PERHITUNGAN UAS

PERANCANGAN ALAT PROSES

VESSEL DAN HEAT EXCHANGER

PERHITUNGAN UJIAN AKHIR SEMESTER

PERANCANGAN ALAT PROSES VESSEL DAN HEAT EXCHANGER

PENGAJAR:Prof. Dr. Ir. Mohammad Nasikin, M.eng.

Ir. Abdul Wahid, M.T.

OLEH :

Kevin S Sembiring 1206244075

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS INDONESIA

DEPOK 2015

PROBLEM 1

PT. Saltindo mendapat konsesi dari Pertamina/Pemerintah untuk menjadi distributor

LPG di 11 propinsi. Untuk keperluan tersebut, PT Saltindo akan membangun 3 filling station

di 3 kota, yaitu Ambon, Toli-toli, dan Samarinda. Pada setiap filling station, direncanakan

dibuat sebanyak 4 tangki yang masing-masing berkapasitas 20.000 kg. Untuk menghemat

lahan, 2 tangki didisain dengan konstruksi untuk diletakkan di bawah permukaan tanah

(tangki timbun) dan 2 tangki diletakkan di atas permukaan tanah. Lakukan disain detil untuk

kedua tangki ini.

Solusi:

Data Tambahan.

Bentuk tangki : Silinder Horizontal

Bentuk head : Elipsoidal

Jenis Head : SA 516 Grade 70

Ketebalan Shell : Tebal

Langkah-langkah yang dilakukan untuk menyelesaikan permasalahan ini adalah:

1. Langkah 1 : Menentukan Jenis Vessel yang Digunakan dan Headnya.

Pemilihan jenis vessel digunakan dengan mempertimbangkan tekanan desain,

suhu, material, tegangan, korosi, beban, kapasitas, dan ketebalan dinding minimum. Jenis

fluida yang akan disimpan pada kasus ini adalah LPG. LPG adalah fluida yang memiliki

sifat-sifat seperti tidak berwarna, tidak beracun, mudah terbakar, memiliki massa

jenisnya lebih berat dibandingkan udara, dan dapat berekspansi secara cepat. Untuk

pemilihan vessel ini didesain untuk penyimpanan di atas permukaan.

Jenis vessel yang dipilih adalah silinder elipsoidal. Pertimbangan pemilihan jenis

silinder adalah karena tipe ini lebih mudah untuk fabrikasinya dan mudah untuk

diinstalasi. Head yang digunakan pada kasus ini adalah elipsoidal. Pemilihan jenis ini

didasarkan pada tekanan internal dari LPG sebesar 250 psi pada suhu 50oC, bahkan

mencapai lebih dari 250 psi pada suhu yang lebih panas, sehingga berdasarkan

pertimbangan ini, tipe ini akan mampu untuk mengatasinya.

Pemilihan materi vessel di atas permukaan adalah SA 516 Grade 70 dengan

pertimbangan ketahanan pada suhu rendah dan menengah. LPG adalah fluida yang

disimpan pada suhu menengah sehingga cocok untuk kasus ini. Pemilihan material di

bawah permukaan adalah SA 516 Grade 70 dengan sacrifical anode.

2. Langkah 2 : Menentukan Ukuran Kapasitas Tangki.

Selanjutnya dilakukan perhitungan untuk mencari volume LPG.

Massa LPG dalam 1 tangki : 20.000 kg

Tekanan Uap LPG pada suhu 50oC : 250 psi

Densitas LPG pada suhu 20oC : 525 kg/m3

Besarnya volume tangki LPG tersebut adalah:

V= 20,000 kg

525 kg /m3=38.09 m3=38.090 Liters

Konversi volume tangki LPG tersebut menjadi gallon adalah sebesar: 10,062 gallons.

Tabel 1.1. Spesfikasi Ukuran Vessel

Dari tabel tersebut dipilihlah volume tangki sebesar 12,000 gallons.

Gambar 1. Vessel di Atas Permukaan

Gambar 2. Vessel di Bawah Permukaan

Gambar 3. Vessel LPG

3. Langkah 3 : Menentukan Ketebalan Vessel

(a) Perhitungan Vessel di atas tanah

Berdasarkan data Tabel 1.1 besarnya diameter vessel yang digunakan sebesar 7

feet (213.36 cm) dan tekanan internalnya adalah 250 psi. Tekanan maksimal dari tabel di

bawah ini adalah 17,500 psi jenis division 1. Efisiensi pengelasan adalah 0.85 dan

corrosion allowable (C) sebesar 2 mm. Besarnya jari-jari dalam (Ro) adalah 1067 mm.

Tabel 1.2. Maximum Allowable Stress

Perhitungan ketebalan vessel dari atas permukaan tanah berdasarkan ASME sebagai

berikut:

t=P Ro

SE+0.4 P+C

t=(250 psi ) (1067 mm )

(17,000 psi ) (0.85 )+0.4 (250 psi )+2 mm

t=20.33 mm=0.8 inchHasil perhitungan ketebalan vessel sebesar 20.33 mm (0.80 inch).

Perhitungan ini selanjutnya dianalisis menggunakan rule of thumb dalam mendesain

vessel.

Tabel 1.3. Vessel Silinder dengan Thin Wall

Berdasarkan tabel ini telah terlampaui tebal minimum dari vessel dengan diameter 2134

mm, yaitu sebesar 20.33 mm.

Tabel 1.4. Tebal Ukuran Vessel Pasaran

Dilihat dari Tabel 1.4. ukuran tebal yang dipilih adalah 7/8 inch.

(b) Perhitungan Vessel di bawah tanah.

Kedalaman tangki timbun minimal 60 cm atau minimal 30 cm dengan dilapisi

beton pada sekelilingnya dengan ketebalan 100 mm (NFPA 30 Underground Tank

Installation, 2003). Besarnya volume tangki yang digunakan sama besar dengan tangki

di atas tanah yaitu 12,000 gallons.

Perhitungan tebal menggunakan Roark Equation:

t s min=[( Pi .OL. r32 (1−u2 )

34

0.807 E s)]

0.4

Dimana:

t s = Minimum thickness (inch)

E s = Modulus elastisitas

u = Poisson ratio

OL = Length of tank (inch)

r = Radius of tank (inch)

Pi = External P at the bottom of a tank submerged in water to a depth of 1.524

m

Material yang digunakan adalah SA 516 Grade 70 division 2 dengan spesifikasi

Es sebesar 29,000 ksi. Panjangnya reaktor adalah 40 ft 6 inch atau 486 inch. Besarnya

radius reaktor adalah 1067 mm atau 42 inch.

Besarnya nilai Pi=ρ . g . H=1000 kg

m3.9.8 m

s2. 1.524 m=14,900 Pa=16.87 psi

Maka besarnya nilai ts min adalah:

t s min=[( (16.87 psi ) .486inch . 4232 ( 1−0.292 )

34

0.807 .29,000,000 )]0.4

t s min=0.38 inch

Dengan ketebalan tersebut, maka besarnya vessel yang dipasaran berdasarkan Tabel 1.4.

adalah 0.5 inch.

4. Langkah 4 : Menentukan Tebal dan Tinggi Head

(a) Perhitungan Head Vessel di atas tanah.

Ketebalan head elipsoidal menggunakan diameter dalam 7 feet (2134 mm)

Allowance stress (S) SA 516 sebesar 17,000 psi

Tekanan internal (P) sebesar 250 psi

Efisiensi pengelasan sebesar 0.85

Corrosion allowable (C) sebesar 2 mm

Perhitungan ketebalan head dilakukan dengan menggunakan rumus:

t= P D2 SE−0,2 P

+C

t=(250 psi )(2134 mm)

2 (17,000 psi ) (0,85 )−0,2(250 psi)+2,0 mm

t=20,49 mm=0.8 inch

Selain itu, kita selanjutnya menghitung tekanan maksimal yang dapat ditahan oleh head

sebagai berikut.

P= 2 SE tD+0,2 t

P=2 (17,000 psi ) (0,85 )(20.49 mm)

2134 mm+0,2(20,49 mm)P=277 psi

Dari hasil perhitungan ini, tekanan maksimum yang dapat ditahan adalah sebesar

277 psi. Dengan tekanan LPG sebesar 250 psi maka dapat dipastikan bahwa head

elipsoidal ini mampu menahan tekanan internal vessel. Dengan tebal head sebesar 20,49

mm maka tebal yang disesuaikan dengan yang ada dipasaran adalah 0.875 inch.

(b) Perhitungan Head Vessel di bawah tanah.

Ketebalan head elipsoidal menggunakan diameter dalam 7 feet (2134 mm)

Allowance stress (S) SA 516 sebesar 23,300 psi untuk division 2

Tekanan internal (P) sebesar 250 psi

Efisiensi pengelasan sebesar 0.85

Corrosion allowable (C) sebesar 2 mm

Perhitungan ketebalan head dilakukan dengan menggunakan rumus:

t= P D2SE−0,2 P

+C

t=(250 psi )(2134 mm)

2 (23,300 psi ) (0,85 )−0,2(250 psi)+2,0 mm

t=15.66 mm=0.62 inch

Selain itu, kita selanjutnya menghitung tekanan maksimal yang dapat ditahan oleh head

sebagai berikut.

P= 2 SE tD+0,2 t

P=2 (23,300 psi ) (0,85 )(15.66 mm)

2134 mm+0,2(15.66 mm)

P=268 psi

Dari hasil perhitungan ini, tekanan maksimum yang dapat ditahan adalah sebesar

268 psi. Dengan tekanan LPG sebesar 250 psi maka dapat dipastikan bahwa head

elipsoidal pada vessel bawah tanah ini mampu menahan tekanan internal vessel. Dengan

tebal head sebesar 15.66 mm, maka tebal yang disesuaikan dengan yang ada dipasaran

adalah 0.625 inch.

5. Langkah 5 : Menghitung Desain Spesifikasi Head

Besarnya head adalah sebesar ¼ dari diameter dalam (Do) vessel.

Gambar 3. Desain Spesifikasi Head Elipsoidal

(a) Perhitungan Spesifikasi Head di Atas Permukaan Tanah

Perhitungan h, ri, dan L yang terdapat pada desain head elipsoidal dengan perbandingan

D : 2h = 2: 1 adalah:

h=14

Do=14

(2134 )=533.5 mm

ri=0.17 Do=0.17 (2134 )=362.78 mm

L=0.9 D o=0.9 (2134 )=1920.6 mm

(b) Perhitungan Spesifikasi Head di Bawah Permukaan Tanah

h=14

Do=14

(2134 )=533.5 mm

ri=0.17 Do=0.17 (2134 )=362.78 mm

L=0.9 D o=0.9 (2134 )=1920.6 mm

6. Langkah 6 : Kesimpulan Desain Vessel

Dari hasil desain konsep ini didapatkanlah kesimpulan, yaitu:

Parameter Vessel di Atas Permukaan Vessel di Bawah

Tanah Permukaan Tanah

Jenis Vessel Silinder Horizontal Silinder Horizontal

Head Elipsoidal Elipsoidal

Material SA 516 Grade 70 Div 1 SA 516 Grade 70 Div 2

Dimensi 84” OD x 45’ OAL 84’ OD x 45’ OAL

Tebal Shell (inch) 7/8 1/2

Tebal Head (inch) 7/8 5/8

Tekanan Maksimal

(psi)

277 268

Desain Head (mm) h = 533.5 h = 533.5

ri = 362.78 ri = 362.78

L = 1920.6 L = 1920.6

PROBLEM 2

Setelah dikeluarkan mandatory tentang BBM disel yang harus dicampur dengan

biodiesel sebanyak 15%, banyak industri biodiesel yang meningkatkan kapasitas

produksinya. PT Saltindo sebagai salah satu pemasok biodiesel merencanakan meningkatkan

kapasitas produksi dengan cara menambah HE. HE berfungsi memanaskan bahan baku

(CPO) dari suhu kamar menjadi bersuhu 65oC sebagai suhu esterifikasi. Sesuai dengan

kapasitas produksinya, PT Saltindo memerlukan HE yang dapat mengakomodasi laju alir

CPO sebanyak 25.000 kg/jam. Keluaran HE langsung dimasukkan ke reaktor untuk di

esterifikasi menjadi biodiesel. Sistem yang ada sekarang, CPO langsung dimasukkan ke

reaktor dan dipanasi dalam reaktor. Dengan penambahan HE, proses produksi biodiesel

menjadi lebih cepat dan dapat dibuat sebagai sistem kontinu. Media pemanas yang dipakai

adalah steam karena di perusahaan telah ada boiler. Disainlah secara detil HE yang

diperlukan untuk proses tersebut.

Solusi :

Pemilihan heat exchanger pada kasus ini adalah shell and tube dengan spesifikasi:

Nama : Basco Custom Engineered Shell and Tube Heat Exchangers

Ukuran Shell : 2114

in

Tube Length : 20 ft (max 50ft)

Flow : shell 1-pass tube 2-pass design

Pemilihan ini dilatarbelakangi oleh rule of thumbsnya:

1. Kecepatan laju alir yang tidak terlalu tinggi..

2. Menaikkan temperatur feed tidak terlalu tinggi.

3. Fluida CPO yang bersifat korosif (ditempatkan di tubeside).

4. Banyak digunakan pada industri biodiesel.

Asumsi awal perhitungan.

a. Fluida di dalam shell memiliki temperatur yang sama pada semua titik cross section.

b. Panas yang diterima pada seluruh permukaan sama.

c. Overall coeficient perpindahan panas konstan

d. Laju alir setiap fluida yang mengalir konstan.

e. Specific heat capacity setiap fluida berilai konstan.

f. Tidak ada perubahan fasa seperti evaporasi atau terkondensasi di sepanjang heat

exchanger.

g. Heat loss diabaikan.

Selanjutnya dilakukanlah langkah-langkah perhitungan sebagai berikut.

1. Menentukan suhu fuida yang tidak diketahui.

Spesifikasi fluida yang dapat digunakan pada shell and tube dapat dilihat pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1. Spesifikasi Fluida di Bagian Shell dan Tube

Suhu fluida panas steam:

Inlet : 150oC

Outlet : 115oC

Suhu fluida dingin CPO:

Inlet : 25oC

Oulet : 65oC

Specific Heat Capacity components:

CPO : 1.861 kJ/kgoC

Steam : 1.996 kJ/kgoC

2. Menghitung kalor yang dibutuhkan.

˙Q=mCPO x CpCPO x ∆T

˙Q=25,000

kg3600 s

x1.861kJ

kg℃x (65−25)℃

˙Q=516.94 kJ /s

3. Menghitung jumlah steam yang dibutuhkan.

m s team= 516.94 kJ /s1.996 kJ /kgo C (150−115 ) o C

m steam=7.40kgs

=26,640 kg / jam

4. Menghitung LMTD

∆ T LMTD=(T hi−T co )−(T ho−T ci)

ln(T hi−T co)(T hi−T ci)

∆ T LMTD=(150℃−65℃ )−(115℃−25℃)

ln(150−65)(115−25)

∆ T LMTD=−5

ln8590

∆ T LMTD=−5

−0.057

∆ T LMTD=87,48℃

R=T hi−T ho

Tco−T ci

=150−11565−25

=0.875

S=T co−T ci

T hi−T ci

= 65−25150−25

=0.32

5. Menghitung Kondisi Pengoperasian Heat Exchanger

Grafik 1. Temperature Difference Factor

Didapatkanlah nilai FT=0.975

∆ t=0.975 x 87.48 O C=85.3 oC 185.54℉

Shell side: Tube Side

ID = 2114

in Number & Length = 76 & 20’0”

Baffle space = 5 in OD, BWG, pitch = 1 in, 13 BWG, 1.75in square

Passes = 1 Passes = 2

Ts = 115 oC + 0.5(35) = 132.5 oC

tc = 25 + 0.5(40) = 45 oC = 113 oF

Hot fluid: shell side, steam:

(a)

Flow area(as)=ID C B} over {144 {P} rsub {T}} = {21.25 x 0.25 x5} over {144x1.25} =0.1476f {t} ^ {2¿

(b) Mass velocity (G)=Was

=26,640 kg/ jam0.1476

=180,500 kg/ jam . f t 2

(c) Res=D sG s

μ

μ=0.016 cp x2.42=0.039 lb / ft . hr

Ds=0.9912

=0.0825 ft ;dari pitch 134

inchGrafik 1

ℜ=0.0825 x 180,5000.1476

=100.889

(d) Condensation of steam:

hio=1500Btu

(hr ) (f t 2 ) (℉ )

(e) Suhu dinding (t wall)

tw=t c+h io

hio+h0

(T hi−t c)tw=113+ 15001500+278

(302−113 )=273℉=134℃

Cold fluid: tube side, CPO:

(a) Flow area (as )=areaof shell−area of tube

Flow area (as )= 1144

¿

Flow area (as )=0.37 f t 2

(b) Mass velocity (G )=Was

=

25,000 kgjam0.37

=67,567kg

jam. f t2

(c) Res=D sG s

μ

Ds=0.9912

=0.0825 ft ;dari pitch 134

inchGrafik 1

ℜ=0.0825 x 67,5670.37

=15,065

(d) Menggunakan Gambar 1 didapatlah nilai (T ’ ) jH =60 o F dengan ℜ=15,065

Gambar 1. Grafik Re

Gambar 2. Grafik untuk Menentukan k (Cμk )

13 dari Viskositas

(e) Menghitung ho

ho=(T ’ ) jH . k (Cμk )

13 .∅

Nilai k saat suhu ts 45oC sebesar 0.1704

ho

∅=60 x 0.1704 x

0.80.0825

=99.14 Btu /(hr )( f t2)(℉)

(f) Saat temperatur dinding 134 oC, nilai viskositas CPO:

μ=4cp x 2.42=9.68lb / (ft )(hr )

6.Menghitung Uc, UD, Dirt factor, dan Pressure Drop

(a) Clean overall coefficient Uc :

U c=hio ho

hio+ho

=1500 x99.141500+99.14

=92 Btu /(hr )( f t2)(℉)

Tabel 2.2. Spesifikasi Heat Exchanger

(b) Design overall coefficient UD dengan OD 1 in dan BWG 13 dari Table 2.2.:

a ”=0.2618f t 2

lin ft

Total surface , A=76 x20' x0.2618=398 f t 2

U D=Q

A ∆ t=

516.94kJs

(3600 )

398 f t2 185.54℉(0.95)=23.94

Btu

(hr ) (f t 2 ) (℉ )

(c) Dirt factor Rd:

Rd=UC−U D

U C U D

= 92−23.94(92)(25.2)

=0.031(hr )( f t2)(℉) /Btu

Summary

Uc 92 Btu/(hr )(f t 2)(℉ )

UD 25.2 Btu/(hr )(f t 2)(℉ )

Rd calculated 0.031(hr)( f t2)(℉ )/Btu

Rd required 0.03(hr )( f t 2)(℉ )/Btu

(d) Pressure Drop Tube

Shell

ℜ=100.889 ; f =0.0013 f t 2/i n2 menggunakan Gambar 3.

No . of crosses , N+1=12LB

=12205

=48

D= 812

=0.666 ft

∆ P=f G 2 D ( N+1 )

5.22 x1010 Ds∅=

0.0013 (180,500 x2.2 )2 (0.666 ) (48 )5.22 (1010 ) (1.3 ) (1 )

=0.9 psi

Allowable ∆ P=10 psi

Tube

ℜ=15,065 ; f =0.0021 f t2/ i n2 menggunakan Gambar 3.

No . of crosses , N+1=12LB

=12205

=48

∆ P= f G2 ln5.22 x1010 Ds∅

=0.0021 (67567 x2.2 )2 20 x2

5.22 (1010) (0.0825 ) (0.23 )=1.87 psi

Allowable ∆ P=10 psi

Heat exchanger memiliki penurunan tekanan yang tidak terlalu besar sehingga

kinerjanya memuaskan.

Gambar 3. Grafik Nilai f Shell dan Tube

Shell

Tube

DAFTAR PUSTAKA

Kern. 1965. Process Heat Transfer. McGraw-Hill: Singapore.

Holman. 2010. Heat Transfer 10th edition. McGraw-Hill.