LAPORAN II ALGORITMA PERANCANGAN HEAT EXCHANGER Disusun untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah TK2203 - Operasi Perpindahan Kalor Disusun oleh Nama : Jolanda Pretty Punyanan NIM : 13017059 Kelompok : A.03 PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2019 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger DIAGRAM ALIR PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER Diagram alir proses algoritma desain shell and tube heat exchanger terlampir pada halaman berikutnya (Coulson & Richardson, 2005). 2 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger Mulai Menghitung koefisien perpindahan panas total dengan faktor koreksi = Ucalc Mengidentifikasi Masalah YA Melengkapi semua spesifikasi (Tin, Tout, Laju heat transfer, laju alir fluida) ππππ − πππππ < 0.3 ππππ 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 YA Menentukan nilai βTLMTD, βTm, Faktor Koreksi Mengestimasi biaya pembuatan alat penukar panas Menentukan luas permukaan alat penukar panas A=q/UtotβTm Menentukan tipe alat penukar panas, ukuran tabung, rancangan material alat penukar panas Menentukan penempatan fluida pemanas dari sisi tabung atau sisi kerangka TIDAK Rancangan alat dapat dikurangi biaya YA Menentukan banyaknya tabung dan diameter kerangka Mengestimasi nilai koefisen perpindahan panas pada sisi tabung Melakukan optimisasi Rancangan alat penukar panas diterima 3 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger DESKRIPSI ALGORITMA PERANCANGAN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER Dalam perancangan shell and tube heat exchanger, terdapat beberapa algoritma atau tahapan yang dapat dilakukan untuk memudahkan perancangan. Berikut adalah deskripsi algoritma perancangan heat exchanger (Coulson & Richardson, 2005). 1. Mengidentifikasi masalah Desain heat exchanger yang diajukan harus mampu mendefinisikan peristiwa perpindahan panas yang terjadi pada suatu kolom stripper (Bejan & Kraus, 2003). Kolom stripper adalah alat yang digunakan untuk memisahkan satu komponen atau lebih dari campurannya menggunakan prinsip perbedaan kelarutan (Tentang Teknik Kimia, 2017). Berikut adalah skema dari kondisi tersebut. 3 6 1 2 5 4 Gambar 1. Skema Permasalahan Desain Kolom Stripper Furfural Keterangan : 1 = Aliran umpan 2 = Aliran umpan pada keadaan saturated vapor 3 = Aliran atas stripper (output stripper) 4 = Aliran udara pendingin (input stripper) 5 = Aliran bawah stripper (furfural panas) 6 = Aliran furfural dingin 4 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger 2. Melengkapi semua spesifikasi Data-data dari fluida panas dan fluida dingin meliputi suhu masuk (Tin) dan suhu keluar (Tout), laju heat transfer, dan laju alir fluida diperlukan untuk menghitung beban panas (Q) dari heat exchanger. Data yang belum diketahui dapat dihitung menggunakan persamaan neraca energi. Berikut adalah data fisik dan kimia terkait dari beberapa fluida. Tabel 1. Temperatur Didih, Temperatur Leleh, dan Kalor Laten Fluida Tabel 2. Kapasitas Kalor Fluida 5 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger Tabel 3. Variabel Persamaan Antoine Fluida Kerja Tabel 4. Data Fisik Fluida pada Tekanan Kerja 350 kPa dan 375 kPa 3. Mengumpulkan data fisik fluida Data fisik dan kimia dari fluida yaitu densitas, viskositas, dan konduktivitas termal diperlukan dalam menyelesaikan permasalahan desain shell and tube heat exchanger. Berikut adalah data densitas, viskositas, dan konduktivitas termal dari beberapa fluida (Geankoplis, 1993). 6 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger Tabel 5. Viskositas Cairan Tabel 6. Viskositas Gas 7 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger Tabel 7. Konduktivitas Termal Cairan Tabel 8. Konduktivitas Termal Gas dan Uap 8 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger 4. Menebak koefisien perpindahan panas total Koefisien perpindahan panas total (Utot) untuk shell and tube heat exchanger dapat ditebak sesuai dengan rentang nilai U pada tabel di bawah ini, dengan melihat jenis dari fluida yang dialirkan. Tabel 9. Koefisien perpindahan panas total pada shell and tube heat exchanger 9 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger 10 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger Gambar 2. Grafik Koefisien Perpindahan Panas Overall 5. Menentukan jumlah dari shell dan tube yang lewat Jumlah dari shell dan tube ditentukan untuk mencari faktor koreksi dari temperatur dari fluida yang mengalir dalam heat exchanger. Perkiraan perbedaan suhu rata-rata harus dibuat. Nilai tersebut biasanya dihitung dari perbedaan suhu terminal, perbedaan suhu fluida di inlet dan outlet exchanger. Perbedaan suhu "rata-rata logaritmik" hanya berlaku untuk perpindahan panas dalam arus searah atau berlawanan arus. Untuk arus berlawanan, suhu rata-rata logaritmik dihitung menggunakan rumus : βπππ = (π1 − π2) − (π2 − π1) (π1 − π2) ln (π2 − π1) Keterangan : βTlm = Perbedaan suhu rata-rata logaritmik 11 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger T1 = Suhu fluida panas, inlet T2 = Suhu fluida panas, outlet t1 = Suhu fluida dingin, inlet t2 = Suhu fluida dingin, outlet Praktik yang biasa dalam desain shell and tube heat exchanger adalah memperkirakan "perbedaan suhu sebenarnya" dari suhu ratarata logaritmik dengan menerapkan faktor koreksi yaitu : Keterangan : βππ = πΉπ π₯ βπππ βTm = Perbedaan temperatur sebenarnya Ft = Faktor koreksi dari temperatur Faktor koreksi adalah fungsi dari suhu fluida shell dan tube, dan jumlah shell dan tube yang lewat. Biasanya nilainya berkorelasi sebagai fungsi dari dua rasio suhu tak berdimensi yaitu : dan π = π= π1 − π2 π2 − π1 π2 − π1 π1 − π1 R sama dengan laju alir fluida sisi shell dikalikan panas rata-rata fluida; dibagi dengan laju aliran fluida sisi tube, dan dikali panas spesifik sisi tube. S adalah ukuran efisiensi suhu exchanger. Faktor koreksi untuk 1 shell : 2 tube dengan jumlah tube genap dapat dilihat pada kurva dibawah ini. 12 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger Gambar 3. Grafik Faktor Koreksi Temperatur untuk 1 Shell dan 2 atau kelipatannya pada Tube Faktor koreksi untuk 2 shell : 4 tube dengan jumlah tube kelipatan 4 dapat dilihat pada kurva dibawah ini. Gambar 4. Grafik Faktor Koreksi Temperatur untuk 2 Shell dan 4 atau kelipatannya pada Tube 13 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger Faktor koreksi untuk divided-flow shell dan 2 atau lebih jumlah tube genap dapat dilihat pada kurva dibawah ini. Gambar 5. Grafik Faktor Koreksi Temperatur untuk Divided-Flow Shell dan 2 atau kelipatannya pada Tube Faktor koreksi untuk split-flow shell dan 2 tube dapat dilihat pada kurva dibawah ini. 14 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger Gambar 6. Grafik Faktor Koreksi Temperatur untuk Split-Flow Shell dan 2 Tube 6. Menghitung luas permukaan heat transfer yang diperlukan Selanjutnya, setelah melakukan analisis dengan mengasumsikan nilai koefisien perpindahan panas total dan menentukan nilai LMTD, kita dapat menghitung luas permukaan kontak yang diperlukan oleh heat exchanger yang akan kita desain. Perhitungan luas permukaan tersebut dapat dilakukan menggunakan persamaan laju perpindahan panas sebagai berikut. π΄π = π ππππ π₯ βππ 7. Menentukan tipe, ukuran tube, dan material untuk sisi shell dan tube Bahan kontruksi untuk shell and tube heat exchanger ditentukan dari sifat fluida yang mengalir didalamnya. Contoh-contoh bahan kontruksi untuk heat exchanger antara lain : Steel, 316 Stainless Steel, Titanium, Hastelloy C, Zirconium, Quartz, Teflon (Wibawa, 2014). Fluida yang lebih kotor dialirkan pada tube dan yang lebih bersih dialirkan pada shell. Setelah itu, tentukan diameter luar, diameter dalam, dan panjang dari tube pada triangular pitch (pitch/diameter = 1.25). Tabel 10. Dimensi Standar untuk Tube Baja 15 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger 8. Menghitung jumlah tube Dengan menghitung luas permukaan satu tube (mengabaikan lebar tube) dengan rumus : π΄ = πβπ π₯ π·π π₯ πΏ Keterangan : Do = Diameter luar tube L = Panjang tube , jumlah tube yang diperlukan dapat dihitung dengan π΄π π΄ Jika pada tahap sebelumnya dipilih 2 tube, tube per pass adalah ππ = jumlah tube dibagi dengan 2. Kemudian, hitung kecepatan sisi tube (ut) ini untuk melihat apakah terlihat masuk akal. 9. Menghitung diameter shell dan bundle Untuk memeroleh diameter shell, diperlukan nilai K1 dan n1 yang disesuaikan dengan jumlah tube yang lewat dan dapat diperoleh dari tabel dibawah ini. Tabel 11. K1 dan n1 Diameter bundle dapat dihitung dengan 16 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger 1 πΎ1 π1 π·π = π·π π₯ οΏ½ οΏ½ ππ Diameter shell dihitung dengan π·π = π·π + π₯ dimana x adalah shell clearance, yang dapat diperoleh melalui kurva dibawah ini. Gambar 7. Shell-Bundle Clearance 10. Menghitung koefisien heat transfer pada sisi tube a. Aliran Turbulen Data heat transfer untuk aliran turbulen di dalam saluran penampang seragam biasanya dikorelasikan dengan persamaan berikut. µ ππ’ = πΆπ π 0.8 ππ 0.33 ( )0.14 µw Keterangan : Nu = Bilangan Nusselt 17 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger ρ x ut x Din ) Re = Bilangan Reynolds ( Pr = Bilangan Prandtl ( µ = Viskositas fluida di temperatur bulk, Ns/m2 µw = Viskositas fluida di dinding, Ns/m2 C = 0.021 untuk gas µ x Cp π ) µ = 0.023 untuk cairan tidak viskos = 0.027 untuk cairan viskos p = Densitas fluida, kg/m3 k = Konduktivitas termal, W/m.K Jika bilangan Reynolds diatas 10000, digunakan persamaan : Keterangan : ππ = πΈπ π −0.205 ππ −0.505 St = Bilangan Stanton E = 0.0225 exp (-0.0225(ln Pr)2) b. Aliran Laminer Untuk aliran laminar, persamaan yang berlaku adalah : c. Aliran Transisi Untuk aliran transisi, koefisien perpindahan panasnya tidak bisa ditentukan secara pasti karena alirannya yang tidak stabil dan tipe aliran ini harus dihindari pada perancangan heat exchanger. Bila tidak bisa dihindari, maka harus membandingkan bilangan Nusselt dari pada aliran turbulen dan laminer kemudian diambil nilai yang terkecil. Kemudian, cari faktor heat transfer (jh) menggunakan grafik dibawah ini. 18 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger Gambar 8. Faktor heat transfer (jh) ππ’ = πβ π₯ π π π₯ ππ 0.33 Nilai jh digunakan untuk menghitung koefisien perpindahan panas di dalam (hi) menggunakan rumus : Apabila nilai hi terlalu kecil untuk tebakan U, lakukan iterasi dengan meningkatkan jumlah tube yang lewat, misalnya dari awalnya 2 menjadi 4. Kecepatan alir fluida dan bilangan Reynolds akan meningkat menjadi 2 kali. Setelah itu cari nilai jh dan hitung nilai hi yang baru. 11. Menentukan jarak baffle dan menghitung koefisien heat transfer pada sisi shell 19 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger Terdapat dua metode dalam menghitung koefisien heat transfer pada sisi shell, yaitu metode Kern dan metode Bell. a. Metode Kern Metode Kern berdasarkan dari percobaan pada alat penukar panas komersial dengan toleransi standar akan memberikan prediksi koefisien perpindahan panas yang memuaskan namun kurang memuaskan untuk memprediksi hilang tekan. Prosedur untuk menghitung koefisien perpindahan panas dan hilang tekan untuk satu lewatan pada shell adalah sebagai berikut : 1) Menghitung luas untuk cross flow As 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. 2) Menghitung kecepatan massa Gs pada sisi shell dan kecepatan linear us Keterangan : Ws = Laju alir fluida di sisi shell, kg/s 20 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger ρ = Densitas fluida sisi shell, kg/m3 3) Menghitung diameter hidrolik / ekuivalen pada sisi shell. Untuk pitch yang persegi : Untuk pitch yang triangular : 4) Menghitung bilangan Reynolds sisi shell 5) Menentukan nilai jh Dengan menentukan segmental cut pada baffle, nilai jh dapat dicari menggunakan grafik di bawah ini. 21 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger Gambar 9. Faktor Heat Transfer (jh) 6) Menghitung koefisien perpindahan panas sisi shell, hs b. Metode Bell Metode Bell mengestimasi koefisien perpindahan panas dan hilang tekan dari korelasi untuk aliran diatas tube banks ideal, dan efek kebocoran, bypassing, dan aliran pada zona jendela. Pendekatan ini akan memberi koefisien perpindahan panas dan hilang tekan yang lebih memuaskan daripada metode Kern apabila hilang tekan yang dilayakkan di sisi shell bukan pertimbangan utama. Metoda ini tidak direkomendasikan bila area perpotongan aliran lebih dari 30% dair area crossflow, kecuali strip penyegel digunakan. Koefisien perpindahan panas memiliki banyak parameter yang harus ditentukan dengan persamaan-persamaan lain atau dari grafik. Berikut adalah langkah perhitungan koefisien heat transfer sisi shell menggunakan metode Bell. 1) Menentukan koefisien ideal crossflow (hoc) Nilai hoc dihitung menggunakan rumus berikut. Dengan bilangan Reynolds untuk crossflow melewati tube bank. 22 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger Keterangan : Gs = Laju massa per area unit do = Diameter luar tube Jika nilai Re telah diperoleh, nilai jh dapat ditentukan berdasakan grafik di bawah ini. Gambar 10. Faktor perpindahan panas untuk crossflow tube banks 2) Menentukan faktor koreksi baris tube (Fn) Koefisien perpindahan panas rata-rata akan tergantung pada jumlah tube yang dilintasi. Untuk aliran turbulen, faktor koreksi Fn mendekati 1. Dalam aliran laminar, koefisien perpindahan panas dapat menurun dengan bertambahnya deretan tube yang bersilangan, karena penumpukan lapisan batas suhu. Ncv adalah jumlah penyempitan yang dilintasi; jumlah baris tube di antara ujung baffle. 23 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger a) Bila Re > 2000, dapat digunakan grafik berikut untuk menentukan nilai Fn. Gambar 11. Faktor koreksi baris tube b) Bila Re = 100 - 2000, Fn = 1 c) Bila Re < 100 Fn setara dengan (N’c)-0.18 N’c adalah jumlah baris bersilangan secara seri dari ujung ke ujung shell, dan tergantung dari jumlah baffle. 3) Menentukan faktor koreksi jendela, Fw Faktor ini mengoreksi efek aliran melalui jendela baffle, dan merupakan fungsi dari area perpindahan panas di zona jendela dan total area perpindahan panas. Faktor koreksi diplot terhadap Rw, rasio jumlah tabung di zona jendela dengan jumlah total dalam bundle yang ditentukan dari diagram tata letak tabung. Rw adalah rasio dari jumlah tube didalam zona jendela dengan jumlah tube pada bundle. 24 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger Gambar 12. Faktor koreksi jendela 4) Menentukan faktor koreksi bypass, Fb Faktor ini mengoreksi arus bypass utama, aliran antara bundle tabung dan dinding shell, dan merupakan fungsi shell untuk bundle clearance. Jika menggunakan strip penyegel rumusnya adalah : Keterangan : α = 1.5 untuk Re < 100 = 1.35 untuk Re > 100 Ab = clearance area antara bundle dan shell As = area maksimum untuk crossflow Ns = jumlah strip bertemu dengan aliran bypass di zona crossflow 25 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger Ncv = jumlah penyempitan, baris tube, bertemu pada crossflow Jika tidak menggunakan strip penyegel digunakan grafik dibawah ini. Gambar 13. Faktor koreksi bypass 5) Menentukan faktor koreksi kebocoran, FL Keterangan : Atb = Clearance area tube to baffle per baffle Asb = Clearance area shell to baffle per baffle AL = total luas kebocoran = Atb + Asb Dengan βL ditentukan dari kurva dibawah ini. 26 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger G a m b a r 5 . Gambar 14. Koefisien βL 6) Menghitung koefisien perpindahan panas Koefisien perpindahan panas dapat ditentukan dengan persamaan berikut. Total koreksi akan bervariasi dari 0.6 untuk rancangan yang buruk hingga 0.9 untuk rancangan yang baik. 12. Menghitung koefisien perpindahan panas overall dan faktor fouling Koefisien perpindahan panas overall (Uo,calc) dihitung menggunakan rumus berikut. 1 ππ = 1 βπ + 1 βππ Keterangan : + ππ ×ln(πποΏ½ππ ) 2 ππ€ + ππ ππ × βππ Uo = Koefisien total area di luar tabung ho = Koefisien film di bagian luar tabung hi = Koefisien film di bagian dalam tabung + ππ ππ ×βπ 27 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger hod = Fouling factor di bagian luar tabung hid = Fouling factor di bagian dalam tabung 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 12. Faktor Fouling 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. 13. Menghitung pressure drop Nilai dari pressure drop dapat dihitung melalui metode Kern dan metode Bell. Jika hilang tekan yang didapat dari hasil perhitungan tidak memenuhi spesifikasi kelayakan, harus dicari layout heat 28 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger exchanger yang sesuai supaya dihitung lagi hilang tekannya sampai memenuhi spesifikasi. a. Metode Kern Menghitung hilang tekan di sisi shell 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. Gambar 15. Faktor Friksi b. Metode Bell Hilang tekan tube bank ideal dapat dihitung dengan rumus berikut. 29 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger Keterangan : Ncv = Jumlah baris tube dilewati di bagian us = Kecepatan alir sisi shell jf = Faktor friksi untuk crossflow tube banks crossflow Untuk menghitung hilang tekan di zona crossflow antara ujung baffle, Untuk menghitung hilang tekan di area jendela, Keterangan : uz = (uwus)0.5 uw = Kecepatan alir di zona jendela = Ws/(Awρ) Ws = Laju alir massa di sisi shell, kg/s Nwv = Jumlah restriksi untuk crossflow di zona jendela. Untuk menghitung hilang tekan di zona akhir, Sehingga, hilang tekan total untuk metode Bell dapat dinyatakan dengan persamaan : Keterangan : 30 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger Nb = Jumlah baffle = (L/lB)-1 14. Menghitung biaya dari exchanger Tinjauan biaya untuk memroduksi sebuah alat penukar panas dapat ditinjau dari tiga aspek yaitu : a. Material body alat penukar panas yang digunakan b. Material penyusun heat exchanger pada bagian shell and tube c. Energi yang diperlukan pompa dalam mengalirkan fluida dan faktor-faktor lain seperti biaya operasional, maintenance, dan sebagainya. 15. Melakukan optimisasi Ada ruang untuk mengoptimalkan desain dengan mengurangi jumlah tabung, karena penurunan tekanan berada dalam spesifikasi dan koefisien keseluruhan jauh di atas yang dibutuhkan. 31 | Kelompok A.03 Laporan II Algoritma Perancangan Heat Exchanger DAFTAR PUSTAKA Bejan, Adrian and Allan Kraus. 2003. Heat Transfer Handbook. New York : John Wiley & Sons. Coulson, J. dan Richardson, J. 2005. Chemical Engineering Design. Boston : Elsevier. Tentang Teknik Kimia. 2017. Absorber dan Stripper di https://tentangteknikkimia.wordpress.com/2011/12/16/absorber-danstripper/ (diakses pada tanggal 29 Maret 2019 pukul 15.47) Geankoplis, Christie. 1993. Transport Processes and Unit. USA : Prentice Hall. Wibawa, Indra. 2014. Algoritma Perancangan Heat Exchanger di https://indrawibawa.wordpress.com/2014/09/12/algoritma-perancanganheat-exchanger (diakses pada tanggal 29 Maret 2019 pukul 15.23) 32 | Kelompok A.03