HEAT

EXCHANGER

HEAT EXCHANGER – 01

(HE-01)

Tugas : meningkatkan suhu cairan umpan reaktor dimerisasi (R-01)

sebanyak 144.387,01 kg

jam dari 25

oC menjadi 50

oC dengan

menggunakan saturated steam bersuhu 150oC dan tekanan 6,06 atm.

Alat : Shell and Tube Heat Exchanger 1-2

Spesifikasi Fluida

Fluida panas : saturated steam

T in = 150 oC

T out = 150 oC

P in = 6.06 atm

P out = 6.06 atm

Fluida dingin : reactor feed

T in = 25 oC

T out = 50 oC

P in = 1 atm

P out = 1 atm

Fluida panas mengalir di tube sedangkan fluida dingin mengalir di dalam

shell.

Langkah perancangan heat exchanger :

1. Menghitung neraca massa dan neraca panas di dalam heat exchanger.

HE-01

w

t1

W

T1

W

T2

w

t2

Gambar 1. Skema Aliran Hot Fluid dan Cold Fluid pada HE-01

HOT FLUID, TUBE SIDE, STEAM COLD FLUID, SHELL SIDE, REACTOR

FEED

Hsat. vapor = 1185,30 Btu

lbm t1 = 77,00

oF

Hsat. liquid = 290,56 Btu

lbm t2 = 122,00

oF

Hvaporization = 894,74 Btu

lbm w = 312.978,83

lb

jam

Cp = 1,93 .

Btu

lb F

vaporization

QW

H Q = 27.252.568

.

Btu

lb F

W = 30.458,64 lb

jam

2. Menghitung LMTD

T1 = 150oC

t1 = 25oC

t2 = 50oC

T2 = 150oC

Gambar 2. Profil Suhu Hot Fluid dan Cold Fluid pada HE-01

1 1 2 2

1 1

2 2

( ) ( )

( )ln

( )

LMTD

T t T tT

T t

T t

(1)

LMTDT = 201,66 oF

1 2

2 1

( )

( )

T TR

t t

(2)

2 1

1 1

( )

( )

t tS

T t

(3)

R = 0

S = 0,2

Dengan menggunakan Figure 18 Kern, maka didapatkan nilai FT.

FT = 1

T LMTDT F T

(4)

ΔT = 201,66 oF

3. Menghitung caloric temperature

Harga caloric temperature didekati dengan suhu rata-rata setiap arus.

1 2

1

2cT T T

(5)

1 2

1( )

2ct t t

(6)

Tc = 302,00 oF

tc = 99,50 oF

4. Melakukan trial UD untuk memperoleh nilai AC dan menentukan layout

heat exchanger. Harga UD untuk steam – organic exchanger berada pada

kisaran nilai 100 – 200 2. .

Btu

hr ft F (Tabel 8, Kern).

Trial UD = 200 2. .

Btu

jam ft F

Dengan menggunakan nilai UD yang sudah di-trial, maka dapat diketahui

luas area perpindahan panas yang dibutuhkan heat exchanger ini.

A = 675,69 ft2

Spesifikasi tube heat exchanger yang dipilih untuk memenuhi luas area

perpindahan panas adalah sebagai berikut :

OD = 1 inch

BWG = 14

L = 16 ft

Dari Tabel 10 Kern, diperoleh :.

ID = 0,834 inch

a’’ = 0,2618 2ft

ft( luas permukaan transfer panas per

panjang

tube)

at’ = 0,546 in2

Maka, jumlah tube yang dibutuhkan untuk memperoleh luas area

perpindahan panas yang dibutuhkan dapat diketahui.

Nt = 161,31 buah

Dari Tabel 9 Kern didapatkan jumlah tube yang paling mendekati adalah :

Nt = 166 buah

PT = 1,25 inch

IDS = 21,25 inch

Tube pass = 2 pass

Dengan menggunakan jumlah tube diatas, maka dapat diperoleh luas area

perpindahan panas yang baru.

A = 695,34 ft2

Sehingga, dapat diperoleh pula nilai koefisien transfer panas overall yang

baru.

UD = 194,35 2. .

Btu

jam ft F

5. Menghitung hio dan ho.

HOT FLUID, TUBE SIDE, STEAM COLD FLUID, SHELL SIDE, REACTOR

FEED

Menghitung flow area Menghitung flow area

'

144

t tt

N aa

n 0,5 SB ID

at = 0,31 ft2

B = 10,63 inch

' TC P OD

C’ = 0,25 inch

'

144

SS

T

ID BCa

P

aS = 0,31 ft2

Menghitung mass velocity Menghitung mass velocity

T

T

wG

a S

S

WG

a

GT = 96.783,72 2.

lb

jam ft GS = 998.066,76 2.

lb

jam ft

Menghitung Reynold Menghitung Reynold

224

4o

T

e

o

dP

Dd

De = 0,99 in

= 0,08 ft

TC = 302,00 oF tC = 99,50

oF

μ = 3,14 .

lb

jam ft μ = 1,27

.

lb

jam ft

Re TT

G ID Re S e

S

G D

Menghitung nilai hi Menghitung nilai ho

Dari figure 28 Kern, dapat diperoleh nilai jH Dari figure 28 Kern, dapat diperoleh nilai jH

jH = 600 jH = 200

c = 0,34 .

Btu

lb F

c = 1,93 .

Btu

lb F

k = 0,01 2. .( )

Btu

Fjam ftft

k = 0,15 2. .( )

Btu

Fjam ftft

11

33

.Pr

Cp

k

11

33

.Pr

Cp

k

1

3Pr = 4,54

1

3Pr = 2,59

1

3Pri H T

kh j

ID

1

3Pro H S

S

kh j

D

i

S

h = 450,96

o

T

h = 978,69

Diasumsikan nilai φS = 1 Diasumsikan nilai φT = 1

hi = 450,96 2. .

Btu

jam ft F ho = 978,69 2. .

Btu

jam ft F

io i

IDh h

OD

hio = 376,10 2. .

Btu

jam ft F

6. Menghitung clean overall coefficient (UC).

io oC

io o

h hU

h h

(7)

Uc = 271,69 2. .

Btu

jam ft F

7. Menghitung dirt factor (Rd).

C D

C D

U URd

U U

(8)

Rd = 0,0015 2. .jam ft F

Btu

Menurut Tabel 12 Kern, Rd minimum untuk heat exchanger ini adalah

0,0012. .jam ft F

Btu.

Rd terhitung lebih besar daripada Rd minimum, maka desain heat

exchanger ini memenuhi.

8. Menghitung pressure drop.

HOT FLUID, TUBE SIDE, STEAM COLD FLUID, SHELL SIDE,

REACTOR FEED

ReT = 2.142,19 ReS = 64.670,83

Dari figure 26, didapatkan nilai f Dari figure 29 didapatkan nilai f

f = 0,00029 f = 0,0018

ρT = 0,15 3

lb

ft ρS = 38,11 3

lb

ft

s = 0,0025 s = 0,61

12

( 1)L

NB

(N+1) = 2

2

10

. . .

5,22 10 . .

TT

S

f G L nP

x D

2

10

. . .( 1)

5,22 10 . . .

S SS

S S

f G D NP

x D s

ΔPT = 0,0009 psi ΔPS = 2,35 psi

24

2r

n vP

s g

ΔPr = 4,87 psi

T rP P P

ΔP = 4,87 psi

ΔP allowable adalah 10 psi, maka

pressure drop heat exchanger masih

memenuhi syarat.

ΔP allowable adalah 10 psi, maka

pressure drop heat exchanger masih

memenuhi syarat.

9. Spesifikasi heat exchanger yang digunakan

HOT FLUID COLD FLUID

302,00 Tin , oC 25,00

302,00 Tout , oC 50,00

376,10 houtside, 2. .

Btu

jam ft F

978,69

A 1759,30 ft2

UC 271,69 2. .

Btu

jam ft F

UD 194,35 2. .

Btu

jam ft F

Rd calculated 0,0015 2. .jam ft F

Btu

Rd required 0,001 2. .jam ft F

Btu

4,87 ΔP calculated , psi 2,35

10,00 ΔP allowable , psi 10,00

HEAT EXCHANGER – 02

(HE-02)

Tugas : menurunkan suhu cairan keluar reaktor dimerisasi (R-01) sebanyak

141.891,30 kg

jam sebelum diumpankan ke dalam menara distilasi

(MD-01) dari suhu 54,34 oC menjadi 50,92

oC dengan

menggunakan cooling water pada tekanan 1 atm.

Alat : Shell and Tube Heat Exchanger 1-2

Spesifikasi Fluida

Fluida panas : output reaktor (R-01)

T in = 54,34 oC

T out = 50,92 oC

P in = 1 atm

P out = 1 atm

Fluida dingin : cooling water

T in = 30,00 oC

T out = 45,00 oC

P in = 1 atm

P out = 1 atm

Fluida panas mengalir di tube sedangkan fluida dingin mengalir di dalam

shell.

Langkah perancangan heat exchanger :

10. Menghitung neraca massa dan neraca panas di dalam heat exchanger.

HE-02

w

t1

W

T1

W

T2

w

t2

Gambar 1. Skema Aliran Hot Fluid dan Cold Fluid pada HE-02

HOT FLUID, TUBE SIDE, OUTPUT

REAKTOR

COLD FLUID, SHELL SIDE,

COOLING WATER

T1 = 129,81 oF t1 = 86,00

oF

T2 = 123,65 oF t2 = 113,00

oF

Cp = 3,23 .

Btu

lb F Cp = 1,85

.

Btu

lb F

W = 312.816,40 lb

jam

1 2. .( )Q W Cp T T 2 1( )

Qw

Cp t t

Q = 3.551.607,69 Btu

jam w = 40.724,87

lb

jam

11. Menghitung LMTD

T1 = 54,34oC

t1 = 45oC

t2 = 30oC

T2 = 50,92oC

Gambar 2. Profil Suhu Hot Fluid dan Cold Fluid pada HE-02

1 1 2 2

1 1

2 2

( ) ( )

( )ln

( )

LMTD

T t T tT

T t

T t

(1)

LMTDT = 25,84 oF

1 2

2 1

( )

( )

T TR

t t

(2)

2 1

1 1

( )

( )

t tS

T t

(3)

R = 0,23

S = 0,62

Dengan menggunakan Figure 18 Kern, maka didapatkan nilai FT.

FT = 0,96

T LMTDT F T

(4)

ΔT = 24,81 oF

12. Menghitung caloric temperature

Harga caloric temperature didekati dengan suhu rata-rata setiap arus.

1 2

1

2cT T T

(5)

1 2

1( )

2ct t t

(6)

Tc = 126,73 oF

tc = 99,5 oF

13. Melakukan trial UD untuk memperoleh nilai AC dan menentukan layout

heat exchanger. Harga UD untuk steam – organic exchanger berada pada

kisaran nilai 100 – 200 2. .

Btu

hr ft F (Tabel 8, Kern).

Trial UD = 150 2. .

Btu

jam ft F

Dengan menggunakan nilai UD yang sudah di-trial, maka dapat diketahui

luas area perpindahan panas yang dibutuhkan heat exchanger ini.

A = 954,39 ft2

Spesifikasi tube heat exchanger yang dipilih untuk memenuhi luas area

perpindahan panas adalah sebagai berikut :

OD = 1 inch

BWG = 14

L = 16 ft

Dari Tabel 10 Kern, diperoleh :.

ID = 0,834 inch

a’’ = 0,2618 2ft

ft( luas permukaan transfer panas per

panjang

tube)

at’ = 0,546 in2

Maka, jumlah tube yang dibutuhkan untuk memperoleh luas area

perpindahan panas yang dibutuhkan dapat diketahui.

Nt = 227,84 buah

Dari Tabel 9 Kern didapatkan jumlah tube yang paling mendekati adalah :

Nt = 252 buah

PT = 1,25 inch

IDS = 25 inch

Tube pass = 2 pass

Dengan menggunakan jumlah tube diatas, maka dapat diperoleh luas area

perpindahan panas yang baru.

A = 1055,58 ft2

Sehingga, dapat diperoleh pula nilai koefisien transfer panas overall yang

baru.

UD = 135,62 2. .

Btu

jam ft F

14. Menghitung hio dan ho.

HOT FLUID, TUBE SIDE, OUTPUT COLD FLUID, SHELL SIDE, COOLING

REAKTOR WATER

Menghitung flow area Menghitung flow area

'

144

t tt

N aa

n 0,5 SB ID

at = 0,48 ft2

B = 6,25 inch

' TC P OD

C’ = 0,25 inch

'

144

SS

T

ID BCa

P

aS = 0,22 ft2

Menghitung mass velocity Menghitung mass velocity

T

T

wG

a S

S

WG

a

GT = 654.770 2.

lb

jam ft GS = 187.660,21 2.

lb

jam ft

Menghitung Reynold Menghitung Reynold

224

4o

T

e

o

dP

Dd

De = 0,99 in

= 0,08 ft

TC = 126,73 oF tC = 99,50

oF

μ = 0,95 .

lb

jam ft μ = 1,69

.

lb

jam ft

Re TT

G ID Re S e

S

G D

ReT = 47.689,50 ReS = 9.154,87

Menghitung nilai hi Menghitung nilai ho

Dari figure 28 Kern, dapat diperoleh nilai jH Dari figure 28 Kern, dapat diperoleh nilai jH

jH = 160 jH = 50

c = 1,85 .

Btu

lb F

c = 3,23 .

Btu

lb F

k = 0,14 2. .( )

Btu

Fjam ftft

k = 0,36 2. .( )

Btu

Fjam ftft

11

33

.Pr

Cp

k

11

33

.Pr

Cp

k

1

3Pr = 2,35 1

3Pr = 2,48

1

3Pri H T

kh j

ID

1

3Pro H S

S

kh j

D

i

S

h = 733,00

o

T

h = 539,49

Diasumsikan nilai φS = 1 Diasumsikan nilai φT = 1

hi = 733,00 2. .

Btu

jam ft F ho = 539,49 2. .

Btu

jam ft F

io i

IDh h

OD

hio = 611,33 2. .

Btu

jam ft F

15. Menghitung clean overall coefficient (UC).

io oC

io o

h hU

h h

(7)

Uc = 286,58 2. .

Btu

jam ft F

16. Menghitung dirt factor (Rd).

C D

C D

U URd

U U

(8)

Rd = 0,0039 2. .jam ft F

Btu

Menurut Tabel 12 Kern, Rd minimum untuk heat exchanger ini adalah

0,001 2. .jam ft F

Btu.

Rd terhitung lebih besar daripada Rd minimum, maka desain heat

exchanger ini memenuhi.

17. Menghitung pressure drop.

HOT FLUID, TUBE SIDE, OUTPUT

REAKTOR

COLD FLUID, SHELL SIDE,

COOLING WATER

ReT = 47.689,50 ReS = 9.154,87

Dari figure 26, didapatkan nilai f Dari figure 29 didapatkan nilai f

f = 0,00015 f = 0,0025

ρT = 40,69 3

lb

ft ρS = 62,5 3

lb

ft

s = 0,65 s = 1,00

12

( 1)L

NB

(N+1) = 3

2

10

. . .

5,22 10 . .

TT

S

f G L nP

x D

2

10

. . .( 1)

5,22 10 . . .

S SS

S S

f G D NP

x D s

ΔPT = 0,02 psi ΔPS = 0,13 psi

24

2r

n vP

s g

ΔPr = 1,84 psi

T rP P P

ΔP = 1,86 psi

ΔP allowable adalah 10 psi, maka

pressure drop heat exchanger masih

memenuhi syarat.

ΔP allowable adalah 10 psi, maka

pressure drop heat exchanger masih

memenuhi syarat.

18. Spesifikasi heat exchanger yang digunakan

HOT FLUID COLD FLUID

54,34 Tin , oC 30,00

50,92 Tout , oC 45,00

611,33 houtside, 2. .

Btu

jam ft F

539,49

A 1055,58 ft2

UC 286,58 2. .

Btu

jam ft F

UD 135,62 2. .

Btu

jam ft F

Rd calculated 0,0039 2. .jam ft F

Btu

Rd required 0,0001 2. .jam ft F

Btu

1,86 ΔP calculated , psi 0,13

10,00 ΔP allowable , psi 10,00