Download - Perancangan Heat Exchanger
TK-2202 PERPINDAHAN KALOR Laporan tugas 2
Perhitungan Perancangan HE, Gambar Desain, dan Analisis Tekno-Ekonomi
Disusun Oleh :
Faisal Ahmad 130 08 080
Norman Y Perdana 130 08 081
Indro Wicahyo 130 08 082
Prapti D Utami 130 08 083
Dosen :
Dr. Ahmad Zainal Abidin
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
2010
Page 2
KASUS 23
Salah satu tahap dalam pembuatan eritromisin adalah pendinginan asam
propionat dengan cooling water. Berikut ini merupakan data kondisi operasinya.
Fluida Tekanan T in (oC) T out (
oC) Laju alir (kg/h)
Asam propionat 2,5 bar 394 ? 3780
Cooling water 1,5 bar ? ? ?
a. Tentukan kondisi operasi yang sesuai (data temperatur inlet dan outlet serta laju alir
untuk aliran panas dan aliran dingin yang belum diketahui)
b. Rancang heat exchanger jenis shell and tube seekonomis mungkin dengan tetap
memperhatikan kelayakan kriteria perancangan seperti luas area perpindahan panas,
hilang tekan, dan ketahanan material.
I. Data Fisik Yang Dibutuhkan
Asam propionat (tube)
P: 2,5 bar
Th1: 394 C
Th2: 180 C
m asam propionat: 3780 kg/jam
Mean Tube Temperature : 287 C
Cp asam propionat: 1.869 kJ/kg C
ρ asam propionat 4.05 kg/m3
viskositas asam propionat 0,01177 cP
k asam propionat 0,02853 W/m.K
Cooling water (shell)
P: 1,5 Bar
Tc1: 28 C
Tc2: 75 C
Mean Tube Temperature : 51,5 C
Cp cooling 4.219 kJ/kg K
ρ cooling 987,1 kg/m3
viskositas cooling 0,5306 cP
k cooling 0,6449 W/m.K
beda tekan shell-tube: 1 Bar
Page 3
Untuk merancang heat exchanger, digunakan algoritma dengan metode Bell
(Sinnott, 2004).
Menghitung Panas Yang Dipertukarkan :
Qh = mh cp,h (T1 – T2)
= 1,050 x 1869 x (667-453)
= 419964 W
Qc = Qh
Qc = mc cp,c (T2 – T1)
mc = 419964/[4219 x (348-301)]
= 2.118 kg/s
1. Mengasumsikan nilai koefisien perpindahan panas keseluruhan
Utebak = 300 W/m2.K
2. Menghitung beda temperatur rata-rata (aliran counter current) ΔTm
∆𝑇𝐿𝑀 = 𝑇1 − 𝑇2 − (𝑇𝑐2 − 𝑇𝑐1)
ln(𝑇1 − 𝑇2𝑇𝑐2 − 𝑇𝑐1)
∆𝑇𝐿𝑀 = 394 − 180 − (75 − 28)
ln(394 − 180
75 − 28)
∆𝑇𝐿𝑀 = 225.277 𝐾
Untuk menentukan ΔTm digunakan faktor koreksi FT untuk HE 1-shell-2-pass
55,4
)2875/()180394(
)(( 12)21
TcTcThThZ
128,0
)75394/()2875(
)()( 2112
TcThTcTcY
Page 4
Gambar 1 Faktor Koreksi Temperatur, 1 shell pass, 2 atau lebih (genap) tube
passes
Dari gambar 1, nilai FT = 0.96, maka:
∆𝑇𝑚 = 0,96 𝑥 225,277
∆𝑇𝑚 = 216,266 𝐾
3. Menghitung luas area yang dibutuhkan
𝐴 = 𝑄𝑐 /(𝑈 ∆𝑇𝑚)
𝐴 = 419664 /(300𝑥216,266)
𝐴 = 6.473 𝑚2
4. Memutuskan layout dari alat penukar panas dan besar tube
a. Tube
Do 33 mm = 0.033 m
thickness 1.6 mm = 0.0032 m
Di 29.8 mm = 0.0298 m
L
1.83 m
At
0.190 m2
𝑁𝑡 =
𝐴
𝐴𝑡=
6.473
0,190≈ 34 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑠
Konfigurasi yang dipilih adalah triangular pitch karena merupakan
kofigurasi paling optimum.
Page 5
Tabel 1. Nilai konstanta untuk perhitungan bundle diameter
Dari tabel 1 untuk 2 pas, diperoleh nilai K1 dan n1 yaitu 0.249 dan 2.207,
sehingga:
𝐷𝑏 = 𝑑0(𝑁𝑡
𝐾𝑡)
1𝑛𝑡 = 0,033(
34
𝐾𝑡0.249)
12,207
𝐷𝑏 = 0,306 𝑚
pt = 1.25 x do = 1.25 x 0.033 = 0.041 m
b. Shell
Dari gambar 2 diperoleh nilai koreksi C = 12 mm, sehingga:
𝐷𝑠 = 𝐷𝑏 + 𝐶= 0,306 + 0,012 = 0,318 m
Gambar 2 Koreksi Bundel Shell
Page 6
Lb (baffle spacing) = Ds x 0,2 = 0.0636 m
𝐴𝑠 = 𝑝𝑡−𝑑𝑜 𝐷𝑠 𝑙𝑏
𝑝𝑡
𝐴𝑠 = 0.041−0.033 0,318𝑥0.0636
0.041 = 0.00405 m2
𝐴𝑏 = 𝑙𝑏 𝐷𝑠 − 𝐷𝑏 = 0.0636 0.318 − 0.306
𝐴𝑏 = 0.000764 𝑚2
Ab/As = 0.189
5. Menghitung koefisien individu perpindahan panas
a. Tube
Tube per pass = 59/2 = 29.5
𝐴 𝑐𝑟𝑜𝑠𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑝𝑒𝑟 𝑡𝑢𝑏𝑒 = 0.25𝜋𝑑𝑖2
= 0.000697 𝑚2
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐹𝑙𝑜𝑤 𝐴𝑟𝑒𝑎 = 0.000697 𝑥 17 𝑡𝑢𝑏𝑒 𝑝𝑒𝑟 𝑝𝑎𝑠𝑠
= 0.01186 𝑚2
𝐺𝑡 = 1.050 𝑥 0.01186 = 88.556 kg/m2 s
𝑁𝑅𝑒 = 𝐺𝑡 𝑑𝑖
µ
𝑁𝑅𝑒 = 88.556 𝑥 0.0298
0.00001177= 224212 (𝑡𝑢𝑟𝑏𝑢𝑙𝑒𝑛)
𝑁𝑃𝑟 = 𝐶𝑝. µ
𝑘
𝑁𝑃𝑟 = 1869𝑥0.00001177
0.02853 = 0.771
L/di = 61.409
Page 7
Gambar 3 Faktor perpindahan panas bagian tube
Dari gambar 3, dengan menggunakan data L/di dan bilangan Reynolds,
diperolej jh = 0.0026. Sehingga:
𝑖 =𝑘𝑓 . 𝑗 . 𝑅𝑒. 𝑃𝑟1/3(µ/𝜇𝑤)0,14
𝑑𝑖
𝑖 =0.02853 𝑥 0.0026 𝑥 224212 𝑥 0.7711/3 𝑥 (1)0,14
0.0298
𝑖 = 551.774 𝑊/𝑚2. 𝐾
b. Shell
1) Koefisien perpindahan panas tanpa kebocoran (hoc)
𝐺𝑠 =𝑚𝑠
𝐴𝑠 =
2.118
0.00405 = 522.904 𝑘𝑔 𝑚2 .s
𝑑e =1.27 x (pt2 − 0.78 x 𝑑o
2)
𝑑o
𝑑e =1.27 x (0.0412 − 0.78 x 0.0332)
0.033
𝑑e = 0.0284 m
Page 8
Re
.
715.065 0.0212
0.232
65364( )
s eG dN
turbulen
𝑁𝑅𝑒 = 𝐺𝑠. 𝑑𝑒
µ
𝑁𝑅𝑒 = 522.904 𝑥 0.0284
0.0005306
𝑁𝑅𝑒 = 27993
𝑁𝑃𝑟 = 𝐶𝑝. µ
𝑘
𝑁𝑃𝑟 = 4219 𝑥 0.0005306
0.6449
𝑁𝑃𝑟 = 3.471
Type equation here. Dari gambar 4, dengan hubungan garis NRe dan konfigurasi triangular
pitch maka diperoleh nilai jf = 0.005
Page 9
Gambar 4 Faktor Perpindahan panas untuk cross-flow tube banks
𝑁𝑁𝑢 = 𝑗𝑁𝑅𝑒𝑁𝑃𝑟1/3(𝜇 𝜇𝑤 )0.14
𝑁𝑁𝑢 = 0.005 𝑥 27993 𝑥 3.4711/3(1)0.14
𝑁𝑁𝑢 = 221.922
𝑜𝑐 =𝑁𝑁𝑢 𝑘𝑠
𝑑𝑒
𝑜𝑐 =211.922 𝑥 0.6449
0.0284
𝑜𝑐 = 4811.475
2) Faktor koreksi baris tube (Fn)
Bc = 0.25
𝐻𝑏 = 𝐷𝑏 2 − 𝐷𝑠(0.5 − 𝐵𝑐)
𝐻𝑏 = 0.306 2 − 0.318(0.5 − 0.25)
𝐻𝑏 = 0.0736
Page 10
N𝑐𝑣 = (D𝑏 − 2H𝑏)/𝑃𝑡′
N𝑐𝑣 = 0.306 − 2x0.0736)/0.041
N𝑐𝑣 = 3.857
Aliran dalam shell merupakan aliran turbulen. Maka Fn diperoleh dari
interpolasi gambar 5. Nilai Fn bergantung pada besar Ncv.
Gambar 5 Faktor koreksi untuk baris tube, Fn
Maka nilai Fn adalah 0.93
3) Faktor koreksi window (Fw)
Dipilih Baffle cut sebesar 25% karena pada umumnya memberikan nilai
laju perpindahan panas yang optimum tanpa menyebabkan penurunan
tekanan yang berlebihan(Sinnot,2003).
Bb (bundle cut) = Hb/Db = 0.0736/0.306 = 0.240
Dari gambar 6 dapat diperoleh Ѳb sebesar 2.090 dan Ra’ sebesar 0.19
Page 11
Gambar 6 Faktor Geometris Baffle
𝑁𝑤 = 𝑁𝑡 x𝑅′𝑎
𝑁𝑤 = 34 x 0.19
𝑁𝑤 = 6.46
Rw = 2Nw/Nt = 26.46/34 = 0.38
Gambar 7 Faktor koreksi window
Page 12
Fw diperoleh dari gambar 7 dan bergantung pada nilai Rw. Sehingga
nilai Fw adalah 1.02
4) Faktor koreksi bypass (Fb)
Gambar 8 Faktor koreksi bypass
Dari gambar 8, dengan nilai Ab/As = 0.189 diperoleh nilai Fb sebesar
0.77
5) Faktor koreksi kebocoran (FL)
Ct (tolerance tube) = 0.0008 m
Dari tabel 2, diperoleh nilai cs sebesar 0.0008
Tabel 2. Koreksi dan toleransi baffle
𝐴𝑡𝑏 =𝑐𝑡 . 𝜋. 𝑑𝑜
2(𝑁𝑡 − 𝑁𝑤)
𝐴𝑡𝑏 =0.0008 𝑥 𝜋 𝑥 0.033
2(34 − 6.46)
𝐴𝑡𝑏 = 0.00114
Page 13
Asb =csds
2(2π − θb)
Asb =0.0008x0.318
2(2π − 2.090)
Asb = 0.000534
AL = Atb + Asb = 0.00168 m
AL/As = 0.00181/0.00405 = 0.414
Page 14
Dari gambar 9 diperoleh nilai βL sebesar 0.31.
Gambar 9 Koefisien untuk FL, perpindahan panas
𝐹𝐿 = 1 − 𝛽𝐿[(𝐴𝑡𝑏 + 𝐴𝑠𝑏 )/𝐴𝐿
𝐹𝐿 = 1 − 0.28[(0.00114 + 0.000534)/0.00168
𝐹𝐿 = 0.631
6) Koefisien panas pada sisi shell
𝑠 = 𝑜𝑐𝐹𝑛𝐹𝑤𝐹𝑏𝐹𝐿
𝑠 = 4811.475𝑥0.93𝑥1.02𝑥0.77𝑥0.631
𝑠 = 2216.923 𝑊 𝑚2. 𝐾
6. Menghitung koefisien perpindahan panas keseluruhan
hid = 5000 W/m2.K
hod = 3000 W/m2.K
kw = 16 W/m.K
Page 15
1
𝑈𝑜=
1
𝑠+
1
𝑜𝑑+
𝑑𝑜 ln(𝑑𝑜 𝑑𝑖)
2𝑘𝑤+
𝑑𝑜
𝑑𝑖
1
𝑖𝑑+
𝑑𝑜
𝑑𝑖
1
𝑖
1
𝑈𝑜=
1
2216.923+
1
3000+
0.033ln(0.033 0.0298)
32+
0.033
0.0298
1
5000
+0.033
0.0298
1
511.774
1
𝑈𝑜= 0.00327
𝑈𝑜 = 305 𝑊 𝑚2 . 𝐾
Karena galat < 30%, maka spesifikasi dapat diterima(Sinnott, 2004).
Page 16
7. Menghitung pressure drop alat penukar panas
a. Tube
Dari gambar 10, diperoleh jf = 0.0028
Gambar 10 Faktor friksi di sisi tube
ut = Gt/ρt = 88.556/4.049 = 21.871 m/s
𝛥𝑃𝑡 = 𝑁𝑝 8 𝑗𝑓 . 𝐿 𝑑𝑖 . 𝜇 𝜇𝑤 −𝑚 + 2.5 𝜌.𝑢𝑡
2
2
𝛥𝑃𝑡 = 𝑁𝑝𝑥 8 𝑥 0.0028𝑥 61.409 𝑥 1 −𝑚 + 2.5 𝑥4.049𝑥21.8712
2
𝛥𝑃𝑡 = 7.506𝑘𝑃𝑎
b. Shell
1) Hilang tekan ideal ∆Pi
Dari gambar 11, diperoleh jf = 0.043
Page 17
Gambar 11 Faktor friksi dari cross-flow tube banks
us = Gs/ρs = 522.904/987.1 = 0.530 m/s
𝛥𝑃𝑖 = 8𝑗𝑓𝑁𝑐𝑣
𝜌𝑢𝑠2
2(𝜇 𝜇𝑤) −0.14
𝛥𝑃𝑖 = 8𝑥0.043𝑥3.857𝑥987.1 𝑥0.5302
2(1)−0.14
𝛥𝑃𝑖 = 0.184𝑘𝑃𝑎
2) Faktor koreksi pressure drop aliran bypass Fb’
Dari gambar 12 dengan Ab/As = 0.189, diperoleh Fb’ = 0.46
Page 18
Gambar 12 Faktor bypass untuk hilang tekan F’b
3) Hilang tekan karena kebocoran
Dari gambar 13 dengan AL/As = 0.414, β’L = 0.51
Gambar 13 Koefisien untuk hilang tekan karena kebocoran
Page 19
𝐹𝐿′ = 1 − 𝛽𝐿
′(𝐴𝑡𝑏 + 𝐴𝑠𝑏 )/𝐴𝐿
𝐹𝐿′ = 1 − 0.51(0.00114 + 0.000534)/0.00168
𝐹𝐿′ = 0.631
4) Hilang tekan window zone ∆Pw
Dari gambar 13 dengan Ab/As = 0.18, β’L = 0.38
Gambar 14 Koefisien untuk hilang tekan
𝐹𝐿′ = 1 − 𝛽𝐿
′(𝐴𝑡𝑏 + 𝐴𝑠𝑏 )/𝐴𝐿
𝐹𝐿′ = 1 − 0.38(0.00114 + 0.000534)/0.00168
𝐹𝐿′ = 0.631
∆𝑃𝑤 = 59 𝑃𝑎 = 0.059 𝑘𝑃𝑎
5) Hilang terkan pada end zone ∆Pe
∆𝑃𝑒 = ∆𝑃𝑖[(𝑁𝑤𝑣 + 𝑁𝑐𝑣)/𝑁𝑐𝑣]𝐹𝑏 ′
= 184[(1.783+3.857)/3.857]0.46
= 124 Pa
Page 20
= 0.124 kPa
6) Hilang tekan pada bagian shell
755.27
10636.0
83.1
1
b
bl
LN
∆𝑃𝑠 = 2∆𝑃𝑒 + 𝑃𝑐 + 𝑁𝑏 − 1 + 𝑁𝑏∆𝑃𝑤
= 2𝑥124 + 28 27.755 − 1 + 27.755𝑥59
= 2621 𝑃𝑎
= 2.621 𝑘𝑃𝑎
Page 21
Spesifikasi Heat Exchanger
Berikut ini adalah bentuk visual dari heat exchanger yang telah didesain dengan
seekonomis mungkin :
Penampang normal
Tampak Dalam
Page 22
Specification sheet
Operating Data
SIZE TYPE BEU
SHELLS PER UNIT 1
SURFACE PER UNIT 0.190 m2
SURFACE PER SHELL 0.190 m2
Performance of one unit
Fluid Allocation Shell side Tube side
Fluid name Cooling water Propionic acid
Fluid quantity, Total 2.514 kg/s 1.050 kg/s
Vapor - - 1.050 kg/s 1.050 kg/s
Liquid 2.514 kg/s 2.514 kg/s - -
Noncondensable - - - -
Temperature 301 K 348 K 667 K 413 K
Dew / Bubble point - - - -
Density 1005 kg/m3 968.5 kg/m3 3.390 kg/m3 4.916 kg/m3
Viscosity 0.8326 cp 0.3743 cp 0.01477 cp 0.00929 cp
Molecular wt, Vap
-
- 74.08 74.08
Molecular wt, NC
-
-
-
-
heat capacity 4.221 kJ/kg 4.196 kJ/kg 2.074 kJ/kg K 2.210 kJ/kg K
Tampak Depan
Page 23
K K
Thermal Conductivity
0.6154 W/m-K
0.6662 W/m-K 0.03710 W/m-K 0.02112 W/m-K
Latent heat
Pressure 1.5 bar 2.5 bar
Velocity 0.530 m/s 21.2871 m/s
Pressure drop, allow / calc. 0.75 bar 0.026 bar 1.25 bar 0.075 bar
Fouling resist. (min) 0.00017 m2 0.0002-deg C/W
Heat exchanged 419964 Watt MTD Corrected 216.266 deg C
Transfer rate, Service Tebak = 300 W/m2-K Perhitungan = 299 W/m2-K
CONSTRUCTION OF ONE SHELL
SHELL SIDE TUBE SIDE
Design / Test Pressure
1.5 bar / 1.5 bar
2.5 bar / 2.5 bar
Design Temperature > 667 K > 667 K
Number passes per shell 1
corrosion allowance 0.0625 0.125
connection in
size/rating out
in/
Sketsa, triangular pitch
Tube No. = 34 tubes
Length = 1.83 m
OD = 33 mm ID = 29.8 mm
Thickness= 1.6 mm
Shell CS OD = 323 mm
Fixed U tube (small)
Baffle Crossing CS
Type single seg Cut (%d) 25
Baffle spacing = 0.036 m
Supports-tube U-bend
Luas area perpindahan panas (A) : 6.473 𝑚2
Panjang tube : 1.83 m
Jumlah Tube : 34 buah
U-Tube Heat Exchanger Type BEU 1-shell-2-pass triangular pitch
Page 24
1. Tube (2.5 bar)
Dimensi tube yang diperoleh dari perhitungan:
OD : 33 mm
Thickness : 1.6 mm
Nominal Pipe Size yang sesuai :
NPS 1 in-schedule number 5 bahan stainless steel
OD : 33.40 mm
Thickness : 1.651 mm
2. Shell (1.5 bar)
Baffle spacing : 0.0636 m
Jumlah Baffle : 29 buah
Dimensi Shell yang diperoleh dari perhitungan:
Ds : 318 mm
Nominal Pipe Size yang sesuai :
NPS 12 in-schedule number 5s-carbon steel
Diameter : 323.85 mm
Ketebalan : 3.962 mm
Pada Tube menggunakan bahan dari stainless steel 304 dengan tensile strengh
mencapai 525-610 Mpa pada suhu 400oC (Perry and Green 2007). Bahan ini lebih mahal
dibandingkan dengan bahan carbon steel, tetapi karena fluida yang dialirkan melalui
tube adalah bahan bersifat asam sehingga untuk mencegah tube agar tidak mudah
terkorosi. Jenis stainless steel yang dipilih bukan merupakan stainless steel jenis lain
seperti stainless steel 316 ataupun 410 karena alasan keekonomisan harga. Meskipun
stainless steel 410 lebih kuat, tetapi karena hanya beroperasi pada tekanan yang
mendekati tekanan atmosfer dan laju terkorosi carbon steel cukup rendah. Sedangkan,
untuk bagian shell cukup menggunakan bahan carbon steel dengan ketebalan yang
rendah karena fluida yang dialirkan berupa air biasa dan pada tekanan atmosferik. Selain
itu, pressure drop yang terjadi masih berada pada batas aman, tanpa perlu
menambahkan pompa sehingga lebih menghemat pengeluaran.
Page 25
Sebagai perbandinga dalam pemilihan harga, kalkulasi dilakukan dengan
membandingkan penggunaan bahan stainless steel 304 dengan stainless steel 410
Jenis Stanless
Steel Panjang
Uo (W/m2 K)
A (m2) Harga ( US$)
304 L=1.83m 299 6.473 4000
410 L=1.83m 299 6.473 4300
Data tersebut merupakan harga untuk fixed/U shell/tube pada tahun 2007 sesuai
dengan yang diperoleh dari sumber :
http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:WJdBxjI3DWEJ:www.matche.
com/EquipCost/Exchanger.htm+matche.com/equipcost/exchanger&cd=1&hl=id&ct=cln
k&gl=id
Jika dirupiahkan, berdasarkan nilai tukar rupiah terhadap dollar sesuai dengan sumber
berikut : http://www.depkeu.go.id/ind/Currency/
Maka harga yang diperoleh 4000 x Rp 9021 = Rp 36,084,000.00 dan 4300 x Rp 9021 = Rp
38,790,300.00 sehingga diperoleh spesifikasi yang sesuai dan harga paling rendah adalah
shell and tubes dengan panjang 1.83 m berbahan stainless steel 304 untuk tube dan
carbon steel untuk bagian shell-nya.