TUGAS PERANCANGAN ALAT PEMROSES

SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER

(STHE)

Disusun oleh:

Dimas Agung Pambudi L2C009096

Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik

Universitas Diponegoro

Semarang

2012

BAB I

PENDAHULUAN

Unit penukar kalor adalah suatu alat untuk memindahkan panas dari

suatu fluida ke fluida yang lain dengan adanya perbedaan temperature.

Karena panas yang dipertukarkan terjadi dalam sebuah sistem maka

kehilangan panas dari suatu benda akan sama dengan panas yang

diterima benda lain. Perlu diketahui bahwa untuk alat-alat ini terdapat suatu terminology

yang telah distandarkan untuk menamai alat dan bagian-bagian alat tersebut yang dikeluarkan

oleh Asosiasi pembuat Heat Exchanger yang dikenal dengan Tublar Exchanger Manufactures

Association (TEMA). Standarisasi tersebut bertujuan untuk melindungi para pemakai dari

bahaya kerusakan atau kegagalan alat, karena alat ini beroperasi pada temperature dan

tekanan yang tinggi.

Begitu banyak jenis dari alat penukar kalor dalam industri, maka dalam pembahasan

akan dibatasi pada alat penukar kalor jenis heat exchanger yaitu Shell and Tube Heat

Exchanger . Sebagian besar dari industri-industri yang berkaitan dengan

pemprosesan selalu menggunakan alat ini, sehingga alat penukar kalor ini

mempunyai peran yang penting dalam suatu proses produksi atau

operasi. Dalam bahasa Indonesia, Shell and Tube Heat Exchanger biasa

disebut dengan alat penukar panas selongsong (shell) dan pipa (tube) dan

ada yang menyebut alat penukar panas cangkang dan pipa.

Alat ini terdiri dari sebuah shell silindris di bagian luar dan sejumlah

tube (tube bundle) di bagian dalam, dimana temperatur fluida di dalam

tube bundle berbeda dengan di luar tube (di dalam shell) sehingga terjadi

perpindahan panas antara aliran fluida di dalam tube dan di luar tube.

Adapun daerah yang berhubungan dengan bagian dalam tube disebut

dengan tube side dan yang di luar dari tube disebut shell side.

BAB II

PEMBAHASAN

II.1 Tipe Shell and Tube Heat Exchanger

Shell and Tube merupakan jenis heat exchanger yang paling banyak

digunakan dalam industri perminyakan. Alat ini terdiri dari sebuah shell

(tabung/slinder besar) dimana didalamnya terdapat suatu bandle (berkas)

pipa dengan diameter yang relative kecil. Satu jenis fluida mengalir

didalampipa-pipa sedangkan fluida lainnya mengalir dibagian luar pipa

tetapi masih didalam shell. Keuntungan shell and tube heat exchanger

merupakan heat exchanger yang paling banyak digunakan di proses-

proses industri karena mampu memberikan ratio area perpindahan panas

dengan volume dan massa fluida yang cukup kecil. Selain itu juga dapat

mengakomodasi ekspansi termal, mudah untuk dibersihkan, dan

konstruksinya juga paling murah di antara yang lain. Untuk menjamin

bahwa fluida pada shell-side mengalir melintasitabung dan dengan

demikian menyebabkan perpindahan kalor yang lebih tinggi, maka

didalam shell tersebut dipasangkan sekat/penghalang (baffles).

Gambar 2.1 Konstruksi alat penukar kalor jenis shell and tube

Berdasarkan konstruksinya, Heat exchanger tipe Shell and Tube

dibedakan atas:

Fixed Tube Sheet

Merupakan jenis shell and tube heat exchanger yang terdiri dari

tube-bundle yang dipasang sejajar dengan shell dan kedua tube sheet menyatu

dengan shell. Kelemahan pada tipe ini adalah kesulitan pada penggantian

tube dan pembersihan shell.

Floating Tube Sheet

Merupakan heat exchanger yang dirancang dengan salah satu tipe

tube sheetnya mengambang, sehingga tube-bundle dapat bergerak di

dalam shell jika terjadi pemuaian ataupenyusutan karena perubahan

suhu. Tipe ini banyak digunakan dalam industri migas

karenapemeliharaannya lebih mudah dibandingkan fix tube sheet, karena

tube-bundlenya dapatdikeluarkan, dan dapat digunakan pada operasi

dengan perbedaan temperatur antara shell dantube side di atas 200 oF.

U tube/U bundle

Jenis ini hanya mempunyai 1 buah tube sheet, dimana tube dibuat

berbentuk U yangujung-ujungnya disatukan pada tube sheet sehingga

biaya yang dibutuhkan paling murah diantara shell and tube heat

exchanger yang lain. Tube bundle dapat dikeluarkan dari shellnyasetelah

channel headnya dilepas. Tipe ini juga dapat digunakan pada tekanan tinggi dan

bedatemperatur yang tinggi. Masalah yang sering terjadi pada heat

exchanger ini adalah terjadinya erosi pada bagian dalam bengkokan tube yang

disebabkan oleh kecepatan alirandan tekanan di dalam tube, untuk itu fluida

yang mengalir dalam tube side haruslah fluidayang tidak mengandung

partikel-partikel padat

II.2 Komponen Shell and Tube Heat Exchanger

Dalam penguraian komponen-komponen heat exchanger jenis shell and tube yang

didesain berdasarkan pada standar TEMA akan dibahas beberapa komponen yang

sangat berpengaruh pada konstruksi heat exchanger. Untuk lebih jelasnya disini akan dibahas

beberapa komponen dari shell and tube heat exchanger (STHE):

Shell

Kontruksi shell sangat ditentukan oleh keadaan tubes yang akan

ditempatkandidalamnya. Shell ini dapat dibuat dari pipa yang berukuran

besar atau pelat logam yang dirol. Shell merupakan badan dari heat

exchanger, dimana didapat tube bundle. Untuk temperatur yang sangart

tinggi kadang-kadang shell dibagi dua disambungkan dengansambungan ekspansi.

Bentuk-bentuk shell yang lazim digunakan ditunjukkan pada gambar berikut :

Gambar 2.1 bentuk-bentuk shell dan penutupnya.

Tube (pipa)

Tube atau pipa merupakan bidang pemisah antara kedua jenis fluida

yang mengalir didalamnya dan sekaligus sebagai bidang perpindahan

panas. Aliran di dalam tube sering dibuat melintas lebih dari 1 kali dengan

tujuan untuk memperbesar koefisisen perpindahan panas lapiasan film

fluida dalam tube. Ketebalan dan bahan pipa harus dipilih pada tekanan

operasi fluida kerjanya. Selain itu bahan pipa tidak mudah terkorosi oleh

fluida kerja. Adapun beberapa tipe susunan tube dapat dilihat dibawah

ini :

a. Susunan Bujur sangkar (Square Pitch)

Gambar 2.2. Susunan Bujur sangkar (Square Pitch)

Keuntungan :

oBagus untuk kondisi yang memerlukan pressure drop rendah.

oBaik untuk pembersihan luar tube secara mekanik.

oBaik untuk menangani fluuida fouling.

Kerugian :

oFilm koeffisiennya relatif rendah

b. Susunan Segitiga (Triangular Pitch).

Gambar 2.3. Susunan Segitiga (Triangular Pitch).

Keuntungan :

oFilm koeffisien lebih tinggi daripada square pitch.

oDapat dibuat jumlah tube yang lebih banyak sebab susunannya

kompak.

Kerugian :

oPressure drop yang terjadi antara menengah ke atas.

oTidak baik untuk fluida fouling

oPembersihan secara kimia

c. Susunan Segitiga Diputar 30O(Rotated Triangular Pitch)

Gambar 2.4. Susunan Segitiga Diputar 30O(Rotated

Triangular Pitch)

Keuntungan :

oFilm koeffisisennya tidak sebesar susunan triangular pitch, tetapi

lebih besar dari susunan square pitch.

oDapat digunakan pada fluida fouling

Kerugian :

oPressure drop yang terjadi antara menengah ke atas.

oPembersihan secara kimia

d. Susunan Bujur sangkar yang Diputar 45O (Diamond Square Pitch).

Gambar 2.4. Susunan Bujur sangkar yang Diputar 45O

(Diamond Square Pitch).

Keuntungan :

oBagus untuk kondisi yang memerlukan pressure drop rendah.

oBaik untuk pembersihan luar tube secara mekanik.

oBaik untuk menangani fluuida fouling.

Kerugian :

oFilm koeffisiennya relatif rendah

- Tube pitch

Lubang yang tidak dapat dibor dengan jarak yang sangat dekat, karena

jarak tube yang terlalu dekat akan melemahkan struktur penyangga

tube.

- Clearance

Jarak terdekat antara 2 tube yang berdekatan

Tube Sheet

Suatu flat lingkaran yang fungsinya memegang ujung-ujung tube

sehingga menjadi satu yang disebut tubebundle dan juga sebagai

pembatas aliran fluida di shell & tube. HE dengan tube lurus pada

umumnya menggunakan 2 buah tube sheet. Sedangkanpada tube tipe U

menggunakan satu buah tube sheet yang berfungsi untuk menyatukan

tube-tube menjadi tube bundle dan sebagai pemisah antara tube side

dengan shell side

Sekat (Baffle)

Adapun fungsi dari pemasangan sekat (baffle) pada heat exchanger

ini antara lain adalah untuk :

1. Sebagai penahan dari tube bundle.

2. Untuk mengurangi atau menambah terjadinya getaran pada tube.

3. Sebagai alat untuk mengarahkan aliran fluida yang berada di dalam

tubes.

4. Mengatur aliran lewat shell sehingga turbulensi yang tinggi akan

diperoleh

Ditinjau dari segi konstruksinya baffle dapat diklasifikasikan dalam

empat kelompok, yaitu :

1. Sekat plat bentuk segmen.

2. Sekat bintang (rod baffle)

3. Sekat mendatar.

4.  Sekat impingement

Gambar 2.5. Sekat plat bentuk segmen

Gambar 2.6. Sekat bintang (rod baffle)

Gambar 2.7. Sekat mendatar

Tie Rods

Batangan besi yang dipasang sejajar dengan tube dan ditempatkan

di bagian palingluar dari baffle yang berfungsi sebagai penyangga agar

jarak antara baffle yang satu dengan lainnya tetap.

Tube Side Channel dan Nozzle

Mengatur aliran fluida di tube

Channel Cover

Tutup yang dapat dibuka saat pemeriksaan dan pembersihan

II.3 Keuntungan shell & tube exchanger :

Memiliki permukaan perpindahan panas persatuan volume yang

lebih besar

Mempunyai susunan mekanik yang baik dengan bentuk yang cukup

baik untuk operasi bertekanan.

Tersedia dalam berbagai bahan konstruksi

Prosedur pengopersian lebih mudah

Metode perancangan yang lebih baik telah tersedia

Pembersihan dapat dilakukan dengan mudah

II.4 Penentuan fluida dalam shell atau tube :

a. Fluida bertekanan tinggi dialirkan di dalam tube karena tube

standar cukup kuat menahan tekanan yang tinggi.

b. Fluida berpotensi fouling dialirkan di dalam tube agar pembersihan

lebih mudah dilakukan.

c. Fluida korosif dialirkan di dalam tube karena pengaliran di dalam

shell membutuhkan bahan konstruksi yang mahal yang lebih

banyak.

d. Fluida bertemperature tinggi dan diinginkan untuk memanfaatkan

panasnya dialirkan di dalam tube karena dengan ini kehilangan

panas dapat dihindarkan.

e. Fluida dengan viscositas yang lebih rendah dialirkan di dalam tube

karena pengaliran fluida dengan viscositas tinggi di dalam

penampang alir yang kecil membutuhkan energi yang lebih besar.

Fluida dengan viskositas tinggi ditempatkan di shell karena dapat

digunakan baffle untuk menambah laju perpindahan.

f. Fluida dengan laju alir rendah dialirkan di dalam tube. Diameter

tube yang kecil menyebabkan kecepatan linier fluida (velocity)

masih cukup tinggi, sehingga menghambat fouling dan

mempercepat perpindahan panas.

g. Fluida yang mempunyai volume besar dilewatkan melalui tube,

karena adanya cukup ruangan.

II.5 Langkah-langkah perancangan Shell & Tube Heat Exchanger

Untuk merencanakan alat penukar panas khususnya STHE, dapat

diikuti langkah-langkah sebagai berikut:

a. Menghitung LMTD aktual.

1. Menghitung beban panas, yang dibutuhkan ataupun yang harus

dilepaskan. Secara umum menggunakan rumus Q=M.Cp.(Thi-

Tho)=M.Cp.(Tco-Tci).

2. Dari (1) berkaitan dengan menentukan suhu masuk atau keluar

dari kedua fluida (Thi, Tho, Tco, Tci).

3. Menghitung harga LMTD single pass countercurrent.

4. Menghitung faktor koreksi Fc

5. Menghitung LMTD aktual (LMTD aktual = Fc x LMTD singlepass).

b. Menghitung Luas Perpindahan Panas.

1. Dengan menggunakan perkiraan harga U dari Buku Kern, ditrial

harga U. Dengan harga U trial tersebut dapat dihitung A=Q/U.

LMTD.

2. Dari tabel 10, buku D.Q. Kern didapat harga OD, BWG, ID, L,

a”,at*, susunan tube, Tube pitch. Hitung Nt=A/a*.L

3. Dari tabel 9, kita sesuaikan jumlah tubenya, diameter shell Ids,

dan jumlah pass.

4. Hitung A terkoreksi= Nt.a*.L

Ud terkoreksi= Q/Acor.LMTD.

Hasil Ud terkoreksi harus mendekati Ud trial.

c. Menghitung hi dan hio.

1. Tentukan fluida yang masuk tube (tube side).

2. Tentukan at, Gt, sifat fisis fluida pada suhu rata-rata.

3. Hitung bilangan Re.

4. Baca harga JH dari Fig.24 Kern.

5. Hitung harga hi

6. Hitung harga hio= hi x ID/OD.

d. Menghitung ho pada shell side.

1. Tentukan baffle spacing B.

2. Hitung c*=Pt-Odt

3. Hitung as= Ids x c* x B/144 x Pt

4. Hitung Gs= Ws/as

5. Tentukan sifat-sifat fisis dari fluida pada suhu rata-rata.

6. Hitung bilangan Re.

7. Baca harga JH pada Fig.28 Kern.

8. Hitung ho

e. Menghitung Uc dan Rd.

1. Hitung Uc= hio x ho/ hio + ho

2. Hitung Rd= Uc-Ud/ Uc x Ud

3. Bandingkan harga Rd hasil perhitungan dengan harga yang ada

di tabel Rd perhitungan > Rd yang diijinkan.

f. Menghitung Pressure drop.

1. Hitung ∆Ps pada shell, dan bandingkan dengan ∆Ps yang

diijinkan.

2. Hitung ∆PT= ∆Pt + ∆Pr. Bandingkan dengan ∆PT yang diijinkan.

3. Dalam perhitungan ini sebelumnya harus disiapkan Tabel, Grafik

data yang diperlukan.

BAB III

KESIMPULAN

Shell and tube heat exchanger merupakan heat exchanger

yang paling banyak digunakan di proses-proses industri karena

mampu memberikan ratio area perpindahan panas dengan volume dan

massa fluida yang cukup kecil. Alat ini terdiri dari sebuah shell silindris

di bagian luar dan sejumlah tube (tube bundle) di bagian dalam.

komponen-komponen shell and tube heat exchanger yang didesain

didasarkan pada standar TEMA, khususnya Heat exchanger yang

dirancang untuk keperluan komersial dan keperluan umum lainnya.

Komponen-komponen tersebut adalah tube, shell, baffle, tie rod,

head/cover, tubesheet, nozzle, tube side channel, nozzle. Adapun

beberapa tipe susunan tube antara lain susunan bujur sangkar

(Square Pitch), susunan segitiga (Triangular Pitch), susunan segitiga

diputar 30O(Rotated Triangular Pitch) dan susunan bujur sangkar

yang diputar 45O (Diamond Square Pitch).

DAFTAR PUSTAKA

Dwi, Indra Wibawa S. 2008. Heat Exchanger. Teknik Kimia.Universitas

Lampung, Lampung.

Eka, dkk. 2010. Laporan Praktikum Heat Exchanger . Ekstensi Teknik

Kimia Universitas Indonesia, Jakarta.

Kern, D.Q., 1958. Process Heat Transfer, International Student Edition, Mc

Graw Hill Kogakusha, Ltd., New York.

Sugiyanto. 2011. Analisis Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube dan

Aplikasi Perhitungan dengan Microsoft Visual Basic 6.0. Jurnal Teknik

Mesin Fakultas Teknologi Industri

Universitas Gunadarma, Depok.