TUGAS KHUSUS PERPINDAHAN PANAS PERANCANGAN HEAT EXCHANGER PADA INDUSTRI PULP & PAPER
Oleh : VIODITA RIZKI 1407122581 KELAS C
PROGRAM STUDI SARJANA TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS RIAU PEKANBARU 2017
HEAT EXCHANGER PADA INDUSTRI PULP AND PAPER Beberapa industri tertentu menghasilkan keuntungan lebih banyak dibanding industri lain dari segi produk industri atau mesin tertentu. Penukar panas merupakan peralatan industri yang cukup populer dan merupakan alat yang paling penting bagi industri kertas. Tanpa alat penukar panas, pabrik kertas akan memiliki biaya energi yang sangat tinggi, yang mana akan memberikan dampak buruk bagi lingkungan dan juga berdampak buruk bagi keuangan perusahaan kertas. Ada 2 cara suatu industri kertas dan bubur kertas dalam memanfaatkan alat penukar panas, yang mana keduanya memberikan dorongan finansial bagi industri kertas dan bubur kertas, yaitu metode ramah lingkungan, efisien dan efektif. Pada dasarnya, proses kertas, dimulai dengan pengolahan pulp kayu dan penyulingan dan kemudian masuk ke pemutihan dan pembersihan sebelum pembentukan kertas, semuanya dilakukan dengan bantuan heat exchanger. Secara khusus, penukar panas pelat digunakan untuk memanaskan cairan yang digunakan untuk membuat pulp dari kayu, sebuah proses yang melibatkan senyawa kimia yang memisahkan struktur kayu, sehingga membiarkan zat seperti goopy yang dapat dibentuk menjadi kertas setelah diproses lebih banyak. Proses sekunder melibatkan pemutihan atau dying of pulp, yang merupakan proses yang juga dipanaskan oleh penukar panas pelat atau spiral. Setelah warna yang diinginkan tercapai, pulp menjadi kertas dengan cara mesin kertas, yang merajut pulp menjadi jaring tipis yang membentuk lembaran. Salah satu bagian dari mesin kertas juga menggunakan jenis penukar panas yang dikenal sebagai sistem recovery panas limbah, yang merupakan salah satu cara penukar panas dapat menghemat energi, sumber daya dan uang perusahaan. Mesin recovery panas limbah mampu menyerap panas dan kelembaban di ruangan agar bisa digunakan kembali tanpa memberi tekanan lebih besar pada sumber energi yang biasanya menyediakan udara dan air untuk proses pembuatan kertas. Intinya itu adalah, sistem daur ulang yang tidak memiliki sisi bawah.
A. Shell & Tube Heat Exchanger
Heat exchanger ( HE ) atau alat penukar panas, memiliki fungsi sebagai sebuah peralatan yang berguna dalam melakukan pertukaran panas, dan umumnya fluida yang panasnya dipertukarkan tersebut tidak bercampur. Aplikasi HE banyak ditemukan mulai dari peralatan rumah tangga seperti pada AC hingga peralatan pada proses industri misal pada industri pulp ad paper . Salah satu jenis HE yang banyak ditemui pada industri kimia adalah jenis Shell & Tube heat Exchanger ( STHE ), disamping itu pula terdapat jenis lain seperti Double Pipe, Plate & frame Heat Exchanger dan lain-lain. Umumnya HE jenis STHE lah yang paling banyak dan yang paling sering digunakan dibandingkan dengan jenis HE lainnya. Terdapat beberapa alasan mengapa STHE sering digunakan yaitu :
STHE memberikan luas permukaan perpindahan panas yang besar dengan volume yang kecil;
Memiliki range luas perpindahan panas yang lebar mulai kurang dari 1 meter kuadrat hingga seribuan meter kuadrat dan bahkan lebih
Memiliki rancangan mechanical yang baik, mampu dioperasikan pada tekanan tinggi
Dapat dirancang dengan menggunakan berbagai jenis material;
Mudah dibersihkan baik dengan chemical maupun mechanical cleaning ;
Memiliki prosedur thermal dan mechanical design yang baik.
Mudah melakukan penggantian untuk komponen atau bagian – bagian yang cukup mudah rusak seperti gasket dan tube. Shell & Tube Heat exchanger tipe shell & tube menjadi satu tipe yang
paling mudah dikenal. Tipe ini melibatkan tube sebagai komponen utamanya. Salah satu fluida mengalir di dalam tube, sedangkan fluida lainnya mengalir di luar tube. Pipa-pipa tube didesain berada di dalam sebuah ruang berbentuk silinder
yang
disebut
dengan shell ,
sedemikian
pipa tube tersebut berada sejajar dengan sumbu shell .
rupa
sehingga
pipa-
Gambar A.1 Heat Exchanger Tipe Shell & Tube (a) satu jalur shell , satu jalur tube
(b) satu jalur shell , dua jalur tube Komponen-komponen utama dari heat exchanger tipe shell & tube adalah sebagai berikut: Tube
Pipa tube berpenampang lingkaran menjadi jenis yang paling banyak digunakan pada heat exchanger tipe ini. Desain rangkaian pipa tube dapat bermacammacam sesuai dengan fluida kerja yang dihadapi.
Gambar A.2 Macam-macam Rangkaian Pipa Tube Pada Heat Exchanger Shell &
Tube
Shell
Bagian ini menjadi tempat mengalirnya fluida kerja yang lain selain yang mengalir di dalam tube. Umumnya shell didesain berbentuk silinder dengan penampang melingkar. Material untuk membuat shell ini adalah pipa silindris jika diameter desain dari shell tersebut kurang dari 0,6 meter. Sedangkan jika lebih dari 0,6 meter, maka digunakan bahan plat metal yang dibentuk silindris dan disambung dengan proses pengelasan.
Gambar A.3 Tipe-Tipe Desain Front-End Head , Shell , dan Rear-End Head
Tipe-tipe desain dari shell ditunjukkan pada gambar di atas. Tipe E adalah yang paling banyak digunakan karena desainnya yang sederhana serta harga yang relatif murah. Shell tipe F memiliki nilai efisiensi perpindahan panas yang lbih tinggi dari tipe E, karena shell tipe didesain untuk memiliki dua aliran (aliran U). Aliran sisi shell yang dipecah seperti pada tipe G, H, dan J, digunakan pada kondisi-kondisi khusus seperti pada kondenser dan boiler thermosiphon. Shell tipe K digunakan pada pemanas kolam air. Sedangkan shell tipe X biasa digunakan untuk proses penurunan tekanan uap.
Langkah-langkah perancangan Shell & Tube Exchanger : 1. Mencari Q (beban panas) dari neraca panas 2. Menentukan Δt
Untuk 1-2 exchanger FT > 0,75. jika FT pada 1-2 Exchanger < 0,75 maka gunakan 2-4 Exchanger.
Untuk 2-4 exchanger FT > 0,9 untuk removable longitudinal baffle. FT 0,85 untuk welded longitudinal baffle.
FT dihitung karena di dalam tube terjdi perubahan arah aliran. Sebagai contoh untuk 1-2 exchanger, lewatan merupakan gabungan antara aliran searah dan lawan arah. Dengan demikian dalam 1-2 exchanger tersebut jika dihitung LMTD untuk countercurrent maka harus dihitung faktor koreksi FT nya.
3. Asumsikan UD sementara dari Tabel 8 Kern, 1965. Lalu hitung area heat transfer A dengan persamaan :
A > 200 ft2 gunakan shell & tube A < 100 ft2 gunakan double pipe Tentukan klasifikasi tube dari Tabel 10 Kern, 1965
L = 6, 8, 12, 16, 20 ft (pelatihan pegawai PT. PUSRI) BWG, OD, a” 4. Tentukan jumlah tube
5. Koreksi UD 6. Temperatur kalorik Temperatur rata-rata fluida yang terlibat dalam pertukaran panas Dihitung untuk fluida dengan viskositas > 1 cP. Tc = T2 + Fc(T1-T2) tc = t1 + Fc(t2-t1) 7. Menghitung flow area luas penampang yang tegak lurus arah aliran. shell :
C’ = PT – OD B = maksimum = IDshell (pers. 11.3 Kern, 1965, hal 226) Minimum = IDshell/5 (pers. 11.4 Kern, 1965, hal 226)
tube :
8. Menghitung mass velocity (G) shell :
tube :
9. Menghitung bilangan reynold shell :
tube :
10. Menentukan heat transfer factor, JH shell :
Nilai JH untuk shell didapat dari figure 28 Kern tube :
Nilai JH untuk tube didapat dari figure 24 kern 11. Menentukan termal function
12. Menentukan hi & ho film koefisien hi & ho adalah suatu ukuran aliran panas per unit permukaan dan unit perbedaan temperatur yang mengindikasikan laju perpindahan panas. shell :
tube :
13. Menentukan hio
14. Temperatur dinding tw
15. Koefisien hi dan hio terkoreksi pada temperatur dinding tw shell :
tube :
16. Uc (koefisien perpindahan panas menyeluruh saat bersih)
17. Rd
Rd yang diperlukan = ….. hr.ft2.oF/btu (Tabel 8. Kern, 1965). Rdhitung ≥ Rddiperlukan (memenuhi) 18. ΔP shell :
tube :
B. Plate and Frame Heat Exchanger
Transfer panas merupakan hal yang keberadaannya sangat vital di industri proses. Ini artinya Heat
Exchanger menjadi salah satu peralatan yang sangat
penting. Ada berbagai macam tipe Heat Exchanger, yang paling umum digunakan di industri adalah Heat Exchanger tipe Shell and Tube. Di samping itu terdapat tipe lain yaitu Plate and Frame, Plate-fin, Cross Flow, dan Spiral Heat Exchanger. Pemakaian dari masing-masing tipe dari Heat Exchanger tersebut tergantung dari kondisi operasi, biaya dan lain-lain.
Gambar B.1 Plate and Frame Heat Exchanger
Plate and Frame Heat Exchanger adalah suatu tipe Heat Exchanger yang menggunakan pelat sebagai tempat perpindahan panas di antara dua fluida. Suatu gasket dari suatu Plate and Frame Heat Exchanger berfungsi untuk menghindari bercampurnya fluida panas dan fluida dingin. Gasket diapit di antara pelat dan
menyegel pelat di sekeliling tepi pelat tersebut. Pelat dari Heat Exchanger ini normalnya memiliki ketebalan berkisar antara 0,5 hingga 3 mm dan jarak antara tiap pelat antara 1,5 hingga 5 mm. Luas permukaan pelat tersebut berkisar antara 0,03 hingga 1,5 m2, dengan rasio lebar/panjang antara 2 sampai 3. Luas permukaan Plate and Frame Heat Exchanger bervariasi dari yang paling kecil sebesar 0,03 m2 sampai dengan yang paling besar yaitu 1500 m2. Laju alir maksimum fluida yang diizinkan terbatas hingga 2500 m3/jam. Kelebihan dan kekurangan dari Plate and Frame Heat Exchanger jika dibandingkan dengan Heat Exchanger Shell and Tube konvensional adalah sebagai berikut : Kelebihan:
Pelat lebih banyak diminati ketika harga material tinggi
Plate and Frame Heat Exchanger mudah dirawat
Pendekatan temperatur terendah yang masih bisa digunakan hingga 1oC dibandingkan dengan Heat Exchanger Shell and Tube yang sebesar 5 – 10 oC.
Plate and Frame lebih fleksibel, dapat dengan mudah pelatnya ditambah
Plate and Frame Heat Exchanger lebih tepat digunakan untuk material yang memiliki viskositas yang tinggi
Temperature correction factor, Ft, akan lebih tinggi karena alirannya lebih mendekati aliran Counter Current yang sesungguhnya.
Fouling cenderung lebih kecil kemungkinan terjadi.
Kerugian :
Pelat merupakan bentuk yang kurang baik untuk menahan tekanan. Plate and Frame Heat Exchanger tidak sesuai digunakan untuk tekanan lebih dari 30 bar.
Pemilihan material gasket yang sesuai sangatlah penting
Maksimum temperatur operasi terbatas hingga 250 oC dikarenakan performa dari material gasket yang sesuai. Plate and Frame Heat Exchanger digunakan secara luas di industri
makanan dan minuman, karena pada industri tersebut sering melakukan inspeksi dan pembersihan. Penggunaan dari Plate and Frame Heat Exchanger ini
tergantung dari biaya relatif dibandingkan dengan Heat Exchanger shell and tube konvensional. Berikut ini adalah prosedur pada perancangan awal suatu Heat Exchanger Tipe Plate and Frame, sebagai berikut : 1. Hitung Beban Panas, laju panas yang dibutuhkan. 2. Jika spesifikasinya belum lengkap, tentukan temperatur fluida yang belum diketahui atau laju alir fluida dengan menggunakan neraca panas 3. Hitung Temperatur Rata-rata Logaritmik ΔTLMTD 4. Tentukan Faktor Koreksi ΔTLMTD (log mean temperature correction factor), Ft’ 5. Hitung ΔTLMTD terkoreksi, ΔTM 6. Perkirakan Overall Heat Transfer Coefficient. 7. Hitung luas permukaan yang dibutuhkan 8. Tentukan jumlah pelat yang dibutuhkan = Luas permukaan total/luas permukaan satu pelat. 9. Hitung Film Heat Transfer Coefficients untuk masing-masing aliran. 10. Hitung overall coefficient, perhitungkan fouling factor 11. Bandingkan hasil yang diperoleh dari perhitungan dengan yang diasumsikan sebelumnya. Jika sudah cukup, misal error antara 0-10 % maka selesai, namun jika belum cukup, kembali ke langkah 8 dan tambah atau kurangi jumlah pelat. 12. Cek pressure drop untuk masing-masing aliran.
DAFTAR PUSTAKA Agushoe,
2009,
Perancangan
Plate
and
Frame
Heat
Exchanger,
https://agushoe.wordpress.com/2009/02/20/perancangan-plate-and-frameheat-exchanger/, Diakses pada 06 Juni 2017. Anonim,
2014,
Heat
Exchangers:
Paper
and
Pulp
Applications,
http://blog.iqsdirectory.com/process-equipment/plate-heat-exchangers-4/ , Diakses pada 06 Juni 2017. Kern, D.Q. 1965. Process Heat Transfer . New York : McGraw-Hill Book Company Onny, 2015, Macam-Macam Heat Exchanger: Alat Penukar Panas, http://artikelteknologi.com/macam-macam-heat-exchanger-alat-penukar-panasbagian-2/, Diakses pada 06 Juni 2017. Sinnot, R.K. 2005. Chemical Engineering Design. Volume 6. Edisi 4. Elsevier : UK.
