shell and tube heat exchanger
DESCRIPTION
Unit Operation is a complicated thing. Here i shared a quality presentation about heat exchanger, shell and tube oneTRANSCRIPT
Kelompok 3:
1. Wahyudi Mahaputra
2. Ikhwan Mutaqqin
3. Vania Anisya Albels
4. Eka Syafei
5. M. Ilham Chairat
6. Olivia Cesarah Tarigan
7. Aula Arief
Heat Exchanger Shell & Tube
University of Indonesia
RANGKA PRESENTASI
KONSEP STANDAR RULES OF THUMB
PROSEDUR PERHITUNGA
N
SOAL HITUNGAN
P e r a n c a n g a n A l a t P r o s e s 2 0 1 4 – K e l o m p o k 3
University of Indonesia
KONSEP HE SHELL & TUBEP e r a n c a n g a n A l a t P r o s e s 2 0 1 4 – K e l o m p o k 3
University of Indonesia
Definisi Shell and Tube Heat Exchanger
STHE terdiri dari beberapa tube yang dibungkus oleh silinder shell dengan posisi tube yang sejajar dengan shell.
Fluida satu akan mengalir pada tube dan fluida lainnya mengalir di shell.
STHE dapat memberikan luas area perpindahan panas yang besar dan efisiensi perpindahan panas yang besar.
Dapat digunakan pada kondisi tekanan tinggi dan suhu tinggi
University of Indonesia
Tujuan
STHE merupakan jenis HE yang sangat berguna dan banyak digunakan dalam proses industri.
Hal ini dikarenakan, industri membutuhkan jumlah hairpin double pipe yang cukup banyak.
University of Indonesia
Komponen Utama
1. Shell
2. Nozzles
3. Channels
4. Channel covers
5. Baffles
University of Indonesia
Perbandingan
Single Pass Multiple Passes
• Saat fluida dalam HE saling
melewati hanya satu kali disebut
singgle pass heat exchanger.
• Tidak dapat menyediakan heat
recovery
• Saat fluida dalam HE saling
melewati lebih dari satu kali disebut
multi pass heat exchanger.
• Untuk membuat fluida yang
multiple passes ialah menggunakan
U-tube HE dan menambah baffle.
• Contoh 1-4,1-6,1-8,2-4. Angka
pertama menunjukan jumlah shell
dan angka kedua menunjukan
jumlah passes.
University of Indonesia
Single Pass & Multi Pass
University of Indonesia
MULTIPASS STHE
X-X SHELL TUBE STHE
University of Indonesia
JUMLAH PASS DALAM
TUBES
JUMLAH PASS DALAM
SHELL
MULTIPASS STHE
University of Indonesia
4-8 SHELL TUBE STHE
Istilah-istilah dalam HE Shell&Tube
BAFFLE
Merupakan penyokong agar tubes tidak bergetar atau bergerak
Terbagi 2 tipe: PLATE ROD
University of Indonesia
PLATE BAFFLEJ e n i s B a ffl e p a d a S T H E
Drag picture to placeholder or click icon to add
University of Indonesia
ROD BAFFLE
Drag picture to placeholder or click icon to add
J e n i s B a ffl e p a d a S T H E
University of Indonesia
Istilah-istilah dalam HE Shell&Tube
BAFFLE CUT
Sejumlah persenan dari tinggi yang dipotong dari keseluruhan setiap baffle untuk mempengaruhi aliran di dalam shell
Salah satu parameter penting dalam desain sebuah STHE
Pengaruhi keefisienan perpindahan panas di shellside
Biasa digunakan sekitar 15%-40% dari shell inside diameter
University of Indonesia
Effect of Baffle Cut
University of Indonesia
B a ffl e c u t m e m p e n g a r u h i a l i r a n p a d a s h e l l s i d e
Istilah-istilah dalam HE Shell&Tube
TUBE LAYOUT PATTERNS
Triangular
Rotated Triangular
Square
Rotated Square
Tipe 30° memberi lebih banyak tubes dalam shell
Tipe 60° lebih bersih karena pitch nya dekatpitch
University of Indonesia
Aplikasi HE Shell&Tube
Aplikasi sangat luas
STHE jenis Heat Exchanger yang paling umum dipergunakan pada proses Revinary, Oil and Gas, Petrochemical, dan perusahaan-perusahaan energi Dapat bekerja pada range T dan P yang luas Dapat terbuat dari berbagai macam material Banyak supplier Well established – desain dan kode nya sudah berkembang melalui
pengalaman
Pada power plants biasanya menggunkan 2-4 STHE Desain dikarenakan lebih simple karena aliran masuk dan keluar disisi yang sama (economizer)
University of Indonesia
AplikasiS h e l l a n d t u b e h e a t e x c h a n g e r p a d a o i l a n d g a s i n d u s t r y
University of Indonesia
STANDAR HE SHELL & TUBEP e r a n c a n g a n A l a t P r o s e s 2 0 1 4 – K e l o m p o k 3
University of Indonesia
Shell and Tube Heat Exchanger Standards
American Petroleum Institute
(API)ANSI/API Standard 660 (8th
Ed) tahun 2007
TEMA (Tubular Exchanger
Manufactures Association)
University of Indonesia
Design STHE Temperatur
Cladding for Corrosion Allowance
Harus mempunyai Maximum Design Temperaute dan
Minimum Design Metal Temperature (MDMT)
Design Temperature harus dipengaruhi oleh
shell dan tube
Ketebalan Minimum 10 mm (3/8 in)
University of Indonesia
Tubes
Diameter minimim luar tubes harus 19.05 mm (3/4 in),
Radius rata-rata dari lengkungan-U, tidak boleh kurang dari 1.5 kali diameter luar.
Design
University of Indonesia
Materials
Tubes
Integrally finned tubes of copper alloy shall be furnished in the annealed-temper condition, such as described in ASTM B 359/B 359M.
Gaskets – seal mekanis yang mengisi
ruang antara dua permukaan rapat untuk mencegah kebooran
Gaskets shall not contain asbestos.
University of Indonesia
Gasket
Fabrication
University of Indonesia
Fabrication
University of Indonesia
TEMA (Tubular Exchanger Manufactures Association)
University of Indonesia
TEMADesignation
University of Indonesia
RULES OF THUMB HE SHELL & TUBEP e r a n c a n g a n A l a t P r o s e s 2 0 1 4 – K e l o m p o k 3
University of Indonesia
RULE OF THUMB #11. Kecepatan maksimum pada shellside
Kecepatan harus dijaga tidak terlalu cepat , hal ini ditujukan untuk mencegah terjadinya erosi ketika terdapat moisture dan partikel dalam aliran.
Untuk mengurangi pressure drop yang tinggi dapat menggunakan kecepatan aliran di bawah maksimum pada kondisi operasi tertentu
Kecepatan pada nozzle boleh diizinkan sampai 1,2 dan 1,4 kali lipatnya
University of Indonesia
RULE OF THUMB #22. Kecepatan maksimum pada nozzle
Penurunan tekanan dalam heat exchanger harus selalu diperhatikan ,
terutama pada sistem yang menggunakan aliran
bertekanan rendah
University of Indonesia
RULE OF THUMB #33. Jangan digunakan untuk menurunkan temperatur yang terlalu tinggi
Ilustrasi : pada pencairan Hidrogen dan neon
Udara (umpan dimana mengandung hidrogen dan neon), tidak langsung didinginkan menggunakan nitrogen cair, akan tetapi didinginkan secara bertahap dahulu, yaitu didinginkan dengan air pada kondisi normal, lalu kemudian didinignkan menggunakan cairan nitrogen.
4. Penempatan fluida pada heat exchanger
• Fluida korosif ditempatkan pada bagian tubeside• Fluida yang memiliki tekanan dan temperatur tinggi diletakkan
dalam tubeside• Fluida yang memiliki kecepatan tinggi ditempatkan dalam tubeside• Fluida yang memiliki kekotoran, ditempatkan pada bagian tubeside• Aliran yang memiliki debit besar diletakkan pada bagian yang
berdiameter lebih besar, begitu sebaliknya
University of Indonesia
RULE OF THUMB #4
Untuk sistem yang relatif
bersih (kotoran) dan
memiliki perbedaan
temperatur antara shell
dan tube yang tidak
terlalu tinggi, maka
digunakan BEM
Untuk sistem yang heat
exchanger yang akan
mengakomodasi ekspansi
thermal yang secara
signifikan antara tube
dan shell, maka digunaan
BEU
University of Indonesia
PROSEDUR PERHITUNGAN HE SHELL & TUBEP e r a n c a n g a n A l a t P r o s e s 2 0 1 4 – K e l o m p o k 3
University of Indonesia
Shell and Tube Design Flowsheet
University of Indonesia
Determining R,S
University of Indonesia
Determining Temperature Difference
University of Indonesia
Determining Physical Properties
University of Indonesia
Determining Heat Transfer Overall Coefficient
University of Indonesia
Determining Uo
University of Indonesia
Determining Tube Side Coefficient
University of Indonesia
Determining Bundle Diameter
University of Indonesia
Shell Diameter and Baffle Spacing
University of Indonesia
Colborn Coefficient (jH)
University of Indonesia
Overall Coefficient
University of Indonesia
Tube Side Friction Factor
University of Indonesia
Shell Friction Factor
University of Indonesia
Check Pressure Drop
University of Indonesia
EXAMPLE 8.1 (KERN)P e r a n c a n g a n A l a t P r o s e s 2 0 1 4 – K e l o m p o k 3
University of Indonesia
Calculation of a 2-4 Oil Cooler
A 33.5˚API oil has viscosity of 1.0 centipoise at 180˚F and 2.0 centipoise at 100˚F.49,600lb/hr of oil leaving a distilling column at 358˚F and is to be used in an absorption process at 100˚F.Cooling will be achieved by water from 90˚F to 120˚F.Pressure drop allowances of 10psi may be used on both streams along with a combined dirt factor of 0.004.
University of Indonesia
Available for this service from a discontinued operation is 35in.ID 2-4exchanger having 454 1in.OD ,11BWG tubes 12 ״0׳ long laid out on 1¼-in.squre pitch. The bundle is arranged for six tube passes and vertical cut baffles are spaced 7in. apart. The longitudinal baffle is welded to the shell.
Is it necessary to use a 2-4 exchanger?
Will the available exchanger fulfill the requirements?
University of Indonesia
2-6 Shell and tube heat exchanger
University of Indonesia
Temperature profile:
T1(358)
t2(120)
T2(100)
t1(90)
L
Solution:-
Exchanger
shell side Tube side
ID=35in. Number=454
Baffle spacing=7in. Length=12 ״0׳
Passes=2 OD,BWG=1in.,11
Pitch=1¼in.squre
Passes=6
Hot fluid Cold fluid
difference
T1=358˚F t2=120˚F ∆t1=238˚F
T2=100˚F t1=90˚F ∆t2=10˚F
Temperature range:-
(T1-T2) (t2-t1)
258˚F 30˚F
LMTD:-
LMTD= ∆t1-∆t2
ln(∆t1/∆t2)
LMTD = 238-10
ln(238/10)
LMTD =72˚F
Correction factor:-
R= (T1-T2)/(t2 - t1)
R=238/30
R=8.6
S=(t2-t1)/(T1-t1)
S=30/(358-90)
S=0.112
True temperature difference:-
∆t=FT×LMTD
From table: FT=0.93
LMTD=72˚F
∆t=0.93×72
∆t=66.96˚F
Heat balance:-
Oil Q=W ×cp×(T1-T2) Q=49,600×0.545×(358-100) Q=6,980,000Btu/hr
Water Q=m×cp×(t2-t1) Q=23,2666.67×1.0×(120-90) Q=6,980,000.1Btu/hr
Caloric temperatures:-
∆t2/∆t1=10/238=0.042
For
API=33.5˚ and temperature range(258˚F) Kc=0.47(from table)
For Kc=0.47 and ∆t2/∆t1=0.042
Fc=0.267
Caloric temperature of hot fluid:
Tc=T2+Fc×(T1-T2)
Tc=100+0.267×(258)
Tc=165˚F
Caloric temperature of cold fluid:
tc=t1+Fc×(t2-t1)
tc=90+0.267×(30)
tc=98˚F
Hot fluid: shell sideFlow area
as=1/2(ID×C׳×B)/144PT
as=1/2(35×0.25×7)/144×1.25
as=0.17ft2
Mass velocity
Gs=W/as
Gs=49,600/0.17
Gs=292000lb/(hr)(ft2)
Viscosity:
At Tc=165F (from table)
µ=1.12cp
µ=1.12×2.42
µ=2.71lb/(ft)(hr)
Equivalent diameter:
De=0.99 in. (from table)
De=0.99/12
De=0.0825ft
Reynolds number: Res=DeGs/µ Res=0.0825×292000/2.71 Res=8900 jH=52.5 (from table)
Prandtl number:- Pr=(cµ/k)
For API=33.5˚ and µ=2.71 (from table) k(Pr)⅓=0.20Btu/(hr)(ft2)(˚F)
Film coefficient: ho=jH× (k/De) × (Pr)⅓×Φs ho/Φs= 52.5 ×0.2/0.0825 ho/Φs=127
Cold fluid: tube sideFlow area:
a׳t=0.455 in. square at=(Nt×a׳t)/(144×n) at=(454×0.455)/(144×6) at=0.239ft2
Mass velocity:
Gt=m/at
Gt=232666.67/0.239
Gt=973500lb/(hr)(ft2)
Fluid velocity:
V=Gt/(3600×ρ)
V=973500/(3600×62.37)
V=4.33fps
Diameter:
D=0.76 in./12 (from table)
D=0.0633ft
Viscosity:
At tc=98˚F
µ=0.73 cp (from table)
µ=0.73×2.42
µ=1.77 lb/(hr)(ft)
Reynolds number:
Ret=D× Gt/μ
Ret=(0.0633 ×973500)/1.77
Ret=348156
Film coefficient:
For
V=4.33fps (from table)
hi=1010×0.96
hi=970 Btu/(hr)(ft2)(ºF)
hio=hi×(ID/OD)
hio=970×(0.76/1.0)
hio=737 Btu/(hr)(ft2)(ºF)
Tube-wall temperature:
tw=tc+ ho × (Tc-tc)
(ho+hio)
tw=98+ 127 × (165-98)
(127+737)
tw=108ºF
At tw:
μw=1.95×2.42
μw=4.72 lb/(hr)(ft)
Φs=(μ/μw)¼
Φs=(2.71/4.72)¼
Φs=0.92
ho=127×0.92
ho=117 Btu/(hr)(ft2)(ºF)
Clean overall coefficient Uc:
Uc= (hio×ho)/ (hio+ho)
Uc=(737×117)/(737+117)
Uc=101 Btu/(hr)(ft2)(ºF)
Design overall coefficient UD:
UD=Q/(A× ∆t)
A(total)=454×12ft×(0.2618ft2/lin ft)
A=1425ft2
UD=6980000/(1425×66.96)
UD=73.15 Btu/(hr)(ft2)(ºF)
Dirt factor Rd:
Rd=(Uc-UD)/UcUD
Rd=(101-73.15)/(101×73.15)
Rd=0.00377 (hr)(ft2)(ºF)/Btu
Rd (required) 0.004
Rd(calculated) 0.00377
Pressure drop: (on shell side)
For Res=8900 (from table)
f=0.00215ft2/in.2
No of crosses, N+1=12L/B
N+1=(12 × 12)/7
N+1=20.1 ( Say,21)
Ds=35 in./12
Ds=2.92ft
S( specific gravity)=0.82 (from fig.)
∆Ps = f×Gs2×Ds×(N+1)
5.22×1010×De×s×Φs
∆Ps =0.00215×2920002×2.92×42
5.22×1010×0.0825×0.82×0.92
∆Ps =7.0psi (allowable=10psi)
Pressure drop: (on tube side)Ret =34815.6 (from fig.)
f=0.000195ft2/in.2
∆Pt=(f×Gt2×L×n)/(5.22×1010×Ds×Φt)
∆Pt= 4 psi
Gt=973500,v2/2g=0.13 (from fig.)
∆Pr=(4×n×v2)/(2g×s)
∆Pr=3.2 psi
∆PT=∆Pt+∆Pr=7.2psi(allowable=10psi)
2-4 Shell and tube heat exchanger:-
Only replace value of n=6 to n=4
At=0.3585
Gt=649000
V=2.89fps
Ret=23210
hi=760 Btu/(hr)(ft2)(ºF)
hio=577 Btu/(hr)(ft2)(ºF)
tw=110ºF
ho=117 Btu/(hr)(ft2)(ºF)
Uc=94 Btu/(hr)(ft2)(ºF)
Rd=0.003 (hr)(ft2)(ºF)/Btu
F=0.00025
∆Pt=1.53 psi ,v2/2g =0.065
∆Pr=1.04 psi
∆PT=∆Pt+∆Pr=2.57psi
(allowable=10psi)s
So,2-6 STHE is more suitable as compare to 2-4 STHE.
EXAMPLE 8.2 KERNC O N T O H P E R H I T U N G A N S T H E
University of Indonesia
CALCULATION OF AN ACETONE-ACETIC ACID EXCHANGERAcetone (s=0.79) at 250oF is to be sent to storage at 100oF and at a rate of 60,000 lb/hr. The heat will be recieved by 168,000 lb/hr of 100 per cent acetic acid (s=1.07) coming from storage at 90oC and heated to 150oC. Pressure drops of 10.0 psi are available for both fluids, and a combined dirt factor of 0.004 should be provided.
Available for the service are a large number of 1-2 exchangers having 21 ¼ in. ID shells with 270 tubes ¾ in. OD, 14 BWG, 16’0’’ long and laid out 1-in. Square pitch. The bundles are arranged for two tube passes with segmental baffles spaced in. apart.
How many of the 1-2 exchangers should be installed in series?
Diketahui :
Table 9. Tube Sheet Layout
Table 10. Heat Exchanger and Condenser Tube Data
PEMBAHASAN1. HEAT BALANCE Q = WC (T1-T2)
AcetonAcetic acid
Q = 60,000 x 0.57 (250-100) = 5,130,000 Btu/hr Q = 168,000 x 0.51 (150-90) = 5,130,000 Btu/hr2. TEMPERATURE DIFFERENCE (
= LMTD. FT
Fig. 18 (HE 1-2) FT = tidak memotong
Fig. 19 (HE 2-4) FT = 0.67 (masih terlalu rendah, minimal 0.75)
Fig. 20 (HE 3-6) FT = 0.88 (pilih tipe HE 3-6)
FT merupakan pertimbangan pemilihan jumlah shell and tube. Terlebih dahulu menghitung R dan S
= LMTD. FT = 39.1 x 0.88 = 34.4 F
FIG. 18
FIG. 19
0.67
FIG. 20 0.88
3. CALORIC TEMPERATURE
Tc and tc. These liquids are not viscous, and the viscosity correction will be negligible, . Average temperatures may be used.
Aceton Ta = (250+100)/2 = 175 F , Acetic acid ta = (150+90)/2 = 120 F
4. FLOW AREA
Keterangan : ID = Inner DiameterC’ = PT – OD tubeB = Baffle
5. MASS VELOCITY
6.
Aceton 100%Ta = 175 Fx = 14.5y = 7.2
Acetic acid 100%ta = 120 Fx = 12.1y = 14.2
Shell : acetonD = de/12 [Fig. 10]
Tube : acetic acidD = ID/12 [Fig. 10]
7. Colburn Coefficient (jH)
137
55
8. Ta, c, k
FIG. 2
9. ho, hi
10. hio
13. CLEAN OVERALL COEFFICIENT(Uc)
14. DESIGN OVERALL COEFFICIENT (Uc)
15. DIRT FACTOR (Rd)
15,800
FIG. 29
0.00155
FIG. 26
0.00024
FIG. 27
0.63
THANK YOU P e r a n c a n g a n A l a t P r o s e s 2 0 1 4 – K e l o m p o k 3