(3)Thermal Design Shell&Tube

SHELL AND TUBE EXCHANGERS

SHELL AND TUBE EXCHANGERS THERMAL DESIGN

Tahapan dalam design Shell and Tube HE ialah:

1. Menetapkan beban: laju perpindahan kalor, laju fluida dan temperaturnya.

2. Mengumpulkan sifat-sifat fisik fluida: densitas, viskositas dan konduktivitas termal.

3. Menetapkan type exchanger yang akan digunakan.

4. Menebak overall coefficient heat transfer U.

5. Menghitung rata-rata beda temperatur antara hot fluid dengan cold fluid (Tm.6. Menghitung luas permukaan perpindahan kalor yang diperlukan.

7. Menetapkan exchanger layout.

8. Menghitung koefisien perpindahan kalor di dinding luar dan dinding dalam tube.

9. Menghitung overall coefficient heat transfer U dan membandingkan dengan harga tebakan, bila berbeda gunakan harga U hasil hitungan dan kembali ke langkah 6.

10. Menghitung exchanger pressure drop, bila tidak memuaskan kembali ke langkah 7 atau 4 atau 3.

11. Optimasi hasil rancangan, mengulangi langkah 4 sampai 10 untuk memperoleh exchanger termurah yang sesuai dengan beban yang ditetapkan. Biasanya diindikasikan dengan luas perpindahan kalor terkecil.

Overall heat transfer coefficient dapat diperkirakan dengan data yang dimuat dalam berbagai sumber. Tabel.1 dan Gambar.1 memuat perkiraan harga U. Pada Gambar.1 harga U yang disajikan sudah memperkirakan tahanan fouling, sedangkan perkiraan harga fouling coefficient dimuat dalam Tabel.2

KOEFISIEN PERPINDAHAN KALOR DALAM TUBEAliran Turbulent Koefisien perpindahan kalor di dinding dalam suatu saluran yang cross section areanya seragam, dinyatakan dalam hubungan besaran tak berdimensi berikut :

hi : coefficient heat transfer di dinding dalam

de: diameter ekivalen saluran

untuk tube de = diut: fluid velocity

kf: fluid thermal conductivity

Gt: mass velocity = mass flow per unit area

: fluid viscosity at bulk fluid temperature

(w: fluid viscosity at wall temperature

Cp: fluid heat capacity Pangkat (indeks) untuk Re biasanya 0,8 dan untuk Pr = 0,33 (dalam range 0,3 sampai 0,4 ; untuk pendinginan harganya 0,3 dan untuk pemanasan harganya 0,4). Pangkat untuk koreksi vikositas ialah 0,14.

Secara umum untuk aliran turbulen dalam saluran mengikuti persamaan:

dengan C = 0.021 untuk gas

= 0,023 untuk non-viscous liquid

= 0,027 untuk vicous liquid

Aliran laminer

Aliran laminer dalam saluran, memiliki bentuk persamaannya mirip dengan persamaan untuk aliran turbulen

dengan L adalah panjang tube

Aliran di daerah Transisi

Pada daerah antara laminer dan turbulent, heat transfer coefficient tidak dapat diprediksi karena aliran di daerah ini tidak stabil. Daerah transisi harus dihindari dalam heat exchanger design.

Secara umum korelasi di atas dapat dinyatakan sebagai:

dengan jh : heat transfer factor yang dapat diperoleh dari Gambar.2.

Faktor Koreksi Viskositas

Koreksi viskositas diperlukan untuk viscous liquid.

Untuk mengoreksi viskositas perlu mengetahui temperatur dinding tube yang dapat diketahui dari hubungan:

tw : estimated wall temperature

t : tube-side bulk temperature (mean)

T : shell-side bulk temperature (mean)

PRESSURE DROP DALAM TUBE Pressure drop di tube disebabkan oleh dua hal yaitu karena gesekan dalam pipa dan akibat pembesaran atau pengecilan mendadak serta perubahan arah aliran. Pressure drop (Pt diperkirakan dengan korelasi (dalam SI unit):

dengan Np : number of tube-side passes

L: length of one tube

jf: diperoleh dari Gambar.3 m = 0,14 untuk turbulent flow

m = 0,25 untuk laminer flow.

.

KOEFISIEN PERPINDAHAN KALOR DALAM SHELL Pola aliran dalam shell heat exchanger yang dilengkapi baffle cukup rumit, oleh sebab itu prediksi harga koefisien perpindahan kalor dan harga pressure drop tidak semudah dalam tube. Meskipun baffle dipasang dengan tujuan agar arah aliran tegak lurus tube, namun dalam kenyataannya aliran yang terjadi adalah campuran antara arah tegak lurus tube dan arah sejajar tube (arah axial).

Aliran axial terjadi karena adanya kebocoran pada celah antara tube dan baffle, antar baffle dan dinding shell serta aliran yang lewat baffle windows.

Penentuan Diameter Shell

Diameter shell dapat ditentukan berdasarkan standar yang disajikan dalam bentuk tabel.

Diameter shell dapat juga dihitung berdasarkan diameter bundle dan shell-bundle clearance

Penentuan bundle diameter berdasarkan persamaan:

Nt : number of tube ; Db : bundle diameter ; do : tube outside diameter.. Harga K1 dan n ditentukan oleh konfigurasi tube dalam bundle serta jumlah pass. Tabel berikut memuat harga K1 dan n triangular pitch , pt = 1,25 doNo. passes12468

K10.3190.2490.1750.07450.0365

n2.1422.2072.2852.4992.675

square pitch , pt = 1,25 doNo. passes12468

K10.2150.1560.1580.04020.0331

n2.2072.2912.2632.6172.643

Gambar berikut digunakan untuk menetukan shell-bundle clearance

Metode Kern dapat digunakan untuk prediksi harga koefisien perpindahan kalor dalam shell dengan hasil yang cukup memuaskan, karena metode ini berdasarkan kerja eksperimen pada commercial exchanger. Tahapan untuk menetukan harga koefisien perpindahan kalor :

Menghitung cross flow are As untuk deretan tube di shell equator

pt : tube pitch

do: tube outside diameter

Ds: inside shell diameter

lB: baffle spacing

Menghitung shell-side mass velocity Gs dan linier velocity us

Ws : fluid-mass flow rate on shell-side

(: shell-side fluid density Menghitung diameter ekivalen shell-side, de :

square pitch arrangement:

equivalent pitch arrangement: Menghitung Reynold number:

Menghitung Nusselt number dan koefisien perpindahan kalor di sisi shell ho :

jh : diperoleh dari Gambar.5.

Menghitung pressure drop di sisi shell (Ps :

jf : didapat dari Gambar.6.

L : tube length

lB : baffle spacing

(L/lB) adalah jumlah aliran yang tegak lurus tube = (Nb+1) dimana Nb banyaknya baffles.

Pressure drop di nozel hanya berarti untuk aliran gas.

Inlet nozzle pressure drop = 1 kali velocity heads, sedangkan untuk outlet nozzle pressure drop = kali velocity heads based on nozzel area atau free area antara tubes pada baris yang terdekat dengan nosel.

KONDENSOR Konstruksi kondensor sama dengan shell and tube exchangers tetapi dengan baffle spacing yang lebih lebar. Umumnya lB = Ds.

Empat konfigurasi kondensor yang mungkin:

horisontal : kondensasi dalam shell.

horisontal : kondensasi dalam tube.

vertikal : kondensasi dalam shell.

vertikal : kondensasi dalam tube.

Paling sering digunakan ialah type kondensasi horisontal dalam shell dan kondensasi vertikal dalam tube.Koefisien perpindahan kalor proses kondensasi, hc Kondensasi di luar tube horisontal

Tube tunggal:

hc,1: mean condensation film coefficient.

kL: condensate thermal conductivity

(L , (V : condensate density, vapor density(L: condensate viscosity

g: gravitational acceleration

( : tube loading,

condensate mass flow rate per unit length of tubePada kumpulan tube horisontal yang tersusun vertikal aliran kondensat diperlihatkan dalam gambar berikut.

Harga koefisien perpindahan kalor hc,b dihitung dengan:

(h : Wc /(LNt)

L : tube length

Wc : total condensate flow

Nt : total number of tubes in bundle

Nr : average number of tubes in vertical tube row.

(2/3 of the number in the central tube row)

Kondensasi di dalam dan di luar tube vertikalKoefisien perpindahan kalor hc,v :

(v : vertical tube loading

condensate mass flow rate per unit tube perimeter

untuk kumpulan tube

Korelasi di atas hanya berlaku untuk Reynold number kondensat Re,c di bawah 30. Re,c dihitung dengan:

Gambar berikut dapat digunakan untuk memperkirakan harga hc,v pada berbagai harga Re,c dan Prandtl number kondensat dihitung dengan:

PRESSURE DROP

Pressure drop dalam kondensor sangat sulit diperkirakan akibat adanya dua fasa dan laju uap berubah sepanjang kondensor.

Dalam praktek pressure drop dihitung seperti pada aliran fasa tunggal kemudian dikoreksi dengan suatu faktor koreksi. Faktor koreksinya antara 40 -50 % atas dasar kondisi uap masuk. Alternatif lain ialah menghitung pressure drop dalam partial condenser dengan menggunakan laju uap rata-rata Ws,avg.

K2 : diperoleh dari grafik berikut

PENDIDIHAN (BOILING)

Dalam perancangan vaporizer dan reboiler ada dua type boiling yaitu pool boiling dan convective boiling.

Pool boiling merupakan pendidihan nukleat dalam cairan. Seperti dalam reboiler type kettle atau jacketed vessel.

Convective boiling adalh penguapan cairan yang mengalir di atas permukaan panas. Perpindahan kalor terjadi karena sirkulasi paksa dan pendidihan nukleat. Seperti dalam forced circulation dan thermosyphon reboiler.

POOL BOILING

Mekanisme pendidihan (boiling) suatu permukaan panas yang terendam dalam cairan dipengaruhi oleh beda temperatur antara permukaan panas dan temperatur cairan yang mendidih. Hubungan antara heat flux dan beda temperatur tersebut diperlihatkan dalam diagram di bawah.

Pada beda temperatur rendah, terbentuk gelembung-gelembung dipermukaan panas dan naik ke atas melalui cairan. Bila beda temperatur diperbesar, gelembung semakin banyak dan pada saat naik melewati cairan cenderung bergabung dan dapat mengaduk cairan. Mekanisme pendidihan disebut pendidihan nukleat (nucleate boiling). Pendidihan nukleat mencapai maksimum pada titik kritik Cr. Pada keadaan ini gelembung-gelembung dipermukaan panas sangat banyak, dan gelembung-gelembung tersebut cenderung menggabung dan timbul ledakan-ledakan kecil serta memancarkan jet uap. Suatu keadaan yang tidak stabil. Fluk kalor menurun dengan cepat. Penambahan beda temperatur menyebabkan antara permukaan panas cairan terdapat lapisan film uap yang diam dan bersifat isolasi. Perpindahan kalor terjadi melalui mekanisme konduksi pada beda temperatur yang tinggi serta mekanisme radiasi. Mekanisme ini disebut pendidihan film (film boiling). Vaporizer dan reboiler dirancang pada mekanisme pendidihan nukleat. Prediksi koefisien perpindahan kalor pada pool boiling tidak mudah, untuk prediksi nucleate boiling hnb dapat digunakan persamaan:

( : kalor laten penguapan

( : surface tension

p : saturation pressure

subskrip L : liquid, v : vapor , w : wall , s : saturation Untuk memperkirakan critical heat flux:

CONVECTIVE BOILING Convective boiling terjadi bila cairan mengalir pada permukaan panas.

Mekanisme pendidihan convective boiling sangat berbeda degan mekanisme pool boiling. Gambaran convective boiling cairan yang mengalir dalam tube panas Daerah aliran satu fasa terjadi pada saat cairan masuk dengan temperatur di bawah titik didihnya. Mekanisme perpindahan kalor secara koveksi. Korelasi forced convection dapat digunakan untuk prediksi h.

Sub-cooled boiling: pendidihan terjadi pada cairan dekat dinding tetapi bulk liquid belum mendidih.

Saturated boiling: bulk liquid mendidh dengan mekanisme pool boiling, jumlah uap bertambah sehingga berbagai pola aliran mulai terbentuk. Pada tube yang panjang akan terbentuk pola aliran anular. Cairan mengalir menempel dinding, sedangkan uap di tengah-tengah.

Dry wall region: bila fraksi yang menguap cukup banyak dinding akan kering, dan sisa cairan akan berbentuk kabut. Mekanisme perpindahan kalor terjadi secara konveksi dan radiasi. Keadaan ini sangat dihindari dalam merancang vaporizer dan reboiler.REBOILER

Fractionator bottoms to reboiler

A. Cairan yang masuk reboiler tidak sama dengan bottom product.B. Cairan yang masuk reboiler : campuran cairan dari antara tray paling bawah dan cairan dari reboiler.

C.Temperatur dan pemisahan fasa keluaran reboiler ditentukan oleh sirkulasi cairan di reboiler

Bottom tray liquid to reboiler

A.Fasa cair dari reboiler yang masuk kolom identik dengan bottom product

B.Cairan yang masuk ke reboiler adalah semua cairan yang keluar dari bottom tray.

C.Saat design, temperatur dan pemisahan fasa keluaran reboiler dianggap konstan.

Preferential Fractionator Bottoms to Reboiler

A.Secara teoritis fasa cair dari reboiler identik dengan bottom product.

B.Cairan yang masuk ke reboiler adalah semua cairan dari bottom tray ditambah dengan sebagian cairan dari reboiler yang direcycle.

C.Temperatur dan pemisahan fasa keluaran reboiler akan berubah jika cairan yang di recycle berubah.

Jenis-jenis Reboiler

Thermosiphon (natural circulation)

Penguapan dirancang sebesar 33 % berat per pass.

Fluida proses di tube sehingga mudah dibersihkan.

Memerlukan baffle di kolom agar driving force cairan konstan.

Penguapan dirancang sebesar 33 % berat per pass.

Heating medium di tube sehingga mudah dibersihkan.

Lebih mahal dari pada jenis vertikal tetapi maintenance nya lebih mudah.

Immersed (natural circulation)

Penguapan dibatasi 90 % berat atau lebih rendah, menghindari entarainment.

Tahanan film sisi fluida proses tinggi, sehingga tidak digunakan bila ada kemungkinan thermal fouling.

Diameter shell besarTidak memerlukan driving force yang besar.

Penguapan dibatasi 90 % berat atau lebih rendah, menghindari entarainment.

Tahanan film sisi fluida proses tinggi, sehingga tidak digunakan bila ada kemungkinan thermal fouling.

Lebih murah dibandingkan dengan jenis eksternal. Pumped (forced circulation)

Jenis ini tidak dipengaruhi oleh liquid hydrostaic head.

Bila reboiler merupakan fired heater digunakan jenis ini.

Penguapan biasanya 50 % berat (untuk fluida yang bersih dapat mencapai 75 % berat).

Jenis ini sangat berguna untuk fluida vicous.nucleate

boiling

transitional

boiling

film

boiling

Cr

Heat

Flux

Temperature Difference

EMBED Equation.DSMT4



















PAGE 27

_1092835514.unknown

_1148929312.unknown

_1148929911.unknown

_1148929959.unknown

_1149448726.unknown

_1149448751.unknown

_1148930247.unknown

_1148930293.unknown

_1148930080.unknown

_1148929945.unknown

_1148929749.unknown

_1148929818.unknown

_1148929345.unknown

_1148926100.unknown

_1148929232.unknown

_1148929274.unknown

_1148926114.unknown

_1148926811.unknown

_1148926056.unknown

_1148926086.unknown

_1092835792.unknown

_1092829595.unknown

_1092830274.unknown

_1092831119.unknown

_1092830115.unknown

_1092811401.unknown

_1092829440.unknown

_1092810832.unknown

Documents

(3)Thermal Design Shell&Tube