Plate Heat Exchanger
-
Upload
sicilya-ruth-yudhika -
Category
Documents
-
view
72 -
download
8
description
Transcript of Plate Heat Exchanger
PLATE HEAT EXCHANGER
1.1 Fungsi Plate Heat Exchanger
Plate Heat Exchanger (PHE) berfungsi sebagai sistem pemanas atau pendingin
dari suatu sistem produksi. Heat Exchanger, alat penukar kalor ini bertujuan untuk
memanfaatkan panas suatu aliran fluida yang lain. Maka akan terjadi dua fungsi
sekaligus, yaitu :
- Memanaskan fluida
- Mendinginkan fluida yang panas
Suhu yang masuk dan keluar kedua jenis fluida diatur sesuai dengan
kebutuhannya. Pada gambar diperlihatkan sebuah heat exchanger, dimana fluida
yang berada didalam tube adalah air, disebelah luar dari tube fluida yang mengalir
adalah kerosene yang semuanya berada didalam shell.
1.2 Jenis-Jenis Heat Exchanger
Dikarenakan banyaknya jenis dari alat penukar kalor, maka dalam pembahasan
akan dibatasi pada alat penukar kalor jenis heat exchanger yang banyak dijumpai
dalam industri perminyakan. Heat exchanger ini juga banyak mempunyai jenis-
jenisnya. Perlu diketahui bahwa untuk alat-alat ini terdapat suatu terminology yang
telah distandarkan untuk menamai alat dan bagian-bagian alat tersebut yang
dikeluarkan oleh Asosiasi pembuat Heat Exchanger yang dikenal dengan Tublar
Exchanger Manufactures Association (TEMA). Standarisasi tersebut bertujuan untuk
melindungi para pemakai dari bahaya kerusakan atau kegagalan alat, karena alat ini
beroperasi pada temperature dan tekanan yang tinggi. Didalam standar mekanik
TEMA, terdapat dua macam kelas heat Exchanger, yaitu :
1. Kelas R, yaitu untuk peraalatan yang bekerja dengan kondisi berat, misalnya
untuk industri minyak dan kimia berat.
2. Kelas C, yaitu yang dibuat untuk general purpose, dengan didasarkan pada segi
ekonomis dan ukuran kecil, digunakan untuk proses-proses umum industri.
Jenis-jenis Heat Exchanger yang terdapat pada industri perminyakan dapat
dibedakan atas :
1. Jenis Shell and Tube
Jenis ini merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam industri
perminyakan. Alat ini terdiri dari sebuah shell (tabung/slinder besar) dimana
didalamnya terdapat suatu bandle (berkas) pipa dengan diameter yang relative kecil.
Satu jenis fluida mengalir didalam pipa-pipa sedangkan fluida lainnya mengalir
dibagian luar pipa tetapi masih didalam shell. Hal ini dapat dilihat pada gambar 2.3
Gbr. 2.3. Konstruksi alat penukar kalor jenis shell and tube
Keterangan :
1. Saluran ujung yang tetap
2. Topi ujung yang tetap
3. Saluran atau tepi ujung yang tetap
4. Tutup saluran – chanel cover
5. Nosel ujung stasioner – Stationary head nozzle
6. Pelat tube stasioner – Stationary tubes sheet
7. Tube
8. Shell
9. Tutup shell – shell cover U
10. Flens shell pada ujung stasioner-shell flange stationary head end
11. Flens shell ujung yang dibelakang, shell flange – Rear Head End
12. Nossel shell – Shell Nozzle
13. Flens penutup shell – shell cover flange
14. Sambungan ekspansi – Expansion Joint
15. Pelat tube yang mengambang – Floating Head Cover
16. Tutup kepala yang mengambang - Floating Head Cover
17. Flens kepala yang mengambang – Floating Head Flange
18. Penahan kepala yang mengambang – Floatinh Head Backing Device
19. Cicncin pemisah – Split Shear Ring
20. Flens penahan dengan slip – on – slip – on backing flange
21. Tutup kepala yang mengambang sebelah luar – Floating Head Cover
22. Pelat tutup yang mengambang yang menyusur – Floating Tube Sheet Skirt
23. Flens packing – Packing box flange
24. Packing
25. Cincin penekan packing – Packing follower ring
26. Cincin latern – Latern Ring
27. Batang pengikat dan spasi – Tie Rod and Spacer
28. Pelat penahan atau sekat transverse – Transverse Baffles or Support Plate
29. Sekat yang disentuh langsung – Impingement Buffles
30. Sekat yang longitudinal – Longitudinal Baffles
31. Pemisah aliran pass – PassPartition
32. Sambungan untuk venting – Vent Connection
33. Sambungan untuk buangan – Drain Connection
34. Sambungan untuk instrument – Instrument Connection
35. Penahan bejana kepondasi/sadel – Support Saddle
36. Tahanan untuk mengangkat – Lifting Lug
37. Penahan gantungan – Support Bracket
38. Weir
39. Saluran untuk cairan – Liguid Level Connection
2. Jenis Double Pipe (Pipa Ganda)
Pada jenis ini tiap pipa atau beberapa pipa mempunyai shell sendiri-sendiri. Untuk
menghindari tempat yang terlalu panjang, heat exchanger ini dibentuk menjadi U
(lihat gambar 2.4). pada keperluan khusus, untuk meningkatkan kemampuan
memindahkan panas, bagian diluar pipa diberi srip. Bentuk siripnya ada yang
memanjang, melingkar dan sebagainya. Keistimewaan jenis ini adalah mampu
beroperasi pada tekanan yang tinggi, dank arena tidak ada sambungan, resiko
tercampurnya kedua fluida sangat kecil. Kelemahannya terletak pada kapasitas
perpindahan panasnya sangat kecil.
Gambar. 2.4. Alat penukar kalor jenis double pipa
3. Koil Pipa
Heat Exchanger ini mempunyai pipa berbentuk koil yang dibenamkan didalam
sebuah box berisi air dingin yang mengalir atau yang disemprotkan untuk
mendinginkan fluida panas yang mengalir di dalam pipa. Jenis ini disebut juga
sebagai box cooler (gambar 2.5) jenis ini biasanya digunakan untuk pemindahan
kalor yang relative kecil dan fluida yang didalam shell yang akan diproses lanjut.
Gambar 2.5. Pipa Coil Heat Exchanger
4. Jenis Pipa Terbuka (Open Tube Section)
Pada heat exchanger ini pipa-pipa tidak ditempatkan lagi didalam shell, tetapi
dibiarkan di udara. Prndinginan dilakukan dengan mengalirkan air atau udara pada
bagian pipa. Berkas pipa itu biasanya cukup panjang. Untuk pendinginan dengan
udara biasanya bagian luar pipa diberi sirip-sirip untuk memperluas permukaan
perpindahan panas. Seperti halnya jenis coil pipa, perpindahan panas yang terjadi
cukup lamban dengan kapasitas yang lebih kecil dari jenis shell and tube.
Gambar 2.6 Alat penukar kalor jenis open tube section
Di samping jenis-jenis di atas, masih terdapat jenis-jenis lain yang dijumpai di
industri, antara lain :
- jenis spiral, menpunyai bidang perpindahan panas yang melingkar. Karena
alirannya yang melingkar maka system ini dapat “Self Cleaning” dan mempunyai
efisiensi perpindahan panas yang baik. Akan tetapi konstruksi seperti ini tidak dapat
dioperasikan pada tekanan tinggi.
Gambar 2.7. Spiral Heat Exchanger
- jenis lamella, biasanya digunakan untuk memindahkan panas dari gas ke gas
pada tekanan rendah. Jenis ini memiliki koefisien perpindahan panas yang
baik/tinggi.
Gbr. 2.8. Jenis Lamela
- Gasketter plate exchanger, mempunyai bidang perpindahan panas yang
terbentuk dari lembaran pelat yang dibuat beralur. Laluan fluida (biasanya untuk
cairan) terdapat diantara lembaran pelat yang dipisahkan gasket yang dirancang
khusus sehingga dapat memisahkan aliran dari kedua cairan. Perawatannya mudah
dan mempunyai efisiensi perpindahan panas yang baik.
Gbr. 2.9. Gasket plate exchanger
Pada umumnya heat exchanger dibuat dengan pemesanan, karena harus sesuai
dengan kebutuhannya. Baik ukuran maupun bentuk dapat bermacammacam, sesuai
dengan keperluan masing-masing.
1.3 PLATE HEAT EXCHANGER (HE–101)
Fungsi : Memanaskan campuran trigliserida
Bentuk : Balok berisi pelat-pelat tipis yang tersusun vertikal
Bahan konstruksi : Carbon Steel SA-285 grade C
Susunan pelat : Susunan 1 pass – 1 pass dengan aliran berlawanan arah
Jumlah : 1 unit
Data kondisi operasi:
Spacing (δ ) = 3 mm = 0,003 m
Diameter ekuivalen (De) = 6 mm = 0,006 m
Tebal pelat (t) = 0,1 mm = 0,001 m
Lebar pelat (W) = 0,8 m
Tinggi pelat (L) = 1,5 m
Diameter port (Dp) = 0,1 m
Kalor yang dibutuhkan (Q) = 287.971.293,49 J/jam = 79.992,03 J/s
Fluida dingin:
Laju alir PKO (m) = 2159,28 kg/jam
Laju alir minyak jarak (m) = 924,48 kg/jam
Laju alir total (m) = 3803,77 kg/jam
Suhu masuk (t1) = 30°C
Suhu keluar (t2) = 70°C
Jumlah pass (np) = 1
Fluida panas:
Laju alir steam (m) = 133,15 kg/jam
Suhu masuk/keluar (Ts) = 133,68 °C
Tekanan (P) = 2 bar (g)
Jumlah pass (np) = 1
Perhitungan:
a. Corrected Log Mean Temperature Difference (∆TM)
Log Mean Temperature Difference (∆TLM)
∆TLM =
(T 1−t2)−(T 2−t1 )
ln (T 1−t2
T 2−t1)
=
(133,68-70)−(133,68-30)
ln (133,68-70133,68-30 )
= 82,06 °C
Number of transfer unit (NTU) =
(t 2−t 1)ΔTLM
=
(70−30 )oC
82,06 o C = 0,49
Pada Gambar 12.62 dalam buku Coulson & Richardson’s Chemical
Engineering Design (Sinnott, 2005) diperoleh nilai correction factor (Ft) = 0,99.
Corrected Log Mean Temperature Difference (∆TM)
∆TM = ΔTLM×Ft
= 0,49 °C ¿ 0,99
= 81,24 °C
b. Overall Heat Transfer Coefficient (U)
Pada Tabel 12.1 dalam buku Coulson & Richardson’s Chemical Engineering
Design (Sinnott, 2005) diperoleh nilai asumsi awal overall heat transfer
coefficient (U) = 500 W/m2°C
c. Temperatur kalorifik (tc)
tc =
(t2+t1)2 =
(70+30 )o C2 = 50 °C
d. Jumlah pelat (np)
Luas perpindahan panas (Ap) =
QU⋅ΔTM
=
287 . 971. 293,49 J/s
500 W/m2 oC⋅81,24o C
= 1,97 m2
Luas permukaan pelat (A) = W ×L
= 0,8 m ¿ 1,5 m = 1,2 m2
Jumlah pelat (np) =
2,0606 m2
0,75m2
= 1,6 ¿ 2 pelat
e. Jumlah channel (nc) =
np
2 =
22 = 1
Jumlah channel untuk masing-masing aliran fluida dingin dan panas adalah 1.
f. Cross-sectional flow area (Ao)
Ao = δ×W ×nC
= 0,003 m ¿ 0,8 m ¿ 1
= 0,0024 m2
Fluida dingin
Data Komponen dan Bahan
Tabel C.1 Data Komponen fluida dingin dalam Plate Heat Exchanger-1 (HE-101)Komponen Suh
u(oC)
ρ(kg/m3)
μ(kg/m s)
K(W/m.K)
cp(kJ/kg K)
PKO 50 884,9247 - 0,1699 8,8132Minyak jarak
50 928,7079 - 0,1800 2,2391
Campuran 50 893,3480 0,0078 0,1718 7,4984(Rodenbush et al., 1999;Sales-cruz et al., 2010;Ojolo et al., 2012; Maria dan Garcia,
2012; Perry, 1999)
g. Mass velocity pada channel (G) =
mAo
=
3. 083,77 kg/jam×1 jam/3600 s
0,0024 m2
= 356,92 kg/m2 s
h. Koefisien perpindahan panas fluida dingin (hd)
Bilangan Reynold (NRe) =
De⋅G
μ (Geankoplis, 2003)
=
0,006 m⋅356 ,92 kg/m2 s0,0078 kg/m s
=884,50 (Laminar)
Bilangan Prandtl (NPr) =
cp⋅μk (Geankoplis, 2003)
=
7,4984 ×103 J/kg K⋅0,0078 kg/m s0,1718 W/m K
= 95,89
Bilangan Nusselt (NNu) = 0,37 (N Re)0,67( N Pr)
0,34 (McCabe, 2010)
= 0 ,37(884 ,5 )0 , 67(95 , 89)0 , 34
= 164,55
Bilangan Nusselt (NNu) =
hd⋅L
k (McCabe, 2010)
164,55 =
hd⋅1,5 m
0,1718 W/m K
hd = 4.738,03 W/m2 K
Fluida panas
i. Temperatur dinding (tw)
tw = t c+
hd
U asumsi+hd
(T sat−tc )
= 50+ 4 . 738,03 W/m2 K
5 00 W/m2 K+4 . 080,07 W/m2K(133,6839−50)
= 57,99 oC
∆T = Tsat - tw
= 133,6839 oC – 57,99 oC = 75,69 oC
j. Temperatur fluida (Tf)
Tf =
(T sat+tw )2
=
(133,6839+57,99 )2
= 95,83 oC
Data Komponen dan Bahan
Tabel C.2 Data komponen fluida panas dalam Plate Heat Exchanger-1 (E-101)Komponen Suhu
(oC)ρ(kg/m3)
μ(kg/m s)
K(W/m.K)
hfg
(J/kg)Air 91,8534 963,9748 0,0003 0,6799 -
Sat. Steam 91,8534 0,4504 - - -Sat. Steam 133,683
9- - -
2.163.447,7476
(Geankoplis, 2003)
Asumsi : Aliran Laminar (NRe < 1800)
k. Koefisien perpindahan panas fluida panas (hp)
Bilangan Nusselt (NNu)
NNu =
1,13( ρl ( ρl− ρv )ghfg L3
μl k l ΔT )1/4
= 1,13(963,9748(963,9748−0,4504 )9,8066⋅2 .163 .447,747⋅1,53
0,0003⋅0,6799⋅75,69 )1/ 4
= 9.165,48
NNu =
hP⋅L
k l
9.165,48 =
hP⋅1,5 m
0,6799 W/m K
hp = 4.156,13 W/m2 K
hp = 4.156,13 W/m2 oC
l. Bilangan Reynold (NRe)
Laju alir kondensat (m)
Q = h p⋅A⋅ΔT = m⋅hfg
m =
hp⋅A⋅ΔT
hfg
=
4 .156,13 W/m2 oC⋅0,75m2⋅75,69o C2 .163 . 447,75 J/kg = 0,17 kg/s
Bilangan Reynold (NRe) =
4⋅mW⋅μl (Geankoplis, 2003)
=
4⋅0,17 kg/s0,8 m⋅0,0003 kg/m s
= 2.940,36 (Aliran Turbulen)
m. Koefisien perpindahan panas fluida panas (hp)
Bilangan Nusselt (NNu)
NNu = 0,0077 (gρl
2 L3
μ l2 )
1/3
( NRe )0,4
Asumsi NRe = 5.404,32
NNu =
0,0077 (9,8066⋅963,974821,53
0,00032 )1/3
(5 .404,32 )0,4
= 16.845,99
NNu =
hp L
k l
16.845,99 =
hp⋅1,5 m
0,6799 W/moC
h p = 7.638,32 W/m2 oC
n. Bilangan Reynold (NRe)
Laju alir kondensat (m)
Q = h p⋅A⋅ΔT = m⋅hfg
m =
hp⋅A⋅ΔT
hfg
=
7 .638,32 W/m2 o C⋅0,75m2⋅74 ,55o C2 .163 .447,7476 J/kg = 0,21 kg/s
Bilangan Reynold (NRe) =
4⋅mW⋅μl (Geankoplis, 2003)
=
4⋅0,21 kg/s0,8 m⋅0,0003 kg/m s
= 5.404,32 (NRe hitung = NRe asumsi)
o. Overall Heat Transfer Coefficient (U)
Pada Tabel 12.9 dalam buku Coulson & Richardson’s Chemical Engineering
Design (Sinnott, 2005) diperoleh nilai coefficient fouling factor untuk fluida
panas = 8.000 W/m2°C sementara untuk fluida dingin = 10.000 W/m2°C.
1U =
1
4 .080,07 W/m2 °C+ 1
10 . 000 W/m2 °C+0,001 m
45,15 W/m°C+
1
8 .000 W/m2 °C+ 1
7 . 644,03 W/m2 °C
U = 1.6697,46 W/m2°C
Nilai U hitung > U estimasi, sehingga perlu dinaikkan jumlah pelat agar nilai U
hitung ≈ U estimasi.
p. Jumlah pelat desain yang dibutuhkan (Np)
Prosedur e hingga o diulangi dengan menaikkan jumlah pelat (np) hingga
diperoleh nilai U hitung ≈ U estimasi.
Akhirnya diperoleh jumlah pelat desain yang dibutuhkan (Np) dinaikkan menjadi
42 pelat.
Fluida dingin Fluida panasG (kg/m2 s) 16,99 -NRe 42,12 3.836,73h (W/m2 oC) 616,18 7450,52
U 498,93
q. Pressure drop fluida dingin
Mass velocity pada port (Gp) =
m
( π /4 )⋅D p2
=
3. 083,77 kg/jam×1 jam/3600 s
( π /4 )⋅( 0,1 m)2
= 109,02 kg/m2 s
Friction factor (f) = 0,8 NRe-0,25
= 0,8 (42,12)-0,25
= 0,31
∆p =
1,5Gp2 n p
2gc ρl
+ 4 f LG2
2gc De( 1
ρ )m
+ρmgL
gc
=
1,5⋅1 09 ,022⋅12⋅1⋅963,9366
+ 4⋅0,31⋅1,5⋅29,57452
2⋅1⋅0,006 ( 1963,9366 )+
963,9366⋅9,8066⋅1,51
= 14.050,05 kg/m2 s
= 2,04 psia (dapat diterima)
r. Pressure drop fluida panas
Mass velocity pada port (Gp) =
m
( π /4 )⋅D p2
=
133,15 kg/jam×1 jam/3600 s
( π /4)⋅(0,1 m )2
= 4,7 kg/m2 s
Friction factor (f) = 0,8 NRe-0,25
= 0,8 (3.836,73)-0,25
= 0,10
∆p =
1,5Gp2 n p
2gc ρl
+ 4 f LG2
2gc De( 1
ρ )m
+ρmgL
gc
=
1,5⋅9,36882⋅12⋅1⋅951,3507
+ 4⋅0,1⋅1,5⋅29,57452
2⋅1⋅0,006 ( 1951,3507 )+
951,3507⋅9,8066⋅1,51
= 13.993,34 kg/m2 s
= 2,03 psia < 10 psia (dapat diterima)
Alasan mengapa digunakan Carbon Steel SA-285 grade C adalah bahan ini lebih
ekonomis dan digunakan pada alat-alat yang memilki tebal Shell dibawah 5/8 inch.
Dimana, pada proses ini, tebal shell adalah 0,1 atau 1/10 inch. Sehingga alat ini
sesuai dengan standar yang telah ditentukan diatas. Dan nilai S yang dibutuhkan pada
alat ini juga harus dibawah 13.750 psia. Dan data perhitungannya sesuai dengan
standar yang harus dipenuhi dari bahan.
1.4 Gambar Plate Heat Exchanger
1.5 Aplikasi dalam Industri
Plate and Frame Heat Exchanger digunakan secara luas di industri makanan dan
minuman, karena pada industri tersebut sering melakukan inspeksi dan pembersihan.
Penggunaan dari Plate and Frame Heat Exchanger ini tergantung dari biaya relatif
dibandingkan dengan Heat Exchanger shell and tube konvensional.
Plate Heat Exchanger mempunyai banyak aplikasi, dan pada setiap aplikasinya
mempunyai persyaratan yang berbeda-beda, misalnya pada industri permen, PHE
Gasket haruslah aman terhadap makanan, tahan terhadap panas tinggi (130oC), tahan
terhadap soda api (costic soda).