Kern, Chapter 7-9, 11 Abdul Wahid Surhim

Transkripsi

1 Kern, Chapter 7-9, 11 Abdul Wahid Surhim

2 Pengantar Pemenuhan banyak pelayanan industri memerlukan penggunaan DOUBLE-PIPE HAIRPIN HE Jika memerlukan permukaan perpindahan panas yang besar, maka yang terbaik adalah SHELL-AND-TUBE HE

3 Unsur Berbentuk TABUNG Tipe 1 (Tube roll): tube ditempatkan di bagian dalam lubang tube dan tube roller disisipkan di ujung tube Tipe 2 (Ferrule): tube dibungkus dalam tube sheet menggunakan soft metal packing ring

4 Bahan Konstruksi Tube 1. Baja 2. Tembaga 3. Admiralty 4. Muntz metal 5. Kuningan 6. Tembaga-nikel Perunggu alumunium 8. Alumunium 9. Baja stainless

5 BWG (Birmingham Wire Gage) Ini merujuk ke pengukur tube (gage of the tube) Berbeda BWG akan berbeda ketebalan tube Dalam pipa disebut SCHEDULE Tabel 10 menunjukkan berbagai ukuran tube

6 Tube OD BWG ID

7 Tube Pitch (Pola Sunanan Tube) Jarak terdekat antara dua lubang tube yang berdampingan disebut CLEARENCE atau LIGAMENT TUBE PITCH (P T ) adalah jarak terdekat pusat-ke-pusat antara tube-tube yang berdampingan Kelebihan pola kotak (square pitch) Adanya akses untuk pembersihan eksternal P rendah

8 SHELL Shell dibuat dari pipa baja Ketebalan dinding standar untuk shell dengan ID in. adalah 3/8 in. Pada jenis ini tekanan operasi bagian shell bisa sampai 300 psi Ketebalan dinding yang lebih besar mungkin didapatkan untuk tekanan yang lebih tinggi Shell yang IDnya di atas 24 in. dibuat dari lempengan baja gulung

9 Stationary Tube-sheet Exchanger Jenis HE yang paling sederhana adalah fixed or stationary tube-sheet exchanger 1. Shell 2. Dilengkapi dua nozzle dan memiliki tube-sheet dan kedua ujungnya 3. Flens untuk pengaitan dua saluran 4. Penutup saluran 5. Baffle 6. Baffle spacer

10 Baffle Koefisien perpindahan-panas akan tinggi jika alirannya dijaga pada keadaan turbulen Itulah fungsi baffle Bahkan saat jumlah cairan yang melalui shell sedikit, turbulensi bisa terjadi karena adanya baffle Jarak tengah-ke-tengah antar-baffle disebut baffle pitch atau baffle spacing Baffle spacing biasanya tidak lebih besar dari pada jarak yang sama dengan diameter dalam dari shell atau lebih mendekati dari pada jarak yang sama denan 1/5 diameter dalam dari shell

11 Jenis-jenis Baffle

12 Fixed-tube-sheet Exchanger

13 Tata Letak Tube

14 Packed-Floating Head dan U-bend Exchanger

15

16 INPUT 1. Kondisi proses a) Hot fluid : T 1, T 2, W, c, s,, k, R d, P b) Cold fluid : t 1, t 2, w, c, s,, k, R d, P 2. Data HE a) Shell : ID, baffle spacing, pass b) Tube : Jumlah dan panjang, OD, BWG, dan Pitch, pass

17 Tube OD BWG ID

18 1. Neraca Energi Q WC T T w. c t t Beda Suhu Sebenarnya ( t) (F T dari Fig. 18) t LMTD. F T R T t 1 2 T t 1 2 dan S t T 2 1 t t 1 1

19 LMTD log ln t t t t t t t t LMTD T 1 T 2 t 1 t 2 t 1 t 2

20 FT

21 Suhu Kalorik Suhu Kalorik untuk FLUIDA PANAS Suhu Kalorik untuk FLUIDA DINGIN F c adalah faktor suhu kalorik pada (Fig. 17 Kern) T T F T T c c t t F t t c c c c h c U U U K

22 Fc

23 3. Perhitungan h o dan h io SHELL, HOT FLUID TUBE, COLD FLUID Flow Area: a S ID. C'. B 144P ID dan a t (Table 10) T Mass velocity: G D e (diameter ekuivalen) dari Fig. 28 Viskositas: (Fig. 14 pada T c ) x 2.42 (konversi ke lb/(ft)(hr)) s w a s Flow Area: Mass velocity: Viskositas: (Fig. 14 pada T c ) x 2.42 (konversi ke lb/(ft)(hr)) a t ' N tat 144n G t w a t

24 Diameter Ekuivalen

25 3. Perhitungan h o dan h io Re: SHELL, HOT FLUID Re j H diperoleh dari Fig. 28 k a (konduktivitas) diperoleh dari Table 4 (LIQUID) atau Table 5 (GAS) h o (koefisien film): ho j H s k D e DeG s c k s 1/ 3 Re: TUBE, COLD FLUID j H diperoleh dari Fig. 24 pada L/D jika Re kecil Re k (konduktivitas) diperoleh dari Table 4 (LIQUID) atau Table 5 (GAS) h i (koefisien film): t hio hi ID OD DG t t hi j H k D c k 1/ 3

26 3. Perhitungan h o dan h io SHELL, HOT FLUID Suhu dinding w pada t w TUBE, COLD FLUID w pada t w 0.14 w o io o c w h h h t t o o h h 0.14 w io io h h

27 j H (Tube-side)

28 j H (Shell-side)

29 Konduktivitas panas: LIQUID

30 Konduktivitas panas: GAS

31 4. Perhitungan U, A dan Rd U A U R C D h h d CALC io io a". L. N Q A ho h o T t UC U U U C D D

32 5. Pressure Drop (< 10 psi) SHELL, HOT FLUID Hitung f (Fig. 29) Specific gravity, s (Table 6, Fig. 6) Jumlah crosses, N+1 = 12L/B P s fg 2 s D s N 1 e D s s TUBE, COLD FLUID Hitung f (Fig. 26) Specific gravity, s (Table 6, Fig. 6) Hitung P t : Hitung P r : 2 V dari Fig. 27 2g' 4n P r s 2 V 2g' P Pressure Drop: t fg t Ln 10 Ds t P T = P t + P r

33 Specific Gravity (s)

34 Friksi (f) Figure 29

35 V 2 /2g Fig. 27

36 Contoh 7.3

37 Contoh 7.4

38 Bab 8 PENGATURAN ALIRAN UNTUK MENAIKKAN PEROLEHAN KEMBALI PANAS

39 Kekurangan Perolehan Kembali Panas di HE Keterbatasan 1-2 HE yang paling utama adalah ketidakmampuannya secara inheren untuk menyediakan peroleh kembali panas yang efektif Saat terjadi silang suhu pada 1-2 HE, maka F T turun drastis Suhu keluar shell jatuh di bawah suhu keluar tube menghilangkan tingginya heat recovery

40 Profil Suhu 1-2 HE T 1 = 200 o F t 2 = 160 o F T 2 = 140 o F t l t 1 = 80 o F L

41 2-4 HE

42 Profil Suhu 2-4 HE T 1 = 200 o F 1 t 2 = 160 o F T 2 = 140 o F t 1 = 80 o F IV I III 2 II T x

43 Beda Suhu Sebenarnya ( t) LMTD F T t. (F T dari Fig. 19) ) (2 / 1 2 / ) (2 / 1 2 / ln 1 1 ln R RS S S R S R RS S S R S RS S R R F T

44 Figure 19

45 F T Perbandingan perhitungan F T : Figure 18: F T = 0.70 Figure 19: F T = 0.945

46 SERI 1-2 HE Secara mekanik susunan 2-4 HE tidak praktis Karena itu, praktisnya adalah 1-2 HE yang diseri

47 Menentukan Jumlah Seri 1-2 HE Yang paling diperhatikan adalah F T Lihat Example 8.2 : F T 1-2 HE, F T = not possible (Fig. 18) 2-4 HE, F T = 0.67 TOO LOW (Fig. 19) 3-6 HE, F T = 0.88 (Fig. 20) Jadi yang dipilih adalah 3 seri 1-2 HE

48 Example 8.1 Perhitungan 2-4 Oil Cooler. Minyak 33,5 o API memiliki viskositas 1,0 cp pada 180 o F dan 2,0 cp pada 100 o F. Minyak lb/jam meninggalkan kolom distilasi pada 358 o F dan digunakan pada proses absorpsi pada 100 o F. Pendinginan akan tercapai dengan air dari 90 sampai 120 o F. Jatuh tekanan yang diperkenankan 10 psi dengan faktor kekotoran Tersedia untuk menangani ini dari operasi diskontinyu adalah 35 in. ID 2-4 HE yang memiliki tube 454, 1 in. OD, 11 BWG, panjang 12 0 dan disusun pada 1 ¼ square pitch. Disusun untuk 6 pass dan baffle dipotong secara vertikal dengan spasi 7 in. Baffle longitudinal dilas pada shellnya. Apakah penggunaan 2-4 HE mencukupi? Akankah HE yang tersedia itu memenuhi kebutuhan?

49 FLUIDA GAS BAB 9

50 PENGANTAR Pada perhitungan pendinginan atau pemanasan sistem cair-cair: hubungan koefisien film gas dan jatuh tekanan yang diperkenankan didasarkan pada tekanan operasi Tekanan operasi tidak berpengaruh pada fluida imcompressable Koefisien film untuk gas lebih rendah dari pada untuk cairan pada kecepatan massa yang sama Ini karena sifat-sifat dari gas itu sendiri

51 SIFAT-SIFAT GAS VISKOSITAS Antara dan atau setara dengan 1/10 dan 1/5 viskositas cairan yang paling kecil Viskositas naik dengan naiknya suhu (kebalikan dari cairan) KONDUKTIVITAS Selain hidrogen, sekitar 1/5 dari konduktivitas cairan organik atau 1/15 dari air dan larutan cair PANAS JENIS Gas dan uap organik lebih rendah sedikit dari organik cair Kecuali hidrogen, panas jenis gas inorganik dan uap hidrokarbon ringan sekitar Btu/(lb)( o F)

52 SIFAT-SIFAT GAS BILANGAN PRANDTL Meskipun viskositas, panas jenis dan konduktivitas panas naik dengan naiknya suhu, Bilangan Prandtl (c/k) sedikit tergantung pada suhu, kecuali dekat dengan suhu kritisnya

53 KOREKSI SIFAT-SIFAT GAS Karena sifat-sifat gas ditentukan pada tekanan atmosfir, maka perlu ada koreksi pada tekanan yang lain Viskositas dengan korelasi Comings and Egly (Fig. 13b) atau dengan metode Othmer and Josefowitz Panas jenis dengan metode Watson and Smith Koreksi tersebut tidak terlalu signifikan, kecuali kalau tekanan gasnya besar Kalkulasi densitas dan volume jenis dari gas untuk tekanan menengah cukup baik, tapi untuk tekanan tinggi kurang tepat ρ gas = p.mw, s= ρ gas 1545.T abs ρ water Sebagai gantinya dapat digunakan persamaan keadaan lainnya

54 FIG. 13 KONVERSI VISKOSITAS

55 PRESSURE DROP Persamaan (7.44) dan (7.45) serta faktor friksi yang diperoleh dari Fig. 29 dan 26 dapat digunakan untuk kalkulasi jatuh tekanan pada shell atau tube dari pemanas atau pendingin gas saat harga gravitas jenis yang masuk dan keluar dari gas RELATIF TERHADAP AIR Adalah kenyataan bahwa berbagai gas gravitas jenisnya dipengaruhi oleh tekanan operasinya Gravitas jenis UDARA pada HE yang beroperasi pada tekanan 150 psia hampir 10x-nya dari tekanan operasi atmosferik

56 PRESSURE DROP Udara pada 7,5 psia memiliki densitas SETENGAH dibanding pada atmosferik Pressure drop untuk kecepatan massa tertentu menjadi lebih besar sejalan dengan turunnya tekanan operasi Ini tidak disukai pada proses vakum Saat gas beroperasi pada tekanan tinggi, kecepatan massa yang relatif besar masih dapat digunakan tanpa memperoleh jatuh tekanan dari pesanan yang tidak praktis Pada tekanan vakum tentu jatuh tekanan 0,5 psi dianggap terlalu besar

57 KOEFISIEN FILM Perhitungan sebelumnya masih dapat digunakan, termasuk Fig. 28 dan 24, tanpa perlu koreksi DeGs Re s Karena viskositasnya kecil, maka Re akan besar j H akan besar juga Tapi karena konduktivitas panasnya kecil, maka koefisien filmnya di bawah sistem cair pada kecepatan massa atau j H yang sama s

58 FIG. 25 KOEFISIEN FILM AIR

59 APLIKASI PALING UMUM Pendinginan gas pada aftercooling dan intercooling yang berlangsung secara kompresi adiabatik dan politropik paa kompresor single dan multistage Perpindahan panas gas-ke-cair ditemukan juga untuk memperoleh kembali (recovery) panas yang hilang dari pembakaran gas yang dekat-atmosferik seperti pada ECONOMIZERS, tapi dengan modifikasi yang disebut extended surfaces (Bab 16) Saat gas dipanaskan maka media yang digunakan adalah UAP AIR (STEAM)

60 EXAMPLE 9.1 PERHITUNGAN AMMONIA COMPRESSOR AFTERCOOLER Gas ammoniak kering pada 83 psia dan laju 9872 lb/jam adalah keluaran (discharged) dari sebuah kompresor pada 245 o F dan diumpankan ke sebuah reaktor pada 95 o F menggunakan cooling water pada o F. Jatuh tekanan yang diperkenankan 2,0 psi pada gas dan 10,0 psi pada air Tersedia 1-2 HE: 23 ¼ in. ID, yang memiliki 364 tube, 3/4 in, 16 BWG, 8 0 dan disusun pada 15/16-in. triangular pitch, 8 pass dan bafflenya 12 in. Berapa faktor kekotoran dan jatuh tekanannya?

61 KALKULASI UNTUK KONDISI PROSES Bab 11

62 Kondisi Proses yang Optimum

63 Kondisi Proses yang Optimum

64 Kondisi Proses yang Optimum

65 Kondisi Proses yang Optimum

66 Prosedur Asumsikan U D sementara dengan bantuan Tabel 8. Lebih baik mengasumsikan U D terlalu besar dari pada terlalu kecil untuk mendapatkan permukaan yang minimum Hitung A = Q/(U D.t) Tentukan a (Tabel 10) sesuai dengan diameter tube yang kita pilih Hitung jumlah tube: N T = A L. a" Asumsikan pass dan jumlah tube aktual serta ID shell (Tabel 9) Koreksi harga U D A = Ntaktual x L x a U D = Q/(A.t)

67 Tabel 8

68 Tabel 9

69 Tabel 9

70 Example 11.1 KALKULASI STRAW OIL NAPHTHA EXCHANGER lb/jam 25 o API light oil pada 340 o F digunakan untuk pemanasan awal lb/jam 48 o API nafta dari o F. Viskositas oil 5,0 cp pada 100 o F dan 2,3 cp pada 210 o F. Viskositas nafta 1,3 cp pada 100 o F dan 0,54 cp pada 210 o F. Jatuh tekanan yang diperkenankan 10 psi Karena oil cenderung membentuk residu deposit, maka faktor kekotoran kombinasinya adalah 0,005 dan menggunakan square pitch. Dalam praktek di pabrik digunakan tube ¾ in. OD, 16 BWG dan panjang 16 0