuk transfer panas jenis fluida yang
digunakan dengan koefisien perpindahan panas total 800 – 1500
W/m2K. (Sumber : Coulson & Richardson’s Chemical
Engineering Design, Sinknot)
2. Bahan yang digunakan untuk heat exchanger adalah carbon steel
dengan pertimbangan sebagai berikut.
o Harga materialnya murah, sebesar 453 US$/ton dibandingkan
dengan
stainless
steel
1972
US$/ton
(sumber:
www.worldsteelprices.com) dan alumunium 1547 US$/ton.
(sumber:
(https://www.quandl.com/collections/markets/aluminium).
o Tersedia luas dalam berbagai ukuran, bentuk, dan mudah dalam
pembentukan.
o Gaya regang (tensile strength) dan daya tahan terhadap
tekanannya besar (415 N/mm2). (sumber: Carbon Steel
Handbook, Table B-1)
Kelompok A.03 | 10
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
o Nilai konduktivitas termal cukup besar (45 W/mK). (sumber:
Carbon Steel Handbook, Table 5-2)
o Meskipun daya tahan terhadap korosinya kurang bagus
dibanding stainless steel yang memiliki daya tahan korosi
lebih baik, namun dengan pertimbangan fluida yang
digunakan tidak menyebabkan korosi, biaya pembelian, serta
biaya perawatan jauh lebih kecil dibanding stainless steel.
3. Tipe U-tube dipilih karena perbedaan tekanan antar fluida cukup
besar dan kemampuannya untuk mengatasi permasalahan bila
terjadi ekspansi (sumber: Heat Exchanger Design Handbook,
Thulukkanam).
4. Susunan tube berbentuk square-pitch dipilih untuk mengurangi
nilai hilang tekan dan perawatan secara mekanik cenderung lebih
mudah dilakukan dibanding susunan triangular-pitch. (sumber:
Heat Exchanger Design Handbook, Thulukkanam)
5. Besar koefisien jarak antar tube (tube pitch) adalah 1.25 dan
diambil pada batas atas koefisien tube pitch. Nilai tersebut
diambil karena merupakan tube pitch yang paling efisien,
optimum, dan sering digunakan dalam industri. (sumber:
Coulson & Richardson’s Chemical Engineering Design, hal.
646)
6. Tipe head yang digunakan pada U-tube heat exchanger adalah
bonnet. (sumber: Heat Exchanger Design Handbook, hal. 267)
7. Baffle cut yang digunakan dalam spesifikasi perpotongan baffle
sebesar 15% karena menghasilkan koefisien perpindahan panas
lebih besar dengan hilang tekan yang masih sesuai dengan
spesifikasi.
Kelompok A.03 | 11
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
8. Jarak antar baffle diambil pada batas bawah koefisien baffle spacing
(0.2) untuk memastikan rezim aliran di dalam shell adalah turbulen.
(sumber: Heat Exchanger Design Handbook, hal. 286)
9. Fluida di dalam tube adalah urea dalam air karena tekanan dan
laju alir yang besar. Bila urea dialirkan pada shell side,
diperlukan luas permukaan total yang lebih besar berdasarkan
perhitungan sehingga memakan biaya yang besar. (sumber: Heat
Exchanger Design Handbook, hal. 30)
10. Aliran yang dipilih adalah counter current karena akan
memaksimalkan aliran perpindahan panas dibandingkan dengan
cow-current dan . (sumber: Heat Exchanger Design Handbook,
hal. 19)
4 Hasil Perancangan
4.1
Hasil
Berikut adalah hasil perancangan dari shell and tube heat exchanger tipe U
tube.
Tabel 4.1 Hasil Perancangan Heat Exchanger
No.
Parameter
1.
Luas
Nilai
Perpindahan 3.845
Satuan
m2
Panas
2.
Koefisien Perpinadahan 1018
W/(m2K)
Panas Keseluruhan (U)
3.
Laju alir di sisi tube
1.042
m/s
4.
Laju alir di sisi shell
0.988
m/s
5.
Pressure drop tube
694
bar
Kelompok A.03 | 12
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
6.
Pressure drop shell
62693
Pa
Dimensi Alat Penukar Panas
1.
Jumlah tube
86
buah
2.
Diameter luar tube
25.4
mm
3.
Diameter dalam tube
19.89
mm
4.
Panjang tube
560
mm
5.
Tube passes
2
pass
6.
Diameter bundle
399
mm
7.
Diameter dalam shell
411
mm
8.
Shell bundle
12
mm
clearance
4.2
9.
Diameter luar shell
421
mm
10.
Shell passes
1
pass
11.
Jumlah baffle
6
buah
12.
Baffle cuts
15
%
13.
Jarak antar baffle
80
mm
14.
Tube pitch
31.75
mm
Sketsa Heat Exchanger
Kelompok A.03 | 13
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Gambar 4.1 Tampak Samping Shell and Tube Heat
Exchanger tipe U-Tube
Gambar 4.2 Penampang Dalam Shell and Tube Heat Exchanger
tipe U-Tube
Kelompok A.03 | 14
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Gambar 4.3 Gambar 3D Desain Shell and Tube Heat Exchanger
tipe U-Tube
4.3
TEMA Sheet Heat Exchanger
Kelompok A.03 | 15
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Gambar 4.4 TEMA Sheet Shell and Tube Heat
Exchanger tipe U-Tube
5 ANALISIS
5.1
Analisis Kelogisan Perancangan
Berdasarkan perancangan yang telah dilakukan, jumlah tube
yang dibutuhkan sebanyak 86 tube dengan setiap tube memiliki
diameter luar sebesar 25 mm dan diameter dalam sebesar 19,86 mm.
Panjang tube rancangan sebesar 0,56 m. Diameter luar dan diameter
dalam dari tube yang didapat merupakan ukuran standar untuk pipa
carbon steel. Ukuran tube yang digunakan secara umum terdapat
pada pasar, sehingga mudah didapat dan tidak memerlukan biaya
tambahan untuk mendesain tube. Tube ini didesain dengan ketebalan
2,57 mm dengan tujuan untuk mengakomodasi tekanan proses di
dalam tube sebesar 24,42 bar.
Pada perancangan heat exchanger ini, kami menempatkan
fluida dingin pada tube dan fluida panas pada shell karena
berdasarkan hasil perhitungan, Luas perpindahan panas pada heat
exchanger yang dibutuhkan sebesar 3,845 m2 apabila fluida dingin
Kelompok A.03 | 16
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
ditempatakan
pada
tube.
Sedangkan
apabila
fluida
panas
ditempatkan pada tube, didapat luas permukaan yang dibutuhkan
sekitar 1,6 kali lebih besar dari luas permukaan fluida dingin pada
tube hal ini terjadi karena laju alir pada fluida dingin yang lebih
besar dari shell sehingga apabila fluida dingin ditempatkan pada
shell, jumlah baffle pada shell perlu dikurangi, untuk menyesuaikan
dengan ketentuan laju alir fluida pada shell, yaitu 0,3 m/s sampai 1,0
m/s. Hal ini juga menyebabkan koefisien perpindahan panas pada
shell yang lebih kecil, sehingga koefisien perpindahan panas overall
pada heat exchanger juga lebih kecil alhasil dibutuhkan luas
permukaan yang lebih besar untuk heat duty yang sama. Untuk itu,
akhirnya kami memilih desain dengan ukuran luas permukaan kecil
untuk memperkecil biaya pembuatan heat exchanger agar lebih
ekonomis.
Ukuran
ini
juga
sudah
dioptimalisasi
dengan
memaksimalkan constraint (spesifikasi yang harus dipenuhi) pada
perancangan heat exchanger seperti laju alir di dalam tube dan shell
serta hilang tekan di dalam tube dan di dalam shell.
Koefisien perpindahan kalor total yang terhitung pada
pengolahan data sebesar 1018,1 W/m2K dengan galat 1,731% dari
tebakan awal 1036 W/m2K. Nilai koefisien perpindahan kalor
tersebut telah sesuai dengan literatur di mana nilai koefisien
perpindahan kalor pada heater air berada dalam rentang 800-1500
W/m2K. Kami menggunakan rentang nilai koefisien perpindahan
kalor air karena komposisi aliran pada tube fraksi airnya sebesar
98,75%, sedangkan komposisi aliran pada shell fraksi airnya sebesar
99,57%. Laju linier fluida pada tube dan shell juga memenuhi
spesifikasi, yaitu sebesar 1,042 m/s dan 0,988 m/s. Hilang tekan pada
aliran tube dan shell sesuai spesifikasi, untuk tube sebesar 0,0069 bar
dan untuk shell sebesar 0,6269 bar. Konfigurasi heat exchanger telah
memenuhi kriteria, yaitu laju linier shell yang berada di antara 0,3-1
Kelompok A.03 | 17
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
m/s, laju linier tube yang berada pada rentang 1-2 m/s, dan hilang
tekan shell kurang dari 0,7 bar sehingga didapat luas perpindahan
panas total 3,845 m2 sehingga menghasilkan desain yang optimal
sesuai dengan spesifikasi dan lebih ekonomis. Oleh karena itu,
desain heat exchanger yang kami rancang logis dan dapat diterima.
Berikut adalah tabel perhitungan menggunakan Aspen
HYSYS dan berdasarkan perhitungan manual.
Tabel 5.1 Perbandingan perhitungan manual dengan perhitungan menggunakan aplikasi
Aspen HYSYS
Manual
Aspen HYSYS
Kelompok A.03 | 18
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
5.2
Parameter Operasi Proses Hasil Perancangan
Beberapa parameter operasi yang harus diperhatikan dalam
menjalankan proses dengan heat exchanger tipe sheel and tube hasil
perancangan ini antara lain:
1. Hilang tekan (pressure drop) pada bagian tube dan shell. Hilang
tekan pada shell dan tube harus sesuai dengan spesifikasi untuk
jenis fluida cair yaitu kurang dari 0.7 kg/cm2 atau 0.7 bar.
(Sumber : Chemical Engineering Progress, AIChE)
2. Laju linier fluida cair dalam tube berada dalam rentang 1-2
m/s dan fluida cair dalam shell berada dalam rentang 0,3-1 m/s.
(Sumber : Coulson & Richardson’s Chemical Engineering
Design, Sinknot)
3. Tekanan dan temperatur yang digunakan selama proses sesuai
dengan spesifikasi kasus baik dalam sisi tube maupun dalam
shell.
4. Hilang tekan pada HE digunakan sebagai indikator dalam
perawatan HE. Apabila hilang tekan telah melebihi toleransi
pada pabrik, maka perlu dilakukan maintanance (Kebersihan dan
Fouling)
Kelompok A.03 | 19
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
6 KESIMPULAN
Pada proses perancangan heat exchanger yang berupa heater, dihasilkan
kesimpulan bahwa heater yang dirancang secara umum telah sesuai dan
memenuhi standar baik dari segi hilang tekan yang terjadi (0.58815 bar
kurang dari 0.7 bar) dan luas perpindahan panas yang dibutuhkan
(3.84447 m2). Heater yang dirancang dengan tipe shell and tube ini
menggunakan jumlah tube sebanyak 86 tube dengan panjang tube 0.56
m, di mana setiap tube memiliki diameter luar sebesar 25.4 mm dan
diameter dalam sebesar 19.86 mm.
7 Referensi
Judul Dokumen
Pengarang
Tahun
terbit
Transport Processes and Separation
Christie John
Process
Geankoplis
1997
Principles
Chemical Engineering Design
R. K. Sinnott
2005
Stanley M. Wallas
1990
Volume 6,
Fourth Edition
Chemical Process Equipment,
Selection and
Design
Perry’s Chemical Engineers’
Handbook 8
th
Richard L. Shilling,
2008
et.al.
Edition - Section 11 Heat Transfer
Equipment
Introduction to Chemical
J.M Smith, H. C. Van
Engineering
Ness, M. M. Abbott
2005
Thermodynamics, Seventh Edition
Kelompok A.03 | 20
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Heat Exchanger Design Handbook
T. Kuppan
2000
Kelompok A.03 | 21
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Appendix A – Data Fisik Aliran
1. Fluida dingin (urea)
Tin
= 31oC
Tout
= 39 oC
Trata
= 35 oC
Tabel A.1 Data Fisik Urea Padat pada T rata-rata = 35oC
No.
Properti Fluida Proses
Nilai
1
Berat molekul (g/mol)
60
2
Densitas (kg/m3)
1335
3
Viskositas (Pa.s)
-
4
Entalpi spesifik (kJ/kg)
-4074
5
Konduktivitas termal (W/m.K)
-
6
Kapasitas panas (kJ/kg.oC)
1.6
7
Fouling factor resistance (m2)
0.0003
Tabel A.2 Data Fisik Urea Cair
(diasumsikan sama seperti data fisik air karena urea larut dalam air)
Kelompok A.03 | 22
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Data Fisik Urea
Inlet
Outlet
Rata-rata
Suhu(kelvin)
304
312
308
Tekanan(bar)
24,4185585
24,41856
24,41856
Laju alir massa(kg/jam)
50000
50000
50000
Densitas (kg/m3) rata-rata
1004
997,5
1000,75
Viskositas (Pa.s) rata-rata
0,0007804
0,000664
0,000722
Kapasitas panas (kJ/Kg. K) rata-rata
4,219
4,222
4,2205
Konduktivitas (W/m.K) rata-rata
0,6296
0,6303
0,62995
2. Fluida panas (amonia)
Tin
= 162 oC
Tout
= 144 oC
Trata
= 153 oC
Tabel A.3 Data Fisik Amonia pada T rata-rata = 153oC
No.
Properti Fluida Proses
Nilai
1
Berat molekul (g/mol)
17
2
Densitas (kg/m3)
10.84
3
Viskositas (Pa.s)
2.14 x 10-6
4
Entalpi spesifik (kJ/kg)
-2403
5
Konduktivitas termal (W/m.K)
0.04116
6
Kapasitas panas (kJ/kg.oC)
2.299
7
Fouling factor resistance (m2)
0.0003
Kelompok A.03 | 23
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Tabel A.4 Data Fisik Amonia Cair
(diasumsikan sama seperti data fisik air karena amonia larut dalam air)
Data Fisik Amonia Cair
Inlet
Outlet
Rata-rata
Suhu(kelvin)
435
417
426
Tekanan(bar)
22,555295
22,5553
22,5553
Laju alir massa(kg/jam)
21710,3909
21710,39
21710,39
Densitas (kg/m3) rata-rata
893,5
910,4
901,95
Viskositas (Pa.s) rata-rata
0,0001668
0,000189
0,000178
Kapasitas panas (kJ/Kg. K) rata-rata
4,344
4,296
4,32
Konduktivitas (W/m.K) rata-rata
0,6838
0,6874
0,6856
Kelompok A.03 | 24
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Appendix B – Contoh Perhitungan
1. Menghitung laju perpindahan panas dari urea
𝑞 = ṁ𝑐𝐶𝑝𝑐(𝑇𝑐𝑜 − 𝑇𝑐𝑖)
= 50000 × 4.2205 × (312 − 304)
= 1688200 𝑘𝐽/jam = 468944.44 𝑊
2. Menghitung laju alir amonia
m in = m out
=
𝑞
1688200
=
= 21710.39 𝑘𝑔/𝑗𝑈𝑚
𝐶𝑝 𝑥 (𝑇𝑖𝑛 − 𝑇𝑈𝑢𝑈)
4.32 (435 − 417)
3. Menebak koefisien perpindahan panas total (Utot)
Berdasarkan Tabel 12.1 Buku Coulson, nilai Uo untuk water
and water solvent adalah pada rentang 800 – 1500 W/m2K.
Untuk itu, dilakukan penebakan nilai Uo untuk nilai 1036
W/m2K.
4. Menghitung ΔTm.
Keterangan :
T1 = Suhu fluida panas, inlet
T2 = Suhu fluida panas, outlet
t1 = Suhu fluida dingin, inlet
t2 = Suhu fluida dingin, outlet
Kelompok A.03 | 25
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
∆𝑇𝑈𝑚 =
=
(𝑇1 − 𝑈2) − (𝑇2 − 𝑈1)
(𝑇1−𝑡2)
ln (𝑇2−𝑡1)
(417 − 304) − (435 − 312)
(417−304)
𝑈𝑛 (435−312)
= 117.93 𝐾
Menghitung nilai R
𝑅=
Menghitung nilai S
𝑆=
𝑇1 − 𝑇2 417 − 435
=
= 2.25
𝑈2 − 𝑈1
304 − 312
𝑈2 − 𝑈1 304 − 312
=
= 0.061
𝑇1 − 𝑈1 417 − 435
Menghitung faktor koreksi (F) untuk 1 pass shell dan 2 pass tube
F = 0.9983
Menentukan ΔTm
∆𝑇𝑚 = 𝐹𝑈 𝑥 ∆𝑇𝑈𝑚 = 0.9983 𝑥 117.93 = 117.7255 𝐾
5. Menghitung luas permukaan heat transfer yang diperlukan
𝐴𝑈 =
𝑄
1688200
=
= 3.845 𝑚2
𝑈𝑈𝑈𝑈 𝑥 ∆𝑇𝑚
1036 𝑥 117.7255
6. Menentukan jumlah tube
Dengan menghitung luas permukaan satu tube (mengabaikan lebar tube)
dengan rumus :
𝐴 = 𝑝ℎ𝑖 𝑥 𝐷𝑈 𝑥 𝐿 = 𝑝ℎ𝑖 𝑥 25.4 𝑥 10−3 𝑥 0.56 = 0.045 𝑚2
Kelompok A.03 | 26
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Keterangan :
Do
= Diameter luar tube
L
= Panjang tube
, jumlah tube yang diperlukan dapat dihitung dengan
𝑁𝑈 =
𝐴𝑈
3.845
=
= 86.044
0.045
𝐴
Karena tipe shell and tube yang dipakai adalah U-tube, maka jumlah
aktual tube sebanyak 86 tube.
7. Menentukan diameter shell dan bundle untuk 2-1 heat exchanger dengan
triangular pitch
Untuk 1 pass shell dan 2 pass tube, nilai K1 = 0.156 dan n1 = 2.291 (Tabel
12.4 Buku Coulson)
Diameter bundle dapat dihitung dengan
1
𝐾1 𝑛1
0.156 1/2.291
𝐷𝑏 = 𝐷𝑈 𝑥 � � = 25.4 𝑥 (
)
= 0.399 𝑚
𝑁𝑈
86
Diameter shell untuk u-tube dihitung dengan
𝐷𝑠 = 𝐷𝑏 + 𝑥 = 0.399 + 0.012 = 0.411 𝑚
dimana x adalah shell clearance, yang dapat diperoleh melalui Figure
12.10 Buku Coulson.
8. Menghitung koefisien perpindahan panas pada sisi tube.
Kelompok A.03 | 27
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Data heat transfer untuk aliran turbulen di dalam saluran penampang
seragam biasanya dikorelasikan dengan persamaan berikut.
µ
𝑁𝑢 = 𝐶𝑅𝑒 0.8 𝑃𝑟 0.33 ( )0.14 = 273.846
µw
Keterangan :
Nu
= Bilangan Nusselt
Re
= Bilangan Reynolds (
Pr
= Bilangan Prandtl (
µ
= Viskositas fluida di temperatur bulk, Ns/m2
µw
= Viskositas fluida di dinding, Ns/m2
C
= 0.027 untuk cairan viskos
p
= Densitas fluida, kg/m3
k
= Konduktivitas termal, W/m.K
ρ x ut x Din
µ x Cp
𝑘
µ
= 125509.251)
= 1.122)
9. Menentukan jarak baffle dan menghitung koefisien heat transfer pada sisi
shell
Metode yang digunakan dalam menghitung koefisien heat transfer pada
sisi shell adalah metode Kern. Prosedur untuk menghitung koefisien
perpindahan panas dan hilang tekan untuk satu lewatan pada shell adalah
sebagai berikut :
a. Menghitung luas untuk cross flow As
As = 0.007 m2
Kelompok A.03 | 28
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Keterangan :
pt
= tube pitch
do
= diameter luar tube
Ds
= diameter dalam shell, m
lB
= jarak baffle, m
Jarak baffle ditentukan menggunakan trial and error yaitu Ds /
n. Sebagai contoh, misalnya jarak baffle adalah Ds / 5 = 0.0823
m.
b. Menghitung kecepatan massa Gs pada sisi shell dan kecepatan
linear us
Gs = 890.754 kg / (m2.s)
Us = 0.988 m/s (dibawah Eq. 12.23 Buku Coulson,
syaratnya 0.3 - 1 m/s)
Keterangan :
Ws
= Laju alir fluida di sisi shell, kg/s
ρ
= Densitas fluida sisi shell, kg/m3
c. Menghitung diameter hidrolik / ekuivalen pada sisi shell.
Untuk pitch yang persegi :
De = 0.025 m
Kelompok A.03 | 29
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
d. Menghitung bilangan Reynolds sisi shell
Re = 125509.251
e. Menentukan nilai jh
Dengan menentukan segmental cut pada baffle, nilai jh dapat dicari
menggunakan grafik di bawah ini. Nilai jh yaitu 0.0021.
Gambar B.1 Faktor Heat Transfer (jh)
f. Menghitung koefisien perpindahan panas sisi shell, hs
hs = 7485.813 W / (m2.K)
10. Menghitung koefisien perpindahan panas overall dan faktor fouling
Kelompok A.03 | 30
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Koefisien perpindahan panas overall (Uo,calc) dihitung menggunakan
rumus berikut.
1
𝑈𝑜
1
= ℎ𝑜 +
1
ℎ𝑜𝑑
+
𝑑𝑜 ×ln(𝑑𝑜�𝑑𝑖)
2 𝑘𝑤
𝑑𝑜
+ 𝑑𝑖 × ℎ𝑖𝑑 +
Uo = 1018,0649 W/(m2.K)
𝑑𝑜
𝑑𝑖 ×ℎ𝑖
Keterangan :
Uo
= Koefisien total area di luar tabung
ho
= Koefisien film di bagian luar tabung
hi
= Koefisien film di bagian dalam tabung
hod
= Fouling factor di bagian luar tabung = 0.0003 (untuk
fluida panas di shell)
hid
= Fouling factor di bagian dalam tabung = 0.0003 (untuk
fluida dingin di tube)
kw
= Konduktivitas termal dinding tabung
di
= Diameter bagian dalam tabung
do
= Diameter bagian luar tabung
Faktor fouling dapat diperoleh melalui tabel di bawah ini.
Tabel B.1 Faktor Fouling
Kelompok A.03 | 31
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
11. Menghitung galat koefisien perpindahan panas total
Bandingkan nilai koefisien perpindahan panas overall yang baru dengan
tebakan awal, kemudian hitung persentase galatnya. Apabila persentase
galatnya lebih dari 30%, lakukan iterasi menggunakan nilai koefisien
perpindahan panas overall yang baru dan ulangi dari langkah ke-6.
Apabila persentase galatnya kurang dari 30%, lanjut ke langkah
berikutnya.
𝑈𝑜,𝑐𝑎𝑙𝑐−𝑈𝑡𝑜𝑡
𝑈𝑡𝑜𝑡
𝑥100% = 1.1731 %
12. Menghitung pressure drop
Nilai dari pressure drop dapat dihitung melalui metode Kern.
a. Menghitung hilang tekan di sisi shell
∆Ps = 62692.74 Pa
Keterangan :
L
= Panjang tube
(L/lB) adalah jumlah aliran melewati tube bundle = (Nb +
1) dimana Nb adalah jumlah baffle.
Faktor friksi, jf, dapat ditentukan melalui grafik di bawah ini.
Kelompok A.03 | 32
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Gambar B.2 Faktor Friksi
Untuk baffle cuts 45%, didapat nilai faktor friksi pada shell sebesar
0.0046.
b. Menghitung hilang tekan di sisi tube
∆Pi = 693.65 Pa
Keterangan
Ncv
= jumlah baris tube dilewati di bagian crossflow
=2
us
= kecepatan alir sisi shell
jf
= faktor friksi untuk crossflow tube banks
Kelompok A.03 | 33
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Faktor friksi, jf, dapat ditentukan melalui grafik di bawah ini.
Diperoleh nilai jf yaitu 0.0026.
Gambar B.3 Faktor friksi untuk crossflow tube banks . (Sinnott, 2005)
Kelompok A.03 | 34
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Appendix C – Tahap Perancangan
Berikut tahap-tahap perancangan yang dilakukan:
1. Menentukan spesifikasi dan deskripsi proses aliran
Terdapat beberapa spesifikasi aliran yang akan dibahas, yaitu temperatur,
tekanan, dan laju alir massa baik pada masukan, keluaran, dan rata-rata
dalam membuat heat exchanger ini.
Tabel C.1 Spesifikasi dan deskripsi proses aliran fluida dingin (larutan urea)
Properti
Inlet
Outlet
Rata-rata
Suhu(kelvin)
304
312
308
Tekanan(bar)
24.4185585
24.41856
24.41856
Laju alir massa(kg/jam)
50000
50000
50000
Tabel C.2 Spesifikasi dan deskripsi proses aliran fluida panas (larutan amonia)
Properti
Inlet
Outlet
Rata-rata
Suhu(kelvin)
435
417
426
Tekanan(bar)
22.555295
22.5553
22.5553
Laju alir massa(kg/jam)
21710.3909
21710.39
21710.39
2. Menentukan jenis heat exchanger yang digunakan
Heat exchanger yang digunakan mempunyai jenis shell and tube tipe Utube dengan 1 shell pass dan 2 tube pass. Material yang digunakan adalah
carbon steel dan tipe alirannya adalah counter flow.
3. Mengumpulkan data fisik fluida
Data fisik fluida yang terlibat di dalam heat exchanger diperoleh dari
literatur dan aplikasi Aspen HYSYS. Data fisik fluida tersebut meliputi
Kelompok A.03 | 35
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
densitas, viskositas, konduktivitas termal, dan kapasitas panas pada
masukan, keluaran, dan rata.
Tabel C.3 Data fisik fluida dingin urea cair
(diasumsikan sama seperti data fisik air karena urea larut dalam air)
Properti
Inlet
Outlet
Rata-rata
Suhu(kelvin)
304
312
308
Tekanan(bar)
24,4185585
24,41856
24,41856
Laju alir massa(kg/jam)
50000
50000
50000
Densitas (kg/m3) rata-rata
1004
997,5
1000,75
Viskositas (Pa.s) rata-rata
0,0007804
0,000664
0,000722
Kapasitas panas (kJ/Kg. K) rata-rata
4,219
4,222
4,2205
Konduktivitas (W/m.K) (rata-rata)
0,6296
0,6303
0,62995
Tabel C.4 Data fisik fluida panas amonia cair
(diasumsikan sama seperti data fisik air karena amonia larut dalam air)
Properti
Inlet
Outlet
Rata-rata
Suhu(kelvin)
435
417
426
Tekanan(bar)
22,555295
22,5553
22,5553
Laju alir massa(kg/jam)
21710,3909
21710,39
21710,39
Densitas (kg/m3) rata-rata
893,5
910,4
901,95
Viskositas (Pa.s) rata-rata
0,0001668
0,000189
0,000178
Kapasitas panas (kJ/Kg. K) rata-rata
4,344
4,296
4,32
Konduktivitas (W/m.K) (rata-rata)
0,6838
0,6874
0,6856
4. Menghitung laju perpindahan panas yang terjadi
Kelompok A.03 | 36
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Laju perpindahan panas dihitung untuk memperoleh data laju alir air panas
yang pada kondisi awal tidak diketahui dengan asumsi efektivitas panas
100%.
Tabel C.5 Hasil perhitungan laju perpindahan panas
q (kj/jam)
1688200
5. Mengasumsikan nilai koefisien perpindahan panas overall Uo
Nilai Uo awal dapat diasumsikan dengan mengetahui rentang nilai Uo dari
literatur. Berdasarkan tabel 12.1 buku Chemical Engineering Design oleh
Coulson dan Richardson, nilai Uo untuk heat exchanger dengan fluida
panas yang digunakan adalah larutan amonia yang didominasi oleh air dan
fluida dingin yang digunakan adalah larutan urea yang didominasi oleh air,
maka nilai koefisien perpindahan panas untuk air-air berada pada rentang
800-1500 W/m2oC. Uo yang digunakan sebagai tebakan awal bernilai
1036 W/m2 oC. Nilai ini dipilih karena merupakan nilai tengah dari
rentang U yang diperbolehkan. Setelah dilakukan iterasi dengan metode
goal-seek pada microsoft excel, nilai Uo yang memberikan galat paling
kecil adalah 1036 W/m2oC.
Kelompok A.03 | 37
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Gambar C.1 Rentang nilai U fluida panas dan fluida dingin (Sumber: Coulson
dan Richardson, Chemical Engineering Design, 2005)
6. Menentukan ΔTLMTD faktor koreksi dan ΔTM
ΔTLMTD atau
log
mean
temperature
difference
dapat
dihitung
menggunakan rumus berikut ini:
ΔTLMTD =
(𝑇1 − 𝑈2 ) − (𝑇2 − 𝑈1 )
(𝑇 −𝑡 )
𝑈𝑛 (𝑇1 −𝑡2 )
2
1
Keterangan:
T1
= Temperatur masukan fluida panas
T2
= Temperatur keluaran fluida panas
t1
= Temperatur masukan fluida dingin
Faktor koreksi merupakan faktor dari temperatur shell & tube
passes. Sebelum menentukan faktor koreksi, terlebih dahulu
ditentukan nilai S dan R. Nilai S dihitung dengan persamaan 12.6
dan nilai R dihitung dengan persamaan 12.7. Setelah kedua nilai
Kelompok A.03 | 38
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
tersebut dihitung, barulah nilai faktor koreksi dapat ditentukan
dengan persamaan 12.8 pada buku Chemical Engineering Design
4th ed oleh Coulson dan Richardson halaman 656.
𝑆=
(𝑈2 − 𝑈1 )
(𝑇1 − 𝑈1 )
𝑅=
(𝑇1 − 𝑇2 )
(𝑈2 − 𝑈1 )
Nilai 𝛥𝑇𝑚 dapat ditentukan melalui persamaan:
ΔTM = 𝐹𝑡 𝑥 ΔTLMTD
Tabel C.6 Hasil Perhitungan ΔTLMTD, faktor koreksi, dan ΔTm
U tebak (W/m2. c)
1036
deltaTlm (K)
117.9293
R
2.2500
S
0.0611
Ft (untuk 1:2 (shell:tube pass)
0.9983
deltaTm (K)
117.7255
7. Menentukan luas perpindahan panas total yang dibutuhkan
Kelompok A.03 | 39
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Dengan mengetahui perbedaan temperatur, kita dapat menentukan
luas area perpindahan panas total yang dibutuhkan. Luas ini
digunakan untuk menentukan dimensi shell dan tube yang
diperlukan. Luas perpindahan panas ditentukan dengan rumus:
𝐴=
Keterangan:
𝑄
𝑈 𝑥 ΔTM
Q
= laju perpindahan panas (J/s)
U
= koefisien perpindahan panas total tebakan (W/m2 oC)
𝛥𝑇𝑚
= perbedaan temperatur (K)
A total (m2)
3.84495426
Tabel C.7 Hasil Perhitungan luas perpindahan panas total
8. Menentukan dimensi tube
Dimensi tube ditentukan terlebih dahulu dengan menebak nilai
diameter dalam, diameter luar dan panjang tube. Nilai diameter
tebakan ditentukan berdasarkan standar dari literatur (Tenaris,
Process and power plant service) dan perhitungan diameter
minimum yang diperbolehkan ditentukan dengan persamaan 5.8 dari
buku Chemical Engineering Design 4th ed. oleh Coulson dan
Richardson, halaman 216. Rumus yang digunakan untuk mencari
tebal pipa adalah sebagai berikut:
𝑈=
Keterangan:
𝑃𝑑
20σ𝑑 + 𝑃
t = tebal pipa (mm)
Kelompok A.03 | 40
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
d = diameter luar tube (mm)
P = tekanan dalam tube (bar)
𝜎𝑑 = design stress pada temperatur rata-rata tube (N/mm2)
Gambar C.2 Dimensi tube pada heat exchanger (Sumber: Geankoplis,
Transport Processes and Separation Process Principles, 2003)
Berdasarkan hasil perhitungan, nilai diameter minimum untuk
digunakan di bawah 0.5 mm. Setelah dilakukan penebakan berulang
kali, didapat nilai diameter luar yang memberikan hasil paling tepat
dan efisien adalah 25.4 mm dengan ketebalan 2.77 mm. Angka
ketebalan ini dipilih untuk menyesuaikan dengan kecepatan aliran
fluida pada shell agar tidak melebihi 1 m/s. Untuk menebak panjang
tube, tidak terdapat syarat batas yang harus diperhitungkan. Setelah
melakukan penebakan berbagai nilai, didapat nilai panjang tube yang
paling efektif adalah 0.56 m.
Kelompok A.03 | 41
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Terdapat 3 macam cara penyusunan tube, yaitu equilateral
triangular, square, dan rotated square pattern. Penyusunan tube
yang digunakan adalah square. Alasan dipilihnya square shape
adalah penyusunan ini merupakan penyusunan yang paling efektif
karena akan mengurangi hilang tekan pada shell.
Gambar C.3 Tipe penyusunan tube (Sumber: Coulson dan Richardson,
Chemical Engineering Design, 2005)
Material yang dipilih adalah carbon steel karena memiliki nilai
konduktivitas termal yang tidak begitu rendah selain itu juga
memilki harga yang lebih murah. Selain itu, carbon steel tidak
mudah terkorosi oleh fluida kerja dan fuida servis.
Setelah dilakukan optimasi dimensi tube dan memilih cara
penyusunannya, maka ditentukan luas tube yang akan digunakan
untuk menghitung jumlah tube yang dibutuhkan. Jumlah tube yang
dibutuhkan dihitung dengan membagi luas perpindahan panas total
dibagi luas perpindahan panas pada tube. Hasil yang didapatkan
adalah 86.0438, yang dibulatkan menjadi 86 buah tube.
Kelompok A.03 | 42
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Tabel C.8 Hasil perhitungan dimensi tube
Do (mm)
25.4
Di (mm)
19.86
L (m)
0.56
A selimut luar/ tube(m2)
0.045
Number of tube
86.0438
Actual number of tube
86
9. Menentukan dimensi bundle dan shell
Dimensi bundle ditentukan melalui perhitungan dengan persamaan
12.3b pada buku Chemical Engineering Design 4th edition oleh
Coulson dan Richardson halaman 648. Selanjutnya, bundle diameter
clearance ditentukan dari figure 12.10 pada buku tersebut.
Keterangan:
𝑁𝑡 1
𝐷𝑏 = 𝑑0 ( )𝑛1
𝐾1
Db = diameter bundle
D0 = diameter luar tube
Nt = jumlah tube
Nilai K1 dan n1 diperoleh dari:
Kelompok A.03 | 43
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Gambar C.4 Konstanta untuk persamaan 12.3
Gambar C.5 Grafik bundle diameter clearance (Sumber: Coulson dan
Richardson, Chemical Engineering Design, 2005)
Dimensi shell ditentukan dengan menentukan diameter dalam,
ketebalan, dan diameter luar shell. Diameter dalam shell dihitung
dengan menjumlahkan diameter bundle dengan bundle diameter
clearance.
Tabel C.9 Hasil perhitungan dimensi bundle dan shell
n1
2.291
K1
0.156
Db (m)
0.399
bundle diameter clearence (mm)
12
shell diameter (m)
0.411
Kelompok A.03 | 44
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Ketebalan shell ditentukan berdasarkan tabel berikut ini:
Gambar C.6
Ketebalan minimum shell (Sumber: Coulson dan Richardson,
Chemical Engineering Design, 2005)
Berdasarkan tabel tersebut, ketebalan shell yang digunakan adalah 9.5
mm. Dengan demikian, diameter luar shell dapat ditentukan dengan
menjumlahkan diameter dalam dengan ketebalan shell.
10. Menentukan koefisien perpindahan panas pada tube
Koefisien perpindahan panas pada tube dapat dihitung dengan mencari
terlebih dahulu kecepatan fluida, bilangan Reynolds fluida, bilangan
Prandtl fluida, bilangan Nusselt, dan nilai faktor koreksi.
Kecepatan fluida ditentukan dengan menghitung laju alir massa fluida per
satuan luas dengan densitas fluida pada tube. Perlu diperhatikan bahwa
nilai kecepatan linear pada tube memiliki syarat batas, yakni bernilai
dalam rentang 1-2 m/s (Coulson, 2005). Bilangan Reynolds dihitung
menggunakan persamaan:
𝑁𝑅𝑒 =
𝜌𝐺𝑑𝑒
𝜇
Bilangan Prandtl dihitung menggunakan persamaan:
Kelompok A.03 | 45
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
𝑃𝑟 =
𝐶𝑝 𝜇
𝑘𝑓
Bilangan Nusselt dihitung menggunakan persamaan 12.11:
𝑁𝑢 = 0.023𝑅𝑒 0.8 𝑃𝑟 0.33
Untuk menentukan koefisien perpindahan panas pada sisi tube digunakan
persamaan 12.15 yaitu:
Keterangan:
hi = koefisien perpindahan panas (W/m2K)
di = diameter dalam (m)
kf = konduktivitas termal fluida (W/m.K)
jh = faktor perpindahan panas
μ = viskositas fluida pada temperatur bulk fluida (Pa.s)
μw = viskositas fluida pada dinding (Pa.s)
Temperatur bulk diasumsikan sama dengan temperatur dinding. Sehingga,
viskositas fluida pada temperatur bulk sama dengan viskositas fluida pada
dinding.
Tabel C.10 Hasil perhitungan koefisien perpindahan panas pada tube
Mean temperatur cold fluid
308
A cross sectional / tube (m2)
0.000309776
Tube per pass
43
Total flow area(m2)
0.013320386
fluid mass velocity (kg/s.m2)
1042.679
Density of fluid (kg/m3)
1000.750
Urea linear velocity (m/s)
1.042
Reynolds number
116334.873
Kelompok A.03 | 46
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Nusselt number
436.769
Prndtl number
4.839
Diameter ekivalen (m)
0.01986
hi (W/m2. K)
13854.111
11. Menentukan baffle spacing, jumlah baffle, dan koefisien perpindahan
panas shell
Baffle spacing ditentukan dengan dengan aturan 0,1-1 kali diameter dalam
shell. Dalam hal ini dipilih 𝐿𝑏 = 0.2𝐷𝑠. Tube pitch dihitung dengan
persamaan 𝑃𝑡 = 1.25𝑑𝑜.
Jumlah baffle ditentukan dengan persamaan:
𝑁𝑏 =
Keterangan:
𝐿
−1
𝑈𝑏
Nb = jumlah baffle
L = panjang tube
lb = baffle spacing
Menentukan koefisien perpindahan panas pada shell dihitung dengan
menentukan luas shell, kecepatan linier fluida dalam shell, diameter
ekivalen shell dengan penyusunan tube square pitch, bilangan Reynolds
serta bilangan Prandtl terlebih dahulu.
Luas shell dihitung dengan persamaan 12.21:
Keterangan:
𝐴𝑠 =
(𝑝𝑡 − 𝑑0 )𝐷𝑠 𝑈𝑏
𝑝𝑡
pt = tube pitch
d0 = diameter luar tube
Ds = diameter shell
Kelompok A.03 | 47
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
lb = baffle spacing
Kecepatan linear dihitung dengan membagi laju perpindahan massa
dengan luas shell. Perlu diperhatikan bahwa kecepatan linear pada shell
memiliki syarat batas, yakni pada rentang 0,3-1 m/s (Coulson, 2005).
Diameter ekivalen dengan penyusunan square pitch dihitung dengan
persamaan 12.22:
Faktor koreksi ditentukan dari grafik 12.29 dengan baffle cuts 15%
Gambar C.7 Faktor koreksi shell (Sumber: Coulson dan Richardson, Chemical
Engineering Design, 2005)
Kelompok A.03 | 48
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Menghitung nilai h shell menggunakan persamaan 12.25 :
Keterangan:
hs = koefisien perpindahan panas shell, W/(m2°C)
de = diameter ekivalen
kf = konduktivitas termal fluida
jh = faktor perpindahan panas
μ = viskositas fluida pada temperatur bulk fluida
μw=viskositas fluida pada dinding
Tabel C.11 Hasil perhitungan koefisien perpindahan panas pada shell
Baffle spacing (m)
0.0823
Tube pitch (mm)
31.750
Cross flow area (m)
0.007
Mass velocity(kg/s. m2)
890.754
Water linear velocity (m/s)
0.988
Diameter ekivalen (m)
0.025
Reynolds number
125509.251
Baffle cut(%)
15
jh
0.0021
Prndtl number
1.122
Nusselt number
273.846
hs (W/m2.K)
7485.813
12. Menentukan koefisien perpindahan panas overall (U)
Kelompok A.03 | 49
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Koefisien perpindahan panas overall dapat ditentukan dengan persamaan
12.2:
Perhitungan U di atas adalah perhitungan yang menyertakan fouling
factor. Nilai U yang didapat kemudian dibandingkan nilaiya dengan nilai
U tebakan awal (pada langkah 5). Jika galat yang dihasilkan kurang dari
sama dengan 30%, maka nilai U hasil perhitungan dapat diterima,
sedangkan jika melebihi 30% maka dilakukan pengulangan langkah
dimulai dari tebakan U yang baru.
13. Mengestimasi pressure drop pada shell and tube
Pressure drop akan dipengaruhi oleh adanya friction factor. Friction
factor (jf) untuk tube dapat ditentukan dari grafik 12.24, sedangkan untuk
shell dapat ditentukan dari grafik 12.29.
Kelompok A.03 | 50
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Friction factor untuk tube:
Gambar C.8 Friction factor untuk tube (Sumber: Coulson dan Richardson,
Chemical Engineering Design, 2005)
Pressure
drop
pada
tube
dapat
ditentukan
menggunakan
persamaan:
Friction factor untuk shell:
Kelompok A.03 | 51
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Gambar C.9 Friction factor untuk shell (Sumber: Coulson dan Richardson,
Chemical Engineering Design, 2005)
Pressure drop pada shell dapat ditentukan menggunakan
persamaan:
Jika pressure drop telah memenuhi spesifikasi, maka desain dapat
diterima. Jika belum memenuhi spesifikasi, maka dilakukan pengulangan
langkah dimulai dari penentuan layout heat exchanger yang baru.
Tabel C.12 Hasil perhitungan pressure drop pada tube dan shell
PRESSURE DROP TUBE
jumlah tube pass (Np)
2
Kelompok A.03 | 52
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
jf
0.0026
deltaP (Pa)
693.6501
PRESSURE DROP PADA
SHELL
jf
0.0045
deltaP (Pa)
62692.74221
Nilai pressure drop yang didapatkan telah memenuhi spesifikasi sehingga
desain dapat diterima.
14. Mengestimasi biaya pembuatan heat exchanger
Estimasi biaya dapat diketahui melalui harga material heat exchanger
sejumlah yang diperlukan. Jika biaya sudah tidak dapat dioptimasi lagi,
maka desain dapat diterima. Jika biaya dapat dioptimasi lagi maka
dilakukan pendesainan ulang.
Tabel C.13 Hasil perhitungan harga heat exchanger berdasarkan material
Densitas carbon steel (kg/m3)
7850
Berat HE (kg)
170.846347
Harga carbon steel ($/ton)
498
Harga HE ($)
85.0814808
Kelompok A.03 | 53
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Appendix D – Specification Sheet Heat
Exchanger
Kelompok A.03 | 54
LAPORAN III PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Kelompok A.03 | 55
PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
56 dari 56