BAB III TUGAS KHUSUS

Transkripsi

1 BAB III TUGAS KHUSUS 3.1 Judul Menghitung Efisiensi Heat Exchanger E-108 A Crude Distiller III di Unit CD & GP PT. Pertamina (Persero) RU III Plaju Palembang. 3.2 Latar Belakang Heat Exchanger E-108 A merupakan heat exchanger yang terdapat pada proses destilasi crude oil di Crude Distiller III unit CD & GP. Heat Exchanger E-108 A pada unit ini berfungsi untuk memanaskan crude oil dengan media pemanas long residu yang kemudian akan diteruskan ke stabilizer. Kinerja dari heat exchanger E-108 A diperlukan untuk kelangsungan proses perpindahan panas yang baik. Untuk mengetahui kelayakan operasinya maka kinerja heat exchanger harus selalu dievaluasi. Evaluasi ini dapat dilakukan terhadap nilai koefisien bersih menyeluruh (Uc), Overall design coefficient of heat transfer (Ud), Fouling Factor (Rd) dan Pressure Drop. Adapun data spesifikasi Heat Exchanger E-108 A adalah : Nama alat : Heat Exchanger E-108 A Jenis alat : Shell and tube Type : AES No. Tube : 586 Outside diameter tube : 25,4 mm Panjang tube : 4877 mm Pitch : 32 mm Inside diameter shell : 1450 mm 61

2 62 Number of passes shell : Two tube : Four Fluida shell : Long Residu Tube : Crude Oil 3.3 Tujuan Adapun tujuan dari tugas khusus ini adalah sebagai berikut : 1. Untuk mengetahui Efisiensi Heat Exchanger E-108 A Crude Distiller III di unit CD & GP PT Pertamina (Persero) RU III Plaju Palembang 2. Untuk mengidentifikasi faktor-faktor yang dapat mempengaruhi nilai efisiensi Heat Exchanger E-108 A Crude Distiller III di unit CD & GP PT Pertamina (Persero) RU III Plaju Palembang 3.4 Manfaat Adapun Manfaat dari tugas khusus ini adalah sebagai berikut : 1. Mengetahui efisiensi Heat Exchanger E-108 A Crude Distiller III di unit CD & GP PT Pertamina (Persero) RU III Plaju Palembang 2. Dapat menganalisa faktor-faktor yang dapat mempengaruhi nilai efisiensi Heat Exchanger E-108 A Crude Distiller III di unit CD & GP PT Pertamina (Persero) RU III Plaju Palembang 3.5 Perumusan Masalah Heat Exchanger E-108 A yang terdapat pada unit Crude Distiller III merupakan salah satu komponen penting dalam suatu proses karena berfungsi untuk memanaskan fluida berupa crude oil yang selanjutnya akan dikirim ke stabilizer untuk diproses sehingga perlu diketahui bagaimana kinerja dari alat tersebut agar proses produksi berjalan lancar.

3 Tinjauan Pustaka Perpindahan Panas Panas adalah salah satu bentuk energi yang dapat dipindahkan dari suatu tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan sama sekali. Dalam suatu proses, panas dapat mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu suatu zat dan atau perubahan tekanan, reaksi kimia dan kelistrikan. Proses terjadinya perpindahan panas dapat dilakukan secara langsung, yaitu fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin tanpa adanya pemisah dan secara tidak langsung, yaitu bila diantara fluida panas dan fluida dingin tidak berhubungan langsung tetapi dipisahkan oleh sekat-sekat pemisah (Fauzy, 2011). Menurut Holman,1995 mekanisme perpindahan panas terdiri atas : a. Perpindahan Panas Secara Konduksi, merupakan perpindahan panas antara molekul-molekul yang saling berdekatan antar yang satu dengan yang lainnya dan tidak diikuti oleh perpindahan molekul-molekul tersebut secara fisik. b. Perpindahan Panas Secara Konveksi, merupakan perpindahan panas dari suatu zat ke zat yang lain disertai dengan gerakan partikel atau zat tersebut secara fisik. c. Perpindahan Panas Secara Radiasi, merupakan perpindahan panas tanpa melalui media (tanpa melalui molekul). Suatu energi dapat dihantarkan dari suatu tempat ke tempat lainnya dengan pancaran gelombang elektromagnetik dimana tenaga elektromagnetik ini akan berubah menjadi panas jika terserap oleh benda yang lain.

4 64 Kemampuan untuk menerima panas dipengaruhi oleh 3 hal : Koefisien overall perpindahan panas (U) Menyatakan mudah atau tidaknya panas berpindah dari fluida panas ke fluida dingin dan juga menyatakan aliran panas menyeluruh sebagai gabungan mekanisme proses konduksi dan konveksi. Luas bidang yang tegak lurus terhadap arah perpindahan panas. Karena luas perpindahan panas tidak konstan, sehingga dalam praktek dipilih luas perpindahan panas berdasarkan luas dinding bagian luar. Selisih temperatur rata-rata logaritmik ( T LMTD). LMTD merupakan perbedaan temperatur yang dipukul rata-rata setiap bagian Heat Exchanger (HE). Karena perbedaan temperatur di setiap bagian Heat Exchanger tidak sama Heat Exchanger Heat exchanger adalah suatu alat penukar panas yang digunakan untuk memanfaatkan atau mengambil panas dari suatu fluida untuk dipindahkan ke fluida lainnya melalui suatu proses yang disebut dengan proses perpindahan panas (heat transfer) (Fauzy, 2011). Heat exchanger dikelompokkan menjadi beberapa macam yaitu : 1. Heat exchanger berdasarkan bentuknya dibedakan menjadi (Yunita, 2012) : a. Shell and Tube Exchanger, merupakan Heat exchanger dengan pipa besar (shell) berisi beberapa tube yang relatif kecil. b. Double Pipe Exchanger, merupakan Heat exchanger dimana pipa yang satu berada di dalam pipa yang lebih besar yang merupakan dua pipa yang konsentris c. Box Cooler, merupakan Heat exchanger yang memiliki susunan pipa pipa atau beberapa bundle pipa dimasukkan ke dalam box berisi air

5 65 2. Heat exchanger berdasarkan jenis alirannya dibedakan menjadi : a. Counter Current, merupakan jenis Heat exchanger dimana fluida panas mengalir dengan arah yang berlawan dengan media pendinginnya Gambar 9. Counter current flow b. Co Current, merupakan jenis Heat Exchanger dimana fluida panas mengalir searah dengan media pendinginnya Gambar 10. Co Current flow c. Cross Flow, merupakan Heat Exchanger dimana fluida panas mengalir dengan saling memotong arah dengan media pendinginnya. Heat exchanger ini merupakan gabungan dari Counter Current dan Co Current Heat Exchanger.

6 66 Gambar 11. Aliran Crossflow (a) Heat exchanger tipe plat, (b) Heat exchanger tipe single tube d. Aliran kombinasi (gabungan) Satu fluida masuk dari satu sisi kemudian berbagi arah ke arah sisi masuk, sedangkan fluida lainnya masuk dan keluar dari sisi yang berlainan. Gambar 12. Aliran kombinasi 3. Heat exchanger ditinjau dari fasa yang terjadi dibedakan menjadi : a. Heat exchanger yang dapat menyebabkan terjadinya perubahan fasa, misalnya evaporator, reboiler dan condenser b. Heat exchanger yang tidak dapat menyebabkan terjadinya perubahan fasa misalnya cooler dan heater

7 Shell and Tube Exchanger Heat exchanger tipe shell dan tube pada dasarnya terdiri dari berkas tube (tube bundles) yang dipasangkan di dalam shell yang berbentuk silinder. Bagian ujung dari berkas tube dikencangkan pada dudukan tube yang disebut tube sheet dan sekaligus berfungsi untuk memisahkan fluida yang mengalir di sisi shell dan di sisi tube. Pada shell and tube exchanger satu fluida mengalir di dalam tube sedang fluida yang lain mengalir di ruang antara tube bundle dan shell (Fauzy, 2011). Keuntungan shell and tube exchanger : 1. Memiliki permukaan perpindahan panas persatuan volume yang lebih besar 2. Mempunyai susunan mekanik yang baik dengan bentuk yang cukup baik untuk operasi bertekanan 3. Prosedur pengopersian lebih mudah 4. Pembersihan dapat dilakukan dengan mudah Komponen penyusun Heat Exchanger jenis shell and tube (Fauzy, 2011) : Gambar 13. Komponen penyusun Heat Exchanger jenis shell and tube a) Shell Merupakan bagian tengah alat penukar panas dan tempat untuk tube bundle. Antara shell dan tube bundle terdapat fluida yang menerima atau melepaskan panas. b) Tube

8 68 Merupakan pipa kecil yang tersusun di dalam shell yang merupakan tempat fluida yang akan dipanaskan ataupun didinginkan. Tube tersedia dalam berbagai bahan logam yang memiliki harga konduktivitas panas besar sehingga hambatan perpindahan panasnya rendah. c) Tube sheet Komponen ini adalah suatu flat lingkaran yang fungsinya memegang ujung-ujung tube dan juga sebagai pembatas aliran fluida di sisi shell dan tube. d) Tube pitch Tube pitch adalah jarak diantara tube-tube yang berdekatan. Lubang tube tidak dapat dibor dengan jarak yang sangat dekat, karena jarak tube yang terlalu dekat akan melemahkan struktur penyangga tube. Jarak terdekat antara dua tube yang berdekatan disebut clearance. Tube diletakkan dengan susunan bujur sangkar atau segitiga seperti terlihat pada gambar berikut: Gambar 14. Tubes Layout yang umum pada Heat Exchanger e) Tube side channels and nozzle Berfungsi untuk mengatur aliran fluida pada sisi tube. f) Channel cover Merupakan bagian penutup pada konstruksi heat exchanger yang dapat dibuka pada saat pemeriksaan dan pembersihan alat. g) Pass divider Komponen ini berupa plat yang dipasang di dalam channel untuk membagi aliran fluida tube.

9 69 h) Baffle Pada umumnya tinggi segmen potongan dari baffle adalah seperempat diameter dalam shell yang disebut 25% cut segemental baffle. Baffle digunakan untuk mengatur aliran lewat shell sehingga turbulensi yang lebih tinggi akan diperoleh. 3.7 Pemecahan Masalah Waktu dan Tempat Pengambilan Data Pengambilan data dilakukan mulai dari tanggal 29 Juli 2013 sampai dengan 2 agustus 2013 pada jam WIB. Pengambilan data dilakukan di control room serta meninjau langsung ke lokasi alat. Pada saat pengambilan sampel dicatat kondisi operasi dari Heat Exchanger E-108 A tersebut Tahapan Pemecahan Masalah 1. Mencatat flowrate inlet untuk long residu di control room 2. Mencatat flowrate inlet untuk crude oil di control room 3. Mencatat spesific gravity untuk long residu di control room 4. Mencatat spesific gravity untuk crude oil di control room 5. Mencatat temperatur inlet dan outlet untuk long residu di lapangan 6. Mencatat temperatur inlet dan outlet untuk crude oil di lapangan Metode Perhitungan Untuk menghitung nilai koefisien bersih menyeluruh (Uc), Overall design coefficient of heat transfer (Ud), Fouling Factor (Rd), Pressure Drop, serta efisiensi pada Heat exchanger E-108 A dilakukan dengan beberapa tahap penyelesaian yaitu mengambil data-data yang diperlukan seperti yang terdapat

10 70 pada tahapan pemecahan masalah dan mengerjakan perhitungan dengan menggunakan metode Kern dengan urutan sebagai berikut : a. Perhitungan Neraca Panas (Heat Ballance) Q = W x Cp x (T 1 t 2 ) = w x cp x (t 2 t 1 ) (1) Q = Kalor jenis (Btu/hr) W = laju alir fluida panas (lb/hr) w = laju alir fluida dingin (lb/hr) Cp= Kapasitas panas fluida panas (Btu/lb 0 F) cp = Kapasitas panas fluida dingin (Btu/lb 0 F) T 1 = Temperatur fluida panas masuk ( 0 F) T 2 = Temperatur fluida panas keluar ( 0 F) t 1 = Temperatur fluida dingin masuk ( 0 F) t 2 = Temperatur fluida dingin keluar ( 0 F) b. Perhitungan Log Mean Temperature Different, LMTD Untuk alat penukar panas aliran counterflow, beda temperatur rata-rata dihitung dengan beda temperatur rata-rata logaritmik. LMTD = ln.(2) ( T1 t2 ) ( T2 t1 ) ( T1 t2 ) ( T t ) c. Perhitungan Temperatur Kalorik (Tc dan tc) Temperatur kalorik ditafsirkan sebagai temperatur rata-rata fluida yang terlibat dalam pertukaran panas. Tc = T 2 + Fc (T 1 T 2 ) (3) tc = T 1 + Fc (t 2 t 1 ) (4)

11 71 Dari Fig.17 (Kern, 1965) didapat harga K c dan F c dengan perbandingan t c T (5) c T2 t 1 = T t d. Perhitungan Flow Area Flow area merupakan luas penampang yang tegak lurus arah aliran. Shell Side a s = ID x C x B / (144 x P T ) (6) ID = Inside Diameter (in) C = Jarak antara tube (in) B = Jarak Baffle (in) P T = Tube pitch (in) Tube side a t = N T x a t / (144 x n) (7) N T a t n = Jumlah tube = Internal area (Table 10 Kern) = Jumlah tube passes e. Perhitungan Mass Velocity Kecepatan massa merupakan perbandingan laju alir dengan flow area Shell side G s = W / a s (8) G s = Mass Velocity fluida pada shell side

12 72 W = Laju alir Tube side G t = w / a t (9) Gt = Mass Velocity fluida pada tube side w = Laju alir fluida dingin (lb/hr) f. Perhitungan Reynold Number Reynold number menunjukkan tipe aliran fluida di dalam pipa Shell side Re s = De x G s / (10) De = Equivalent diameter (ft) (Fig. 28 Kern) G s = Mass Velocity (lb/hr.ft 2 ) µ = Viskositas fluida pada suhu t c Tube side Re t = D x G t / µ (11) D = Inside diameter (ft) (Tabel 10 Kern) G t = Mass velocity (lb/hr ft 2 ) µ = Viskositas fluida pada suhu t c g. Perhitungan Heat Transfer Factor (J H ) Shell side Nilai J H untuk sisi shell dapat diketahui dari Fig. 28 Kern Tube side Nilai J H untuk sisi tube dapat diketahui dari Fig.24 Kern

13 73 h. Menentukan Thermal Function Pada tiap suhu, yaitu T c (hot fluid) untuk shell dan tc (cold fluid) untuk tube diperoleh masing-masing nilai c (fig. 4 Kern), µ (viskositas) dan k (konduktivitas termal) (fig.1 Kern) (c x µ / k) 1/ (12) c = panas spesifik (Btu/lb o F) K = konduktivitas termal (Btu/hr.ft. o F) i. Menentukan nilai Outside film Coefficient (ho) dan Inside Film Coefficient (hi) Shell side h o = jh Tube side k cµ De k 1 / 3 Ф s (13) h i = jh k cµ D k 1 / 3 Ф t (14) h Φ io t = hi Φ t x ID OD h o = Outside film coefficient (Btu/hr.ft 0 F) h io = Inside film coefficient (Btu/hr.ft 0 F) (15) j. Menentukan Tube wall Temperature, t w Temperatur dinding rata-rata tube dapat dihitung dengan temperatur kalorik, jika diketahui nilai koefisien perpindahan panas fluida shell dan tube pada kondisi operasi sedang berlangsung.

14 74 o s t w = t c + x ( T t ) h io h / Φ / Φ + h t o / Φ (16) t w = temperatur dinding tube ( 0 F) s c c k. Perhitungan Corrected coeffient h o dan h io pada t w s Shell side Φ s = (17) µ µ w 0, h o = h o φ s x Φs (18) Tube side Φ t = (19) µ µ w 0, h io = h io xφt (20) φ t l. Perhitungan Clean Overall Coefficient, Uc Uc merupakan overall heat transfer coefficient jika tidak terjadi fouling/kerak. U C = (21) h h io io x h + h o o U C = Overall heat transfer coefficient (Btu/hr.ft 2 o F)

15 75 m. Perhitungan Dirty Overall Coefficient, U D U D merupakan overall heat transfer coefficient jika terjadi fouling/kerak. A = N T x a x L (22) A = Heat transfer surface (ft 2 ) N T = Jumlah tube a = luas area (ft 2 /lin ft), Tabel 10 Kern L = Panjang tube Maka : U D = Q A x t (23) U D = Overall heat transfer coefficient (Btu/hr.ft 2 o F) n. Perhitungan Dirt Factor, Rd Rd = (24) UC U U x U C D D Rd = Fouling Factor (hr.ft 2. o F/ Btu) o. Perhitungan Pressure Drop Shell side ΔP s = 2 s 10 f x G 5,22 x10 x Ds x N + 1 De x s x Φ (25) ΔP s = Total Pressure drop pada shell (psi) s

16 76 f = Friction factor shell(ft 2 /in 2 ) (Fig.29,Kern) G s = Mass velocity (lb/hr.ft 2 ) s = Spec.Gravity N + 1 = jumlah lintasan aliran melalui baffle Tube side ΔP t = 5,22 2 t 10 f x G x10 x L x n D x s x Φ ΔP t = Pressure drop pada tube (psi) f t (26) = Friction factor tube (ft 2 /in 2 ) (Fig.26, Kern) G t = Mass velocity (lb/hr.ft 2 ) s D n = Spec.Gravity = Inside diameter (ft) = jumlah pass tube ΔP r = 4 x n s x 2 V 2g (27) ΔP r = Return Pressure drop pada tube (psi) 2 V 2g = Velocity head (psi) s = Spec.Gravity Maka : ΔP T = ΔP t + ΔP r (28) p. Perhitungan Effisiensi

17 77 Effisiensi (η) = (29) Hasil Perhitungan A. Data Kondisi Operasi HE E-108 A Tanggal Tabel 24. Kondisi Operasi rata-rata Heat Exchanger E-108 A Flowrate (T/D) Long Residu ( Shell) Crude Oil ( Tube ) Temp in Temp out Flowrate Temp in T 1 ( C) T 2 ( C) (T/D) t 1 ( C) Temp out t 2 ( C) 29/7/ /7/ /7/ /8/ /8/ Jumlah Rata-rata *Data diambil dari tanggal 29 Juli 2013 sampai 2 Agustus 2013 Tabel 25. SpGr SpGr Tanggal Long Residu Crude Oil 29 Juli Juli Juli Agustus Agustus Jumlah

18 78 Rata-rata *Data diambil dari tanggal 29 Juli 2013 sampai 2 Agustus 2013 B. Data Hasil Perhitungan HE E-108 A Tabel 26. Data hasil Perhitungan HE E-108 A di unit CD III Nilai Aktual Perhitungan Shell Side (Long Residu) Tube side (Crude oil) Flow Rate (lb/hr) , ,6 Temp. Inlet ( o F) 443, ,868 Temp. Outlet ( o F) 392, ,828 API Total Duty (Btu/hr) , ,654 LMTD ( o F) 121,1946 Caloric Temperature ( o F) 416, ,7288 Overall Clean Coefficient (Btu/hr.ft 2. o F) 57, Overall Coefficient (Btu/hr.ft 2. o F) 19,57 Fouling Factor (hr.ft 2. o F/Btu) 0, Pressure Drop (Kg/cm 2 ) 0, , Effisiensi (%) 88,19% Data Heat Exchanger E-108 A tanggal 29 Juli 2013 s/d 2 Agustus Pembahasan Berdasarkan hasil perhitungan HE E-108 A dengan menggunakan metode Kern, maka diperoleh beberapa nilai yang berkaitan dengan kinerja Heat D D Exchanger E-108 A seperti Overal Heat Coeficient (U ), Fouling Factor (R ), Pressure Drop serta Efisiensi yang kemudian akan dibahas pada bab ini.

19 79 Heat Exchanger E-108 A ini digunakan untuk memanaskan fluida berupa Crude oil dengan memanfaatkan media panas berupa long residu yang berada di shell. Untuk hal ini flow Total crude oil inlet HE E-108 A di jaga sekitar 3509,4 Ton/hr sedangkan flow long residu inlet HE E-108 A dijaga sekitar 2253,2 T/hr. Selanjutnya dari hasil perhitungan, nilai LMTD (Log Mean Temperatur Different) yang merupakan suhu rata-rata dari fluida yang mengalir di dalam heat exchanger yaitu sebesar 121,19 o F, untuk mendapatkan nilai LMTD ini, harga Ft ( Faktor Koreksi) ditentukan dengan menggunakan grafik LMTD Correction factor (Kern, 1965) dari grafik ini terlihat harga Ft untuk jenis Heat exchanger tipe 2 shell pass, 4 tube passes adalah sebesar 0,98. Berdasarkan perhitungan fouling factor dapat terlihat bahwa nilai Fouling Factor pada HE E-108 A yaitu sebesar 0, Btu/hr.ft 2. F, sedangkan secara design yaitu sebesar 0,004 Btu/hr.ft 2. F. Besarnya nilai Fouling Factor ini menunjukkan adanya kotoran yang terakumulasi didalam Heat Exchanger. Kotoran ini berasal dari fluida yang mengalir didalam Heat Exchanger baik itu dari pemanas long residu maupun umpan crude oil. Pada nilai Overal Heat Coefficient (U D ) yang didapat dari perhitungan ini yaitu sebesar 19,96 nilai ini juga dipengaruhi oleh adanya Fouling Factor karena semakin banyak kotoran yang menempel pada tube maka nilai Overal Heat Coefficient ini akan mengalami penurunan. Nilai Overall Heat Coeficicient menyatakan mudah atau tidaknya panas berpindah dari fluida panas ke fluida dingin dan juga menyatakan aliran panas menyeluruh sebagai gabungan proses konduksi dan konveksi. Harga Pressure Drop yang diperoleh pada shell yaitu sebesar 4,096 Psi sedangkan pada tube sebesar 2,787 Psi nilai ini masih dibawah nilai standar yang diperbolehkan yaitu sebesar 10 psi hal ini menunjukkan bahwa heat exchanger tersebut dinyatakan masih layak dioperasikan karna tidak melebihi standar batas yang diperbolehkan. Faktor-faktor yang dapat menyebabkan penurunan kinerja/efisiensi

20 80 dari heat exchanger diantaranya adalah Overal Heat Coeficient (U D ), Fouling Factor (R D ), dan Pressure Drop. 3.9 Kesimpulan Berdasarkan analisa dan perhitungan terhadap kinerja dari Heat Exchanger E-108 A di unit CD III, dapat diperoleh beberapa kesimpulan berupa : 1. Penggunaan Heat Exchanger E-108 A untuk memanaskan crude oil dengan media pemanas long residu sebelum masuk ke kolom stabilizer sudah cukup menghemat penggunaan bahan bakar di furnace. 2. Nilai pressure drop yang diperoleh pada shell yaitu sebesar 4,096 Psi sedangkan pada tube sebesar 2,787 Psi nilai ini masih dibawah nilai standar yang diperbolehkan yaitu sebesar 10 psi hal ini menunjukkan bahwa heat exchanger tersebut dinyatakan masih layak dioperasikan karna tidak melebihi standar batas yang diperbolehkan. 3. Efisiensi heat exchanger E-108 A yang didapat yaitu sebesar 88,19% Saran Setelah dianalisis dari hasil perhitungan dan permasalahan yang terjadi pada Heat Exchanger E-108 A, penulis dapat memberikan saran sebagai berikut : a. Pengecekan temperatur masuk dan temperatur keluar untuk long residu dan crude oil dengan menggunakan sensor infra red (termogan) pada peralatan heat exchanger E-108 A harus tepat pada titik fluida tersebut mengalir untuk menghindari kekeliruan dalam menghitung efisiensi dari Heat Exchanger E-108 A.

21 81 b. Perlu dilakukan perawatan dan pemeriksaan secara rutin pada Heat Exchanger E-108 A agar efisiensi pada alat tersebut tidak mengalami penurunan.