1 2-2-1-shell-tube

Date :

15-11-2010 Name of Engineer : Yudi Ardhana – 747555 1

Dimension :

1.2.2.1

Competency deliverable / project description :

Understand Type, Fuction, Specification & Part of Heat Exchanger :

(Shell & Tube)

Work continued from page :

Checked by :

Agus Waluyo -718068

Date : Reviewed by :

Agus Waluyo -718068

Date :

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

Date :


Dimension :

1.2.2.1



(Shell & Tube)


Checked by :

Agus Waluyo -718068


Agus Waluyo -718068

Date :

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).

Date :


Dimension :

1.2.2.1



(Shell & Tube)


Checked by :

Agus Waluyo -718068


Agus Waluyo -718068

Date :

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.

Gambar fixed tube heat exchanger

Floating Tube Sheet 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.

Date :


Dimension :

1.2.2.1



(Shell & Tube)


Checked by :

Agus Waluyo -718068


Agus Waluyo -718068

Date :

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.

Date :


Dimension :

1.2.2.1



(Shell & Tube)


Checked by :

Agus Waluyo -718068


Agus Waluyo -718068

Date :

Gambar floating head TEMA T

Keuntungan dari floating head heat exchanger adalah :

Tube bundle dapat dilepas dari shell tanpa melepas shell ataupun cover floating-

head, 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 shell-

nya 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/cm2 dan 300 ºC).

U-Tube Exchanger

Type dengan hanya satu tube sheet yang terletak diujung channel.

Keuntungan dari U-tube heat exchanger adalah :

Date :


Dimension :

1.2.2.1



(Shell & Tube)


Checked by :

Agus Waluyo -718068


Agus Waluyo -718068

Date :

1. 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

Date :


Dimension :

1.2.2.1



(Shell & Tube)


Checked by :

Agus Waluyo -718068


Agus Waluyo -718068

Date :

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

Date :


Dimension :

1.2.2.1



(Shell & Tube)


Checked by :

Agus Waluyo -718068


Agus Waluyo -718068

Date :

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

Material Typical Service Use

Carbon Steel Midly corrosive fluids, tempered cooling water.

Ferritic Libdenum & Cr. Mo

Libdenum Alloys

Elevated temperature hydrogen service, sulfur bering oils above 300OC

Ferritic Chromium Steel Tubes for moderately corrosive service, cladding for shell or channels in

contact with corrosive sulfur bearing oil.

Austenitic Cr.Ni Steel General corrosion resistant duties.

Aluminum Infrequently used for midly corrosive service.

Copper Alloys admiralty,

Al.Brass Cu pro nickel.

Fresh water cooling in surface condensers, brackish & sea water cooling

generally.

High Nickel-Chromium-

Molibdenum alloys.

Resistance to mineral acids & Cl-containing acids.

Titanium Seawater cooler & condensers (including plate Heat Exchanger air

preheater for large furnace.

Carbon Severally corrosive duties.

Linings :

- Lead & Rubber.

- Austenitic Cr. Ni Steel

Channel for seawater cooler.

General corrosion resistance.

Coatings :

Aluminium Epoxy Resin.

Explosure to sea & brakish water.

Date :


Dimension :

1.2.2.1



(Shell & Tube)


Checked by :

Agus Waluyo -718068


Agus Waluyo -718068

Date :

b. Material untuk Non Corrosive Service :

Temp. Service OC Type of Exchanger Material

Below - 100 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 :

Date :


Dimension :

1.2.2.1



(Shell & Tube)


Checked by :

Agus Waluyo -718068


Agus Waluyo -718068

Date :

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.

Date :


Dimension :

1.2.2.1



(Shell & Tube)


Checked by :

Agus Waluyo -718068


Agus Waluyo -718068

Date :

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 200O F. Groove joint biasanya dipakai untuk beda tekanan diatas

50 Psi dan suhu diatas 200O 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.

Date :


Dimension :

1.2.2.1



(Shell & Tube)


Checked by :

Agus Waluyo -718068


Agus Waluyo -718068

Date :

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

Date :


Dimension :

1.2.2.1



(Shell & Tube)


Checked by :

Agus Waluyo -718068


Agus Waluyo -718068

Date :

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.

Date :


Dimension :

1.2.2.1



(Shell & Tube)


Checked by :

Agus Waluyo -718068


Agus Waluyo -718068

Date :

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.

Date :


Dimension :

1.2.2.1



(Shell & Tube)


Checked by :

Agus Waluyo -718068


Agus Waluyo -718068

Date :

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

Date :


Dimension :

1.2.2.1



(Shell & Tube)


Checked by :

Agus Waluyo -718068


Agus Waluyo -718068

Date :

• 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

Date :


Dimension :

1.2.2.1



(Shell & Tube)


Checked by :

Agus Waluyo -718068


Agus Waluyo -718068

Date :

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

Date :


Dimension :

1.2.2.1



(Shell & Tube)


Checked by :

Agus Waluyo -718068


Agus Waluyo -718068

Date :

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 21OC – 49

OC 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.

Date :


Dimension :

1.2.2.1



(Shell & Tube)


Checked by :

Agus Waluyo -718068


Agus Waluyo -718068

Date :

Gambar inspection point untuk sheel and tube heat exchanger

1 2-2-1-shell-tube

Engineering

shell and tube heat

heat exchanger shell

digunakan untuk menaikkan

fluida dingin menjadi

digunakan untuk memanaskan

digunakan untuk menguapkan

heat exchanger handbook

temaanalysis heat exchanger