[ Fix Pilot Plant] Laporan Shell And Tube

LAPORAN PRAKTIKUM PILOT PLANT “SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER”

Dosen Pembimbing : Ir. Emma Hermawati, MT Kelas

: 3A TKPB

Kelompok

: 5

Disusun Oleh

: Ghifaris Vasha I Ghina Fauziyyah

141424013 141424014

Gian Mardhiansyah 141424015

Tanggal Praktikum

: 29 Oktober 2016

Tanggal Penyerahan : 6 Oktober 2016

PROGRAM STUDI D4 - TEKNIK KIMIA PRODUKSI BERSIH JURUSAN TEKNIK KIMIA POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2016

I. TUJUAN 1. Memahami cara kerja peralatan shell and tube 2. Menghitung koefisien perpindahan panas keseluruhan (U) dengan cara neraca energi 3. Mengetahui pengaruh laju alir fluida terhadap koefisien pindah panas keseluruhan 4. Menghitung efisiensi pindah panas dari kalor yang dilepas dan kalor yang diterima fluida. II.

DASAR TEORI 2.1 Alat penukar panas atau Heat Exchanger (HE) Alat penukar panas atau Heat Exchanger (HE) adalah alat yang digunakan untuk

memindahkan panas dari sistem ke sistem lain tanpa perpindahan massa dan bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium pemanas dipakai adalah air yang dipanaskan sebagai fluida panas dan air biasa sebagai air pendingin (cooling water). Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien. Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak, baik antara fluida terdapat dinding yang memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung (direct contact). Penukar panas sangat luas dipakai dalam industri seperti kilang minyak, pabrik kimia maupun petrokimia, industri gas alam, refrigerasi, pembangkit listrik. Salah satu contoh sederhana dari alat penukar panas adalah radiator mobil di mana cairan pendingin memindahkan panas mesin ke udara sekitar. 2.2 Tipe Aliran pada Alat Penukar Panas Tipe aliran di dalam alat penukar panas ini ada 4 macam aliran yaitu : 1.

Counter current flow (aliran berlawanan arah)

2.

Paralel flow/co current flow (aliran searah)

3.

Cross flow (aliran silang)

4.

Cross counter flow (aliran silang berlawanan)

2.3 Jenis-jenis Penukar Panas Jenis-jenis penukar panas antara lain: 1. Double Pipe Heat Exchanger 2. Plate and Frame Heat Exchanger 3. Shell and Tube Heat Exchanger 4. Adiabatic wheel heat exchanger 5. Pillow plate heat exchanger 6. Dynamic scraped surface heat exchanger 7. Phase – change heat exchanger 2.4 Prinsip Kerja Heat Exchanger 2.4.1 Prinsip dan Teori Dasar Perpindahan Panas Panas adalah salah satu bentuk energi yang dapat dipindahkan dari suatu tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan sama sekali. Dalam suatu proses, panas dapat mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu suatu zat dan atau perubahan tekanan, reaksi kimia dan kelistrikan. Proses terjadinya perpindahan panas dapat dilakukan secara langsung, yaitu fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin tanpa adanya pemisah dan secara tidak langsung, yaitu bila diantara fluida panas dan fluida dingin tidak berhubungan langsung tetapi dipisahkan oleh sekat-sekat pemisah. 2.4.2. Perpindahan Panas Secara Konduksi Merupakan perpindahan panas antara molekul-molekul yang saling berdekatan antar yang satu dengan yang lainnya dan tidak diikuti oleh perpindahan molekul-molekul tersebut secara fisik. Molekul-molekul benda yang panas bergetar lebih cepat dibandingkan molekul-molekul benda yang berada dalam keadaan dingin. Getaran-getaran yang cepat ini,

tenaganya dilimpahkan kepada molekul di sekelilingnya sehingga menyebabkan getaran yang lebih cepat maka akan memberikan panas. 2.4.3. Perpindahan Panas Secara Konveksi Perpindahan panas dari suatu zat ke zat yang lain disertai dengan gerakan partikel atau zat tersebut secara fisik. 2.4.4. Perpindahan Panas Secara Radiasi Perpindahan panas tanpa melalui media (tanpa melalui molekul). Suatu energi dapat dihantarkan dari suatu tempat ke tempat lainnya (dari benda panas ke benda yang dingin) dengan pancaran gelombang elektromagnetik dimana tenaga elektromagnetik ini akan berubah menjadi panas jika terserap oleh benda yang lain.

Gambar 1. Perpindahan Kalor pada Heat Exchanger Pada dasarnya prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu memindahkan panas dari dua fluida padatemperatur berbeda di mana transfer panas dapat dilakukan secara langsung ataupun tidak langsung. a. Secara kontak langsung Panas yang dipindahkan antara fluida panas dan dinginmelalui permukaan kontak langsung berarti tidak ada dinding antara kedua fluida.Transfer panas yang terjadi yaitu melalui interfase / penghubung antara kedua fluida.Contoh: aliran steam pada kontak langsung yaitu 2 zat cair yang immiscible (tidak dapat bercampur), gas-liquid, dan partikel padat-kombinasi fluida. b. Secara kontak tak langsung Perpindahan panas terjadi antara fluida panas dandingin melalui dinding pemisah. Dalam sistem ini, kedua fluida akan mengalir.

2.5 Penukar Panas Cangkang dan Buluh (Shell and Tube Heat Exchanger) Alat penukar panas cangkang dan buluh terdiri atas suatu bundel pipa yang dihubungkan secara parallel dan ditempatkan dalam sebuah pipa mantel (cangkang). Fluida yang satu mengalir di dalam bundel pipa, sedangkan fluida yang lain mengalir di luar pipa pada arah yang sama, berlawanan, atau bersilangan. Kedua ujung pipa tersebut dilas pada penunjang pipa yang menempel pada mantel. Untuk meningkatkan effisiensi pertukaran panas, biasanya pada alat penukar panas cangkang dan buluh dipasang sekat (baffle). Ini bertujuan untuk membuat turbulensi aliran fluida dan menambah waktu tinggal (residence time), namun pemasangan sekat akan memperbesar pressure drop operasi dan menambah beban kerja pompa, sehingga laju alir fluida yang dipertukarkan panasnya harus diatur.

Gambar 2. Shell and Tube Heat Exchanger Jenis penukar panas shell and tube yang digunakan adalah 1 shell pass dan 2 tube pass (1-2 Exchanger) seperti gambar dibawah ini.

Gambar 3. Skema Shell and Tube Heat Exchanger

Alat yang digunakan dalam praktikum mempunyai ukuran: 

Panjang pipa dan shell : 1200 mm



Diameter shell

: 375 mm



Diameter pipa luar

: 32 mm



Diameter pipa dalam

: 27,8 mm



Jumlah sekat

: 13

Susunan pipa dalam shell dapat berbentuk in-line (a) dan staggered (b)

Gambar 4. Susunan Pipa dalam Shell Sedangkan susunan pipa yang ada didalam alat yang digunakan adalah in-line (a) dan ratio antara Sn/D = Sp/D = 1.25. Gambar profil temperatur dari penukar panas ini adalah:

Gambar 5. Profil Temperatur dari Shell and Tube Heat Exchanger 2.6. Menghitung Koefisien Pindah Panas Keseluruhan (U) a. Menggunakan Neraca Energi Q=U . A . △ T m U=

Q A.△Tm

△Tm = FT.△Tlm Efisiensi kalor yang dipertukarkan: η=

Q 2 ( M .Cp . △ T ) 2 = x 100 Q 1 ( M .Cp . △ T ) 1

Q2

= Kalor yang diberikan fluida panas (watt)

Q1

= Kalor yang diterima fluida dingin (watt)

A

= Luas Permukaan (m2)

U

= Koefisien Pindah panas Keseluruhan (W/m2.K)

△Tlm = Perbedaan Suhu logaritmik (K) △ T lm=

△ T 1 −△ T 2 △T1 ln △T2

Untuk Aliran Counter-current △T1 = Thi – Tco △T2 = Tho – Tci Untuk Aliran Co-current △T1 = Tho – Tco △T2 = Thi – Tci Harga FT dapat diperoleh dari kurva dibawah :

Gambar 6. Grafik Hubungan Y terhadap FT b. Menghitung (U) Menggunakan Persamaan Empiris Untuk pipa sepanjang L: U=

U=

1 1 △X 1 + + hi. Ai K . Ar hoAo 1 ro ln ⁡( ) 1 ri 1 + + hi.2 π . ri . L K .2 π . L ho .2 π . ro . L

hi = Koefisien pindah panas konveksi inside (W/m2.K) ho = Koefisien pindah panas konveksi outside (W/m2.K) K

= Koefisien Konduksi (W/m.K)

Harga (ri,ro) dan L dapat diukur dari alat, harga K bahan SS-204 dapat diperoleh dari buku referensi dan hi dan ho dihitung dari persamaan empiris. Persamaan untuk menghitung hi Untuk aliran laminer Nre < 2100

N NU =

hi. D D 1/ 3 μb 0,14 =1,86[ N ℜ . N Pr . ] [ ] K L μw

Untuk aliran turbulen Nre> 6000 dan L/D > 60 1

N NU =

hi. D μb 0,14 =0,027 [ N ℜ] 0,8 [N Pr ] 3 [ ] K μw

Koreksi harga hi apabila L/D < 60 ; 2 < (L/D) < 20 hi' D 0,7 =1+[ ] hi L 20 < (L/D) < 60 hi' D =1+6 [ ] hi L Untuk Aliran transisi

Gambar 7. Grafik Aliran Transisi Persamaan Untuk Menghitung ho Nℜ ¿ ¿ N Nu =C . ¿ Harga m dan C dapat diperoleh dari tabel dibawah: Tabel 1. Harga m dan C pada Susunan Pipa

Darga D untuk menghitung Nre diperoleh dengan pendekatan : D=

√

4. Ae π

Ae Adalah luas efektif yang dilewati fluida diantara pipa dalam anulus, yaitu luas permukaan penempang shell dikurangi jumlah luas penampang semua pipa.

III. 3.1

PROSEDUR PERCOBAAN Alat dan Bahan 1. Seperangkat alat shell and tube 2. Sumber steam 3. Fluida (air)

3.2

Cara Kerja

Atur laju air dingin, lalu atur laju air panas dengan menggunakan steam

Pastikan semua kerangka sudah siap

lakukan percobaan untuk variasi aliran panas tetap dan aliran dingin tetap. lakukan pengamatan setiap 5 menit sekali

IV.

PENGOLAHAN DATA

4.1

Laju Alir Fluida Panas Tetap Laju Fluida Panas = 3 liter/jam  Perhitungan △T1 dan △T2 Untuk Aliran Counter-current Laju Fluida Dingin (L/h) 2 3 4 5

Suhu (0C) Thi 66 66 60 60

Tho 34 33 33 32

 Perhitungan

△ T lm

Laju Fluida Dingin (L/h) 2 3 4 5

Tci 22 22 24 24

△ T 1−△ T 2 1 3 7 9

Tco 30 36 38 38

△ T1 ln △ T2 0.10 0.29 0.69 0.92

△T1 = Thi – Tco

△T2 = Tho – Tci

11 12 14 15

10 9 7 6

△ T 1 −△ T 2 △T 1 ln △T 2 10.49 10.43 10.10 9.82

△ T lm=

 Mencari Harga FT dapat diperoleh dari kurva dibawah :

Laju Fluida Dingin

Tco-Tci

Thi-Tci

(L/h) 2 3 4 5

Y= Tco−Tci Thi−Tci

12 12 9 9

23 24 23 24

0.52 0.50 0.39 0.38

Thi-Tho

Z= Thi−Tho Tco−Tci

FT

13 15 16 18

1.08 1.25 1.78 2.00

0.87 0.70 0.67 0.63

 Perhitungan △Tm Laju Fluida Dingin (L/menit) 2 3 4 5

FT

△ T lm=

0.87 0.70 0.67 0.63

△ T 1 −△ T 2 △T1 ln △T2

△ T m = FT . △Tlm

10.49 10.43 10.10 9.82

9.1263 7.301 6.767 6.1866

 Perhitungan U 

Luas Permukaan Panjang pipa dan shell (L) : 1200 mm Diameter shell (D) : 375 mm Luas Permukaan (A) = π DL = π (0.375 m)(1.2 m) = 1.413 m2



Perhitungan Q m = ρ.F Q = m.Cp. △T

Laju Fluida Dingin (m3/h) 0.002 0.003 0.004 0.005

△T1

△T2

ρ1 (kg/m3)

ρ2 (kg/m3)

m1 (kg/h)

m2 (kg/h)

Cp 1 (kJ/kg oC)

Cp 2 (kJ/kg 0C)

11 12 14 15

10 9 7 6

999.68 999.58 999.33 999.19

999.68 999.85 999.96 999.99

2.00 3.00 4.00 5.00

2.00 3.00 4.00 5.00

4.191 4.189 4.187 4.186

4.192 4.194 4.198 4.2

Laju Fluida Dingin (L/h)

Qdingin Qpanas (J) (J)

2 3 4 5

92172.5 90.9308 150741 75.1098 234315 50.163 313696 40.1659 U

Laju Fluida Dingin (L/h) 2 3 4 5

4.2

83813.2 113221 117539 125999

η (%)

A (m2)

△Tm

Qrata-rata (J)

1.413 1.413 1.413 1.413

9.1263 7.301 6.767 6.1866

88.021 132.021 176.008 219.975

Q A . △Tm 20 (J/m C) 6.82573 12.7973 18.4075 25.164 ¿

Laju Alir Fluida Dingin Tetap a. Laju Fluida Dingin Tetap = 3 liter/jam  Perhitungan △T1 dan △T2 Untuk Aliran Counter-current Laju Fluida Panas (L/h) 2 3 4 5

Suhu (0C) Thi 47 48 49 50

 Perhitungan Laju Fluida Panas (L/h) 2 3 4 5

Tho 38 38 38 36

Tci 24 24 26 26

Tco 36 36 35 35

△T1 = Thi – Tco

△T2 = Tho – Tci

36 30 22 22

8 16 16 18

△ T lm △ T 1−△ T 2 28 14 6 4

△ T1 ln △ T2 1.50 0.63 0.32 0.20

△ T 1 −△ T 2 △T 1 ln △T 2 18.62 22.27 18.84 19.93

△ T lm=

 Mencari Harga FT dapat diperoleh dari kurva dibawah :

Laju Fluida Panas (L/h)

Tco-Tci

Thi-Tci

8 14 14 14

44 44 36 32

2 3 4 5

Y= Tco−Tci Thi−Tci 0.18 0.32 0.39 0.44

ThiTho 36 28 20 14

Z= Thi−Tho Tco−Tci 4.50 2.00 1.43 1.00

 Perhitungan △Tm Laju Fluida Panas (L/menit) 2 3 4 5

FT

△ T lm=

0.66 0.82 0.85 0.88

△ T 1 −△ T 2 △T1 ln △T2

18.62 22.27 18.84 19.93

△ T m = FT . △Tlm 12.29 18.26 16.01 17.54

 Perhitungan U 

Luas Permukaan Panjang pipa dan shell (L) : 1200 mm Diameter shell (D) : 375 mm Luas Permukaan (A) = π DL = π (0.375 m)(1.2 m) = 1.413 m2

FT 0.66 0.82 0.85 0.88



Perhitungan Q m = ρ.F Q = m.Cp. △T

Laju Fluida Panas (m3/h)

△T1 (0C)

△T2 (0C)

0.002

36

8

993.73

999.91

0.003

30

16

995.71

999.03

0.004

22

16

997.86

999.03

0.005

19

18

998.49

998.68

ρ1 ρ2 3 (kg/m ) (kg/m3)

m1 (kg/h)

m2 (kg/h)

1.9874 6 2.9871 3 3.9914 4 4.9924 5

1.9998 2 2.9970 9 3.9961 2 4.9934

Cp 1 (kJ/kg 0 C)

Cp 2 (kJ/kg o C)

4.178

4.213

4.178

4.185

4.181

4.185

4.182

4.183

Laju Fluida Panas (L/h)

Qdingin (J)

Qpanas (J)

η (%)

2 3 4 5

67401.93 200685.1 267580.2 375973.1

298929.9 374406.9 367140.6 396690.1

22.54774 53.60082 72.88221 94.77753

Laju Fluida Panas (L/h) 2 3 4 5

U A (m2)

△Tm

Qrata-rata (J)

1.413 1.413 1.413 1.413

12.29 18.26 16.01 17.54

183166 287546 317360 386332

Q A . △Tm 20 (J/m C) 10550.4 11143 14024.5 15586.9 ¿

Grafik 4.1.1 Hubungan Koefisien Pindah Panas Keseluruhan terhadap Laju Alir Fluida Panas Tetap 30 25 20

U (J/m2K) 15 10 5 0 1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

Laju Alir (L/h)

Grafik 4.1.2 Hubungan Koefisien Pindah Panas Keseluruhan terhadap Laju Alir Fluida Dingin Tetap 18000 16000 14000 12000 10000

U (J/m2K)

8000 6000 4000 2000 0 1.5

2

2.5

3

3.5

Laju Alir (L/h)

4

4.5

5

5.5

Grafik 4.1.3 Hubungan Efisiensi terhadap Laju Alir Fluida Panas Tetap 100 90 80 70 60

Efisiensi (%)

50 40 30 20 10 0 1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

Laju Alir (L/h)

Grafik 4.1.4 Hubungan Efisiensi terhadap Laju Alir Fluida Dingin Tetap 100 90 80 70 60

Efisiensi (%)

50 40 30 20 10 0 1.5

2

2.5

3

3.5

Laju Alir (L/h)

4

4.5

5

5.5