Name of Engineer : Yudi Ardhana Mengerti dan memahami tipe, fungsi, spesifikasi, dan part dari Heat Exchanger Shell & Tube.

Transkripsi

1 Name of Engineer : Yudi Ardhana Problem statement Mengerti dan memahami tipe, fungsi, spesifikasi, dan part dari Heat Exchanger Shell & Tube. Deadline and schedule 18 November s/d 9 Desember 2010 (Tier I) Information contact/source - Process Engineering Eng. & Dev. - Facility Engineering Eng.& Dev. - Stationary Engineer MP & S Data collection - Heat Exchanger Handbook - ASME, API, ASTM, ANSI, TEMA Analysis Heat Exchanger adalah suatu peralatan penukar panas antar dua fluida yang berbeda temperatur dan panasnya, dimana satu fluida memberikan panas sedangkan yang lainya menerima panas. Kategori heat exchanger berdasarkan fungsi dan penggunaanya : a. Exchanger adalah peralatan kilang yang digunakan untuk memanaskan suatu fluida dingin dengan suatu fluida panas sehingga fluida dingin menjadi panas dan sebaliknya atau mengurangi suhu dari suatu fluida yang akan didinginkan, dengan menyerahkan panasnya kepada fluida yang lain, yang akan dipanaskan tanpa persentuhan antara kedua fluida itu. b. Condensor adalah peralatan kilang yang digunakan untuk menurunkan suhu dari uap atau vapor sampai ke suhu cair dengan menyerahkan panasnya kepada fluida yang lain, biasanya air, dapat air tawar ataupun air laut. c. Cooler adalah peralatan kilang yang digunakan untuk menurunkan temperatur / mendinginkan liquid yang panas tanpa mengalami perubahan phasa sampai ke suhu tertentu yang dikehendaki. Media pendingin biasanya air atau udara Reviewed by :

2 Name of Engineer : Yudi Ardhana d. Preheater adalah peralatan kilang yang digunakan untuk memanaskan (menaikkan temperatur) suatu fluida sebelum digunakan dalam suatu proses. Contoh fluida pemanas adalah Hot Oil. e. Reboiler adalah peralatan kilang yang digunakan untuk menguapkan suatu cairan /memproduksi uap dari liquida, dimana liquida tersebut dipanaskan dengan melewatkan uap air didalam tube bundle. f. Chiller adalah peralatan kilang yang digunakan untuk mendinginkan fluida pada suhu yang rendah. Sebagai media pendingin biasanya digunakan Propane, Freon, Ammonia dan lain-lain. g. Evaporator adalah peralatan kilang yang digunakan untuk menguapkan fluida cair dengan menggunakan steam atau pemanas lain. h. Dryer adalah peralatan kilang yang digunakan sebagai pengering suatu padatan yang masih mengandung air / cairan lain dengan media pemanas seperti steam. i. Steam Generator adalah peralatan kilang yang berfungsi sebagai penghasil uap. j. Super Heater adalah peralatan kilang yang digunakan untuk memanaskan uap jenuh menjadi uap lewat jenuh. k. Furnace adalah peralatan kilang yang digunakan untuk menaikkan suhu dari liquida sampai pada temperatur tertentu melalui panas yang dihasilkan dari proses pembakaran. SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER Ini merupakan type yang paling umum dijumpai dalam refinery dikarenakan relatif murah,,mudah pembersihannya, available dalam beberapa ukuran, dapat didesign pada tekanan biasa sampai tekanan tinggi dengan memakan biaya yang tidak berlebih-lebihan, dalam suatu shell. Type dasar dari exchanger ini, yaitu : Fixed Tube Sheet Exchanger Jenis ini tube sheetnya dipasang pada shellnya secara fix (tube bundle tidak dapat dikeluarkan dari shell). Keuntungan dari tipe fixed tubesheet adalah : Harganya murah karena konstruksinya sederhana sepanjang tidak membutuhkan expansion joint (sambungan tambahan). Reviewed by :

3 Name of Engineer : Yudi Ardhana Tube bisa dibersihkan secara mekanikal setelah melepas cover channel atau bonet. Kebocoran dari sisi shell bisa diminimalisir karena tidak ada flange joint (sambungan flange). Kerugian dari tipe fixed tubesheet adalah : Bundle tidak dapat dilepas dari shell jadi sisi luar tube tidak dapat dibersihkan secara mekanis. Aplikasi hanya terbatas pada clean service (fluida yang bersih) pada shell side. Apabila akan digunakan pada fouling service (kemungkinan ada kotoran) pada shell side maka shell side dibersihkan dengan chemical cleaning. Apabila perbedaan panas antara tube dan shell terlalu besar maka diperlukan adanya expansion joint, tetapi harganya akan jadi lebih mahal. Floating Tube Sheet Exchanger Gambar fixed tube heat exchanger Jenis ini tube sheetnya dipasang pada shellnya tidak secara fix (tube bundle dapat dikeluarkan dari shell). Heat exchanger tipe floating head adalah heat exchanger yang paling serbaguna dari tipe STHE dan juga harganya relatif rendah. Salah satu tubesheet fixed dengan shell dan yang lainnya bebas mengapung dengan shell. Hal ini membuat free expansion dari tube bundle diperbolehkan selama permbersihan sisi dalam dan luar tube. Heat exchanger tipe floating head bisa digunakan pada media baik di shell maupun di tube kotor, seperti pada industri penyulingan minyak mentah. Reviewed by :

4 Name of Engineer : Yudi Ardhana Ada beberapa tipe dari konstruksi tipe floating head, beberapa yang paling umum adalah: TEMA S (pull-through with backing device) TEMA T (pull-trhough). Desain TEMA S adalah tipe heat exchanger yang paling umum di industry proses kimia (chemical process industries). Cover (penutup) floating-head diamankan dari floating tubesheet dengan mengikat (bolting) ke split backing ring. Penutup dari floating head terletak dibelakang ujung shell dan terdapat cover (penutup) shell yang berdiameter besar. Untuk membongkar heat exchanger, cover (penutup) shell dilepas terlebih dahulu kemudian split backing ring, dan kemudian cover (penutup) floating head setelah semuanya dilakukan tube bundle dapat dilepas dari bagian stationary. Gambar floating head TEMA S Konstruksi TEMA T seluruh tube bundle termasuk floating-head dapat dilepas dari bagian stasinernya, karena diameter shell lebih besar dari ukuran flange floating-head. Cover (penutup) floating-head diikat dengan baut langsung ke floating tubesheet sehingga tidak diperlukan split backing ring. Reviewed by :

5 Name of Engineer : Yudi Ardhana Gambar floating head TEMA T Keuntungan dari floating head heat exchanger adalah : Tube bundle dapat dilepas dari shell tanpa melepas shell ataupun cover floatinghead, sehingga mengurangi lama waktu maintenance. Desain ini biasanya dipasangkan dengan kettle reboiler yang mempunyai media pemanas kotor, dimana tipe U-tube tidak dapat digunakan. Kerugian dari floating head heat exchanger adalah : Harganya paling mahal diantara tipe heat exchanger lainnya karena ukuran shellnya yang besar. Ada juga tipe packed floating-head lainnya, outside packed stuffing-box (TEMA P) dan outside-packed latern ring (TEMA W) (Lihat gambar 1 untuk lebih jelas). Karena kedua jenis ini lebih mudah terjadi kebocoran maka penggunaannya hanya dibatasi untuk fluida shell yang tidak berbahaya (nonhazardous), tidak beracun, dan juga untuk tekanan serta suhu sedang (40 kg/cm 2 dan 300 ºC). U-Tube Exchanger Type dengan hanya satu tube sheet yang terletak diujung channel. Keuntungan dari U-tube heat exchanger adalah : Reviewed by :

6 Name of Engineer : Yudi Ardhana Bundle dapat meregang atau menkerut jika ada perbedaan tegangan (differential stress). 2. Bagian luar dari tube bisa dibersihkan. 3. Tube bundle juga bisa dilepas. Kerugian dari U-tube heat exchanger adalah : Bagian dalam dari U-tube tidak dapat dibersihkan secara efektif, memerlukan drill shaft yang fleksibel untuk membersihkannya. U-tube heat exchanger sebaiknya tidak digunakan untuk tube dengan fluida yang kotor. Shell and Tube Exchanger untuk industri perminyakan, berdasarkan standard dari TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) difabrikasi mengikuti Class R. Ditinjau dari jenis konstruksinya, penukar panas ini dapat beraneka ragam. TEMA telah membuat klasifikasi penukar panas berdasarkan tiga variable, yaitu : Front Head Shell Rear Head Reviewed by :

7 Name of Engineer : Yudi Ardhana Berbagai konfigurasi / kombinasi dari ketiga variable ini oleh TEMA dinyatakan dalam kodifikasi konfigurasi dengan tiga huruf yang artinya sesuai dengan gambar berikut : Gambar TEMA designation Reviewed by :

8 Name of Engineer : Yudi Ardhana MATERIAL SPECIFICATION Pada dasarnya pemilihan jenis material untuk komponen-komponen heat exchanger adalah disesuaikan dengan kondisi operasi dari peralatan tersebut akan digunakan (service media, tekanan, temperature dan lain-lain). Secara umum dapat dikelompokkan dalam 2 kategori, yaitu : a. Material untuk Corrosive Service Carbon Steel Material Ferritic Libdenum & Cr. Mo Libdenum Alloys Ferritic Chromium Steel Austenitic Cr.Ni Steel Aluminum Copper Alloys admiralty, Al.Brass Cu pro nickel. High Nickel-Chromium- Molibdenum alloys. Typical Service Use Midly corrosive fluids, tempered cooling water. Elevated temperature hydrogen service, sulfur bering oils above 300 O C Tubes for moderately corrosive service, cladding for shell or channels in contact with corrosive sulfur bearing oil. General corrosion resistant duties. Infrequently used for midly corrosive service. Fresh water cooling in surface condensers, brackish & sea water cooling generally. Resistance to mineral acids & Cl-containing acids. Titanium Seawater cooler & condensers (including plate Heat Exchanger air preheater for large furnace. Carbon Linings : - Lead & Rubber. Severally corrosive duties. Channel for seawater cooler. General corrosion resistance. - Austenitic Cr. Ni Steel Coatings : Explosure to sea & brakish water. Aluminium Epoxy Resin. Reviewed by :

9 Name of Engineer : Yudi Ardhana b. Material untuk Non Corrosive Service : Temp. Service O C Type of Exchanger Material Below Semua jenis Austenitic Chromium Nickel Steel, Aluminium -100 s/d -45 Semua jenis 3/5 Ni Steel -45 s/d 0 Semua jenis Impact tested Carbon Steel 0 s/d 500 Semua jenis Carbon Steel Diatas 500 Shell & Tube Refractory lined Steel KOMPONEN UTAMA SHEEL AND TUBE HEAT EXCHANGER 1. Tubes Komponen alat yang dialiri fluida lainnya yang dindingnya merupakan lintas pertukaran panas. Berkas tube dirangkum oleh Tube Sheet dan tersusun dalam pola Segitiga (Triangular), pola Bujur Sangkar (Square) dan pola Diagonal (Diagonal Square). Panjang Tube (Tube Length) Panjang tube akan menentukan panjang nominal dari heat exchanger. Panjang straight tube diambil sebagai panjang total keseluruhan. Untuk U-type tubes maka ukuran panjang diambil dari ujung tubes sampai tangential bend. Diameter Tubes Diameter tubes standard dari jenis copper, steel dan alloy yang dipergunakan sesuai dengan TEMA standard adalah sebagai berikut : Reviewed by :

10 Name of Engineer : Yudi Ardhana Diameter Pattern Susunan pemasangan tube pada tube sheet suatu heat exchanger biasa dijumpai berbentuk triangular atau square. Keuntungan dan kelemahan dalam pemilihan/pemakaian kedua jenis tersebut diatas adalah : Jumlah tube yang dipasang dengan system triangular lebih banyak sehingga kemampuan heat transfernya lebih besar, namun kemampuan membersihkan lebih sulit pelaksanaannya secara mechanical. Square pattern memungkinkan mempermudah pelaksanaan mechanical cleaning, namun jumlah tube yang dipasang akan lebih sedikit. Tube Pitch Tube pitch adalah jarak antara pusat tube satu ke pusat tube lain yang berdekatan. Tube pitch minimum : 1.25 xod Tube. Reviewed by :

11 Name of Engineer : Yudi Ardhana Konstruksi pemasangan tube pada tube sheet : Rolling : System sambungan ini paling banyak dipakai walaupun pada pelaksanaannya perlu ketelitian. Cara ini mempunyai 2 type, yaitu plain joint dan groove joint. Untuk plain joint biasanya dipakai pada tekanan rendah antara 5 50 Psi perbedaan tekanan tube side dengan shell side, dan perbedaan temperature tidak boleh lebih dari 200 O F. Groove joint biasanya dipakai untuk beda tekanan diatas 50 Psi dan suhu diatas 200 O F. Seal Weld : System penyambungan dengan las banyak juga dipakai untuk maksud-maksud tertentu, serta biasa digunakan untuk temperature/tekanan tinggi. Kelemahan system ini adalah bila akan dilakukan retube lebih sulit dibandingkan dengan system rolling. Screw : Cara penyambungan system screw mempunyai keuntungan yaitu bila diperlukan retube pelaksanaannya akan lebih mudah. Tetapi kelemahannya tidak tahan terhadap tekanan tinggi. Reviewed by :

12 Name of Engineer : Yudi Ardhana Gambar tube fixing 2. Shell & Shell Cover Komponen alat yang merupakan cangkang / pembungkus berkas tube, dimana salah satu fluida mengalir masuk dan keluar. Shell dapat dibuat dari pipa maupun dari plate. Minimum ketebalan dari shell ditentukan sebagai berikut (TEMA Standard) : 3. Baffle Plate : Komponen ini merupakan lempengan logam yang dipasang tegak lurus poros shell dan berfungsi mengatur pola aliran fluida dalam shell dengan tujuan untuk memperbaiki kontak antara fluida dalam shell dengan tube sehingga pertukaran panas dapat berlangsung sempurna. Baffle plate juga berfungsi sebagai support terhadap tube supaya tidak melengkung, menjaga jarak antara masing-masing tubes, menahan vibrasi yang timbul karena aliran fluida. Jenis buffle yang banyak digunakan adalah jenis : Segmental baffle (Jenis segmental dapat dipasang horizontal, vertikal atau miring) Disc and Doughnut baffle Reviewed by :

13 Name of Engineer : Yudi Ardhana Clearence antara baffle plate dengan bagian dalam shell adalah sebagai berikut : 4. Impingement Baffle : Impingement baffle berfungsi untuk menahan aliran fluida agar tidak langsung mengenai tube atau shell yang dapat mengakibatkan erosi pada tube atau shell. Reviewed by :

14 Name of Engineer : Yudi Ardhana Gambar impingement baffle 5. Tie Rod & Spacer : Tie rod dan spacer tersebut berfungsi untuk mengikat system baffle plate menjadi satu dan tetap berada pada posisinya. Gambar tie rod dan spacer Ukuran dan jumlah tie rods yang diperlukan adalah ditentukan sebagai berikut : 6. Tube Sheet Berkas tube dirangkum oleh tube sheet. Tube exchanger dengan straight tubes pada umumnya memakai dua buah tube sheet. Sedangkan U-tube hanya mempergunakan sebuah tube sheet. Reviewed by :

15 Name of Engineer : Yudi Ardhana Tube hole pada tube sheet : Susunan tube hole pada tube sheet disesuaikan dengan susunan tube yang tergantung pada keperluan service. Diameter tube hole pada tube sheet disesuaikan dengan diameter luar tube dengan toleransi sebagai berikut : Gambar tube sheet 7. Floating Head Cover Berfungsi mengembalikan aliran fluida yang melalui tube side agar terjadi pengarahan aliran pada fluida tersebut. 8. Nozzle Komponen alat yang merupakan saluran masuk dan keluar fluida kedalam shell dan kedalam tube. 9. Channel Komponen alat ini berfungsi untuk membalikan arah aliran fluida dalam tube pada jenis fixed tube sheet exchanger. Pemeriksaan dan pemeliharaan Tujuan Pemeriksaan Reviewed by :

16 Name of Engineer : Yudi Ardhana Pemeriksaan secara cermat terhadap exchanger bertujuan antara lain : Menentukan kondisi fisik peralatan. Menentukan corrosion rate. Menentukan jenis kerusakan. Menentukan tingkat fouling/pengotoran yang terjadi. Menentukan kelainan-kelainan yang mungkin terjadi. Schedule Pemeriksaan Frekwensi pemeriksaan suatu exchanger tergantung dari beberapa factor, tetapi factor yang paling menentukan adalah laju kerusakan dan corrosion allowance yang masih tinggal. Kedua factor ini tergantung pada service dan material yang digunakan. Dalam satu unit, exchanger yang servicenya berbeda memerlukan frekwensi pemeriksaan yang berbeda. Pada dasarnya permasalahan yang sering dijumpai pada pengoperasian alat penukar panas ini adalah : a. Fouling diluar dinding tube/dalam shell atau dibagian dalam tube. - Exchanger yang mengalami pengotoran/fouling harus dilaksanakan pembersihan secara periodik. - Tanda-tanda telah terjadi fouling adalah adanya penurunan performance atau adanya pressure drop. - Pembersihan/cleaning suatu exchanger dapat dilakukan dengan system chemical leaning atau dengan mechanical cleaning. b. Bocor tube Apabila bocoran tubes telah diketemukan, maka tubes yang bocor tersebut harus diprop. Batasan maximum jumlah prop yang diperbolehkan secara umum tidak ada standard/codenya. Batasan jumlah prop maximum yang dipakai untuk exchanger di refinery yang ada di Pertamina biasanya 10 %, hal ini didasarkan pada pertimbangan Reviewed by :

17 Name of Engineer : Yudi Ardhana bahwa pada kondisi tersebut exchanger masih cukup effsien (pada umumnya peralatan yang ada beroperasi dibawah design). Apabila kondisi prop pada suatu exchanger telah melampaui 10 %, maka exchanger tersebut harus dilakukan retubing. Penyebab dari kebocoran tube adalah karena : Korosi selama operasi, baik dinding tube bagian dalam maupun dinding tube bagian luar Erosi atau pengikisan oleh aliran fluida Kebocoran tube dapat diketahui atau dideteksi dari : Adanya penurunan laju aliran fluida yang keluar dari tube Adanya kenaikan pressure drop antara fluida masuk dan fluida keluar Berubahnya suhu fluida yang keluar dari shell atau tube Adanya pencemaran fluida yang mengalir di shell atau tube c. Bocor pada sambungan shell flange Penyebab dari kebocoran pada sambungan shell karena : Kerusakan gasket Ikatan baut menjadi lemah Terjadi upset pressure Untuk mengatasi kebocoran dilakukan : Mengganti gasket yang rusak Menambah ikatan baut Mengatur kondisi operasi Reviewed by :

18 Name of Engineer : Yudi Ardhana Pengujian pada Heat Exchanger Standard Test Pengujian exchanger dilakukan secara hydrostatic test. Tekanan uji ditahan minimum selama 30 menit. Shell dan tube side diuji secara terpisah/bergantian agar kebocoran yang ada dapat dilihat. Bila design pressure pada tube side lebih tinggi, tube bundle diuji diluar shell, bila konstruksi memungkinkan. Sebelum pelaksanaan pengujian seluruh permukaan part yang ada harus dibersihkan agar dapat diperiksa secara cermat. Tekanan uji hydrostatic pada temperature kamar 21 O C 49 O C maximum adalah sebesar 1.5 kali design pressure, dikoreksi terhadap temperature, kecuali untuk material dari jenis Cast Iron yang memakai code lain. Bila penggunaan air membahayakan, dapat dipakai liquid yang lain sebagai media penguji. Air yang digunakan harus fresh water. Kandungan chlorida dalam air untuk pengujian austenitic stainless steel heat exchanger maximum 50 ppm. Pneumatic Test Bila liquid tidak boleh digunakan sebagai test medium, exchanger dapat ditest secara pneumatic. Pengujian harus dilakukan menurut Code. Kitaketahui bahwa udara atau adalah berbahaya bila digunakan sebagaimedia penguji. Tekanan penguji pneumatic pada temperature kamar maximum sebesar 1.25 kali design pressure, dikoreksi terhadap temperature, kecuali untuk material jenis Cast Iron yang memakai Code lain. Pada pneumatic test, pemeriksaan dengan menggunakan busa sabun untuk melakukan pemeriksaan visual. Dimana busa sabun tersebut dipoleskan pada tempat-tempat yang akan diperiksa (las-lasan, sambungan roll) busa tersebut akan menggelembung di tempat yang mengalami bocor dan akan dengan mudah terlihat. Reviewed by :

19 Name of Engineer : Yudi Ardhana Gambar inspection point untuk sheel and tube heat exchanger Reviewed by :