TUGAS UMUM

SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER

Heat Exchanger adalah alat penukar kalor yang berfungsi untuk mengubah

temperatur dan fasa suatu jenis fluida. Proses tersebut terjadi dengan

memanfaatkan proses perpindahan kalor dari fluida bersuhu tinggi menuju fluida

bersuhu rendah. Sebagai alat untuk penukaran panas dari fluida dengan temperatur

tinggi ke fluida dengan temperatur rendah, suatu heat exchanger diharapkan

mempunyai efektivitas yang tinggi. Secara teoritis kenaikan kecepatan aliran akan

menaikkan efektivitas. Namun, hal ini membuat waktu kontak menjadi singkat.

Dari hasil penelitian didapat bahwa efektivitas naik seiring dengan kenaikan

kecepatan hingga suatu harga tertentu dan kemudian akan turun. Efektivitas Shell-

and-Tube Heat Exchanger lebih tinggi jika udara panas mengalir dengan

kecepatan tinggi (di sisi tube) dan udara dingin mengalir dengan kecepatan rendah

(di sisi shell).

Di dalam dunia industri peran dari heat exchanger sangat penting. Misal

dalam industri pembangkit tenaga listrik, heat exchanger berperan dalam

peningkatan efisiensi sistem. Contohnya adalah ekonomizer, yaitu alat penukar

kalor yang berfungsi memanaskan feed water sebelum masuk ke boiler

menggunakan panas dari exhaust gas (gas buang). Selain itu heat exchanger juga

merupakan komponen utama dalam sistem mesin pendingin, yaitu berupa

evaporator dan condenser.

Kemampuan untuk menerima panas suatu heat exchanger dipengaruhi oleh 3

hal :

1. 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 proses

konduksi dan konveksi.

2. Luas bidang yang tegak lurus terhadap arah perpindahan panas

3. Selisih temperatur rata-rata logaritmik (T LMTD)

LMTD merupakan perbedaan temperatur yang dipukul rata-rata setiap bagian

HE. Karena perbedaan temperatur di setiap bagian HE tidak sama.

A. Shell and Tube Heat Exchanger

Shell and Tube Heat Exchanger merupakan salah satu jenis heat exchanger.

Jika aliran yang terjadi sangat besar, maka digunakan shell and tube heat

exchanger, dimana exchanger ini adalah yang biasa digunakan dalam proses

industri. Exchanger ini memiliki aliran yang kontinyu. Banyak tube yang

dipasang secara paralel dan di dalam tube-tube ini fluida mengalir. Tube-tube ini

disusun secara paralel berdekatan satu sama lain di dalam sebuah shell dan fluida

yang lain mengalir di luar tube-tube, tetapi masih dalam shell.

Shell and Tube Heat Exchanger adalah jenis Heat Exchanger yang paling

umum dipergunakan pada proses Revinary, Oil and Gas dan Petrochemical.

Dalam hal design Shell and Tube Heat Exchanger (STHE), standar yang dipakai

adalah ASME Section VIII dan TEMA Class R, atau API 660

Ada dua sisi utama dalam design STHE, Shell Side dan Tube Side.

Berdasarkan konstruksinya, STHE dapat dibagi atas beberapa tipe, masing masing

tipe diberi kode berdasarkan kombinasi tipe Front Head, Shell, dan Rear Head.

Setelah mengetahui karateristik dari masing masing tipe shell and tube heat

exchanger, selanjutnya design didasarkan atas keperluannya. Design yang

kompleks biasanya menimbulkan biaya yang lebih mahal dan perawatan yang

lebih sulit sehingga biasanya hanya digunakan untuk keperluan yang tidak

memungkinkan penggunaan yang lebih simpel. Secara garis besarnya ada dua

Tahap Detail Design untuk Shell and Tube Heat Exchanger, Tahap pertama

adalah Thermal Design dan selanjutnya diteruskan dengan Mechanical

Design. Output atau hasil yang diperoleh pada Thermal design akan menjadi data

input untuk Mechanical design.

Dari semua tipe HE, shell & tube HE lah yang paling baik digunakan. hal tersebut

dapat dikarenakan :

1. STHE memberikan luas permukaan perpindahan panas yang besar dengan

volume yang kecil

2. Memiliki range luas perpindahan panas yang lebar mulai kurang dari 1 meter

kuadrat hingga seribuan meter kuadrat dan bahkan lebih

3. Memiliki rancangan mechanical yang baik, mampu dioperasikan pada tekanan

tinggi

4. Dapat dirancang dengan menggunakan berbagai jenis material

5. Mudah dibersihkan baik dengan chemical maupun mechanical cleaning

6. Memiliki prosedur thermal dan  mechanical design yang baik.

7. Mudah melakukan penggantian untuk komponen atau bagian–bagian yang

cukup mudah rusak seperti gasket dan tube.

Dalam sistem shell & tube heat exchanger besar kecilnya perpindahan panas

dalam HE dipengaruhi oleh : 

a. Luas permukaan perpindahan panasnya

b. Proses konduksi (tergantung konduktifitas termal bahan materialnya)

c. Proses konveksinya (tergantung koefisien konveksi , dimana h = k.Nu/d)

d. Nu = bilangan Nuselt (tergantung banyak parameter tergantung rumusnya

siapa yang dipakai), untuk rumus sederhananya Nu tergantung Bilangan

Reynold (Re) dan Bilangan Prandtl (Pr) fluidanya dan konstantanya.

e. Re tergantung kecepatan aliran fluida (u), diameter saluran (d), dan kekentalan

fluidanya.

I. Bagian – bagian Shell and Tube Heat Exchanger

Secara keseluruhan komponen utama penyusun shell and tube heat exchanger

adalah:

1) Shell

Biasanya berbentuk silinder yang berisi tube bundle sekaligus sebagai wadah

mengalirnya zat.

2) Head stationer

Head stationer merupakan salah satu bagian ujung dari penukar panas. Pada

bagian ini terdapat saluran masuk fluida yang mengalir ke dalam tube.

3) Head bagian belakang

Head bagian belakang ini terletak diujung lain dari alat penukar panas

4) Sekat (baffle). Sekat digunakan untuk membelokkan atau membagi aliran dari

fluida dalam alat penukar panas. Untuk menentukan sekat diperlukan

pertimbangan teknis dan operasional.

Macam-macam baffle yaitu:

a) Horizontal cut baffle

Baik untuk semua fase gas atau fase liquid dalam shell.

Baik ada dissolves gas dalam liquid yang dapat dilepaskan dalam heat

exchanger maka perlu diberi ‘notches’ dalam baffle.

b) Vertical cut baffle

Baik untuk liquid yang membawa suspended matter atau yang heavy fouling

fluida.

c) Disc and doughtnut baffle

Fluida harus bersih, bila tidak akan terbentuk sediment dibelokkan doughtnut

Kurang baik, sebab bila ada dissolved gas yang terlepas, bisa dilepaskan

melalui top  dari doughtnut, bila ada kondensat liquid tidak dapat di drain

tanpa large ports pada doughtnut.

d) Baffle dengan annular orifice

Baffel ini jarang digunakan kerena terdiri dari full circular plate dengan

lubang-lubang untuk semua tube.

e) Longitudinal baffle

Digunakan pada shell side untuk membagi aliran shell side menjadi dua atau

beberapa bagian untuk memberikan kecepatan yang lebih tinggi untuk

perpindahan panas yang lebih baik.

Komponen lainnya adalah tube. Macam-macam tube adalah sebagai berikut :

1) Tube

Tube merupakan pemisah dan sebagai pengantar panas yang berbeda suhunya

diantara dua zat yang berada di dalam suatu alat. Pemilihan tube ini harus

sesuai dengan suhu, tekanan, dan sifat korosi fluida yang mengalir. Tube ada

dua macam, yaitu tube polos (bare tube) dan tube bersirip (finned tube)

2) Tube sheet

Berfungsi sebagai tempat duduk tube bundle pada shell

3) Channel and pass partition

Channel merupakan tempat keluar masuknya fluida pada tube, sedangkan pass

partition merupakan pembatas antara fluida yang masuk dan  keluar tube.

4) Shell cover and channel cover

Shell cover and channel cover adalah tutup yang dapat dibuka pada saat

pembersihan.

II. Konstruksi dari Heat Exchanger

Konstruksi dari heat exchanger jenis ini sangat banyak, antara lain :

1. Shell and tube heat exchanger dengan konstruksi “fixed tube sheet” artinya

pelat pemegang pipa-pipa pada kedua ujung pipa, keduanya memiliki

konstruksi yang tetap (tidak dapat bergeser secara aksial dalam arah sumbu

tabung relative antara satu sisi dengan sisi lainnya).

2. Shell and tube heat exchanger dengan konstruksi “floating tube sheet” artinya

salah satu pelat pemegang pipa-pipa pada kedua ujung pipa dapat bergerak

relatif terhadap satunya karena tidak terjepit oleh flens (mengambang).

3. Shell and tube heat exchanger dengan konstruksi pipa U (U tube type).

4. Shell and tube heat exchanger dengan konstruksi dua pipa (double pipe type).

Pada jenis ini setiap tabung berisi berkas pipa masing-masing.

Pergerakan relative ini dimaksudkan sebagai kompensasi akibat pertambahan

panjang bila terjadi perubahan temperatur pada pipa sehingga tidak memberikan

tambahan beban gaya pada baut pengencang flens tabung di luar pipa. Hal ini

selain untuk alasan kekuatan bahan juga dimaksudkan untuk keamanan dalam hal

menghindari kebocoran.

Pada heat exchanger diameter tabung tidak sama sepanjang penukar kalor.

Pebesaran diameter dimaksudkan untuk menampung perubahan fasa dari fluida

yang berada di luar pipa dan di dalam tabung. Alat ini diaplikasikan untuk proses

penguapan atau pendidihan fluida di luar pipa. Jenis ini sering disebut dengan

jenis ketel (kettle).

III.Penentuan fluida dalam shell atau tube :

1. Fluida bertekanan tinggi dialirkan di dalam tube karena tube standar cukup

kuat menahan tekanan yang tinggi.

2. Fluida berpotensi fouling dialirkan di dalam tube agar pembersihan lebih

mudah dilakukan.

3. Fluida korosif dialirkan di dalam tube karena pengaliran di dalam shell

membutuhkan bahan konstruksi yang mahal yang lebih banyak.

4. Fluida bertemperature tinggi dan diinginkan untuk memanfaatkan panasnya

dialirkan di dalam tube karena dengan ini kehilangan panas dapat dihindarkan.

5. Fluida dengan viscositas yang lebih rendah dialirkan di dalam tube karena

pengaliran fluida dengan viscositas tinggi di dalam penampang alir yang kecil

membutuhkan energi yang lebih besar.

6. Fluida dengan viskositas tinggi ditempatkan di shell karena dapat digunakan

baffle untuk menambah laju perpindahan.

7. Fluida dengan laju alir rendah dialirkan di dalam tube. Diameter tube yang

kecil menyebabkan kecepatan linier fluida (velocity) masih cukup tinggi,

sehingga menghambat fouling dan mempercepat perpindahan panas.

8. Fluida yang mempunyai volume besar dilewatkan melalui tube, karena adanya

cukup ruangan.

IV. Pemilihan Fluida Yang Dilewatkan Pada Shell  dan  Tube

Beberapa hal yang perlu dipertimbangkan dalam menentukan aliran fluida

dalam shell side dan tube side untuk shell and tube exchanger adalah :

a. Kemampuan untuk dibersihkan (Cleanability)

Jika dibandingkan cara membersihkan Tube dan Shell, maka pembersihan sisi

shell  jauh lebih sulit. Untuk itu fluida yang bersih biasanya dialirkan di sebelah

shell dan fluida yang kotor melalui Tube.

b. Korosi

Masalah korosi atau kebersihan sangat dipengaruhi oleh penggunaan dari

paduan logam. Paduan logam tersebut mahal, oleh karena itu fluida dialirkan

melalui Tube untuk menghemat biaya yang terjadi karena kerusakan shell. Jika

terjadi kebocoran pada Tube, heat exchanger masih dapat difungsikan kembali.

Hal ini disebabkan karena Tube mempunyai ketahanan terhadap korosif, relatif

murah dan kekuatan dari small diameter Tube melebihi shell.

c. Tekanan

Shell yang bertekanan tinggi dan diameter yang besar akan memerlukan

dinding yang tebal, hal ini akan memakan biaya yang tidak murah atau mahal.

Untuk mengatasi hal itu apabila fluida bertekanan tinggi lebih baik dialirkan

melalui Tube.

d. Temperatur

Biasanya lebih ekonomis meletakkan fluida dengan temperatur lebih tinggi

pada Tube side, karena panasnya ditransfer seluruhnya ke arah permukaan

luar Tube atau ke arah shell sehingga akan diserap sepenuhnya oleh fluida yang

mengalir di shell. Jika fluida dengan temperatur lebih tinggi dialirkan pada shell

side, maka transfer panas tidak hanya dilakukan ke arah Tube, tapi ada

kemungkinan transfer panas juga terjadi ke arah luar shell (ke lingkungan).

e. Sediment/ Suspended Solid / Fouling

Fluida yang mengandung sediment/suspended solid atau yang menyebabkan

fouling sebaiknya dialirkan ditube sehingga tube-tube dengan mudah dibersihkan.

Jika fluida yang mengandung sediment dialirkan di shell, maka sediment/fouling

tersebut akan terakumulasi pada stagnant zone di sekitar baffles, sehingga

cleaning pada sisi shell menjadi tidak mungkin dilakukan tanpa

mencabut tube bundle.

f. Viskositas

Fluida yang viscous atau yang mempunyai low transfer rate dilewatkan

melalui shell karena dapat menggunakan baffle. Koefisien heat transfer yang

lebih tinggi dapat diperoleh dengan menempatkan fluida yang lebih viscous pada

shell side sebagai hasil dari peningkatan turbulensi akibat aliran crossflow

(terutama karena pengaruh baffles). Biasanya fluida dengan viskositas > 2 cSt

dialirkan di shell side untuk mengurangi luas permukaan perpindahan panas yang

diminta. Koefisien perpindahan panas yang lebih tinggi terdapat pada shell side,

karena aliran turbulen akan terjadi melintang melalui sisi luar tube dan baffle.

V. Keuntungan shell & tube exchanger

Keuntungan dari shell & tube exchanger adalah

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. Tersedia dalam berbagai bahan konstruksi

4. Prosedur pengopersian lebih mudah

5. Metode perancangan yang lebih baik telah tersedia

6. Pembersihan dapat dilakukan dengan mudah

VI. Cara kerja Shell and Tube Heat Exchanger

Untuk 1-1 counterflow exchanger (gambar 1), atau 1 shell pass dan 1 tube

pass, fluida dingin masuk dan mengalir di dalam tube-tube. Fluida dingin masuk

pada ujung yang lain dan mengalir secara counterflow di bagian luar tube tetapi

masih di dalam shell. Baffle-baffle digunakan agar fluida dapat mengalir secara

bertahap melewati tube dan tidak mengalir secara paralel dengan tube.

Gambar 1. Shell & tube heat exchanger

1 shell pass and 1 tube pass (1-1 exchanger)

Dalam suatu shell and tube heat exchanger terdapat tiga tahap perpindahan

panas, yaitu konveksi sisi shell, konduksi pada dinding tube dan konveksi sisi

tube. Jika dua fluida memasuki exchanger pada dua ujung yang sama dan

mengalir dengan arah yang sama, alirannya disebut parallel atau cocurrent flow.

Untuk aliran parallel, ΔT2 = T1 – t1 dan ΔT1 = T2 – t2.

Gambar 2. Kurva temperatur pada aliran cocurrent

Ketika dua fluida memasuki exchanger pada dua ujung yang berbeda dan

melewati exchanger unit dengan arah yang berlawanan, aliran tipe ini biasa

disebut counterflow atau countercurrent flow. Untuk aliran countercurrent, ΔT2 =

T1 – t2 dan ΔT1 = T2 – t1.

Gambar 3. Kurva temperature pada aliran countercurrent

Ada 2 jenis mekanisme perpindahan panas yang terjadi dalam Heat Exchanger,

yaitu:

a) Konduksi

Mekanisme perpindahan panas ini adalah mekanisme yang berhubungan

dengan interakasi molekuler. Transfer energi konduksi ini terjadi melalui 2

cara, yaitu mekanisme interaksi molekuler dimana dalam mekanisme ini

gerakan lebih besar yng dilakukan oleh suatu molekul yang berada pada

tingkat yang lebih rendah. Serta mekanisme melalui elektron-elektron

“bebas”. Karena konduksi panas pada initnya merupakan fenomena

molekuler, dapat diperkirakan bahwa persamaan dasar yang digunakan untuk

menggambarkan proses ini akan serupa dengan persamaan yang digunakan

dalam transfer momentum molekuler. Persamaan Fourier :

qx /A = -k dT/dt

b) Konveksi molekuler

Tranfer panas yang disebabkan konveksi melibatkan pertukaran energi antara

suatu permukaan dengan fluida di dekatnya. Persamaan laju untuk transfer

panas ini pertama kali dinyatakan oleh newton pada tahun 1701

q /A = h ΔT

VII.Perawatan Shell and Tube Heat Exchanger

Melakukan pembersihan secara berkala seperi di bawah ini :

Alirkan minyak panas atau hasil penyulingan melalui tabung atau shell

dengan kecepatan yang baik,pada umumnya secara efektif dapat memindahkan

kotoran atau hal serupa yang masih tersimpan didalamnya. Garam yang tersimpan

mungkin dapat dicuci bersih dengan mengalirkan air panas yang bersih.

Beberapa campuran pembersih komersil seperti “Oakite” dan “Dowell” mungkin

efektif dalam menghilangkan kotoran yang sulit dihilangkan. Jika tidak satupun

dari metoda diatas efektif untuk menghilangkan sesuatu dalam skala besar, coke

mungkin dapat digunakan. Amati kondisi bagian dalam dan luar dari seluruh

tabung dan jaga kebersihannya. Melalaikan dalam pemeliharaan kebersihan semua

tabung dapt mengakibatkan kemacetan aliran yang mengalir sepanjang tabung,

dengan konsekuensi tabung menjadi terlalu panas dibandingkan dengan sekitar

tabung, yang akan menghasilkan perluasan tegangan dan membocorkan tabung

hingga tube-sheet-joint.Ketika shutting down untuk perbaikan, hal yang penting

bahwa semua cairan dikeringkan dari heat exchanger dan dikendurkan sampai

tekanan atmosfer dan temperature lingkungan. Jangan mencoba untuk

membersihkan tabung dengan mengeluarkan uap air melalui tabung individu. Hal

ini menjadikan tabung terlalu panas dan mengakibatkan perluasan tegangan dan

membocorkan tube hingga tube-sheet-joint. Jangan menangani tube bundle

dengan pengait atau perkakas lain yang mungkin dapat merusak tabung.

Untuk memperat suatu sambungan tabung, gunakan roller tipe tube expander

yang sesuai. Untuk membersihkan dan memeriksa di dalam tabung, pindahkan

channel cover (atau bonnet) dan jangan memindahkan channel.

DAFTAR PUSTAKA

Anonim. 2012. Latar Belakang Pemilihan Fluida Pada Shell and Tube Heat Exchanger. http://pelatihanguru.net/tag/fluida-pada-shell-and-tube-heat-exchanger. (diakses pada tanggal 10 September 2014)

Ganish. 2011. Mari Belajar Thermal Design Shell & Tube Heat Exchanger I. http:

//teknikkimiajaya.blogspot.com/2011/12/mari-belajar-thermal-design-

shell-tube.html. (diakses pada tanggal 10 September 2014)

Nofriadi. 2008. Shell and Tube Heat Exchanger. http://korogroup.darkbb.com/t4-

shell-and-tube-heat-exchanger-type-and-caracteristic. (diakses pada

tanggal 10 September 2014)

Susanto, Budi. 2011 Pembagian Heat Exchanger Berdasarkan Bentuk Konstruksi

nya. http://java-borneo.blogspot.com/2011/05/pmbagian-heat-exchanger

-berdasarkan.html. (diakses pada tanggal 10 September 2014)

Widayanto, Ruri. 2010. Heat Exchanger Shell and Tube. https://www.academia.

edu/6222617/Tugas_1_Heat_Exchanger_Shell_n_Tube_Plate_Fins.

(diakses pada tanggal 10 September 2014)