1

ICE 306 – ALAT PROSES

HEAT TRANSFER EQUIPMENT :

Heat Exchanger

Condenser & Reboiler

Air-cooled HE

Fired Heater

2

PENDAHULUAN

Maksud / tujuan perpindahan panas : 1. mengubah T : memanaskan atau mendinginkan aliran proses2. menjaga kondisi/suhu reaksi (reaktor2 non-adiabatik) : mengambil atau memberikan panas ke dalam reaksi3. mengubah fasa (misalkan mengembunkan distilat atau menguapkan suatu cairan)

4. meningkatkan efisiensi penggunaan energi (pinch tecnology) dengan cara integrasi panas proses, shg akhirnya dapat menurunkan biaya produksi – akan dibahas di kuliah Perancangan Proses TK >> lihat / baca 2 artikel tambahan untuk menambah ilmu & wawasan!!

Mekanisme perpindahan panas : - konduksi, misal : insulator panas, pemanas listrik, hilang panas ke lingkungan- konveksi, contoh : tubular HE, fired heater, tubular furnace- radiasi, misal : tubular furnace, boiler

3

PENDAHULUAN

Jenis2 alat penukar panas :- berdasarkan kegunaan atau fungsinya : cooler,

heater, condenser, reboiler, steam generator (waste heat boiler), steam boiler (ketel uap), preheater, economizer (waste heat recovery unit), evaporator, chiller, dsb

Catatan: steam generator berbeda dari steam boiler.

- berdasarkan jenis & konstruksinya : double pipe HE, plate HE, shell & tube HE, air-cooled HE, fired heater (tubular furnace) dsb

Double Pipe HE

Peralatan HE yang paling sederhana Terdiri dari dua pipa konsentris Fluida mengalir di anulus dan di dalam pipa Kapan alat ini bisa bersaing dengan shell and

tube? baca Walas

4

Double Pipe HE

5

Plate HE

Terdiri dari pelat2 yang dipasang pada suatu kerangka dan ditekan rapat

Antara pelat terdapat celah sempit untuk tempat mengalir cairan yang bertukar panas

6

Plate HE

7

Shell & Tube HE

HE yang paling banyak digunakan : murah, perawatan mudah, tersedia di pasaran untuk berbagai kondisi dan ukuran sesuai dengan standard.

Standard yang umum dipakai yaitu: TEMA (Tubular Exchanger Manufacturer Association) standard ;

untuk HE yg dipakai dalam proses (process HE) - USA BS 3274 (British Standards) – setara TEMA tapi dipakai di UK HEI PP (Heat Exchanger Institute Power Plant) standard ; untuk HE

yg dipakai dalam sistem pembangkit listrik (power plant heat exchanger)

-- sudah dibahas lebih detail di mata kuliah Perpindahan Kalor

8

Shell & Tube HE Shell (cangkang)

Digunakan carbon steel untuk ukuran kecil dan pelat baja yang di-roll atau di-las untuk ukuran yang lebih besar

Tube (buluh)• Berupa pipa-pipa yang khusus untuk HE• Tersedia untuk berbagai ukuran dan bahan konstruksi• Tebal pipa dinyatakan dengan kode BWG• Penyusunan tube : triangular, square, rotated square Baffle• Digunakan untuk mengarahkan aliran dalam shell• Membuat aliran menjadi turbulen sehingga koefisien perpindahan

panas besar• Jarak antar baffle : 0.2 – 1 kali diameter shell

9

10

Ukuran Shell rentang diameter adalah 6” (150 mm) s/d 60” (1520

mm) : * sampai ukuran 24” (610 mm) shell dibuat dari pipa2 standar terdekat * di atas 24”, dibuat dari pelat yg digulung (rolled plate)

diameter shell dipilih sedekat mungkin untuk menampung tube-bundle. Jarak yg disarankan antara tube terluar dan bagian dalam shell tergantung type HE dan diameter tube-bundle, gunakan Figure 12.10 Coulson

tebal shell tergantung tekanan operasi (proses) – perhitungan ketebalan bisa merujuk ke Chapter 13 Coulson.

Shell & Tube HE

11

Shell & Tube HE

Ukuran Shell (cont’d) TEMA standard memberikan tebal shell minimal

bergantung bahan dan ukuran.

Shell & Tube HE

Shell type (passes)

12

One-pass Two-pass with longitudinal baffle

Split-flow Double Split-flow

13

14

15

Ukuran Tubes

rentang diameter (OD) adalah 5/8” (16 mm) s/d 2” (50 mm) : * 5/8” – 1” untuk kebanyakan aplikasi krn HE akan lebih kecil (compact) / murah. * tube yg lebih besar biasanya utk cairan2 yg cenderung fouling (agar pembersihan mudah)

panjang tube standar : 6, 8, 12, 16, 20, 24 ft; tube yg lebih panjang akan mengurangi diameter shell (lebih murah, terutama utk tekanan tinggi) > rasio optimal antara 5 – 10.

Shell & Tube HE

16

Shell & Tube HE

Konfigurasi tubes : triangular, square, rotated square

triangular & rotated square memberikan laju perpindahan panas yg lebih besar dari square, tapi pressure drop di sisi shell juga lebih besar.

square atau rotated square digunakan utk cairan2 yg cenderung fouling (agar pembersihan mudah)

tube pitch (jarak antarpusat tube) yg dianjurkan 1,25x OD, jika digunakan pola square (utk memudahkan pembersihan) tube pitch minimal 0,25” (6,4 mm)

Shell & Tube HE

Tube-side passes :

Untuk jumlah pass : 2, 4 dan 6 lihat Coulson Figure 12.11

17

Shell & Tube HE

Tube sheet : Fixed tube sheet (tipe BEM)Floating tube sheet (tipe AES)U-tube sheet (tipe CFU)

18

Shell & Tube HE

Fixed tube sheet (tipe BEM)

19

Shell & Tube HE

Floating tube sheet (tipe AES)

20

Shell & Tube HE

U-tube sheet (tipe CFU)

21

Shell & Tube HEJenis-jenis baffle

22

Segmental Disc and doughnut

Segmental & strip

23

Shell & Tube HE parts

Dalam standard TEMA, setiap HE dibuat baku, terdiri dari s/d 40 suku cadang standar (standard components)

Berikut ini adalah contoh TEMA HE tipe AES

Kondensor

Kondensor digunakan untuk mengembunkan sebagian atau semua uap

Dillihat dari cara pengontakannya : Kondensor kontak :

Uap dengan pendingin kontak langsung Dapat digunakan jika uap yang akan dikondensasikan dapat

dibuang/menyatu dengan pendingin Contoh : barometric condenser

Kondensor permukaan (surface condenser): Perpindahan panas melalui media perantara seperti HE Kondensasi bisa di dalam atau di luar tube

24

Surface Condenser Kondensasi di dalam tube,

arah aliran vertikal downflow Diameter tube : 19 – 25 mm. Pada tekanan rendah

digunakan diameter yg lebih besar

Kekurangan : penggunaan pendingin yang fouling

25

Surface Condenser Kondensasi di dalam tube,

arah aliran vertikal upflow Digunakan untuk refluks

(reflux condenser) Suhu kondensat masih tinggi

(kondensor parsial) Panjang : 6 – 10 ft dengan

diameter 25 mm atau lebih. Kekurangan : terjadinya

flooding di bagian bawah

26

Surface Condenser Kondensasi di luar tube Butuh distribusi pendingin

yang baik di dalam tube Kelebihan :

koefisien perpindahan panas di tube yang tinggi

mudah dibersihkan

27

Surface Condenser

Kondensasi di luar tube, arah aliran horisontal Kekurangan : fluida di shell bersifat korosif, dll Kelebihan : tube mudah dibersihkan (untuk pendingin

yang membentuk fouling)

28

Reboiler

Digunakan umumnya pada kolom distilasi untuk menguapkan sebagian cairan yang keluar dari kolom distilasi

Uap dikembalikan ke kolom (boilup), cairan diambil sebagai produk bawah

Sirkulasi : natural atau forced circulation Jenis : kettle reboiler, thermosiphon reboiler

29

Kettle Reboiler

30

Terdiri dari tube dan “oversize” shell

Penguapan di luar tube Terdapat weir utk

mempertahankan tinggi cairan (5 – 15 cm dari tube plg atas)

Profil temperatur seragam Waktu tinggal lama tidak

cocok untuk bahan yg sensitif thd panas

Diameter shell besar tidak cocok utk tekanan tinggi

Thermosiphon Reboiler

31

Horisontal Vertikal

32

AIR-COOLED HE Biasanya dipakai jika air pendingin sulit didapat (terbatas) atau mahal krn sumber

air baku berkualitas buruk. Syaratnya temperatur proses terendah mesti di atas 65 oC (catatan : dengan air

pendingin, T terendah bisa di bawah 50 oC tergantung suhu lingkungan). Selain itu, jika kapasitas pendinginan > 10 MBtu/h, HE tipe ini dapat bersaing dengan HE yg menggunakan air pendingin.

Ada dua sistem, yaitu sistem tiup (forced draft) atau hisap (induced draft)

33

AIR-COOLED HE HE tipe ini biasanya dipakai untuk pendinginan dan kondensasi Ukuran tubes ¾ - 1 inch (OD), dgn jumlah fin 7 – 11 per inch &

tingginya 0,5 – 0,625 inch (total area tambahan 15 – 20 x total area tube polos / tanpa fin).

Ukuran diameter fan antara 4 – 12 ft, dengan daya antara 2 – 5 HP per MBtu/h panas yg dipindahkan.

Air-cooled HE yg standar memiliki lebar 8, 10, 12, 16 atau 20 ft dengan panjang antara 4 – 40 ft dan jumlah baris tubes antara 3 – 6 baris

34

AIR-COOLED HE Tubes yang digunakan adalah tipe yg bersirip2 (finned tubes) –

mengapa digunakan sirip2? (lihat blok mesin sepeda motor!)

Perhitungan perancangan dapat dibantu dgn grafik2 empirik (untuk 3 atau 6 baris tubes) – lihat Example 8.9 Walas

Untuk perkiraan luas area perpindahan panas, dapat digunakan Tabel berikut ini (atau gunakan Tabel 8.12 Walas)

35

FIRED HEATER

Untuk proses2 bertemperatur tinggi (biasanya > 350 oC) dan membutuhkan fluks kalor yg sangat besar (reaksi2 yg sangat endotermis), panas umumnya dipasok langsung dari pembakaran bahan bakar (gas alam atau BB cair seperti IDO – Industrial Diesel Oil).

Temperatur api dari pembakaran hidrokarbon dgn udara (sedikit berlebih) bisa mencapai 1100 oC, sehingga aliran proses yg dipanaskan bisa mencapai 800 – 900 oC

Kapasitas pemanasan bervariasi dari 3 sampai 100 MW

Komponen2 suatu fired-heater (lihat gambar) : burner, combustion chamber (ruang pembakaran), pipa-pipa (di sekitar dinding, atap, & lorong gas buangan), insulator panas

Fluida yg dipanaskan dialirkan di dalam pipa-pipa, dan perpindahan panas terjadi secara radiasi (di ruang pembakaran, sekitar 75% dari total panas) dan konveksi (di lorong gas buangan – area yg tdk “telihat” oleh api). Di zona konveksi, pipa2 diberi sirip utk meningkatkan fluks perpindahan panas.

Pemanasan fluida diawali dari zona konveksi, selanjutnya memasuki zona radiasi sebelum keluar dari fired-heater

36

FIRED HEATER

37

FIRED HEATER

38

FIRED HEATER

Porsi/jumlah panas yg ditransfer dipindahkan di zona radiasi dan konveksi dapat diatur dgn resirkulasi gas panas kembali ke zona radiasi (lihat Fig 8.19 – b).

Operasi seperti ini digunakan misalnya dalam reaktor thermal cracking hidrokarbon, untuk mencegah penurunan temperatur reaksi agar tidak terbentuk cairan polimer yg bisa menghasilkan deposit C di perpipaan.

T gas yang akan memasuki zona konveksi biasanya sekitar 1300 – 1650 oF dan ini berada 200 – 300 oF di atas temperatur aliran proses di tempat tsb.

Contoh2 perhitungan design / perancangan sebuah fired heater : Walas, Example 8.15 & 8.16

39

FIRED HEATER

Tube berukuran antara 75 – 150 mm (diameter), dengan laju alir fluida 1 – 2 m/s utk aplikasi pemanasan sedangkan laju alir utk aplikasi reaktor biasanya lebih rendah

Material tube : C steel utk temperatur sedang, stainless steel dan special alloy utk T sangat tinggi

Burner bisa diletakkan di dasar (api vertikal) atau di bagian samping (api horizontal)

Udara utk pembakaran burner biasanya dipanaskan dgn cara dilewatkan dalam pipa2 di bagian/zona konveksi dari furnace

Dinding luar terbuat dari baja dan bagian dalam terbuat dari bahan isolator panas dan bersifat memantulkan (refractory), seperti IFB (insulating fire brick), castalbe refractory, ceramic fiber. Bagian dalam umumnya dari castable refractory dgn tebal 5 – 8 inch, ditambah 1 inch IFB di antara lapisan dalam dan dinding luar (baja)

Walas section 8.12 membahas berbagai hal tentang insulator panas dalam industri kimia.

40

FIRED HEATER Aplikasi2 fired heaters dalam industri kimia :

- pemanasan aliran umpan, misalkan umpan minyak mentah yg akan didistilasi dalam kilang minyak dipanaskan sampai sekitar 370 oC (60% teruapkan) sebelum memasuki kolom- reboiler suatu kolom distilasi, jika temperatur didih campuran > 200 oC, biasanya cukup dgn fired heater ukuran kecil krn penggunaan steam sudah tidak efisien

- reaktor2 dgn reaksi2 yg sangat endotermis, misalnya reaksi steam reforming utk produksi H2 , reaksi2 pirolisis, reaksi2 cracking- steam boiler, biasanya untuk water tube boiler (bertekanan tinggi > 24 bar)- pemanasan awal umpan reaktor (sampai T reaksi), misalkan pemanasan umpan H2 dan hidrokarbon cair sampai 450 oC (200 atm) sebelum masuk reaktor hydrocracker

- pemanas heating medium / thermal fluids, pada pemanasan proses bertemperatur sedang (antara 180 oC – 350 oC) digunakan media pembawa panas seperti Dowtherm, mineral oils, dll. Untuk temperatur sampai 500 oC digunakan molten salt (campuran garam2 inorganik)