TK-2202 PERPINDAHAN KALOR Laporan tugas 2
Perhitungan Perancangan HE, Gambar Desain, dan Analisis Tekno-Ekonomi
Disusun Oleh :
Faisal Ahmad 130 08 080
Norman Y Perdana 130 08 081
Indro Wicahyo 130 08 082
Prapti D Utami 130 08 083
Dosen :
Dr. Ahmad Zainal Abidin
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
2010
Page 2
KASUS 23
Salah satu tahap dalam pembuatan eritromisin adalah pendinginan asam
propionat dengan cooling water. Berikut ini merupakan data kondisi operasinya.
Fluida Tekanan T in (oC) T out (
oC) Laju alir (kg/h)
Asam propionat 2,5 bar 394 ? 3780
Cooling water 1,5 bar ? ? ?
a. Tentukan kondisi operasi yang sesuai (data temperatur inlet dan outlet serta laju alir
untuk aliran panas dan aliran dingin yang belum diketahui)
b. Rancang heat exchanger jenis shell and tube seekonomis mungkin dengan tetap
memperhatikan kelayakan kriteria perancangan seperti luas area perpindahan panas,
hilang tekan, dan ketahanan material.
I. Data Fisik Yang Dibutuhkan
Asam propionat (tube)
P: 2,5 bar
Th1: 394 C
Th2: 180 C
m asam propionat: 3780 kg/jam
Mean Tube Temperature : 287 C
Cp asam propionat: 1.869 kJ/kg C
Ο asam propionat 4.05 kg/m3
viskositas asam propionat 0,01177 cP
k asam propionat 0,02853 W/m.K
Cooling water (shell)
P: 1,5 Bar
Tc1: 28 C
Tc2: 75 C
Mean Tube Temperature : 51,5 C
Cp cooling 4.219 kJ/kg K
Ο cooling 987,1 kg/m3
viskositas cooling 0,5306 cP
k cooling 0,6449 W/m.K
beda tekan shell-tube: 1 Bar
Page 3
Untuk merancang heat exchanger, digunakan algoritma dengan metode Bell
(Sinnott, 2004).
Menghitung Panas Yang Dipertukarkan :
Qh = mh cp,h (T1 β T2)
= 1,050 x 1869 x (667-453)
= 419964 W
Qc = Qh
Qc = mc cp,c (T2 β T1)
mc = 419964/[4219 x (348-301)]
= 2.118 kg/s
1. Mengasumsikan nilai koefisien perpindahan panas keseluruhan
Utebak = 300 W/m2.K
2. Menghitung beda temperatur rata-rata (aliran counter current) ΞTm
βππΏπ = ππ1 β ππ2 β (ππ2 β ππ1)
ln(ππ1 β ππ2ππ2 β ππ1)
βππΏπ = 394 β 180 β (75 β 28)
ln(394 β 180
75 β 28)
βππΏπ = 225.277 πΎ
Untuk menentukan ΞTm digunakan faktor koreksi FT untuk HE 1-shell-2-pass
55,4
)2875/()180394(
)(( 12)21
TcTcThThZ
128,0
)75394/()2875(
)()( 2112
TcThTcTcY
Page 4
Gambar 1 Faktor Koreksi Temperatur, 1 shell pass, 2 atau lebih (genap) tube
passes
Dari gambar 1, nilai FT = 0.96, maka:
βππ = 0,96 π₯ 225,277
βππ = 216,266 πΎ
3. Menghitung luas area yang dibutuhkan
π΄ = ππ /(π βππ)
π΄ = 419664 /(300π₯216,266)
π΄ = 6.473 π2
4. Memutuskan layout dari alat penukar panas dan besar tube
a. Tube
Do 33 mm = 0.033 m
thickness 1.6 mm = 0.0032 m
Di 29.8 mm = 0.0298 m
L
1.83 m
At
0.190 m2
ππ‘ =
π΄
π΄π‘=
6.473
0,190β 34 π‘π’πππ
Konfigurasi yang dipilih adalah triangular pitch karena merupakan
kofigurasi paling optimum.
Page 5
Tabel 1. Nilai konstanta untuk perhitungan bundle diameter
Dari tabel 1 untuk 2 pas, diperoleh nilai K1 dan n1 yaitu 0.249 dan 2.207,
sehingga:
π·π = π0(ππ‘
πΎπ‘)
1ππ‘ = 0,033(
34
πΎπ‘0.249)
12,207
π·π = 0,306 π
pt = 1.25 x do = 1.25 x 0.033 = 0.041 m
b. Shell
Dari gambar 2 diperoleh nilai koreksi C = 12 mm, sehingga:
π·π = π·π + πΆ= 0,306 + 0,012 = 0,318 m
Gambar 2 Koreksi Bundel Shell
Page 6
Lb (baffle spacing) = Ds x 0,2 = 0.0636 m
π΄π = ππ‘βππ π·π ππ
ππ‘
π΄π = 0.041β0.033 0,318π₯0.0636
0.041 = 0.00405 m2
π΄π = ππ π·π β π·π = 0.0636 0.318 β 0.306
π΄π = 0.000764 π2
Ab/As = 0.189
5. Menghitung koefisien individu perpindahan panas
a. Tube
Tube per pass = 59/2 = 29.5
π΄ ππππ π π πππ‘πππππ πππ π‘π’ππ = 0.25πππ2
= 0.000697 π2
πππ‘ππ πΉπππ€ π΄πππ = 0.000697 π₯ 17 π‘π’ππ πππ πππ π
= 0.01186 π2
πΊπ‘ = 1.050 π₯ 0.01186 = 88.556 kg/m2 s
ππ π = πΊπ‘ ππ
Β΅
ππ π = 88.556 π₯ 0.0298
0.00001177= 224212 (π‘π’πππ’πππ)
πππ = πΆπ. Β΅
π
πππ = 1869π₯0.00001177
0.02853 = 0.771
L/di = 61.409
Page 7
Gambar 3 Faktor perpindahan panas bagian tube
Dari gambar 3, dengan menggunakan data L/di dan bilangan Reynolds,
diperolej jh = 0.0026. Sehingga:
ππ =ππ . ππ . π π. ππ1/3(Β΅/ππ€)0,14
ππ
ππ =0.02853 π₯ 0.0026 π₯ 224212 π₯ 0.7711/3 π₯ (1)0,14
0.0298
ππ = 551.774 π/π2. πΎ
b. Shell
1) Koefisien perpindahan panas tanpa kebocoran (hoc)
πΊπ =ππ
π΄π =
2.118
0.00405 = 522.904 ππ π2 .s
πe =1.27 x (pt2 β 0.78 x πo
2)
πo
πe =1.27 x (0.0412 β 0.78 x 0.0332)
0.033
πe = 0.0284 m
Page 8
Re
.
715.065 0.0212
0.232
65364( )
s eG dN
turbulen
ππ π = πΊπ . ππ
Β΅
ππ π = 522.904 π₯ 0.0284
0.0005306
ππ π = 27993
πππ = πΆπ. Β΅
π
πππ = 4219 π₯ 0.0005306
0.6449
πππ = 3.471
Type equation here. Dari gambar 4, dengan hubungan garis NRe dan konfigurasi triangular
pitch maka diperoleh nilai jf = 0.005
Page 9
Gambar 4 Faktor Perpindahan panas untuk cross-flow tube banks
πππ’ = ππππ ππππ1/3(π ππ€ )0.14
πππ’ = 0.005 π₯ 27993 π₯ 3.4711/3(1)0.14
πππ’ = 221.922
πππ =πππ’ ππ
ππ
πππ =211.922 π₯ 0.6449
0.0284
πππ = 4811.475
2) Faktor koreksi baris tube (Fn)
Bc = 0.25
π»π = π·π 2 β π·π (0.5 β π΅π)
π»π = 0.306 2 β 0.318(0.5 β 0.25)
π»π = 0.0736
Page 10
Nππ£ = (Dπ β 2Hπ)/ππ‘β²
Nππ£ = 0.306 β 2x0.0736)/0.041
Nππ£ = 3.857
Aliran dalam shell merupakan aliran turbulen. Maka Fn diperoleh dari
interpolasi gambar 5. Nilai Fn bergantung pada besar Ncv.
Gambar 5 Faktor koreksi untuk baris tube, Fn
Maka nilai Fn adalah 0.93
3) Faktor koreksi window (Fw)
Dipilih Baffle cut sebesar 25% karena pada umumnya memberikan nilai
laju perpindahan panas yang optimum tanpa menyebabkan penurunan
tekanan yang berlebihan(Sinnot,2003).
Bb (bundle cut) = Hb/Db = 0.0736/0.306 = 0.240
Dari gambar 6 dapat diperoleh Ρ²b sebesar 2.090 dan Raβ sebesar 0.19
Page 11
Gambar 6 Faktor Geometris Baffle
ππ€ = ππ‘ xπ β²π
ππ€ = 34 x 0.19
ππ€ = 6.46
Rw = 2Nw/Nt = 26.46/34 = 0.38
Gambar 7 Faktor koreksi window
Page 12
Fw diperoleh dari gambar 7 dan bergantung pada nilai Rw. Sehingga
nilai Fw adalah 1.02
4) Faktor koreksi bypass (Fb)
Gambar 8 Faktor koreksi bypass
Dari gambar 8, dengan nilai Ab/As = 0.189 diperoleh nilai Fb sebesar
0.77
5) Faktor koreksi kebocoran (FL)
Ct (tolerance tube) = 0.0008 m
Dari tabel 2, diperoleh nilai cs sebesar 0.0008
Tabel 2. Koreksi dan toleransi baffle
π΄π‘π =ππ‘ . π. ππ
2(ππ‘ β ππ€)
π΄π‘π =0.0008 π₯ π π₯ 0.033
2(34 β 6.46)
π΄π‘π = 0.00114
Page 13
Asb =csds
2(2Ο β ΞΈb)
Asb =0.0008x0.318
2(2Ο β 2.090)
Asb = 0.000534
AL = Atb + Asb = 0.00168 m
AL/As = 0.00181/0.00405 = 0.414
Page 14
Dari gambar 9 diperoleh nilai Ξ²L sebesar 0.31.
Gambar 9 Koefisien untuk FL, perpindahan panas
πΉπΏ = 1 β π½πΏ[(π΄π‘π + π΄π π )/π΄πΏ
πΉπΏ = 1 β 0.28[(0.00114 + 0.000534)/0.00168
πΉπΏ = 0.631
6) Koefisien panas pada sisi shell
ππ = ππππΉππΉπ€πΉππΉπΏ
ππ = 4811.475π₯0.93π₯1.02π₯0.77π₯0.631
ππ = 2216.923 π π2. πΎ
6. Menghitung koefisien perpindahan panas keseluruhan
hid = 5000 W/m2.K
hod = 3000 W/m2.K
kw = 16 W/m.K
Page 15
1
ππ=
1
ππ +
1
πππ+
ππ ln(ππ ππ)
2ππ€+
ππ
ππ
1
πππ+
ππ
ππ
1
ππ
1
ππ=
1
2216.923+
1
3000+
0.033ln(0.033 0.0298)
32+
0.033
0.0298
1
5000
+0.033
0.0298
1
511.774
1
ππ= 0.00327
ππ = 305 π π2 . πΎ
Karena galat < 30%, maka spesifikasi dapat diterima(Sinnott, 2004).
Page 16
7. Menghitung pressure drop alat penukar panas
a. Tube
Dari gambar 10, diperoleh jf = 0.0028
Gambar 10 Faktor friksi di sisi tube
ut = Gt/Οt = 88.556/4.049 = 21.871 m/s
π₯ππ‘ = ππ 8 ππ . πΏ ππ . π ππ€ βπ + 2.5 π.π’π‘
2
2
π₯ππ‘ = πππ₯ 8 π₯ 0.0028π₯ 61.409 π₯ 1 βπ + 2.5 π₯4.049π₯21.8712
2
π₯ππ‘ = 7.506πππ
b. Shell
1) Hilang tekan ideal βPi
Dari gambar 11, diperoleh jf = 0.043
Page 17
Gambar 11 Faktor friksi dari cross-flow tube banks
us = Gs/Οs = 522.904/987.1 = 0.530 m/s
π₯ππ = 8πππππ£
ππ’π 2
2(π ππ€) β0.14
π₯ππ = 8π₯0.043π₯3.857π₯987.1 π₯0.5302
2(1)β0.14
π₯ππ = 0.184πππ
2) Faktor koreksi pressure drop aliran bypass Fbβ
Dari gambar 12 dengan Ab/As = 0.189, diperoleh Fbβ = 0.46
Page 18
Gambar 12 Faktor bypass untuk hilang tekan Fβb
3) Hilang tekan karena kebocoran
Dari gambar 13 dengan AL/As = 0.414, Ξ²βL = 0.51
Gambar 13 Koefisien untuk hilang tekan karena kebocoran
Page 19
πΉπΏβ² = 1 β π½πΏ
β²(π΄π‘π + π΄π π )/π΄πΏ
πΉπΏβ² = 1 β 0.51(0.00114 + 0.000534)/0.00168
πΉπΏβ² = 0.631
4) Hilang tekan window zone βPw
Dari gambar 13 dengan Ab/As = 0.18, Ξ²βL = 0.38
Gambar 14 Koefisien untuk hilang tekan
πΉπΏβ² = 1 β π½πΏ
β²(π΄π‘π + π΄π π )/π΄πΏ
πΉπΏβ² = 1 β 0.38(0.00114 + 0.000534)/0.00168
πΉπΏβ² = 0.631
βππ€ = 59 ππ = 0.059 πππ
5) Hilang terkan pada end zone βPe
βππ = βππ[(ππ€π£ + πππ£)/πππ£]πΉπ β²
= 184[(1.783+3.857)/3.857]0.46
= 124 Pa
Page 20
= 0.124 kPa
6) Hilang tekan pada bagian shell
755.27
10636.0
83.1
1
b
bl
LN
βππ = 2βππ + ππ + ππ β 1 + ππβππ€
= 2π₯124 + 28 27.755 β 1 + 27.755π₯59
= 2621 ππ
= 2.621 πππ
Page 21
Spesifikasi Heat Exchanger
Berikut ini adalah bentuk visual dari heat exchanger yang telah didesain dengan
seekonomis mungkin :
Penampang normal
Tampak Dalam
Page 22
Specification sheet
Operating Data
SIZE TYPE BEU
SHELLS PER UNIT 1
SURFACE PER UNIT 0.190 m2
SURFACE PER SHELL 0.190 m2
Performance of one unit
Fluid Allocation Shell side Tube side
Fluid name Cooling water Propionic acid
Fluid quantity, Total 2.514 kg/s 1.050 kg/s
Vapor - - 1.050 kg/s 1.050 kg/s
Liquid 2.514 kg/s 2.514 kg/s - -
Noncondensable - - - -
Temperature 301 K 348 K 667 K 413 K
Dew / Bubble point - - - -
Density 1005 kg/m3 968.5 kg/m3 3.390 kg/m3 4.916 kg/m3
Viscosity 0.8326 cp 0.3743 cp 0.01477 cp 0.00929 cp
Molecular wt, Vap
-
- 74.08 74.08
Molecular wt, NC
-
-
-
-
heat capacity 4.221 kJ/kg 4.196 kJ/kg 2.074 kJ/kg K 2.210 kJ/kg K
Tampak Depan
Page 23
K K
Thermal Conductivity
0.6154 W/m-K
0.6662 W/m-K 0.03710 W/m-K 0.02112 W/m-K
Latent heat
Pressure 1.5 bar 2.5 bar
Velocity 0.530 m/s 21.2871 m/s
Pressure drop, allow / calc. 0.75 bar 0.026 bar 1.25 bar 0.075 bar
Fouling resist. (min) 0.00017 m2 0.0002-deg C/W
Heat exchanged 419964 Watt MTD Corrected 216.266 deg C
Transfer rate, Service Tebak = 300 W/m2-K Perhitungan = 299 W/m2-K
CONSTRUCTION OF ONE SHELL
SHELL SIDE TUBE SIDE
Design / Test Pressure
1.5 bar / 1.5 bar
2.5 bar / 2.5 bar
Design Temperature > 667 K > 667 K
Number passes per shell 1
corrosion allowance 0.0625 0.125
connection in
size/rating out
in/
Sketsa, triangular pitch
Tube No. = 34 tubes
Length = 1.83 m
OD = 33 mm ID = 29.8 mm
Thickness= 1.6 mm
Shell CS OD = 323 mm
Fixed U tube (small)
Baffle Crossing CS
Type single seg Cut (%d) 25
Baffle spacing = 0.036 m
Supports-tube U-bend
Luas area perpindahan panas (A) : 6.473 π2
Panjang tube : 1.83 m
Jumlah Tube : 34 buah
U-Tube Heat Exchanger Type BEU 1-shell-2-pass triangular pitch
Page 24
1. Tube (2.5 bar)
Dimensi tube yang diperoleh dari perhitungan:
OD : 33 mm
Thickness : 1.6 mm
Nominal Pipe Size yang sesuai :
NPS 1 in-schedule number 5 bahan stainless steel
OD : 33.40 mm
Thickness : 1.651 mm
2. Shell (1.5 bar)
Baffle spacing : 0.0636 m
Jumlah Baffle : 29 buah
Dimensi Shell yang diperoleh dari perhitungan:
Ds : 318 mm
Nominal Pipe Size yang sesuai :
NPS 12 in-schedule number 5s-carbon steel
Diameter : 323.85 mm
Ketebalan : 3.962 mm
Pada Tube menggunakan bahan dari stainless steel 304 dengan tensile strengh
mencapai 525-610 Mpa pada suhu 400oC (Perry and Green 2007). Bahan ini lebih mahal
dibandingkan dengan bahan carbon steel, tetapi karena fluida yang dialirkan melalui
tube adalah bahan bersifat asam sehingga untuk mencegah tube agar tidak mudah
terkorosi. Jenis stainless steel yang dipilih bukan merupakan stainless steel jenis lain
seperti stainless steel 316 ataupun 410 karena alasan keekonomisan harga. Meskipun
stainless steel 410 lebih kuat, tetapi karena hanya beroperasi pada tekanan yang
mendekati tekanan atmosfer dan laju terkorosi carbon steel cukup rendah. Sedangkan,
untuk bagian shell cukup menggunakan bahan carbon steel dengan ketebalan yang
rendah karena fluida yang dialirkan berupa air biasa dan pada tekanan atmosferik. Selain
itu, pressure drop yang terjadi masih berada pada batas aman, tanpa perlu
menambahkan pompa sehingga lebih menghemat pengeluaran.
Page 25
Sebagai perbandinga dalam pemilihan harga, kalkulasi dilakukan dengan
membandingkan penggunaan bahan stainless steel 304 dengan stainless steel 410
Jenis Stanless
Steel Panjang
Uo (W/m2 K)
A (m2) Harga ( US$)
304 L=1.83m 299 6.473 4000
410 L=1.83m 299 6.473 4300
Data tersebut merupakan harga untuk fixed/U shell/tube pada tahun 2007 sesuai
dengan yang diperoleh dari sumber :
http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:WJdBxjI3DWEJ:www.matche.
com/EquipCost/Exchanger.htm+matche.com/equipcost/exchanger&cd=1&hl=id&ct=cln
k&gl=id
Jika dirupiahkan, berdasarkan nilai tukar rupiah terhadap dollar sesuai dengan sumber
berikut : http://www.depkeu.go.id/ind/Currency/
Maka harga yang diperoleh 4000 x Rp 9021 = Rp 36,084,000.00 dan 4300 x Rp 9021 = Rp
38,790,300.00 sehingga diperoleh spesifikasi yang sesuai dan harga paling rendah adalah
shell and tubes dengan panjang 1.83 m berbahan stainless steel 304 untuk tube dan
carbon steel untuk bagian shell-nya.