tks 3249_kuliah 6b (29 maret 16)
Post on 05-Jul-2018
237 Views
Preview:
TRANSCRIPT
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
1/60
TKS 3249
Perpindahan Panas
Kuliah 6
Disain Alat Penukar Panas Double-Pipe
Semester Genap 2015-2016Kelas B – Program Sarjana Teknik Kimia
Universitas Riau
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
2/60
Pengantar
• Disain alat penukar panas melibatkan pilihanantara harga alat yang murah dan biaya
pengoperasian alat yang juga murah.
• Untuk cairan encer (viskositas kecil, spt: air,
pelarut organik dan hidrokarbon ringan), beda
tekanan (pressure drop) yang diperbolehkan
sekitar 7 sampai 20 psi.
• Untuk gas, pressure drop yang diperbolehkan
adalah 1 sampai 5 psi.
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
3/60
Koefisien Perpindahan Panas
Korelasi koefisien perpindahan panas untuk pipadan anulus adalah:
• Untuk aliran turbulent flow ( Re ≥ 104),
persamaan yang digunakan adalah :
• Untuk aliran transisi (2.100
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
4/60
Koefisien Perpindahan Panas
• Persamaan (4.1) dan (2.38) dapat digunakan
untuk pipa dan anulus, dengan mengganti Di
dengan diameter ekivalen pada anulus.
• Untuk aliran laminar ( Re < 2.100) pada pipa,
digunakan persamaan:
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
5/60
Perhitungan Hidrolik
• Pressure drop dapat dinyatakan dengan faktor
friksi Darcy, f , sebagai berikut:
• dengan,
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
6/60
Perhitungan Hidrolik
• Persamaan dapat ditulis dalam bentuk fluksmassa, G, dan spesifik gravity, s, fluida, yaitu:
• dengan, V = G/ ρ dan ρ = ρwater s
• dari ρwater = 62.37 lbm/ft3,
• dan
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
7/60
Perhitungan Hidrolik
• Persamaan (4.3) menjadi:
• Jika L dan Di diberikan dengan satuan ft dan G
satuannya lbm/h.ft2, of ∆P f satuannya lbf /ft
2.
•
Faktor koreksi viskositas diperhitungan jika properti fluida (cairan) mempengaruhi faktor
friksi pada aliran non-isotermal.
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
8/60
Perhitungan Hidrolik
• Faktor koreksi viskositas adalah:
• Modifikasi persamaan (4.4) dengan pressure
drop dalam satuan psi, adalah:
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
9/60
Perhitungan Hidrolik
Faktor friksi yang digunakan persamaan (4.5)
dapat dihitung dengan:
•
Untuk aliran laminar pada pipa bagian dalam,
•
Untuk aliran laminar pada anulus,
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
10/60
Perhitungan Hidrolik
• dengan,
•Pada prakteknya, suku dalam kurung dari persamaan (4.7) nilainya sekitar 1.5.
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
11/60
Perhitungan Hidrolik
• Untuk pipa komersil dengan aliran turbulen
(Re > 3.000), persamaan yang digunakan
untuk menghitung faktor friksi pada pipa dan
anulus adalah:
• Kehilangan tekanan minor karena pengaruh pipa masuk, keluar dan pipa lengkungan
(balik) biasanya dinyatakan velocity heads.
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
12/60
Perhitungan Hidrolik
• Kehilangan tekanan (pressure drop) karenaadanya velocity head adalah:
• atau dengan satuan psi:
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
13/60
Perhitungan Hidrolik
• Jika hairpins digabungkan secara seri, total pressure drop dari perubahan arah oleh hairpin,
adalah:
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
14/60
Perhitungan Hidrolik
• Pada sisi anulus, pressure drop untuk nozzlelosses, adalah:
• dengan Gn and Ren adalah fluks massa dan
bilangan Reynolds number, untuk nozzle, dan
N HP adalah jumlah hairpins yang digabungkan
secara seri.
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
15/60
Konfigurasi Hairpin
• HE Double-pipe bersifat fleksibel, baik pipa
bagian dalam maupun anulus dapat
dihubungkan secara seri atau paralel
• Untuk memenuhi batasan pressure-drop,
dengan mudah suatu aliran dapat dibagi
menjadi dua atau lebih secara paralel,sementara aliran lain dibuat tetap (tidak
berubah).
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
16/60
Konfigurasi Hairpin
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
17/60
Konfigurasi Hairpin
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
18/60
Konfigurasi Hairpin
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
19/60
Konfigurasi Hairpin
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
20/60
Konfigurasi Hairpin
• Untuk memenuhi asumsi counter flow padakonfigurasi seri dan paralel, LMTD dikalikan
dengan faktor koreksi berikut
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
21/60
Konfigurasi Hairpin
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
22/60
Konfigurasi Hairpin
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
23/60
Penukar Panas Multi-Tube
•Untuk pipa luar dengan ID dari D2 berisikantube sebanyak nt , masing-masing tubr dengan
OD dari D1, luas penampang aliran adalah:
• Sehingga, diameter ekivalennya adalah:
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
24/60
Over-Surface dan Over-Design
• Over-surface merupakan ukuran faktor safety pada disain HE melalui faktor fouling dan
ukuran standar HE yang digunakan.
• Persentase over-surface dihitung dengan:
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
25/60
Over-Surface dan Over-Design
•Over-surface nilainya tergantung pada besaranrelatif dari total fouling yang diizikan dan
tahanan film dan dinding
• Nilainya bersikar dari 20% hingga 40%, untuknilai yang lebih besar biasanya tidak lazim.
• Persamaan (4.23) sering digunakan untuk
menghitung luas permukaan dengan koefisien
disain, U D, dibanding menggunakan koefisien
bersih, U C .
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
26/60
Over-Surface dan Over-Design
•Over-design menyatakan kelebihan luas permukaan perpindahan panas dari
yangdibutuhkan untuk kompensasi adanya
fouling.• Nilainya sekitar 5 sampai 20%, biasanya sudah
cukup memenuhi disain HE.
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
27/60
Contoh 4.1
10.000 lb/jam benzen akan dipanaskan dari 60o ke 120oF
dengan pertukaran panas menggunakan aliran anilinyang akan didinginkan dari 150o ke 100oF. Sebuah
penukar panas dengan panjang hairpin 16 ft, yang terbuat
dari pipa baja berukuran 2 x 1,25 inci sch. 40, digunakan
untuk operasi ini. Hairpin penukar panas memiliki return
bend dan nozel berukuran 1 inci sch. 40. Maksimum
pressure drop yang diizinkan untuk masing-masing aliran
adalah 20 psi. Spesifik graviti benzen 0,879 dan anilin1,022. Tentukanlah konfigurasi dan jumlah hairpin yang
diperlukan alat penukar panas tersebut.
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
28/60
Penyelesaian
Dimulai dari asumsi hairpin penukar panas dihubungkan
secara seri untuk kedua sisi, karena ini merupakankonfigurasi yang paling sederhana, dan pola aliran
counter current. Benzen dilewatkan pada pipa bagian
dalam (inner pipe), walaupun sebenarnya kedua cairan
(benzen ataupun anilin) bisa dilewatkan pada pipa bagian
dalam.
Trial pertama
a) Properti fluida pada suhu rata-rata diperoleh dari
Gambar A.1. dan A.2. dan Tabel A.15.
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
29/60
b) Menentukan beban panas dan laju alir anilin dengan
neraca energi pada kedua aliran.
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
30/60
c) Menghitung LMTD
d) Menghitung hi dengan asumsi ϕi = 1,
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
31/60
e) Menghitung ho dengan asumsi ϕo = 1,
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
32/60
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
33/60
f) Menghitung suhu dinding pipa
g) Menghitung ϕi dan ϕo, dan koreksi nilai hi dan ho :
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
34/60
sehingga,
h) Mendapatkan nilai fouling faktor.
Untuk anilin dan benzen merupakan bahan kimia
cairan organik (liquid organic process chemical), nilai
0,001 jam.ft2/Btu sesuai untuk fouling faktornya.
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
35/60
i) Menghitung nilai koefisien heat transfer overall,
j) Menghitung luas area yang diperlukan dan jumlah
hairpin alat penukar panas.
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
36/60
Dari Tabel B.2, luas permukaan luar pipa per 1 feet pipa
sch. 40 ukuran 1,25 ini adalah 0,435 ft2. Sehingga,
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
37/60
Karena setiap hairpin yang panjangnya 16 ft memiliki
panjang pipa 32 ft, maka:
Sehingga, dibutuhkan 6 (enam) hairpin pada alat
penukar panas.
k) Menghitung pressure drop aliran benzen (pipa
bagian dalam).
Dari faktor friksi yang dihitung dengan persamaan (4.8),
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
38/60
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
39/60
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
40/60
Pressure drop bagian pipa lurus dihitung kembali menggunakan persamaan (4.5) dengan
diameter pipa yang diganti dengan diameter ekivalen,
Karena nilai pressure drop terlalu besar, pressure drop karena faktor minor
lainnya tidak perlu dihitung. Trial pertama selesai sampai disini. Ringkasannya,
ada 2 (dua) persoalan dengan konfigurasi awal alat penukar panas yang telah
dibuat
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
41/60
Karena dimensi hairpin tetap, hanya sedikit opsi yang tersedia untukmemodifikasi disain HE. Dua kemungkinan pilihan adalah:
Pengaruhnya terhadap perubahan bilangan Reynold dan pressure drop dapat
diperkirakan dengan:
1) Menukar tempat fluida. laju alir kedua liran hampir sama, bilangan Reynold
berbanding terbalik dengan viskositas. Sehingga
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
42/60
Karena, menukar tempat fluida akan menghasilkan aliran yang turbulen pada
kedua sisi HE. Untuk memperkirakan pengaruhnya terhadap pressure drop,
asumsi bahwa hairpin tidak berubah. Faktor utama yang menpengaruhi ∆P
adalah f dan s. Karenanya,
Jelas bahwa menukar tempat fluida tidak mengurangi pressure drop di sisi
anulus yang masih jauh dari yang disyaratkan spesifikasi disain (kecuali jumlah
hairpin dikurangi mungkin hasilnya akan berbeda).
2) Menghubungkan bagian snulus menjadi 2 (dua) aliran paralel bank.Perubahan ini tidak akan mempengaruhi aliran pada pipa bagian dalam.
Tetapi, fluida pada anulus akan berubah laju aliranya menjadi
setengahnya. Sehingga,
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
43/60
Modifikasi ini akan merubah pressure drop, tetapi aliran berubah ke rejim transisi.
Tidak satupun modifikasi mampu memberikan spesifikasi disain yang memadai,
sehingga kombinasi modifikasi sangat dimungkinka. Karena alternatif modifikasi
ketiga bisa adalah,
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
44/60
Alternatif ketiga dapat memenuhi seluruh kriteria disain.
Walaupun demikian, perlu dilakukan perhitungan kembali hi, ho
dan beda suhu rata-rata yang akan berubah, karena jumlah hairpin
juga diperkirakan akan berubah.
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
45/60
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
46/60
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
47/60
Thus, nine hairpins are required. However, the equation for the
LMTD correction factor is based on the assumption that both
parallel branches are identical. Therefore, use two banks of five
hairpins, for a total of ten hairpins.
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
48/60
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
49/60
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
50/60
All design criteria are satisfied and the over-surface and over-
design are reasonable; therefore, the exchanger is acceptable. Thefinal design consists of ten hairpins with inner pipes connected in
series and annuli connected in two parallel banks of five hairpins
each. Aniline flows in the inner pipe and benzene flows in the
annulus.
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
51/60
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
52/60
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
53/60
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
54/60
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
55/60
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
56/60
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
57/60
All design criteria are satisfied and the over-surface and over-design are reasonable.
Therefore, the exchanger is acceptable as configured. The tube-side flow is in the
transition region, but as shown in Step (d), transition flow is unavoidable in this
case. Furthermore, the relatively high over-design should be sufficient to
compensate for any potential error in the value of hi. The final design consists of
three hairpins connected in series on both the tube side and annulus side. Aniline
flows in the tubes and benzene flows in the annulus.
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
58/60
question
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
59/60
in class
-
8/16/2019 TKS 3249_Kuliah 6B (29 Maret 16)
60/60
Homework due to 12/04/16
Problems:• 4.6.
• 4.7.
• 4.10.
top related