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
KASUS 23 Salah satu tahap dalam pembuatan eritromisin adalah pendinginan asam propionat dengan cooling water. Berikut ini merupakan data kondisi operasinya. o o Fluida Tekanan T in ( C) T out ( C) 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) jenis shell and tube seekonomis mungkin dengan tetap b. Rancang heat exchanger jenis memperhatikan 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: Mean Tube Temperature :
3780 287
Cp asam propionat:
1.869
ρ asam propionat
4.05
kg/jam C kJ/kg C 3
kg/m
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
51,5
C
Mean Tube Temperature : Cp cooling
4.219
kJ/kg K
ρ cooling
987,1
kg/m
3
viskositas cooling
0,5306
cP
k cooling
0,6449
W/m.K
beda tekan shell-tube:
1
Bar
Page 2
Untuk merancang heat exchanger , digunakan algoritma dengan metode Bell (Sinnott, 2004). Menghitung Panas Yang Dipertukarkan : Qh = mh cp,h (T1 – T2) = 1,050 x 1869 x (667-453) = 419964 W Qc = Qh Qc = mc cp,c (T2 – T1)
mc = 419964/[4219 x (348-301)] = 2.118 kg/s 1. Mengasumsikan nilai koefisien perpindahan panas keseluruhan 2
Utebak = 300 W/m .K 2. Menghitung beda temperatur rata-rata (aliran counter current) ΔTm
∆ =
1 − 2 − (2 − 1) 1 − 2) ln ( 2 − 1
394 − 180 − (75 − 28) 394 − 180 ln ( ) 75 − 28 ∆ = 225.277 ∆ =
Untuk menentukan ΔTm digunakan faktor koreksi F T untuk HE 1-shell-2-pass Z
Y
(Th1
Th2)
(Tc2
(394 180) /(75
4,55
(Tc2
(75
0,128
Tc1 )
(Th1
28) /(394
Tc1 )
28)
Tc2 )
75)
Page 3
Gambar 1 Faktor Koreksi Temperatur, 1 shell pass, 2 atau lebih (genap) tube passes
Dari gambar 1, nilai F T = 0.96, maka:
∆ ∆
= 0,96 225,277 = 216,266
3. Menghitung luas area yang dibutuhkan
= /( ∆ ) = 419664 /(300216,266) = 6.473 2 4. Memutuskan layout dari alat penukar panas dan besar tube a. Tube Do thickness Di L At
=
33 mm = 1.6 mm = 29.8 mm =
0.033 0.0032 0.0298 1.83 0.190
m m m m m2
6.473 ≈ 34 = 0,190
Konfigurasi yang dipilih adalah triangular pitch karena merupakan kofigurasi paling optimum.
Page 4
Tabel 1. Nilai konstanta untuk perhitungan bundle diameter
Dari tabel 1 untuk 2 pas, diperoleh nilai K 1 dan n1 yaitu 0.249 dan 2.207, sehingga:
1 = 0 ( ) = 0,306
= 0,033(
34
1 2,207 )
0.249
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:
= + = 0,306 + 0,012 = 0,318 m
Gambar 2 Koreksi Bundel Shell
Page 5
Lb (baffle spacing) = Ds x 0,2 = 0.0636 m
=
−
=
0.041 −0.033 0,318 0.0636 0.041
= − = = 0.000764 2
= 0.00405 m2
0.0636 0.318 − 0.306
Ab/As = 0.189
5. Menghitung koefisien individu perpindahan panas a. Tube Tube per pass = 59/2 = 29.5
= 0.25 2 = 0.000697 2 = 0.000697 17 = 0.01186 2 = 1.050 0.01186 = 88.556 kg/m2 s =
µ
=
=
=
88.556 0.0298 0.00001177
= 224212 ()
. µ 1869 0.00001177 0.02853
= 0.771
L/di = 61.409
Page 6
Gambar 3 Faktor perpindahan panas bagian tube
Dari gambar 3, dengan menggunakan data L/di dan bilangan Reynolds, diperolej jh = 0.0026. Sehingga:
. . . 1/3 (µ/ )0,14 = 0.02853 0.0026 224212 0.7711/3 (1)0,14 = 0.0298
= 551.774 /2 .
b. Shell 1) Koefisien perpindahan panas tanpa kebocoran (h oc) 2.118 = 522.904 2 .s = = 0.00405
2
e = e =
1.27 x (pt 2 − 0.78 x o )
o 1.27 x (0.0412 − 0.78 x 0.0332 ) 0.033
e = 0.0284 m
Page 7
N Re
G s .d e
715.065 0.0212
0.232 65364 (turbulen )
.
=
=
= 27993
µ 522.904 0.0284 0.0005306
. µ
=
=
= 3.471
4219 0.0005306 0.6449
Type equation here. Dari gambar 4, dengan hubungan garis N Re dan konfigurasi triangular
pitch maka diperoleh nilai jf = 0.005
Page 8
Gambar 4 Faktor Perpindahan panas untuk cross-flow tube banks
= 1/3 ( )0.14
= 0.005 27993 3.4711/3 (1)0.14
= 221.922
=
211.922 0.6449
=
= 4811.475
0.0284
2) Faktor koreksi baris tube (Fn) Bc = 0.25
= 2 − (0.5 − )
= 0.3062 − 0.318(0.5 − 0.25)
= 0.0736
Page 9
N = (D
− 2H )/ ′
N = 0.306 − 2x0.0736)/0.041 N = 3.857
Aliran dalam shell merupakan aliran turbulen. Maka Fn diperoleh dari interpolasi gambar 5. Nilai Fn bergantung pada besar N cv.
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 Ѳb sebesar 2.090 dan R a’ sebesar 0.19
Page 10
Gambar 6 Faktor Geometris Baffle
= x ′
= 34 x 0.19
= 6.46
Rw = 2Nw /Nt = 2 6.46/34 = 0.38
Gambar 7 Faktor koreksi window
Page 11
Fw diperoleh dari gambar 7 dan bergantung pada nilai R w. 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 (F L) Ct (tolerance tube) = 0.0008 m Dari tabel 2, diperoleh nilai c s sebesar 0.0008 Tabel 2. Koreksi dan toleransi baffle
=
. . 2
(
− )
0.0008 0.033
=
= 0.00114
2
(34 − 6.46)
Page 12
Asb = Asb =
cs ds 2
(2π − θb )
0.0008x0.318 2
(2π − 2.090)
Asb = 0.000534
AL = Atb + Asb = 0.00168 m AL /As = 0.00181/0.00405 = 0.414
Page 13
Dari gambar 9 diperoleh nilai βL sebesar 0.31.
Gambar 9 Koefisien untuk FL, perpindahan panas
= 1 − [( + )/ = 1 − 0.28[(0.00114 + 0.000534)/0.00168 = 0.631 6) Koefisien panas pada sisi shell
= = 4811.4750.931.020.770.631 = 2216.923 2 . 6. Menghitung koefisien perpindahan panas keseluruhan hid =
5000 W/m .K
hod =
3000 W/m .K
k w =
16 W/m.K
Page 14
1
1
=
=
1
+
1
+
1 2216.923
ln ( ) 1 1 + + 2
+ +
1
1
+
3000 0.033
0.033ln (0.0330.0298) 32
+
0.033
1
0.0298 5000
1
0.0298 511.774
= 0.00327 = 305 2 .
Karena galat < 30%, maka spesifikasi dapat diterima(Sinnott, 2004).
Page 15
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/ρt = 88.556/4.049 = 21.871 m/s
= 8 . . − + 2.5.
2 2
21.871 = 8 0.002861.4091− + 2.54.049
2
2
= 7.506
b. Shell 1) Hilang tekan ideal ∆Pi Dari gambar 11, diperoleh jf = 0.043
Page 16
Gambar 11 Faktor friksi dari cross-flow tube banks
us = Gs/ρs = 522.904/987.1 = 0.530 m/s
= 8
2 2
= 80.0433.857
= 0.184
( )
−0.14
987.1 0.5302 2
(1)−0.14
2) Faktor koreksi pressure drop aliran bypass Fb’ Dari gambar 12 dengan Ab/As = 0.189, diperoleh Fb’ = 0.46
Page 17
Gambar 12 Faktor bypass untuk hilang tekan F’b
3) Hilang tekan karena kebocoran Dari gambar 13 dengan A L /As = 0.414, β’L = 0.51
Gambar 13 Koefisien untuk hilang tekan karena kebocoran
Page 18
′
′
= 1 − ( + )/
′
= 1 − 0.51(0.00114 + 0.000534)/0.00168
′
= 0.631
4) Hilang tekan window zone ∆Pw Dari gambar 13 dengan Ab/As = 0.18, β’L = 0.38
Gambar 14 Koefisien untuk hilang tekan
′
′
= 1 − ( + )/
′
= 1 − 0.38(0.00114 + 0.000534)/0.00168
′
= 0.631
∆ = 59 = 0.059 5) Hilang terkan pada end zone ∆P e
∆ = ∆ [( + )/ ] ′ = 184[(1.783+3.857)/3.857]0.46 = 124 Pa
Page 19
= 0.124 kPa
6) Hilang tekan pada bagian shell N b
L
lb
1
1.83
0.0636 27.755
1
∆ = 2∆ + + − 1 + ∆ = 2124 + 2827.755 − 1 + 27.75559 = 2621 = 2.621
Page 20
Spesifikasi Heat Exchanger Berikut ini adalah bentuk visual dari heat exchanger yang telah didesain dengan seekonomis mungkin :
Penampang normal
Tampak Dalam
Page 21
Tampak Depan
Specification sheet Operating Data SIZE SHELLS PER UNIT SURFACE PER UNIT
TYPE
BEU
SURFACE PER SHELL
0.190 m2
1 0.190 m2
Performance of one unit Shell side Cooling water
Fluid Allocation Fluid name Fluid quantity, Total
Tube side Propionic acid
2.514 kg/s
1.050 kg/s
Vapor
-
-
1.050 kg/s
1.050 kg/s
Liquid Noncondensabl e
2.514 kg/s
2.514 kg/s
-
-
-
-
-
-
Temperature Dew / Bubble point
301 K
348 K
667 K
413 K
-
-
-
Density
1005 kg/m3
968.5 kg/m3
3.390 kg/m3
4.916 kg/m3
Viscosity Molecular wt, Vap Molecular wt, NC
0.8326 cp -
0.3743 cp -
0.01477 cp
0.00929 cp
-
-
-
-
heat capacity
4.221 kJ/kg
4.196 kJ/kg
2.074 kJ/kg K
2.210 kJ/kg K
74.08
74.08
Page 22
Thermal Conductivity
K
K
0.6154 W/m-K
0.6662 W/m-K
0.03710 W/m-K
0.02112 W/m-K
Latent heat Pressure Velocity Pressure drop, allow / calc. Fouling resist. (min)
1.5 bar
2.5 bar 0.530 m/s
0.75 bar
21.2871 m/s
0.026 bar
0.00017 m2
Heat exchanged Transfer rate, Service
1.25 bar
0.075 bar 0.0002-deg C/W
419964 Watt
MTD Corrected
216.266 deg C
Tebak = 300 W/m2-K Perhitungan = 299 W/m2-K
CONSTRUCTION OF ONE SHELL SHELL SIDE TUBE SIDE Design / Test 1.5 bar / 1.5 2.5 bar / Pressure 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/ Tube No. = 34 tubes Shell CS Fixed U tube (small) Baffle Crossing CS Supports-tube
Length = 1.83 m OD = 323 mm
Type single seg
OD = 33 mm
Sketsa, triangular pitch Thickness= 1.6 ID = 29.8 mm mm
Cut (%d) 25
Baffle spacing = 0.036 m
U-bend
Luas area perpindahan panas (A) : 6.473
2
Panjang tube : 1.83 m Jumlah Tube : 34 buah U-Tube Heat Exchanger Type BEU 1-shell-2-pass triangular pitch
Page 23
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 o
mencapai 525-610 Mpa pada suhu 400 C (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 m enghemat pengeluaran.
Page 24
Sebagai
perbandinga
dalam
pemilihan
harga,
kalkulasi
dilakukan
dengan
membandingkan penggunaan bahan stainless steel 304 dengan stainless steel 410
Jenis Stanless Steel 304
Panjang
Uo 2 (W/m K)
A (m )
Harga ( US$)
L=1.83m
299
6.473
4000
410
L=1.83m
299
6.473
4300
2
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.
Page 25
