3 heat exchanger 14 15 b

1Danar S. Wijayanto - PTM UNS 1

SHELL AND TUBEHEAT EXCHANGER

Danar S. Wijayanto - PTM UNS 2

Untuk mendapatkan area perpindahan panas yangbesar dari jenis Double Pipe Heat Exchanger, pipayang digunakan mestilah sangat panjang. Akibatnya,kehilangan tekanan yang terjadi juga besar, dibutuhkanpompa dengan kapasitas besar, dan sejumlah besarmaterial yang akhirnya membutuhkan biaya yang relatifsangat besar.

Konsep

Hal ini berarti kita membutuhkan bentuk konstruksiyang kompak untuk keperluan area perpindahan panasyang besar tersebut, jenis Shell and Tube HeatExchanger adalah jenis konstruksi yang sesuai untukkebutuhan tersebut.


Shell and Tube Heat ExchangerKonstruksinya terdiri dari berkas tube yang ditempatkan didalam suatu shell, sehingga dua fluida yang melalui tubedan shell akan melakukan perpindahan panas secarakonduksi dan konveksi melalui dinding tube. Keuntunganjenis ini adalah dapat digunakan dalam banyak aplikasi,mudah dalam perawatan dan memiliki perbedaantemperatur yang tinggi.


Shell and Tube Heat Exchanger In a closed heat exchanger, the fluids do not mix.

This is a shell-and-tube heat exchanger.


Shell and Tube Heat Exchanger



200MW Heat exchanger. For a pulp mill in Kalanti, Finland


Shell and Tube Heat ExchangerUntuk meningkatkan performance, heat exchanger dapat didesain,sehingga kedua fluida yang melakukan perpindahan panas dapatbersinggungan beberapa kali dalam satu unit heat exchanger.

Jika kedua fluida bersinggungan lebih dari satu kali, maka disebutMulti-Pass Heat Exchanger. Umumnya Multi-Pass HE menggunakan jenis U-Bend Tube untuk mengalirkan kembali fluida sehingga dapat bersinggungan lebih dari satu kali. Atau dengan menggunakan plat pemisah (baffle) pada sisi shell dari Heat Exchanger tersebut.

Jika kedua fluida bersinggungan hanya satu kali maka disebutSingle-Pass Heat Exchanger .


Shell and Tube Heat ExchangerBaffles are used to establish a cross-flow and to induce turbulent mixing of the shell-side fluid, both of which enhance convection.

The number of tube and shell passes may be varied

One Shell Pass and One Tube Pass

One Shell Pass,Two Tube Passes

Two Shell Passes,Four Tube Passes


TUBULAR HEAT EXCHANGERS

are so widely used because the technology is well established for making precision metal tubes capable of containing high pressures in a variety of materials.

There is no limit to the range of pressures and temperatures that can be accommodated.


TUBULAR HEAT EXCHANGERS

SHELL AND TUBE

DOUBLE-PIPE


Klasifikasi dan Standarisasi

Untuk melindungi pemakai jenis Shell and TubeHeat Exchanger dari bahaya akibat tekanan dantemperatur tinggi dan resiko kegagalan alat, suatustandard telah diaplikasikan dan dianut olehbanyak industri sebagai pegangan dalammerencanakan, mengoperasikan dan merawatHeat Exchanger jenis Shell and Tube.

Standar tersebut adalah Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA).


Tubular Exchanger Manufacturers Association(TEMA), dari sisi design dan fabrikasi membagi jenisShell and Tube Heat Exchanger ini dalam 3 kelas :


1. Kelas R, HE yang didesain dan difabrikasi untuk kondisi berat pada industri gas dan petroleum.

2. Kelas C, HE yang didesain dan difabrikasi untuk kondisi yang lebih ringan dan untuk keperluan industri umum.

3. Kelas B, HE yang didesain dan difabrikasi untuk keperluan proses-proses kimia.

Ketiga jenis kelas tersebut, semua diaplikasikan dalam kilang LNG


Misalnya kilang LNG yang banyak menggunakan jenis HE shell andtube dan menurut standard TEMA mengikuti kelas fabrikasi kelasRCB, maka yang menjadi patokan utama dari kelas RCB adalah:


Hasil perkalian nominal diameter shell (inch) dan Design Pressure (PSI) tidak lebih dari 60.000.

Inside diamater Shell tidak lebih dari 60 inch Design pressure tidak lebih dari 3000 PSI Standard Test dilakukan dalam kondisi 1,5 kali Design Pressure

jika menggunakan cairan (Hydrotest), dan 1,25 kali design pressure jika menggunakan udara (pneumatic test).

Serta beberapa standard lain yang bersifat sangat detail (lebih banyak digunakan oleh designer)


Aplikasi Shell & Tube HEJenis Shell and Tube Heat Exchanger kebanyakan dipakaipada aplikasi proses berikut (termasuk proses di kilang LNG):

1. COOLERS


Shell & Tube Heat Exchanger, TEMA Class RCB

Dari bentuk konstruksinya terbagi atas 3 bagian yaitu,Front-End Stationary Head, Shell dan Rear-End Head.

Type AES

Type CFU

Type AKT


Aplikasi Shell & Tube HE2. CONDENSER

10


Aplikasi Shell & Tube HE

3. WASTE HEAT BOILER


Aplikasi Shell & Tube HE4. KETTLE TYPE

REBOILER

11


Aplikasi Shell & Tube HE5. THERMOSYPHON

REBOILER


AplikasiShell & Tube HE

6. MAIN HEAT EXCHANGER

12


Konstruksi Shell & Tube Heat ExchangerSeperti ditampilkan sebelumnya, berikut jenis-jeniskonstruksi Shell & Tube Heat Exchanger berdasarkanstandar TEMA kelas RCB.


Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger

Penamaan (istilah) dari bagian konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger

Tube side Bagian dalam Tube.

Shell side Bagian luar tube, diantara tube dan dinding shell.

Tube sheet Suatu plat tebal yang dilengkapi lubang (1 lubang untuk setiap tube), tempat dimana tube ditanam.

Tube bundle Berkas kumpulan tube terdiri dari tube, tube sheet dan baffle plate

Shell Suatu silinder dimana tube bundle ditempatkan.

Channel Suatu jenis bagian depan HE tempat fluid dimasukkan dan dikeluarkan ke dan dari tube side. Memiliki dinding pemisah yang memisahkan aliran yang masuk dan keluar. Serta mempunyai penutup yang dapat dilepaskan.

Bonnet Seperti Channel tapi dengan penutup yang tidak bisa dilepaskan (menyatu).

Baffle plate Dapat dibentuk dengan model yang bervariasi, namun bentuk dasarnya adalah segmental. Memiliki dua fungsi yaitu ; sebagai pendukung tube dan sebagai pengarah aliran pada shell side sehingga didapatkan perpindahan panas yang lebih efektif.

Tie rods Batang yang dipasang diantara tube sheet untuk mendukung baffles. Juga berfungsi untuk mengurasi vibrasi (getaran).

13


Konstruksi Shell & Tube Heat ExchangerPenamaan (istilah) dari bagian konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger

1. Inlet (or outlet) tube side2. Outlet (or inlet) tube side3. Inlet (or outlet) shell side4. Outlet (or inlet) shell side5. Bonnet without partition wall6. Fixed tube sheet7. Shell8. Straight tubes9. Baffle plate10. Bonnet with partition wall11. Tube sheet

12. U tubes 13. Channel with partition wall14. Channel cover15. Floating-head tube sheet16. Floating-head backing device17. Floating-head cover18. Shell cover19. Shell nozzle20. Liquid level connection21. Liquid level connection22. Weir


Konstruksi Shell & Tube Heat ExchangerBagian-bagian utama dari Shell & Tube Heat Exchanger :

Bahan dan ketebalan dindingtube harus dipilih agardiperoleh penghantaran panasyang baik dan juga mampupada tekanan operasi fluidanyaserta tidak mudah terkorosi atautererosi oleh fluida kerjanya.

1. TUBE, merupakan media mengalirnya salah satu daridua fludia yang melakukan perpindahan panas dalamShell & Tube HE. Dinding tube merupakan bidangpemisah dari kedua fluida dan sekaligus berfungsisebagai bidang perpindahan panas.

14


Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger2. SHELL, bagian yang merupakan media mengalirnya fluida

yang akan dipertukarkan panasnya dengan fluida yangmengalir di dalam tube, konstruksi shell ini sangat ditentukanoleh keadaan tube yang akan ditempatkan di dalamnya.

Shell dapat dibuat dari sebuah pipayang berdiameter besar atau dari platyang dirol. Untuk shell ini terdapatstandard yang menentukan jenisbahan dan minimum ketebalan yangharus dipenuhi untuk berbagaiukuran diamater shell. Standardtersebut selain TEMA juga standardASME Section VIII Pressure Vessel.


Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger3. BAFFLE, berfungsi untuk mengubah arah aliran fluida

didalam shell dan sebagai pendukung dari berkas tube.Bentuknya berupa piringan yang dilubangi untukpenempatan tube, dibentuk sedemikian rupa agar aliranfluida dalam shell dapat menyentuh permukaan tubesecara efektif untuk perindahan panas.

15


Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger

4. TUBESHEET, merupakan penyatuan bagian ujung dariberkas tube yang memisahkan fluida yang satu terhadapfluida lainnya. Tubesheet harus dibuat kuat terhadaptegangan geser dan momen untuk menghindarikebocoran, karena bagian ini yang paling rentanterhadap kebocoran.



Can you identify shells, tubes, and baffles?

16


Contoh Jenis Shell & Tube HETEMA-Type AEW

Memiliki design yang fleksibel dengan jenis floating tubesheet dan removable tube bundle.

Aplikasi

Heater atau cooler untuk electrolyte, condensate, brine, boiler blowdown atau hydraulic, turbine, dan compress oils/fluids.

Keuntungan

Floating tubesheet memungkinkan terjadinya differential thermal expansion antara shell dan tubes.

Shell dapat dibersihkan dengan steam atau secara mekanikal.

Bundle dapat dengan mudah diperbaiki atau diganti.

Kekurangan

Susunan Tube terbatas hanya untuk satu pass.

Terbatas dari sisi design temperature dan tekanan.


Contoh Jenis Shell & Tube HETEMA-Type BEM

Memiliki design dengan jenis external floating headdengan entrance area yang besar sehingga memudahkandari sisi maintenance.

Aplikasi

Untuk sirkulasi regenerasi dari liquid yag bersifat krosif, gas atau uap (vapor)

Keuntungan

Floating head memungkinkan terjadinya differential thermal expansion antara shell dan tubes.

Shell dapat dibersihkan dengan steam atau secara mekanikal.

Bundle dapat dengan mudah diperbaiki atau diganti. Kekurangan

Fluida sisi shell terbatas pada fluida non-toxic dan non-volatile seperti lube oil dan hydraulic oil

Susunan Tube terbatas hanya untuk satu pass atau 2 pass

Terbatas dari sisi design temperature dan tekanan.

17


Contoh Jenis Shell & Tube HETEMA-Type BEP

Memiliki design dengan jenis fixed tubesheet denganremovable channel atau bonnet sehingga heat transfermaksimum terjadi pada sisi shell.

Aplikasi

Untuk heating atau cooling oil, air atau fluida untuk proses kimia.

Keuntungan

Lebih murah dari jenis removable bundle.

Susunan tube dapat untuk multipass flow

Kekurangan

Shell hanya dapat dibersihkan dengan proses chemical cleaning

Diperlukan tambahan seperti expansion joint untuk mengatasi masalah therml expansion


Contoh Jenis Shell & Tube HETEMA-Type AES

Memiliki design dengan jenis Straight tubes dan internalclamp-ring floating head cover. Tube bundle jenisremovable sehingga mudah dalam pemeliharaan.

Aplikasi

Paling banyak dipakai pada process plant termasuk untuk cooling dan heating atau condensing vapor.

Keuntungan

Memungkinkan terjadinya thermal expansion antara shell dan tube

Sangat baik untuk fluida yang mudah terbakar atau beracun

Susunan tube dapat untuk multipass flow

Kekurangan

Shell cover dan clamp-ring floating head cover harus dibuka terlebih dahulu untuk melepaskan bundle sehingga memiliki biaya pemeliharaan yang lebih besar.

Lebih mahal jika dibandingkan dengan jenis desain fixed tube atau U-Tube.

18


Pemasangan, Pengoperasian dan PerawatanStandard TEMA dan ASME juga mengatur masalah instalasi,pengoperasian dan perawatan Heat Exchanger.1. Instalasi / Pemasangan

Pada pemasangan suatu Heat Exchanger yang perlu diperhatikanadalah, daerah bebas untuk perbaikan, pembersihan atau bahkanuntuk penggantian dari heat exchanger tersebut. Untuk jenis U-Tube,pada daerah Stationary Head (Channel Head) harus diberi ruangancukup luas untuk penarikan tube bundle atau ruangan dibelakangexchanger tersebut mempunyai daerah yang cukup luas untukpenarikan shell pada saat perbaikan. Untuk jenis removable bundle,pada daerah stationary head (channel head) harus mempunyairuangan cukup luas untuk penarikan tube bundle dalam waktuperbaikan.Pondasi dari heat exchanger tersebut juga harus cukup kuat untukmenahan berat exchanger sehingga tak mengakibatkan kedudukanexchanger berubah dan akan menyebabkan pipa inlet atau outletmengalami tarikan / tekanan sehingga menyebabkan kerusakan padanozzle exchanger.


Pemasangan, Pengoperasian dan PerawatanStandard TEMA dan ASME juga mengatur masalah instalasi,pengoperasian dan perawatan Heat Exchanger.

2. Pengoperasian

Suatu heat exchanger tidak boleh dioperasikan pada kondisi yang melebihiseperti yang telah tertera pada name plate exchanger tersebut.Start Up Operation, Untuk exchanger jenis removable bundle dioperasikanpertama kali dengan membentuk sirkulasi dengan fluida dingin (cold medium),dan dilanjutkan dengan mengalirkan fluida panas (hot medium). Selama prosesstart up semua valve venting harus dalam keadaan terbuka dan tetap terbukasampai semua bagian shell dan tube terisi penuh oleh fluida. Untuk jenis fixedtubesheet fluida harus dialirkan secara simultan untuk memperkecil ekspansiyang terjadi antara shell dan tube.Shut Down Operation, untuk jenis removable bundle dapat dilakukan denganmenghentikan aliran fluida panas secara bertahap kemudian diikuti penghentianaliran fluida dingin. Untuk jenis fixed tubesheet, dapat dilakukan denganmempertahankan ekspansi antara shell dan tube seminimal mungkin. Semuasisa fluida di kedua bagian shell dan tube harus dibuang (drain) sampai bersih.

19


Pemasangan, Pengoperasian dan PerawatanStandard TEMA dan ASME juga mengatur masalah instalasi,pengoperasian dan perawatan Heat Exchanger.

3. Perawatan

Pemeriksaan heat exchanger harus dilakukan dalam setiap jangka waktutertentu pada bagian luar dan dalam dari heat exchanger. Pemeriksaan tersebutterdiri dari :Indikasi Fouling, adalah indikasi penumpukan sisa-sisa fluida di dalam heatexchanger yang dapat mengurangi efisiensi heat exchanger secara serius.Fouling ini dapat dilihat dari adanya kehilangan tekanan yang besar ataukinerja heat exchanger yang kurang maksimal.Indikasi kebocoran tube, Umumnya ada 2 cara pengetesan yang dilakukanuntuk mendeteksi adanya kebocoran pada tube, yaitu Standard Test danPneumatic Test. Standard Test dilakukan secara HydroTest denganmenggunakan air. Tekanan uji untuk cara ini adalah 1,5 kali design pressure.Bila liquid (air) tidak boleh digunakan, test dengan media gas / udara(pneumatic test) dapat dilakukan dengan batasan tekanan uji 1,25 kali designpressure.


SHELL AND TUBE HE

20


SHELL AND TUBE HEare the most commonly used heat exchangers in oil refineries and other large chemical processes. are used when a process requires large amounts of fluid to be heated or cooled. provide transfer of heat efficiently.use baffles on the shell-side fluid to accomplished mixing or turbulence.


SHELL AND TUBE HE

tube : strong, thermallyconductive, corrosionresistant, high quality outer shell : durable,

highly strong inner tube : having

effective combination of durability, corrosion resistant and thermallyconductive

APPLICATIONS: Oil refining, Vapor recovery

systems Permanent engines, Industrial paint

systems.

21


SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGERS

U - TUBE HEAT EXCHANGERS

FIXED TUBE HEAT EXCHANGERS

FLOATING HEAD HEAT EXCHANGERS



Heat exchanger systems consisting of straight length tubes bent into a U-shape surrounded by a shell.

22



Both initial and maintenance costs are reduced by reducing the number of joints.

They have drawbacks like inability to replace individual tubes except in the outer row and inability to clean around the bend.



Examples : reboilers, evaporators and Kettle type. They have enlarged shell sections for vapor-liquid

separation.

23



have straight tubes that are secured at both ends to tube sheets welded to the shell.



They are the most economical type design. They have very popular version as the heads

can be removed to clean the inside of the tubes.

Cleaning the outside surface of the tubes isimpossible as these are inside the fixed part.

Chemical cleaning can be used.

24


FLOATING HEAD HEAT EXCHANGER

one tube is free to float within the shell and the other is fixed relative to the shell.



A floating head is excellent for applications where the difference in temperature between the hot and cold fluid causes unacceptable stresses in the axial direction of the shell and tubes.

The floating head can move, so it provides the possibility to expand in the axial direction.

Design allows for bundle to be removed for inspection, cleaning or maintenance.

25



Examples : kettle boilers which have dirty heating medium.

They have the most highest construction cost of allexchanger types.


26



Heat Exchanger Gallery

27


Heat Exchanger Gallery


PLATE HEAT EXCHANGERSKonstruksinya terdiri dari sekumpulan plat bentukan yang diikatdalam suatu frame yang menekan gasket untuk mencegah terjadikebocoran. Plat tersebut begitu tipis sehingga memungkinkanlebih banyak kontak yang terjadi untuk mendapatkan heattransfer rate yang lebih besar. Keuntungannya dapatdiaplikasikan untuk banyak jenis aliran fluida namun memilikiketerbatasan tekanan dan temperatur terhadap material gasket.

28


PLATE HEAT EXCHANGERS

GASKETED PLATE SPIRAL PLATE LAMELLA


Limited to below 25 bar and 250 C

Plate heat exchangers have three main types : gasketed,spiral heat exchangers and lamella

The most common of the plate-type heat exchangers is the gasketed plate heat exchanger

PLATE HEAT EXCHANGERS

29


GASKETED PLATE HE

The most common of the plate-type heat exchangers is the gasketed plate heat exchanger


SPIRAL PLATE HE

Ideal flow conditions and the smallest possible heating surface

30


LAMELLA

Consisting of cylindrical shell surrounding a number heat transfering lamellas.

Similar to tubular heat exchanger


ADVANTAGES OF PLATE HE

Plate heat exchangers yield heat transfer rates three to five times greater than other types of heat exchangers.

The design of the plate heat exchanger allows to add or remove plates to optimize performance, or to allow for cleaning, service, or maintenance with a minimum of downtime.

Plate exchangers offer the highest efficiency mechanism for heat transfer available in industry.

31


EXTENDED SURFACE HEAT EXCHANGERS

- PLATE FIN HEAT EXCHANGER- TUBE FIN HEAT EXCHANGER


DISADVANTAGES OF PLATE HE

Plate exchangers are limited when high pressures, high temperatures, or aggressive fluids are present.

Because of this problem these type of heat exchangers have only been used in small, low pressure applications such as on oil coolers for engines.

32


PLATE FIN HEAT EXCHANGER

For gas to gas applications.

Widely used in cryogenic, energy recovery, process industry, refrigeration and air coditioning systems.


TUBE FIN HEAT EXCHANGER

For gas to liquid heat exchangers.

Used as condersers in electric power plant, as oil coolers in propulsive power plants, as ir cooled exchangers in process and power industires.

33


PHASE CHANGEHEAT EXCHANGERS

1.Reboilers(Evaporaters)

2.Condensers


1)REBOILERto generate vapor to drive fractionaldistillation separation

Most Common Reboilers TypesKettle Reboilers Forced Recirculation ReboilersThermosiphon Reboiler

34


Kettle Reboilers


Major factors influence reboiler type selection:

Plot space available

Total duty required

Fraction of tower liquid traffic vaporized

Fouling tendency

Temperature approach available

Temperature approach required

35


Kettle ReboilersAdvantages Insensitive to

hydrodynamicsHigh heat fluxes are

possibleCan handle high

vaporizationSimple pipingUnlimited area

DisadvantagesAll the dirt collects

and non volatiles accumulate

Shell side is difficult to clean

Difficult to determine the degree of mixing

Oversize shell is expensive


Thermosiphon Reboiler

36


Thermosiphon Reboiler

operate using natural circulation with process flow on the shell side

process flow on the tube or shell side in vertical units.

not require a pump for recirculation have sensible heat transfer followed by

nucleate boiling.


Forced Recirculation Reboilers

37


Forced Recirculation Reboilers

These reboiler types have two mechanisms of heat transfer: sensible heat transfer followed by nucleate boiling.

Process flow is typically on the tube side of a standard exchanger in the vertical position.


2)CONDENSERS

a) Water-Cooled Condensensers

Horizontal shell and tube

Vertical shell and tube

Shell and coil Double pipe

b) Air- Cooled Condensers

Phases:1) de-super-heating2) Condensing3) Subcooling

38


Single-Pass Condenser


SELECT AN WATER-COOLED CONDENSER

IF:1. Adequate water supplies are available from tower, city or

well sources.2. Water supply is of good quality.3. Heat recovery is not practical or unimportant.4. Plant ambient temperatures consistently exceed 95F.5. Ambient air is polluted with large dust and dirt particles.

ADVANTAGE & DISADVANTAGES1. Offer lower capital investment.2. Operates more efficiently on hot summer days.3. Easier to operate.4. Does not offer summer ventilation.

39


SELECT AN AIR-COOLED CONDENSER

...WHEN:1. Adequate water supply not available from tower or well

sources.2. Water supply is not of good quality.3. Heat recovery is practical and important.4. Plant ambient temperature will not consistently exceed 95F.5. Ambient air is not polluted with large dust and dirt particles.

ADVANTAGE & DISADVANTAGES1. Somewhat more costly to purchase and operate.2. Gives less cooling on hot summer days.3. Consumes more electricity.4. Offers summer ventilation and winter supplement heating.

3 heat exchanger 14 15 b

Documents