shell and tube heat exchanger
TRANSCRIPT
BAB I
PENDAHULUAN
I.1. LATAR BELAKANG
Heat Exchanger adalah suatu peralatan yan digunakan untuk mentransfer
kalor dari air proses pada suatu industri ke air pendingin melalui dinding-dinding
heat exchanger secara konveksi. Salah satu jenis dari Heat Exchanger ini adalah
Sheel dan Tube Heat Exchanger.
Dalam proses desain Shell dan Tube Heat Exchanger sangat diperlukan untuk
mengetahui factor-faktor apa saja yang mempengaruhi Ukuran dari Shell dan
Tube Heat Exchanger itu serta pertimbangan Desainnya.
Peralatan heat exchanger bisa dirancang berdasarkan tipe (misal fixed tube
sheet, outside packed head, dll) atau berdasarkan fungsi (Chiller, condenser,
cooler, dll).
I.2. MASALAH
Masalah yang dibahas dalam makalah ini adalah :
1. Faktor-faktor yang mempengaruhi ukuran dan tipe Shell and Tube Heat
Exchanger.
2. Pertimbangan Desain Shell and Tube Heat Exchanger
I.3. TUJUAN
Secara umum penulisan makalah ini bertujuan untuk mengetahui factor-faktor
apa saja yang mempengaruhi ukuran dan tipe Shell and Tube Heat Exchanger dan
untuk mengetahui pertimbangan Desain Shell and Tube Heat Exchanger.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
I. SEJARAH SINGKAT SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Heat exchanger adalah peralatan utama untuk perpindahan panas antara aliran
panas dan aliran dingin. Mereka dipisahkan menjadi 2 aliran dan dioperasikan secara
terus-menerus, mereka juga disebut Recuperator untuk membedakan mereka dari
Regenerator, dimana aliran panas dan aliran dingin melalui jalan yang sama dan
menukar panas dengna massa peralatan yang secara intensional dibuat dengna
memperbesar kapasitas panas. Recuperator digunakan kebanyakan pada pelayanan
kriogenik dan pada temperatur lain sebagai temperatur tinggi preheater udara.
Treatment yang lebih mendetail mengenai teori ini dipersembahkan oleh Hausen
(1983).
Kebanyakan penggunaan yang meluas dari jenis peralatan proses menuntut
bahwa Heat Exchanger dibuat dengna mudah. Klasifikasi langsung dari pabrik Heat
Exchanger dipersembahkan oleh Walker (1982) selama bertahun-tahun, ada sekitar
200 pabrik peralatan shell and tube. Exchanger yang paling banyak dan luas
penggunaannya adalah tipe shell and tube, tetapi tipe plate dan variasinya juga
berharga sehingga secara ekonomi bersaing dalam beberapa aplikasi.
Dalam shell and tube heat exchanger dibuat beberapa tube dalam parallel atau
seri dimana satu fluida mengalir dan tertutup dalam shell sedangkan fuida yang
lainnya dialirkan. Pinggiran shell ditetapkan dengna jumlah baffle untuk
menaikankecepatan dan efisiensi aliran cross lebih besar pada bagian luar tube.
Bagian tube lebih baik untuk fluida yang tekanan dan temperature yang lebih tinggi
atau fluida yang lebih korosif. Bagian tube kurang disukai jika terjadi kebocoran
fluida yang mahal dan berbahaya tetapi lebih mudah dibersihkan. Pressure drop dan
heat transfer laminar dapat diprediksi lebih akurat untuk bagian tube. Untuk itulah
bagian tube harus diseleksi untuk fluida yang digunakan. Aliran turbulen diperoleh
pada bilangan Reynold yang lebih rendah pada bagian shell, sehingga fluida dengan
aliran massa yang rendah lebih disukai mengalir pada bagian ini. Bilangan Reynold
yang tinggi diperoleh dengan multipassing bagian tube.
Perancangan secara konvensional Shell and Tube Heat Exchanger diajukan dan
ditetapkan oleh Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA). Size dan
tipe shell and tube heat exchanger ditentukan oleh :
1. Ukuran
Ukuran shell and tube bundle dirancang oleh nomor yang menjelaskan
diameter shell and tube serta panjang tube seperti pada contoh
2. Diameter
Nominal diameter adalah diameter dalam shell yang dinyatakan dalam inchi,
untuk ketel dan boiler, nominal diameter bisa jadi merupakan diameter masuk
diikuti diameter shell.
3. Panjang
Panjang nominal adalah panjang tube yang dinyatakan dalam inchi. Panjang
tube untuk tube lurus diambil sebagai panjang actual overall. Untuk U-tube,
panjangnya diambil seperti tube lurus, yakni dari ujung tube ke sudut
pembengkokannya.
4. Tipe
Perancangan tipe dilambangkan dengan huruf yang menerangkan stationary
head, shell and rear head. Ditunjukkan oleh gambar 11-1 (terlampir).
Contoh tipe :
a. Split-ring floating heat exchanger dengan tipe removable channel and cover,
single pass shell, diameter dalam 23 ¼ inchi dengan panjang tube 16 ft.
Jadi heat exchanger ini memiliki SIZE 23-192 Type AES.
b. U_tube heat exchanger dengan tipe bonnet - stationary head, split-flow shell,
diameter dalam 19 inchi dan panjang tube 7 ft. Heat exchanger ini disebut
SIZE 19-84 TYPE BGU.
19 : diameter dalam
84 : panjang tube
B : stationary head type bonnet
G : split flow
U : U_tube bundle
c. Pull through floating head kettle type reboiler dengan stationary head integral
with tube sheet (C) dengan port diameter 23 inchi, diameter dalam 37 inchi,
panjang tube 16 ft. Heat exchanger ini disebut SIZE 23/37-192 TYPE CKT.
d. Fixed-tube sheet exchanger dengan removable channel and cover, bonnet type
rear head , two pass shell, diameter dalam 33 1/8 in dan panjang tube 8 ft.
Heat Exchanger ini disebut SIZE 33-96 TYPE AFM.
e. Fixed-tube sheet exchanger dengan stationary and rear head integral dengan
tube sheet, single pass shell, diameter dalam 17 inchi, panjang tube 16 ft.
SIZE 17-192 TYPE CEN.
II. DEFINISI FUNGSIONAL
Peralatan heat exchanger bisa dirancang berdasarkan tipe (misal fixed tube
sheet, outside packed head, dll) atau berdasartkan fungsi (Chiller, condenser, cooler,
dll). Hampir semua tipe tiap unit digunakan untuk menjalankan satu atau semua
fungsi di atas. Seperti yang diterangkan oleh Donahue ( Petrol. Processing,
March.1956, page 103).
Chiller
Berfungsi untuk mendinginkan fluida sampai temperature dibawah
temperature yang biasa dicapai jika pendinginan dengan menggunakan air
sebagai coolant. Chiller menggunakan refrigerant seperti ammonia atau Freon.
Kondenser
Berfungsi mengkondensasi uap atau campuran uap dengan atau tanpa adanya
gas non-kondensibel.
Partial condenser
Berfungsi untuk mengkondensasi pada titik point untuk menghasilkan
perbedaan temperature yang cukup untuk pre-heat aliran dingin fluida proses.
Final condenser
Berfungsi mengkondensasi uap hingga temperature akhir mendekati 100 F
untuk mendinginkan air, berarti ada panas transfer yang hilang pada proses.
Cooler
Berfungsi untuk mendinginkan liquid atau gas dengan menggunakan air.
Exchanger
Memiliki 2 fungsi, yaitu:
1. Memanaskan fluida dingin.
2. Menggunakan fluida panas untuk mendinginkan.
Heater
Berfungsi memindahkan panas sensible ke liquid oleh gas dengan
menggunakan steam kondensasi atau Dow_therm.
Reboiler
Dihubungkan dengan bottom tower fraksionasi, berfungsi untuk memanaskan
kembali liquid yang dibutuhkan untuk distilasi. Media pemanas bisa jadi
steam atau fluida panas.
Reboiler termosifon
Forced-circulation Reboiler
Menggunakan pompa untuk memaksa liquid melewati reboiler.
Steam generator
Berfungsi untuk menghasilkan steam untuk membangkitkan tenaga listrik
dengan menggunakan tar atau heavy oil.
Superheater
Berfungsi untuk memanaskan uap sampai diatas temperature saturation.
Vaporizer
Merupakan pemanas dengan menguapkan sebagian liquid.
Waste-heat Boiler
Menghasilkan steam ; seperti steam generator, tetapi media pemanasnya
adalah gas panas atau liquid yang dihasilkan oleh reaksi kimia.
III. PERTIMBANGAN DESAIN UMUM
1. Pemilihan Bagian Aliran
Dalam pemilihan aliran untuk 2 fluida yang melewati sebuah exchanger,
beberapa pendekatan umum digunakan. Fluida tube side memiliki karakteristik
lebih korosif atau lebih kotor atau pada tekanan tinggi. Fluida shell side memiliki
karakteristik viskositas tinggi atau berupa gas.
Untuk konstruksi alloy untuk salah satu dari 2 fluida, carbon steel shell
dikombinasi dengan alloy bagian tube-side lebih murah dibanding alloy kontak
dengan fluida shell-side dikombinasi dengan header-carbon steel. Pembersihan
bagian dalam tube lebih murah dibanding pembersihan permukaan luar.
Untuk tekanan di atas 300 lb/in2, konstruksi yang lebih murah memiliki
tekanan fluida yang tinggi dalam tube. Kerusakan heat exchanger seringkali
disebabkan oleh kotor, korosi dan erosi.
2. Kode Konstruksi
Kode konstruksi heat exchanger diberikan oleh TEMA Standard (Tubular
Exchanger Manufacturers Association), yaitu :
a. Class R
Secara umum untuk petroleum dan aplikasi proses yang berhubungan.
Peralatan ini didesain untuk keamanan dan tahan lama.
b. Class C
Secara umum untuk aplikasi proses umum dan persyaratan moderat dan
komersil.
c. Class B
Untuk service proses kimia.
d. Gabungan class B dan C
Didesain untuk ekonomis maksimum dan overall konsisten dengan keamanan
dan servis.
Lihat tabel 11-1.
3. Pengujian
Untuk penyempurnaan pabrikasi dan juga selama perawatan operasi,
diperlukan test / uji shell side of tubular exchanger sehingga uji visual akhir tube
bisa dibuat.
Keuntungan dari beberapa design alternatif dan kondisi operasi yang
diperoleh dari shell and tube heat exchanger antara lain adalah :
Single phases, kondensasi atau boiling (pendidihan) dapat disediakan dalam
tube atau shell dengan posisi vertical atau horizontal.
Range tekanan dan pressure drop sebenarnya tidak terbatas dan dapat
disesuaikan secara bebas untuk dua fluida.
Thermal stresses dapat disediakan tidak terlalu mahal.
Bermacam konstruksi material penting dapat digunakan dan kemungkinan
berbeda untuk shell and tube.
Permukaan yang luas untuk menaikkan heat transfer dapat digunakan pada
bagian lainnya.
Range yang luas / besar untuk kapasitas thermal dapat diperoleh.
Peralatan ini mudah dibongkar untuk pembersihan atau perbaikan.
IV. JENIS - JENIS SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER
Gambar 11-2 menunjukkan detil konstruksi dari tipe-tipe pokok Shell and
Tube Heat Exchanger.
1. Fixed-tube-sheet Heat Exchanger (fig. 11-2b)
Merupakan tipe yang paling sering digunakan. Kepingan tube dilas ke shell.
Konstruksi ini memiliki ciri shell dan tube sheet materialnya harus bisa dilas satu
sama lain. Ketika pengelasan tidak memungkinkan, maka ditambahkan sebuah
blind gasket. Blind gasket ini tidak dibolehkan untuk perawatan atau menggantikan
unit yang telah dibangun. Konstruksi ini digunakan untuk condenser permukaan
steam, dimana operasinya di bawah kondisi vakum.
Tube-side header (channel) boleh jadi dilas ke tube sheet, seperti yang
ditunjukkan pada gambar 11-1 untuk head tipe C dan N. Tipe konstruksi ini lebih
murah dibanding tipe B dan M atau tipe A dan L dan memiliki kelebihan lain yaitu
tube-nya bisa diuji dan diganti tanpa merusak dan mengganggu hubungan
perpipaan tube-side.
Tidak ada batasan untuk jumlah tube-side pass. Tube-side pass boleh 1 atau
lebih, walaupun shell dengan jumlah shell-side pass yang lebih dari 2 jarang
digunakan.
Tube bias mengisi dengan sempurna shell dari heat exchanger. Clearance
antara tube paling luar dan shell adalah kepentingan minimum dalam pabrikasi.
Antara bagian dalam shell dan baffles, beberapa clearance tambahan diperlukan
sehingga baffles bisa meluncur ke dalam shell. Tolensi pabrikasi kemudian
mensyaratkan beberapa clearance tambahan antara bagian luar baffle dengan tube
paling luar.
Jarak tepi antara Outer Tube Limit (OTL) dan diameter baffle harus sesuai
untuk mencegah vibrasi tube dari patahan yang melewati lubang baffle. Clearance
antara diameter bagian dalam shell dan OTL adalah ½ in untuk diameter dalam
shell 25 in dan di atas 7/16 in untuk shell pipa 10-24 in dan lebih kecil lagi untuk
diameter pipa yang lebih kecil juga.
Tube bisa diganti. Tube side header, channel cover, gasket, dll dapat diganti
dan dilakukan perawatan. Selama tube dipindahkan atau diganti, boleh jadi terjadi
patahan tube dengan shell. Jika ini terjadi, maka akan sulit untuk memindahkan
atau mengganti tube. Biasanya dilakukan penyumbatan lubang pada kepingan tube.
1.1. Fixed Tube Sheet Exchanger dengan Integral Channels
Dalam penggunaan stationary tube sheet exchanger biasanya sering
dibutuhkan unutk menyediakan ekspansi thermal differensial antara tube dan sheel
selama operasi, atau thermal stresses yang berkembang melewati tube sheet, yang
dapat disediakan dengan menggunakan gabungan ekspansi pada shell.
1.2. Fixed Tube Sheet 1–2 Exchanger
Exchanger jenis ini beroperasi dalam counterflow, dimana aliran fluida shell
melewati bagian luar tube. Dalam prakteknya, sangat sulit mendapatkan kecepatan
tinggi ketika satu fluida mengalir melalui seluruh tube dalam single pass. Ini dapat
dikelilingi, akan tetapi dengan modifikasi design fluida tube dibawa melalui fraksi
dari tube yang berurutan. Contoh two-pass fixed-tube-sheet exchanger adalah
Fixed-head 1-2 exchanger, dimana seluruhfluida tube mengalir melalui dua kali
setengah tube seutuhnya.
1-2 exchanger adalah exchanger dimana fluida bagian shell mengalir dalam
satu shell pass dan fluida tube mengalir dalam dua atau lebih pass. Sebuah saluran
tunggal dikerjakan dengan pemisahan agar fluida tube dapat masuk atau keluar dari
saluran yang sama. Sama dengan semua fixed-tube-sheet exchanger, bagian luar
tube tidak mudah dicapai untuk pemeriksaan atau pembersihan mekanis. Bagian
dalam tube dapat dibersihkan hanya dengan memindahkan satu saluran tertutup dan
menggunakan pembersih rotary atau sikat kawat. Masalah ekspansi dalam 1-2
fixed-tube-sheet exchanger sangat kritis , ketika kedua passes, sama baiknya
dengan shell itu sendiri menyebabkan perbedaan perluasan dan juga menyebabkan
stress pada stationary tube sheet.
1.3. Stationary Tube-Sheet Exchanger
Jenis paling sederhana dari exchanger adalah fixed atau stationary tube-sheet
exchanger. Bagian-bagian pentingnya adalah :
1. Shell, peralatan dengan dua nozzles
2. Tube sheet pada kedua sisi, yang juga sebagai pinggiran untuk
pengamanan.
3. Dua saluran
4. Dan masing-masing saluran tertutup mereka.
5. Baffle. Tube diperluas pada tube sheet dan peralatan dengan baffle pada
bagian shell.
Perhitungan efektif permukaan HE adalah frekuensi dasar pada jarak antara
permukaan dalam tube sheets dan seluruh panjang tube.
1.4. Removable Bundle Exchanger
Terdiri dari stationary tube sheet yang diharuskan berada diantara ujung
saluran tunggal dan ujung shell. Floating-head cover adalah baut untuk tube sheet
dan seluruh bundle dapat ditarik dari ujung saluran. Shell ditutup dengan shell
bonet. Ilustrasi floating head mengurangi masalah perluasan diferensial dalam
kebanyakan kasus dan disebut pull-through floating head.
Kerugian penggunaan pull-through floating head adalah geometri sederhana.
Untuk mengamankan floating-head cover dibutuhkan baut untuk tube sheet.
Pembautan tidak hanya mengurangi angka tube yang mungkin diletakkan dalam
tube bundle tapi juga menyediakan aliran antara bundle dan shell. Biasanya ini
mahal. Pabrik-pabrik yang berbeda mempunyai modifikasi design yang berbeda
yang bertujuan untuk menyediakan peningkatan permukaan diseluruh pull-through
floating head dalam ukuran shell yang sama.
1.5. Bent-tube Fixed-tube-sheet Exchanger
Tube diinstall dengan bend tipis. Ekspansi diferensial mempengaruhi jumlah
bend, tetapi kebutuhan sambungan ekspansi untuk floating tube sheet dikurangi.
Bagian evaporator dibuat seperti umumnya.
Ekspansi diferensial antara shell dan tube dapat terjadi karena perbedaan
panjang yang disebabkan oleh ekspansi thermal. Berbagai tipe Expansion Joint
(sambungan ekspansi) digunakan untuk menghilangkan stress yang berlebih yang
disebabkan oleh ekspansi. Jenis-jenis sambungan ekspansi :
a. Flat plates
Untuk tekanan kurang dari 15 lb/in2 (pressure gage). Secara umum
digunakan untuk vacuum service. Flat plates dapat membengkokkan ekspansi
diferensial. Semua las dimaksudkan untuk stress berat.
b. Flanged-only heads
Diameter head umumnya lebih besar dari diameter shell sekitar 8 in atau
lebih. Sambungan menghubungkan head untuk mengurangi stress selama
ekspansi.
c. Flared Shell atau Pipe Segment
Shell diflaring untuk menghubungkan pipa atau pipa mesti dibagi dua atau
empat untuk menghasilkan cincin .
d. Formed head
Sepasang dished atau elliptical atau flange dan dished dapat digunakan
dengan cara dilas bersama-sama atau dihubungkan dengan cincin. Sambungan
tipe ini sama dengan flanged only head, tetapi digunakan untuk stress yang
lebih ringan.
e. Flanged dan Flued head
Mahal, karena operasi fluing.
f. Toroidal
Sambungan ini secara matematis memiliki pola stress halus, dengan stress
maksimum di sisi dinding dan minimum stres di top dan bottom.
Ke-enam expansion joint di atas disebut juga Ring Expansion Joint . adapun tipe
lainnya :
g. Bellows
Menggunakan bahan stainlees steel, alloy nikel atau tembaga (aluminium,
monel, perunggu, fosfor, titanium). Bellows dibentuk dari sepotong logam atau
dapat juga juga terdiri dari potongan las. Insulasi luar dengan menggunakan
karbon steel sering digunakan untuk melindungi bellows dari kerusakan.
h. Toroidal Bellows
Untuk tekanan tinggi.
2. U_Tube Heat Exchanger (fig.11-2d)
Kumpulan tube terdiri dari :
Sebuah kepingan stationary tube ;
U-tube atau hairpin tube;
Baffle atau plate pendukung ;
Tie rods dan spacer.
Exchanger jenis ini terdiri dari tube yang dilengkungkan dalam bentuk U dan
dirol menjadi tube sheet. Tube dapat diekspansi dengan bebas. Eliminasi diperlukan
untuk floating tube sheet, floating head cover, shell flange dan shell cover yang
dapat berpindah. Baffle boleh diinstal dengan cara konvensional pada persegi atau
puncak triangular. Diameter U-bend yang terkecil dapat dibalik tanpa merusak
bentuk diameter luar tube pada bend yang mempunyai 3 sampai 4 kali diameter luar
tube. Artinya ini biasanya akan diperlukan untuk penghilangan beberapa tube pada
pusat bundle , tergantung pada layout.
Sebuah modifikasi yang menarik dari U-bend exchanger adalah U-bend double
–tube-sheet exchanger. Ia mempekerjakan sebuah double stationary tube sheet dan
digunakan ketika kebocoran satu aliran fluida menjadi yang lain pada tube roll yang
dapat menyebabkan kerusakan korosi yang serius. Dengan menggunakan 2 tube
sheet dengan sebuah air gap di antaranya. Salah satu fluida yang bocor melalui
samping tube sheet akan hilang ke atmosfer. Pada cara ini tak ada aliran yang dapat
mengkontaminasi yang lain sebagai hasil kebocoran kecuali ketika tube itu sendiri
korosi. Meskipun kegagalan tube dapat dicegah dengan penerapan pressure shock
test menjadi tube dengan periodik.
Kumpulan tube dapat dipindahkan dari shell heat exchanger. Tube side header
(stationary head) dan shell dengan cover shell terintegrasi di-las ke shell. U_tube
memiliki beberape kelebihan, antara lain :
Menghasilkan clearance minimum antara OTL dengan bagian dalam shell
untuk beberapa konstruksi removable-tube-bundle.
Jumlah lubang tube pada shell lebih sedikit dibandingkan fixed tube sheet
exchanger karena batasan pada bengkokan tube radiusnya sangat pendek.
Kelebihan lainnya adalah pengurangan jumlah sambungan (joint). Sehingga
dapat mengurangi biaya awal dan biaya perawatan.
Jet hidrolic dengan air yang melewati sprin nozzle pada tekanan tinggi
digunakan untuk membersihkan bagian dalam dan luar tube. Jet hidrolic dapat juga
digunakan untuk membersihkan bagian dalam U_tube.
Tank Suction Heater
Digambarkan pada gambar 11-4, memiliki U_tube. Desain ini sering
digunakan dengan tangki penyimpanan luar untuk heavy fuels oil, tar dan fluida
sejenis dengan viskositas yang mesti direndahkan agar mudah dipompa. Biasanya
media pemanas tube-side adalah steam. Salah satu ujung shell heater terbuka dan
liquid yang dipanaskan melewati bagian luar dari tube.
Biaya pemompaan dapat dikurangi tanpa pemanasan dari tangki. Ketel tipe
boiler, evaporator, dll biasanya merupakan tipe U_tube Exchanger dengan enlarge
section shell untuk pemisahan vapor-liquid.
U_tube bundle menggantikan floatinf head bundle pada gambar 11-2e.
U_tube exchanger dengan tube tembaga, header cast iron dan bagian lain karbon
steel digunakan untuk servis air dan steam pada bangunan kantor, sekolah, rumah
sakit, hotel ,dll. Kepingan tube non-besi atau 90:10 tube tembaga-nikel adalah
material pengganti yang paling sering digunakan.
3. Packed-Lantern-Ring Exchanger (fig.11-2f)
Konstruksi ini merupakan konstruksi yang paling murah untuk exchanger tipe
straight tube dan removable bundle.
Fluida shell dan tube side diisi oleh cincin pemisah dan diinstall pada
kepingan floating tube, lantern ring digunakan dengan lubang weep. Lebar dari
kepingan floating tube haruslah besar agar cukup untuk memuat packing, lantern
ring, dan ekspansi diferensial.
Clearance antara Outer Tube Limit (OTL) dan bagian dalam shell lebih besar
jika dibandingkan dengan 2 tipe sebelumnya, yaitu Fixed tube sheet dan U_tube
exchanger. Penggunaan skirt kepingan floating tube akan meningkatkan clearance
ini. Tanpa skirt, clearance harus dibuat sesuai distorsi lubang tube selama tube
berputar di dekat ujung luar kepingan tube.
Packed lantern ring secara umum dibatasi untuk desain temperature < 375 F
dan digunakan untuk air, udara, minyak, dll. Desain tekanan tidak melebihi 300
lb/sq.in untuk pipe shell exchanger dan dibatasi hanya 150 lb/sq.in untuk diameter
shell 24-42 in.
4. Floating Head Exchanger
Modifikasi lain dari floating head 1-2 exchanger adalah Packed Floating Head
Exchanger. Exchanger ini diteruskan pada floating tube sheet yang dibatasi oleh
packing gland. Meskipun pemasukaannya memuaskan untuk shell di atas 36 in ID,
packing gland yang lebih besar tidak direkomendasikan untuk tekanna yang lebih
tinggi atau pelayanan yang menyebabkan vibrasi.
4.1. Outside Packed Floating Head Exchanger (fig 11-2c)
Fluida shell side diisi oleh packing berbentuk cincin, dimana dimampatkan
antara stuffing box oleh packing pengikut ring. Konstruksi removable bundle
mengakomodasi ekspansi diferensial antara shell dan tube dan digunakan untuk
shell side servis di atas 600 lb/sq.in pada 600 F, tidak ada batasan bagi jumlah tube
side atau diatas tube side desain tekanan dan temperature.
Outside packed floating head exchanger ini merupakan tipe dari removable
bundle yang paling sering digunakan pada chemical plant. Skirt dari kepingan
floating tube kontak dengan cincin packing. Sebuah split shear ring disisipkan pada
floating tubesheet skirt.
Flotinf head cover biasanya adalah disk sirkular. Dengan jumlah ganjil dari
tube side pass, sebuah nozzle aksial bisa di install pada floatinf head cover.
Jika diinginkan sisi nozzle, disk sirkular diganti oleh dished head atau channel
barrel (sama seperti gambar 11-2f) dipasang antara floating head cover dan floatinf
tube sheet skirt.
Clearance antara diameter shell dan OTL adalah 7/8 in untuk diameter pipa
shell yang kecil dan 1 ¾ in untuk diameter pipa shell yang besar ,serta 2 1/16 in
untuk diameter plates shell moderat.
4.2. Internal Floating Head Exchanger (fig.11-2a)
Heat exchanger tipe ini secara khusus digunakan pada unit petroleum refinery.
Tube bundle bersifat removable dan floating tube sheet pindah (mengapung) untuk
mengakomodasi ekspansi diferensial antara shell dan tube. Outer Tube Limit (OTL)
memiliki limit mendekati diameter bagian dalam gasket pada floating tube sheet.
Clearance antara shell dan OTL adalah 1 1/8 in untuk shell pipe dan 1 7/16 in untuk
diameter plate shell moderat.
Sebuah split backing ring dan bolting biasanya memegang floating head cover
pada floatinf tube sheet dan diletakkan di seberang ujung shell dan dengan diameter
shell cover yang lebih besar. Shell cover, split backing ring dan floating head cover
harus dipindahkan sebelum tube bundle dapat dipindahkan melewati shell
exchanger. Dengan jumlah tube side pass yang genap, floating head cover kembali
menutupi fluid tube side.
4.3. Pull Through Floating Head Exchanger (fig.11-2e)
Konstruksi heat exchanger tipe ini sama dengan internal floting head split
backing ring exchanger, kecuali bahwa floatinf head coverdo bolt secara langsung
ke floating tube sheet. Tube bubdle dapat ditarik kembali dari shell cover ataupun
floating head cover. Hal ini mengurangi waktu yang diperlukan uintuk perawatan
inspeksi dan perbaikan.
Clearance besar antara tube dan shell mesti disiapkan untuk gasket dan
bolting di floating head cover. Clearance ini sekitar 2-2 ½ kali lebih besar
dibandingkan desain split ring.
V. TIPE-TIPE LAIN
a. Bayonet Tube Exchanger
Tipe exchanger ini berguna ketika terdapat perbedaan temperature yang mencolok
antara fluida shell side dan fluida tube side, dimana semua factor ekspansi
diferensial bebas berpindah satu sama lain.
Biaya operasinya tinggi, dengan hanya tube bundle luar saja yang mentransfer
panas ke fluida shell side. Outer tube dilengkapi dengan baffle konvensional atau
support plate.
b. Spiral Tube Exchanger
Terdiri dari sekumpulan coil spiral yang dihubungkan dengan manifold.
Alirannya counter current, eliminasi ekspansi diferensialnya sulit serta
kecepatannya konstan.
Ukuran tube :
Diameter luar ¼ in untuk 2,56 sq.ft exchanger
Diameter luar 3/8 in untuk luas permukaan exchanger 4,4 sq.ft
Diameter luar ½ in untuk ukuran yang lebih besar.
Diameter luar 5/8 dan ¾ in untuk ukuran terbesar.
c. Falling Film Exchanger
Falling film shell and tube heat exchanger dibangun dan dirancang oleh
Sack. Fluida masuk pada bagian puncak tube secara vertical. Distributor atau pipa
celah mengalirkan liquid dalam aliran film pada permukaan bagian dalam tube
dan jatuh ke dasar tube. Film tersebut dapat dipanaskan, didinginkan, dievaporasi,
dengan menggunakan media transfer atau perpindahan panas yang berada di luar
tube. Tube distributor dibangun untuk aplikasi luas. Desain fixed tube sheet,
dengan atau tanpa sambungan ekspansi (expansion joint) dan outside packed head
digunakan pada tipe ini.
Kelebihan pokok yang dimiliki :
Rate perpindahan yang tinggi ;
Tidak ada pressure drop internal ;
Waktu kontak yang pendek (sangat penting untuk material yang sensitive
terhadap panas)
Mudah dalam pembersihan tube ;
Pencegahan dari kelemahan suatu bagian ke bagian lainnya.
Penggunaaan falling film exchanger :
Liquid cooler dan condenser
Air kotor dapat digunakan sebagai media pendingin. Bagian puncak cooler
terbuka sehingga tube berhubungan lansung dengan atmosfer. Dengan mudah
dibersihkan tanpa menghentikan aktivitas kerja cooler dengan cara
memindahklan distributor dan mengelap tube.
Evaporator
Digunakan untuk bahan kimia yang sensitive terhadap panas, misalnya
ammonium nitrat, urea, dll, yang memerlukan waktu kontak yang singkat.
Kadangkala udara dimasukkan ke dalam tube untuk menurunkan tekanan
parsial liquid yang mmiliki titik didih yang tinggi. Evaporator ini dibuat untuk
udara bertekanan atau kondisi vakum dan dengan pemindahan vapor puncak
atau bottom.
Absorber
Memiliki system aliran 2 fase. Media pengabsorbsi diletakkan di aliran film
selama aliran jatuh ke bawah pada tube dan didinginkan oleh media pendingin
di bagian luar tube. Film akan mengabsorbsi gas yang masuk ke tube.
Operasi ini dapat berupa co current maupun counter current.
Freezer
Dengan cara mendinginkan falling film hingga titik bekunya. Exchanger tipe
ini akan mengkonversi bahan kimia menjadi fase solid. Aplikasi yang paling
umum adalah produksi es yang dibentuk dan para diklorobenzen. Pembekuan
selektif digunakan untuk mengisolasi isomer. Dengan melelehkan material
solid dan membekukan kembali dengan beberapa stage, akan diperoleh
produk dengan tingkat kemurnian yang tinggi.
d. Teflon Heat Exchanger
Teflon tube shell and tube heat exchanger dirancang dengan tube tang
terbuat dari resin teflon fluoro karbon. Dengan diameter luar tube 0,1 in dan
diameter dalam 0,08 in atau diameter luar tube 0,25 in dan diameter dalam tube
0,2 in. Tube terbesar digunakan dimana batas pressure drop atau partikel
mengurangi efektivitas 0,1 in. Heat exchanger ini secara umum beroperasi pada
pressure drop yang lebih tinggi daripada tipe heat exchanger yang lain dan terbaik
untuk digunakan pada fluida jernih.
Heat exchanger ini adalah tipe single pass, didesain untuk aliran counter
current dengan tube bundle yang removable.
Maksimum tekanan operasi untuk 0,1 in tube adalah 135 lb/sq.in
Maksimum temperature operasi adalah 350 F.
VI. ELEMENT TUBULAR
Banyak industri yang menggunakan angka yang luas dari double pipe
hairpins. Penggunaan ini bergantung keliling area dan juga angka yang mungkin
terjadi. Dimana luas permukaan HE diperlukan, yang sangat baik didapat dari
peralatan shell and tube.
Shell and tube diperluas dari sebuah tube menjadi banyak tube. Tube
biasanya dikemas dalam tube sheet seperti perrules menggunakan logam lembut
pengemasan cincin.
VI.1. HE Tubes
HE tubes sama seperti kondenser tube. Diameter luar HE atau
condenser tubes dinyatakan dalam inchi. HE tubes tersedia dalam berbagai
variasi logam seperti : steel, tembaga, admiralty, logam muntz, brass, 70 –
30 tembaga – nikel, campuran aluminium, aluminium, stainless steels.
Mereka biasanya tersedia dengan ketebalan dinding yang berbeda yang
didefinisikan oleh Birmingham Wire Gage (BMG) atau ukuran tube.
VI.2. Tube Pitch
Lubang tube tidak dapat dibor karena sangat kecil antara struktur
logam tube yang berdekatan. Jarak pendek antar dua lubang tube yang
berdekatan dijelaskan dan ini bukan standar yang baik. Tube pitch PT
adalah perpusatan terpendek jarak antara tube yang berdekatan. Pitch
umum ¾ in, OD 1 in. Untuk triangular ¾ in, OD 15/16 in.
VI.3. Shells
Shells dibuat dari pipa steel dengan diameter diatas 12 in (IPS). Diatas
12 dan dibawah 24 in, biasanya adalah diameter luar dan angka diameter
pipa sama. Standar kekerasan dinding untuk shells dengan diameter dalam
dari 12 – 24 in, 3/8 in, ini untuk operasi tekanan diatas 300 psi. Shell
diatas 24 in, diameter dalam dibuat dengan rolling steel plate.
VII. KONSTRUKSI TUBE SIDE DAN SHELL SIDE
VII.1. Konstruksi Tube Side
Tube side header / Stationary head
Tube side header terdiri dari satu atau lebih nozzle.
Bonnet (fig.11-1B)
Melekat pada shell. Bonnet ini dapat dipindahkan untuk menguji ujung tube. Pada
fixed tube sheet exchanger (gbr 11—2b) bonnet ada pada kedua ujung shell.
Channel (fig.11-1A)
Memiliki tutup channel yang removable. Ujung tube dapat diuji dengan
memindahkan tutup channel tanpa menganggu hubungan perpipaan ke nozzle
channel. Channel bisa dipasang ke shell seperti gambar 11-2a dan c. Channel tipe
C pada gambar 11-1 dilas ke tube sheet.
Special-high Pressure Closure (fig.11-1D)
Tutup channel removable diletakkan di tempat tekanan hidrostatik. Sementara
shear ring digunakan untuk mengabsorbsi gaya tepi. Untuk tekanan di atas 900
lb/sq.in desain ini lebih ekonomis dibandingkan konstruksi pasak.
Tube
Standar tubing heat exchanger adalah diameter luar 1/4, 3/8, ½, 5/8, ¾, 1, 1 ¼,
dan 1 ½ in. ketebalan dinding diukur dalam satuan Birmingham wire gage
(BWG). Karakteristik tubing terdapat pada tabel 11.2. yang paling banyak
digunakan pada pabrik kimia dan refinery petroleum adalah tube dengan diameter
luar ¾ in dan 1 in. Panjang tube standar adalah 8, 10, 12, 16,dan 20 ft. yang
paling umum digunakan adalah panjang 16 ft.
Manufacturing toleransi untuk steel, stainless steel dan alloy dari nikel. Tube-tube
jenis ini diproduksi pada ketebalan dinding rata-rata. Tube karbon steel memiliki
ketebalan dinding minimum 0-22 % di atas ketebalan dinding nominal. Dinding
tube rata-rata memiliki variasi ± 10 %, tube karbon steel hasil las memiliki
toleransi 0-18 % dinding minimum, ± 8 % untuk dinding rata-rata. Tube yang
terbuat dari aluminium, tembaga dan alloy-alloy mereka bisa digambar dengan
mudah dan biasanya dibuat untuk spesifikasi dinding minimum.
Finned tube yang terintegral, sesuai untuk berbagai variaisi alloy dan
ukuran, digunakan pada shell dan tube heat exchanger. Permukaan luarnya
mendekati 2 ½ kali dari permukaan luar tube polos dengan diameter luar yang
sama. Ujung dari diameter tube nominal disediakan, sedangkan panjang fin
adalah kurang dari diameter ini. Tube dapat disisipkan kedalam tube bundle
konvensional dan digulung atau di las ke tube sheet seperti juga digunakan untuk
tube polos. Digambarkan oleh gambar 11.5
Longitudinal fin
Umumnya digunakan pada double pipe heat exchanger. U_tube dan tube bundle
removable juga dibuat dari tubing ini. Rasio eksternal terhadap permukaan
internal adalah 10 atau 15 : 1.
Transverse fin
Digunakan pada gas bertekanan rendah. Aplikasi utama adalah pada air cooled
heat exchanger, tetapi shell and tube exchanger juga mengunakannya.
Rolled tube joint
Welded tube joint
VII.2. Konstruksi Shell Side
Ukuran shell
Shell exchanger biasanya terbuat dari standard-wall steel pipe dengan ukuran dan
diameter > 12 in, dari 3/8 in wall pipe in size dari 14-24 in dan dari steel plate
rolled pada ukuran yang lebih besar. Clearance antara Outer Tube Limit (OTL)
dan shell didiskusikan pada tiap konstruksi yang berbeda. Data ukuran tube untuk
Heat exchanger dapat dilihat pada tabel 11.3.
Kriteria desain digunakan untuk menentukan ukuran tube adalah sebagai berikut :
Tube dieliminir sehingga luas jalan masuk untuk nozzle sama
dengan 0,2 x diameter shell.
Layout tube adalah simetris untuk horizontal dan vertical.
Jarak antara diameter luar tube ke garis tengah dari partition
pass adalah 5 /16 in untuk diameter dalam shell < 22 in dan 3/8 in untuk shell
yang lebih besar.
VIII. PERHITUNGAN SHELL AND TUBE EXCHANGER
VIII.1. Perhitungan pada Baffled Shell and Tube Exchanger
Berdasarkan riset yang dilakukan oleh Cooperative Research Program on
Shell and Tube Heat Exchanger :
1. Jumlah total tube pada exchanger, Nt
Jika tidak diketahui langsung , maka lihat di table 11.3
2. Jumlah baris tube berseberangan di satu aliran, Nc :
3. Fraksi tube total di alir lintang Fc :
Fc diplot pada gambar 10.16
4. Jumlah baris crossflow efektif di tiap jendela, Ncw :
5. Area crossflow di atau dekat garis tengah untuk satu crossflow, Sm :
a. Untuk rotasi atau persegi layout :
b. Untuk triangular :
6. Fraksi crossflow area sesuai dengan aliran by-pass, Fbp :
7. Tube to baffle leakage area for one baffle, Stb :
8. Shell-to-baffle leakage area for one baffle, Ssb :
Nilai adalah dalam radians, antara 0 dan
9. Area for flow through window, Sw :
Dimana :
Swg diplot di gambar 10.18
10. Diameter ekivalen dari window Dw (hanya jika alirannya laminar, (NRe)s ≤
100 )
Dengan sebagai sudut baffle out
11. Jumlah baffle, Nb :
Dimana :
Do : diameter luar tube (in)
Ds : diameter dalam sel (in)
Dotl : diameter shell outer tube limit (in)
Lc : baffle cut (in)
L : panjang tube (ft)
Pp : pitch parallel to flow (in)
Pn : normal
P’ : tube pitch (in)
VIII.2. Perhitungan Koefisien Transfer Panas Shell-Side
1. Bilangan Reynold Shell side, (NRE)s :
Dimana :
W : weight flow rate, lb-mass/hr
: viskositas pada temperature bulk, lb-mass/ft.hr
2. Koefisien heat transfer shell side untuk ideal tube bank, hk :
Hk dalam satuan Btu/hr.ft2.oF
Dimana :
c : spesifik heat (Btu/lbm.oF)
k : konduktivitas termal (Btu/hr.ft.oF)
: viskositas (lbm/ft.hr) : factor ideal tube bank, diplot dari gambar 10.19
Koefisien perpindahan panas luar tube bundle ditunjuk sebagai koefisien shell-
side. Ketika tube bundle mempekerjakan baffle langsung dengan fluida shell side
yang melewati tube dari puncak ke bawah atau dari satu bagian ke bagian lainnya,
koefisien perpindahan panas lebih tinggi daripada untuk aliran yang tidak diganggu
selama operasi tube. Koefisien perpindahan yang lebih besar dihasilkan dari
peningkatan turbulansi. Pada puncak triangular sama ditemukan turbulansi yang lebih
besar karena fluida mengalir antara tube yang berdekatan pada kecepatan tinggi
langsung mengenai baris yang berturut-turut. Ini akan mengindikasikan bahwa, ketika
pressure drop dan kemampuan membersihkan adalah konsekuensi shell-side film
yang tinggi. Dengan kasus aktual ini dan di bawah kondisi aliran yang dapat
disamakan dan ukuran koefisien tube untuk puncak triangular dengan berat 25 %
lebih besar daripada pitch persegi.
Beberapa faktor yang tidak dipertimbangkan dalam chapter pendahuluan
mempengaruhi perpindahan panas rata-rata pada shell side. Panjang sebuah bundle
dibagi oleh 6 baffle. Semua aliran fluida menyebrangi bundle 7 kali. Jika 10 baffle
diinstal pada panjang baffle yang sama, maka total bundle disilangkan 11 kali, tempat
penutup menyebabkan turbulansi lebih besar. Pada penambahan untuk efek koefisien
baffle spacing the shell-side juga dipengaruhi oleh tipe puncak, ukuran tube,
kebersihan dan karakteristik aliran fluida. Oleh karena itu, ada yang tidak benar,
daerah aliran dimana kecepatan massa shell side dapat dihitung, sejak daerah aliran di
variasi menyilangi diameter bundle dengan tingkat kebersihan tube yang berbeda
pada masing-masing baris longitudinal tube. Perolehan korelasi untuk fluida yang
mengalir dalam tube jelas tidak dapat diaplikasikan untuk fluida yang mengalir pada
tube bundle dengan baffle segmental dan ini diperoleh dari experiment.
Bagaimanapun, dalam pembuatan sebuah metode korelasi bentuk faktor perpindahan
panas : vs diperoleh, dalam persetujuan
dengan sugesti Mc Adams, tetapi menggunakan nilai khayalan untuk diameter
ekuivalen De dan kecepatan massa Gs.
Untuk harga Re dari 2000 – 1.000.000, data dihadirkan dengan persamaan :
Dimana , , dan ditentukan. Perhitungan dengan metode Colburn dan
Short dan data test Brein dach dan O`Connell pada no. komersial HE. Ini akan
diobservasi bahwa tidak ada penghentian pada bilangan Reynold 2100 seperti yang
terjadi pada fluida dalam tube. Perbedaan diameter equivalent yang digunakan dalam
korelasi data shell dan tube menghilangkan perbandingan antara fluida yang mengalir
dalam tube dan yang menyeberangi tube pada basis bilangan Reynold sendiri. Semua
data menunjukkan aliran turbulen.
VIII.3. Perhitungan Pressure Drop Shell Side
1. Faktor fk
Diperoleh dari kurva faktor friksi ideal tube bank pada gambar 10.25a dan
10.25b.
2. Presssure drop untuk ideal cross flow :
= lbforce/in2
3. Pressure drop untuk window section yang ideal :
a. Jika (NRE)s ≥ 100
b. Jika (NRE)s < 100
Pressure drop yang melalui shell pada sebuah exchanger sebanding dengan waktu
fluida yang melewati bundle diantara baffles. Modifikasi pers (3.44) telah didapat
dengan menggunakan produk dari jarak yang melewati bundle, mengambil diameter
bagian dalam dari shell Dx (ft) dan waktu untuk melewati bundle, N + 1, dimana N
adalah jumlah baffle, L = panjang tube (ft).
Jumlah crosses, N + 1 = panjang tube (in) / jarak baffle (in) = 12 x L/B ……..(7.43)
Jika panjang tube 16’0” dan jarak baffle 18 in maka akan terdapat 11 crosses atau 10
baffle. Diameter ekuivalen yang digunakan untuk menghitung pressure drop sama
untuk heat transfer, dimana gesekan tambahan shell diabaikan. Pers. Isothermal untuk
pressure drop dari fluida yang dipanaskan atau didinginkan dan termasuk entrance
dan exit losses adalah :
Ket : s = specific gravity
ΔPs = pressure drop (lb/ft2) atau (lb/in2)
VIII.4. Perhitungan Pressure Drop Tube Side
Sieder dan Tate telah menghubungkan factor friksi untuk fluida yang dipanaskan
atau didinginkan dalam tube. Mereka memplotnya dalam banyak dimensional dan
digunakan dalam persamaan :
Dimana :n = bil. tube yang dilewati
L = panjang tube
Ln = total panjang dalam ft
Deviasi tidak diberi, tetapi kurva disetujui oleh Tubular Exchanger Manufacturers
Association. Dalam aliran dari satu bagian ke bagian berikutnya pada saluran dan
floating head arah perubahan fluida dengan tiba-tiba 180o, daerah aliran diperoleh
dalam saluran dan floating head cover harus kurang dari kombinasi daerah aliran tube
dalam single pass. Perubahan arah dimasukkan pada tambahan pressure drop ΔP t, dan
dihitung untuk kecepatan 4 head per pass. Kecepatan head V2 / 2g’ diplot terhadap
kecepatan massa untuk fluida dengan spesifik gravity 1 dan return losses untuk
beberapa fluida akan menjadi :
Dimana : V = kecepatan, fps
s = spesifik gravity
g’ = percepatan gravitasi, ft/sec2
Total pressure drop tube side ΔPT akan menjadi :
VIII.5. Kecepatan Massa Shell Side
Kecepatan linier dan kecepatan massa fluida berubah secara terus-menerus
menyeberangi bundle, sejak lebar shell dan no tube bervariasi dari 0 pada puncak dan
bawah sampai maximum pada pusat shell. Lebar daerah aliran dalam korelasi diambil
pada hipotesis baris tube yang memiliki daerah aliran maximum dan cocok untuk
pusat shell, panjang daerah aliran diambil sama untuk tempat baffle B. Puncak tube
dijumlahkan dari diameter tube dan pembersihan C`. Jika diameter dalam shell dibagi
oleh puncak tube, ia memberikan sebuah khayalan, tetapi tidak diperlukan integral.
Sebenarnya dalam kebanyakan layout, tidak ada baris tube yang melalui pusat
malahan 2 baris maximum sama pada salah satu bagian pada tube yang lebih sedikit
pada perhitungan pusat. Penyimpangan ini diabaikan.Untuk masing-masing tube atau
fraksi ada anggapan C’ X 1 m2 dari daerah crossflow perinci dari baffle. Shell side
atau bundle crossflow area as diberikan oleh:
Dan kecepatan massa adalah :
VIII.6. Diameter Ekuivalen Shell-Side
Dari definisi, radius hidraulik sama untuk daerah equivalent lingkaran menjadi
daerah yang saluran alirannya tidak melingkar dengan konsekuensi pada alat di sudut
kanan untuk aliran langsung. Radius hidrolik digunakan untuk mengkorelasi
koefisien shell-side untuk bundle yang mempunyai baffle yang tidak benar radius
hidroliknya. Aliran langsung dalam shell adalah bagian yang panjang dan bagian
sudut kanan untuk panjang yang memotong tube dari bundle. Daerah aliran pada
sudut kanan untuk panjang yang memotong adalah variable dari baris tube ke baris
tube. Radius hidrolik didasarkan pada daerah aliran yang melewati baris yang tidak
dapat dibedakan antara square dan puncak triangular. Untuk memperoleh korelasi
sederhana kombinasikan ukuran dan kedekatan tube dan tipe puncak mereka,
persetujuan yang baik diperoleh jika radius hidrolik dihitung sepanjang panjang tube
yang menyilang. Diameter equivalent untuk shell diambil sebagai 4x Radius hidrolik
yang diperoleh untuk pola/contoh layout pada shell tube. Dirumuskan :
Atau :
Dimana adalah puncak tube dalam inchi dan diameter luar tube dalam
inchi. Perimeter basah dari element yang cocok untuk ½ tube :
Ini akan memperlihatkan bahwa metode evaluasi radius hidrolik dan diameter
akuivalen ini tidak membedakan antara persentase relative aliran sudut yang benar ke
aliran aksial. Ini mungkin menggunakan shell yang sama, untuk mempunyai
kecepatan massa yang sama, diameter equivalent dan bilangan Reynold
menggunakan kuantitas fluida yang besar dan puncak baffle yang luas atau kuantitas
fluida yang kecil dan puncak baffle yang kecil, meskipun proporsi aliran sudut yang
benar dan aliran aksial berbeda. Rupanya, dimana range puncak baffle dibatasi antara
diameter dalam dan 1-5 diameter dalam shell, signifikan dari kesalahan yang tidak
terlalu besar untuk korelasi yang diizinkan.
VIII.7. Perbedaan Temperatur (Δt) pada 1-2 Exchanger
Tipe plot temperature Vs panjang untuk sebuah exchanger yang mempunyai 1
jalan shell dan 2 jalan ditunjukkan untuk susunan nozzle yang terindikasi relatif untuk
fliuda shell, 1 jalan tube pada counterflow dan yang lain pada aliran paralel. 1-2
exchanger adalah kombinasi dari aliran proses secara counter flow dan parallel flow.
LMTD untuk counter flow atau parallel flow sendiri tidak bisa menyebabkan
perbedaan temperature untuk penyusun parallel flow-counter flow. Malahan ini
dibutuhkan untuk mengembangkan sebuh persamaan baru untuk perhitungan
perbedaan temperature efektif Δt untuk mengantikan counter flow LMTD. Metode
yang dikembangkan disini adalah modifikasi turunan dari underwood dan dihadirkan
dibentuk terakhir oleh Nagle dan Bowman, Mueller dan Nagle.Temperatur fluida
shell dapat dihadirkan dalam dua variasi, yang dihasilkan dari inlet menuju outlet,
melewati tube bundle beberapa kali dalam perkembangannya :
1. Terlalu turbulen menyebabkan fluida shell bercampur sempurna pada panjang x
dari inlet nozzle.
2. Sedikit turbulen menyebabkan adanya temperatur atmosfer selektif disekitar tube
dari masing- masing tube yang dilewati sendiri-sendiri.
Baflle dan turbuler alami dari aliran component yang melewati bundle menunjukkan
eliminasi (2) sehingga (1) diambil sebagai asumsi pertama untuk turunan dari
perbedaan temperatur dalam 1-2 exchanger. Asumsinya adalah :
1. Temperatur fluida shell adalah temperature rata-rata isotermal pada beberapa
cross section.
2. Ada sejumlah permukaan panas yang sama di masing-masing pass.
3. Koefisien overall di heat transfer adalah konstan.
4. Laju aliran masing-masing fluida adalah konstan.
5. Panas spesifik masing-masing fluida adalah konstan.
6. Tidak ada perubahan fase dari evaporasi atau kondensasi dibagian
exchanger.
7. Heat loses diabaikan.
Heat Balance Overall, dimana Δt adalah perbedaan temperatur adalah :
T = temperature fluida shell pada beberapa cross section dari shell L = X
diantara L = 0 dan L = L. tI dan tII mewakili temperature tube passes I dan II dan pada
cross section yang sama sebagai T. a” adalah permukaan luar per kaki dari
panjangnya. Dalam permukaan incremental dA = a” dL, temperature shell berubah
menjadi – dT pada area dA.
Tetapi pada persamaan ini, T, tI, dan tII, tergantung variabel. Heat balance dari L = X
menuju fluida panas inlet adalah :
Dan Heat Balance per pass :
Bagi pers (7.13) dengan pers (7.12) :
Eliminasi tII dan dtII dari pers (7.11) dan pers (7.13) :
Diferensiasi pers (7.15) dengan fluida panas inlet T1 konstan :
Substitusi ke pers (7.14) dan disusun kembali :
Sejumlah variabel di pers (7.15) telah dikurangi dari 3 (T, tI, tII) menjadi 2 (T dan tI).
Ini dibutuhkan untuk mengeliminasi T atau tI. Penyederhanaan dengan menggunakan
parameter dari double pipe exchanger menghasilkan :
Disusun kembali, pers (7.8) :
Disederhanakan dan substitusi WC = wc / R :
Diferensiasi terhadap A :
Substitusi pers (7.12) dan (7.13) :
Ketika perubahan panas sensible, ada perbandingan langsung antar persentase dari
peningkatan temperature (penurunan) dan Q.
Atau :
Diferensiasi lagi yang mengacu kepada A :
Penyelesaian dari pers. ini akan ditemukan / didapatkan dalam beberapa pers.
Diferensial standar. Persamaannya adalah :
Ketika T = T2, A akan meningkat dari 0 sampai A dan penyelesaian dari pers (7.24)
K1 = T2 sehingga pers. (7.26) menjadi :
Logaritma kedua sisi dan disederhanakan :
Diferensiasi pers. (7.26) :
Substitusi nilai dT/dA dari pers. (7.19) dan ketika A = 0, tI = t1, tII = t2 dan T = T1, tI +
tII = t1 + t2.
Dari pers. (7.26) pada A = 0 dan T = T1 dan K1 = T2 :
Kalikan kedua sisi dari pers. (7.31) dengan :
Tambahkan pers. (7.31) dan (7.32) dan selesaikan untuk K3 :
Kembalikan ke pers. (7.31) :
Ketika R = (T1 – T2) / (t2 – t1) :
Bagi dengan T1 – t1 dan substitusi S = (t2 – t1) / (T1 – t1) dan 1 – S = (T1 – t2) / (T1 –
t1) :
Substitusi dalam pers. (7.28) :
Pers. (7.37) adalah hubungan untuk perbedaan temperature untuk 1-2 paralel flow-
counter flow. Bagaimana perbandingannya dengan LMTD untuk counter flow pada
temperature prises yang sama ? Untuk Counter flow :
Rasio dari perbedaan temperature untuk LMTD adalah :
Fraksional rasio dari perbedaan temperature untuk LMTD FT :
Pers. Fourier untuk 1-2 exchanger dapat ditulis :
Ketika sebuah exchanger mempunyai 1 shell pass dan 4, 6, 8 atau lebih tube
passes seperti 1-4, 1-6 atau 1-8 exchanger, pers. (7.10) menjadi :
Untuk 1-4 exchanger :
Untuk 1-6 exchanger :
Ini dapat menunjukkan bahwa nilai FT untuk 1-2 dan 1-8 exchanger kurang
dari 2 % bagian dan umumnya cenderung berkurang. Akan tetapi, ini biasanya untuk
meggambarkan beberapa exchanger yang punya 1 shell pass dan 2 atau lebih
sejumlah tube passes dalam parallel flow-counter flow sebagai 1-2 exchanger dan
untuk menggunakan nilai dari FT didapat dari pers. (7.41). Alasan FT akan berkurang
dari 1,0 umumnya karena kenyataan bahwa tube passes dalam parallel dengan fluida
shell tidak mengkontribusi perbedaan temperature secara efektif dalam counter flow
dengan ini.
Prakteknya untuk menggunakan 1-2 exchanger sewaktu-waktu faktor koreksi
FT dihitung untuk menjadi kurang dari 0,75. Ketika 1-2 exchanger adalah kombinasi
dari counter flow dan parallel flow, maka diharapkan outlet dari satu aliran proses
tidak dapat mendekati inlet. Pada kenyataannya, umumnya dalan peralatan parallel
flow-counter flow, T2 – t2 disebut Approach (pendekatan), dan jika t2 > T2 maka t2 –
T2 disebuit temperature cross.
VIII.8. The Analysis of Performance in an Existing 1-2 Exchanger
Ada 3 point penting dalam menentukan kecocokan exchanger yang ada untuk
servis baru, yaitu :
1. Berapa koefisien pembersihan Uc yang dijalankan oleh 2 fluida sebagai hasil
aliran mereka dan koefisien film individu hio dan ho ?
2. Dari heat balance Q = wc (T1 – T2) = wc (t2 – t1), diketahui permukaan A dan
perbedaan temperatur untuk nilai T proses design atau koefisien kotor ,
diperoleh UD. UC harus melebihi UD secukupnya lalu factor dirty , yang mana
pengukuran kelebihan permukaan akan diizinkan operasi exchanger untuk
periode servis yang pantas.
3. Pressure drop yang dibolehkan untuk 2 aliran mungkin tidak dilebihkan.
XI. BAFFLE AND BUNDLE TUBE
Bundle tube adalah bagian yang paling penting dari tubular heat exchanger.
Secara umum, bagian HE ini merupakan komponen yang paling mahal dan yang
paling mudah terkorosi. Tube sheet, baffle atau plate pendukung, tie rod dan biasanya
spacer melengkapi bundle ini.
Baffle membuat hasil koefisien perpindahan panas tinggi ketika liquid dalam
keadaan turbulen. Penyebab ini bergantung ketika turbulen dimana kuantitas liquid
kecil mengalir di shell. Jarak pusat baffle disebut baffle pitch atau baffle spacing.
Kecepatan massa tidak bergantung pada diameter shell. Baffle spacing biasanya tidak
lebih besar daripada jarak yang sama dengna diameter dalam shell atau jarak yang
sama 1 -5 diameter dalam shell.
Minimum baffle spacing, umumnya 1/5 dari diameter shell dan tidak kurang
dari 2 in. Baffle disediakan untuk tujuan perpindahan panas. Saat shell side bafflenya
tidak sesuai lagi untuk tujuan transfer panas, misal pada condenser atau reboiler,
maka perlu ditambhakan pendukung tube.
Jenis-jenis baffle :
a. Segmental Baffle
Segmental atau cross flow baffle adalah standar baffle. Baffle jenis ini lebih
umum digunakan. Segmental baffle melubangi plate dengan tinggi 75 % dari
diameter dalam shell. Baffle cut dinyatakan sebagai rasio antara panjang segmen /
bagian pembuka dengan diameter dalam shell. Cross flow baffle dengan cut
horizontal ditunjukkan oleh gambar 11.2 a, b, c dan f. perencanaan ini tidak
sesuai untuk kondenser horizontal, karena kondensat bisa jadi ditrap antara baffle
atau untuk fluida kotor dimana kotorannya mau dikeluarkan.
Vertikal cut baffle digunakan untuk side-to-side flow di HE horizontal
dengan fluida kondensasi atau fluida kotor. Pada umumya tube dibuat / dirancang
triangular equilateral. Tube dibuat persegi biasanya digunakan untuk tujuan
pembersihan mekanik pada removable bundle exchanger. Maximum baffle cut
adalah dibatasi hingga 50 % sehingga setiap pasangan baffle dapat / akan
mendukung tiap tube. Bundle tube umumnya dilengkapi dengan baffle cut.
Maximum shell-side heat transfer rate pada konveksi paksa oleh cross flow fluida
pada sudut kanan tube.
b. Orifice Baffle
Orifice baffle yang menutupi seluruh cross section daripada shell adalah
disediakan dengan oversize tube hole dan flow (lubang dan aliran tube). Desain
ini dibatasi untuk membersihkan fluida dan tidak dipakai secara umum.
c. Disk and Doughnut Baffle
Disk and Doughnut Baffle adalah baffle yang jarang digunakan. Baffle disk
berbentuk sirkular dan dengan diameter sama dengan atau lebih besar sedikit
daripada doughnut. Fluida shell side mengalir melewati baffle doughnut dan
kemudian bergerak secara radikal ke bundel tube dan sekitar baffle disk.
d. Window Cut Baffle
Window Cut Baffle umumya dibuat terdiri dari 3 dalam 1 kelompok. Desain
ini dimaksudkan untuk mengurangi pressure drop shell side.
e. Tie Rods and Spacer
Tie rod digunakan untuk melekatkan baffle pada tempatnya dengan spacer,
yang mana adalah potongan pipa atau tube yang dilekatkan pada rod untuk
diletakkan pada baffle. Kadangkalanya baffle dilas ke tie rod dan spacer dibuang.
Tie rod dan spacer ini berguna untuk melekatkan bundle bersama-sama untuk
mengurangi by passing tube.
Pada unit fixed-tube-sheet yang sangat besar, dimana konsentisitas shell
menurun, kadang kala baffle dilass ke shell untuk mengurangi by passing antara
baffle dan shell. Bahan baffle adalah logam standar. Kadang-kadang digunakan
baffle plastik untuk mengurangi korosi atau pada vibrasi, dimana logam bisa
memotong tube.
f. Impingement Baffle
Bundle (tumpukan) tube umumnya dilindungi untuk melawan tumbukan
dengan memasukkan fluida pada shell inlet nozzle ketika shell side fluida
dikondensasi atau mengandung bahan-bahan abrasive (keras) atau yang masuk
dengan kecepatan tinggi. Area jalan masuk minimum di sekitar nozzle umumnya
sama dengan area inlet nozzle. Bundle penuh tanpa beberapa perlengkapan untuk
shell inlet nozzle area dapat meningkatkan kecepatan fluida inlet sekitar 300 %
dengan resiko kehilangan tekanan. Impingement baffle (baffle tubrukan)
berbentuk datar atau bengkok, solid atau berlubang. Impingement baffle atau
rencana distribusi aliran disarankan axial tube–side nozzles, ketika kecepatan
masuknya tinggi.
g. Tube Bundle by Passing
Laju perpindahan panas shell side akan max ketika by passing tube bundle
bernilai minimum. Clearance (pembersihan) antar baffle dan shell akan
mengakibatkan kebocoran fluida shell side. By passing akan menambah
permukaan yang diperlukan untuk memanaskan atau mendinginkan fluida
viscous. Dibawah kondisi ideal tube dirancang pada pitch kontinyu dari sisi ke
sisi shell, tetapi rancangan ini tidak digunakan di industri.
XII. KOROSI PADA HEAT EXCHANGER
Material konstruksi
Material konstruksi yang paling umum untuk heat exchanger adalah karbon
steel. Stainless steel digunakan sebagai material konstruksi HE untuk pabrik
kimia, tapi jarang digunakan untuk petroleum refinery. Beberapa exchanger
dibuat dari material logam yang tidak sama, lihat table 11.4.
Alloy-alloy yang digunakan pada pabrik petrokimia dan kimia adalah
stainlees steel tipe 300, nikel, monel, alloy tembaga, aluminium, inconel, stainless
steel tipe 400, dll.
Pada petroleum refinery digunakan alloy tembaga pada tempat pertama dan
low-alloy steel di tempat kedua. Tube side pada HE yang digunakan untuk servis
air terbuat dari berbagai variasi material seperti karbon steel, alloy tembaga, cast
iron, lead lined, dll.
Bimetallic Tubes
Untuk menghindari terjadinya korosi, maka tidak diperbolehkan
menggunakan alloy tunggal pada tube, disarankan menggunakan bimetal
(duplex). Bimetal bisa dibuat dari hampir semua kombinasi logam. Material yang
sesuai aplikasi ASTM adalah material yang lebih keras berada di bagian luar
sedangkan material yang lebih halus berada di bagian dalam tube. Untuk
menghindari akibat dari galvanic, material tube bagian luar dapat distripped dari
ujung tube dan digantikan dengan ferrule (tongkat) dari material tube bagian
dalam.
Clab Tube Sheet
Biasanya tube sheet dan bagian HE yang lain terbuat dari logam solid clad
atau bimetallic tube sheet digunakan untuk mengurangi biaya dan serta karena
tidak ada logam tunggal yang dapat mengatasi kondisi korosif.
Material alloy (stainless steel, monel) biasanya digunakan sebagai material
backing dari karbon steel. Clad material disiapkan dengan cara teknik bonding,
contohnya :
Involve rolling, heat treatment, dll.
Weld overlay process
Brozing technique.
Konstruksi Non-metallic
Shell and tube exchanger dengan glass tube menyediakan luas permukaan
13,5 atau 60 ft2 dengan ¾ in dengan tebal dinding 0,030 in dengan panjang tube
118 ¼ in. Shell dapat dari pipa baja atau glass.
Grafit Tahan Air
Peralatan grafit tahan air heat exchanger dibuat dalam bentuk yang
bervariasi, termasuk outside-packed-head-shell and tube exchanger. Mereka
dibuat dengan tube grafit tahan air dan tube-side headers dan metallic shells.
XIII. PENYUSUNAN SHELL SIDE
One pass shell (fig 11.1 E) adalah penyusunan yang paling umum digunakan.
Kondenser untuk vapor komponen tunggal seringkali nozzle-nya diletakkan di
tengah shell untuk kondisi vacuum dan steam servis. Baffle solid longitudinal
akan membentuk two pass shell (fig 11.1 F). Bisa jadi diisolasi untuk
memperbaiki efisiensi termal. Two pass shell bisa memperbaiki efisiensi termal
sehingga mengurangi biaya lebih baik dibandingkan two shell dalam keadaan
seri.
Split Flow (fig 11.1 G)
Baffle longitudinal bisa jadi solid atau perporated.
Double Split Flow (fig 11.1 H)
Divided Flow Design (fig 11.1 J)
Secara mekanik hampir sama dengan one pass shell, tetapi ada penambahan satu
nozzle. Digunakan untuk pressure drop yang rendah.
Kettle-Type Reboiler (fig 11.1 K)
Saat vaporisasi atau penguapan terjadi di shell side, terjadi pemisahan vapor dan
liquid diatas bundle tube dan kapasitas gelombang di luar, dekat tutup shell.
BAB 3
PENUTUP
3.1. Kesimpulan
- Size and type Shell and Tube Heat Exchanger ditentukan oleh ukuran,
diameter, panjang dan tipe.
- Pertimbangan design umum Heat Exchanger meliputi pemilihan bagian
aliran, kode konstruksi dan pengujian.
- Tipe-tipe pokok Shell and Tube Heat Exchanger antara lain Fixed-Tube-Sheet
Heat Exchanger, U-Tube Heat Exchanger, Packed-Latern-Ring-Excahnger,
Out side Packed Floating Heat Exchanger, Internal Floating Heat Exchanger
dan Pull-Through-Floating Heat Exchanger.
- Kriteria design yang digunakan untuk menentukan ukuran tube:
# Tube dieliminir sehingga luas jalan masuk untuk nozzel = 0,2. diameter
sheel.
# Lay out tube simetris untuk horizontal dan vertical.
# Jarak antara diameter luar tube ke diameter dari partition pass = 5/6 in,
untuk diameter dalam Sheel < 22 in dan 3/8 in untuk Sheel yang lebih
besar.
- Jenis-jenis baffle adalah segmental baffle, orifice buffle, disk and doughnut
baffle, window out baffle, tie rods and spacer, impingement baffle and
tube bundle by passing.
3.2. Saran
- Tipe Heat Exchanger yang digunakan sebaiknya disesuaikan dengan proses
yang akan dilakukan dan fluida yang digunakan.
- Untuk menghindari terjadinya korosi, maka jangan menggunakan alloy
tunggal pada tube, tapi gunakanlah bimetal.
- Untuk menghindari akibat dari galvanic, material tube bagian luar dapat
distripped dari ujung tube dan digantikan dengan ferrule/tongkat dari material
tube bagian dalam.
DAFTAR PUSTAKA
Kern, D.Q. 1984. PROCESS HEAT TRANSFER. New York : Mc. Graw Hill.
Perry, RH and Chiton.1984. CHEMICAL ENGINEERING HAND BOOK. Mc Graw
Hill Kogakusha Ltd. Tokyo.
Warren L. Mc. Cabe, Julian C. Smith and Peter Harriot. 1993. OPERASI TEKNIK
KIMIA. Jakarta : Erlangga.
Welty, J.R. 1984. FUNDAMENTAL OF MOMENTUM, HEAT AND MASS
TRANSFER. New York : John Wiley and Sons Inc.
Peters, Max. PLANT DESIGN AND ECONOMICS FOR CHEMICAL
ENGINEERS
FOURTH EDITION. New York : Mc. Graw Hill Book Company.