REBOILER HEAT EXCHANGER DESIGN

Abubakar TuhuloulaPerancangan Alat Perpindahan Panas

(PAPP)Program Studi Teknik Kimia – Unlam

4.1 Pengertian Reboiler Reboiler adalah alat semacam Heat Exchanger yang berfungsi untuk

merobah fase liquid menjadi fase gas. Biasanya liquid yang diuapkan diletakan dibagian sheel sedangkan pemanas diletakan dibagian pipa atau tube.

Gambar 1. Kettle Reboiler (1988, by Tubular Exchanger Manufacturers Association)

Gambar 2. Fixed Tubesheet, single-tube pass vertical Heater or Reboiler (Used by permission : Engineers & Fabricators, Inc.,

Houston)

Ada beberapa macam Reboiler yang perlu diketahui :

4.1.1 Forced Circulation Reboiler

Pada Forced Circulation Boiler liquid yang akan diuapkan berasal dari kolom distilasi yang dipompakan ke dalam Reboiler. Baik gas yang terjadi (antara 60 – 80%) dari liquid yang masuk maupun liquid yang tidak teruapkan akan masuk ke dalam kolom distilasi lagi, seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini,

Gambar 3. Forced Circulation Reboiler

Bottom productPompa

Kondensat

Steam

Boiler

Uap dan liquid

4.1.2 Natural Circulation Reboiler

Pada Natural Circulation Reboiler hanya uap atau gas saja yang masuk ke dalam kolom distilasi. Liquid yang tidak teruapkan akan keluar dari Reboiler atau hanya sebagian liquid yang dimasukan seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini,

Gambar 4. One-Through Reboiler Gambar 5. Circulating Reboiler

Z1

Z3

Z2

Z1

Z3

Z2

4.2 Grafik Perpindahan Panas

Penguapan di dalam Reboiler bisa terjadi dalam beberapa macam antara lain : penguapan titik jenuhnya, penguapan di bawah titik jenuhnya dan penyempurnaan penguapan.

Q = M . λ

Q = m . (hg – hl) Qv = m1 (hg – hl)

Q = M . λT2T2 T1 T1

t1

t1 t2 t3

a. Penguapan pada titik jenuhnya b. Penguapan di bawah titik jenuhnya

c. Penyempurnaan penguapan

QS = m . cp . (t2 – t1); QV = m1 (hgt13 – hl t2)

Q = QS + QV

Qs = m . cp (t2 – t1)

t2

Q = m . cp . (t2 – t1)

T2 T1

t1

t2

t3

Q = M . λ

URUTAN DESAIN KETTLE REBOILER

1. Material and Heat balance

Q = QS + QV = M . cp . (T1 – T2) = M .

Untuk panas sensible : QS = m . CP . (T1 – T1’) ; QV = m1 .(hg – hl)

2. Menghitung TLMTD

; T = Ft . TLM

harga Ft = 1 karena prosesnya isothermal, pada Reboiler n (tube passes) dimulai dari yang tinggi sampai rendah agar penggunaan panas lebih efektif.

3. Menghitung Suhu Caloric (Tc dan tc)

Tc = T2 + Fc (T1 – T2 )

tc = t2 + Fc (t2 – t1)

21

21LMTD t/tln

t - t t

4. Mencari IDS dan jumlah pipa dimulai dengan trial Q/A antara 12000 Btu/jam.ft2.oF, sehingga didapatkan :

dan

Nt distandarkan dan IDS didapatkan dari tabel 9 halaman 841 – 842 Kern. Dan UD standar didapatkan dengan menggunakan persamaan,

kesimpulan sementara hasil perancangan

Type HE : 1 – 2

Bagian Shell Bagian Tube

IdS = do = BWG l = Nt = n =

n’ = 1 susunan PT = de =

B = mendekati 1 x IDS a’ = a” = di = C’ =

12000 s/d 8000

Q A

L . a"

A Nt

L . a" . Nt

Q U

standar(standar) D

Evaluasi Perpindahan Panas

Bagian Shell (........................) Bagian Tube (............................)

1. Menghitung Nre

144 . P .n

B . C' . ID a

T

SS

de dicari pada gambar 28 Kern dicari pada gambar 14 Kern

SS a

M G atau

SS a

m G

2,42 .

de . G Nre S

S

2. Mencari Faktor Panas (JH) JH dicari pada gambar 28 Kern

3. Trial harga Koefisien Film PP, ho maksimal 300 Btu/jam.ft2.oF.

tc- Tchio ho

ho tc tw

t = (tw - tc) Dari gambar 15.11 Kern didapatkan hV maksimal 300 Btu/jam.ft2.oF dan hS .

V

V

S

So

h

Q

h

QQ

h

diharapkan ho sama dengan ho trial atau diatasnya. Jika berbeda tidak boleh lebih dari 20%, jika tidak diulangi lagi ho trial.

5. Menghitung Nre pipa

144 .n

a' .Nt a P

dicari pada fig. 14 Kern

PP a

m G atau

PP a

M G

2,42 .

di . G Nre P

P

6. – 7. Menghitung harga Koefisien

Film PP, hi hi dicari pada gambar 25 hal. 835 Kern dan dilakukan koreksi,

do

dih h iio

9. Mencari tahanan panas pipa bersih (UC)

10. Mencari tahanan panas pipa terpakai (UD)

Evaluasi ΔP

ioi

ioiC h h

h . h U

DC

DCd U. U

U- U R

Bagian Sheel (......................) Bagian Tube (........................)

P dibagian sheel untuk type natural atau Kettle Reboiler diabaikan.

1. Menghitung Nre pipa

2,42 .

G . di Nre P

P

f dapat dicari pada gambar 26 Kern 2. Menghitung P karena panjang pipa

P10

2P

P . S . di . 10 x 22,5

n . L . G . f P

3. Menghitung P karena tube passes

144gc . 2

v

s

n 4 P

2

n

4. Mencari Ptotal pada bagian tube PT = PP + Pn

HORISONTAL THERMOSYPHONE

Pengertian Thermosyphone

Thermosyphone adalah alat semacam heat exchanger yang berfungsi untuk membuat fase liqiuid menjadi fase gas yang peletakannya horisontal dan penguapan terjadi dibagian shell sedangkan pemanas diletakkan dibagian pipa (tube) seperti terlihat pada gambar dibawah.

Gambar 6. Thermosyphon horisontal

Spesifikasi Horisontal Thermosyphon

Pada horisontal thermosyphone ada beberapa spesifikasi antara lain :

a. Dimensi diameter shell dan panjang shell IDs : 12 – 17 ¼ inci; l = 8 ft IDs : 19 ¼ - 29 inci; l = 12 ft IDs > 31 inci

b. Shell passes (n’) = 2

c. Maksimal 80% dari liquid akan teruapkan

d. Flux atau Q/A antara 8.000 – 12.000 Btu/jam.ft2

e. hV tidak boleh lebih dari 300 Btu/jam.ft2.oF

Beberapa ketentuan penguapan pada horisontal thermosyphon antara lain :

a. Untuk liquid yang dipanasi berupa bahan organik berlaku :

Q/A = 8000. s/d. 12000 Btu/jam.ft2

b. Untuk mencari overall heat transfer UD berlaku :

(kern, pers. 6.4)

c. Penurunan tekanan

P pada thermosyphon sama dengan P pada shell and tube, hanya yang perlu diperhatikan adalah :

de’ = diameter equivalen shell yang dipengaruhi oleh friction, dimana

perimeter wettedfrictional

area flow . 4 de'

1. Friksi karena shell sehingga wetted perimeternya = 2 π IDS

3. Friksi karena pipawetted perimeternya = 2 (½ Nt)(π do)

2. Friksi karena pembagian shellsehingga wetted perimeternya = 2 (½ IDS)

liquid

Campuran uap dan liquid

Total friction wetted perimeter : fp1 + fp2 + fp3

fp1 = ½ π IDS

fp2 = IDS

fp3 = 2(½ Nt . π do)

free area = ½ (/4 (IDS)2 – (/4 do2)(Nt))

= /8 (IDS)2 – (do2) (Nt)

Nt . do . ID . ID . 2

Nt do - ID

2Nt . do .

2

ID . ID

Nt do - ID/8 4

perimeter Wetted

area flow . 4 de'

SS

22S

SS

22S

URUTAN PERANCANGAN HORISONTAL THERMOSYPHON

1. Material and Heat balance

Q = QS + QV = M . cp . (T1 – T2) = M .

Untuk panas sensible : QS = m . CP . (T1 – T1’), dengan range boiling point > 15oF. Untuk panas laten : QV = m1 . (hg – hl)

2. Menghitung TLMTD

T = Ft . TLM

harga Ft dicari dari gambar 19 Kern karena n’ = 2.3. Menghitung Suhu Caloric (Tc dan tc)

Tc = T2 + Fc (T1 – T2 )

tc = t2 + Fc (t2 – t1)

4. Mencari IDS dan jumlah pipa dimulai dengan trial Q/A antara 8000 – 12000 Btu/jam.ft2.oF, sehingga didapatkan :

dan

21

21LMTD t/tln

t - t t

12000 s/d 8000

Q A

L . a"

A Nt

Nt distandarkan dan IDS didapatkan dari tabel 9 Kern dengan ketentuan n’ = 2 dan n minimal = 4, dan UD standar didapatkan dengan menggunakan persamaan :

kesimpulan sementara hasil perancangan

Type HE :

Bagian Shell Bagian Tube

IdS = do = BWG l = Nt = n =

n’ = susunan PT = de =

B = mendekati 1 x IDS a’ = a” = di = C’ =

Evaluasi Perpidahan Panas

Bagian Shell (........................) Bagian Tube (............................)

1. Menghitung Nre

144 . P . n'

B . C' . ID a

T

SS

de dicari pada gambar 28 Kern dicari pada gambar 14 Kern

SS a

M G atau

SS a

m G

2,42 .

de . G Nre S

S

2. Mencari Faktor Panas (JH)

JH dicari pada gambar 28 Kern 3. Menghitung Koefisien Film PP, ho

14,03/1

HO k

. cp

de

kJ h

w

5. Menghitung Nre pipa

144 .n

a' .Nt a P

dicari pada gambar 14 Kern

PP a

m G atau

PP a

M G

2,42 .

di . G Nre P

P

6. Mencari Faktor Panas (JH) JH dicari pada gambar 24 Kern

7. Menghitung Koefisien Film PP, hi 14,03/1

Hi k

. cp

di

kJ h

w

do

dih h iio

8. Mencari tahanan panas pipa bersih (UC)

9. Mencari tahanan panas pipa terpakai (UD)

Diharapkan : Rd hitung > Rd ketentuan

ioi

ioiC h h

h . h U

DC

DCd U. U

U- U R

Evaluasi P

Bagian Shell (......................) Bagian Tube (........................)

1. Menghitung Nre dan Friksi

Nt do ID ID 2

Nt do - ID de'

SS

22S

2,42 .

G . de' Nre S

S

f dicari pada gambar 29 Kern 2. Menghitung PS hanya karena panjang

shell.

S10

(total)2S

S . sg . de . 10 x 22,5

l . G . f P

62,5

s - sp

p

492

T 460

359

BM

5,62

sg

uapliquid2

l

liquiduap

1. Menghitung Nre pipa

2,42 .

G . di Nre P

P

f dicari pada gambar 26 Kern 2. Menghitung P karena panjang

pipa

P10

2P

P . S . di . 10 x 22,5

n . L . G . f P

3. Menghitung P karena tube passes

144gc . 2

v

s

n 4 P

2

n

4. Mencari P total pada bagian tube PT = PP + Pn

VERTIKAL THERMOSYPHON

Vertikal Thermosyphon adalah alat semacam Heat Exchanger yang berfungsi untuk merobah fase liquid menjadi fase gas yang peletakannya vertikal dan penguapan terjadi di bagian tube sedangkan pemanas diletakkan di bagain shell seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini,

m, t2

5 – 10 menit hold up

m, t1

Z1

Z3

Pemanas M, T1

Condensat M, T2

Isothermal Boiling Counter current

HE : 1-1, Floating Heat Exchnager

Ratio liquid circulasiGas keluar

4

1=

Spesifikasi Vertikal ThermosyphonPada Vertikal Thermosyphon ada beberapa spesifikasi antara lain :

a. Panjang shell mulai dari 16 ft kemudian diturunkan menjadi 12 ft

b. Shell passes atau n’ = 1 dan tube passes atau n = 1

c. Maksimal 80% dari liquid akan teruapkan

d. Flux atau Q/A antara 8000 – 12000 Btu/jam.ft2

e. hV tidak boleh lebih dari 300 Btu/jam.ft2.oF

f. Tipe aliran selalu counter current

dimana : hs = koefisien film perpindahan panas sensible, Btu/jam.ft2.oF

hv = koefisien film perpindahan panas laten, Btu/jam.ft2.oF

Q = jumlah panas yang dipindahkan, Btu/jam

QS = jumlah panas sensible, Btu/jam

QV = jumlah panas laten, Btu/jam

V

V

S

So

h

Q

h

QQ

h

Grafik Perpindahan PanasPenguapan di dalam vertikal thermosyphon bisa terjadi dalam beberapa

macam antara lain : penguapan pada titik jenuhnya, penguapan di bawah titik jenuhnya dan penyempurnaan penguapan.

Q = M . λ

Q = m . (hg – hl) Qv = m1 (hg – hl)

Q = M . λT2T2 T1 T1

t1

t1 t2 t3

a. Penguapan pada titik jenuhnya b. Penguapan di bawah titik jenuhnya

c. Penyempurnaan penguapan

QS = m . cp . (t2 – t1); QV = m1 (hgt13 – hl t2)

Q = QS + QV

Qs = m . cp (t2 – t1)

t2

Q = m . cp . (t2 – t1)

T2 T1

t1

t2

t3

Q = M . λ

Beberapa ketentuan penguapan pada vertikal thermosyphon antara lain :

a. Untuk liquid yang dipanasi berupa bahan organik berlaku :

Q/A = 8000. s/d. 12000 Btu/jam.ft2

b. Untuk mencari overall heat transfer UD berlaku :

c. Penurunan tekanan

Panjang dan jumlah tube perlu dicek lebih dahulu untuk melihat apakah P atau Pp ditambah tekanan hidrostatik pada thermosyphon sama dengan P pada kaki Reboiler lebih kecil dari driving force.

Driving force = (Z1 x ) / 144

dimana : Z1 adalah tinggi liquid (permukaan) sampai bagian bawah pipa reboiler, ft. dan = densitas liquid, lb/ft3

t . L . a" .Nt

Q

t .A

Q UD

p10

2p

p . sg . di . 10 x 22,5

n . L . G . f P

Tekanan Hidrostatik pada kaki Reboiler :

dimana : Vo adalah spesifik volume liquid dan uap, ft3/lb; Vl adalah spesifik volume liquid, ft3/lb dan Vv adalah spesifik volume vapor, ft3/lb.

Psi ,V

V log

V - V 144

l 2,3

144

. Z

l

o

lo

average3

2

1

v

p

p

492

T 460 359

BM

BM

p

7,14

492

T 462

359

p

p

492

T 460 359

BM

1

1 V 2

2

1

v

l = sg x 62,5 sehingga Vl = 1/l = 1 / (sg x 62,5), lb/ft3

Apabila : Total tahanan : Pp + Z3 (av/144) > (Z1 x l)/144, maka panjang pipa

diturunkan menjadi 12 ft. Total tahanan : Pp + Z3 (av/144) < (Z1 x l)/144, maka panjang pipa

sudah sesuai.

lb /ft ,

uap massa liquid massa

V . uap massa V . liquid massa V 3ol

o